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The human genome has been sequenced since 2001. Most proteins have been characterized now and with everyday more bioinformatical predictions are experimentally verified. A project is underway to sequence thousand humans. But still, little is known about the evolution of the human proteome itself. Domains and their combinations are analysed in detail but not all of the human domain architectures at once. Like no one before, we have large datasets of high quality human protein-protein-protein interactions and complexes available which allow us to characterize the human proteome with unmatched accuracy. Advanced clustering algorithms and computing power enable us to gain new information about protein interactions without touching a pipette. In this work, the human proteome is analysed at three different levels. First, the origin of the different types of proteins was analysed based on their domain architectures. The second part focuses on the protein-protein interactions. Finally, in the third part, proteins are clustered based on their interactions and non-interactions. Most proteins are built of domains and their function is the sum of their domain functions. Proteins that share the same domain architecture, the linear order of domains are homologues and should have originated from one common ancestral protein. This ancestor was calculated for roughly 750 000 proteins from 1313 species. The relations between the species are based on the NCBI Taxonomy and additional molecular data. The resulting data set of 5817 domains and 32868 domain architectures was used to estimate the origin of these proteins based on their architectures. It could be observed, that new domain architectures are only in a small fraction composed of domains arisen at the same taxon. It was also found that domain architectures increase in length and complexity in the course of evolution and that different organisms like worm, and human share nearly the same amount of proteins but differ in their number of distinct domain architectures. The second part of this thesis focuses on protein-protein interactions. This chapter addresses the question how new evolved proteins form connections within the existing network. The network built of protein-protein interactions was shown to be scale free. Scale free networks, like the internet, consist of few hubs with many connections and many nodes with few connections. They are thought to arise by two mechanisms. First, newly emerged proteins interact with proteins of the network. Second, according to the theory of preferential attachment, new proteins have a higher chance to interact with already interaction rich proteins. The Human Protein Reference Database provides an on in-vivo interaction data based network for human. With the data obtained from chapter one, proteins were marked with their taxon of origin based on their domain architectures. The interaction ratio of proteins of the same taxa compared to all interactions was calculated and higher values than the random model showed for nearly every taxa. On the other hand, there was no enrichment of proteins originated at the taxon of cellular organisms for the node degree found. The node degree is the number of links for this node. According to the theorie of preferential attachment the oldest nodes should have the most interactions and newly arisen proteins should be preferably attached to them not together. Both could not be shown in this analysis, preferential attachment could therefore not be the only explanation for the forming of the human protein interaction network. Finally in part three, proteins and all their interactions in the network are analysed. Protein networks can be divided into smaller highly interacting parts carrying out specific functions. This can be done with high statistical significance but still, it does not reflect the biological significance. Proteins were clustered based on their interactions and non-interactions with other proteins. A version with eleven clusters showed high gene ontology based ratings and clusters related to specific cell parts. One cluster consists of proteins having very few interactions together but many to proteins of two other clusters. This first cluster is significantly enriched with transport proteins and the two others are enriched with extracellular and cytoplasm/membrane located proteins. The algorithm seems therefore well suited to reflect the biological importance behind functional modules. Although we are still far from understanding the origin of species, this work has significantly contributed to a better understanding of evolution at the protein level and has, in particular, shown the relation of protein domains and protein architectures and their preferences for binding partners within interaction networks.
Identifizierung und Strukturaufklärung von Anthocyanen und ihrer Metabolite erfolgten mit Hilfe der mittels Hochleistungsflüssigchromatographie-Diodenarray-Detektion-Elektro-spray-Tan¬dem¬massen¬spektrometrie (HPLC-DAD-ESI-MS/MS). Quantitative Analysen wurden via HPLC-DAD durchgeführt. Die hierzu erforderlichen Referenzverbindungen wurden mittels präparativer HPLC aus Heidelbeeren isoliert (Reinheit zwischen 85,8% und 99,4%). Der Gehalt an Anthocyanen in den untersuchten Heidelbeerfrüchten lag bei 6 g/kg. Bezüglich der mengen¬mäßigen Verteilung dominierten Delphinidin- und Cyanidin¬glykoside vor den Glykosiden von Malvidin, Petunidin und Peonidin. Als konjugierte Zucker¬reste kamen vor allem Glukose und Galaktose vor, der Gehalt an Arabinosiden war weit geringer. Bei oraler Aufnahme erfolgt ein erster Kontakt der Anthocyane mit Speichel. Daher wurde dessen Wirkung auf die Heidelbeeranthocyane in ex vivo-Studien über einen (unphysio-logisch langen) Zeitraum von bis zu 30 Minuten untersucht. Dabei konnte wurde ins-besondere der Einfluß des pH-Wertes auf die Stabilität der Anthocyane aufgezeigt werden. Zur Simulation des Verhaltens von Anthocyanen im Magen wurden die einzelnen Heidelbeeranthocyane mit künstlichem Magensaft (pH 1,81) über vier Stunden inkubiert. Hier erwiesen sich alle untersuchten Verbindungen als stabil. Die anschließend von uns mit simuliertem Duodenalsekret (pH 7,2) über einen Zeitraum von 24 Stunden durchgeführten Studien zeigten, dass die Anthocyane unterschiedlich starken Modifizierungen unterlagen. Unter den schwach alkalischen Bedingungen wurden vor allem die Glykoside des Delphinidins schnell abgebaut, aber auch die übrigen Anthocyane erwiesen sich unter diesen Bedingungen als nicht stabil; nach 24 h war kein Anthocyan mehr nachweisbar. Um die Metabolisierungsvorgänge der Anthocyane im Dünn- und Dickdarm zu untersuchen, wurden ex vivo-Inkubationen jeweils mit frischem Ileo- bzw. Kolo¬stoma-beutel¬inhalt durchgeführt. Während die Abbaugeschwindigkeit in der ilealen Flüssigkeit vor allem von der pH-Stabilität des Aglykons abhänig war, konnten im Dickdarm einzig die Arabinoside nach einer Stunde noch alle in geringen Konzentrationen identifiziert werden. Die meisten Glukoside und Galaktoside waren zu diesem Zeitpunkt schon vollständig abgebaut. Da im Darm von einer hydrolytischen Spaltung der Anthocyane in Anthocyanidin und Zucker ausgegangen wird, wurde die Metabolisierung von Anthocyanidinen unter physio-logischen pH-Bedingungen untersucht. Neben der jeweiligen Spaltung in das Benzoe¬säure-derivat des B-Ringes sowie Phloroglucinessigsäure traten verschiedene Poly¬merisierungs¬-produkte auf, deren Strukturen nicht aufgeklärt werden konnten. In einer weiteren Versuchsreihe wurde die renale Ausscheidung von Anthocyanen bei Ileostomieprobanden nach oraler Applikation von 300 g Heidelbeeren über einen Zeitraum von acht Stunden untersucht. Es zeigte sich, dass ein Stoma des terminalen Ileums keinen Einfluss auf die Absorption und Metabolisierung der Anthocyane hatte. Die Bilanzierung der Anthocyane im Urin erfolgte als Äquvalente von Malvidin-3-O-glukosid, da nicht alle Anthocyanmetabolite zur Verfügung standen. Der Zeitpunkt der maximalen renalen Anthocyanausscheidung sowie die Menge der ausgeschiedenen Anthocyane waren starken interindividuellen Schwankungen unterworfen. Das Aus¬sscheidungs¬maximum (tmax) lag zwischen 0,5 und zwei Stunden. Bei der ausge¬schiedenen Menge wurden Werte zwischen 0,007% und 0.019% der auf¬ge¬nommenen Anthocyane ermittelt. Aufgrund der literaturbekannten Unterschiede zwischen den in Serum und Urin gefunden Anthocyanmengen ist davon auszugehen, dass es nach Anthocyanverzehr zu Inter-aktionen mit Proteinen in Blut oder Geweben kommt. Mittels Blutfraktionierung wurde das humane Serumalbumin (HSA) als wichtigster Bindungspartner der Anthocyane im Blut identifiziert. Anhand spektroskopischer Methoden war es möglich, die Bindungs¬parameter zu berechnen. Als Bindungsort wurde der hydrophile Eingang der lipophilen Warfarin-Bindungstasche in der Subdomäne IIA des HSA-Moleküls mittels "molecular modelling" identifiziert. Nasschemische Untersuchungen ergaben, dass die Bindung der Anthocyane an HSA diese vor ihrem pH-abhängigen Abbau schützt. Eine signifikante Herab¬setzung der chemischen Abbaugeschwindig¬keit konnte auch für bovines Serumalbumin beobachtet werden. Diese Erkenntnis ließ sich auf andere, mit dem HSA-Molekül nicht strukurverwandte lebensmittelrelevante Albumine übertragen. So zeigten Anthocyane große Stabilität in Milch und Eiklar, wobei die Stabilisierung auf eine Wechselwirkung mit den Proteinen Laktalbumin und Ovalbumin zurückgeführt werden konnte. Die in dieser Arbeit erlangten Erkenntnisse hinsichtlich Absorption, Metabolisierung und systemischer Verfügbarkeit im menschlichen Organismus leisten einen Beitrag zum besseren Verständnis der Wirkungen von Anthocyanen. Die neuen Erkenntnisse der Protein¬bindung sind vor allem für die Bewertung der Verfügbarkeit der Anthocyane in humanem Gewebe relevant.
Host colonization by lymphotropic \(\gamma\)-herpesviruses depends critically on expansion of viral genomes in germinal center (GC) B-cells. Myc is essential for the formation and maintenance of GCs. Yet, the role of Myc in the pathogenesis of \(\gamma\)-cherpesviruses is still largely unknown. In this study, Myc was shown to be essential for the lymphotropic \(\gamma\)-herpesvirus MuHV- 4 biology as infected cells exhibited increased expression of Myc signature genes and the virus was unable to expand in Myc defficient GC B- cells. We describe a novel strategy of a viral protein activating Myc through increased protein stability resulting in increased progression through the cell cycle. This is acomplished by modulating a physiological posttranslational regulatory pathway of Myc. The molecular mechanism involves Myc heterotypic poly- ubiquitination mediated via the viral E3 ubiquitin- ligase mLANA protein. \(EC_5S^{mLANA}\) modulates cellular control of Myc turnover by antagonizing \(SCF^{Fbw7}\) mediated proteasomal degradation of Myc, mimicking \(SCF^{\beta-TrCP}\). The findings here reported reveal that modulation of Myc is essential for \(\gamma\)-herpesvirus persistent infection, establishing a link between virus induced lymphoproliferation and disease.
Despite its significant overexpression in several malignant neoplasms, the expression of RPS27 in the central nervous system (CNS) is widely unknown. We identified the cell types expressing RPS27 in the CNS under normal and disease conditions. We acquired specimens of healthy brain (NB), adult pilocytic astrocytoma (PA) World Health Organization (WHO) grade I, anaplastic PA WHO grade III, gliomas WHO grade II/III with or without isocitrate dehydrogenase (IDH) mutation, and glioblastoma multiforme (GBM). RPS27 protein expression was examined by immunohistochemistry and double-fluorescence staining and its mRNA expression quantified by RT-PCR. Patients’ clinical and tumor characteristics were collected retrospectively. RPS27 protein was specifically expressed in tumor cells and neurons, but not in healthy astrocytes. In tumor tissue, most macrophages were positive, while this was rarely the case in inflamed tissue. Compared to NB, RPS27 mRNA was in mean 6.2- and 8.8-fold enhanced in gliomas WHO grade II/III with (p < 0.01) and without IDH mutation (p = 0.01), respectively. GBM displayed a 4.6-fold increased mean expression (p = 0.02). Although RPS27 expression levels did not affect the patients’ survival, their association with tumor cells and tumor-associated macrophages provides a rationale for a future investigation of a potential function during gliomagenesis and tumor immune response.
Quantitation of Glucocorticoid Receptor DNA-Binding Dynamics by Single-Molecule Microscopy and FRAP
(2014)
Recent advances in live cell imaging have provided a wealth of data on the dynamics of transcription factors. However, a consistent quantitative description of these dynamics, explaining how transcription factors find their target sequences in the vast amount of DNA inside the nucleus, is still lacking. In the present study, we have combined two quantitative imaging methods, single-molecule microscopy and fluorescence recovery after photobleaching, to determine the mobility pattern of the glucocorticoid receptor (GR) and the mineralocorticoid receptor (MR), two ligand-activated transcription factors. For dexamethasone-activated GR, both techniques showed that approximately half of the population is freely diffusing, while the remaining population is bound to DNA. Of this DNA-bound population about half the GRs appeared to be bound for short periods of time (similar to 0.7 s) and the other half for longer time periods (similar to 2.3 s). A similar pattern of mobility was seen for the MR activated by aldosterone. Inactive receptors (mutant or antagonist-bound receptors) show a decreased DNA binding frequency and duration, but also a higher mobility for the diffusing population. Likely, very brief (<= 1 ms) interactions with DNA induced by the agonists underlie this difference in diffusion behavior. Surprisingly, different agonists also induce different mobilities of both receptors, presumably due to differences in ligand-induced conformational changes and receptor complex formation. In summary, our data provide a consistent quantitative model of the dynamics of GR and MR, indicating three types of interactions with DNA, which fit into a model in which frequent low-affinity DNA binding facilitates the search for high-affinity target sequences.
Protocadherins (PCDHs) belong to the cadherin superfamily and represent the largest subgroup of calcium-dependent adhesion molecules. In the genome, most PCDHs are arranged in three clusters, α, β, and γ on chromosome 5q31. PCDHs are highly expressed in the central nervous system (CNS). Several PCDHs have tumor suppressor functions, but their individual role in primary brain tumors has not yet been elucidated. Here, we examined the mRNA expression of PCDHGC3, a member of the PCDHγ cluster, in non-cancerous brain tissue and in gliomas of different World Health Organization (WHO) grades and correlated it with the clinical data of the patients. We generated a PCDHGC3 knockout U343 cell line and examined its growth rate and migration in a wound healing assay. We showed that PCDHGC3 mRNA and protein were significantly overexpressed in glioma tissue compared to a non-cancerous brain specimen. This could be confirmed in glioma cell lines. High PCDHGC3 mRNA expression correlated with longer progression-free survival (PFS) in glioma patients. PCDHGC3 knockout in U343 resulted in a slower growth rate but a significantly faster migration rate in the wound healing assay and decreased the expression of several genes involved in WNT signaling. PCDHGC3 expression should therefore be further investigated as a PFS-marker in gliomas. However, more studies are needed to elucidate the molecular mechanisms underlying the PCDHGC3 effects.
The bloodstream developmental forms of pathogenic African trypanosomes are uniquely susceptible to killing by small hydrophobic peptides. Trypanocidal activity is conferred by peptide hydrophobicity and charge distribution and results from increased rigidity of the plasma membrane. Structural analysis of lipid-associated peptide suggests a mechanism of phospholipid clamping in which an internal hydrophobic bulge anchors the peptide in the membrane and positively charged moieties at the termini coordinate phosphates of the polar lipid headgroups. This mechanism reveals a necessary phenotype in bloodstream form African trypanosomes, high membrane fluidity, and we suggest that targeting the plasma membrane lipid bilayer as a whole may be a novel strategy for the development of new pharmaceutical agents. Additionally, the peptides we have described may be valuable tools for probing the biosynthetic machinery responsible for the unique composition and characteristics of African trypanosome plasma membranes.
Myelin formation during peripheral nervous system (PNS) development, and reformation after injury and in disease, requires multiple intrinsic and extrinsic signals. Akt/mTOR signaling has emerged as a major player involved, but the molecular mechanisms and downstream effectors are virtually unknown. Here, we have used Schwann-cell-specific conditional gene ablation of raptor and rictor, which encode essential components of the mTOR complexes 1 (mTORC1) and 2 (mTORC2), respectively, to demonstrate that mTORC1 controls PNS myelination during development. In this process, mTORC1 regulates lipid biosynthesis via sterol regulatory element-binding proteins (SREBPs). This course of action is mediated by the nuclear receptor RXRg, which transcriptionally regulates SREBP1c downstream of mTORC1. Absence of mTORC1 causes delayed myelination initiation as well as hypomyelination, together with abnormal lipid composition and decreased nerve conduction velocity. Thus, we have identified the mTORC1-RXR gamma-SREBP axis controlling lipid biosynthesis as a major contributor to proper peripheral nerve function.
In dieser Arbeit werden biologisch relevante Oberflächen untersucht, die in der Medizin bzw. in der Biologie eine wichtige Rolle spielen. Die Proteinadsorption auf Implantat-Oberflächen wurde charakterisiert, um wichtige Informationen über den Adsorptionsprozess zu erhalten. Das Fernziel hierbei ist, durch ein umfassendes Wissen über diesen für die Implantation wichtigen Schritt Biomaterialien mit möglichst hoher Gewebeverträglichkeit zu entwickeln. Die Verteilung von Propolis auf der Wachs-Oberfläche von Bienenwaben wurde untersucht, um mehr über dessen Nutzen, der noch nicht vollständig aufgeklärt ist, zu erfahren und um auf mögliche Auswirkungen einer veränderten Wabenstruktur auf die Kommunikation der Honigbienen Rückschlüsse ziehen zu können. Das Ziel des ersten Teils dieser Arbeit war, das Adsorptionsverhalten der Proteine Fibrinogen, Albumin und Fibronektin auf Titandioxid, einem in der Medizin häufig als Implantat eingesetzten Material, zu studieren. Die Adsorption von Proteinen auf der Oberfläche von Implantaten ist ein wichtiger Schritt für die Gewebeverträglichkeit bzw. Biokompatibilität dieser Materialien. Es wurden sowohl die räumliche Verteilung der Proteine auf den Implantat-Oberflächen als auch die durch die Adsorption hervorgerufenen strukturellen Veränderungen der Proteine untersucht. Als Methoden wurden hierfür die Laser-Raster-Mikroskopie (LSM), die Kraftfeldmikroskopie (AFM) sowie die Raman-Spektroskopie eingesetzt. Durch ein umfassendes Wissen über den Adsorptionsprozess der Proteine auf Implantat-Materialien können die Oberflächen der Implantate dahingehend verändert werden, dass es zu einer besseren Proteinadsorption und dadurch zu einer noch geringeren Rate an Abstoßungsreaktionen kommt. Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse können einen Teil zum Verständnis des Adsorptionsprozesses beitragen. Das Ziel des zweiten Teils dieser Arbeit war es, die chemische Zusammensetzung von Propolis (dem Kittharz der Bienen) und Wabenwachs von Apis mellifera carnica Pollm. sowie die räumliche Verteilung von Propolis auf den Waben-Oberflächen zu untersuchen. Hierzu wurden die Raman-Spektroskopie und Raman-Mapping eingesetzt. Es wurden zunächst Raman-Spektren von Propolis-Proben sowie Raman-Spektren von charakteristischen Standardsubstanzen des Propolis aufgenommen. Das Propolis-Spektrum sowie das Wachs-Spektrum wurden durch eine Auswahl an Standardsubstanzen simuliert. Um herauszufinden, welche Harze von den Bienen gesammelt und als Propolis im Stock verwendet werden, wurden von einigen Harzen, die als Propolis-Quellen in Betracht kommen, Raman-Spektren aufgenommen. Es wurde auch analysiert, ob die Kettenlängen der Alkane, aus denen die Wachse bestehen, einen Einfluss auf die Raman-Spektren hat. Mittels Raman-Mapping wurde schließlich die räumliche Verteilung von Propolis auf der Waben-Oberfläche untersucht. Die hier charakterisierten biologisch relevanten Oberflächen spielen eine wichtige Rolle in der Medizin und in der Biologie. Die Analyse mit mikroskopischen und spektroskopischen Methoden verschafft einen Einblick in die Prozesse, die sich an diesen Oberflächen abspielen. Die Proteinadsorption auf Implantat-Oberflächen sind für die Implantationsmedizin von Bedeutung. Es werden ständig neue Materialien entwickelt, die eine möglichst gute Biokompatibilität aufweisen sollen. Erkenntnisse über die Prozesse, die hierfür eine Rolle spielen, helfen bei der Entwicklung neuer Materialien. Die Verteilung von Propolis auf den Wachs-Oberflächen hat einen Einfluss auf die Materialbeschaffenheit der Waben. Dies könnte die Vibrationsweiterleitung beim Schwänzeltanz der Honigbienen, der für deren Kommunikation von Bedeutung ist, beeinflussen. Die Verteilung des Propolis auf den Waben konnte für kleine Ausschnitte gezeigt werden. Inwiefern eine Propolisschicht auf den Stegen der Waben die Vibrationsweiterleitung tatsächlich beeinflusst, muss durch weiterführende Experimente herausgefunden werden.