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Die Initiation der DNA-Replikation in Eukaryonten ist ein hochkonservierter Prozess, der in drei Stufen unterteilt werden kann. Im ersten Schritt bindet der „origin recognition complex“ (ORC) an Replikationsorigins innerhalb chromosomaler DNA, wodurch eine Assemblierung des präreplikativen Komplexes an diesen Startpunkten ausgelöst wird. An den ORC lagern sich anschließend die Proteine CDC6 und RLF-B/CDT1 an, die beide schließlich für die Rekrutierung des heterohexameren MCM-Komplexes verantwortlich sind. Durch die Aktivität der Kinase CDC7/DBF4 wird der Origin für den Start der DNA-Replikation lizenziert, sobald die finale Anlagerung des Initiationsfaktors CDC45 den präreplikativen Komplex vervollständigt hat. Ein Ziel der vorliegenden Arbeit war es, das komplexe Netzwerk von Protein-Protein-Interaktionen zwischen den verschiedenen Initiationsfaktoren durch FRET-Studien aufzuklären. Es konnten Interaktionen zwischen MCM5 und MCM3, MCM5 und MCM7, ORC5 und MCM7, sowie CDT1 und MCM6 in vivo nachgewiesen werden. Die vorliegende Arbeit hatte weiterhin die Untersuchung der intrazellulären Lokalisation der sechs murinen MCM-Proteine in Fibroblasten-Zellen der Maus zum Ziel.Lokalisationsstudien der EGFP-gekoppelten MCM-Proteine zeigten, dass die Proteine EGFP-MCM4, MCM4-EGFP, MCM4-NLS-EGFP, EGFP-MCM5, MCM5-EGFP, MCM5-NLS-EGFP, und EGFP-MCM7 u.a. am Centrosom lokalisiert sind. Durch Immunfluoreszenz-Färbung mit Antikörpern gegen eine konservierte Domäne aller sechs MCM-Untereinheiten sowie mit spezifischen MCM3- und MCM6-Antikörpern konnte eine centrosomale Lokalisation auch für die endogenen Proteine nachgewiesen werden. Zusätzlich zu den Lokalisationsanalysen konnte über Immunpräzipitationsstudien gezeigt werden, dass MCM3 und MCM6 mit dem centrosomalen Protein g-Tubulin präzipitierbar sind. Die Tatsache, dass alle Untereinheiten des MCM-Komplexes mit dem Centrosom assoziiert sind, deutet darauf hin, dass die MCM-Proteine am Centrosom als Multiproteinkomplex gebunden sind. Da MCM3 und MCM6 auch in allen Mitose-Stadien an das Centrosom gebunden sind, kann von einer funktionellen Aufgabe dieser Proteine während der Zellteilung ausgegangen werden. Im letzten Teil dieser Arbeit sollte die Funktion der MCM-Proteine am Centrosom durch „knock-down“ des Proteins MCM3 mittels RNA-Interferenz-Studien untersucht werden. Ziel war, ein induzierbares MCM3-siRNA-exprimierendes System zu etablieren. Das gezielte An- und Abschalten der MCM3siRNA-Transkription sollte durch das TetOn-System ermöglicht werden. Bei diesem System wird durch Zugabe von Doxycyclin die Transkription aktiviert, bei Abwesenheit von Doxycyclin wird sie abgeschaltet. Auf dieser Basis wurde der Einfluss von Doxycyclin auf das Wachstumsverhalten der MCM3siRNA-exprimierenden Zelllinie untersucht. Im Vergleich zu NIH/3T3-Zellen und NIH/3T3-TetOn-Zellen konnte eine deutlich reduzierte Proliferation bei Behandlung der Zellen mit Doxycyclin beobachtet werden. Diese Ergebnisse deuten auf eine durch Produktion von MCM3siRNA verursachte Störung des Zellwachstums hin. Zusätzlich beeinflusst die durch Doxycyclin induzierte Synthese von MCM3siRNA die Zellzyklusverteilung. So befinden sich nach Doxycyclinbehandlung mehr Zellen in der G2/M-Phase als in unbehandelten, asynchronen NIH/3T3-Zellen. Die MCM3-Proteinmenge wurde nach 19 Tagen Doxycyclinbehandlung fast vollständig durch die produzierte MCM3siRNA herunterreguliert. Um einen möglichen Einfluss der MCM3siRNA auf andere MCM-Proteine zu untersuchen, wurde der Protein-Level von MCM6 analysiert. Dabei wurde eine vermehrte MCM6-Expression nachgewiesen. Diese Beobachtung deutet darauf hin, dass durch Bildung von MCM3siRNA der Expressions-Level von MCM6 beeinflusst wird. Auffällig häufig lagen in MCM3-„knock-down“-Zellen mehrere Zellkerne vor. Neben Zellen mit zwei Zellkernen finden sich auch Zellen mit einer ungeraden Anzahl an Zellkernen. Demnach durchlaufen die Zellkerne in einer Zelle unterschiedliche Zellzyklusstadien. Die Phänotypen, die nach Transkription der MCM3siRNA beobachtet wurden, sind komplex und zeigen Defekte in zahlreichen Mitose-Stadien. Das Auftreten multinukleärer Zellen ist auf eine fehlende Cytokinese zurückzuführen. Die Mikrotubuli waren in den MCM3-„knock-down“-Zellen nur unzureichend organisiert, wobei sie kaum mit der Zellperipherie verankert waren. Diese Resultate weisen darauf hin, dass die MCM-Proteine neben ihrer essentiellen Rolle in der Ausbildung des präreplikativen Komplexes eine zusätzliche Funktion in der Mitose ausüben.
Ziel der vorliegenden tierexperimentellen Studie war es, Unterschiede im Einheilverhalten der Werkstoffe Titan und VA-Stahl (316L) anhand der Matrixproteine Kollagen Typ I (C1), Kollagen Typ III (C3) und Fibronektin im implantatumgebenden Interface zu untersuchen und darzustellen. Hierzu wurden die Einheilkapseln der Implantate nach subkutaner, intramuskulärer und intraossärer Implantation nach den Bewertungskriterien Kapselqualität, Kapseldicke und Verteilungsmuster der Matrixproteine mittels konventioneller Mikroskopie und Konfokaler Laserscanning Mikroskopie (CLSM) analysiert. Nach subkutaner Implantation zeigten beide Werkstoffe in Übereinstimmung mit den Ergebnissen von SHANNON et al. (1997) vermehrt locker angeordnete, teils parallel orientierte Kollagenfasern mit erhöhtem Zellaufkommen an Fibroblasten und Makrophagen. Nach intramuskulärer Implantation jedoch fanden sich vorwiegend parallel angeordnete, teils dicht gepackte Kollagenfasern mit nur mäßig erhöhtem Zellaufkommen. Intramuskulär eingebrachte Implantate heilten in dünneren Kapseln ein, als subkutan eingebrachte Implantate. Es ergab sich keine Korrelation zu den ermittelten Kapselqualitäten. Dies erstaunt umso mehr, da unter der fortwährenden funktionellen Beanspruchung der intramuskulären Implantate im Bereich der Bauchmuskulatur gegenüber der statischeren Platzierung im subkutanen Rückenfett eine erhöhte Zell- und Matrixreaktion erwartet worden war. Im Lokalisationsvergleich zeigte sich intramuskulär für beide Werkstoffe ein erhöhtes Aufkommen an Fibronektin. Dies könnte auf die erhöhte Stoffwechselaktivität und funktionelle Belastung im Muskelgewebe zurückgeführt werden (ROSENGREN et al. 1994). Nach intraossärer Implantation konnten dünnere Kallusformationen für VA-Stahl gegenüber Titan in allen Proteinfluoreszenzen nachgewiesen werden. Die Qualität der Kallusformation und die histologische Kallusstruktur glichen sich mit zunehmender Implantationsdauer der regulären Knochenstruktur an. Die semiquantitativ beurteilte Verteilung der Matrixproteine mittels CLSM zeigte bei deutlichen Standardabweichungen für beide Werkstoffe erhöhte Fluoreszenz-Intensitäten nur in den implantatnahen Kapselanteilen. In den mittleren und den implantatfernen Kapselabschnitten waren für beide Werkstoffe inkonstant höhere Fluoreszenzwerte gegenüber den Vergleichskollektiven messbar. Der intraossäre Materialvergleich ergab implantatnahe und implantatferne Fluoreszenzmaxima für alle Matrixproteine, die mit zunehmender Implantationsdauer abfielen. Reproduzierbare, materialspezifische Unterschiede waren in Analogie zu BERGER-GORBET et al. (1996) nicht zu finden. In den mittleren Kallusabschnitten konnten reproduzierbare Fluoreszenzunterschiede nur bei Detektion von Kollagen Typ I (C1) in allen Zeitintervallen gesehen werden. Im Vergleich zur Literatur konnte die von VIROLAINEN et al. (1997) beschriebene biphasische Proteinanhäufung, wie auch ein wechselndes Proteinaufkommen (LINDHOLM et al. 1996) nach intraossärer Implantation nicht nachvollzogen werden. Ergänzende Beobachtungen der hier vorgestellten Studie verdeutlichen, dass die lokale, intraossäre Anreicherung von Matrixproteinen, unabhängig von Implantatinsertion oder gar Werkstoffeigenschaften, nach jeglicher Traumatisierung von Knochengewebe den knöchernen Reparationsprozess begleitet. Unter dem Aspekt der Restitutio ad Integrum von Knochenwunden können diese Beobachtungen auf das implantatnahe und das implantatferne Restitutionszentrum übertragen werden. Die Aktivität dieser Restitutionszentren hält bis zum Abschluss der knöchernen Remodellierung über 12 Wochen hinaus an. Dies deckt sich mit Aussagen von STEFLIK et al. (1998), wonach der periimplantäre Knochenumbau langfristig dynamisch bestehen bleibt. Um der zunehmenden Verbreitung nicht nur dentaler Implantate gerecht zu werden, muss auch zukünftig ein besseres Verständnis der Komunikationswege zwischen Implantaten und Biosystemen gewonnen werden. Dies bedeutet für die Herstellung und Weiterentwicklung von Implantaten, dass nicht nur die Werkstoff- und Oberflächenauswahl wichtig ist, sondern auch die funktionell erforderliche Oberflächenstrukturierung auf die gewünschte Wechselwirkung mit Bestandteilen der EZM und den Zellen angepasst sein sollte (THULL 2005). Die CLSM kann hierbei aufgrund der Möglichkeit der 3-dimensionalen in-situ-Darstellung des Implantatinterface biologisch-strukturelle und molekularbiologisch-immunologische Fragestellungen beantworten.
Three-dimensional fluorescence imaging of thick tissue samples with near-molecular resolution remains a fundamental challenge in the life sciences. To tackle this, we developed tomoSTORM, an approach combining single-molecule localization-based super-resolution microscopy with array tomography of structurally intact brain tissue. Consecutive sections organized in a ribbon were serially imaged with a lateral resolution of 28 nm and an axial resolution of 40 nm in tissue volumes of up to 50 \(\mu\)mx50\(\mu\)mx2.5\(\mu\)m. Using targeted expression of membrane bound (m)GFP and immunohistochemistry at the calyx of Held, a model synapse for central glutamatergic neurotransmission, we delineated the course of the membrane and fine-structure of mitochondria. This method allows multiplexed super-resolution imaging in large tissue volumes with a resolution three orders of magnitude better than confocal microscopy.
Cytosine methylation is a conserved epigenetic feature found throughout the phylum Platyhelminthes
(2013)
Background: The phylum Platyhelminthes (flatworms) contains an important group of bilaterian organisms responsible for many debilitating and chronic infectious diseases of human and animal populations inhabiting the planet today. In addition to their biomedical and veterinary relevance, some platyhelminths are also frequently used models for understanding tissue regeneration and stem cell biology. Therefore, the molecular (genetic and epigenetic) characteristics that underlie trophic specialism, pathogenicity or developmental maturation are likely to be pivotal in our continued studies of this important metazoan group. Indeed, in contrast to earlier studies that failed to detect evidence of cytosine or adenine methylation in parasitic flatworm taxa, our laboratory has recently defined a critical role for cytosine methylation in Schistosoma mansoni oviposition, egg maturation and ovarian development. Thus, in order to identify whether this epigenetic modification features in other platyhelminth species or is a novelty of S. mansoni, we conducted a study simultaneously surveying for DNA methylation machinery components and DNA methylation marks throughout the phylum using both parasitic and non-parasitic representatives.
Results: Firstly, using both S. mansoni DNA methyltransferase 2 (SmDNMT2) and methyl-CpG binding domain protein (SmMBD) as query sequences, we illustrate that essential DNA methylation machinery components are well conserved throughout the phylum. Secondly, using both molecular (methylation specific amplification polymorphism, MSAP) and immunological (enzyme-linked immunoabsorbent assay, ELISA) methodologies, we demonstrate that representative species (Echinococcus multilocularis, Protopolystoma xenopodis, Schistosoma haematobium, Schistosoma japonicum, Fasciola hepatica and Polycelis nigra) within all four platyhelminth classes (Cestoda, Monogenea, Trematoda and 'Turbellaria') contain methylated cytosines within their genome compartments.
Conclusions: Collectively, these findings provide the first direct evidence for a functionally conserved and enzymatically active DNA methylation system throughout the Platyhelminthes. Defining how this epigenetic feature shapes phenotypic diversity and development within the phylum represents an exciting new area of metazoan biology.
The zona pellucida (ZP) domain is present in extracellular proteins such as the zona pellucida proteins and tectorins and participates in the formation of polymeric protein networks. However, the ZP domain also occurs in the cytokine signaling co-receptor transforming growth factor beta (TGF-\(\beta\)) receptor type 3 (TGFR-3, also known as betaglycan) where it contributes to cytokine ligand recognition. Currently it is unclear how the ZP domain architecture enables this dual functionality. Here, we identify a novel major TGF-beta-binding site in the FG loop of the C-terminal subdomain of the murine TGFR-3 ZP domain (ZP-C) using protein crystallography, limited proteolysis experiments, surface plasmon resonance measurements and synthetic peptides. In the murine 2.7 angstrom crystal structure that we are presenting here, the FG-loop is disordered, however, well-ordered in a recently reported homologous rat ZP-C structure. Surprisingly, the adjacent external hydrophobic patch (EHP) segment is registered differently in the rat and murine structures suggesting that this segment only loosely associates with the remaining ZP-C fold. Such a flexible and temporarily-modulated association of the EHP segment with the ZP domain has been proposed to control the polymerization of ZP domain-containing proteins. Our findings suggest that this flexibility also extends to the ZP domain of TGFR-3 and might facilitate co-receptor ligand interaction and presentation via the adjacent FG-loop. This hints that a similar C-terminal region of the ZP domain architecture possibly regulates both the polymerization of extracellular matrix proteins and cytokine ligand recognition of TGFR-3.
Background: Searching the orthologs of a given protein or DNA sequence is one of the most important and most commonly used Bioinformatics methods in Biology. Programs like BLAST or the orthology search engine Inparanoid can be used to find orthologs when the similarity between two sequences is sufficiently high. They however fail when the level of conservation is low. The detection of remotely conserved proteins oftentimes involves sophisticated manual intervention that is difficult to automate.
Results: Here, we introduce morFeus, a search program to find remotely conserved orthologs. Based on relaxed sequence similarity searches, morFeus selects sequences based on the similarity of their alignments to the query, tests for orthology by iterative reciprocal BLAST searches and calculates a network score for the resulting network of orthologs that is a measure of orthology independent of the E-value. Detecting remotely conserved orthologs of a protein using morFeus thus requires no manual intervention. We demonstrate the performance of morFeus by comparing it to state-of-the-art orthology resources and methods. We provide an example of remotely conserved orthologs, which were experimentally shown to be functionally equivalent in the respective organisms and therefore meet the criteria of the orthology-function conjecture.
Conclusions: Based on our results, we conclude that morFeus is a powerful and specific search method for detecting remotely conserved orthologs.
Chlamydia trachomatis is an obligate intracellular human pathogen that grows inside a membranous, cytosolic vacuole termed an inclusion. Septins are a group of 13 GTP-binding proteins that assemble into oligomeric complexes and that can form higher-order filaments. We report here that the septins SEPT2, -9, -11, and probably -7 form fibrillar structures around the chlamydial inclusion. Colocalization studies suggest that these septins combine with F actin into fibers that encase the inclusion. Targeting the expression of individual septins by RNA interference (RNAi) prevented the formation of septin fibers as well as the recruitment of actin to the inclusion. At the end of the developmental cycle of C. trachomatis, newly formed, infectious elementary bodies are released, and this release occurs at least in part through the organized extrusion of intact inclusions. RNAi against SEPT9 or against the combination of SEPT2/7/9 substantially reduced the number of extrusions from a culture of infected HeLa cells. The data suggest that a higher-order structure of four septins is involved in the recruitment or stabilization of the actin coat around the chlamydial inclusion and that this actin recruitment by septins is instrumental for the coordinated egress of C. trachomatis from human cells. The organization of F actin around parasite-containing vacuoles may be a broader response mechanism of mammalian cells to the infection by intracellular, vacuole-dwelling pathogens. IMPORTANCE Chlamydia trachomatis is a frequent bacterial pathogen throughout the world, causing mostly eye and genital infections. C. trachomatis can develop only inside host cells; it multiplies inside a membranous vacuole in the cytosol, termed an inclusion. The inclusion is covered by cytoskeletal "coats" or "cages," whose organization and function are poorly understood. We here report that a relatively little-characterized group of proteins, septins, is required to organize actin fibers on the inclusion and probably through actin the release of the inclusion. Septins are a group of GTP-binding proteins that can organize into heteromeric complexes and then into large filaments. Septins have previously been found to be involved in the interaction of the cell with bacteria in the cytosol. Our observation that they also organize a reaction to bacteria living in vacuoles suggests that they have a function in the recognition of foreign compartments by a parasitized human cell.
Analytical ultracentrifugation (AUC) is a first principles based method to determine absolute sedimentation coefficients and buoyant molar masses of macromolecules and their complexes, reporting on their size and shape in free solution. The purpose of this multi-laboratory study was to establish the precision and accuracy of basic data dimensions in AUC and validate previously proposed calibration techniques. Three kits of AUC cell assemblies containing radial and temperature calibration tools and a bovine serum albumin (BSA) reference sample were shared among 67 laboratories, generating 129 comprehensive data sets. These allowed for an assessment of many parameters of instrument performance, including accuracy of the reported scan time after the start of centrifugation, the accuracy of the temperature calibration, and the accuracy of the radial magnification. The range of sedimentation coefficients obtained for BSA monomer in different instruments and using different optical systems was from 3.655 S to 4.949 S, with a mean and standard deviation of (4.304\(\pm\)0.188) S (4.4%). After the combined application of correction factors derived from the external calibration references for elapsed time, scan velocity, temperature, and radial magnification, the range of s-values was reduced 7-fold with a mean of 4.325 S and a 6-fold reduced standard deviation of \(\pm\)0.030 S (0.7%). In addition, the large data set provided an opportunity to determine the instrument-to-instrument variation of the absolute radial positions reported in the scan files, the precision of photometric or refractometric signal magnitudes, and the precision of the calculated apparent molar mass of BSA monomer and the fraction of BSA dimers. These results highlight the necessity and effectiveness of independent calibration of basic AUC data dimensions for reliable quantitative studies.
Dimethyl fumarate (DMF) is approved for disease-modifying treatment of patients with relapsing-remitting multiple sclerosis. Animal experiments suggested that part of its therapeutic effect is due to a reduction of T-cell infiltration of the central nervous system (CNS) by uncertain mechanisms. Here we evaluated whether DMF and its primary metabolite monomethyl fumarate (MMF) modulate pro-inflammatory intracellular signaling and T-cell adhesiveness of nonimmortalized single donor human brain microvascular endothelial cells at low passages. Neither DMF nor MMF at concentrations of 10 or 50 \(\mu\)M blocked the IL-1\(\beta\)-induced nuclear translocation of NF-\(\kappa\)B/p65, whereas the higher concentration of DMF inhibited the nuclear entry of p65 in human umbilical vein endothelium cultured in parallel. DMF and MMF also did not alter the IL-1\(\beta\)-stimulated activation of p38 MAPK in brain endothelium. Furthermore, neither DMF nor MMF reduced the basal or IL-1\(\beta\)-inducible expression of ICAM-1. In accordance, both fumaric acid esters did not reduce the adhesion of activated Jurkat T cells to brain endothelium under basal or inflammatory conditions. Therefore, brain endothelial cells probably do not directly mediate a potential blocking effect of fumaric acid esters on the inflammatory infiltration of the CNS by T cells.
The Proteome Profiles of the Cerebellum of Juvenile, Adult and Aged Rats-An Ontogenetic Study
(2015)
In this study, we searched for proteins that change their expression in the cerebellum (Ce) of rats during ontogenesis. This study focuses on the question of whether specific proteins exist which are differentially expressed with regard to postnatal stages of development. A better characterization of the microenvironment and its development may result from these study findings. A differential two-dimensional polyacrylamide gel electrophoresis (2DE) and matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry (MALDI-TOF-MS) analysis of the samples revealed that the number of proteins of the functional classes differed depending on the developmental stages. Especially members of the functional classes of biosynthesis, regulatory proteins, chaperones and structural proteins show the highest differential expression within the analyzed stages of development. Therefore, members of these functional protein groups seem to be involved in the development and differentiation of the Ce within the analyzed development stages. In this study, changes in the expression of proteins in the Ce at different postnatal developmental stages (postnatal days (P) 7, 90, and 637) could be observed. At the same time, an identification of proteins which are involved in cell migration and differentiation was possible. Especially proteins involved in processes of the biosynthesis and regulation, the dynamic organization of the cytoskeleton as well as chaperones showed a high amount of differentially expressed proteins between the analyzed dates.