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Post-synthetic shaping of porosity and crystal structure of Ln-Bipy-MOFs by thermal treatment
(2015)
The reaction of anhydrous lanthanide chlorides together with 4,4'-bipyridine yields the MOFs \(^{2}\)\(_{∞}\)[Ln\(_{2}\)Cl\(_{6}\)(bipy)\(_{3}\)]*2bipy, with Ln = Pr-Yb, bipy = 4,4'-bipyridine, and \(^{3}\)\(_{∞}\)[La\(_{2}\)Cl\(_{6}\)(bipy)\(_{5}\)]*4bipy. Post-synthetic thermal treatment in combination with different vacuum conditions was successfully used to shape the porosity of the MOFs. In addition to the MOFs microporosity, a tuneable mesoporosity can be implemented depending on the treatment conditions as a surface morphological modification. Furthermore, thermal treatment without vacuum results in several identifiable crystalline high-temperature phases. Instead of collapse of the frameworks upon heating, further aggregation under release of bipy is observed. \(^{3}\)\(_{∞}\)[LaCl\(_{3}\)(bipy)] and \(^{2}\)\(_{∞}\)[Ln\(_{3}\)Cl\(_{9}\)(bipy)\(_{3}\)], with Ln = La, Pr, Sm, and \(^{1}\)\(_{∞}\)[Ho\(_{2}\)Cl\(_{6}\)(bipy)\(_{2}\)] were identified and characterized, which can also exhibit luminescence. Besides being released upon heating, the linker 4,4'-bipyridine can undergo activation of C-C bonding in ortho-position leading to the in-situ formation of 4,4':2',2 '':4 '',4'''-quaterpyridine (qtpy). qtpy can thereby function as linker itself, as shown for the formation of the network \(^{2}\)\(_{∞}\)[Gd\(_{2}\)Cl\(_{6}\)(qtpy)\(_{2}\)(bipy)\(_{2}\)]*bipy. Altogether, the manuscript elaborates the influence of thermal treatment beyond the usual activation procedures reported for MOFs.
Sclerosteosis is a rare high bone mass disease that is caused by inactivating mutations in the SOST gene. Its gene product, Sclerostin, is a key negative regulator of bone formation and might therefore serve as a target for the anabolic treatment of osteoporosis. The exact molecular mechanism by which Sclerostin exerts its antagonistic effects on Wnt signaling in bone forming osteoblasts remains unclear. Here we show that Wnt3a-induced transcriptional responses and induction of alkaline phosphatase activity, an early marker of osteoblast differentiation, require the Wnt co-receptors LRP5 and LRP6. Unlike Dickkopf1 (DKK1), Sclerostin does not inhibit Wnt-3a-induced phosphorylation of LRP5 at serine 1503 or LRP6 at serine 1490. Affinity labeling of cell surface proteins with \([^{125} I]\) Sclerostin identified LRP6 as the main specific Sclerostin receptor in multiple mesenchymal cell lines. When cells were challenged with Sclerostin fused to recombinant green fluorescent protein (GFP) this was internalized, likely via a Clathrin-dependent process, and subsequently degraded in a temperature and proteasome-dependent manner. Ectopic expression of LRP6 greatly enhanced binding and cellular uptake of Sclerostin-GFP, which was reduced by the addition of an excess of non-GFP-fused Sclerostin. Finally, an anti-Sclerostin antibody inhibited the internalization of Sclerostin-GFP and binding of Sclerostin to LRP6. Moreover, this antibody attenuated the antagonistic activity of Sclerostin on canonical Wnt-induced responses.
Knochenwachstumsfaktoren (Bone Morphogenetic Proteins, BMPs) sind ubiquitäre, sekretierte Proteine mit vielfältigen biologischen Funktionen. Die Vielfalt an zellulären Prozessen, die durch BMPs reguliert werden, von der Knochenentwicklung und Organhomöostase bis hin zur Neurogenese, erstaunt – und wirft angesichts von teils redundanten, teils spezifischen Funktionen der BMPs Fragen zu den Mechanismen ihrer Signalübermittlung auf. Die Signaltransduktion von BMPs erfolgt wie bei den strukturell verwandten TGF-βs und Activinen durch die ligandeninduzierte Oligomerisierung von transmembranen Serin/Threonin-Kinaserezeptoren, von denen zwei Typen – Typ I und Typ II – existieren. Einer Vielzahl von mehr als 18 BMP-Liganden stehen nach derzeitigem Erkenntnisstand nur vier Typ I und drei Typ II Rezeptorsubtypen für die Bildung von heteromeren Rezeptorkomplexen zur Verfügung. Ein BMP-Ligand kann hochspezifisch nur einen bestimmten Rezeptorsubtyp oder in einer promisken Art und Weise mehrere Rezeptorsubtypen binden. Trotz dieser Bindungspromiskuität üben BMPs ihre biologische Funktion überwiegend hochspezifisch aus, d.h. abhängig vom Liganden werden spezifische zelluläre Prozesse reguliert. Somit stellt sich die Frage, wie die Bildung von heteromeren Ligand-Rezeptor-Komplexen und die Aktivierung definierter intrazellulärer Signalkaskaden zusammenhängen und wie letztlich ein bestimmtes BMP-Signal durch einen „Flaschenhals“, repräsentiert durch die begrenzte Anzahl an Rezeptorsubtypen, in das Zellinnere übermittelt wird. Die Interaktionen zwischen BMP-2 / GDF-5 und den Typ I Rezeptoren BMPR-IA / BMPR-IB sind ein Paradebeispiel für Bindungspromiskuität und -spezifität. Während BMP-2 beide Rezeptoren BMPR-IA und BMPR-IB mit gleicher Bindungsaffinität bindet („promiske Interaktion“), zeigt GDF-5 eine 15-20fach höhere Bindungsaffinität zu BMPR-IB („spezifische“ Interaktion). Dieser Unterschied ist scheinbar gering, aber physiologisch überaus relevant. Um Einblick in die Mechanismen der molekularen Erkennung zwischen den Bindungspartnern zu gewinnen, wurden binäre und ternäre Komplexe aus den Liganden BMP-2 oder GDF-5, den extrazellulären Domänen der Typ I Rezeptoren BMPR-IA oder BMPR-IB sowie der extrazellulären Domäne des Typ II Rezeptors ActR-IIB untersucht. Die hier vorliegende Arbeit beschreibt die strukturelle und funktionelle Analyse dieser Ligand-Rezeptor-Komplexe. Um den Einfluss struktureller Flexibilität auf die BMP Typ I Rezeptor Erkennung näher zu analysieren, wurde zudem die Struktur von BMPRIA in freiem Zustand mittels NMR-Spektroskopie aufgeklärt. Aus Mutagenesedaten und der Kristallstruktur des GDF-5•BMPR-IB-Komplexes lassen sich im Vergleich zu bekannten Kristallstrukturen Merkmale ableiten, mit denen die Ligand-Rezeptor-Bindung und -Erkennung charakterisiert werden kann: (1) Die Hauptbindungsdeterminanten in Komplexen von BMPR-IA und BMPR-IB mit ihren Liganden sind unterschiedlich. Während in Komplexen mit BMPR-IB ein hydrophobes Motiv die Bindungsaffinität bestimmt, trägt in Komplexen mit BMPR-IA eine polare Interaktion signifikant zur Bindungsenergie bei. Ein Vergleich der Strukturen von freien und gebundenen Liganden und Typ I Rezeptoren zeigt, dass interessanterweise diese Hauptbindemotive erst bei der Ligand-Rezeptor-Interaktion entstehen, sodass ein „induced fit“ vorliegt und die Moleküle entsprechend „aufeinander falten“. (2) Die Bindungsspezifität wird durch periphere Schleifen in den Typ I Rezeptoren bestimmt. Wie Untersuchungen von Punktmutationen in BMPR-IA zeigen, die einer krebsartigen Darmerkrankung (Juvenile Polyposis) zugrunde liegen, führt erst die „richtige“ Kombination aus Flexibilität in den Schleifen und Rigidität des Rezeptorgrundgerüsts zu signalaktiven Typ I Rezeptoren mit einer potentiell den Liganden komplementären Oberfläche. Die mangelnde sterische Komplementarität von Ligand- und Rezeptoroberflächen führt zu der niedrigeren Bindungsaffinität von GDF-5 zu BMPR-IA im Vergleich zu BMPR-IB. Interessanterweise zeigen die hier vorgestellten, hochaufgelösten Strukturdaten, dass die Orientierungen/Positionen der Typ I Rezeptoren BMPR-IA und BMPR-IB in den Bindeepitopen der Liganden BMP-2 und GDF-5 variieren. Unter der Voraussetzung, dass die extrazelluläre Domäne, das Transmembransegment und die intrazelluläre Domäne der Typ I Rezeptoren ein starres Element bilden, sollte sich die unterschiedliche Orientierung der extrazellulären Domänen der Typ I Rezeptoren in der Anordnung der Kinasedomänen widerspiegeln und sich auf die Signaltransduktion auswirken. Möglicherweise ist eine bestimmte Anordnung der Kinasedomänen der Typ I und Typ II Rezeptoren für eine effiziente Phosphorylierung bzw. Signaltransduktion erforderlich. Der Vergleich mehrerer Ligand-Typ I Rezeptor-Komplexe zeigt, dass die unterschiedliche Orientierung dieser Rezeptoren möglicherweise vom Liganden abhängt. Angesichts der Bindungspromiskuität unter BMP-Liganden und -Rezeptoren könnten so spezifische Signale übermittelt und spezifische biologische Funktionen reguliert werden. Die in dieser Arbeit vorgestellten Erkenntnisse tragen wesentlich zur strukturellen Charakterisierung der Ligand-Rezeptor-Erkennung in der BMP-Familie bei. Die Frage, warum trotz strukturell hoch homologer Liganden und Rezeptoren und weitgehend konservierten Bindeepitopen eine teils promiske und teils spezifische Interaktion möglich ist, kann nun für die Liganden BMP-2 und GDF-5 sowie den beiden Typ I Rezeptoren BMPR-IA und BMPR-IB beantwortet werden.