Chemoresistance is one of the main causes of failure of anticancer chemotherapy. Vacuolar-type ATPase (V-ATPase) is an ATP-dependent proton pump involved in the regulation of the pH in cells, cell organelles and the intracellular space. A significant acidification of the extracellular space and intracellular compartments occurs in connection with the metabolism of tumour cells (glucose metabolism, hypoxia, insufficient blood perfusion of the cancer tissue). Basic drugs are transferred into acidic organelles based on the pH gradient, where they are then protonated and accumulated. This mechanism is called lysosomal sequestration and is one of the mechanisms how tumour cells resist to applied drugs, which then do not reach their target site in cancer cell. An increased expression of V-ATPases has been described in relation to chemoresistance and the progression of tumours. This dissertation is focused on observing the membrane subunit V0d from the complex of V-ATPase and the changes in resistance to ellipticine caused by the silencing of this subunit's gene in human neuroblastoma cell lines UKF-NB-4 (sensitive) and UKF-NB-4ELLI (resistant to ellipticine). The expression of the V0d protein was first examined on mRNA level using real-time polymerase chain reaction (RT-PCR). The silencing of selected...

Chronic hypoxia is a state of oxygen limitation that is common in many aquatic and terrestrial environments. Metabolic suppression is an essential strategy that is used by hypoxia-tolerant champions such as goldfish and naked mole-rats to cope with prolonged low oxygen. This thesis examines the physiological processes used by goldfish and naked mole-rats to survive in low oxygen environments. It proposes a novel mechanism - the remodeling of membrane lipids - to reduce ATP use and production. Temperature (homeoviscous adaptation), diet (natural doping in migrant birds) and body mass (membrane pacemaker of metabolism) have an impact on the lipid composition of membranes that, in turn, modulates metabolism. In chapters 2 and 3 of this thesis, I demonstrate that vertebrate champions of hypoxia tolerance undergo extensive changes in membrane lipid composition upon in vivo exposure to low oxygen. These changes and those observed in hibernating mammals can promote the downregulation of Na⁺/K⁺-ATPase (major ATP consumers), mitochondrial respiration capacity [OXPHOS (phosphorylating conditions), proton leak (non-phosphorylating conditions), cytochrome c oxidase], and energy metabolism (β-oxidation and glycolysis) as discussed in chapters 3 and 4. A common membrane signal regulating the joint inhibition of ion pumps and channels could be an exquisite way to preserve the balance between ATP supply and demand in hypometabolic states. In chapter 5, I show that the reduction in ATP turnover is also orchestrated by mechanisms that involve post-translational and post-transcriptional modifications and epigenetic changes. Membrane remodeling, together with these more traditional molecular mechanisms, could work in concert to cause metabolic suppression.

The Na/K pumps are essential for living system and widely expressed in all eukaryotic cell membranes. By actively transporting sodium ions out of and potassium ions into the plasma membrane, Na/K pumps creates both an electrical and a chemical gradient across the plasma membrane, which are crucial for maintaining membrane potential, cell volume, and secondary active transporting of other solutes, etc. Previously, oscillating electric field with a frequency close to the mean physiological turnover rate was used to synchronize and modulate the Na/K pump molecules. Results showed that the turnover rate of Na/K pumps can be accelerated by folds. However, this what we called first generation synchronization modulation (SM) technique can only synchronize sodium and potassium translocations into their corresponding half cycles. The detailed location of each sodium extrusion and potassium intrusion can not be determined. As a result, the synchronized pumps were uniformly distributed, generating steady-state macroscopic currents. Based on these studies, Dr.Chen developed a new generation synchronization modulation technique. The waveform of original SM by adding an overshoot pulse at the end of each half cycle. This overshoot pulse has a function of energy barrier which will force all of the Na/K pumps into the same state in the pumping cycle until the membrane polarity change. As a result, Na/K pump molecules are not only synchronized into half cycles of oscillating electric field, but individual steps of the pumping cycle. Accordingly, transient pump currents or so called 'pre-steady state' pump currents are generated, from which some detailed information abut the mechanism of Na/K pumps can be dissected. In this dissertation, we firstly characterized the synchronized pump currents by modified SM. The results showed that transient currents were induced at the beginning of each half cycle as expected. The ratio between positive and negative transient currents was close to 3:2, stoichiometric number of Na/K pump. Moreover, the transient currents were significantly reduced in the presence of ouabain in a time dependent manner. In addition, by gradually increasing the frequency of SM electric field in a step-wise fashion, the synchronized pump current can be modulated to the corresponding level. Next,we utilized this technique to study some detailed mechanisms of Na/K pump, including single channel configuration in transmembrane domain and extracellular D2O effect on the turnover rate. Lastly, we extended our study to applications of this new technique and found that the modified Synchronization Modulation technique can significantly hyperpolarize the membrane potential of skeletal muscle fiber in both physiological and high potasssium conditions. During intensive exercise, the interstitial potassium ions are accumulated and temporarily reach a high level, which will attenuate the contraction force and induce muscle fatigue. Na/K pumps are crucial in the maintenance of skeletal muscle excitability and contractility by restoring the Na and K concentration gradients. By accelerating the turnover rate of Na/K pumps, SM can efficiently re-establish the membrane potential and enhance skeletal muscle contractivity, which unleashes its potential in improving certain pathological conditions, such as exercise-induced hyperkalemia.

We have synthesized a new class of photoaffinity analogs, 2',3'-O-(2,4,6-trinitrophenyl)-8-azido-ATP, -ADP and -AMP (TNP- 8N₃ATP, -ADP and -AMP), and their radiolabeled derivatives, and characterized their interaction with the sarcoplasmic reticulum Ca²⁺-ATPase. The TNP-8N₃-nucleotides were synthesized from ATP in three steps involving bromination in the 8-position of the adenine ring followed by displacement with an azido group and then trinitrophenylation of the resulting 8N₃-nucleotide with TNBS. Inclusion of the oxidizing agent, DTNB, in the final reaction was found to be necessary to prevent reduction of the azido group by the released sulfite anion and also elevated the yield of trinitrophenylation to about 80%. Purity was determined spectrophotometrically, as well as by anion exchange TLC and reversed phase HPLC. In the dark, the compounds were found to display most of the features of the parent TNP-nucleotides and interacted with the Ca²⁺-ATPase in a similar way. When activated by illumination, the probes were specifically incorporated into SR vesicles with high efficiency at alkaline pH. The site of labeling was identified as being on the A₁ tryptic fragment.

In this paper we present the inhibitory effect of a variety of structurally modulated/modified polyphenolic compounds on purified F 1 or membrane bound F 1F o Escherichia coli ATP synthase. Structural modulation of polyphenols with two phenolic rings inhibited ATP synthase essentially completely; one or three ringed polyphenols individually or fused together inhibited partially. We found that the position of hydroxyl and nitro groups plays critical role in the degree of binding and inhibition of ATPase activity. The extended positioning of hydroxyl groups on imino diphenolic compounds diminished the inhibition and abridged position enhanced the inhibition potency. This was contrary to the effect by simple single ringed phenolic compounds where extended positioning of hydroxyl group was found to be effective for inhibition. Also, introduction of nitro group augmented the inhibition on molar scale in comparison to the inhibition by resveratrol but addition of phosphate group did not. Similarly, aromatic diol or triol with rigid or planar ring structure and no free rotation poorly inhibited the ATPase activity. The inhibition was identical in both F 1F o membrane preparations as well as in isolated purified F 1 and was reversible in all cases. Growth assays suggested that modulated compounds used in this study inhibited F 1-ATPase as well as ATP synthesis nearly equally.

The aim of this study was to determine if the dietary benefits of bioflavonoids are linked to the inhibition of ATP synthase. We studied the inhibitory effect of 17 bioflavonoid compounds on purified F1 or membrane bound F1Fo E. coli ATP synthase. We found that the extent of inhibition by bioflavonoid compounds was variable. Morin, silymarin, baicalein, silibinin, rimantadin, amantidin, or, epicatechin resulted in complete inhibition. The most potent inhibitors on molar scale were morin (IC50∼0.07mM)>silymarin (IC50∼0.11mM)>baicalein (IC50∼0.29mM)>silibinin (IC50∼0.34mM)>rimantadin (IC50∼2.0mM)>amantidin (IC50∼2.5mM)>epicatechin (IC50∼4.0mM). Inhibition by hesperidin, chrysin, kaempferol, diosmin, apigenin, genistein, or rutin was partial in the range of 40-60% and inhibition by galangin, daidzein, or luteolin was insignificant. The main skeleton, size, shape, geometry, and position of functional groups on inhibitors played important role in the effective inhibition of ATP synthase. In all cases inhibition was found fully reversible and identical in both F1Fo membrane preparations and isolated purified F1. ATPase and growth assays suggested that the bioflavonoid compounds used in this study inhibited F1-ATPase as well as ATP synthesis nearly equally, which signifies a link between the beneficial effects of dietary bioflavonoids and their inhibitory action on ATP synthase.

Previously melittin, the α-helical basic honey bee venom peptide, was shown to inhibit F1-ATPase by binding at the β-subunit DELSEED motif of F1Fo-ATP synthase. Herein, we present the inhibitory effects of the basic α-helical amphibian antimicrobial peptides, ascaphin-8, aurein 2.2, aurein 2.3, carein 1.8, carein 1.9, citropin 1.1, dermaseptin, maculatin 1.1, maganin II, MRP, or XT-7, on purified F1 and membrane bound F1Fo Escherichia coli ATP synthase. We found that the extent of inhibition by amphibian peptides is variable. Whereas MRP-amide inhibited ATPase essentially completely (∼96% inhibition), carein 1.8 did not inhibit at all (0% inhibition). Inhibition by other peptides was partial with a range of ∼13-70%. MRP-amide was also the most potent inhibitor on molar scale (IC50 ∼3.25 μM). Presence of an amide group at the c-terminal of peptides was found to be critical in exerting potent inhibition of ATP synthase (∼20-40% additional inhibition). Inhibition was fully reversible and found to be identical in both F1Fo membrane preparations as well as in isolated purified F1. Interestingly, growth of E. coli was abrogated in the presence of ascaphin-8, aurein 2.2, aurein 2.3, citropin 1.1, dermaseptin, magainin II-amide, MRP, MRP-amide, melittin, or melittin-amide but was unaffected in the presence of carein 1.8, carein 1.9, maculatin 1.1, magainin II, or XT-7. Hence inhibition of F1-ATPase and E. coli cell growth by amphibian antimicrobial peptides suggests that their antimicrobial/anticancer properties are in part linked to their actions on ATP synthase.

In this review we discuss the inhibitory effects of dietary polyphenols and amphibian antimicrobial/antitumor peptides on ATP synthase. In the beginning general structural features highlighting catalytic and motor functions of ATP synthase will be described. Some details on the presence of ATP synthase on the surface of several animal cell types, where it is associated with multiple cellular processes making it an interesting drug target with respect to dietary polyphenols and amphibian antimicrobial peptides will also be reviewed. ATP synthase is known to have distinct polyphenol and peptide binding sites at the interface of α/β subunits. Molecular interaction of polyphenols and peptides with ATP synthase at their respective binding sites will be discussed. Binding and inhibition of other proteins or enzymes will also be covered so as to understand the therapeutic roles of both types of molecules. Lastly, the effects of polyphenols and peptides on the inhibition of Escherichia coli cell growth through their action on ATP synthase will also be presented.

Zu den Eigenschaften eukaryotischer Zellen gehört ihre Kompartimentierung, welche durch die Abtrennung verschiedener Reaktionsräume durch Lipiddoppelschichten erreicht wird. Verschiedene Vesikel-Transportwege verbinden diese Kompartimente miteinander, einer dieser Wege in der Hefe Saccharomyces cerevisiae ist der sogenannte ALP-Weg. Dieser gehört zu den biosynthetischen Wegen, über die neue Proteine an ihren Bestimmungsort gebracht werden, in diesem Falle die Vakuole. Ausgehend vom Golgi-Apparat werden die Vesikel dieses Weges mit Hilfe des Adaptorproteinkomplexes-3 (AP-3) gebildet. Ein weiteres Protein, das eine spezifische Funktion in diesem Weg übernimmt, ist Vps41. Ein aktuelles Modell beschreibt seine Funktion in der Aufnahme der Vesikel an der Vakuole. Es konnte gezeigt werden, das Vps41 mit der sogenannten ear-Domäne von Apl5, einer Untereinheit des AP-3- Komplexes, interagiert. In dieser Arbeit konnte ich nachweisen, dass die Interaktionsstelle im Vps41 innerhalb einer konservierten PEST-Domäne liegt. Eine Deletion dieser Domäne beeinflußte die Funktion des Proteins im ALP-Weg jedoch nicht die in der homotypischen Vakuolenfusion und im CPY-Weg. Eine weitere Eingrenzung des deletierten Bereiches zeigte, dass die PEST-Domäne eine Sequenz enthält, die einem Di-Leucin- Sortierungssignal ähnlich ist. Dieses konnte ich als minimal notwendigen Bereich für die Wechselwirkung mit der Apl5-ear-Domäne bestimmen. Meine Daten zeigen, dass dieser Bereich des Proteins notwendig ist für das Docking der AP-3-Vesikel an der Vakuole. Weiterhin konnte ich eine kompetitive Bindung von Liposomen und Apl5 an die N-terminale Hälfte von Vps41 zeigen. Zusammengefasst und mit aktuellen Veröffentlichungen in Zusammhang gebracht, ergänzen meine Daten das Modell der Funktion von Vps41 in der Vesikelaufnahme an der Vakuole: Vps41 wird durch die Rab-GTPase Ypt7, als deren Effektorprotein, an späte Endosomen gebunden. An dieser stark gekrümmten Membran taucht ein kürzlich identifiziertes ALPS (amphipathic lipid packing sensor)-Motiv im Vps41 in die Membran des Organells ein und zieht so den N-terminalen Bereich mit der Bindestelle für die AP-3-Vesikel an die Oberfläche des Organells wodurch eine verfrühte Fusion der AP-3-Vesikel mit dem Endosom verhindert wird. Erst nach der Reifung zur Vakuole wird die PEST-Domäne für die Bindung an Apl5 verfügbar, da sich die Membrankrümmung ändert. Zusätzlich wird das ALPS-Motiv phosphoryliert, so dass dieses nicht mehr in die Membran eintauchen kann. Erst jetzt ist eine Interaktion zwischen Apl5 und Vps41 und damit eine Fusion der AP-3-Vesikel mit der Vakuole möglich. Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Protonentranslokation durch den Fo-Teil der ATP-Synthase aus Escherichia coli. Durch Mutagenese wurden ATP-Synthasen hergestellt, in denen die beiden für den Protonentransport essentiellen Aminosäurereste D61 in der Untereinheit c und R210 in der Untereinheit a in der α-Helix in der sie liegen, entweder einzeln oder beide zusammen, um je eine Helixwindung nach oben oder unten verschoben wurden. Dies führt zu einer Verlängerung bzw. Verkürzung der Protonenzu- und austrittskanäle. Durch die Untersuchung der Funktionalität dieser ATPasen auf sowohl aktives und passives Protonenpumpen, als auch ATP-Synthese konnte ich zeigen, daß die Position der beiden essentiellen Aminosäurereste cD61 und aR210 zueinander nicht entscheidend ist. Werden beide Reste in die gleiche Richtung verschoben, so daß ihre Position zueinander gleich bleibt, kommt es unabhängig von der Richtung immer zu einem kompletten Funktionsverlust. Weiterhin läßt sich aus meinen Daten folgern, daß die Position des Restes aR210 in der Mitte der Membran wichtig ist. Beim Verschieben des Restes auf die Position 206 (a-up) geht die gesamte Funktion des Fo-Teiles verloren, während das Verschieben auf die Position 214 (a-down) zu einem passiven Ausströmen der Protonen durch den Fo-Teil führt. Die Position des Restes cD61 in der Membran ist flexibler. Obwohl die Repositionierung des Aspartats auf die Position 57 (c-up) jegliche Funktionalität des Fo-Teiles beeinträchtigt, ermöglicht ein Verschieben auf die Position 65 (c-down) aktives und passives Protonenpumpen, sowie die Synthese von ATP.

Struktur, Funktion und Regulation der Plasmamembran V-ATPase von Manduca sexta. Die V-ATPase im larvalen Mitteldarm des Tabakschwärmers Manduca sexta energetisiert die gesamten sekundär aktiven Transportprozesse in diesem Epithel. Sie ist einer der best untersuchten Vertreter dieser Klasse von Ionentransport-ATPasen und hat sich als ideales Objekt für die Untersuchung von Struktur, Funktion und Regulation dieser Proteinfamilie erwiesen. In der vorliegenden Dissertation wurde die Struktur des V1Vo Holoenzyms, des V1 Komplexes und des Vo Komplexes, die Regulation der V-ATPase-Aktivität und die Hemmung der V-ATPase durch Makrolide untersucht. Mit der Modifikation von bestehenden und der Etablierung von neuen Protokollen gelang es das V1Vo Holoenzym, den V1 Komplex und den Vo Komplex in Milligramm-Mengen zu reinigen und damit die Vorraussetzung für neue Erkenntnisse über die Struktur der V-ATPase zu schaffen. Durch N-terminale Sequenzierung, Immunfärbung und/oder MALDI-MS konnten neben den bereits bei M. sexta bekannten Untereinheiten A, B, E, F, G, c und d auch die restlichen Untereinheiten C, D, H, a und e identifiziert werden. Das als Kontamination der V-ATPase häufig auftauchende Protein B´ wurde als ein mitochondriales Hsp60 identifiziert. Bei dem sowohl im Holoenzym als auch im Vo Komplex vorhandenen 26 kDa großen Protein handelt es sich sehr wahrscheinlich um ein Dimer der Untereinheit c und nicht, wie bislang vermutet um deren Isoform c´´. Für die im V1 Komplex nur substöchiometrisch vorhandene Untereinheit C konnte gezeigt werden, dass sie im Gegensatz zur Situation beim V1Vo Holoenzym nur sehr schwach gebunden ist. Sie lässt sich schon unter relativ milden Bedingungen (0,01% C12E10) vom V1 Komplex abtrennen, reassoziiert aber andererseits auch sehr leicht wieder an den V1 Komplex, wie mit einer rekombinanten Untereinheit gezeigt werden konnte. Durch die Behandlung des V1 Komplexes mit chaotropen Ionen ergaben sich Hinweise, die eher auf die Untereinheit D als auf die Untereinheit E als Homolog der V-ATPasen zur g -Untereinheit der F-ATPasen schließen lassen. Durch die Erhöhung der Ionenstärke während eines Reinigungsschrittes gelang es erstmals, die Untereinheit a bei einer Insekten V-ATPase darzustellen. Dies gelang sowohl für das V1Vo Holoenzym als auch für den Vo Komplex und war besonders wichtig, da die Untereinheit als der Favorit für die Bindung der V-ATPase spezifischen inhibitorischen Plecomakrolide angesehen wurde. Wie sich allerdings herausstellte, ist die Untereinheit c des Vo Komplexes die einzige Untereinheit die durch das semisynthetische Concanamycin-Derivat, 9-O-[p-(Trifluoroethyldiazirinyl)-benzoyl]-21,23-dideoxy-23-epi-[125I]Iodo-concanolid A (J-Concanolid A) spezifisch markiert wird. Durch MALDI-MS konnten einige Bereiche der Untereinheit c bestimmt werden, die potentiell mit der Sonde interagieren. Diese Abschnitte befinden sich alle auf der luminalen Seite der Membran. Beim Testen einer Reihe neuer Makrolide zeigte sich erstaunlicherweise, dass Salicylihalamid, Apikularen und Archazolid ähnlich wie Concanamycin A, Bafilomycin A1 und B1, mit einem IC50 von ca. 20 nM die V-ATPase schon bei sehr niedrigen Konzentrationen hemmen. Das ebenfalls getestete Cruentaren lag mit einem IC50 von 60 µM hingegen deutlich höher. Neben Concanamycin und den Bafilomycinen ist auch Archazolid in der Lage, die Markierung durch J-Concanolid A zu unterbinden, was auf eine gemeinsame Bindestelle dieser drei Makrolide hinweist. Die Untersuchung der Enzymaktivität der V-ATPase zeigte zum einen eine deutliche Endprodukthemmung durch das entstehende ADP und zum anderen dass Mg2+ nicht durch Ca2+ zu ersetzten ist, da Ca2+-ATP im Gegensatz zu Mg2+-ATP keinen Protonentransport unterstützt. Für den Mechanismus der Dissoziation des V1Vo Holoenzyms in seinen V1 und Vo Komplex scheinen Nukleotide von entscheidender Bedeutung zu sein. Während das V1Vo Holoenzym praktisch nukleotidfrei ist, sind im abdissoziierten V1 Komplex ein bis zwei Moleküle ADP enthalten. Die Bindung von ADP oder AMP-PNP an das Holoenzym bewirkt keine Dissoziation der V-ATPase. Allerdings genügt bereits die Hydrolyse von nur einem Molekül Mg2+-ATP pro Enzym, um eine Dissoziation zu induzieren. Aus diesem Befund kann geschlossen werden, dass die V-ATPase während der Hydrolyse einen Konformationszustand durchläuft, in dem sie instabil ist und zur Dissoziation neigt.