Intra- und extrazelluläre ß-Amyloid-Ablagerungen (Abeta) sind ein neuropathologisches Hauptmerkmal der Alzheimerschen Demenz (AD). Aktuelle Studien belegen, dass nicht Abeta-Plaques, sondern Abeta-Oligomere die Schädigung von Synapsen und Nervenzellen verursachen und dass ihre Konzentration gut mit der Schwere der kognitiven Dysfunktion korreliert. Allerdings sind Abeta-Peptide eine heterogene Gruppe schwer wasserlöslicher Peptide mit zahlreichen C- und N-terminalen Modifikationen. Dabei hängt die Tendenz von Abeta-Peptiden Oligomeren zu bilden, ihre proteolytische Resistenz und ihr neurotoxisches Potential maßgeblich von ihrer N-terminalen Struktur ab. Abeta-Peptide, die N-terminal einen Pyroglutamyl-Laktamring (pE-Abeta) aufweisen, machen einen Hauptbestandteil der Abeta-Last in den frühen Stadien der AD aus. Diese modifizierten Abeta-Peptide aggregieren schneller als unmodifiziertes Abeta, sind gegen Proteolyse geschützt und wirken als Aggregationskeim für andere Abeta-Spezies. Das Enzym Glutaminylzyklase (QC) katalysiert die n-terminale pE-Modifikation von Abeta in vitro und in vivo und wird in Neuronenpopulationen gefunden, für die ein starker Verlust von Synapsen und Neuronen im Zusammenhang mit der AD beschrieben wurde. Diese Arbeit stellt die schichtspezifische Verteilung von QC im temporalen Kortex und der hippocampalen Formation von Alzheimerpatienten und Kontrollen vergleichend dar und zeigt einen direkten Zusammenhang zwischen der Überexpression von QC und der Vulnerabilität betreffender Neuronenpopulationen auf. Darüber hinaus bestätigen die vorgestellten Ergebnisse die These, wonach QC und pE-Abeta das Potential haben, nach axonalem Transport eine Kaskade in efferenten Hirnregionen zu initiieren, an deren Ende der Verlust von Nervenzellen steht. Diese Erkenntnisse unterstützen das Interesse an QC als Gegenstand zukünftiger Grundlagenforschung und Wirkstoffentwicklungen für die Therapie der AD.:1. Einleitung 1 1.1. Fallbeispiel 1 1.2. Epidemiologie der Alzheimerschen Erkrankung 1-2 1.3. Derzeitige Pharmakotherapie 2 1.4. Neuropathologie der Alzheimerschen Demenz 3 1.5. Amyloidprozessierung 3-5 1.6. Das Enzym Glutaminylzyklase 7-8 1.7. Fragestellung 8-9 2. Material und Methoden 10 2.1. Humanes Hirngewebe von Alzheimer- und Kontrollfällen 10-11 2.2. Anfertigung von Gefrierschnitten 11 2.3. Kresylviolett-Färbung nach Nissl 12 2.4. Immunhistochemie 12-16 2.5. Vergleich von vier Anti-QC-Antikörpern 17-18 2.6. Zählmethodik 19-22 2.7. Verwendete Hard- und Software 20 3. Ergebnisse 23 3.1. Neuronendichten der untersuchten Hirnregionen in 23-24 Alzheimer- und Kontrollgehirnen 3.2. QC-Immunreaktivitat in Alzheimer- und Kontrollgehirnen 25 3.2.1. QC-Immunreaktivität im temporalen Kortex 25-26 3.2.2. QC-Immunreaktivität im entorhinalen Kortex 27-28 3.2.3. QC-Immunreaktivität im Subikulum und Ammonshorn 29-31 3.3. Stärke der QC-Immunreaktivität in Alzheimer- und Kontrollgehirnen 32 3.3.1. Stärke der QC-Immunreaktivität im temporalen Kortex 32-33 3.3.2. Stärke der QC-Immunreaktivität im entorhinalen Kortex 34-35 3.4. Schichtspezifische Verteilung der QC-Immunreaktivität im temporalen und entorhinalen Kortex in Alzheimer- und Kontrollgehirnen 36-38 3.5. QC-Immunreaktivität der Ammonshornregionen CA1 – CA4 39-40 4. Diskussion 41 4.1. Abeta-Spezies und QC in der AD 41-42 4.2. QC im temporalen Kortex 42-44 4.3. QC im entorhinalen Kortex 44-47 4.4. QC im Hippocampus 47-49 4.5. Regionale, schichtspezifische und neuronale Verteilung von QC 49-51 4.6. Ausblick 51-53 5. Zusammenfassung (Deutsch und Englisch) 54-55 6. Literaturverzeichnis 56-65 7. Anhang 66 7.1. Färbeprotokoll für Immunhistochemie 66 7.2. Erklärung über die eigenständige Abfassung der Arbeit 67 7.3. Lebenslauf 68 7.4. Danksagung 69 / Intra- and extracellular s-amyloid (Abeta) deposits are a major neuropathological hallmark of Alzheimer\''s disease (AD). Recent studies demonstrate that Abeta oligomers rather than Abeta plaques cause severe damage of synapses and nerve cells and in addition the concentration of Abeta oligomers correlates well with the severity of cognitive dysfunction. However, Abeta peptides are a heterogeneous group of poorly water-soluble peptides with various C- and N-terminal modifications. Biophysical properties of these peptides such as their propensity to form oligomers, their proteolytic resistance and their neurotoxic potential particularly depends on their N-terminal structure. Abeta-peptides that contain a pyroglutamyl-a-lactam ring at their N-Terminus (pE-Abeta) constitute a major component of the Abeta load in the early stages of AD. These modified Abeta-peptides aggregate faster than unmodified Abeta, are protected against proteolysis and act as aggregation seed for other Abeta-species. The enzyme glutaminyl cyclase (QC)catalyzes the cyclization of Abeta to pE-Abeta in vitro and in vivo and is found in neuronal populations for which a strong loss of synapses and neurons in the context of AD is described. This thesis presents the layer-specific distribution of QC in the temporal cortex and the hippocampal formation of Alzheimer\''s patients and controls, showing a direct correlation between the overexpression of QC and the vulnerability of respective neuronal populations. Moreover, the presented results confirm the hypothesis that QC and pE-Abeta have the potential to initiate a cascade leading to the loss of nerve cells due to axonal transport and release in efferent brain regions. These findings support the interest in QC as a subject of fundamental research and future drug developments for the treatment of AD.:1. Einleitung 1 1.1. Fallbeispiel 1 1.2. Epidemiologie der Alzheimerschen Erkrankung 1-2 1.3. Derzeitige Pharmakotherapie 2 1.4. Neuropathologie der Alzheimerschen Demenz 3 1.5. Amyloidprozessierung 3-5 1.6. Das Enzym Glutaminylzyklase 7-8 1.7. Fragestellung 8-9 2. Material und Methoden 10 2.1. Humanes Hirngewebe von Alzheimer- und Kontrollfällen 10-11 2.2. Anfertigung von Gefrierschnitten 11 2.3. Kresylviolett-Färbung nach Nissl 12 2.4. Immunhistochemie 12-16 2.5. Vergleich von vier Anti-QC-Antikörpern 17-18 2.6. Zählmethodik 19-22 2.7. Verwendete Hard- und Software 20 3. Ergebnisse 23 3.1. Neuronendichten der untersuchten Hirnregionen in 23-24 Alzheimer- und Kontrollgehirnen 3.2. QC-Immunreaktivitat in Alzheimer- und Kontrollgehirnen 25 3.2.1. QC-Immunreaktivität im temporalen Kortex 25-26 3.2.2. QC-Immunreaktivität im entorhinalen Kortex 27-28 3.2.3. QC-Immunreaktivität im Subikulum und Ammonshorn 29-31 3.3. Stärke der QC-Immunreaktivität in Alzheimer- und Kontrollgehirnen 32 3.3.1. Stärke der QC-Immunreaktivität im temporalen Kortex 32-33 3.3.2. Stärke der QC-Immunreaktivität im entorhinalen Kortex 34-35 3.4. Schichtspezifische Verteilung der QC-Immunreaktivität im temporalen und entorhinalen Kortex in Alzheimer- und Kontrollgehirnen 36-38 3.5. QC-Immunreaktivität der Ammonshornregionen CA1 – CA4 39-40 4. Diskussion 41 4.1. Abeta-Spezies und QC in der AD 41-42 4.2. QC im temporalen Kortex 42-44 4.3. QC im entorhinalen Kortex 44-47 4.4. QC im Hippocampus 47-49 4.5. Regionale, schichtspezifische und neuronale Verteilung von QC 49-51 4.6. Ausblick 51-53 5. Zusammenfassung (Deutsch und Englisch) 54-55 6. Literaturverzeichnis 56-65 7. Anhang 66 7.1. Färbeprotokoll für Immunhistochemie 66 7.2. Erklärung über die eigenständige Abfassung der Arbeit 67 7.3. Lebenslauf 68 7.4. Danksagung 69

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Strukturelle Untersuchungen mittels Lösungs-NMR Spektroskopie sind für supramolekulare Maschinen mit Molekulargewichten von mehr als 150 kDa nur beschränkt möglich. Die Festkörper-NMR mit Probenrotation im sogenannten magischen Winkel (MAS) stellt dagegen eine molekulargewichtsunabhängige Methode dar. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine neue Methode entwickelt, die die MAS NMR Spektroskopie an supramolekularen Komplexen in Lösung erlaubt. Proteinlösungen bilden demnach durch MAS und dessen Ultrazentrifugationseffekt homogene Proteinsedimente aus, in denen die rotatorische Diffusion großer Proteinkomplexe überwiegend aufgehoben ist. Auf diese Weise können klassische Festkörper-NMR Methoden angewandt werden, ohne dass Präzipitations- oder Kristallisationsverfahren erforderlich sind. In Kombination mit Proteindeuterierung, Protonendetektion sowie paramagnetischer Relaxationsverstärkung ermöglichte diese neuartige Methode die Zuordnung von Rückgrat-Amidresonanzen des 20S Proteasoms mit einem Molekulargewicht von 1,1 MDa. Weiterhin wurde diese Methode zur Untersuchung des kleinen Hitzeschockproteins alpha-B-Crystallin und dessen Cu(II)-Bindungseigenschaften genutzt. Das Chaperon (600 kDa) spielt eine wesentliche Rolle in der zellulären Proteinhomeostase. Verschiedenste NMR Techniken und andere biophysikalische Methoden zeigen, dass die konservierte alpha-Crystallin-Domäne ein Cu(II)-Ion nahe der Monomer-Monomer Interaktionsfläche mit pikomolarer Affinität bindet. Die Cu(II)-induzierte Freilegung von Substrat-Interaktionsflächen und Veränderungen in der dynamischen Quartärstruktur modulieren so die oligomere Architektur und die Chaperonaktivität von alpha-B-Crystallin. Die hier erstmals beschriebene MAS NMR Spektroskopie von sedimentierten Biomolekülen legt einen wichtigen Grundstein für zukünftige Struktur- und Dynamikuntersuchungen an großen molekularen Maschinen. / Structural investigations of large biomolecules by solution-state NMR are challenging in case the molecular weight of the complex exceeds 150 kDa. Magic-angle-spinning (MAS) solid-state NMR is a powerful tool for the characterization of biomolecular systems irrespective of their molecular weight. In this work, an approach was developed, which enables the investigation of supramolecular modules by MAS NMR. Protein solutions can yield fairly homogeneous sediments due to the ultracentrifugal forces during MAS. Since rotational diffusion is impaired, typical solid-state NMR techniques can thus be applied without the need of precipitation or crystallization. This new approach in combination with protein deuteration, proton-detection and paramagnetic relaxation enhancement enabled the observation and the assignment of backbone amide resonances of a 20S proteasome assembly with a molecular weight of 1.1 MDa. Similarly, the approach was used to characterize the small heat-shock protein alpha-B-crystallin with respect to its Cu(II)-dependent chaperone activity. The chaperone (600 kDa) plays an essential role in cellular protein homeostasis. We show that the conserved alpha-crystallin core domain is the elementary Cu(II)-binding unit specifically coordinating one Cu(II) ion near to the dimer interface with picomolar binding affinity. We suggest that Cu(II)-binding unblocks potential client binding sites and alters quaternary dynamics of both the dimeric building block as well as the higher-order assemblies of alpha-B-crystallin. In summary, MAS NMR employed to biomolecules in solution is a very promising tool to explore structural and dynamic properties of large biological machines with no upper size limit.

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Synopsis My research work is focused on: (i) development of novel Fast NMR methods in solution state and their application to metabolomics and small molecules. (ii) NMR based metabolic study of human IVF to assess embryo viability for implantation. The major components of the embryo growth media were identified for evaluating the embryo quality. Described below are the projects carried out towards the dissertation of my PhD. Chapter 1 describes NMR methods which are the foundation stones for new Fast NMR methods developed. Typical 1D and 2D NMR experiments used in metabolomics and statistical methods for analysis are described. A few applications of metabolomics are also covered in the chapter. Chapter 2 describes a new Fast NMR method based on polarization sharing and parallel acquisition using the dual receiver system. The method developed helps in acquiring simultaneously three 2D NMR spectra: 2D [13C-1H] HETCOR, 2D [1H-1H] TOCSY and 2D [13C-1H] HSQC-TOCSY in a single data set. This method achieves a time saving of about two fold. All the experiments are acquired on molecules with natural abundance of 13C. The method was used to assign the side chain atoms (1H and 13C) of two important peptides. i) 12 amino acid residue peptide, which is a part of central linker domain of Human Insulin like Growth Factor Binding Protein-2 known to play a vital role in the IGF system and ii) a 18 amino acid residue peptide which acts as an antimicrobial agent. Chapter 3 describes extension of the Fast NMR method described in chapter 2. The method is combined with G-matrix Fourier Transform NMR spectroscopy. In this method we have acquire simultaneously two 2D NMR experiments and one reduced dimensional 3D experiment. The three experiments are 2D [13C-1H] HETCOR, 2D [1H-1H] TOCSY and GFT (3,2)D [13C-1H] HSQC-TOCSY, which provide complementary information for rapid assignments. GFT (3,2)D [13C-1H] HSQC-TOCSY gives 3D correlations in a 2D manner facilitating high resolution and unambiguous assignments. The experiments were applied for complete assignment of 21 unlabeled metabolite mixtures corresponding to the Innovative Sequential medium (ISM1) used for culturing human embryos for IVF. Further, a 13C multiplicity edition block is added to the method to simplify the resonances assignment in GFT (3,2)D [13C-1H] HSQC-TOCSY. Taken together, experiments provide time gain of order of magnitudes compared to conventional data acquisition. Chapter 4 of the thesis describes a metabolomics study of Human in-vitro fertilization to assess viable embryos of implantation potential using NMR as non-invasive tool. NMR study included the analysis of 127 embryo culture media (Innovative Sequential Media-1) and 29 controls (culture media without embryo) of both day-2 and day-3 transferred. The embryos were divided into 3 categories 1) implanted (successful) 2) transferred not-implanted (unsuccessful) 3) not transferred based on morphological studies. All NMR experiments were acquired with CPMG (T2 filter) incorporated in 1D 1H presaturation pulse scheme. The study was based on estimation of lactate, pyruvate and alanine levels in the embryo culture media (ISM1). The study reveals higher uptake of pyruvate and high pyruvate/alanine ratios in case of implanted embryos compared to one which failed to implant. Present study provides pyruvate/alanine ratio as a biomarker to select the embryos with high implantation potential. The method combined with morphology based assessment or with other biomarkers can be serve as a powerful tool to assess the embryo quality. Chapter 5 describes a novel NMR method for rapid characterization of translation diffusion of molecules in solution either in mixture or pure form. Unlike acquisition of several 2D [13C-1H] HSQC experiments with varying gradients to get diffusion measurement, a single 2D [13C-1H] HSQC is sufficient to measure the diffusion coefficients which is in the linewidths of peaks. The method uses the idea of accordion NMR spectroscopy, wherein gradients are linearly co-incremented with 13C chemical shift evolution period during t1. The methodology speeds up the acquisition by replacing series of 2D [13C-1H] HSQC with single 2D constant time [13C-1H] HSQC. The method was used to monitor the diffusion of metabolites in a time-resolved manner during polymerization of SDS-PAGE gel. Using this method, it was possible to detect the presence of oligomers of diphenylalanine (FF) during its self assembly to form nanotubular structures.