Die Arbeit Synthese dendritischer Redoxverbindungen und deren Einsatz in der Bioanalytik beschreibt die Synthese von Dendrimeren und Dendronen mit benzylisch N-quarternisierten 4,4 -Bipyridinium-Verbindungen (Viologenen) im dendritischen Gerüst. Weiterhin werden Synthesen neuer Nitrilotriessigsäure (NTA)-Verbindungen synthetisiert, die eine disulfidische Gruppe oder einen Pyrrolrest besitzen.Sensorik: Es gelang, in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. Wieczorek, mittels eines massenspezifischen Sensorsystems (QCM) die Analyse zweier Proteine (G-Aktin und C-Untereinheit) bezüglich ihrer Interaktion und Stöchometrie nachzuweisen.NTA modifizierte Elektroden: Es wurden verschiedene NTA-Verbindungen auf Goldelektroden immobilisiert und mittels elektrochemischen Methoden und XPS beschrieben. Darüber hinaus gelang eine NTA Modifizierung einer GC-Elektrode. Eine Polypyrrolfilm-Elektrode, welche aktivierte Propansäureesterseitenkette besitzt, wurde mit Aminobutyl-NTA (AB-NTA) verknüpft. Diese modifizierte Elektrode zeigt reversible Nickelionen Aufnahme bzw. Abgabe.Im Bereich der Multielektronen- bzw. hoch geladenen Labels für Proteine wurden kegelförmige, dendritische Viologenderivaten mit funktionalisierten Fokalpunkt hergestellt und diese mit Proteinen derivatisiert (u.a. Cytochrome C). Der Nachweis der nunmehr pH-unabhängigen Oberflächenladungen des Proteins wurde nachgewiesen. (P. Schön et. al., JACS 2005, 127, 11486).

Interaktion der FO Statoruntereinheiten a und b der ATP-Synthase aus Escherichia coli Die ATP-Synthase nimmt im Energiestoffwechsel vieler Organismen eine zentrale Stellung ein und ist ubiquitär in strukturell und funktionell homologer Form bei eukaryotischen Zellen in der inneren Mitochondrienmembran, der Thylakoidmembran von Chloroplasten und in der Cytoplasmamembran von Prokaryoten zu finden. Besonders zwischen F-, V- und A-Typ ATPasen bestehen strukturelle Ähnlichkeiten im Aufbaus des Gesamtenzyms aus zwei großen Subkomplexen. Darüber hinaus weisen die F-Typ ATPasen aller Organismen hohe Sequenzhomologien auf, welche sich auch in strukturellen Gemeinsamkeiten widerspiegeln. Als "Modellenzym" dient die FOF1 ATPase aus dem Enterobakterium Escherichia coli. Es setzt sich aus acht funktionell verschiedenen Untereinheiten zusammen, die unter Hydrolysebedingungen relativ zueinander rotieren. Die Unterteilung der Enzymstruktur in Rotor (g e -c-Oligomer) und Stator (a 3b 3d ab2) erfordert das Vorhandensein einer stabilisierenden Struktur, dem sog. "second stalk". Im Hinblick auf den Mechanismus der rotierenden ATP-Synthase und dem Modell der elastischen Kopplung erscheint die Untereinheit b geeignet, um die durch das g e -c-Oligomer aufgebaute Rotationsspannung zu speichern. Wie die beiden b Untereinheiten mit den anderen FO Untereinheiten a bzw. c interagieren ist weitgehend unbekannt. In der vorliegenden Dissertation wurden die Untereinheiten a und b auf mögliche Interaktionsstellen mit anderen Enzymuntereinheiten mittels genetisch eingefügte Cysteine und anschließender chemischer Quervernetzung untersucht. In der hier vorgestellten Arbeit konnte gezeigt werden, dass es mit dem Nulllängen Cross-linker Cu(1,10-Phenanthrolin)2SO4 [CuP] in der Region bP28C-bE39C möglich ist, Quervernetzungen zur Untereinheit a zu erzeugen. Mit den heterobifunktionellen Cross-linkern Benzophenon-4-maleimid [BPM] und N-[4-(p-Azidosalicylamido)butyl]-3´-(2´-pyridydithio)propionamid [APDP] vergrößert sich diese Region. Dabei sind die a-b Interaktionen in einer gewissen Periodizität (bP28C, bL29C, bM30C, bA31C, bK38C und bE39C) zu beobachten, was für eine Beteiligung beider b Untereinheiten spricht. Neben dem immunologischen Nachweis durch Antikörper, konnte auch über ein N-terminales Polyhistidinmotiv (His12) gezeigt werden, dass eine Interaktion zwischen den Untereinheiten a und b ausbildet wird. Der aN-His12-b Cross-link kann mittels Ni-NTA Affinitätschromatographie aufgereinigt werden. b-Dimerisierungen konnten für die Reste bS60C, bL65C und die Region bY24C-bA45C nachgewiesen werden. Der relative Abstand der b Untereinheiten zueinander nimmt dabei in ihrem Verlauf vom Cytoplasma in Richtung Membran zu, wie mit den Cross-link Reagenzien CuP, BPM und APDP gezeigt werden konnte. Ausgehend von der Untereinheit a konnten für die Reste aS27C, aN33C, aA130C, aG173C, aP182C, aN184C, aS202C und aG227C ebenfalls CuP vermittelte Quervernetzungen mit der Untereinheit b nachgewiesen werden. Die Reaktion an der Position aS27C weist auf eine cytoplasmatische Lokalisation des N-Terminus hin, die in einem 6 Transmembran-Sekundärstrukturmodell vorgeschlagen wird. Mit BPM konnte die Nähe der Aminosäuren aN33C und aP182C zum c-Oligomer gezeigt werden.

INTRODUÇÃO: acredita-se que o controle glicêmico inadequado, a duração do diabetes melito (DM) e a presença de hipertensão arterial e dislipidemia sejam os fatores de risco mais importantes para o desenvolvimento das complicações microvasculares no DM, contudo, existem inúmeras evidências sugerindo que uma predisposição genética participe da suscetibilidade para o desenvolvimento dessas complicações. Vários genes relacionados aos mecanismos dos danos induzidos pela hiperglicemia têm sido investigados. O papel do estresse oxidativo na patogênese das complicações crônicas do DM vem sendo demonstrado e os genes que codificam enzimas que participam dos mecanismos antioxidantes são candidatos a conferirem suscetibilidade ou proteção contra as complicações crônicas. A glutationa é um dos mais importantes antioxidantes endógenos; no entanto, a associação entre polimorfismos em genes que codificam enzimas que participam desse sistema e complicações crônicas do DM foi pouco explorada na literatura. OBJETIVOS: avaliar a associação de polimorfismos em três genes que codificam enzimas relacionadas ao metabolismo da glutationa com o desenvolvimento de nefropatia e retinopatia em pacientes diabéticos tipo 1. Foram estudados: o polimorfismo -129C/T do gene GCLC, o número de repetições do trinucleotídeo GCG no exon 1 do gene GPX1 e o polimorfismo -65T/C do gene GPX3. CASUÍSTICA E MÉTODOS: 299 pacientes (139 do gênero masculino e 160 do gênero feminino) com DM tipo 1 com mais de 15 anos de diagnóstico e mau controle glicêmico foram divididos conforme presença ou ausência das seguintes complicações: nefropatia diabética (ND) avançada, ND, doença renal crônica (DRC) estágios 3 a 5 e retinopatia diabética proliferativa (RDP). Em cada grupo foram avaliadas as freqüências das variantes alélicas dos três genes estudados. RESULTADOS: a distribuição dos genótipos na população estudada foi consistente com o equilíbrio de Hardy-Weinberg para os três genes analisados. A presença de pelo menos um alelo T do polimorfismo -129C/T do gene GCLC conferiu risco independente para a presença de ND avançada (OR = 2,82 ; IC 95% = 1,13 - 7,05; p = 0,026), para ND (OR = 3,64; IC 95% = 1,27 10,36; p = 0,016) e para DRC estágios 3 a 5 (OR = 5,74; IC 95% = 2,17 15,1; p < 0,001) e a presença de pelo menos um alelo C do polimorfismo -65 T/C conferiu risco independente para a presença de ND avançada (OR = 2,62; IC 95% = 1,19 -5,72, p = 0,022) na população estudada. Não houve associação do número de repetições do trinucleotídeo GCG do gene GPX1 com nenhuma das complicações estudadas. O haplótipo CC_TT, composto pelos alelos selvagens dos genes GCLC e GPX3, foi negativamente associado com ND avançada (OR = 0,32, IC 95% = 0,15 0,66; p = 0,002) e DRC (OR = 0,25; IC 95% = 0,11 - 0,55; p = 0,001). CONCLUSÕES: a presença de pelo menos um alelo T do polimorfismo -129 C/T do gene GCLC e de pelo menos um alelo C do polimorfismo -65 T/C do gene GPX3, ambos associados a uma menor atividade transcricional do respectivo gene, conferiram risco para a presença de complicações renais na população de pacientes estudada. / INTRODUCTION: glycemic control, diabetes duration, systemic hypertension and dyslipidemia have been implicated as main risk factors for the development of diabetic microangiopathy, however there is evidence suggesting that genetic predisposition plays a role in the susceptibility to microvascular complications. Based on underlying pathogenesis, polymorphisms of several genes belonging to multiple pathways have been investigated, like the genes related to mechanisms of hyperglycemia-induced damage. The role of oxidative stress in the pathogenesis of diabetic complication has been increasingly demonstrated and genes coding enzymes involved in antioxidant defense are candidates to confer susceptibility or protection against these complications. Glutathione is one the most important endogen antioxidants, however, the association between polymorphisms in genes related to glutathione metabolism and diabetic complications has not been deeply investigated. OBJECTIVES: to study the association between polymorphisms in three genes which code enzymes related to glutathione metabolism and the development of nephropathy and retinopathy in type 1 diabetic patients: the polymorphism -129 C/T of GCLC, the number of trinucleotide GCG repeats at exon 1 of GPX1 and the polymorphism -65 T/C of GPX3. CASUISTIC AND METHODS: 299 type 1 diabetic patients (139 male and 160 female) with at least 15 years from diagnosis and poor glycemic control were studied. The patients were divided in two groups according to the presence or absence of diabetic complications: with and without diabetic nephropathy (DN), advanced DN, chronic kidney disease (CKD) stages 3 to 5 and proliferative diabetic retinopathy (PDR). RESULTS: The allelic distribution of the three studied polymorphisms was consistent with Hardy-Weinberg equilibrium. The presence of at least one T allele of GCLC 129 C/T was an independent risk factor for advanced DN (OR = 2.82 ; CI 95% = 1.13 -7.05; p = 0.026), for DN (OR = 3.64; CI 95% = 1.27 10.36; p = 0.016) and for CKD stages 3 to 5 (OR = 5.74; CI 95% = 2.17 15.1; p < 0.001) and the presence of at least one C allele of GPX3 -65 T/C was an independent risk factor for advanced DN (OR = 2.62; IC 95% = 1.19 -5.72, p = 0.022) in the studied population. There were no associations between GCG trinucleotide repeats of GPX1 and diabetic complications. The haplotype CC_TT, composed by GCLC and GPX3 wild type alleles, was negatively related to advanced DN (OR = 0.32, CI 95% = 0.15 0.66; p = 0.002) and CKD (OR = 0.25; CI 95% = 0.11 0.55; p = 0.001). CONCLUSIONS: the presence of at least one T allele of -129C/T polymorphism of GCLC and one C allele of -65 T/C polymorphism of GPX3, both associated to a lower transcriptional activity of its genes, conferred risk for renal complications in the studied population.

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INTRODUÇÃO: acredita-se que o controle glicêmico inadequado, a duração do diabetes melito (DM) e a presença de hipertensão arterial e dislipidemia sejam os fatores de risco mais importantes para o desenvolvimento das complicações microvasculares no DM, contudo, existem inúmeras evidências sugerindo que uma predisposição genética participe da suscetibilidade para o desenvolvimento dessas complicações. Vários genes relacionados aos mecanismos dos danos induzidos pela hiperglicemia têm sido investigados. O papel do estresse oxidativo na patogênese das complicações crônicas do DM vem sendo demonstrado e os genes que codificam enzimas que participam dos mecanismos antioxidantes são candidatos a conferirem suscetibilidade ou proteção contra as complicações crônicas. A glutationa é um dos mais importantes antioxidantes endógenos; no entanto, a associação entre polimorfismos em genes que codificam enzimas que participam desse sistema e complicações crônicas do DM foi pouco explorada na literatura. OBJETIVOS: avaliar a associação de polimorfismos em três genes que codificam enzimas relacionadas ao metabolismo da glutationa com o desenvolvimento de nefropatia e retinopatia em pacientes diabéticos tipo 1. Foram estudados: o polimorfismo -129C/T do gene GCLC, o número de repetições do trinucleotídeo GCG no exon 1 do gene GPX1 e o polimorfismo -65T/C do gene GPX3. CASUÍSTICA E MÉTODOS: 299 pacientes (139 do gênero masculino e 160 do gênero feminino) com DM tipo 1 com mais de 15 anos de diagnóstico e mau controle glicêmico foram divididos conforme presença ou ausência das seguintes complicações: nefropatia diabética (ND) avançada, ND, doença renal crônica (DRC) estágios 3 a 5 e retinopatia diabética proliferativa (RDP). Em cada grupo foram avaliadas as freqüências das variantes alélicas dos três genes estudados. RESULTADOS: a distribuição dos genótipos na população estudada foi consistente com o equilíbrio de Hardy-Weinberg para os três genes analisados. A presença de pelo menos um alelo T do polimorfismo -129C/T do gene GCLC conferiu risco independente para a presença de ND avançada (OR = 2,82 ; IC 95% = 1,13 - 7,05; p = 0,026), para ND (OR = 3,64; IC 95% = 1,27 10,36; p = 0,016) e para DRC estágios 3 a 5 (OR = 5,74; IC 95% = 2,17 15,1; p < 0,001) e a presença de pelo menos um alelo C do polimorfismo -65 T/C conferiu risco independente para a presença de ND avançada (OR = 2,62; IC 95% = 1,19 -5,72, p = 0,022) na população estudada. Não houve associação do número de repetições do trinucleotídeo GCG do gene GPX1 com nenhuma das complicações estudadas. O haplótipo CC_TT, composto pelos alelos selvagens dos genes GCLC e GPX3, foi negativamente associado com ND avançada (OR = 0,32, IC 95% = 0,15 0,66; p = 0,002) e DRC (OR = 0,25; IC 95% = 0,11 - 0,55; p = 0,001). CONCLUSÕES: a presença de pelo menos um alelo T do polimorfismo -129 C/T do gene GCLC e de pelo menos um alelo C do polimorfismo -65 T/C do gene GPX3, ambos associados a uma menor atividade transcricional do respectivo gene, conferiram risco para a presença de complicações renais na população de pacientes estudada. / INTRODUCTION: glycemic control, diabetes duration, systemic hypertension and dyslipidemia have been implicated as main risk factors for the development of diabetic microangiopathy, however there is evidence suggesting that genetic predisposition plays a role in the susceptibility to microvascular complications. Based on underlying pathogenesis, polymorphisms of several genes belonging to multiple pathways have been investigated, like the genes related to mechanisms of hyperglycemia-induced damage. The role of oxidative stress in the pathogenesis of diabetic complication has been increasingly demonstrated and genes coding enzymes involved in antioxidant defense are candidates to confer susceptibility or protection against these complications. Glutathione is one the most important endogen antioxidants, however, the association between polymorphisms in genes related to glutathione metabolism and diabetic complications has not been deeply investigated. OBJECTIVES: to study the association between polymorphisms in three genes which code enzymes related to glutathione metabolism and the development of nephropathy and retinopathy in type 1 diabetic patients: the polymorphism -129 C/T of GCLC, the number of trinucleotide GCG repeats at exon 1 of GPX1 and the polymorphism -65 T/C of GPX3. CASUISTIC AND METHODS: 299 type 1 diabetic patients (139 male and 160 female) with at least 15 years from diagnosis and poor glycemic control were studied. The patients were divided in two groups according to the presence or absence of diabetic complications: with and without diabetic nephropathy (DN), advanced DN, chronic kidney disease (CKD) stages 3 to 5 and proliferative diabetic retinopathy (PDR). RESULTS: The allelic distribution of the three studied polymorphisms was consistent with Hardy-Weinberg equilibrium. The presence of at least one T allele of GCLC 129 C/T was an independent risk factor for advanced DN (OR = 2.82 ; CI 95% = 1.13 -7.05; p = 0.026), for DN (OR = 3.64; CI 95% = 1.27 10.36; p = 0.016) and for CKD stages 3 to 5 (OR = 5.74; CI 95% = 2.17 15.1; p < 0.001) and the presence of at least one C allele of GPX3 -65 T/C was an independent risk factor for advanced DN (OR = 2.62; IC 95% = 1.19 -5.72, p = 0.022) in the studied population. There were no associations between GCG trinucleotide repeats of GPX1 and diabetic complications. The haplotype CC_TT, composed by GCLC and GPX3 wild type alleles, was negatively related to advanced DN (OR = 0.32, CI 95% = 0.15 0.66; p = 0.002) and CKD (OR = 0.25; CI 95% = 0.11 0.55; p = 0.001). CONCLUSIONS: the presence of at least one T allele of -129C/T polymorphism of GCLC and one C allele of -65 T/C polymorphism of GPX3, both associated to a lower transcriptional activity of its genes, conferred risk for renal complications in the studied population.

L'unité structurale de la chromatine, nommée nucléosome, est composée d'un double brin d'ADN enroulé autour d'un octamère d'histone, et subit une pléthore de modifications post-traductionnelles. Les conséquences biologiques de l’acétylation des lysines et de l’isomérisation des liaisons peptidyl-prolyl ont été étudiées à travers une analyse à l’échelle atomique par RMN de systèmes d'intérêt reconstitués in vitro. Les liaisons peptidyl-prolyl du domaine N-terminal de l'histone H3 sont substrats in vitro d’une isomérase chez S. cerevisiae nommée Fpr4p, laquelle exerce un contrôle catalyse-dépendant de la transcription. La résolution de la structure du domaine catalytique de Fpr4p, à partir de contraintes géométriques mesurées par RMN, révéla un domaine canonique de la famille FKBP (FK506-binding protein). Grâce à l'analyse de la séquence primaire et aux expériences RMN, nous proposons un modèle structural préliminaire de Fpr4p entière. L'analyse fonctionnelle est réalisée grâce à trois décapeptides construits à partir de la séquence primaire de H3 chez S. cerevisiae. Ils sont tous substrats de Fpr4p et la catalyse est équivalente pour Pro16 et Pro30. La proportion à l'équilibre du conformère cis fut déterminée pour les trois peptides et celle-ci n'est pas affectée par l'activité catalytique de Fpr4p. Les structures en solution des substrats en conformation trans ont été résolues par spectroscopie RMN, et seront utilisées pour des appariements moléculaires in silico sur le domaine catalytique de Fpr4p. Pour étudier le rôle biologique de l'acétylation des histones, une méthodologie de production de protéines acétylées a été développée. Le protocole repose sur la mutation d'une lysine en cystéine d'une protéine recombinante, suivie d'une alkylation contrôlée exploitant la nucléophilie du groupe thiol préalablement introduit. La production de l'agent alkylant adéquat est simple, rapide, réalisable dans un laboratoire de biologie et permet différents marquages isotopiques du groupe acétyle. L'alkylation d'une protéine repliée fut réalisée avec succès en conditions natives. Le dimère d'histone H2A-H2B, un intermédiaire de l'assemblage du nucléosome et siège d'acétylation in vivo, fut reconstruit in vitro. Les déplacements chimiques des domaines N et C-terminaux de H2A sont cohérents avec un état intrinsèquement déstructuré bien que leurs dynamiques moléculaires ne soient pas équivalentes. / The structural unit of chromatin, the nucleosome, is composed of double-stranded DNA wrapped around a histone octamer and is subject to a plethora of post-translational modifications. The biological consequences of peptidyl-prolyl isomerization and lysine acetylation were investigated at atomic scale through analysis of in vitro reconstituted systems by NMR. Peptidyl-prolyl bonds of histone H3 N-terminal domain are substrates in vitro of an isomerase from S. cerevisiae named Fpr4p, which underlies transcriptional control dependent on its catalytic activity. The solution structure of the catalytic domain of Fpr4p was calculated based on restraints from NMR spectroscopy, and reveals a canonical catalytic domain belonging to the FK506-binding protein (FKBP) family. Based on primary sequence analysis and NMR experiments, a preliminary structural model of full length Fpr4p is also presented. Functional analyses were performed with three decapeptides designed from the primary sequence from the N-terminal tail of S. cerevisiae histone H3. All three constitute substrates of Fpr4p, with equivalent catalysis observed for Pro16 and Pro30. The equilibrium proportion of the cis-proline conformer has been determined for all three decapeptides, and these populations are unaffected by Fpr4p catalytic activity. Structural ensembles of the substrates with proline in the trans conformation were determined by using NMR spectroscopy, and will be subsequently used for in silico molecular docking onto Fpr4p. To study a second form of histone regulation, a semi-synthetic method to produce acetylated protein was developed. The protocol relies on the site-specific mutation of lysine to cysteine in recombinant proteins followed by controlled alkylation thanks to nucleophilicity of the introduced thiol. The production of the required alkylation reagent is easy, quick, and suitable for biology laboratory and allows diverse isotopic labeling within the acetyl group. Alkylation of folded proteins has also been achieved in native conditions. As one target of acetylation in vivo, the histone H2A-H2B dimer is an intermediate of nucleosome assembly and was reconstituted in vitro. Chemical shift values of the N- and C-terminal domains of H2A are in agreement with an intrinsically disordered state although they display differences in dynamic mobility.

Kovalente posttranslationale Modifikationen (PTMs) beeinflussen die Struktur und Funktion von Proteinen. Zu den bedeutendsten PTMs zählt die Proteinphosphorylierung. Labile Phosphorylierungen an Cystein- und Lysinresten, sowie Pyrophosphorylierungen an Serin- und Threoninbausteinen sind vermehrt in den Fokus der Wissenschaft gerückt. Trotz großer Fortschritte auf dem Gebiet der Massenspektrometrie (MS) bleibt die Analyse dieser empfindlichen Modifikationen mittels Tandem-MS eine große Herausforderung. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, dass Elektronentransferdissoziation (ETD) in Kombination mit zusätzlicher HCD Aktivierung (EThcD) in der Lage ist, Peptide mit labilen Phosphorylierungen in der Seitenkette unter Erhalt der Modifikation zu fragmentieren. In verschiedenen proteomischen Ansätzen wird demonstriert, dass EThcD eine zweifelsfreie Identifizierung natürlich vorkommender Cysteinphosphorylierungen ermöglicht. Darüber hinaus wurde unter dem Gesichtspunkt der Labilität von Lysinphosphorylierungen ein bottom-up-Phosphoproteomikansatz etabliert. Das MS-Verfahren beruht auf der Generierung eines diagnostischen Phospholysinimmoniumions, welches im zweiten Schritt die Erfassung eines zusätzlichen EThcD-Spektrums desselben Precursorions veranlässt (triggert). Darüber hinaus wird im Zuge dieser Arbeit gezeigt, dass sich pyrophosphorylierte Peptide unter CID-Bedingungen in ihrem Neutralverlustmuster von isobaren diphosphorylierten Peptiden unterscheiden. Dieses Verhalten stellt einen Schlüsselschritt in einer neutralverlustgetriggerten EThcD Methode dar, welche die zweifelsfreie Identifizierung von Pyrophosphorylierungen ermöglicht. Darauf basierend konnten in Hefezellen und humanen embryonalen Nierenzellen die ersten Proteinpyrophosphorylierungen, einer neuen endogenen posttranslationalen Modifikation, nachgewiesen werden. / Covalent posttranslational modifications (PTMs) influence the structure and function of proteins. Protein phosphorylations belong to the most important PTMs. Rarely characterized labile phosphorylations, for instance phosphorylations of cysteine and lysine and pyrophosphorylations of serine and threonine residues got into the focus of science. However, the analysis of those delicate modifications via tandem mass spectrometry remains a challenge. In the present work, it is shown that electron-transfer dissociation (ETD) combined with HCD supplemental activation (EThcD) is able to fragment peptides with labile phosphorylations at the side chains without losing the modification. In several bottom-up proteomic approaches, EThcD allowed the reliable identification of a naturally occurring cysteine phosphorylation. Moreover, methods for identification of lysine phosphorylations were developed. For the proteome wide analysis of lysine phosphorylations, considering the lability, a bottom-up phosphoproteomic approach with a highly selective mass spectrometry method was established. The MS-method relies on the generation of diagnostic phospholysine immonium ions during HCD, which trigger in a second step an additional EThcD spectrum of the same precursor ion. This strategy ensures the confident identification of lysine phosphorylated peptides. Furthermore, the present work shows that isobaric pyro- and diphosphorylated peptides differ in their neutral loss pattern during CID. This behavior was a key step in a specific neutral loss triggered EThcD method, which enabled the reliable identification of pyrophosphorylations. This method allowed the identification of the first protein pyrophosphorylations, a new endogenous PTM, in yeast and human embryonic kidney cells.

In dieser Arbeit wurden ungesättigte Vinyl- und Ethynylphosphonothiolate hergestellt und als Linker für Cystein-selektive Proteinmodifikationen verwendet. Zunächst wurde, ausgehend von ungesättigten Phosphoniten und elektrophilen Disulfiden als Startmaterialien, eine Syntheseroute zur Herstellung von ungesättigten Phosphonothiolaten entwickelt. Die hohe Chemoselektivität dieser Reaktion ermöglichte die Einführung von Vinylphosphonothiolaten auf ungeschützten Modellpeptiden und dem Protein Ubiquitin. Es konnte gezeigt werden, dass ungesättigte Phosphonothiolate unter neutralen bis leicht basischen Bedingungen selektiv mit Thiolen reagieren und sich daher als Linker für Cystein-selektive Proteinmodifikationen eignen. Die Vielseitigkeit der hier entwickelten Biokonjugationsmethode wurde in drei Anwendungen demonstriert. Ausgehend von dem Vinylphoshonothiolat-modifizierten Ubiquitin konnten homogene Ubiquitin-Protein-Konjugate erzeugt werden; zum einen ein nicht hydrolysierbares Diubiquitin-Konjugat und zum anderen ein Ubiquitin-α–Synuclein-Konjugat. Des Weiteren wurden ungesättigte Phosphonothiolate als Linker in Antikörper-Wirkstoff-Konjugaten getestet. Hier zeigte sich, dass insbesondere Vinylphosphonothiolat-Linker Potential zur Herstellung von stabilen Antikörper-Konjugaten aufweisen. Schließlich wurden Vinylphosphonothiolate als Linker verwendet, um sowohl Chaperon-bindende Antikörper als auch Deubiquitinasen (DUBs) mit photoreaktiven Crosslinkern auszustatten um damit dynamische Protein-Interaktionen zu untersuchen. Insgesamt ermöglicht das hier entwickelte Verfahren die chemoselektive Umwandlung von elektrophilen Disulfiden in elektrophile Vinyl- und Ethynylphosphonothiolate, wodurch Reaktivität für eine Thioladdition induziert wird. Dadurch können zwei komplexe, thiolhaltige Moleküle selektiv konjugiert werden, was insbesondere für die Herstellung von homogen modifizierten Peptid- und Proteinkonjugaten von Bedeutung ist. / In this work, unsaturated vinyl- and ethynylphosphonothiolates were synthesised and used as linkers for cysteine-selective protein modifications. First, a synthetic route for the generation of unsaturated phosphonothiolates was developed, using unsaturated phosphonites and electrophilic disulfides as starting materials. The high chemoselectivity of this reaction enabled the introduction of vinylphosphonothiolates on unprotected model peptides and the protein ubiquitin. It could then be shown that unsaturated phosphonothiolates react selectively with thiols under neutral to slightly basic conditions and are therefore suitable as linkers for cysteine-selective protein modifications. The versatility of the herein developed bioconjugation method was demonstrated in three applications. First, starting from the vinylphosphonothiolate-modified ubiquitin, homogeneous ubiquitin-protein conjugates could be generated, in particular a non-hydrolyzable diubiquitin conjugate and a ubiquitin-α-synuclein conjugate. Second, the suitability of unsaturated phosphonothiolates as linkers for the generation of stable antibody-drug conjugates was tested. Vinylphosphonothiolate linkers thereby showed potential to produce stable antibody conjugates. Finally, vinylphosphonothiolates were used as linkers to conjugate both chaperone-binding antibodies and deubiquitinases (DUBs) to photo-reactive crosslinkers in order to investigate dynamic protein interactions. Overall, the herein developed methodology enables the chemoselective conversion of electrophilic disulfides into electrophilic vinyl- and ethynylphosphonothiolates, which in turn react selectively with thiols. As a result, two complex, thiol-containing molecules can be selectively conjugated, which is particularly important for the production of homogeneously modified peptide and protein conjugates.

Strikt anaerobe Bakterien wie Clostridium difficile und C. scatologenes verwenden GRE, um die chemisch ungünstige Decarboxylierung von 4-Hydroxyphenylacetat zu p-Cresol zu katalysieren. Das Enzymsystem besteht aus einer Decarboxylase und dem zugehörigen Aktivierungsenzym. Die 4-Hydroxyphenylacetat-Decarboxylase (4Hpad) besitzt zusätzlich zum Protein-basierten Glycinradikal eine weitere Untereinheit mit bis zu zwei [4Fe-4S] Clustern und repräsentiert hierdurch eine neue Klasse von Fe/S-Cluster-haltigen GREs, die aromatische Verbindungen umsetzen. Das Aktivierungsenzym (4Hpad-AE) weicht vom Standardtypus ab, indem es zusätzlich zum S-Adenosylmethionin(SAM)-bindenden [4Fe-4S]-Cluster (RS-Cluster) mindestens einen weiteren [4Fe-4S]-Cluster bindet. In dieser Studie wurden heterologe Expressions- und Reinigungsprotokolle für 4Hpad und 4Hpad-AE entwickelt. Kristallstrukturen von 4Hpad cokristallisiert mit den Substraten (4-Hydroxyphenylacetat, 3,4-Dihydroxyphenylacetat) und dem Inhibitor (4-Hydroxyphenylacetamid) zeigten geringe strukturelle Änderungen im aktiven Zentrum des Proteins. Die Radikalbildung am 4Hpad-AE wurde durch die Überprüfung einer klassischen reduktiven Spaltung von SAM zu den Reaktionsprodukten 5’-Deoxyadenosin und Methionin bestätigt. EPR- und Mössbauer-Spektroskopische Analysen zeigten, dass 4Hpad-AE mindestens einen zusätzlichen [4Fe-4S] Cluster neben dem einzelnen RS-Cluster enthält. Die katalytische Notwendigkeit eines zusätzlichen Clusters wurde durch eine Mutationsanalyse untersucht, wobei eine verkürzte Version des Enzyms ohne die zusätzliche Cystein-reiche Insertion konstruiert wurde. Das verkürzte Mutante ohne die Bindungsmotive für die zusätzlichen Cluster gekennzeichnet, die Konfiguration, Stöchiometrie und die Funktion der zusätzlichen Cluster diagnostizieren. / 4-hydroxyphenylacetate decarboxylase (4Hpad) is a two [4Fe-4S] cluster containing glycyl radical enzyme proposed to use a glycyl/thiyl radical dyad to catalyze the last step of tyrosine fermentation in Clostridium difficile and C. scatologenes by a Kolbe-type decarboxylation. The decarboxylation product p-cresol is a virulence factor of the human pathogen C. difficile. The small subunit of 4Hpad may have a regulatory function with the Fe/S clusters involved in complex formation and radical dissipation in the absence of substrate. The respective activating enzyme (4Hpad-AE) has one or two [4Fe-4S] cluster(s) in addition to the SAM-binding [4Fe-4S] cluster (RS cluster). The role of these auxiliary clusters is still under debate with proposed functions including structural integrity and conduit for electron transfer to the RS cluster. This study shows the optimized expression and purification protocols for the decarboxylase and the co-crystallization experiments and binding studies with 4-hydroxy-phenylacetate and 3,4-dihydroxyphenylacetate and with the inhibitor 4-hydroxy-phenylacetamide. The purification and characterization of active site mutants of decarboxylase are also done. Concerning 4-HPAD-AE, we report on the purification of code-optimized variants, and on spectroscopic and kinetic studies to characterize the respective i) SAM binding enthalpies, ii) rates for reductive cleavage of SAM and iii) putative functions of the additional Fe/S clusters. The truncated mutant lacking the binding motifs for the auxiliary clusters is characterized to diagnose the configuration, stoichiometry and function of the auxiliary clusters.

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