Over the past decades, awareness has increased of multiple health-promoting effects of diets rich in anthocyanins and proanthocyanidins and, specifically, of these compounds’ potential for conferring neuroprotection. The present study compiles evidence obtained in vitro that expands our understanding of anthocyanin and proanthocyanidin functionalities at multiple levels. Firstly, anthocyanin and anthocyanidin bioavailability was addressed using a combination of ATPase assays, dye extrusion assays and vesicular transport assays. This approach highlights the contribution made by efflux transporters MDR1 and BCRP to the absorption of berry polyphenols and to their distribution to target tissues including the central nervous system. All test compounds interacted with the BCRP transporter in vitro, seven emerged as potential BCRP substrates and 12 as potential inhibitors of BCRP. Two anthocyanidins, malvidin and petunidin, exhibited bimodal activities, serving as BCRP substrates at low micromolar concentrations and, at higher concentrations, as BCRP inhibitors. Effects on MDR1, in contrast, were weak, as only aglycones exerted mild inhibitory activity in the high micromolar range. Distinct affinities of several anthocyanins and the respective aglycones for BCRP suggest that they may be actively transported out of endothelia. Agents that interfere with BCRP activity are therefore likely to facilitate crossing of the intestinal and blood-brain barriers and to augment anthocyanin bioavailability. Secondly, novel modes of action were sought to rationalize berry polyphenols’ direct modulation of neuronal transmission as opposed to their non-specific antioxidant activities. The candidate effectors include cellular monoamine oxidases (MAO) A and B, hypoxia inducible factor (HIF), the proteasome, and phospholipase A2 (PLA2). Elevated MAO activity has long been implicated in the etiology of depression, anxiety and neurodegenerative illness. MAO inhibiting compounds may thus hold promise in the prevention of behavioral symptoms and cognitive decline. For both MAO isoforms, inhibitory effects of anthocyanins and anthocyanidins are illustrated by IC50 values in the low micromolar range whereas proanthocyanidins and phenolic metabolites were less effective inhibitors. Kinetic analyses, performed with cyanidin and cyanidin-3-glucoside, indicated a competitive interaction of cyanidin in terms of MAO A, plus a mixed competitive and non-competitive mode of interaction of cyanidin in terms of MAO B as well as of cyanidin-3-glucoside with respect to both enzyme isoforms. Thus MAO inhibition by anthocyanins and their aglycones in vitro lends support to central nervous functionalities of diets rich in berry polyphenols and opens new opportunities in the prevention of neuronal pathologies. Effects on HIF expression were examined to assess candidate compounds’ role in enhancing cellular resistance to oxidative stress. By inducing a dose-dependent increase in HIF expression, delphinidin may initiate a variety of cellular survival processes that are inhibited by free iron. This finding argues in favor of iron-chelating properties as a further means of mediating neuroprotection. Other inducers of HIF expression in neuroblastoma cells included gallic acid, cyanidin and bilberry extract, all of which may modulate HIF-dependent transcription of downstream genes. / Im Laufe der letzten Jahrzehnte wurde die Vielzahl gesundheitsfördernder Effekte einer Anthocyan- und Proanthocyanidin-reichen Ernährung verstärkt wahrgenommen, insbesondere das Potenzial dieser Substanzen neuroprotektive Wirkungen zu erzielen. Die im Rahmen der vorliegenden Arbeit zusammengetragenen in vitro-Befunde belegen dies und erweitern unser Verständnis über die facettenreiche Funktionalität von Anthocyanen und Proanthocyanidinen. Zunächst wurde mit einer Kombination indirekter und direkter Transporter-Assays die Bioverfügbarkeit von Anthocyanen und Anthocyanidinen thematisiert. Dieser Ansatz betont, dass die Efflux-Transporter MDR1 und BCRP einen wichtigen Beitrag zur Absorption von polyphenolischen Beereninhaltsstoffen und zu deren anschließender Verteilung auf Zielgewebe, einschließlich des Zentralnervensystems, leisten können. Alle Testsubstanzen traten in vitro in Wechselwirkung mit dem BCRP-Transporter, wobei sich sieben als potenzielle BCRP-Substrate und 12 als potenzielle Inhibitoren herausstellten. Zwei Anthocyanidine, Malvidin und Petunidin, zeigten bimodale Aktivitäten, indem sie in niedrigen mikromolaren Konzentrationen als BCRP-Substrate dienten und in höheren Konzentrationen als Hemmstoffe. Im Gegensatz dazu waren die Effekte auf den MDR1-Transporter nur gering, wobei lediglich die Aglykone nur schwache hemmende Wirkungen im höheren mikromolaren Konzentrationsbereich zeigten. Die ausgeprägten Affinitäten einiger Anthocyane und Aglykone zum BCRP-Transporter legen nahe, dass diese Verbindungen aktiv aus Endothelien transportiert werden. Somit könnten Substanzen, die mit BCRP wechselwirken aller Voraussicht nach den Transport von Anthocyanen und Anthocyanidinen über die Blut-Hirn-Schranke und die gastrointestinale Barriere begünstigen und somit deren Bioverfügbarkeit steigern. Der zweite Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit lag in der Suche nach neuen Wirkmechanismen, die sich für eine direkte Modulation der neuronalen Signalübertragung durch polyphenolische Beereninhaltsstoffe eignen, im Gegensatz zu bereits bekannten nicht-spezifischen antioxidativen Aktivitäten. Als mögliche Effektoren kommen hier die Monoaminoxidasen (MAO) A und B, der Hypoxie-induzierbare Faktor (HIF), das Proteasom und die Phospholipase A2 (PLA2) in Betracht. Einer erhöhten Monoaminoxidase-Aktivität wird schon seit langem eine Rolle in der Ätiologie depressiver, Angst- und neurodegenerativer Erkrankungen zugeschrieben. Somit könnten Monoaminoxidase-hemmende Stoffe vielversprechende präventive Wirkungen auf krankheitsbedingte Verhaltenssymptome und kognitive Abbauprozesse ausüben. Für beide MAO-Isoformen zeigten Anthocyane und Anthocyanidine hemmende Wirkungen im niedrigen mikromolaren Bereich, wohingegen sich Proanthocyanidine und phenolische Metabolite als weniger effektive Inhibitoren herausstellten. Mit Cyanidin und Cyanidin-3-glucosid durchgeführte Untersuchungen zur Enzymkinetik gaben Hinweise auf kompetitive Wechselwirkungen von Cyanidin bezüglich MAO A. Gemischt kompetitive und nicht-kompetitive Wechselwirkungen wurden für Cyanidin bezüglich MAO B, sowie für Cyanidin-3-glucosid hinsichtlich beider Isoenzme ermittelt. Somit befürworten diese MAO-hemmenden Eigenschaften von Anthocyanen und deren Aglykonen eine Ernährung, die reich an polyphenolischen Beereninhaltsstoffen ist, und eröffnen neue Möglichkeiten bei der Prävention neuronaler Erkrankungen. Zur Beurteilung einer Wirkung von Beereninhaltsstoffen im Hinblick auf die Steigerung der zellulären Widerstandsfähigkeit gegenüber oxidativem Stress wurden ferner Effekte der Testsubstanzen auf die HIF-Expression untersucht. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass Delphinidin aufgrund konzentrationsabhängiger Erhöhung der HIF-Expression eine Reihe zellulärer Überlebensprozesse einleiten könnte, die durch freies Eisen gehemmt werden. Auf diese Weise könnten Anthocyane durch ihre Eisen-chelierenden Fähigkeiten Neuroprotektion vermitteln. Gallussäure, Cyanidin und Heidelbeerextrakt bewirkten ebenfalls eine Induktion der HIF-Expression in Neuroblastom-Zellen und gelten somit als weitere Kandidaten, welche die HIF-abhängige Transkription nachgeschalteter Gene modulieren könnten.

CHARLES UNIVERSITY IN PRAGUE Faculty of Science Department of Biochemistry Effects of chemopreventive compounds on cytochrome P450s Summary of Ph.D. Thesis RNDr. Jitka Křížková Supervisor: prof. RNDr. Petr Hodek, CSc. Prague 2010 Introduction 1 Introduction According to the World Health Organization statistics, cancer is one of the leading causes of death in the human population worldwide for more than 50 years. Moreover, colorectal and gastrointestinal tract cancers are one of the main types of cancer leading to overall cancer mortality. Prevention consisting in a healthy lifestyle and a natural diet is suggested to be one of the main approaches to reduce cancer risk. In recent years, the consumption and use of dietary supplements containing concentrated chemopreventive phytochemicals increased dramatically. Flavonoids, as the most popular representatives of chemopreventive compounds, present in foods (fruits, vegetables, herbs, beverages) and dietary supplements have the potential to modulate the activity of xenobiotic-metabolizing enzymes [Hodek et al., 2002]. Among proteins interacting with flavonoids, cytochrome P450s (CYPs), monooxygenases metabolizing xenobiotics (e.g. drugs, carcinogens), play the most prominent role. The two members of CYP1A subfamily, CYP1A1 and CYP1A2, are involved in the...

Oxidative phosphorylation apparatus (OXPHOS) is responsible for production of majority of ATP in mammalian organisms. This process, occurring in the inner mitochondrial membrane, is partly regulated by nuclear-encoded subunits of cytochrome c oxidase (COX), the terminal enzyme of electron transport chain. Cox4 subunit, participating in OXPHOS regulation, is an early-assembly state subunit, which is necessary for incorporation of Cox2 catalytic subunit, thus for assembly of catalytically functional COX enzyme. Moreover, regulated expression of two isoforms (Cox4i1, Cox4i2) of Cox4 subunit is hypothesized to optimize respiratory chain function according to tissue oxygen supply. However, the functional impact of the isoform switch for mammalian tissues and cells is still only partly understood. In the present thesis, unique HEK293 cell line-based model with complete absence of subunit Cox4 (knock-out, KO) was prepared employing novel CRISPR CAS9-10A paired nickase technology and further characterized. Knock-out of both isoforms Cox4i1 and Cox4i2 (COX4i1/4i2 KO clones) showed general decrease of majority of Cox subunits resulting in total absence of fully assembled COX. Moreover, detected Complex I subunits as well as the content of assembled Complex I were decreased in COX4i1/4i2 KO clones. On the...

Os gliomas representam o tipo de tumor primário mais comum do sistema nervoso central. Apesar dos avanços nas técnicas cirúrgicas e de radioterapia e nos protocolos de quimioterapia, não há tratamento eficiente disponível. O ácido retinóico na forma all-trans (atRA) é um agente anti-proliferativo utilizado para o tratamento de alguns tipos de lesões pré-malígnas e tumores, como a leucemia promielocítica. Entretanto, sua utilização no tratamento clínico de tumores sólidos, incluindo os gliomas, é limitada, devido ao rápido desenvolvimento de resistência aos efeitos anti-tumorais do atRA. Para endereçar este problema, foi proposto: a) clonar e analisar a função de cyp26b1 de rato, uma enzima da família dos citocromos P450 envolvida na metabolização de ácido retinóico, previamente descrito em nosso laboratório como potencialmente envolvido na resposta de células de glioma ao tratamento com atRA; b) gerar e caracterizar uma variante da linhagem celular C6 de glioma de rato resistente aos efeitos anti proliferativos de atRA. O cDNA de cyp26b1 de rato, até então desconhecido, foi amplificado, clonado e seqüenciado com sucesso. A seqüência protéica correspondente é conservada e agrupa-se no dendrograma com outras proteínas Cyp26B1, mesmo de organismos distantes como zebrafish, em detrimento de outras proteínas parálogas da família Cyp26. Cyp26b1 é fortemente induzida por atRA em células de glioma de rato e humano, de forma dose-dependente. Embora seja expresso em amostras de cérebros humanos normais e de glioma, não foram encontradas diferenças significativas entre os diferentes graus de matlignidade tumoral, ou em comparação com cérebro normal. A super-expressão de cyp26b1 de rato através de transfecção estável de células de glioma de rato e humano, bem como de células P19 de teratocarcinoma de camundongo, não alterou significativamente as características de crescimento celular, tanto em substrato sólido quanto em substrato semi-sólido. O tratamento prolongado de células C6 de glioma de rato com atRA levou à obtenção de uma população policlonal resistente aos efeitos anti-proliferativos de atRA, a partir da qual uma linhagem celular clonal resistente foi isolada com sucesso. Esta variante clonal, denominada linhagem celular C6R, apresenta inibição de crescimento por atRA diminuída, quando comparada com a linhagem celular C6 parental e com a variante ST1. Além disso, esta variante também mostrou uma tendência, embora não significativa estatisticamente, de gerar tumores maiores quando injetados no subcutâneo de camundongos do tipo nude. A expressão de genes previamente descritos como induzidos pelo tratamento com atRA em células ST1 é fortemente inibida na linhagem celular C6R. Além disso, menor expressão de RARβ, RARγ e CRABP-1 foi também observada em células C6R, enquanto que expressão muito maior de RXRγ e CRABP-2 foi encontrada nas células resistentes a atRA, em comparação com as células C6 parentais. Como conclusões gerais deste trabalho, foi proposto que cyp26b1 parece estar envolvido no metabolismo e detoxificação de atRA e parece não ser efetor da inibição de crescimento induzida por atRA, nem estar relacionado com a resistência de células de glioma ao tratamento com atRA. Por outro lado, o isolamento e caracterização de uma linhagem celular resistente ao tratamento com atRA sugere que a resistência está relacionada à expressão diferencial de receptores de retinóides e de proteínas de ligação ao ácido retinóico. / Gliomas are among the most common primary tumors of the central nervous system. Despite the advances in surgical and radiotherapy procedures and chemotherapy protocols, efficient treatment is still not available. Retinoic acid is a anti-proliferative agent used for treatment of a number of pre-malignant lesions and tumors, as promyelocytic leukemia. However, its clinical use in treatment of solid tumors, including gliomas, is impaired by the rapid development of resistance to the anti-tumoral effects of atRA. In order to address this problem, we proposed: a) to clone and analyze the role of rat cyp26b1, a member of cytochrome P450 superfamily envolved in the metabolization of retinoic acid, which has previously been described by our group as being potentially involved in the response of glioma cells to retinoic acid treatment; b) to generate and characterize a variant of rat C6 glioma cell line resistant to anti proliferative effects of atRA. The previously unknown cDNA of rat cyp26b1 was successfully amplified, cloned and sequenced. The protein is conserved and clustered in dendrograms with other cyp26b1 proteins, even from distant organisms as zebrafish, in detriment of other cyp26 paralogs. Cyp26b1 is strongly induced by atRA in rat and human glioma cells, in a dose-dependent fashion. Although expressed in human normal brains and glioma samples, no significant differences were found among different tumor grades nor comparing to normal brain. Stable-transfection and overexpression of rat cyp26b1 in rat and human glioma cell lines, as well as P19 mouse teratocarcinoma cell line, did not significantly modified cell growth properties, either on solid or semi-solid substrates. Prolonged treatment of C6 rat glioma cell line with atRA leads to isolation of an atRA-resistant polyclonal cell population, from which a resistant clonal cell line was successfully isolated. This clonal variant, named C6R cell line, displayed diminished growth inhibition by atRA compared to the parental C6 cell line and the variant ST1 cell line. In addition, this variant also showed a trend, although not quite statistically significant, to generate larger tumors when xenografted s.c. into nude mice. Expression of genes previously described as being induced by atRA-treatment in ST1 cells is strongly impaired in the C6R resistant cell line. In addition, lower expression of RARβ, RAR&#947 and CRABP-1 was also observed in C6R cells, whereas a much higher expression of RXRγ and CRABP-2 was found in the resistant cells when compared to the parental C6 cells. As general conclusions of this work, we found that cyp26b1 is more likely to be involved in primary atRA metabolism and detoxification and does not seem to be an effector of atRA-induced cell growth arrest nor to be related to the resistance of glioma cells to atRA treatment. On the other hand, isolation and characterization of an atRA-resistant cell line suggests that atRA resistance is more likely to be due to differential expression of retinoid receptors and retinoic acid binding proteins.

Mit der vorliegenden Studie sollte zu dem wichtigen Forschungsfeld der Pharmakogenetik beigetragen werden, indem zum einen eine einfache und sichere kombinierte Phänotypisierung der drei zuvor erwähnten CYPs (CYP2D6, CYP2C9 und CYP2C19) entwickelt, und zum anderen die Vorhersagekraft des Genotyps für den gemessenen Phänotyp näher untersucht werden sollte. Es ist uns gelungen eine sichere, einfache, schnelle und kombinierte Phänotypisierung der beiden wichtigen Monooxygenasen CYP2D6 und CYP2C9 zu etablieren. Zunächst wurden dazu Wechselwirkungsstudien mit den ausgewählten Testsubstanzen Dextromethorphan (DEX, CYP2D6), Flurbiprofen (FLB, CYP2C9) und Omeprazole (OME, CYP2C19) durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass DEX und FLB als Kombination verabreicht werden können. Die Gabe von OME gemeinsam mit FLB verändert jedoch das Ergebnis der CYP2C9 Phänotypisierung. Dies ist eine neue Erkenntnis, denn noch 2004 wurde ein Phänotypisierungscocktail veröffentlicht, der die Kombination von FLB und OME enthielt. Bei der genannten Studie wurden jedoch, unseres Wissens nach, keine Wechselwirkungsstudien zu den einzelnen Testsubstanz-Kombinationen durchgeführt. Die von uns entwickelte Phänotypisierungsmethode wurde durch Wechselwirkungsstudien verifiziert. Sie ist jedoch auch in anderen Bereichen den bisher veröffentlichten phänotypisierungscocktails überlegen. Zum einen wurden nur sehr kleine Dosen sicherer Testsubstanzen verwendet. Dies wurde durch Entwicklung neuer, sensitiver LC-MS/MS Methoden ermöglicht. Zum anderen ist diese neue Prozedur schnell und nicht-invasiv durchführbar. Nach Verabreichung der Testsubstanz muss der Urin nur für zwei Stunden gesammelt werden. Zudem weisen unsere Ergebnisse darauf hin, dass die normalerweise durchgeführte, aufwendige Glucuronidspaltung des CYP2D6 abhängigen DEX-Metaboliten, Dextrorphan, vermutlich vernachlässigt werden kann. Die wichtigsten Ergebnisse dieser Studie sind jedoch die Einblicke, die in die Vorhersagekraft der CYP2D6 und CYP2C9 Genotypen für die entsprechenden Phänotypen gewonnen werden konnten. Fast 300 phänotypisierte Kaukasier wurden auch in Hinsicht auf die wichtigsten varianten Allele von CYP2D6, CYP2C9 und CYP2C19 mithilfe bekannter und neu etablierter Methoden genotypisiert. Aufgrund der parallelen Phäno- und Genotypisierung konnten Geno- und Phänotyp direkt korreliert werden. Mit linearen Modellen war es möglich, allen detektierten varianten CYP2D6- und CYP2C9-Allelen Aktivitätskoeffizienten zuzuweisen. Diese können nun verwendet werden, um den Beitrag der einzelnen Allele zur resultierenden Enzymaktivität zu bestimmen, wodurch sich die Vorhersage dieser Aktivität ausgehend vom Genotyp verbessern lassen sollte. Besonders für CYP2D6 ermöglicht das neue Korrelationsmodel präzisere Vorhersagen des Phänotyps als bisher veröffentlichte Modelle. Zusammengefasst leistet diese Studie durch die Entwicklung eines sicheren und einfachen Phänotypisierungsprozesses für CYP2D6 und CYP2C9 und durch die Bestimmung von Aktivitätskoeffizienten für alle einbezogenen CYP2D6 und CYP2C9 Allele und der damit verbundenen präziseren Vorhersage des Phänotyps ausgehend vom Genotyp einen wesentlichen Beitrag zum Forschungsfeld der Pharmakogenetik. / This study should contribute to the important field of pharmacogenetics by: firstly, establishing an easy and safe phenotyping method that combines the activity determination of all three previously mentioned CYPs (CYP2D6, CYP2C9, and CYP2C19) into one phenotyping cocktail and secondly, improving the knowledge about the predictive power of the genotype for the measured phenotype. It was indeed possible to develop a save, easy-to-use, fast and simultaneous phenotyping procedure for the important genetic polymorphic enzymes CYP2D6 and CYP2C9. To accomplish that, interaction studies with the chosen probe drugs dextromethorphan (DEX, CYP2D6), flurbiprofen (FLB, CYP2C9) and omeprazole (OME, CYP2C19) were conducted. It could be proven that DEX and FLB can be administered in combination, whereas OME alters the phenotyping results of CYP2C9. This is a new finding as in 2004 a phenotyping cocktail was published that used FLB and OME in combination. However, to our knowledge, no interaction tests were carried in that study. The new phenotyping procedure is not only verified by prior probe drug interaction studies, it also has other advantages over phenotyping cocktails found in literature. Firstly, save probe drugs are used in very small doses. This is possible due to the new sensitive LC-MS/MS methods that were evaluated. Secondly, the new phenotyping procedure is very fast and on-invasive. Urine has to be collected only for 2 h and the results also suggest that the time consuming glucuronide cleavage of the CYP2D6 dependent metabolite dextrorphan, usually carried out before CYP2D6 phenotyping, may be unnecessary. Most importantly, however, new insights into the phenotype prediction from genotype for CYP2C9 and CYP2D6 could be gained within this study. Nearly 300 phenotyped Caucasian subjects were also genotyped for the most important known variant alleles for CYP2D6, CYP2C9 and CYP2C19 using several established and newly developed genoptyping methods. Therefore, a direct correlation between phenotype and genotype could be conducted for CYP2D6 and CYP2C9. Employing linear modeling, it was possible to assign activity coefficients to each of the detected CYP2D6 and CYP2C9 alleles, thereby estimating their contribution to the resulting enzyme activity. This might facilitate the prediction of the CYP2D6 and CYP2C9 metabolic status of a subject knowing only its respective genotypes. Especially the new CYP2D6 genotype phenotype correlation model might allow for more precise phenotype prediction for the included variant alleles than was possible until now. Taken together, this study substantially contributes to the important research field of pharmacogenetics by (i) developing a save and easy-to-use phenotyping combination for CYP2D6 and CYP2C9, and (ii) by establishing activity coefficients for each of the detected CYP2D6 and CYP2C9 alleles, thereby allowing for a more precise prediction of the phenotype from genotype.

Das Superoxidradikal kann mit fast allen Bestandteilen von Zellen reagieren und diese schädigen. Die medizinische Forschung stellte eine Beteiligung des Radikals an Krebs, Herzinfarkten und neuraler Degeneration fest. Ein empfindlicher Superoxidnachweis ist daher zum besseren Verständnis von Krankheitsverläufen wichtig. Dabei stellen die geringen typischen Konzentrationen und seine kurze Lebensdauer große Anforderungen. Ziel dieser Arbeit war es zum einen, zwei neuartige Proteinarchitekturen auf Metallelektroden zu entwickeln und deren elektrochemisches Ansprechverhalten zu charakterisieren. Zum anderen waren diese Elektroden zur empfindlichen quantitativen Superoxiddetektion einzusetzen. Im ersten Teil der Arbeit wurde eine Protein-Multischichtelektrode aus Cytochrom c und dem Polyelektrolyten Poly(anilinsulfonsäure) nach dem Layer-by-layer-Verfahren aufgebaut. Für zwei bis 15 Schichten an Protein wurde eine deutliche Zunahme an elektrodenaktivem Cytochrom c mit jedem zusätzlichen Aufbringungsschritt nachgewiesen. Die Zunahme verlief linear und ergab bei 15 Schichten eine Zunahme der redoxaktiven Proteinmenge um deutlich mehr als eine Größenordnung. Während das formale Potential im Multischichtsystem sich im Vergleich zur Monoschichtelektrode nicht veränderte, wurde für die Kinetik eine Abhängigkeit der Geschwindigkeit des Elektronentransfers von der Zahl der Proteinschichten beobachtet. Mit zunehmender Scangeschwindigkeit trat ein reversibler Kontaktverlust zu den äußeren Schichten auf. Die lineare Zunahme an elektroaktivem Protein mit steigender Zahl an Depositionsschritten unterscheidet sich deutlich von in der Literatur beschriebenen Protein/Polyelektrolyt-Multischichtelektroden, bei denen ab etwa 6-8 Schichten keine Zunahme an elektroaktivem Protein mehr festgestelltwurde. Auch ist bei diesen die Zunahme an kontaktierbaren Proteinmolekülen auf das Zwei- bis Fünffache limitiert. <br><br> Diese Unterschiede des neu vorgestellten Systems zu bisherigen Multischichtassemblaten erklärt sich aus einem in dieser Arbeit für derartige Systeme erstmals beschriebenen Elektronentransfermechanismus. Der Transport von Elektronen zwischen der Elektrodenoberfläche und den Proteinmolekülen in den Schichten verläuft über einen Protein-Protein-Elektronenaustausch. Dieser Mechanismus beruht auf dem schnellen Selbstaustausch von Cytochrom c-Molekülen und einer verbleibenden Rotationsflexibilität des Proteins im Multischichtsystem. Die Reduzierung des Proteins durch das Superoxidradikal und eine anschließende Reoxidation durch die Elektrode konnten nachgewiesen werden. In einem amperometrischen Messansatz wurde das durch Superoxidradikale hervorgerufene elektrochemische Signal in Abhängigkeit von der Zahl an Proteinschichten gemessen. Ein maximales Ansprechverhalten auf das Radikal wurde mit 6-Schichtelektroden erzielt. Die Empfindlichkeit der 6-Schichtelektroden wurde im Vergleich zum Literaturwert der Monoschichtelektrode um Faktor 14, also mehr als eine Größenordnung, verbessert. <br><br> Somit konnte eine Elektrode mit 6 Schichten aus Cytochrom c und Poly(anilinsulfonsäure) als neuartiger Superoxidsensor mit einer 14-fachen Verbesserung der Empfindlichkeit im Vergleich zum bislang benutzten System entwickelt werden. <br><br> Der zweite Teil dieser Arbeit beschreibt die Auswahl, Gewinnung und Charakterisierung von Mutanten des Proteins Cu,Zn-Superoxiddismutase zur elektrochemischen Quantifizierung von Superoxidradikalen. Monomere Mutanten des humanen dimeren Enzyms wurden entworfen, die durch Austausch von Aminosäuren ein oder zwei zusätzliche Cysteinreste besaßen, mit welchem sie direkt auf der Goldelektrodenoberfläche chemisorbieren sollten. 6 derartige Mutanten konnten in ausreichender Menge und Reinheit in aktiver Form gewonnen werden. Die Bindung der Superoxiddismutase-Mutanten an Goldoberflächen konnte durch Oberflächen-plasmonresonanz und Impedanzspektroskopie nachgewiesen werden. Alle Mutanten wiesen einen quasi-reversiblen Elektronentransfer zwischen SOD und Elektrode auf. Durch Untersuchung von kupferfreien SOD-Mutanten sowie des Wildtyps konnte nachgewiesen werden, das die Mutanten über die eingefügten Cysteinreste auf der Elektrode chemisorptiv gebunden wurden und der Elektronentransfer zwischen der Elektrode und dem Kupfer im aktiven Zentrum der SOD erfolgte. <br><br> Die Superoxiddismutase katalysiert die Zersetzung von Superoxidmolekülen durch Oxidation und durch Reduktion der Radikale. Somit sind beide Teilreaktionen von analytischem Interesse. Zyklovoltammetrisch konnte sowohl die Oxidation als auch die Reduktion des Radikals durch die immobilisierten Superoxiddismutase-Mutanten nachgewiesen werden. In amperometrischen Messanordnungen konnten beide Teilreaktionen zur analytischen Quantifizierung von Superoxidradikalen genutzt werden. Im positiven Potentialfenster wurde die Empfindlichkeit um einen Faktor von etwa 10 gegenüber der Cytochrom c–Monoschichtelektrode verbessert. / The superoxide radical can react with almost all components of a cell and thus damage them. Enzymatic and non-enzymatic scavengers remove it from the body. An implication of the radical in cancer, heart disease, and neuronal degredation has been found in medical research. Therefore, a sensitive quantification of superoxide is necessary for a better understanding of diseases as well as for the study of biological degradation processes. <br><br> The aim of this work was to develop two new protein architectures on metal electrodes and to characterize their electrochemical behavior. Secondly, both electrodes were to be applied as superoxide biosensors. <br><br> In the first part of the work, a protein multilayer electrode consisting of cytochrome c and the polyelectrolyte poly(aniline sulfonated acid) was built up by the layer-by-layer procedure. SPR experiments proved the formation of multilayers. For 2 to 15 protein layers, a significant increase in electroactive protein was found with every deposition step in a linear fashion. For 15 layers, this increase was found to be more than one order of magnitude. While the formal potential did not change for the proteins in the layers, the rate of electron transfer was found to be dependent on the number of layers deposited. With increased scanning speed, a reversible loss of contact to the outer layers was noted. The linear increase in electroactive protein loading differed significantly from protein/polyelectrolyte electrodes described in the literature, where after 6-8 layers no further increase was found. Additionally, these systems increase the number of electroactive protein molecules only by a factor of 2 to 5. <br><br> These differences can be explained by an electron transfer mechanism which was demonstrated in this work for the first time. The transport of electrons between the electrode surface and the proteins in the layers takes place by a protein-protein electron transfer. This mechanism relies on the fast self-exchange of cytochrome c and a residual rotational flexibility of the protein molecules inside the structure. The reduction of the protein by the radical and its subsequent reoxidation by the electrode could be shown. In the amperometric mode, the sensor signal was determined for 2 to 15 layer electrodes. A maximum signal was found for 6 layers, where the sensitivity was improved by a factor of 14, compared to monolayer sensors. <br><br> The second part of this work describes the selection, production and characterization of mutants of the protein Cu,Zn-superoxide dismutase and their application as superoxide sensors. Monomeric mutants of the human dimeric enzyme were designed, which contained one ore two additional cysteines in order to chemisorb directly onto gold surfaces. 6 such mutants were gained in sufficient amount and purity. The binding to gold was characterized by surface plasmon resonance studies. All mutants showed quasi-reversible electrochemistry on gold electrodes. Experiments with copper-free mutants and the wildtype enzyme proved that the mutants bind to gold via the additional cysteines, while the electron transfer takes place between the electrode and the active site copper. Superoxide dismutases catalyze the removal of superoxide by both oxidation and reduction. Thus, both partial reactions are of analytical interest. In cyclic voltammetry, both oxidation and reduction of the radical could be proved. In amperometric experiments, both reactions were used for a quantification of superoxide concentrations. In the positive potential window, the sensitivity was found to be increased by about one order of magnitude, as compared to the cytochrome c monolayer electrode.<br> -----------<br><br> <b>Hinweis zum Copyright:</b><br>Einige Abbildungen dieser Arbeit sind in Artikeln des Verfassers in den Zeitschriften <i>Angewandte Chemie, Angewandte Chemie International Edition, Analytical Chemisty</i> und <i>Elektroanalysis</i> erschienen.<br> Ihre Darstellung im Rahmen dieser Arbeit erfolgt auch online mit ausdrücklicher Genehmigung der Verlage.

The aim of this thesis is the design, expression and purification of human cytochrome c mutants and their characterization with regard to electrochemical and structural properties as well as with respect to the reaction with the superoxide radical and the selected proteins sulfite oxidase from human and fungi bilirubin oxidase. All three interaction partners are studied here for the first time with human cyt c and with mutant forms of cyt c. A further aim is the incorporation of the different cyt c forms in two bioelectronic systems: an electrochemical superoxide biosensor with an enhanced sensitivity and a protein multilayer assembly with and without bilirubin oxidase on electrodes. The first part of the thesis is dedicated to the design, expression and characterization of the mutants. A focus is here the electrochemical characterization of the protein in solution and immobilized on electrodes. Further the reaction of these mutants with superoxide was investigated and the possible reaction mechanisms are discussed. In the second part of the work an amperometric superoxide biosensor with selected human cytochrome c mutants was constructed and the performance of the sensor electrodes was studied. The human wild-type and four of the five mutant electrodes could be applied successfully for the detection of the superoxide radical. In the third part of the thesis the reaction of horse heart cyt c, the human wild-type and seven human cyt c mutants with the two proteins sulfite oxidase and bilirubin oxidase was studied electrochemically and the influence of the mutations on the electron transfer reactions was discussed. Finally protein multilayer electrodes with different cyt form including the mutant forms G77K and N70K which exhibit different reaction rates towards BOD were investigated and BOD together with the wild-type and engineered cyt c was embedded in the multilayer assembly. The relevant electron transfer steps and the kinetic behavior of the multilayer electrodes are investigated since the functionality of electroactive multilayer assemblies with incorporated redox proteins is often limited by the electron transfer abilities of the proteins within the multilayer. The formation via the layer-by-layer technique and the kinetic behavior of the mono and bi-protein multilayer system are studied by SPR and cyclic voltammetry. In conclusion this thesis shows that protein engineering is a helpful instrument to study protein reactions as well as electron transfer mechanisms of complex bioelectronic systems (such as bi-protein multilayers). Furthermore, the possibility to design tailored recognition elements for the construction of biosensors with an improved performance is demonstrated. / Ziel dieser Arbeit ist es genetisch veränderte Formen von humanem Cytochrom c herzustellen und diese einerseits hinsichtlich der Reaktion mit dem Sauerstoff-Radikal Superoxid aber auch mit anderen Proteinen zu untersuchen. Zusätzlich sollen die verschiedenen Protein-Mutanten in neuartige bioelektronische Systeme eingebracht werden. Es wurden insgesamt 20 Cytochrome c Mutanten designt, rekombinant exprimiert und aufgereinigt. Es konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass sich die Reaktion von Cytochrom c mit dem negativ geladenen Superoxid durch gezielte Mutationen, die zusätzliche positive Ladungen in das Molekül bringen, um bis zu 30 % erhöhen lässt. Es wurde aber auch deutlich, dass andere Eigenschaften des Proteins sowie dessen Struktur durch die Mutationen geändert werden können. Cytochrom c Mutanten mit einer erhöhten Reaktionsrate mit Superoxid konnten erfolgreich in einen Superoxid-Biosensor mit erhöhter Sensitivität eingebracht werden. Weiterhin wurde einige Mutanten hinsichtlich Ihrer Interaktion mit den zwei Enzymen Sulfitoxidase und Bilirubinoxidase untersucht. Hier konnten ebenfalls unterschiedliche Reaktivitäten festgestellt werden. Schließlich wurden ausgewählte Protein-Varianten mit und ohne den zuvor untersuchten Enzymen in ein Multischicht-Elektroden-System eingebettet und dessen kinetisches Verhalten untersucht. Es wurde gefunden, dass die Schnelligkeit mit der Cytochrom c mit sich selbst Elektronen austauschen kann, eine Limitierung der Größenordnung der katalytischen Ströme darstellt. Diese Selbstaustausschrate wurde durch die eingeführten Mutationen verändert. So verdeutlicht diese Arbeit, dass „Protein-Engineering“ ein gutes Hilfsmittel sein kann, um einerseits Proteinreaktionen und komplexe Elektronentransferreaktionen in Multischichten zu untersuchen, aber auch ein potentes Werkzeug darstellt mit dem zugeschnittene Biokomponenten für Sensoren mit erhöhter Leistungsfähigkeit generiert werden können.

Lipids carry out important structural as well as signaling functions in the cell. In recent years, enzymes that metabolize lipids have been emerging as key regulators of basic cellular functions and developmental processes. In order to study metabolism of lipids, we have focused our research on a class of proteins: the cytochrome P450s (CYPs), which are involved in lipid production in many organisms. We have used C. elegans, a classical genetic model system, to investigate lipid metabolism because this nematode offers several technical advantages that render it suitable for our investigations. The aim of our project was to identify and characterize essential lipids for the development of worms. We have performed RNAi (RNA interference) against C. elegans CYP31A, and found that silencing of this enzyme leads to the arrest of embryonic development. Further characterization of this embryonic lethal phenotype revealed that it is caused by problems in establishment of polarity and failure in the extrusion of a polar body. Moreover, we found that embryos depleted of CYP31A are osmotic sensitive and their eggs are permeable to dyes (hoechst, FM 4-64 etc.). The defects described above are common to a class of mutants that received the denomination of POD (for Polarity and Osmotic Defects). Analysis by electron microscopy demonstrated that cyp31A(RNAi) embryos exhibit an improperly constructed eggshell. Further functional studies have demonstrated that the defects observed in cyp31A(RNAi) embryos can be ascribed to the malfunctioning of one of the three layers of the eggshell: the lipid-rich layer, but additional problems in the assembling of the other two layers are also present. In order to identify the product of CYP31A, we set up a bioassay in which we tested the capability of lipidic extract from wild type embryos to rescue the embryonic lethality. The bioassay provided a method to track the activity and allowed us to enrich the metabolic product of CYP31A by the fractionation of the total lipid extract. Another POD gene, emb-8, codes for an NADPH CYP reductase. This 4 protein supplies electrons to the CYPs for their metabolic reactions. A mutant of emb-8 (emb-8(hc69)), gives a similar phenotype as the knockdown CYP31A. With the aim to test if EMB-8 and CYP31A act in the same pathway we extracted lipids from emb-8TS mutants. We tested in the bioassay if extracts from emb-8(hc69) mutants, containing the metabolic product of CYP31A, can rescue cyp31A(RNAi) phenotype. The results obtained suggest that EMB-8 and CYP31A work in the same metabolic pathway. Conclusively, CYP31A and EMB-8 cooperate to produce a class of lipids that are required for the construction of a functional eggshell. A defective eggshell causes failure in polarity establishment, extrusion of the polar bodies, osmotic sensitivity and permeability and eventually it leads to the arrest of the development of C. elegans embryos.

Univ., Diss.--München, 1998.

Stuttgart, Univ., Diss., 2008.