Condensine sind essentiell für die Faltung von Chromatin und wurden auch mit der Transkriptionsregulation in Verbindung gebracht. Der zugrunde liegende Mechanismus für die Transkriptionsregulation ist jedoch unklar. Condensin DC in C. elegans ist ein gutes Modell zur Erforschung der Transkriptionsregulation durch Condensine, da es spezifisch für die Dosiskompensation der Gene auf dem X Chromosom benutzt wird. Condensin DC bindet an beide X Chromosome in C. elegans Hermaphroditen und reduziert deren Transkription um die Hälfte. In meiner Dissertation habe ich untersucht, welche Rolle ein dynamisches Binden von Condensin DC an Chromatin spielt und wie dies die Transkription während der Embryogenese reguliert. Condensine binden dynamisch an Chromatin, um es zu komprimieren und durch Bildung von Schlaufen die Transkription zu regulieren. Mit Hilfe von „fluorescence recovery after photobleaching“ (FRAP) habe ich in adulten Darmzellen von C. elegans untersucht, welche Faktoren das dynamische Binden von Condensin DC an die X Chromosomen beeinflussen. Meine Daten zeigen, dass sowohl die ATPase-Domäne von Condensin DC, als auch eine nicht-katalytische Aktivität einer Histon-Demethylase die Bindedynamik von Condensin DC beeinflussen und damit Transkription regulieren. Zusätzlich habe ich mit einem Mikroskopieansatz, der auf dem Nachweis von einzelnen RNA Molekülen beruht (smFISH), die Transkription von mehreren Genen untersucht, die durch Condensin DC während der Embryonalentwicklung reguliert werden. Die aus diesen Daten ermittelten Transkriptionskinetiken deuten darauf hin, dass Condensin DC vorrangig die Häufigkeit der Transkriptionsinitiation reguliert. Zusammenfassend liefert meine Forschung neue Einblicke in die Transkriptionsregulation durch Condensine und kann als Basis für detailliertere, mechanistische Studien der Rolle von Condensinen in der Transkriptionsregulation in C. elegans und auch in anderen Organismen dienen. / Condensins are essential for chromosome compaction and have been implicated in transcription regulation. The mechanistic foundation of this regulatory function is poorly understood. A clear paradigm to address this question is the X-specific condensin DC in C. elegans, which specifically binds to and transcriptionally represses X chromosomes in XX hermaphrodites by 2-fold. In my thesis, I studied condensin DC binding dynamics to the X chromosome and how condensin DC affects transcription kinetics in single embryos. The binding of condensins to chromatin has been described in recent microscopy-based studies as dynamic in processes including loop formation, chromatin compaction and transcription regulation. To study the dynamics of condensin DC binding, I established fluorescence recovery after photobleaching (FRAP) in C. elegans adult intestinal cells. With this method, I studied how the ATPase domain and different histone modifiers regulate the dynamic binding of condensin DC. I found that the ATPase domain is critical for binding of the complex and that the noncatalytic activity of a histone demethylase increases the dynamics of condensin DC binding, which is crucial for its role in transcription regulation. To further study the mechanism of condensin DC in transcription regulation, I used an imaging approach based on widefield single-molecule RNA fluorescence in situ hybridization (smFISH). I obtained thousands of smFISH images for a set of condensin DC-regulated genes and extracted mature and nascent RNA counts in 3D, which I used to determine transcription burst characteristics throughout embryonic development. My data show that condensin DC regulates the frequency of transcription initiation to down-regulate X-chromosomal genes. Taken together, my results provide new insight into condensin-mediated transcription regulation, which can be used to inform future studies on the mechanism of condensins in transcription regulation in C. elegans and other organisms.

In dieser Arbeit wurden die von Seitz et al. entwickelten forced intercalation (FIT)-Sonden zur mRNA-Charakterisierung in lebenden Zellen eingesetzt. Es erfolgte die Synthese verbesserter FIT-Sonden für die systematische Untersuchung der Aufnahme durch lebende Flp-In™ 293 T-REx™-Zellen. Dafür wurden sowohl hergestellte FIT-Sonden-Konjugate/Aggregate als auch kommerziell erhältliche Reagenzien, wie z.B. die Palmitinsäure und das porenbildende Enzym Streptolysin-O auf ihre Effizienz untersucht. Die optimalen Bedingungen für das Einbringen von DNA- und PNA-FIT-Sonden in Flp-In™ 293 T-REx™-Zellen lieferte das Enzym Streptolysin-O. Durch den simultanen Einsatz von drei unterschiedlichen Sonden (BO-, TO- und CB-markiert), komplementär zu drei verschiedenen Zielsequenzen, gelang es erstmals eine Dreifarben-Lebendzell-Bildgebung mit FIT-Sonden durchzuführen. Des Weiteren wurden TO-FIT-Sonden zur Unterscheidung verschiedener T-Zelllinien eingesetzt. Mithilfe eines kompetitiven Hybridisierungsexperiments konnte die spezifische Fluoreszenzemission der Sonden in den Zellen belegt werden. Untersuchungen mit zwei T-Zelllinien zeigten, dass TO-FIT-Sonden sowie terminal Cy7-markierte TO-FIT-Sonden eine erhöhte TO-Emission bei Vorhandensein der komplementären TCR-mRNA-Zielsequenz in den Zellen aufwiesen. Der terminale Cy7-Farbstoff bot mit einem zweiten Detektionskanal die Möglichkeit die Cy7-Intensität und die vorhandene TO-Intensität ins Verhältnis zu setzen, sodass Signale von ungebundener Sonde leichter ausgeschlossen werden konnten. Dies ermöglichte eine spezifische Markierung der T-Zellen. Es folgte die Synthese CB-markierter FIT-Sonden zur Aufklärung biologischer Fragestellungen, wie dem Verlauf einer Influenza A Infektion und die Synthese und Evaluation neuer Farbstoffe mit einem Absorptionsmaximum bei 590/596 nm. Zudem wurde der Einbau eines zyklischen PNA- Monomers bezüglich der Verbesserung von Responsivität und Helligkeit von PNA-FIT-Sonden analysiert. / In this work forced Intercalation (FIT) probes, developed by Seitz et al. were used for the mRNA characterization in living cells. The synthesis of improved FIT probes as well as the systematic study on the uptake of FIT probes by living Flp-In™ 293 T-REx™ cells was performed. Therefore FIT probe conjugates/aggregates as well as commercially available reagents, e.g. palmitic acid and the pore-forming enzyme Streptolysin-O were investigated under various conditions. Furthermore, the transfection was tested using an electroporator. The optimal transfection condition for the introduction of DNA and PNA FIT probes into Flp-In™ 293 T-REx™ cells was achieved using Streptolysin-O. Multicolor live cell imaging with the simultaneous use of three different FIT probes (BO, TO and QB) against three different target sequences was performed successfully. In addition, FIT probes were used for the differentiation between T cell lines. A competitive hybridization experiment with cells confirmed the specific fluorescence emission of the probes. Further studies with two cell lines and TO-FIT probes as well as terminal Cy7-labeled TO-FIT probes showed an increased TO emission in the presence of the complementary TCR mRNA target sequence in the cells. A second detection channel of the terminal Cy7 dye provided the advantage of comparing the Cy7- and TO-intensity ratio, thereby making it easier to exclude signals from unbound probe. This enabled the specific tagging of t cells. This was followed by the synthesis of QB-DNA-based FIT probes for the use in various biological applications e.g. as a pan selective marker for Influenza A infection. Moreover, the synthesis and evaluation of new dyes with an absorption maximum at 590/596 nm was performed. The incorporation of a cyclic PNA monomer next to the TO dye has also been realized to improve responsiveness and brightness in PNA-FIT probes.

Post-translationale Modifikationen (PTMs) sind wesentlich für die Regulierung von zellulären Mechanismen. Um diese Prozesse besser zu verstehen, ist es essentiell Methoden für deren Erforschung zu entwickeln. In dieser Arbeit wurden zwei chemoproteomische Ansätze entwickelt, um die PTMs, Proteinphosphorylierung und Proteinpyrophosphorylierung zu untersuchen. Die Proteom-weite Erforschung von Proteinphosphorylierungen beruht gewöhnlich auf der LC-MS/MS-Analyse von enzymatisch verdauten Proteomen und da die Phosphorylierung von niedriger Abundanz ist, wird ein Phosphopeptid-Anreicherungsschritt benötigt. Die Identifizierung von bestimmten Phosphopeptiden ist allerdings abhängig von der gewählten Anreicherungsmethode. Die Entwicklung von neuen Prozeduren ist daher bedeutsam, um neue Phosphorylierungsstellen zu identifizieren. Im ersten Projekt wurde eine milde und selektive Phosphopeptid-Anreicherungsmethode entwickelt und optimiert. Die Methode zeigte die Fähigkeit Phosphopeptide anzureichern und somit das Potential, das Repertoire der vorherigen Methoden zu erweitern, um neue Phosphorylierungsstellen zu identifizieren. Proteinpyrophosphorylierung ist eine unlängst identifizierte PTM, die nicht-enzymatisch an Proteine angefügt wird und es ist nur wenig ist über ihre Funktion bekannt. Vorherige Studien wiesen darauf hin, dass diese Modifikation enzymatisch entfernt wird, allerdings sind die verantwortlichen Enzyme („Proteinpyrophosphatasen“) nicht bekannt. Hier wurde eine Peptidaffinitätsmethode entwickelt, um potentielle Pyrophosphatasen und weitere interagierende Proteine aus humanen Zellen zu identifizieren. Damit wurden 6 Phosphatasen als potentielle Pyrophosphatase-Kandidaten identifiziert und weitere interagierende Proteine gaben Aufschlüsse über die Funktion der Proteinpyrophosphorylierung. Dadurch wurde das Potential der Methode aufgezeigt, interagierende Proteine der Proteinpyrophosphorylierung zu identifizieren, um die zelluläre Rolle zu verstehen. / Post-translational modifications (PTMs) are crucial for the regulation of cellular mechanisms. To better understand these processes, the development of chemical tools to investigate them is of high importance. In this thesis, two chemoproteomics approaches were established to investigate the PTMs protein phosphorylation and protein pyrophosphorylation. The proteome-wide study of protein phosphorylation usually relies on LC-MS/MS analysis of enzymatically digested proteomes, requiring a phosphopeptide enrichment step, due to the low abundance of phosphorylation. However, the identification of certain sets of phosphopeptides is dependend on the choice of enrichment method. Therefore, the development of new workflows is important to identify new phosphorylation sites. In the first project, a mild and selective phosphopeptide enrichment method was developed and optimized. The method was able to enrich phosphopeptides and therefore, showed the potential to complement the repertoire of current methods to identify new phosphorylation sites. Protein pyrophosphorylation is a recently discovered PTM, which is non-enzymatically attached to proteins and there is only sparse knowledge about the function. Previous studies have indicated the enzymatic removal of this modification, but the responsible enzymes (‘protein pyrophosphatases’) are unknown. Here, a peptide affinity capture method was developed to identify potential pyrophosphatases and further interacting proteins from human cells. Therewith, 6 phosphatases were identified as potential pyrophosphatase candidates and further interacting proteins gave insights into the function and mechanisms of protein pyrophosphorylation. Thereby, the potential of this method was demonstrated to identify interacting proteins of protein pyrophosphorylation to understand the cellular role.

SerpinA12 (vaspin) is thought to be mainly expressed in adipose tissue and has multiple beneficial effects on metabolic, inflammatory and atherogenic processes related to obesity. KLK7 (kallikrein 7) is the only known protease target of vaspin to date and is inhibited with a moderate inhibition rate. In the crystal structure, the cleavage site (P1-P1′) of the vaspin reactive centre loop is fairly rigid compared with the flexible residues before P2, possibly supported by an ionic interaction of P1′ glutamate (Glu379) with an arginine residue (Arg302) of the β-sheet C. A P1′ glutamate seems highly unusual and unfavourable for the protease KLK7. We characterized vaspin mutants to investigate the roles of these two residues in protease inhibition and recognition by vaspin. Reactive centre loop mutations changing the P1′ residue or altering the reactive centre loop conformation significantly increased inhibition parameters, whereas removal of the positive charge within β-sheet C impeded the serpin–protease interaction. Arg302 is a crucial contact to enable vaspin recognition by KLK7 and it supports moderate inhibition of the serpin despite the presence of the detrimental P1′ Glu379, which clearly represents a major limiting factor for vaspin-inhibitory activity. We also show that the vaspin-inhibition rate for KLK7 can be modestly increased by heparin and demonstrate that vaspin is a heparin-binding serpin. Noteworthily, we observed vaspin as a remarkably thermostable serpin and found that Glu379 and Arg302 influence heat-induced polymerization. These structural and functional results reveal the mechanistic basis of how reactive centre loop sequence and exosite interaction in vaspin enable KLK7 recognition and regulate protease inhibition as well as stability of this adipose tissue-derived serpin.

Amadori-Produkte werden spontan während der ersten Phase der Maillard-Reaktion aus reduzierenden Zuckern und Aminen wie Lysin gebildet. Sie entstehen während der Erhitzung von Lebensmitteln und in vivo. Der enzymatische Abbau solcher spontan gebildeten Produkte ist Thema dieser Arbeit. Ein Teil untersuchte die Rolle von Oligosaccharid-Amadori-Produkten während der Verdauung von Kohlenhydraten im Dünndarm. Aufgrund ihrer strukturellen Ähnlichkeit mit bekannten Glycosidase-Inhibitoren wurde eine hemmende Wirkung der Amadori-Produkte auf die Kohlenhydratverdauung vermutet. Der andere Teil beschäftigte sich mit Fructosamin-3-kinase (FN3K) und dessen verwandtem Enzym Fructosamin-3-kinase-related Protein (FN3K-RP) aus humanen Erythrocyten. Diese Ketosaminkinasen werden als Proteinreparaturenzyme betrachtet, sogar als enzymatische Verteidigung gegen Glykierung in vivo diskutiert. Durch ihre Reaktion entstehen jedoch auch hoch-reaktive 1,2-Dicarbonylverbindungen, die weitere Proteinschäden bewirken können. Noch ist nicht klar, ob die Ketosaminkinasen die pathophysiologischen Folgen der Glykierung verhindern oder fördern. In dieser Arbeit wurde die Substratspezifität von Ketosaminkinasen mit einer Reihe von Amadori-Produkten untersucht. Damit könnten Inhibitoren zur weiteren Enzymcharakterisierung oder sogar für pharmazeutische Anwendungen identifiziert werden. Außerdem wurde die Variabilität der Enzymaktivitäten von Mensch zu Mensch in einer Kohorte von 100 Probanden untersucht. Als Modell für die menschliche Kohlenhydratverdauung im Dünndarm wurden Caco-2-Zellen als Monolayer etabliert. Deren Sucrase-Isomaltase kann die alpha-glycosidische Bindung in Amadori-Produkten von Maltose und Maltotriose mit Lysin und auch in Maltulose hydrolysieren. Trotz der Aminogruppe hemmen diese Amadori-Produkte die Maltosehydrolyse nur schwach als konkurrierende Substrate. Lactulosyllysin konnte nicht durch die Lactase der Caco-2-Zellen hydrolysiert werden. Tagatosyllysin und die Heyns-Produkte Glucosyllysin und Mannosyllysin hemmten die Lactosehydrolyse schwach. Alle beobachteten Hemmeffekte sind wahrscheinlich zu schwach, um während der Verdauung in vivo bedeutsam zu sein. Für FN3K konnte Desoxypiperidinofructose als kompetitiver Inhibitor identifiziert werden (Kic 0,006 mM). FN3K zeigte nur geringe Selektivität gegenüber Amadori-Produkten verschiedener Amine, ausgenommen aromatischer Amine. FN3K-RP war in Erythrocyten wesentlich aktiver als FN3K, auch wenn die Aktivität nicht selektiv inhibiert werden konnte. Beide Enzymaktivitäten unterscheiden sich unter den 100 Probanden, mit einer Spannweite von 3 bis 12 mU/g Hämoglobin für FN3K und 60 bis 135 mU/g Hb für FN3K und FN3K-RP zusammen. Es scheint eine Verbindung zwischen der Ketosaminkinase-Aktivität in Erythrocyten und Nierenerkrankungen, familiär auftretendem Diabetes mellitus, sowie familiär aufgetretenen Herzinfarkten oder Schlaganfällen zu bestehen, wie orientierende Auswertungen zeigten. Deshalb ist eine genauere Untersuchung der physiologischen Bedeutung der Ketosaminkinasen nötig. / Amadori products are formed spontaneously from reducing sugars and amines, e.g. lysine, during the first phase of the Maillard reaction. They occur in heated food and in vivo. The thesis focuses on the enzymatic degradation of such spontaneously formed compounds. One part of this work investigated the faith and impact of oligosaccharide derived Amadori products during small intestinal carbohydrate digestion. Due to their structural similarity with known glycosidase inhibitors, an inhibitory action of Amadori products towards carbohydrate digestions was assumed. The other part dealt with fructosamine-3-kinase (FN3K) and its related protein (FN3K-RP) from human erythrocytes. Such ketosamine kinases are regarded as protein repair enzymes, maybe even an enzymatic defence against glycation in vivo. While deglycating protein bound Amadori products, however, they produce highly reactive 1,2-dicarbonyl compounds, which can lead to further protein damage. It is unclear, whether the ketosamine kinase action prevents or supports the pathophysiological effects of glycation. This work studied the substrate specifity of ketosamine kinases with a variety of Amadori products, which could result in inhibitors for further enzyme characterisation or even pharmaceutical uses. Further, the variability of both enzyme activities in a cohort of 100 subjects was examined. As a model for human small intestinal carbohydrate digestion, a Caco-2 cell monolayer was employed. Their sucrase-isomaltase is able to hydrolyse the alpha-glucosidic linkage in Amadori products of maltose and maltotriose with lysine, as well as in maltulose. Despite their amino group, those amadori products inhibited maltose hydrolysis merely weakly as competing substrates. Lactulosyl lysine on the other hand could not be hydrolysed by Caco-2 lactase. Tagatosyl lysine and the Heyns products glucosyl lysine and mannosyl lysine showed weak inhibition of lactose hydrolysis. All observed inhibitory effects are probably too weak to be of importance during carbohydrate digestion in vivo. Deoxypiperidinofructose was identified as a competitive inhibitor of FN3K (Kic 0,006 mM). FN3K acted rather non-specific towards Amadori products of different amines, except aromatic amines. FN3K-RP showed much higher activity in erythrocytes than FN3K, although its activity could not be inhibited selectively. Both enzyme activities vary among 100 subjects, with a range of 3 to 12 mU/g hemoglobin for FN3K and 60 to 135 mU/g hb for FN3K and FN3K-RP together. Relations of ketosamine kinase activity in erythrocytes with renal diseases, familial diabetes mellitus and familial cardiovascular events seem to exist. Thus, investigating the physiological impact of ketosamine kinases is necessary.

Dreiwertige Actinide (An(III)) und Lanthanide (Ln(III)) stellen im Falle ihrer Inkorporation eine ernste Gefahr für die Gesundheit des Menschen dar. An(III) sind künstlich erzeugte, stark radioaktive Elemente, die insbesondere bei der nuklearen Energiegewinnung in Kernkraftwerken entstehen. Durch Störfälle oder nicht fachgerechte Lagerung radioaktiven Abfalls können sie in die Umwelt und die Nahrungskette des Menschen gelangen. Ln(III) sind hingegen nicht radioaktive Elemente, die natürlicherweise vorkommen und für vielfältige Anwendungen in Technik und Medizin abgebaut werden. Folglich kann der Mensch sowohl mit An(III) als auch Ln(III) in Kontakt kommen bzw. sie inkorporieren. Es ist daher von enormer Wichtigkeit, das Verhalten dieser Elemente im menschlichen Körper aufzuklären. Während makroskopische Vorgänge wie Verteilung, Anreicherung und Ausscheidung bereits sehr gut untersucht sind, ist das Wissen hinsichtlich der chemischen Bindungsform (Speziation) von An(III) und Ln(III) in Körperflüssigkeiten noch sehr lückenhaft. In der vorliegenden Arbeit wurde daher erstmals die chemische Bindungsform von Cm(III) und Eu(III) in natürlichem menschlichem Urin (in vitro) spektroskopisch aufgeklärt und die gebildeten Komplexe identifiziert. Hierzu wurden auch grundlegende Untersuchungen zur Komplexierung von Cm(III) und Eu(III) in synthetischem Modellurin sowie mit den urinrelevanten organischen Modellliganden Harnstoff, Alanin, Phenylalanin, Threonin und Citrat durchgeführt und die noch unbekannten Komplexbildungskonstanten bestimmt. Abschließend wurden alle experimentellen Ergebnisse mit Literaturdaten und Vorherberechnungen mittels thermodynamischer Modellierung verglichen. Auf Grund der hervorragenden Lumineszenzeigenschaften von Cm(III) und Eu(III) konnte insbesondere auch die Eignung der zeitaufgelösten laserinduzierten Fluoreszenzspektroskopie (TRLFS) als Methode zur Untersuchung dieser Metallionen in unbehandelten, komplexen biologischen Flüssigkeiten demonstriert werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit liefern damit neue Erkenntnisse zu den biochemischen Reaktionen von An(III) und Ln(III) in Körperflüssigkeiten auf molekularer Ebene und tragen zu einem besseren Verständnis der bekannten, makroskopischen Effekte dieser Elemente bei. Darüber hinaus sind sie die Grundlage weiterführender in-vivo-Untersuchungen.:1 Motivation und Zielstellung 2 Speziationsbestimmung exogener Schwermetalle in Biofluiden 2.1 Actinide und Lanthanide 2.2 Biochemisches Verhalten exogener Schwermetalle im Menschen 2.3 Speziationsbestimmung von Metallen 3 Komplexbildung von Curium(III) und Europium(III) mit organischen Modellliganden 3.1 Lumineszenzspektroskopische Eigenschaften von Curium(III) und Europium(III) in Wasser 3.2 Harnstoff – Hauptbestandteil des menschlichen Urins 3.3 Citronensäure – ubiquitäres Biomolekül0 3.4 Aminosäuren – Grundbausteine des Lebens 4 Speziation von Curium(III) und Europium(III) in menschlichen Urinproben 4.1 Charakterisierung und Analyse der natürlichen menschlichen Urinproben 4.2 Bestimmung der Speziation von Curium(III) und Europium(III) in Modellurin 4.3 Bestimmung der Speziation von Curium(III) und Europium(III) in menschlichem Urin 5 Diskussion 5.1 Vergleich der Komplexbildungseigenschaften von Curium(III) und Europium(III) 5.2 Thermodynamische Modellierung der Speziation von Curium(III) und Europium(III) in menschlichem Urin 5.3 Ausblick 6 Experimentelles / In case of incorporation, trivalent actinides (An(III)) and lanthanides (Ln(III)) pose a serious health risk to humans. An(III) are artificial, highly radioactive elements which are mainly produced during the nuclear fuel cycle in nuclear power plants. Via hazardous accidents or nonprofessional storage of radioactive waste, they can be released in the environment and enter the human food chain. In contrast, Ln(III) are nonradioactive, naturally occurring elements with multiple applications in technique and medicine. Consequently it is possible that humans get in contact and incorporate both, An(III) and Ln(III). Therefore, it is of particular importance to elucidate the behaviour of these elements in the human body. While macroscopic processes such as distribution, accumulation and excretion are studied quite well, knowledge about the chemical binding form (speciation) of An(III) and Ln(III) in various body fluids is still sparse. In the present work, for the first time, the speciation of Cm(III) and Eu(III) in natural human urine (in vitro) has been investigated spectroscopically and the formed complex identified. For this purpose, also basic investigations on the complex formation of Cm(III) and Eu(III) in synthetic model urine as well as with the urinary relevant, organic model ligands urea, alanine, phenylalanine, threonine and citrate have been performed and the previously unknown complex stability constants determined. Finally, all experimental results were compared to literature data and predictions calculated by thermodynamic modelling. Since both, Cm(III) and Eu(III), exhibit unique luminescence properties, particularly the suitability of time-resolved laser-induced fluorescence spectroscopy (TRLFS) could be demonstrated as a method to investigate these metal ions in untreated, complex biofluids. The results of this work provide new scientific findings on the biochemical reactions of An(III) and Ln(III) in human body fluids on a molecular scale and contribute to a better understanding of the known macroscopic effects of these elements. Furthermore, they are the basis of subsequent in vivo investigations.:1 Motivation und Zielstellung 2 Speziationsbestimmung exogener Schwermetalle in Biofluiden 2.1 Actinide und Lanthanide 2.2 Biochemisches Verhalten exogener Schwermetalle im Menschen 2.3 Speziationsbestimmung von Metallen 3 Komplexbildung von Curium(III) und Europium(III) mit organischen Modellliganden 3.1 Lumineszenzspektroskopische Eigenschaften von Curium(III) und Europium(III) in Wasser 3.2 Harnstoff – Hauptbestandteil des menschlichen Urins 3.3 Citronensäure – ubiquitäres Biomolekül0 3.4 Aminosäuren – Grundbausteine des Lebens 4 Speziation von Curium(III) und Europium(III) in menschlichen Urinproben 4.1 Charakterisierung und Analyse der natürlichen menschlichen Urinproben 4.2 Bestimmung der Speziation von Curium(III) und Europium(III) in Modellurin 4.3 Bestimmung der Speziation von Curium(III) und Europium(III) in menschlichem Urin 5 Diskussion 5.1 Vergleich der Komplexbildungseigenschaften von Curium(III) und Europium(III) 5.2 Thermodynamische Modellierung der Speziation von Curium(III) und Europium(III) in menschlichem Urin 5.3 Ausblick 6 Experimentelles

In der vorliegenden Arbeit wurden die molekularen Grundlagen für die Agonistspezifität des G-Protein-gekoppelten Rezeptors GPR34 untersucht. Mittels verschiedener funktioneller Versuche konnte an ausgewählten Orthologen des Rezeptors gezeigt werden, dass, im Gegensatz zu publizierten Daten, Lysophosphatidylserin (Lyso-PS) nicht der natürliche Agonist des GPR34 ist. Lediglich an einigen cyprinoiden Subtypen des GPR34 hat Lyso-PS surrogat-agonistische Effekte. Anhand eines detaillierten evolutionären Vergleichs von Orthologen konnten Bereiche des Rezeptors ermittelt werden, welche an der Ligandenbindung, und damit an der Agonistspezifität des GPR34 beteiligt sind. Durch Übertragung dieser Bereiche vom Karpfen-GPR34-Subtyp 2a auf den humanen GPR34 konnte dieser zu einem Lyso-PS-sensitiven Rezeptor modelliert werden. Weiterhin wurde Aminoethyl-Carbamoyl-ATP (EDA-ATP) als inverser Agonist an cyprinoiden Orthologen des GPR34 identifiziert. Die Erweiterung des möglichen Ligandenspektrums von Lipiden zu Nukleotidderivaten gibt Hinweise auf die Promiskuität der Bindungsstelle des GPR34. Die Ergebnisse zeigen, dass Lyso-PS nur eine zufällige Aktivität an einigen Orthologen des GPR34 hat. Mit Identifizierung eines Nichtlipides als invers-agonistischen Liganden ist die Suche nach dem natürlichen Liganden des GPR34 noch nicht abgeschlossen und sollte auf weitere chemische Entitäten ausgeweitet werden. / Lyso-PS (lyso-phosphatidylserine) has been shown to activate the G(i/o)-protein-coupled receptor GPR34. Since in vitro and in vivo studies provided controversial results in assigning lyso-PS as the endogenous agonist for GPR34, we investigated the evolutionary conservation of agonist specificity in more detail. Except for some fish GPR34 subtypes, lyso-PS has no or very weak agonistic activity at most vertebrate GPR34 orthologues investigated. Using chimaeras we identified single positions in the second extracellular loop and the transmembrane helix 5 of carp subtype 2a that, if transferred to the human orthologue, enabled lyso-PS to activate the human GPR34. Significant improvement of agonist efficacy by changing only a few positions strongly argues against the hypothesis that nature optimized GPR34 as the receptor for lyso-PS. Phylogenetic analysis revealed several positions in some fish GPR34 orthologues which are under positive selection. These structural changes may indicate functional specification of these orthologues which can explain the species- and subtype-specific pharmacology of lyso-PS. Furthermore, we identified aminoethyl-carbamoyl ATP as an antagonist of carp GPR34, indicating ligand promiscuity with non-lipid compounds. The results of the present study suggest that lyso-PS has only a random agonistic activity at some GPR34 orthologues and the search for the endogenous agonist should consider additional chemical entities.

Mit Aminotransferasen können chirale Amine auf biotechnologischem Weg hergestellt werden. Diese besitzen große Bedeutung als Bausteine für weitere Synthesen in der pharmazeutischen und agrochemischen Industrie. Da natürlich vorkommende Enzyme oft nicht die gewünschte Substratspezifität für bestimmte industrielle Anwendungen besitzen, ist eine Optimierung durch Mutagenese notwendig. Solche Entwicklungen sind jedoch oft mit hohem Zeit- und Kostenaufwand verbunden. Die Optimierung kann entweder ungezielt durch empirische Methoden oder gezielt unter Einbeziehung von Informationen über das Enzym erfolgen. Die notwendigen Daten können als Vorbereitung zu konkreten Produktentwicklungen durch Untersuchungen an potentiell geeigneten Enzymen gewonnen werden. Um einen solchen rationalen Ansatz bei der einer speziellen Amin-Pyruvat-Aminotransferase zu ermöglichen, war es Ziel der vorliegenden Arbeit die Grundlagen für die Veränderung der Substratspezifität dieses Enzyms zu erarbeiten. Zunächst wurden strukturelle Informationen durch ein Homologie-Modell gewonnen und später durch eine experimentell bestimmte Struktur ergänzt. Mit dieser Struktur wurden die Substrat-bindenden Reste identifiziert und zunächst der Einfluss auf die Substratbindung durch ortsgerichtete Mutagenese überprüft. Es konnte gezeigt werden, dass alle acht ausgewählten Aminosäurereste an der Substratbindung beteiligt sind. Zudem wurde unter diesen Positionen nach Mutanten gesucht, die neue Substrate umsetzen können. Eine Reihe von Mutanten wurde identifiziert, die verschiedene neue Substrate umsetzen. Für zwei Positionen konnten eine Reihe von Mutanten identifiziert werden, die neue Substrate akzeptieren. Durch die Art der Seitenketten, die Position der Aminosäuren und der chemischen Struktur der akzeptierten Substrate konnten eine Reihe von Aussagen über den Mechanismus der Substratbindung für diese Amin-Pyruvat-Aminotransferase gemacht werden. Außerdem wurde die Zweckmäßigkeit der eingesetzten theoretischen und experimentellen Methoden für die Anwendung bei Entwicklungen mit Enzymen dieser Klasse gezeigt.

The Gram-negative bacterium Pseudomonas aeruginosa is a life-threatening nosocomial pathogen due to its generally low susceptibility toward antibiotics. Furthermore, many strains have acquired resistance mechanisms requiring new antimicrobials with novel mechanisms to enhance treatment options. Proline-rich antimicrobial peptides, such as the apidaecin analog Api137, are highly efficient against various Enterobacteriaceae infections in mice, but less active against P. aeruginosa in vitro. Here, we extended our recent work by optimizing lead peptides Api755 (gu-OIORPVYOPRPRPPHPRL-OH; gu = N,N,N′,N′-tetramethylguanidino, O = L-ornithine) and Api760 (gu-OWORPVYOPRPRPPHPRL-OH) by incorporation of Ile-Orn- and Trp-Orn-motifs, respectively. Api795 (gu-O(IO)2RPVYOPRPRPPHPRL-OH) and Api794 (gu-O(WO)3RPVYOPRPRPPHPRL-OH) were highly active against P. aeruginosa with minimal inhibitory concentrations of 8–16 and 8–32 μg/mL against Escherichia coli and Klebsiella pneumoniae. Assessed using a quartz crystal microbalance, these peptides inserted into a membrane layer and the surface activity increased gradually from Api137, over Api795, to Api794. This mode of action was confirmed by transmission electron microscopy indicating some membrane damage only at the high peptide concentrations. Api794 and Api795 were highly stable against serum proteases (half-life times >5 h) and non-hemolytic to human erythrocytes at peptide concentrations of 0.6 g/L. At this concentration, Api795 reduced the cell viability of HeLa cells only slightly, whereas the IC50 of Api794 was 0.23 ± 0.09 g/L. Confocal fluorescence microscopy revealed no colocalization of 5(6)-carboxyfluorescein-labeled Api794 or Api795 with the mitochondria, excluding interactions with the mitochondrial membrane. Interestingly, Api795 was localized in endosomes, whereas Api794 was present in endosomes and the cytosol. This was verified using flow cytometry showing a 50% higher uptake of Api794 in HeLa cells compared with Api795. The uptake was reduced for both peptides by 50 and 80%, respectively, after inhibiting endocytotic uptake with dynasore. In summary, Api794 and Api795 were highly active against P. aeruginosa in vitro. Both peptides passed across the bacterial membrane efficiently, most likely then disturbing the ribosome assembly, and resulting in further intracellular damage. Api795 with its IOIO-motif, which was particularly active and only slightly toxic in vitro, appears to represent a promising third generation lead compound for the development of novel antibiotics against P. aeruginosa.

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