Techniken des computergestützten Wirkstoffdesigns spielen eine wichtige Rolle bei der Entwicklung neuer Wirkstoffe. Die vorliegende Arbeit befasst sich sowohl mit der Entwicklung als auch mit der praktischen Anwendung von Methoden des strukturbasierten Wirkstoffdesigns. Die Arbeit glieder sich daher in zwei Teile. Der erste Teil beschäftigt sich mit der Entwicklung von empirischen Scoring-Funktionen, die eine Schlüsselrolle im strukturbasierten computergestützen Wirkstoffdesign einnehmen. Grundlage dieser Arbeiten sind die empirischen Deskriptoren und Scoring-Funktionen aus dem SFCscore-Programmpaket. Dabei wurde zunächst untersucht, wie sich die Zusammensetzung der Trainingsdaten auf die Vorhersagen von empirischen Scoring-Funktionen auswirkt. Durch die gezielte Zusammenstellung eines neuen Trainingsdatensatzes wurde versucht, die Spannweite der Vorhersagen zu vergrößern, um so vor allem eine bessere Erkennung von hoch- und niedrig-affinen Komplexen zu erreichen. Die resultierende Funktion erzielte vor allem im niedrig-affinen Bereich verbesserte Vorhersagen. Der zweite Themenkomplex beschäftigt sich ebenfalls mit der verbesserten Separierung von aktiven und inaktiven Verbindungen. Durch den Einsatz der Machine Learning-Methode RandomForest wurden dazu Klassifizierungsmodelle abgeleitet, die im Unterschied zu den klassischen Scoring-Funktionen keinen genauen Score liefern, sondern die Verbindungen nach ihrer potentiellen Aktivität klassifizieren. Am Beispiel des mykobakteriellen Enzyms InhA konnte gezeigt werden, dass derartige Modelle den klassischen Scoring-Funktionen im Bezug auf die Erkennung von aktiven Verbindungen deutlich überlegen sind. Der RandomForest-Algorithmus wurde im nächsten Schritt auch verwendet, um eine neue Scoring-Funktion zur Vorhersage von Bindungsaffinitäten abzuleiten. Diese Funktion wurde unter dem Namen SFCscoreRF in das SFCscore-Programmpaket implementiert. Die Funktion unterschiedet sich in einigen wesentlichen Punkten von den ursprünglichen SFCscore-Funktionen. Zum einen handelt es sich beim RF-Algorithmus um eine nicht-lineare Methode, die im Unterschied zu den klassischen Methoden, die zur Ableitung von Scoring-Funktionen eingesetzt werden, nicht von der Additivität der einzelnen Deskriptoren ausgeht. Der Algorithmus erlaubt außerdem die Verwendung aller verfügbaren SFCscore-Deskriptoren, was eine deutlich umfassendere Repräsentation von Protein-Ligand-Komplexen als Grundlage des Scorings ermöglicht. Für die Ableitung von SFCscoreRF wurden insgesamt 1005 Komplexe im Trainingsdatensatz verwendet. Dieser Datensatz ist somit einer der größten, die bisher für die Ableitung einer empirischen Scoring-Funktion verwendet wurden. Die Evaluierung gegen zwei Benchmark-Datensätze ergab deutlich bessere Vorhersagen von SFCscoreRF im Vergleich zu den ursprünglichen SFCscore-Funktionen. Auch im internationalen Vergleich mit anderen Scoring-Funktion konnten für beide Datensätze Spitzenwerte erreicht werden. Weitere ausgiebige Testungen im Rahmen einer Leave-Cluster-Out-Validierung und die Teilnahme am CSAR 2012 Benchmark Exercise ergaben, dass auch SFCscoreRF Performanceschwankungen bei der Anwendung an proteinspezifischen Datensätzen zeigt - ein Phänomen, dass bei Scoring-Funktionen immer beobachtet wird. Die Analyse der CSAR 2012-Datensätze ergab darüber hinaus wichtige Erkenntnisse im Bezug auf Vorhersage von gedockten Posen sowie über die statistische Signifikanz bei der Evaluierung von Scoring-Funktionen. Die Tatsache, dass empirische Scoring-Funktionen innerhalb eines bestimmten chemischen Raums trainiert wurden, ist ein wichtiger Faktor für die protein-abhängigen Leistungsschwankungen, die in dieser Arbeit beobachtet wurden. Verlässliche Vorhersagen sind nur innerhalb des kalibrierten chemischen Raums möglich. In dieser Arbeit wurden verschiedene Ansätze untersucht, mit denen sich diese ``Applicability Domain'' für die SFCscore-Funktionen definieren lässt. Mit Hilfe von PCA-Analysen ist es gelungen die ``Applicability Domain'' einzelner Funktionen zu visualisieren. Zusätzlich wurden eine Reihe numerischer Deskriptoren getestet, mit den die Vorhersageverlässlichkeit basierend auf der ``Applicability Domain'' abgeschätzt werden könnte. Die RF-Proximity hat sich hier als vielversprechender Ausgangspunkt für weitere Entwicklungen erwiesen. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung neuer Inhibitoren für das Chaperon Hsp70, welches eine vielversprechende Zielstruktur für die Therapie des multiplen Myeloms darstellt. Grundlage dieser Arbeiten war eine Leitstruktur, die in einer vorhergehenden Arbeit entdeckt wurde und die vermutlich an einer neuartigen Bindestelle in der Interface-Region zwischen den beiden großen Domänen von Hsp70 angreift. Die Weiterentwicklung und Optimierung dieser Leitstruktur, eines Tetrahydroisochinolinon-Derivats, stand zunächst im Vordergrund. Anhand detaillierter Docking-Analysen wurde der potentielle Bindemodus der Leitstruktur in der Interfaceregion von Hsp70 untersucht. Basierend auf diesen Ergebnissen wurde eine Substanzbibliothek erstellt, die von Kooperationspartnern innerhalb der KFO 216 synthetisiert und biologisch getestet wurde. Die Struktur-Wirkungsbeziehungen, die sich aus diesen experimentellen Daten ableiten lassen, konnten teilweise gut mit den erstellten Docking-Modellen korreliert werden. Andere Effekte konnten anhand der Docking-Posen jedoch nicht erklärt werden. Für die Entwicklung neuer Derivate ist deswegen eine umfassendere experimentelle Charakterisierung und darauf aufbauend eine Verfeinerung der Bindungsmodelle notwendig. Strukturell handelt es sich bei Hsp70 um ein Zwei-Domänen-System, dass verschiedene allostere Zustände einnehmen kann. Um die Auswirkungen der daraus folgenden Flexibilität auf die Stabilität der Struktur und die Bindung von Inhibitoren zu untersuchen, wurden molekulardynamische Simulationen für das Protein durchgeführt. Diese zeigen, dass das Protein tatsächlich eine überdurchschnittlich hohe Flexibilität aufweist, die vor allem durch die relative Bewegung der beiden großen Domänen zueinander dominiert wird. Die Proteinkonformation die in der Kristallstruktur hscaz beobachtet wird, bleibt jedoch in ihrer Grundstruktur in allen vier durchgeführten Simulationen erhalten. Es konnten hingegen keine Hinweise dafür gefunden werden, dass die Mutationen, welche die für die strukturbasierten Arbeiten verwendete Kristallstruktur im Vergleich zum Wildtyp aufweist, einen kritischen Einfluss auf die Gesamtstabilität des Systems haben. Obwohl die Interface-Region zwischen NBD und SBD also in allen Simulationen erhalten bleibt, wird die Konformation in diesem Bereich doch wesentlich durch die Domänenbewegung beeinflusst und variiert. Da dieser Proteinbereich den wahrscheinlichsten Angriffspunkt der Tetrahydroisochinolinone darstellt, wurde der Konformationsraum detailliert untersucht. Wie erwartet weist die Region eine nicht unerhebliche Flexibilität auf, welche zudem, im Sinne eines ``Induced-Fit''-Mechanismus, durch die Gegenwart eines Liganden (Apoptozol) stark beeinflusst wird. Es ist daher als sehr wahrscheinlich anzusehen, dass die Dynamik der Interface-Region auch einen wesentlichen Einfluss auf die Bindung der Tetrahydroisochinolinone hat. Molekuardynamische Berechnungen werden deswegen auch in zukünftige Arbeiten auf diesem Gebiet eine wichtige Rolle spielen. Die Analysen zeigen zudem, dass die Konformation der Interface-Region eng mit der Konformation des gesamten Proteins - vor allem im Bezug auf die relative Stellung von SBD und NBD zueinander - verknüpft ist. Das untermauert die Hypothese, dass die Interface-Bindetasche einen Angriffspunkt für die Inhibtion des Proteins darstellt. / Methods of computational drug design play a crucial role in the development of new pharmaceutical drugs. The work presented here comprises the methodological development and the practical application of structure-based techniques in computational drug design. The first part of this dissertation focuses on the development of empirical scoring functions, which play an essential part in structure-based computer-aided drug design. The basis for this work are the empirical descriptors and scoring functions of the SFCscore software package. First, the influence of the training data composition on the prediction of empirical scoring functions was analyzed. A new training data set was created to spread the prediction range of the function and thus achieve a better separation of high and low affinity binders. The resulting function indeed yielded better predictions in the low affinity area compared to the original functions. In another approach, which also addresses the issue of discriminating active and inactive compounds, the Machine Learning method RandomForest (RF) was used to derive a classification model. Different to classical empirical scoring functions, this model no longer predicts a precise value but classifies the compounds according to their potential affinity as 'active' or 'inactive'. The example of the mycobacterial enzyme InhA showed that such models are clearly superior to different classical scoring function in terms of separating active and inactive compounds. The RandomForest algorithm was also used to derive a new scoring function for the prediction of binding affinities. This new function was implemented into the SFCscore software package under the name SFCscoreRF. This new function differs from the original SFCscore functions in several essentials points. On the one hand, the RF-algorithm is a non-linear method, which - in contrast to classical methods used for the derivation of empirical scoring functions - does not assume the additivity of the single descriptors. On the other hand, the algorithm allowes for using the whole set of available SFCscore descriptors and is therefore able to utilize a more comprehensive representation of a protein ligand complex as the basis for the prediction. Additionally, the training data set used to derive SFCscoreRF comprised 1005 complexes. This training set is one of the largest data sets used to train an empirical scoring function. The evaluation against two widely-used benchmark sets confirmed that SFCscoreRF yields superior predicitons as compared to the original functions. The comparison with other functions tested for these benchmarks shows that SFCscoreRF also achieves top results on an international level. Further analyses using a leave-cluster-out validation scheme and the participation in the CSAR 2012 Benchmark Exercise revealed that - similar to other scoring functions - SFCscoreRF shows varying performances when applied to protein-specific data sets. Additionally, by analysing the results of the CSAR 2012 data sets, valuable insight were gained regarding the prediction of docking poses and the statistical significance for the evaluation and comparison of scoring functions. The fact that empirical scoring functions are trained within a certain chemical space, is an important reason for the target-dependent performance observed in this work. Reliable predictions can only be expected within the calibrated area. Different approaches for the definition of this ``applicability domain'' are presented in this work. PCA analyses have been used to create a two dimensional representation of the ``applicability domain''. Additionally, different numerical descriptors have been tested to estimate the reliability of SFCscore predicitons. The RF-proximity has been found to be a promising starting point for future research. The development of new inhibitors for the molecular chaperone Hsp70 - a promising target in the therapy of multiple myeloma - comprises the second part of this dissertation. The basis for this work was a lead structure that was found in a previous work and attacks a novel binding pocket in the interface between the two domains of the Hsp70 protein. The optimization and development of that lead structure - a tetrahydroisochinolinone - was the primary focus of the present work. Potential binding poses in the interface were elucidated by detailed docking analyses. Based on that information, a compound library was compiled, which was synthezised and biologically analyzed by cooperation partners within the CRU 216. The resulting structure activity relationships can partially be explained on the basis of the corresponding docking poses. However, some of the effects remain unexplained. For the further development of new derivatives a comprehensive experimental characterization of the current compounds is needed. This information can be used as a basis for the refinement of the existing binding models. Hsp70 is a two-domain system, which can visit different allosteric states. To further investigate the effects of the resulting flexibility on the stability of the structure and on inhibitor binding, molecular dynamics simulations were conducted. These simulations show an above-average felxibility of the protein, which is primarily dominated by the movement of the two domains NBD and SBD relatively to each other. However, the basic conformation that is observed in the crystal structure hscaz, which was used in this work, remains stable in all simulations. Furthermore, the trajectories showed no evidence that the mutations, in which hscaz differs from the wild type protein, have a significant effect on the overall protein conformation. Although, the overall conformation of the interface between NDB and SBD remains stable, the exact conformation in this area is signficantly influenced by the domain movement. As this region includes the binding pocket of the tetrahydroisochinolinones, the conformational space of this area was analyzed in detail. The analyses expectedly reveal a high flexibility in the interface area that is dominated by the SBD-NBD movement. Furthermore, it could be shown that the conformation and dynamics can be influenced by a bound ligand (apoptozole), in terms of an induced fit mechanism. It is highly probable that the binding of the tetrahydroisochinolinones trigger similar effects, influencing the binding mechanism of this compound class. Thus, molecular dynamics simulations should play a crucial role in the future development of new compounds. The analyses also show that the dynamics of the interface region have large effects on the overall structure of the protein and vice versa. Especially, the relative orientation of NBD and SBD has a large impact on the binding pocket. This underlines the hypothesis that the interface region constitutes a promising target area for the inhibition of Hsp70.

University, Diss., 2001--Köln.

Das Mikromilieu solider Tumor (tumor mircoenvironment, TME) weist verschiedene Besonderheiten auf, von denen bekannt ist, dass sie zu Chemotherapieresistenz und Tumorprogression beitragen können. Neben der Extrazellulären Matrix (ECM), den cancer associated cells (CAC) und diversen Entzündungszellen tragen auch chemische und physikalische Besonderheiten (Hypoxie, Azidose, erhöhter Gewebedruck, oxidativer Stress und Nährstoffmangel) zu Tumorprogression und Chemotherapieresistenz bei. Zudem wissen wir, dass Hitzeschock-Proteine (HSPs), Toll-like Rezeptoren (TLRs) und ABC-Transporter mit erhöhter Chemotherapieresistenz und Tumorprogression im Pankreas- und Kolonkarzinom einhergehen. Hier wurde untersucht, ob ein in vitro induzierter Nährstoffmangel im HT29 Kolonkarzinom, im Panc-1 Pankreaskarzinom und im MIA PaCa-2 Pankreaskarzinom zu einer gesteigerten Expression von HSP70, HSP90, MDR1, ABCB5 und TLR1 bis TLR10 auf mRNA und Proteinebene führt. Zudem wurde unter allen Versuchsbedingungen die Stoffwechselaktivität über einen MTS-Test gemessen. Der Nährstoffmangel wurde über die Kultivierung in einem Hybridomamedium, welches als proteinfreies Medium gilt und über die Kultivierung in einem serumfreien Medium induziert. Es zeigte sich, dass insbesondere die entdifferenzierte Panc-1 Pankreaskarzinomzelllinie eine erhöhte Resistenz gegenüber dem induzierten Nährstoffmangel aufwies. Auf mRNA-Ebene zeigten sich bei allen drei Tumorzelllinien deutliche Expressionssteigerungen. Diese waren insbesondere im Hybridomamedium nachweisbar und traten beim HT29-Kolonkarzinom nach 48h und im Panc-1 Pankreaskarzinom bereits nach 24h auf. Besonders intensive Expressionssteigerungen konnten im HT29 Kolonkarzinom bei ABCB5, TLR7 und TLR9 nachgewiesen werden. Die Expression von MDR1 war insbesondere im MIA PaCa-2 Pankreaskarzinom gesteigert. Auf Proteinebene konnte im HT29 Kolonkarzinom eine Expressionssteigerung bei HSP90 und TLR6 nachgewiesen werden. Die Ergebnisse lassen zwei Interpretationen zu. Zum einen könnte über den Nährstoffmangel eine aggressivere Subpopulation selektioniert worden sein. In diesem Zusammenhang konnten die Expressionsdaten des Tumorstammzellmarkers CD133 leider nicht ausgewertet werden. Alternativ kann angenommen werden, dass die untersuchten Tumorzelllinien ihren aggressiven Phänotyp erst unter Nährstoffmangelbedingungen, wie wir sie regelmäßig in soliden Tumoren finden, zur Expression bringen. / The tumor microenvironment (TME) in solid tumors is low on nutrients and favors tumor progression and resistance to chemotherapies in different ways. In this study we cultured HT29 colorectal carcinoma cells, Panc-1 pancreatic carcinoma cells and MIA PaCa-2 pancreatic carcinoma cells in nutrient deprived conditions (NDC) and performed rtPCR expression analysis, SDS-PAGE and immunohistochemical staining after 24, 48 and 72 hours. Gene expression of ABC transporters (ABCB5, MDR1), heat-shock proteins (HSP70, HSP90) and Toll-like receptors (TLR1 – TLR10) in the NDC compared to normal condition was analyzed. We performed MTS tetrazolium assays to monitor the activity of the respiratory chain in any condition. We showed that the examined cell lines, and in particular Panc-1 pancreatic carcinoma, are very resistant to the NDC. The gens of interest showed increase expression after 48 hours (HT29) and 24 hours (Panc-1). The results suggest that culturing in NDC either selects a very aggressive and resistant subpopulation or NDC induces gene expression changes and shows us how cancer cells really perform in the nutrient deprived tumor environment. Unfortunately, we were not able to use the gene expression analysis of the stem cell marker CD133.

Die einzellige Grünalge C. reinhardtii dient als Modellorganismus und ist aufgrund des GRAS-Status, des schnellen, kostengünstigen Wachstums und der Möglichkeit posttranslationaler Modifikationen im Kerngenom, als Expressionssystem für beispielsweise orale Impfstoffe sehr interessant. Herausforderungen sind die im Vergleich zu konventionell verwendeten Expressionssystemen sehr geringen Expressionsraten im Kerngenom. Daher sollten in dieser Arbeit neuartige, teils induzierbare, Promotorkonstrukte verwendet und mittels Luciferase-Reporter auf ihre Expressionssteigerung hin getestet werden. Zunächst wurden ausgewählte Promotoren des Chlorella-Virus-1 (PBCV-1) gewählt, diese führten allerdings zu keiner Expression. Außerdem wurden synthetische, aneinandergereihte Hitzeschockelemente mit dem endogenen RBCS2-Promotor fusioniert und die Expressionsraten analysiert. Dabei ergab sich bei der Kombination aus dem synthetischen Hitzeschockelement in achtfacher Wiederholung (HSE8x) mit RBCS2 nach der Hitzeinduktion eine Steigerung der Expressionsrate um das bis zu dreifache. Die Basalexpression war hierbei bei HSE1x-RBCS2 am höchsten und erreichte Expressionslevels, welche um das fünffache höher lagen als die Positivkontrolle HSP70A-RBCS2. Mittels Chromatinimmunopräzipitation mit dem Antikörper gegen HSF1 konnte gezeigt werden, dass eine Bindung an das synthetische Hitzeschockelement vorliegt und deshalb die Expression über die konventionelle Hitzeschockantwort in Chlamydomonas reinhardtii funktioniert. Im Gegensatz zur Luciferase benötigen Fluoreszenzproteine als Reporter kein Substrat. Infolge dieses Vorteils und der Möglichkeiten der FACS-Analyse und Fluoreszenzmikroskopie wurde tagRFP als neuer Reporter in C. reinhardtii etabliert. Die Erhöhung der Expressionsrate durch neue Promotorkombinationen und die Anwendung von tagRFP als neuen Fluoreszenzreporter bedeuten wichtige Schritte in der Etablierung von C.reinhardtii als Expressionssystem für Produkte in der Biotechnologie. / The unicellular green alga C.reinhardtii which is used as a model organism could be an interesting expression system for oral vaccines. This is because the alga is generally regarded as safe, it shows fast growth rates and culturing is cheap. Furthermore it offers the possibility of posttranslational modifications. Challenges lie in the low expression rates in the nuclear genome when compared to other expression systems. Therefore the first step in this work was to test whether selected Chlorella virus PBCV-1 promoters, do lead to enhanced expression rates, but there was no detectable expression. Furthermore synthetic repeats of heat shock elements were used in combination with the endogenous RBCS2-promoter and analysed for expression rates via reporter measurements. The combination of synthetic heat shock elements in eightfold repeats in combination with RBCS2 enhanced expression rates of luciferase after heat shock up to threefold in comparison with the up to now strongest known promoter combination HSP70A-RBCS2. Basalexpression turned out to be best for the HSE1x-RBCS2 promoter and reached expression levels fivefold higher compared to HSP70A-RBCS2. To examine if the artificial heat shock elements (HSEs) are bound by the heat shock factor 1 in C. reinhardtii a ChIP assay with HSE8x-RBCS2 and the antibody of HSF1 of C. reinhardtii was done. It could be shown that HSF1 binds HSEs and therefore one can explain the heat shock inducibility of HSEs is regulated via the conserved heat shock response. In contrast to luciferase fluorescence reporters do not need substrate. Because of this advantage and the possibility of FACS analyses and fluorescence microscopy tagRFP was established as new reporter in C.reinhardtii. Enhancement of expression rates through new constitutive and inducible promoter combinations and the possible use of tagRFP as new fluorescence reporter are significant steps in establishing C.reinhardtii as expression system for products in biotechnology.

HSP25 ist ein Vertreter der ubiquitär verbreiteten kleinen Hitzeschockproteine, einer Familie innerhalb der großen Klasse der Streßproteine. Es ist an der Vermittlung von zellulärer Streßtoleranz beteiligt, besitzt Chaperoneigenschaften, hemmt die Actinpolymerisation in vitro und ist in der Lage, supramolekulare Komplexe auszubilden. Die hier vorgelegte Arbeit befaßte sich mit der Isolierung, der strukturellen und funktionellen Charakterisierung des Proteins und seinem Vorkommen in verschiedenen Geweben von Ratten mit pathologisch erhöhtem Blutdruck: · Es wurde eine Methode zur schonenden Isolierung von HSP25 aus Ehrlich-Ascites-Tumor (EAT) etabliert. Daraus konnte niedrig- und hochmolekulares Material gewonnen werden. · Unter Anwendung elektronenmikroskopischer und hydrodynamischer Methoden konnte für die hochmolekularen Komplexe des nativen HSP25 ein Strukturmodell abgeleitet wer-den. Es ist durch eine zylinderförmige Struktur aus vier gestapelten Ringen mit je acht HSP25-Monomeren charakterisiert. · Hochmolekulare Komplexe des rekombinanten HSP25 liegen demgegenüber als kom-pakte globuläre Strukturen vor. Elektronenmikroskopische Analysen verschiedener Mutanten und von phosphoryliertem HSP25 zeigen, daß die HSP25-Komplexe mit zu-nehmender Phosphorylierung kleiner werden. Dies belegt einen Zusammenhang zwischen dem Phosphorylierungszustand des Proteins und seiner supramolekularen Organisation. · Mittels Elektronenmikroskopie und Fluoreszenzspektroskopie konnte gezeigt werden, daß nur natives HSP25 aus EAT, aber nicht rekombinantes HSP25 oder HSP25-Mutanten die Actinpolymerisation hemmen. Dies bestätigt den Befund, daß nur unphosphorylierte nati-ve HSP25-Monomere für die Inhibierung der Actinpolymerisation verantwortlich sind. · Es konnten zwei HSP25-Peptide identifiziert werden, die eine Hemmung der Actinpoly-merisation auslösen. Damit konnte erstmals experimentell nachgewiesen werden, daß be-stimmte Sequenzabschnitte von HSP25 eine spezifische Wechselwirkung mit Actin ein-gehen. Mit Hilfe phosphorylierter HSP25-Peptide konnte die Abhängigkeit dieser Reaktion vom Phosphorylierungszustand bestätigt werden. · Vorläufige Ergebnisse mit Zellulose-gebundenen Peptid-Bibliotheken deuten auf eine Wechselwirkung von HSP25 mit einem exponierten Loop in Actin-Domäne IV hin, einem Bereich, der an Actin-Actin-Wechselwirkungen beteiligt ist. · HSP25 hat aufgrund seiner verstärkten Synthese bei vielen pathologischen Prozessen eine medizinische Relevanz. Untersuchungen an verschiedenen Tiermodellen zeigen, daß es bei Hypertonie-belasteten Herzen verstärkt im rechten Ventrikel akkumuliert wird. · Es wird ein Modell vorgestellt, in dem die Struktur-Funktions-Beziehungen für HSP25 zusammengefaßt sind. / HSP25 is a member of the ubiquitous family of small heat shock proteins belonging to the big class of stress proteins. It is related to acquiring of cellular thermotolerance, can act as molecular chaperone, is able to inhibit polymerization of actin in vitro and can form high molecular weight complexes. In this thesis the isolation, structural and functional characteri-zation of this protein as well as its abundance in different tissues of rats suffering on patho-logical forms of hypertension is analyzed: · A method for rapid isolation of HSP25 out of Ehrlich-ascites-tumor (EAT) was estab-lished. From isolated HSP25 low and high molecular weight material could be obtained. · Analysis of high molecular weight complexes by means of electron microscopy and ana-lytical ultracentrifugation results in a structural model characterized by a cylindrical structure composed of four stacked rings each containing eight HSP25 monomers. · High-molecular weight complexes of recombinant HSP25 are organized as compact globular structures. Electron microscopic investigations of different mutants and of in vi-tro phosphorylated HSP25 show a connection between phosphorylational status and su-pramolecular organization of the protein: the higher the degree of phosphorylation the smaller are the HSP35-complexes. · By means of electron microscopy and fluorescence spectroscopy it could be shown that only native HSP25 from EAT but not recombinant HSP25 nor HSP25 mutants inhibit polymerization of actin. This is in agreement with recent results showing that only un-phosphorylated native HSP25 monomers are active inhibitors of actin polymerization. · Two HSP25 derived peptides could be identified as competent inhibitors of actin polym-erization. This is the first experimental evidence for a specific interaction of HSP25 se-quences with actin. This interaction is dependent on the phosphorylational status as con-firmed by phosphorylated HSP25 peptides. · Preliminary results with cellulose bound peptide libraries indicate an interaction of HSP25 with an exposed loop in actin domain IV, an area involved in actin-actin interactions. · HSP25 is of medical relevance because of its increased synthesis in a bright variety of pathological processes. Investigations on different animal models of hypertension show an enhanced accumulation of HSP25 in the right ventricle. · A model is presented summing up the structure-function relationships of HSP25.

Ansätze der mathematischen Modellierung ermöglichen die Analyse der dynamischen Eigenschaften biologischer Systeme und den Einfluß spezifischer Funktionen. Das Ziel dieser Arbeit ist es verschiedene Aspekte der Interaktionen zwischen Wirt und Krankheitserregern zu analysieren. In Kapitel 3 diskutiere ich ein Modell der zellulären Antwort auf Hitzeschockstress im Pilz Candida albicans. Das Modell in Form von gewöhnlichen Differentialgleichungen erörtert mehrere Aspekte des Systems, wie z.B. die erworbene Thermotoleranz und eine perfekte Anpassung an die Beanspruchung durch die Temperaturwechsel. Im Rahmen der Interaktionen zwischen Wirt und Krankheitserreger ist die Studie relevant, da die Entwicklung von Fieber eine primäre Antwort des Organismus auf eine Pilzinvasion ist. Die Dynamik von C. albicans Virulenzfaktoren, wie z.B. der Übergang vom Hefe- zum Hyphenstadium, und die Abwehrmechanismen des Wirts bestimmen den Zustand des Pilzes, d.h. ob er als Kommensale oder Krankheitserreger vorkommt. Mit Hilfe einer agenten-basierten Modellierungstechnik, in Kapitel 4, untersuche ich die Auswirkungen potenzieller medikamentöser Behandlungen von Pilzpopulationen und ihre Effektivität. In Kapitel 5 analysiere ich die Dynamik der C. albicans Hefe- und Hyphenpopulationen unter der Annahme, das zwischen den Individuen beider Populationen paarweise Wechselwirkungen bestehen, die zusätzlich von Fresszellen und Ernährungsbedingungen beeinflusst werden. Das erste Modell basiert auf den Prinzipien der Spieltheorie. Aus dieser Studie lässt sich die Hypothese aufstellen, dass sich im Verlauf der Infektion die evolutionäre Spieldynamik von der Snowdrift Spieldynamik in Richtung Gefangendilemma verschiebt. Im zweiten Modell untersuche ich die Umschaltraten zwischen Hefen und Hyphen. Das Modell zeigt, dass in Pilzpopulationen die Ausprägung verschiedener Phänotypen der Grund für die erhöhte Überlebensfähigkeit der Population sein könnte. / Mathematical modeling approaches facilitate the analysis of dynamic properties of mechanisms triggering specific functions of biological systems. Through this work I aim to shed light on various aspects of host-pathogen interactions. In Chapter 3, I discuss a model of heat shock stress response activated in the fungus Candida albicans. The model in form of ordinary differential equations reveals several features of the system, such as acquired thermotolerance and a perfect molecular adaptation to the thermal insult. The study is relevant in the context of host-pathogen interactions since development of fever is a primary host response to fungal invasion. The dynamics of C. albicans virulence factors, e.g., yeast to hypha transition, and defense mechanisms of the host determine the state of the fungi, i.e. whether to act as a commensal or as a foe. Through application of an agent-based modeling technique, in Chapter 4, I investigate effects of potential drug treatments on fungal populations and their effectivity in the fungal clearance. In Chapter 5, I analyze the dynamics of candida yeast and hyphal populations assuming pairwise interactions influenced by phagocytic cells and nutritional conditions. The first model is based on game theory principles. From the study it can be hypothesized that during the course of infection the evolutionary game dynamics shift from Snowdrift game dynamics toward Prisoners’ dilemma. In the second model, I examine switching rates between yeast and hypha. The model reveals that phenotypic variations may occur in order to increase the fitness of the population.

Background: Heat-shock proteins of the 70 kDa family (Hsp70s) are essential chaperones required for key cellular functions. In eukaryotes, four subfamilies can be distinguished according to their function and localisation in different cellular compartments: cytosol, endoplasmic reticulum, mitochondria and chloroplasts. Generally, multiple cytosol-type Hsp70s can be found in metazoans that show either constitutive expression and/or stress-inducibility, arguing for the evolution of different tasks and functions. Information about the hsp70 copy number and diversity in microbial eukaryotes is, however, scarce, and detailed knowledge about the differential gene expression in most protists is lacking. Therefore, we have characterised the Hsp70 gene family of Paramecium caudatum to gain insight into the evolution and differential heat stress response of the distinct family members in protists and to investigate the diversification of eukaryotic hsp70s focusing on the evolution of heat-inducibility. Results: Eleven putative hsp70 genes could be detected in P. caudatum comprising homologs of three major Hsp70-subfamilies. Phylogenetic analyses revealed five evolutionarily distinct Hsp70-groups, each with a closer relationship to orthologous sequences of Paramecium tetraurelia than to another P. caudatum Hsp70-group. These highly diverse, paralogous groups resulted from duplications preceding Paramecium speciation, underwent divergent evolution and were subject to purifying selection. Heat-shock treatments were performed to test for differential expression patterns among the five Hsp70-groups as well as for a functional conservation within Paramecium. These treatments induced exceptionally high mRNA up-regulations in one cytosolic group with a low basal expression, indicative for the major heat inducible hsp70s. All other groups showed comparatively high basal expression levels and moderate heat-inducibility, signifying constitutively expressed genes. Comparative EST analyses for P. tetraurelia hsp70s unveiled a corresponding expression pattern, which supports a functionally conserved evolution of the Hsp70 gene family in Paramecium. Conclusions: Our analyses suggest an independent evolution of the heat-inducible cytosol-type hsp70s in Paramecium and in its close relative Tetrahymena, as well as within higher eukaryotes. This result indicates convergent evolution during hsp70 subfunctionalization and implies that heat-inducibility evolved several times during the course of eukaryotic evolution.

Background: Heat-shock proteins of the 70 kDa family (Hsp70s) are essential chaperones required for key cellular functions. In eukaryotes, four subfamilies can be distinguished according to their function and localisation in different cellular compartments: cytosol, endoplasmic reticulum, mitochondria and chloroplasts. Generally, multiple cytosol-type Hsp70s can be found in metazoans that show either constitutive expression and/or stress-inducibility, arguing for the evolution of different tasks and functions. Information about the hsp70 copy number and diversity in microbial eukaryotes is, however, scarce, and detailed knowledge about the differential gene expression in most protists is lacking. Therefore, we have characterised the Hsp70 gene family of Paramecium caudatum to gain insight into the evolution and differential heat stress response of the distinct family members in protists and to investigate the diversification of eukaryotic hsp70s focusing on the evolution of heat-inducibility. Results: Eleven putative hsp70 genes could be detected in P. caudatum comprising homologs of three major Hsp70-subfamilies. Phylogenetic analyses revealed five evolutionarily distinct Hsp70-groups, each with a closer relationship to orthologous sequences of Paramecium tetraurelia than to another P. caudatum Hsp70-group. These highly diverse, paralogous groups resulted from duplications preceding Paramecium speciation, underwent divergent evolution and were subject to purifying selection. Heat-shock treatments were performed to test for differential expression patterns among the five Hsp70-groups as well as for a functional conservation within Paramecium. These treatments induced exceptionally high mRNA up-regulations in one cytosolic group with a low basal expression, indicative for the major heat inducible hsp70s. All other groups showed comparatively high basal expression levels and moderate heat-inducibility, signifying constitutively expressed genes. Comparative EST analyses for P. tetraurelia hsp70s unveiled a corresponding expression pattern, which supports a functionally conserved evolution of the Hsp70 gene family in Paramecium. Conclusions: Our analyses suggest an independent evolution of the heat-inducible cytosol-type hsp70s in Paramecium and in its close relative Tetrahymena, as well as within higher eukaryotes. This result indicates convergent evolution during hsp70 subfunctionalization and implies that heat-inducibility evolved several times during the course of eukaryotic evolution.

Organisms are frequently exposed to fluctuating environmental conditions and might consequently experience stress. Environmental stress can damage cellular components, which can threaten especially single-celled organisms, such as yeast, as they cannot escape. To survive, cells mount protective stress responses, which serve to preserve cellular components and architecture. Recent findings in yeast show that the stress response upon energy depletion stress involves a gelation of the cytoplasm due to macromolecular protein assembly, characterized by drastic changes in cytoplasmic material properties. Remarkably, the stress-induced cytoplasmic gelation is protective, raising the question whether this could be a common strategy of cells to cope with severe stress. I hypothesized that protein aggregation induced by another common stress, severe heat shock, might cause a similar cytoplasmic gelation in yeast. Furthermore, I hypothesized that the reversibility of cytoplasmic gelation is provided by molecular chaperones, which are known regulators of protein aggregation. In this thesis, I therefore aimed to characterize the changes in the material properties of the cytoplasm upon severe heat shock as well as their underlying causes and how molecular chaperones affect these changes. To characterize heat-induced changes in the material properties of the cytoplasm, I monitored Schizosaccharomyces pombe cells during recovery from severe heat shock using a combination of cell mechanical assays, time-lapse microscopy and single-particle tracking. I found that the cells entered a prolonged growth arrested state upon stress, which coincided with significant cell stiffening and a long-range motion arrest of lipid droplets in the cytoplasm, while smaller cytoplasmic nanoparticles remained mostly mobile. At the same time, a significant fraction of proteins aggregated in the cytoplasm, forming insoluble inclusions such as heat shock granules. After stress cessation, the observed changes were reversed as stiffened cells softened and lipid droplets resumed long-range motion. Cell softening and lipid droplet motion recovery coincided with protein disaggregation. These processes could be delayed by impairing protein disaggregation through genetic perturbation of the molecular chaperone Hsp104, which functions as a protein disaggregase. In contrast, no influence on protein disaggregation or heat-induced cytoplasmic material property changes was detected for the small heat shock protein Hsp16. These results suggest that the cytoplasm gels upon severe heat shock due to protein aggregation and is refluidized during recovery with the help of Hsp104. Remarkably, cells resumed growth only after refluidization of the cytoplasm, suggesting that reversible cytoplasmic gelation may contribute to regulation of the heat-induced growth arrest. In addition, cytoplasmic gelation could potentially preserve cellular architecture during heat shock. Overall, the results from my thesis work indicate that reversible cytoplasmic gelation due to macromolecular protein assembly may be a universal cellular response to severe stress which is associated with a stress-protective growth arrest. A likely stress-specific part of this response is the chaperone-dependent refluidization of the cytoplasm, which might explain the prolonged growth arrest seen upon severe heat shock as compared to other stresses and might allow more time for the repair of heat-induced damage.:Abstract Zusammenfassung Table of contents Figure index List of abbreviations 1 Introduction 1.1 Heat shock affects cellular function and fitness 1.1.1 Cells respond to stress in phases 1.1.2 Heat shock threatens cellular homeostasis and structural integrity 1.1.3 Stress severity determines detrimental effects of heat shock 1.1.4 Heat stress causes protein aggregation 1.1.5 Heat shock granules are functional aggregates in yeast 1.2 The heat shock response protects cellular fitness 1.2.1 Cells change transcription to adapt to stress 1.2.2 Molecular chaperones are important in stress protection 1.2.3 Hsp104 is a protein disaggregase chaperone 1.2.4 Small heat shock proteins modulate protein aggregation 1.2.5 Stress severity determines modules of the heat shock response 1.3 Cytoplasmic material properties change during stress 1.3.1 Cells homeostatically adapt cytoplasmic material properties during stress 1.3.2 The cytoplasm is viscoelastic 1.3.3 Is the cytoplasm a gel? 1.3.4 Stress can induce cytoplasmic gelation 1.4 Research aims 2 Materials and Methods 2.1 S. pombe strains and growth conditions 2.1.1 Growth conditions 2.1.2 Construction of S. pombe strains 2.1.3 S. pombe transformation 2.1.4 S. pombe colony PCR 2.1.5 S. pombe strains used in this thesis 2.2 Plasmids and cloning 2.2.1 Plasmids used in this thesis 2.2.2 Construction of plasmid for fluorescent GEM nanoparticle expression 2.2.3 E. coli transformation 2.2.4 Plasmid purification from E. coli 2.3 S. pombe stress treatments 2.3.1 Heat shock treatment 2.3.2 Osmoadaptation 2.4 Cell biological methods 2.4.1 Viability assay 2.4.2 Growth assay 2.5 Cell bulk mechanical assays 2.5.1 Spheroplasting assay 2.5.2 Atomic force microscopy 2.5.3 Real-time deformability cytometry 2.5.4 RT-DC sample preparation 2.5.5 RT-DC setup and measurements 2.5.6 RT-DC data evaluation 2.6 Microscopy 2.6.1 Microscopy of GEM particles 2.6.2 Fluorescence microscopy of endogenously labeled Pabp-mCherry 2.6.3 Microscopy of µNS particles 2.7 Image analysis 2.7.1 Image analysis of Pabp-mCherry in vivo fluorescence microscopy 2.7.2 Differenced brightfield image analysis 2.7.3 Kymographs 2.8 Single-particle tracking analysis 2.8.1 Particle tracking 2.8.2 Mean squared displacement analysis 2.9 Optical diffraction tomography (ODT) 2.9.1 ODT sample preparation 2.9.2 ODT optical setup and measurements 2.9.3 ODT tomogram reconstruction and quantitative analysis 2.10 Lysis and sedimentation assay 2.10.1 Lysis buffer 2.10.2 S. pombe heat shock treatment and lysis 2.10.3 Sedimentation assay 2.10.4 Protein concentration measurement 2.10.5 SDS-PAGE 2.10.6 Coomassie staining 2.10.7 Western Blot 3 Results 3.1 Physical and chemical conditions affect heat shock survival and heat-induced growth arrest of S. pombe 3.1.1 S. pombe arrests growth during severe heat shock 3.1.2 Heat-induced growth arrest is dose-responsive 3.1.3 Heat-induced growth arrest depends on experimental conditions 3.1.4 Buffer pH and energy source have a strong impact on heat shock survival 3.1.5 Osmoadaptation protects cells during heat shock 3.2 Severe heat shock induces reversible cellular stiffening 3.2.1 Cellular rounding upon cell wall removal is delayed after heat shock 3.2.2 Elastic modulus of S. pombe cells is increased after heat shock 3.2.3 Recovery from heat-induced growth arrest is preceded by cell softening 3.3 Long-range particle dynamics in cytoplasm are abolished after heat shock 3.3.1 Small particle dynamics are largely independent of heat shock treatment 3.3.2 Lipid droplets are confined in space after heat shock 3.4 Cytoplasmic crowding increases during heat shock 3.5 Heat shock induces reversible protein aggregation 3.5.1 Insoluble protein fraction is increased after heat shock 3.5.2 Heat shock granules form reversibly during heat shock 3.5.3 HSG formation and dissolution are correlated with changes in cytoplasmic long-range dynamics 3.6 Molecular chaperones modulate cytoplasmic material property changes during heat stress recovery 3.6.1 Hsp104 but not Hsp16 is required for disaggregation of heat shock granules 3.6.2 Hsp104 but not Hsp16 is required for recovery from heat-induced growth arrest 3.6.3 Hsp104 but not Hsp16 is required for recovery of cytoplasmic long-range dynamics 3.6.4 Hsp104 but not Hsp16 is required for rapid reversal of cellular stiffening which coincides with growth recovery 4 Discussion 4.1 Summary and model 4.2 Which mechanism underlies cell stiffening upon heat shock? 4.2.1 Heat-induced protein aggregation might cause cell stiffening 4.2.2 Heat-induced protein aggregation might lead to cytoplasmic gelation 4.2.3 Many factors could contribute to protein aggregation and cytoplasmic gelation 4.3 The heat-induced growth arrest state is associated with reversible cytoplasmic gelation 4.3.1 Cytoplasmic material property changes mark the severe heat-induced growth arrest state 4.3.2 Is cytoplasmic gelation a common response to severe stress? 4.4 What are the biological consequences of cytoplasmic gelation? 4.4.1 Cytoplasmic gelation might obstruct processes that require motion of large structures 4.4.2 Is cytoplasmic gelation upon heat shock protective? 4.5 Heat shock recovery involves the chaperone-mediated refluidization of the cytoplasm 4.5.1 Cytoplasmic refluidization is required for growth recovery 4.5.2 Stress tolerance is marked by enhanced reversibility of cytoplasmic gelation 4.5.3 The protein disaggregase chaperone Hsp104 regulates the reversal of heat-induced cytoplasmic material property changes 4.6 Conclusion References Acknowledgements Publications and Contributions 5 Erklärung entsprechend §5.5 der Promotionsordnung