Thesis (doctoral)--Karolinska Institutet, Stockholm, 1993. / Added t.p. with thesis statement inserted. Includes bibliographical references.

Insulin-like growth factor-I (IGF-I) is a 70-amino acid polypeptide with a molecular weight of approximately 7.6 kDa acting as an anabolic effector. It is essential for tissue growth and remodeling. Clinically, it is used for the treatment of growth disorders and has been proposed for various other applications including musculoskeletal diseases. Unlike insulin, IGF-I is complexed to at least six high-affinity binding proteins (IGFBPs) exerting homeostatic effects by modulating IGF-I availability to its receptor (IGF-IR) on most cells in the body as well as changing the distribution of the growth factor within the organism.1-3 Short half-lived IGF-I have been the driving forces for the design of localized IGF-I depot systems or protein modification with enhanced pharmacokinetic properties. In this thesis, we endeavor to present a versatile biologic into which galenical properties were engineered through chemical synthesis, e.g., by site-specific coupling of biomaterials or complex composites to IGF-I. For that, we redesigned the therapeutic via genetic codon expansion resulting in an alkyne introduced IGF-I, thereby becoming a substrate for biorthogonal click chemistries yielding a site-specific decoration. In this approach, an orthogonal pyrrolysine tRNA synthetase (PylRS)/tRNAPyl CUA pair was employed to direct the co-translational incorporation of an unnatural amino acid—¬propargyl-L-lysine (plk)—bearing a clickable alkyne functional handle into IGF-I in response to the amber stop codon (UAG) introduced into the defined position in the gene of interest. We summarized the systematic optimization of upstream and downstream process alike with the ultimate goal to increase the yield of plk modified IGF-I therapeutic, from the construction of gene fusions resulting in (i) Trx-plk-IGF-I fusion variants, (ii) naturally occurring pro-IGF-I protein (IGF-I + Ea peptide) (plk-IGF-I Ea), over the subsequent bacterial cultivation and protein extraction to the final chromatographic purification. The opportunities and hurdles of all of the above strategies were discussed. Evidence was provided that the wild-type IGF-I yields were pure by exploiting the advantages of the pHisTrx expression vector system in concert with a thrombin enzyme with its highly specific proteolytic digestion site and multiple-chromatography steps. The alkyne functionality was successfully introduced into IGF-I by amber codon suppression. The proper folding of plk-IGF-I Ea was assessed by WST-1 proliferation assay and the detection of phosphorylated AKT in MG-63 cell lysate. The purity of plk-IGF-I Ea was monitored with RP-HPLC and SDS-PAGE analysis. This work also showed site-specific coupling an alkyne in plk-IGF-I Ea by copper (I)-catalyzed azide-alkyne cycloaddition (CuAAC) with potent activities in vitro. The site-specific immobilization of plk-IGF-I Ea to the model carrier (i.e., agarose beads) resulted in enhanced cell proliferation and adhesion surrounding the IGF-I-presenting particles. Cell proliferation and differentiation were enhanced in the accessibility of IGF-I decorated beads, reflecting the multivalence on cellular performance. Next, we aimed at effectively showing the disease environment by co-delivery of fibroblast growth factor 2 (FGF2) and IGF-I, deploying localized matrix metalloproteinases (MMPs) upregulation as a surrogate marker driving the response of the drug delivery system. For this purpose, we genetically engineered FGF2 variant containing an (S)-2-amino-6-(((2-azidoethoxy)carbonyl)amino)hexanoic acid incorporated at its N-terminus, followed by an MMPs-cleavable linker (PCL) and FGF2 sequence, thereby allowing site-directed, specific decoration of the resultant azide-PCL-FGF2 with the previously mentioned plk-IGF-I Ea to generate defined protein-protein conjugates with a PCL in between. The click reaction between plk-IGF-I Ea and azide-PCL-FGF2 was systematically optimized to increase the yield of IGF-FGF conjugates, including reaction temperature, incubation duration, the addition of anionic detergent, and different ratios of the participating biopharmaceutics. The challenge here was that CuAAC reaction components or conditions might oxidize free cysteines of azide-PCL-FGF2 and future work needs to present the extent of activity retention after conjugation. Furthermore, our study provides potential options for dual-labeling of IGF-I either by the introduction of unnatural amino acids within two distinct positions of the protein of interest for parallel “double-click” labeling of the resultant plk-IGF-I Ea-plk or by using a combination of enzymatic-catalyzed and CuAAC bioorthogonal coupling strategies for sequentially dual-labeling of plk-IGF-I Ea. In conclusion, genetic code expansion in combination with click-chemistry provides the fundament for novel IGF-I analogs allowing unprecedented site specificity for decoration. Considerable progress towards IGF-I based therapies with enhanced pharmacological properties was made by demonstrating the feasibility of the expression of plk incorporated IGF-I using E. coli and retained activity of unconjugated and conjugated IGF-I variant. Dual-labeling of IGF-I provides further insights into the functional requirements of IGF-I. Still, further investigation warrants to develop precise IGF-I therapy through unmatched temporal and spatial regulation of the pleiotropic IGF-I. / Insulin-like growth factor-I (IGF-I) ist ein 70 Aminosäuren langes Polypeptid mit einem Molekuargewicht von 7,5 kDa, dass als anaboler Effektor wirkt und dadurch eine essentielle Rolle in Gewebewachstum und -umbau spielt. Klinisch wird IGF-I für die Behandlung von Wachstumsstörungen verwendet und ist für weitere Anwendungen wie muskuloskelettale Erkrankungen von Interesse. Im Gegensatz zu Insulin wird IGF-I von mindestens sechs hochaffinen Bindungsproteinen (IGFBPs) komplexiert, die homöostatisch regulierend wirken, indem sie die Verfügbarkeit von IGF-I zu seinem Rezeptor (IGF-IR) auf vielen Zellen modulieren und ebenso die Verteilung des Wachstumsfaktors im Körper steuern. Aufgrund der kurzen Halbwertszeit von IGF-I wurde die Entwicklung von lokalen IGF-I Depot-Systemen und von auf Proteinebene modifizierten IGF-I-Varianten mit verbesserten pharmakokinetischen Eigenschaften vorangetrieben. In der vorliegenden Arbeit sind wir bestrebt ein vielseitiges Biopharmazeutikum zu präsentieren, das hinsichtlich seiner galenischen Eigenschaften optimiert wurde, z. B. durch chemische Modifikation, wie ortsspezifische Kopplung von IGF-I an Biomaterialien oder komplexe Verbundstoffe. Für diesen Zweck wurde das Therapeutikum neu entworfen und über die Erweiterung des genetischen Codes eine Alkin-Funktionalität eingefügt. Durch dieses Alkin wird IGF-I zugänglich für die Modifizierung mit bio-orthogonaler, ortsspezifischer „Click-Chemie“. In diesem Ansatz wird ein orthogonales Pyrrolysin tRNA-Synthase (PylRS)/tRNAPyl-CUA – Paar verwendet, um den co-translationalen Einbau einer unnatürlichen Aminosäure — Propargyl-L-lysine (Plk) —, die eine Alkin-Funktionalität für Click-Reaktionen enthält, an Stelle des Amber-Stop-Codons (UAG) im entsprechenden Gen, im IGF-I-Protein zu gewährleisten. Die systematische Optimierung von Up- und Downstream-Prozessen, mit dem Ziel die Ausbeute von Plk-modifiziertem IGF-I-Biopharmazeutikum zu erhöhen, wurden zusammengefasst: von der Konstruktion von Genfusionen, die in (i) einer Trx-plk-IGF-I Fusionsvariant und (ii) natürlich vorkommendem pro-IGF-I Protein (IGF-I + Ea peptide) (Plk-IGF-I Ea) resultierten, über die folgende Expression in Bakterien und Proteinextraktion, bis hin zur finalen chromatographischen Reinigung des Biopharmazeutikums. Die Möglichkeiten und Schwierigkeiten aller oben genannten Strategien wurden diskutiert. Es wurde gezeigt, dass die Wildtyp-IGF-I-Ausbeuten durch den Einsatz des vorteilhaften pHisTrx-Expressionsvektor-Systems zusammen mit dem Enzym Thrombin und seiner hochspezifischen proteolytischen Spaltstelle und mehrfacher chromatographischer Aufreinigung einen hohen Reinheitsgrad aufwiesen. Die Alkin-Funktionalität wurde erfolgreich durch Unterdrückung des Amber-Codons in IGF-I eingeführt. Die richtige Faltung von Plk-IGF-I Ea wurde durch den WST-1 Proliferationsassay und den Nachweis von phosphorylierten Akt in MG-63-Zelllysat nachgewiesen. Die Reinheit von Plk-IGF-I Ea wurde durch RP-HPLC- und SDS-PAGE-Analyse überwacht. In dieser Arbeit konnte auch gezeigt werden, dass die ortspezifische Kopplung von Alkinen an Plk-IGF-I Ea durch Kupfer(I)-katalysierte Azid-Alkin Zykloaddition (CuAAC) in einem Produkt mit hoher in vitro Aktivität resultiert. Die ortspezifische Immobilisierung von Plk-IGF-I Ea an einem Modell-Trägersystem (hier: Agarosepartikel) führte zu einer verbesserten Zellproliferation und Zelladhäsion in der Umgebung der IGF-I-präsentierenden Partikel. Der vielfältige Einfluss von IGF-I auf Zellen wird durch die verbesserte Zellproliferation und -differenzierung durch die Verfügbarkeit von IGF-I präsentierenden Partikeln widergespiegelt. Als Nächstes setzten wir uns zum Ziel den Krankheitseinfluss durch die gleichzeitige Anwendung von Fibroblast-Wachstumsfaktor 2 (FGF2) und IGF-I zu zeigen, indem wir uns der lokalen Hochregulierung von Matrixmetalloproteinasen (MMPS) als Surrogat-Krankheitsmarker bedienten, der die Antwort des Drug Delivery-Systems auslöst. Zu diesem Zweck wurde eine FGF2-Variante genetisch modifiziert, sodass sie am N-Terminus eine (S)-2-amino-6-(((2-azidoethoxy)carbonyl)amino)Hexansäure trägt - gefolgt von einen durch MMPs spaltbaren Verbindungsstück (PCL) und der FGF2 Sequenz - und dadurch die gezielte, spezifische Konjugation des resultierenden Azid-PCL-FGF2 mit dem vorher erwähnten Plk-IGF-I Ea ermöglicht, um definierte Protein-Protein-Konjugate, die mit einem PCL verbunden sind, zu erzeugen. Die Click-Reaktion zwischen Plk-IGF-I Ea und Azid-PCL-FGF2 wurde zur Erhöhung der IGF-FGF Ausbeute systematisch optimiert, indem die Parameter Temperatur, Inkubationsdauer, Zugabe von anionischem Tensid und verschiedene Eduktverhältnisse untersucht wurden. Es gilt zu bedenken, dass die in der CuAAC Reaktion eingesetzten Komponenten oder Reaktionsbedingungen freie Cysteinreste von Azid-PCL-FGF2 oxidieren können und es in Zukunft gilt, die verbleibende Aktivität nach Proteinkonjugation zu bestimmen. Des Weiteren zeigen unsere Untersuchungen potentielle Möglichkeiten für duale Konjugation von IGF-I entweder durch die Einführung einer unnatürlichen Aminosäure an zwei verschiedenen Positionen innerhalb des Proteins (Plk-IGF-I Ea-Plk) für parallele „Doppel-Click“-Konjugation oder durch die Kombination bioorthogonaler Kopplungsreaktionen - einer enzymkatalysierten Reaktion und CuAAC - für sequentielles duales Verknüpfen von Plk-IGF-I Ea. Schlussendlich stellt die Erweiterung des genetischen Codes in Kombination mit Click-Chemie eine Grundlage für neue IGF-I-Analoga dar, die eine noch nie dagewesene Ortsspezifität für Konjugationen besitzen. Ein entscheidender Fortschritt hin zu IGF-I basierten Therapeutika mit verbesserten pharmakologischen Eigenschaften wurde durch die Expression, Reinigung und Konjugation von bioaktivem IGF-I mit Plk sowie konjugierten IGF-I Varianten erreicht. Duales Modifizieren von IGF-I erlaubt weitere Einblicke in die funktionalen Anforderungen an IGF-I. Dennoch sind weitere Untersuchungen nötig, um eine gezielte IGF-I Therapie trotz der unterschiedlichen zeitlichen und räumlichen Regulierung des pleiotropen IGF-I zu ermöglichen.

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Diss. (sammanfattning) Stockholm : Karolinska institutet, 2007. / Härtill 6 uppsatser.

Diss. (sammanfattning) Stockholm : Karol. inst., 2006. / Härtill 4 uppsatser.

Ein möglicher Ansatz neuer Therapiestrategien für Diabetes mellitus besteht zum einen in der Differenzierung von Stammzellen zu insulinproduzierenden Zellen und zum anderen in der Beschleunigung der Zellproliferation ebensolcher Zellen. In zahlreichen Studien wurden bereits mitogene Signaltransduktionswege in beta-Zellen des endokrinen Pankreas unter dem Einfluss diverser Nährstoffe untersucht. Das Protein p8, ursprünglich im Umfeld einer experimentell induzierten akuten Pankreatitis im Rattenmodell als Stressantwort beschrieben, ist an einem glukoseabhängigen Zellwachstum in der insulinproduzierenden beta-Zelle des endokrinen Pankreas beteiligt. Insofern ist es nur schlüssig, die Rolle des Proteins p8 im Rahmen der proliferationsassoziierten Signaltransduktion zu untersuchen. Zur näheren Charakterisierung von p8 wurden von unserer Arbeitsgruppe Wildtyp-INS-1-Zellen (WT-INS-1), als Modell für die beta-Zelle des endokrinen Pankreas, mit einem durch IPTG induzierbaren, p8-exprimierenden System ausgestattet (p8-INS-1). Dieses System wurde in der vorliegenden Arbeit zunächst auf seine Funktionalität hin überprüft. Unter anderem konnte p8-cDNA in den stabil transfizierten p8-INS-1-Zellen und in den mit obigem Plasmid transient transfizierten WT-INS-1-Zellen dargestellt werden, wobei letztere WT-INS-1-Zellen stärker signalisierten und somit ein höheres „output“ an p8 zu generieren scheinen. In Immunoblotanalysen ergab sich ein ähnliches Bild. Durch p8-Überexpression kommt es zu einem zunehmenden Signal des Proteins p8 innerhalb der p8-INS-1-Zellen. Jedoch erscheint dieses Signal in WT-INS-1-Zellen noch stärker. Ebenso ließen sich mehrfach Doppelbanden sowohl bei p8-INS-1-Zellen als auch bei WT-INS-1-Zellen bei 14 kDa und 22 kDa darstellen. Das differenzierte Expressionsmuster beider Zelllinien im Rahmen dieser Immunoblotanalysen legt den Schluss nahe, dass eine Erhöhung des p8-Levels, sei es nun durch Induktion per IPTG-Gabe oder durch Wachstumsfaktoren, zu einem veränderten Molekulargewicht des Proteins p8 führt. Das Protein p8 unterliegt somit ständigen Veränderungen im Rahmen der Protein-Protein-Interaktion. Im Vordergrund stehen Phosphorylierungen als Aktivierungsinitiatoren und Ubiquitinierung mit synergistischer Proliferationszunahme unter p8-Überexpression und gleichzeitiger Proteasomhemmung. Gerade in Phasen erhöhten Zellstresses (Hypo- und Hypernutrition) lassen sich durch p8-Überexpression erhöhte Wachstumsraten nachweisen, während im physiologischen Bereich nur bei gleichzeitiger Proteasomhemmung Wachstumssteigerungen durch p8-Überexpression erreicht werden können. Dies unterstreicht einmal mehr die Rolle von p8 als Stressprotein. Nichtsdestotrotz übertreffen die Proliferationsraten der p8-INS-1-Zellen die der WT-INS-1-Zellen unter den verschiedensten Stimulationsbedingungen bei weitem. So konnte gezeigt werden, dass in den p8-INS-1-Zellen eine progrediente, glukoseabhängige Proliferation vorliegt, welche sich durch Gabe von IGF-1 oder foetalem Kälberserum (FBS) zu einem signifikanten synergistischen Wachstum ausweiten lässt. Und auch hier erzeugt p8 als Stressprotein bei p8-INS-1-Zellen im glukosefreiem Medium bei alleiniger Stimulation mit Wachstumsfaktoren signifikante Wachstumsraten im Vergleich zu WT-INS-1-Zellen. Die Umsetzung der Stimulation durch Glukose und Wachstumsfaktoren auf die p8-vermittelte Proliferation vollzieht sich innerhalb der Signaltransduktion. Mit Phosphatidylinositol-3´-Kinase (PI3´K) als Schlüsselprotein innerhalb der mitogenen Signaltransduktion und Proteinkinase C (PKC alpha, beta, gamma) konnten durch Co-Immuno-präzipitationen, GST-Pull-Downs, Immunoblotanalysen aber auch Inhibitionsversuche wichtige Interaktionspartner von p8 identifiziert werden. Weitere Bindungspartner des Proteins p8 resultierten durch Inhibitionsversuche mit Proteinkinasen wie PKCzeta und PKA, aber auch p38 MAPK als Vertreter des MAPK-Signalweges. Dabei zeigt sich ein relativ gleiches Bild mit tendenziell eher mäßigen Proliferationshemmung im niedrigen bis normalen Glukosebereich, welche sich unter p8-Überexpression verstärkt. Verschiedene Regelkreise zur Feinsteuerung der p8-vermittelten Proliferation scheinen hier denkbar. Sollte p8 neben der Zellproliferation auch zu einer Aktivierung der genannten Proteine führen, könnte die Inhibition dieser Proteine ihrerseits die p8-vermittelte Proliferation hemmen. Auf Proteinebene ließ sich die Verbindung zwischen p8 und MAPK p38, PKCzeta, PKA und PKB nicht nachweisen, erscheint aber wegen der Primärstrukturen der Proteine, sowie Erkenntnissen aus der bisherigen Literatur und auch aufgrund der Versuche mit Proteininhibitoren im Rahmen dieser Arbeit wahrscheinlich. Weitergehende Untersuchungen sollten daher noch erfolgen. Die vorgestellten Ergebnisse sind ein Beitrag zum besseren Verständnis der Rolle des Proteins p8 innerhalb der mitogenen Signaltransduktion als eine Voraussetzung für einen kurativen Ansatz des Diabetes mellitus Typ I. / One possible approach for new strategies in therapy of diabetes mellitus is on one side the differentiation of stem cells to insulin producing cells and on the other side the acceleration of cell proliferation in such cells. There have been many studies in which mitogenic signal transduction in pancreatic beta cells under the influence of various nutrients and growth factors was examined. Protein p8, first described as overexpressed in experimentally induced acute pancreatitis, is involved in glucose dependent cell proliferation in the pancreatic beta cell. So it is quite logical to examine the role of protein p8 in proliferation-associated signal transduction. For more detailed characterization of p8 we transfected in our working group wild type-INS-1-cells (WT-INS-1), as a model for the pancreatic beta cell, with an IPTG-inducable and p8-overexpressing system (p8-INS-1). In the present study, this system was first controlled with regard to functionality. It worked to detect the p8-overexpressing plasmide p8pOPRSVI and the LAC-repressor in p8-INS-1-cells. In addition, p8-cDNA has been displayed in stable transfected p8-INS-1-cells and also in transiently transfected WT-INS-1-cells (with the plasmide p8pOPRSVI), whereas transiently transfected WT-INS-1-cells showed stronger signal and seemed to generate more “output” of p8. In immunoblot analysis there was a similar pattern. With p8-overexpression you see a progressive signal of protein p8 in p8-INS-1-cells. In WT-INS-1-cells this signal was even stronger. Furthermore there have been multiple double bands both in p8-INS-1-cells and WT-INS-1-cells at 14 kDa and 22 kDa. That differentiated pattern of expression of both cell lines allows the conclusion that an enlargement of p8-level by IPTG-induction or growth factors leads to a change in molecular weight of protein p8. Thus protein p8 is subject to permanent change in context of protein-protein-interaction. The focus is thereby on phosphorylation as an initiator of activation and ubiquitination with synergistic augmentation of proliferation under p8-overexpression and inhibition of proteasome at the same time. While episodes of higher cell stress (hypo- and hypernutrition) increased proliferation rates can be demonstrated, at a physiological level increased growth rates can only be achieved by p8-overexpression and concomitant inhibition of proteasome. This underlines once more the role of protein p8 as stress protein. Nevertheless, proliferation rates of p8-INS-1-cells exceed those of WT-INS-1-cells by far relating to the most different conditions of stimulation. Therefore it could be demonstrated that there is a progressive glucose-dependant proliferation in p8-INS-1-cells which can be enlarged by IGF-1 or foetal bovine serum (FBS) to a significant synergistic growth. Moreover, p8 as a stress protein induces significant growth rates in p8-INS-1-cells versus WT-INS-1-cells by only stimulation with growth factors and without any glucose. The transposition of the stimulation by glucose and growth factors to a p8-mediated proliferation is subsequently performed within the signal transduction. By using co-immunoprecipitation, GST-pull-downs and immunoblot analysis Phosphatidylinositol-3´-kinase (PI3´K), as a key protein in mitogenic signal transduction, and proteinkinase C (PKC alpha, beta, gamma) have been identified as important interaction partners of p8. Further binding partners of protein p8 resulted by experimental inhibition of proteinkinases like PKCzeta and PKA, but also p38 MAPK as representative of the MAPK-mediated signal transduction. Thereby you can see a quite homogeneous image of a rather moderate inhibition of proliferation at lower or physiological glucose levels which is increased when overexpressing p8. Different regulator circuits for fine tuning of the p8-mediated proliferation seem to be thinkable. If the activation of p8 should lead to an activation of the named proteins, apart from cell proliferation, the inhibition of these proteins could also inhibit the p8-mediated proliferation. Unfortunately, the direct protein-protein-connection between p8 and MAPK p38, PKCzeta, PKA or PKB couldn´t be verified in this present examination. But due to the primary structure of these proteins as well as findings in previous literature and also because of the experiments with proteininhibitors in the present examination, this aspect seems to be most likely. In this regard further studies should be carried out. The presented results contribute to a better understanding of the role of protein p8 within the mitogenic signal transduction as a requirement for a curative therapy of diabetes mellitus type I.

The primary purpose of this study was to investigate the effects of aerobic and resistance training on BDNF and IGF-I expression in a 3xTg-AD mouse model of Alzheimer’s disease. Twenty-four 3xTg-AD mice were randomly assigned to either an aerobic (AT, n=8), resistance (RT, n=8), or control (CNT, n=8) group. Intervention groups underwent 9 weeks of exercise training. Motor behavior and grip strength were measured pre- and post- intervention. Our results showed a significant increase in hippocampal BDNF expression in AT mice after a 9-week intervention. Further, AT mice were found to have higher concentrations of IGF-I, and improved motor behavior when compared to RT and CNT. No significant differences were observed in IGF-I concentration between RT and other groups. RT improved grip strength after nine weeks of training. These findings support the use of AT and RT as a tool to improve comorbidities found in Alzheimer’s disease. / Includes bibliography. / Thesis (M.S.)--Florida Atlantic University, 2018. / FAU Electronic Theses and Dissertations Collection

1 v. / Title page, contents and abstract only. The complete thesis in print form is available from the University Library. / Thesis (Ph.D.)--University of Adelaide, Dept. of Biochemistry, 1994

xxiii, 222 leaves : ill. ; 30 cm. / Title page, contents and abstract only. The complete thesis in print form is available from the University Library. / Insulin-like growth factor-I circulates at high concentrations in blood, mainly complexed with IGF-binding proteins. The main objective of the thesis is to determine the general role played by plasma IGF-binding proteins in the regulation of IGF transfer from blood to tissues. / Thesis (Ph.D.)--University of Adelaide, Dept. of Animal Science, 1994

Thesis (Ph. D.)--University of Washington, 2003. / Vita. Includes bibliographical references (leaves 117-126).