The ability of proteins to engage in nuclear-cytoplasmic shuttling is required for their proper function. The nuclear export of the von Hippel Lindau (VHL) tumour suppressor protein is necessary for the proteasomal degradation of the hypoxia inducible factor alpha (HIFα). Studies have identified that the nuclear export of VHL and other proteins encoding a Transcription-Dependent Nuclear Export Motif (TD-NEM) is independent of the classical CRM1 nuclear export pathway but requires ongoing transcription. Furthermore, the eukaryotic elongation factor 1 alpha (eEF1A) was identified as a mandatory component of the TD-NEM-mediated nuclear export machinery. In this study, we have uncovered the ability of eEF1A to mediate the nuclear export of proteins by accessing the nuclear compartment in its inactive, GDP-bound form. Although previously thought of as a strictly cytoplasmic protein, work conducted in this thesis has shown that eEF1A is a nuclear-cytoplasmic shuttling protein and this ability is required for the effective export of proteins encoding a TD-NEM.

The ability of proteins to engage in nuclear-cytoplasmic shuttling is required for their proper function. The nuclear export of the von Hippel Lindau (VHL) tumour suppressor protein is necessary for the proteasomal degradation of the hypoxia inducible factor alpha (HIFα). Studies have identified that the nuclear export of VHL and other proteins encoding a Transcription-Dependent Nuclear Export Motif (TD-NEM) is independent of the classical CRM1 nuclear export pathway but requires ongoing transcription. Furthermore, the eukaryotic elongation factor 1 alpha (eEF1A) was identified as a mandatory component of the TD-NEM-mediated nuclear export machinery. In this study, we have uncovered the ability of eEF1A to mediate the nuclear export of proteins by accessing the nuclear compartment in its inactive, GDP-bound form. Although previously thought of as a strictly cytoplasmic protein, work conducted in this thesis has shown that eEF1A is a nuclear-cytoplasmic shuttling protein and this ability is required for the effective export of proteins encoding a TD-NEM.

The ability of proteins to engage in nuclear-cytoplasmic shuttling is required for their proper function. The nuclear export of the von Hippel Lindau (VHL) tumour suppressor protein is necessary for the proteasomal degradation of the hypoxia inducible factor alpha (HIFα). Studies have identified that the nuclear export of VHL and other proteins encoding a Transcription-Dependent Nuclear Export Motif (TD-NEM) is independent of the classical CRM1 nuclear export pathway but requires ongoing transcription. Furthermore, the eukaryotic elongation factor 1 alpha (eEF1A) was identified as a mandatory component of the TD-NEM-mediated nuclear export machinery. In this study, we have uncovered the ability of eEF1A to mediate the nuclear export of proteins by accessing the nuclear compartment in its inactive, GDP-bound form. Although previously thought of as a strictly cytoplasmic protein, work conducted in this thesis has shown that eEF1A is a nuclear-cytoplasmic shuttling protein and this ability is required for the effective export of proteins encoding a TD-NEM.

The energy source shortage has become a severe issue, and solving the problem with renewable and sustainable energy is the primary trend. Among the new generation energy storage, lithium-sulfur (Li-S) battery stands out for its low cost, high theoretical capacity (1,675 mAh g-1), and environmentally friendly properties. Intensive researches have been focusing on this system and significant improvement has been achieved. However, several problems still need to be resolved for its practical application, especially for the “shuttle effect” issue coming from the dissolved intermediate polysulfides, which could cause rapid capacity decay and low Coulombic efficiency (CE). Several methods are proposed to eliminate this issue, including using interlayers, modifying separators, and protecting the lithium anode. A carbon interlayer is first introduced to compare the function of the graphene and carbon nanotubes (CNTs), while the CNTs performs better with its higher conductivity and 3D network structure. The following study is conducted based on this finding. A more efficient method is to modify the separator with functional materials. 1) The dissolved polysulfide (Sn2-) could be repelled by electrostatic forces. With the Poly (styrene sulfonate) (PSS), the separator could function as an anion barrier to the intermediate polysulfides. 2D ultra-thin zinc benzimidazolate coordination polymer has the OH- functional groups and works with the same mechanism. 2) A novel covalent organic framework (COF) has a relatively small pore size, which can block the polysulfide and restrain them at the cathode side. 3) Metal-organic framework (MOF) materials have the adjustable pore size and structure, which can absorb and trap polysulfides within their cavities. Moreover, the dense stacking of the MOF particles creates a physical blocking for the polysulfides, which efficiently suppresses the diffusion process. Protection of the lithium surface directly with an artificial layer or a solid electrolyte interphase (SEI) can inhibit the polysulfide deposition and suppress the lithium dendrite. A polyvinylidene difluoride (PVDF) membrane is used as an artificial film on lithium anode, which could greatly enhance the battery cyclability and CE. Future work will be conducted based on this concept, especially building an artificial SEI.

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Das La-Protein wurde als Autoantigen bei Autoimmunpatienten, die an SLE oder Sjögren-Syndrom erkrankt sind, entdeckt. Es kommt in phosphorylierter Form im Zellkern aller Eukaryonten vor und nimmt Aufgaben bei der Faltung, Prozessierung und nukleären Retention von RNA-Polymerase III-Transkripten wahr. Unter normalen zellulären Bedingungen ist das La-Protein außerdem in der Lage, zwischen Zellkern und Zytoplasma zu pendeln. Bei Zellstress, der nach UV-Exposition oder während einer viralen Infektion entsteht, wird das Protein verstärkt im Zytoplasma beobachtet, wo es an der Cap-unabhängigen Translation zellulärer und ggf. viraler Proteine beteiligt ist. Wird in der Zelle daraufhin Apoptose induziert, so ist das La-Protein auf der Zellmembran bzw. in apoptotischen Körperchen nachweisbar. Ein wesentlicher Bestandteil dieser Arbeit war die Untersuchung verschiedener monoklonaler anti-La-Antikörper. Einige wenige konnten durch wiederholte Immunisierung von Mäusen mit rhLa-Protein generiert werden. Im Gegensatz dazu resultierte die einmalige Übertragung von gegen das hLa-Protein aktivierten CD4+ T-Zellen auf eine hLaTg-Maus in der Gewinnung mehrerer La-spezifischer Antikörper. Die Sequenzanalyse der Gene, die für die variablen Antikörperdomänen codieren, bestätigte, dass es sich um individuell rekombinierte und hypermutierte Immunglobuline handelt. Die Antikörper zeichneten sich außerdem durch unterschiedliche Eigenschaften bei der Bindung von humanem und murinem La-Protein in der Immunfluoreszenz, im Immunoblot oder während der Immunpräzipitation aus. Für die IgG-Antikörper konnten die Epitopbereiche innerhalb des La-Proteins eingegrenzt werden. Auffällig waren die kurzen linearen Peptidepitope, die von den auf konventionelle Art erzeugten Antikörpern gebunden wurden. Hingegen erkannten alle Antikörper, die aus dem adoptiven T-Zell-Transfer hervorgegangen waren, Konformationsepitope. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass einige mAks aber auch anti-La-Patientenseren die reduzierte von der oxidierten Form des La-Proteins unterscheiden können. Unerwartet ist die Erkenntnis, dass sich offensichtlich zahlreiche B-Zellen mit anti-La-Spezifität von wenigen variablen Ketten ableiten und dass diese bei einer herkömmlichen Immunisierung entweder nicht aktiviert werden (und deshalb nicht in der Milz zu finden sind) oder sogar eliminiert werden. Der Import des La-Proteins in den Zellkern wird durch die klassischen Transportmoleküle Karyopherin-α und Karyopherin–β vermittelt. Für den Shuttlingprozess muss das Protein auch wieder aus dem Kern exportiert werden. Da es kontroverse Daten bezüglich eines Crm1-abhängigen Kernexports gab, wurde das Shuttlingverhalten von GFP-La-Fusionsproteinen in dieser Arbeit genauer analysiert. Mit Hilfe von Heterokaryonexperimenten konnte bestätigt werden, dass sowohl das hLa- als auch das mLa-Protein zwischen humanen und murinen Zellkernen pendeln kann und dass der Export unabhängig von Crm1 stattfindet. Aufgrund der kurzen Verweildauer im Zytoplasma schienen die Proteine quantitativ im Zellkern vorzuliegen, doch ein Teil konnte stets in den im Heterokaryon enthaltenen Nachbarzellkernen detektiert werden. Die Verwendung von N-terminal deletierten La-Fragmenten, die alle über das C-terminale NLS verfügten, gab Aufschluss über die Regulation des Shuttlings. Es zeigte sich, dass die Menge des exportierten Proteins von einem nukleären Retentionspartner festgelegt wird, der das La-Protein bindet und dadurch im Zellkern festhält. Wird diese Assoziation aufgehoben, gelangt das La-Protein in das Zytoplasma. Dort ist es allerdings nicht detektierbar, da das NLS einen umgehenden Import zurück in den Zellkern hervorruft. Zusätzlich wurde die Auswirkung von zellulärem Stress (z. B. durch ROS) auf die intrazelluläre Lokalisation des Proteins untersucht. Unter oxidativen zellulären Bedingungen wird einerseits die Wechselwirkung mit dem nukleären Retentionspartner aufgehoben und andererseits findet kein Kernimport über Karyopherin-α mehr statt. Aus diesem Grund reichert sich das La-Protein nun verstärkt im Zytoplasma an. Darüber hinaus wurde nachgewiesen, dass das La-Protein von apoptotischen Zellen freigesetzt wird und daraufhin auf die Membran von Nachbarzellen binden kann. Die Bindungs-eigenschaften wurden mit rhLa-Protein genauer untersucht. Das La-Protein war auf Endothel- und Epithelzellen nachweisbar und die Bindung fand sowohl bei Inkubation auf Eis als auch bei 37 °C statt. Da das La-Protein auch über DNA-Bindungseigenschaften verfügt, war es in der Lage, DNA auf der Zelloberfläche zu immobilisieren. Innerhalb von PBMCs wurde es selektiv auf Antigen-präsentierenden Zellen nachgewiesen. Diese Eigenschaften lassen eine Beteiligung des Proteins bei der Induktion von anti-dsDNA-Antikörpern in Autoimmunpatienten vermuten. Es ist bekannt, dass die Bedingungen (Virusinfektion, UV-Exposition), die zur Translokation des La-Proteins auf die Zelloberfläche führen, bei SLE-Patienten Krankheitsschübe auslösen können. Bisher wurden anti-La-Autoantikörper aber eher nicht als pathophysiologisch erachtet, da sie bei der Bindung an bereits apoptotische Zellen keine weiteren Schäden verursachen können. Jedoch wurde in dieser Arbeit gezeigt, dass das La-Protein apoptotischer Zellen auf der Oberfläche von lebenden Zellen in der Umgebung nachgewiesen werden kann. Daran könnten anti-La-Autoantikörper binden und eine Komplement- oder NK-Zell-vermittelte Zerstörung der Nachbarzellen hervorrufen. Dadurch entstehen zusätzliche Gewebeschäden. Im Chromfreisetzungstest waren NK-Zellen tatsächlich in der Lage, La-dekorierte Zielzellen Antikörper-abhängig zu lysieren, sofern zusätzliche in vitro Stimuli präsent waren, die z. B. eine virale Infektion simulierten. Die Immuntherapie von Tumoren ist auf bestimmte Zielstrukturen auf den Tumorzellen angewiesen, über welche die Wirkstoffe spezifisch zu den maligne transformierten Zellen gebracht werden. Die Therapeutika, die sich oft von mAks gegen diese Zielstrukturen ableiten, müssen für verschiedene Tumorarten individuell entwickelt werden. Da das La-Protein von apoptotischen Zellen freigesetzt wird und auf die Membran benachbarter (bestrahlungsresistenter) Zellen binden kann, ist es in Kombination mit einer vorangegangenen Bestrahlung als universelle Zielstruktur für die Immuntherapie nutzbar. Aus diesem Grund wurde unter Verwendung eines ausführlich in dieser Arbeit charakterisierten anti-La-Antikörpers ein rekombinantes bispezifisches Antikörperderivat entwickelt. Es ist in der Lage, das La-Protein auf der Oberfläche von Tumorzellen zu binden und auf diesen zytotoxische T-Lymphozyten zu immobilisieren. Durch die Quervernetzung werden die T-Lymphozyten aktiviert und induzieren in den Zielzellen Apoptose. Das neue Antikörperderivat verspricht eine vielseitige Anwendung in Kombination mit Strahlentherapie oder auch mit rekombinanten Antikörpermolekülen, die gegen spezifische Zielstrukturen auf den Tumorzellen gerichtet sind.

Das La-Protein wurde als Autoantigen bei Autoimmunpatienten, die an SLE oder Sjögren-Syndrom erkrankt sind, entdeckt. Es kommt in phosphorylierter Form im Zellkern aller Eukaryonten vor und nimmt Aufgaben bei der Faltung, Prozessierung und nukleären Retention von RNA-Polymerase III-Transkripten wahr. Unter normalen zellulären Bedingungen ist das La-Protein außerdem in der Lage, zwischen Zellkern und Zytoplasma zu pendeln. Bei Zellstress, der nach UV-Exposition oder während einer viralen Infektion entsteht, wird das Protein verstärkt im Zytoplasma beobachtet, wo es an der Cap-unabhängigen Translation zellulärer und ggf. viraler Proteine beteiligt ist. Wird in der Zelle daraufhin Apoptose induziert, so ist das La-Protein auf der Zellmembran bzw. in apoptotischen Körperchen nachweisbar. Ein wesentlicher Bestandteil dieser Arbeit war die Untersuchung verschiedener monoklonaler anti-La-Antikörper. Einige wenige konnten durch wiederholte Immunisierung von Mäusen mit rhLa-Protein generiert werden. Im Gegensatz dazu resultierte die einmalige Übertragung von gegen das hLa-Protein aktivierten CD4+ T-Zellen auf eine hLaTg-Maus in der Gewinnung mehrerer La-spezifischer Antikörper. Die Sequenzanalyse der Gene, die für die variablen Antikörperdomänen codieren, bestätigte, dass es sich um individuell rekombinierte und hypermutierte Immunglobuline handelt. Die Antikörper zeichneten sich außerdem durch unterschiedliche Eigenschaften bei der Bindung von humanem und murinem La-Protein in der Immunfluoreszenz, im Immunoblot oder während der Immunpräzipitation aus. Für die IgG-Antikörper konnten die Epitopbereiche innerhalb des La-Proteins eingegrenzt werden. Auffällig waren die kurzen linearen Peptidepitope, die von den auf konventionelle Art erzeugten Antikörpern gebunden wurden. Hingegen erkannten alle Antikörper, die aus dem adoptiven T-Zell-Transfer hervorgegangen waren, Konformationsepitope. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass einige mAks aber auch anti-La-Patientenseren die reduzierte von der oxidierten Form des La-Proteins unterscheiden können. Unerwartet ist die Erkenntnis, dass sich offensichtlich zahlreiche B-Zellen mit anti-La-Spezifität von wenigen variablen Ketten ableiten und dass diese bei einer herkömmlichen Immunisierung entweder nicht aktiviert werden (und deshalb nicht in der Milz zu finden sind) oder sogar eliminiert werden. Der Import des La-Proteins in den Zellkern wird durch die klassischen Transportmoleküle Karyopherin-α und Karyopherin–β vermittelt. Für den Shuttlingprozess muss das Protein auch wieder aus dem Kern exportiert werden. Da es kontroverse Daten bezüglich eines Crm1-abhängigen Kernexports gab, wurde das Shuttlingverhalten von GFP-La-Fusionsproteinen in dieser Arbeit genauer analysiert. Mit Hilfe von Heterokaryonexperimenten konnte bestätigt werden, dass sowohl das hLa- als auch das mLa-Protein zwischen humanen und murinen Zellkernen pendeln kann und dass der Export unabhängig von Crm1 stattfindet. Aufgrund der kurzen Verweildauer im Zytoplasma schienen die Proteine quantitativ im Zellkern vorzuliegen, doch ein Teil konnte stets in den im Heterokaryon enthaltenen Nachbarzellkernen detektiert werden. Die Verwendung von N-terminal deletierten La-Fragmenten, die alle über das C-terminale NLS verfügten, gab Aufschluss über die Regulation des Shuttlings. Es zeigte sich, dass die Menge des exportierten Proteins von einem nukleären Retentionspartner festgelegt wird, der das La-Protein bindet und dadurch im Zellkern festhält. Wird diese Assoziation aufgehoben, gelangt das La-Protein in das Zytoplasma. Dort ist es allerdings nicht detektierbar, da das NLS einen umgehenden Import zurück in den Zellkern hervorruft. Zusätzlich wurde die Auswirkung von zellulärem Stress (z. B. durch ROS) auf die intrazelluläre Lokalisation des Proteins untersucht. Unter oxidativen zellulären Bedingungen wird einerseits die Wechselwirkung mit dem nukleären Retentionspartner aufgehoben und andererseits findet kein Kernimport über Karyopherin-α mehr statt. Aus diesem Grund reichert sich das La-Protein nun verstärkt im Zytoplasma an. Darüber hinaus wurde nachgewiesen, dass das La-Protein von apoptotischen Zellen freigesetzt wird und daraufhin auf die Membran von Nachbarzellen binden kann. Die Bindungs-eigenschaften wurden mit rhLa-Protein genauer untersucht. Das La-Protein war auf Endothel- und Epithelzellen nachweisbar und die Bindung fand sowohl bei Inkubation auf Eis als auch bei 37 °C statt. Da das La-Protein auch über DNA-Bindungseigenschaften verfügt, war es in der Lage, DNA auf der Zelloberfläche zu immobilisieren. Innerhalb von PBMCs wurde es selektiv auf Antigen-präsentierenden Zellen nachgewiesen. Diese Eigenschaften lassen eine Beteiligung des Proteins bei der Induktion von anti-dsDNA-Antikörpern in Autoimmunpatienten vermuten. Es ist bekannt, dass die Bedingungen (Virusinfektion, UV-Exposition), die zur Translokation des La-Proteins auf die Zelloberfläche führen, bei SLE-Patienten Krankheitsschübe auslösen können. Bisher wurden anti-La-Autoantikörper aber eher nicht als pathophysiologisch erachtet, da sie bei der Bindung an bereits apoptotische Zellen keine weiteren Schäden verursachen können. Jedoch wurde in dieser Arbeit gezeigt, dass das La-Protein apoptotischer Zellen auf der Oberfläche von lebenden Zellen in der Umgebung nachgewiesen werden kann. Daran könnten anti-La-Autoantikörper binden und eine Komplement- oder NK-Zell-vermittelte Zerstörung der Nachbarzellen hervorrufen. Dadurch entstehen zusätzliche Gewebeschäden. Im Chromfreisetzungstest waren NK-Zellen tatsächlich in der Lage, La-dekorierte Zielzellen Antikörper-abhängig zu lysieren, sofern zusätzliche in vitro Stimuli präsent waren, die z. B. eine virale Infektion simulierten. Die Immuntherapie von Tumoren ist auf bestimmte Zielstrukturen auf den Tumorzellen angewiesen, über welche die Wirkstoffe spezifisch zu den maligne transformierten Zellen gebracht werden. Die Therapeutika, die sich oft von mAks gegen diese Zielstrukturen ableiten, müssen für verschiedene Tumorarten individuell entwickelt werden. Da das La-Protein von apoptotischen Zellen freigesetzt wird und auf die Membran benachbarter (bestrahlungsresistenter) Zellen binden kann, ist es in Kombination mit einer vorangegangenen Bestrahlung als universelle Zielstruktur für die Immuntherapie nutzbar. Aus diesem Grund wurde unter Verwendung eines ausführlich in dieser Arbeit charakterisierten anti-La-Antikörpers ein rekombinantes bispezifisches Antikörperderivat entwickelt. Es ist in der Lage, das La-Protein auf der Oberfläche von Tumorzellen zu binden und auf diesen zytotoxische T-Lymphozyten zu immobilisieren. Durch die Quervernetzung werden die T-Lymphozyten aktiviert und induzieren in den Zielzellen Apoptose. Das neue Antikörperderivat verspricht eine vielseitige Anwendung in Kombination mit Strahlentherapie oder auch mit rekombinanten Antikörpermolekülen, die gegen spezifische Zielstrukturen auf den Tumorzellen gerichtet sind.

P68 RNA helicase (p68), as a DEAD family protein, is a typical RNA helicase protein. P68 functions in many other biological processes, which include the regulations of the gene transcription, cell proliferation and cell differentiation. In our group, Y593 phosphorylated p68 was found to have a function in the epithelial mesynchymal transition, which is an important process for cancer metastasis. In the present study, we found that p68 is a nucleocytoplasmic shuttling protein. The protein carries two functional nuclear exporting signal sequences and two nuclear localization signal sequences. Calmodulin, a calcium sensor protein, is well known to play roles in cell migration by regulating the activities of its target proteins at the leading edge. Calmodulin interacts with p68 at the IQ motif of p68. However, the biological function of this interaction is not known. In this study, we found that the p68/calmodulin protein complex functions as a microtubule motor in migrating cells. The shuttling function of p68 along with the motor function of p68/calmodulin causes the leading edge distribution of calmodulin in migrating cells. Disruption the interaction between p68 and calmodulin inhibits cancer cell metastasis in an established mouse model. On the other hand, Y593-Y595 double phosphorylated p68 were found to interact with PKM2, an important tumor isoform of pyruvate kinase. The shuttling function of p68 is reasoned to promote the dimer formation of PKM2 and transport the PKM2 to the cell nucleus. The nuclear PKM2 was found to function as a protein kinase to promote cell proliferation. In specific, the nuclear PKM2 phosphorylates and activates Stat3, an important transcription factor functions in cell proliferation. Overall, p68 is found to have functions in both cell migration and cell proliferation, and these two functions depend on the nucleocytoplasmic shuttling activity and the post-translational modification of p68.

We have designed and synthesized a bistable pseudo-rotaxane carrying a fluorescent boradiazaindacene (BODIPY) unit. The intensity of the emission signal is dependent on the position of the cucurbituril (CB7) unit over the axle component. Thus, pH modulated switching of the CB7 wheel is accompanied by significant changes in the emission spectrum. Additionally, a thiosulfate-sulfite-iodate oscillating reaction which generates large amplitude pH oscillations can be carried out in the same solution. In such a solution, in response to changing pH, the position of the wheel component seems to change without outside intervention.

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