In der Lebensmittelindustrie steht die Entwicklung neuer innovativer Produkte im Vordergrund. Insbesondere die Modifizierung von Proteinen durch den Einsatz des Enzyms mikrobielle Transglutaminase (mTG) bietet hier neue Ansatzpunkte. Das Enzym verknüpft die γ-Carboxamidgruppe proteingebundenen Glutamins mit der ε-Aminogruppe von Lysin unter Bildung sogenannter Isopeptidbindungen. Durch diese Reaktion erreicht man eine gezielte Veränderung funktioneller Eigenschaften der Proteine wie z.B. Gelbildung, Löslichkeit, Wasserbindevermögen, Emulgier- und Schäumungsverhalten. Im Rahmen der Arbeit wurden grundlegende Forschungen zur Aufklärung des Mechanismus der mTG-katalysierten Proteinquervernetzungsreaktion im Hinblick auf das Lebensmittel Milch durchgeführt. Der erste Teil der Arbeit beschäftigte sich mit dem Ablauf der mTG-katalysierten Reaktion innerhalb der Caseinmicellen und dessen Effekt auf die Micellstruktur. Es zeigte sich, dass durch mTG die Caseine in der micellaren Struktur fixiert werden und der extramicellare Caseinanteil abnimmt. Hierbei wird β-Casein stärker vernetzt als αs-Casein. Infolge dieser intramicellaren Caseinquervernetzung wird die Stabilität der micellaren Struktur sowohl gegenüber destabilisierenden Reagenzien (EDTA, Ethanol, GDL), mechanischen Parametern (Hochdruck) sowie einer enzymatischen Proteolyse (Chymotrypsin, Pepsin) signifikant verbessert. Vermutlich werden die Isopeptide hierfür netzartig vorwiegend zwischen den β-Caseinen in der äußeren Micellschicht ausgebildet. Im zweiten Teil der Arbeit stand die Identifizierung der Reaktionsorte, d.h. die an der enzymatischen Vernetzung beteiligten Gln- und Lys-Reste, im Vordergrund, um den Einfluss der Proteinstruktur auf die Spezifität der mTG zu erfassen. Bei der Bestimmung der Reaktionsorte für β-Casein konnten 5 der 21 Gln-Reste und 3 der 11 Lys-Reste als zugänglich für mTG eingestuft werden. Für β-Lactoglobulin konnten unter Normaldruck 3 der 15 Lys-Reste aber keine Gln-Reste durch das Enzym markiert werden. Unter Hochdruck bei 400 MPa wurden 4 der 9 Gln-Reste sowie zwei weitere Lys-Reste als mTG-reaktiv nachgewiesen. Die Lage dieser Reaktionsorte im Protein zeigte, dass Gln-Reste bevorzugt durch mTG modifiziert werden, welche in hydrophoben Proteinabschnitten lokalisiert sind und große hydrophobe Aminosäuren N-seitig sowie positiv geladene Aminosäuren C-seitig aufweisen. Die Lys-Reste werden nur durch mTG angegriffen, wenn diese neben Aminosäuren mit ungeladenen bzw. positiv geladenen Seitenketten lokalisiert sind, während die Nachbarschaft zu negativ geladenen Aminosäuren sowie zu Aminosäuren mit ungeladenen polaren (hydrophilen) Seitenketten die Angreifbarkeit verhindert. Weiterhin zeigte eine Bestimmung der reaktiven Gln- und Lys-Reste im β-Casein innerhalb der Caseinmicelle, dass die Zugänglichkeit für mTG durch die Micellstruktur deutlich vermindert ist. Es wird vermutet, dass in der Caseinmicelle eine Art Vorstrukturierung der β-Caseine existiert. Abschließend wurden die Ergebnisse für einen Vorschlag eines Micellmodells herangezogen. Das im Rahmen der Arbeit vorgeschlagene Micellmodell beruht auf dem Internal Structure Modell, im speziellen auf dem „dual bonding model“ nach Horne, welches weiter charakterisiert werden konnte. So wird vermutet, dass β-Casein hauptsächlich im äußeren Micellbereich lokalisiert ist, während sich die αs-Caseine eher im Micellinneren befinden. β-Casein ist hierbei in laminaren Schichten angeordnet, wobei die hydrophilen Köpfe den größtmöglichen Abstand zueinander haben und hydrophobe Wechselwirkungen zwischen den hydrophoben Schwänzen ausgebildet werden können. Wird die Micelle nun mit mTG behandelt, so kann ausgehend von diesem Modell die quervernetzte Caseinmicelle als „GiOTTO® -Modell“ dargestellt werden. Dieses ist aus einem „festen äußeren Mantel“ aus quervernetzten β-Caseinen (Isopeptidnetzwerk) und einem „weichen Kern“ aus nur gering vernetzten αs-Caseinen zusammengesetzt.

<p>Metastasis of primary mammary tumors to vital secondary organs is the primary cause of breast cancer-associated death, with no effective treatment. Metastasis is a highly selective process that requires cancer cells to overcome multiple barriers to escape the primary tumor, survive in circulation, and eventually colonize distant secondary organs. One of the important aspects of metastatic cancers is the ability to undergo epithelial-mesenchymal transition (EMT) and the reverse process mesenchymal-epithelial transition (MET) process. Constant interconversion of tumor cells between these phenotypes creates epithelial-mesenchymal heterogeneity (EMH) and interaction between these tumor cell types and the stromal cell compartment is clearly important to metastasis. In healthy tissues, stromal cells maintain the composition and structure of the tissue through the production of extracellular matrix (ECM) proteins and paracrine signaling with epithelial cells. However, little is known about how EMH promotes changes in the ECM to promote breast cancer progression and metastasis. Cancer cells also secret exosomes, nano-size extracellular vesicles, to establish intercellular communication with distant organs in order to induce metastasis. These exosomes contain a plethora of different proteins including extracellular matrix proteins and matrix crosslinking enzymes. Fibronectin, an important ECM protein, plays an active role in tumor progression and is often crosslinked by tissue transglutaminase 2 (TGM2) to promote fibrosis in cancer. Both FN and TGM2 exist in exosomes and are expressed by heterogenous breast tumors. Although FN and TGM2 have been reported to play essential roles in cancer, their involvement in metastasis remains unclear. This work utilizes a variety of approaches to investigate the role of tumor heterogeneity and ECM proteins in promoting breast cancer metastasis. In this dissertation, we establish that mesenchymal cells expressing intracellular FN are held in a stable non-metastatic mesenchymal phenotype and produce cellular fibrils containing functionalized FN capable of supporting the growth of metastatic competent epithelial cells. We introduce a novel 3D culture system consisting of a tessellated scaffold which is capable of recapitulating cellular and matrix phenotypes <i>in vivo. </i>Further, we also demonstrate breast tumor cells secrete exosomes containing TGM2 crosslinked FN fibrils to promote premetastatic niche formation and induction of metastasis.<i> </i>Using genetic approaches, we establish TGM2 is essential and sufficient to drive metastasis. Finally, we demonstrate pharmacological inhibition of TGM2 offers a potential therapeutic strategy to treat metastatic breast cancer. Altogether, our research provides insights into the mechanism through which TGM2 promotes metastatic breast cancer. This work will help in developing new drugs to target TGM2 aimed at reducing breast cancer metastasis.<br></p>

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