Erste tumorassoziierte Veränderungen finden im Glykosilierungsmuster von Glykoproteinen und Glykolipiden statt. Die dabei entstehenden tumorassoziierten Carbohydrat-Antigene sind prominente Zielstrukturen der natürlichen Tumorimmunität (Immune Surveillance) und gewinnen in der Onkologie als immunogene Epitope zunehmend an Bedeutung. Der humane monoklonale IgM-Antikörper SAM-6 ist Teil der tumorspezifischen Immunität. Er wurde mit Hilfe der konventionellen Hybridomatechnologie direkt aus einem an Magenkarzinom erkrankten Menschen isoliert. Neben der Erforschung seines außergewöhnlichen Apoptose-mechanismus konnte innerhalb dieser Arbeit eine Zielstruktur des Antikörpers identifiziert und charakterisiert werden. Der humane monoklonale IgM-Antikörper SAM-6 bindet an eine neue Isoform des Hitzeschockproteins GRP78 (GRP78SAM-6). Das Antigen wurde über mehrstufige chromatographische Verfahren aus Tumorzellmembranextrakten aufgereinigt und nach tryptischen Verdau über die Methode des Peptidmassen-Fingerprinting eindeutig als humanes GRP78 identifiziert. Die auf der Zellmembran lokalisierte Variante des GRP78 besitzt ein Molekulargewicht von 82 kD und wird auf vielfältigen Tumorgeweben stabil exprimiert. GRP78SAM-6 liegt parallel zur 78 kD-Wildtyp-Variante co-exprimiert vor und konnte im Gegensatz zur Wildtyp-Variante nicht auf gesundem Gewebe nachgewiesen werden. Bei der SAM-6-spezifischen Variante des GRP78 handelt es sich um eine posttranslational modifizierte Form des GRP78, die spezifisch auf der Zellmembran lokalisiert ist, nicht jedoch intrazellulär zu finden ist. Sie unterscheidet sich durch zusätzliche Glykosilierungen vom GRP78-Wildtypen, wobei O-glykosidisch verknüpfte Glykane für die Bindung und die Reaktion mit dem SAM-6 Antikörper essentiell sind. Der SAM-6-Rezeptor stellt eine tumorspezifische Isoform des Hitzeschockproteins GRP78 dar, deren O-glykosilierte Carbohydrat-Regionen als Epitop fungieren. Durch die Bindung an GRP78SAM-6 hemmt der Antikörper SAM-6 in vitro als auch in vivo konzentrationsabhängig das Wachstum von Magen- und Pankreaskarzinomzellen und induziert eine neue Art des apoptotischen Zelltodes, die sog. Lipoptose. Es handelt sich um einen durch den Antikörper vermittelten direkten Effekt, der sich ausschließlich auf malignes Gewebe beschränkt. Schlüsselpunkt der apoptotischen Wirkung ist die Akkumulation zytotoxischer Mengen an Cholesterol und Triglyceridestern, die nach Bindung an den Antikörper in Form von Lipoprotein-Partikeln in die Tumorzelle gelangen. Der pentamere IgM-Antikörper bindet neben membranständigem GRP78SAM-6 der Tumorzelle, die ApoB 100-haltigen Lipoproteine VLDL und LDL. Insbesondere oxidativ modifizierte Formen des LDL (oxLDL) zeigten dabei die höchste Bindungsaffinität zum SAM-6 Antikörper. In deren Anwesenheit war ein maximaler lipotoxischer Effekt zu beobachten. Im Rahmen dieser Arbeit ist es gelungen, weite Teile des Lipoptose-Mechanismus aufzuklären. Eigenen Immunfluoreszenzstudien zufolge wird der SAM-6 Antikörper über rezeptorvermittelte Endozytose internalisiert. Die GRP78-vermittelte Internalisierung von oxLDL-beladenem Antikörper scheint daher plausibel und für die tödliche Anhäufung der Lipide verantwortlich zu sein. Die SAM-6-induzierte Apoptose verläuft anschließend über einen spezifischen Signalweg, der Gemeinsamkeiten mit dem intrinsischen Signalweg aufweist, jedoch wie beim extrinsischen Signalweg über externe pro-apoptotische Liganden angeregt wird. Infolge der unphysiologisch hohen intrazellulären Konzentration an oxLDL kommt es zur Induktion einer Caspasenkaskade, die nach der initialen Freisetzung von Cytochrom C aus den Mitochondrien über die Initiatorcaspasen 8 und 9 verläuft und letztendlich durch die Aktivierung der terminalen Caspasen 3 und 6 den apoptotischen Zelltod einleitet. Die Entdeckung von extrazellulär exprimiertem GRP78 auf Tumorzellen bietet die Möglichkeit neuer Therapieansätze in der Onkologie. Die SAM-6-spezifische Variante des GRP78 bietet insbesondere die Möglichkeit eines gezielten Angriffs auf die Tumorzelle, ohne gesunde Zellen zu tangieren. Sie wird auf Tumorgeweben verschiedenster Ätiologie stabil exprimiert und infolge ihres tumorspezifischen Auftretens zur optimalen Zielstruktur der natürlichen körpereigenen Immunantwort gegen Tumore. Der natürliche IgM-Antikörper ist Teil der natürlichen Immunität. Diese verfügt über ein breites Repertoire an Rezeptoren und garantiert die permanente Überwachung und Reaktion gegen modifizierte körpereigene Zellen. Sie ist dafür verantwortlich, dass Tumore sich nur in Ausnahmefällen manifestieren. / Tumor-associated modifications occur first in the glycosylation pattern of glycoproteins and glycolipids. These tumor-associated carbohydrate antigens are prominent targets of the natural tumor immunity (immune surveillance) and as immunogen epitopes they become more important for oncology therapies. The human monoclonal IgM antibody SAM-6 is part of this tumor specific immunity. It was isolated from a gastric cancer patient by using the conventional human hybridoma technology. Beside the investigation of its unique apoptosis mechanism, further goal of this study was the identification and characterization of the SAM-6 target. The human monoclonal IgM antibody SAM-6 binds to a new isoform of the GRP78 heat-shock protein (GRP78SAM-6). The SAM-6 antigen was purified from membrane extracts of stomach carcinoma cells using size exclusion and ion exchange chromatography. After tryptic digestion and peptide mass mapping it was definitely identified as human GRP78. The membrane bound variant of GRP78 has a molecular weight of 82 kD and is specifically over expressed in a wide range of cancer types. GRP78SAM-6 is co-expressed with wild-type GRP78 and is in contrast to its wild-type variant absent from normal tissues. The SAM-6 specific variant of GRP78 is a post-transcriptionally modified variant of GRP78, which is specifically expressed on the cell surface, but not found intracellularly. In contrast to the wild-type, GRP78SAM-6 is additionally glycosylated, whereas O-linked carbohydrates are essential for binding and reaction with the SAM-6 antibody. The SAM-6 receptor is a tumor specific isoform of the heat-shock protein GRP78, its epitopes are O-linked carbohydrate-moieties. After binding to GRPSAM-6, the antibody SAM-6 inhibits the growth of stomach and pancreas carcinoma cells in vitro and in vivo and induces a new kind of apoptotic cell death, the so-called lipoptosis. This direct and antibody induced effect is limited exclusively to malignant tissues. The crucial factor of the apoptotic effect is the accumulation of cytotoxic amounts of cholesterol and triglyceride esters, which get into the tumor cells in form of lipoprotein particles. The pentameric IgM antibody binds to GRPSAM-6 located on the tumor cell surface and to apoB 100, which is constituent of the lipoproteins VLDL and LDL. In particular, oxidatively modified LDL particles (oxLDL) showed the highest binding affinity to the SAM-6 antibody. In their presence the highest lipotoxic effect was observed. Within this study, important parts of this tumor specific lipoptosis mechanism could be explored. Own immunofluorescence studies revealed that the SAM-6 antibody is internalized via receptor mediated endocytosis. GRP78 mediated internalization of oxLDL-loaded antibody might be feasible and responsible for the deadly accumulation of lipids. The SAM-6 antibody induces a specific apoptotic pathway, which has similarities to the intrinsic pathway, but is activated by external pro-apoptotic ligands as it is know from the extrinsic pathway. Shortly after internalization of the antibody-LDL complex the unphysiologically high concentration of intracellular lipids initiates the release of mitochondrial cytochrom c followed by the activation of a cascade of caspases, such as initiator caspases 8 and 9 and finally the terminal caspases 3 and 6 leading to cell death. The discovery of extracellularly located GRP78 on tumor cells offers the opportunity of new oncological therapies. Especially the SAM-6 specific variant of GRP78 promises a targeted therapy against tumor cells, without hitting healthy cells. It is stable expressed on a variety of tumor tissues and in consequence of its tumor specific expression an ideal target of human innate immune responses against tumors. The natural IgM antibody SAM-6 is part of this natural immunity. It uses a broad repertoire of receptors and guaranties a permanent control and reaction against modified self-structures. Innate immunity is the reason that tumors only occur in exceptional cases.

Histone post-translational modifications (PTMs), as the histone code assumes, are related with regulation of gene transcription, an important mechanism of cells in the differentiation process. Many PTMs are simultaneously present in histone proteins, and changes in the PTM stoichiometric ratios can have several effects, like changes in the chromatin structure leading to a transcriptionally active or repressive state. Significant progresses were made to map variations of histone PTMs by mass spectrometry (MS), and although many protocols were developed there are still some drawbacks. Incomplete and side reactions were identified, which can directly affect the quantification of histone PTMs, because both (incomplete and side reactions) can be misinterpreted as endogenous histone post translational modifications. Therefore, a protocol for derivatization of histones with no noticeable undesired reactions (<10%) was required. In this thesis a new chemical modification methodology is presented, which allows the improvement of sequence coverage by acylation with propionic anhydride of lysine residues and N-terminal (free ε- and α- amino groups) and trypsin digestion. more than 95% of complete reaction was achieved with the new derivatization methodology. This strategy (chemical derivatization of histones), in combination with bottom-up MS approach, allows the quantification of lysine methylation (Kme) and acetylation (Kac) in histones from Saccharomyces cerevisiae (S.cerevisiae), mouse embryonic stem cells (mESCs) and human cell lines. The results showed histone H3 PTM pattern as the most variable profile regarding histone Kme and Kac across the three different organisms and experimental conditions. Therefore, it was concluded that quantification of H3 PTM pattern can be used to examine changes in chromatin states when cells are subjected to any kind of perturbation.

Über die Proteinphosphorylierung in den Mitochondrien der Hefe Saccharomyces cerevisiae ist im Gegensatz zu anderen Kompartimenten nur wenig bekannt. Insbesondere hinsichtlich der physiologischen Bedeutung sowie den an der Modifikation beteiligten Enzymen sind kaum Daten verfügbar. Vor diesem Hintergrund stand die Identifizierung und molekularbiologische Charakterisierung mitochondrialer Proteinkinasen (PKasen) und Proteinphosphatasen (PPasen) im Fokus dieser Arbeit. Unter Verwendung komparativer 2D DIGE-Analysen konnten zwei Strategien erfolgreich verfolgt werden: Zum einen wurde die Konsequenz einer Gendeletion von ausgewählten PKasen bzw. PPasen mit putativer mitochondrialer Lokalisation untersucht. Dabei gelang es, die an der in vivo Regulation des Pyruvatdehydrogenase(PDH)-Komplexes beteiligten Enzyme erstmalig zu identifizieren und im Folgenden deren regulatorisches Zusammenspiel umfassend zu analysieren. Zum anderen wurde in einem inversen Ansatz beispielhaft für die PKase Sat4p untersucht, welche Auswirkungen eine Überexpression dieser Kinase auf das mt Proteom hat. Erste Hinweise, welche zur Identifizierung der PDH-Kinasen (Pkp1p und Pkp2p) bzw. PDH Phosphatasen (Ppp1p und Ppp2p) führten, lieferten die signifikanten Spotänderungen von Pda1p (E1α-Untereinheit des PDH-Komplexes) in den 2D-DIGE-Analysen. Im Folgenden wurde die mitochondriale Lokalisation der vier regulatorischen Enzyme unter Verwendung Epitop-getaggter Varianten nachgewiesen sowie Pda1p in unabhängigen phosphospezifischen Analysen als Target der Phosphorylierung verifiziert. Die Phosphorylierungsstelle von Pda1p konnte massenspektrometrisch dem Serin313 zugeordnet werden. PDH-Aktivitätsmessungen zeigten, dass die Phosphorylierung von Pda1p den PDH Komplex inaktiviert, während eine Dephosphorylierung zur Aktivierung führt. Dabei war der Einfluss der Deletion der PDH Kinasen bzw. der PDH-Phosphatasen unterschiedlich stark ausgeprägt. Während Ppp1p und Ppp2p partiell redundante Funktionen besitzen, lassen die Analysen komplementäre Aktivitäten von Pkp1p und Pkp2p vermuten. Eine physikalische Interaktion der beiden Kinasen wurde in vivo nachgewiesen und deutet auf die Bildung funktioneller Heteromere hin. Durch Analysen in der 2D-BN/SDS-PAGE konnte eine Assoziation der PDH-Kinasen sowie PDH-Phosphatasen mit dem hochmolekularen, etwa 8 MDa großen PDH-Komplex sowie mit PDH-Subkomplexen geringeren Molekulargewichts gezeigt werden. Die Erkenntnisse dieser Arbeit ermöglichten in Verbindung mit denen eigener Vorarbeiten die Erstellung eines Modells zur PDH-Regulation in Saccharomyces cerevisiae. Neben der Aktivitätsregulation durch die von Pkp1p/Pkp2p bzw. Ppp1p/Ppp2p katalysierte Phosphorylierung wird eine Funktion der regulatorischen Enzyme – insbesondere der PDH-Kinasen – an der Assemblierung bzw. Stabilisierung des PDH-Komplexes postuliert. Es konnte somit gezeigt werden, dass in der Hefe ein ähnlicher, aber nicht identischer Regulationsmechanismus vorliegt wie in höheren Eukaryoten. Die zweite Strategie, welche in dieser Arbeit exemplarisch für eine PKase verfolgt wurde, führte zur Identifikation einer bislang unbekannten Funktion der Kinase Sat4p in den Mitochondrien. Es konnte gezeigt werden, dass Sat4p dual lokalisiert in der cytoplasmatischen sowie mitochondrialen Fraktion vorliegt und selbst Target der Phosphorylierung ist. Die Überexpression von Sat4p führte nicht nur zu einem verminderten Wachstum auf nicht fermentierbaren Medien, sondern auch zur Beeinflussung spezifischer mitochondrialer Proteingruppen. Während die Spots der Proteine Pil1p und Lsp1p eine höhere Intensität zeigten, wiesen die Fe/S-Proteine Aco1p und Lys4p eine verminderte „steady-state“-Konzentration auf. Darüber hinaus lagen die Proteine, welche Liponsäure als prosthetische Gruppe tragen (Lat1p, Kgd2p und Gcv3p), im Tet-Sat4-Stamm vorwiegend in ihrer nicht-lipoylierten Form vor. Die Lipoylierungsstellen aller drei Proteine konnten im Wildtyp unter Nutzung von nanoLC-MS/MS erstmals experimentell bestimmt und Lys75 (Lat1p), Lys114 (Kgd2p) bzw. Lys102 (Gcv3p) zugeordnet werden. Die fehlende Lipoylierung der Proteine bzw. die verminderte Proteinkonzentration der Aconitase führte zu einer stark verminderten Aktivität der betroffenen Enzymkomplexe. Neben den in der Literatur beschriebenen putativen Funktionen von Sat4p bei der Regulation cytoplasmatischer Proteine wurde basierend auf den Erkenntnissen der Analysen eine spezifische Funktion der Kinase in den Mitochondrien postuliert. Das Modell schlägt eine Rolle von Sat4p in den späten Schritten der Maturation einer spezifischen Gruppe von mitochondrialer Fe/S-Proteinen vor. Die Beeinträchtigung der Lipoatsynthase Lip5p, welche neben Aco1p und Lys4p ebenfalls zu dieser Gruppe gehört, führt vermutlich sekundär zum beobachteten Verlust der Lipoylierung von Lat1p, Kgd2p und Gcv3p.

Histone post-translational modifications (PTMs), as the histone code assumes, are related with regulation of gene transcription, an important mechanism of cells in the differentiation process. Many PTMs are simultaneously present in histone proteins, and changes in the PTM stoichiometric ratios can have several effects, like changes in the chromatin structure leading to a transcriptionally active or repressive state. Significant progresses were made to map variations of histone PTMs by mass spectrometry (MS), and although many protocols were developed there are still some drawbacks. Incomplete and side reactions were identified, which can directly affect the quantification of histone PTMs, because both (incomplete and side reactions) can be misinterpreted as endogenous histone post translational modifications. Therefore, a protocol for derivatization of histones with no noticeable undesired reactions (<10%) was required. In this thesis a new chemical modification methodology is presented, which allows the improvement of sequence coverage by acylation with propionic anhydride of lysine residues and N-terminal (free ε- and α- amino groups) and trypsin digestion. more than 95% of complete reaction was achieved with the new derivatization methodology. This strategy (chemical derivatization of histones), in combination with bottom-up MS approach, allows the quantification of lysine methylation (Kme) and acetylation (Kac) in histones from Saccharomyces cerevisiae (S.cerevisiae), mouse embryonic stem cells (mESCs) and human cell lines. The results showed histone H3 PTM pattern as the most variable profile regarding histone Kme and Kac across the three different organisms and experimental conditions. Therefore, it was concluded that quantification of H3 PTM pattern can be used to examine changes in chromatin states when cells are subjected to any kind of perturbation.

Über die Proteinphosphorylierung in den Mitochondrien der Hefe Saccharomyces cerevisiae ist im Gegensatz zu anderen Kompartimenten nur wenig bekannt. Insbesondere hinsichtlich der physiologischen Bedeutung sowie den an der Modifikation beteiligten Enzymen sind kaum Daten verfügbar. Vor diesem Hintergrund stand die Identifizierung und molekularbiologische Charakterisierung mitochondrialer Proteinkinasen (PKasen) und Proteinphosphatasen (PPasen) im Fokus dieser Arbeit. Unter Verwendung komparativer 2D DIGE-Analysen konnten zwei Strategien erfolgreich verfolgt werden: Zum einen wurde die Konsequenz einer Gendeletion von ausgewählten PKasen bzw. PPasen mit putativer mitochondrialer Lokalisation untersucht. Dabei gelang es, die an der in vivo Regulation des Pyruvatdehydrogenase(PDH)-Komplexes beteiligten Enzyme erstmalig zu identifizieren und im Folgenden deren regulatorisches Zusammenspiel umfassend zu analysieren. Zum anderen wurde in einem inversen Ansatz beispielhaft für die PKase Sat4p untersucht, welche Auswirkungen eine Überexpression dieser Kinase auf das mt Proteom hat. Erste Hinweise, welche zur Identifizierung der PDH-Kinasen (Pkp1p und Pkp2p) bzw. PDH Phosphatasen (Ppp1p und Ppp2p) führten, lieferten die signifikanten Spotänderungen von Pda1p (E1α-Untereinheit des PDH-Komplexes) in den 2D-DIGE-Analysen. Im Folgenden wurde die mitochondriale Lokalisation der vier regulatorischen Enzyme unter Verwendung Epitop-getaggter Varianten nachgewiesen sowie Pda1p in unabhängigen phosphospezifischen Analysen als Target der Phosphorylierung verifiziert. Die Phosphorylierungsstelle von Pda1p konnte massenspektrometrisch dem Serin313 zugeordnet werden. PDH-Aktivitätsmessungen zeigten, dass die Phosphorylierung von Pda1p den PDH Komplex inaktiviert, während eine Dephosphorylierung zur Aktivierung führt. Dabei war der Einfluss der Deletion der PDH Kinasen bzw. der PDH-Phosphatasen unterschiedlich stark ausgeprägt. Während Ppp1p und Ppp2p partiell redundante Funktionen besitzen, lassen die Analysen komplementäre Aktivitäten von Pkp1p und Pkp2p vermuten. Eine physikalische Interaktion der beiden Kinasen wurde in vivo nachgewiesen und deutet auf die Bildung funktioneller Heteromere hin. Durch Analysen in der 2D-BN/SDS-PAGE konnte eine Assoziation der PDH-Kinasen sowie PDH-Phosphatasen mit dem hochmolekularen, etwa 8 MDa großen PDH-Komplex sowie mit PDH-Subkomplexen geringeren Molekulargewichts gezeigt werden. Die Erkenntnisse dieser Arbeit ermöglichten in Verbindung mit denen eigener Vorarbeiten die Erstellung eines Modells zur PDH-Regulation in Saccharomyces cerevisiae. Neben der Aktivitätsregulation durch die von Pkp1p/Pkp2p bzw. Ppp1p/Ppp2p katalysierte Phosphorylierung wird eine Funktion der regulatorischen Enzyme – insbesondere der PDH-Kinasen – an der Assemblierung bzw. Stabilisierung des PDH-Komplexes postuliert. Es konnte somit gezeigt werden, dass in der Hefe ein ähnlicher, aber nicht identischer Regulationsmechanismus vorliegt wie in höheren Eukaryoten. Die zweite Strategie, welche in dieser Arbeit exemplarisch für eine PKase verfolgt wurde, führte zur Identifikation einer bislang unbekannten Funktion der Kinase Sat4p in den Mitochondrien. Es konnte gezeigt werden, dass Sat4p dual lokalisiert in der cytoplasmatischen sowie mitochondrialen Fraktion vorliegt und selbst Target der Phosphorylierung ist. Die Überexpression von Sat4p führte nicht nur zu einem verminderten Wachstum auf nicht fermentierbaren Medien, sondern auch zur Beeinflussung spezifischer mitochondrialer Proteingruppen. Während die Spots der Proteine Pil1p und Lsp1p eine höhere Intensität zeigten, wiesen die Fe/S-Proteine Aco1p und Lys4p eine verminderte „steady-state“-Konzentration auf. Darüber hinaus lagen die Proteine, welche Liponsäure als prosthetische Gruppe tragen (Lat1p, Kgd2p und Gcv3p), im Tet-Sat4-Stamm vorwiegend in ihrer nicht-lipoylierten Form vor. Die Lipoylierungsstellen aller drei Proteine konnten im Wildtyp unter Nutzung von nanoLC-MS/MS erstmals experimentell bestimmt und Lys75 (Lat1p), Lys114 (Kgd2p) bzw. Lys102 (Gcv3p) zugeordnet werden. Die fehlende Lipoylierung der Proteine bzw. die verminderte Proteinkonzentration der Aconitase führte zu einer stark verminderten Aktivität der betroffenen Enzymkomplexe. Neben den in der Literatur beschriebenen putativen Funktionen von Sat4p bei der Regulation cytoplasmatischer Proteine wurde basierend auf den Erkenntnissen der Analysen eine spezifische Funktion der Kinase in den Mitochondrien postuliert. Das Modell schlägt eine Rolle von Sat4p in den späten Schritten der Maturation einer spezifischen Gruppe von mitochondrialer Fe/S-Proteinen vor. Die Beeinträchtigung der Lipoatsynthase Lip5p, welche neben Aco1p und Lys4p ebenfalls zu dieser Gruppe gehört, führt vermutlich sekundär zum beobachteten Verlust der Lipoylierung von Lat1p, Kgd2p und Gcv3p.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit verschiedenen Aspekten der Assoziation von Saccharose-Synthase (SUS) mit subzellulären Strukturen. Durch cDNA-Durchmusterungen konnten proteinogene Bindepartner von SUS sowie Aktin identifiziert und zum Teil verifiziert werden. Die dritte Isoform SuS3 aus Mais wurde auf molekularer Ebene identifiziert und das rekombinante Protein biochemisch charakterisiert. Trotz signifikanter Sequenzunterschiede zwischen den SUS-Isoformen, wurden ähnliche katalytische Eigenschaften und mögliche posttranslationale Modifikationen der Enzyme nachgewiesen, darunter die Redox-Modifikation der Enzymaktivität und das Potential zur reversiblen Phosphorylierung. Der Einfluss der Phoshorylierung von SUS auf dessen enzymatische und assoziative Aktivität wurde mittels mutagenisiertem Protein untersucht und zeigte kein stark verändertes Verhalten infolge der Mutationen. Eine metabolische Regulation der SUS-Aktin-Wechselwirkung durch Zucker konnte bestätigt und die katalytische Aktivität von SUS in Gegenwart von Aktin gezeigt werden. Assoziationsstudien von Aktin mit synthetischen Peptiden sowie immunologische Untersuchungen lieferten Hinweise für die Aktinbindedomäne in SUS. Co-Pelletierungsexperimente zeigten die Assoziation von SUS mit Mikrotubuli aus Rinderhirn. In vitro konkurriert SUS mit Aldolase um die Bindung an Miktotubuli. Als proteinogene Bindepartner von SUS wurden einige im Kohlenhydratstoffwechsel sowie im 26S-Proteasom-Komplex involvierte Proteine identifiziert. Ebenso wurde eine Glutathion-Peroxidase identifiziert, die ubiquitäre Transkriptakkumulation dokumentiert und die katalytische Aktivität des rekombinanten Proteins gezeigt. Eine weitere cDNA-Durchmusterung führte zur Identifikation verschiedener glykolytischer Enzyme als potentielle Interaktionspartner von Mais-Aktin sowie zu Bindepartnern, die nach Sequenzanalyse Domänen mit Homologien zu bekannten ABPs aus tierischen Organismen zeigten.

Protein-Protein-Wechselwirkungen steuern zelluläre Funktionen auf molekularer Ebene. Posttranslationale Proteinmodifikationen beeinflussen diese Wechselwirkungen und erlauben dynamische Regulierung. Tyrosinphosphorylierung ist eine besonders relevante Modifikation, weil sie eng mit interzellulärer Regulation von Wachstum und Enticklung in Vielzellern verbunden ist. Da falsche Regulierung dieser Prozesse zu Krebs oder Autoimmunerkrankungen führen kann, ist sie auch von großem medizinischen Interesse. In Hefe-Zwei-Hybrid- Untersuchungen mit Volllängen-Proteinen im Genommaßstab wurde ein umfassender Satz von 292 größtenteils neuen phosphotyrosinabhängigen Proteinwechselwirkungen erster Güte ermittelt. Damit wurde eine Wissenslücke im Bereich der phosphotyrosinabhängigen Signalübertragung, der bisher hauptsächlich auf Peptidbindungs- und Affinitätsaufreinigungs-gekoppelten Massenspektronomieexperimenten fußte. Die Güte der Interaktionen wurde experimentell und informatisch, in Coimmunpräzipitations- und Proteinkomplementierungs-, sowie in Überrepräsentationsanalysen und Literaturvergleichen, gezeigt. Bekannte lineare Bindesequenzmotive kommen zwar gehäuft vor, können die Mehrzahl der Interaktionen aber offensichtlich nicht erklären. Die Wechselwirkungen bilden ein dichtes, einheitliches Netzwerk und widerspiegeln phosphotyrosinabhängige KEGG-Signalwege. Es hat ein Herzstück aus acht Genen, von denen sieben fest etablierte Signalverarbeitungshauptknotenpunkte darstellen. Dem achten, SH2D2A, scheint eine deutlich wichtigere Rolle zuzukommen als bisher wahrgenommen. Schliesslich wurde für eine Auswahl von GRB2-Interaktionen unterschiedliche subzelluläre Verortung vorgenommen. Zusammengenommen legen diese Ergebnisse nah, dass die hier veröffentlichten Wechselwirkungen einen wesentlichen Schritt für das Verstehen von Wachstum und Entwicklung markieren und zur Verbesserung der Behandlungsmöglichkeiten in wichtigen Medizinbereichen beitragen werden. / Protein-protein interactions govern cellular functions on the molecular level. Post-translational modifications alter these interactions allowing highly dynamic regulation. Protein tyrosine phosphorylation is an especially relevant post-translational modification, because it is tightly linked to intercellular regulation of growth and development in metazoans. Diseases like cancer or autoimmune disorders arise from misregulation of these processes generating great medical interest in protein tyrosine phosphorylation and processes relating to it. This study provides a comprehensive set of 292 mostly novel, high-quality phosphotyrosine- dependent protein-protein interactions detected in genome-scale yeast two-hybrid screens using full-length proteins filling a gap in phosphotyrosine signaling knowledge, which has so far been based largely on peptide binding and affinity purification-coupled mass spectrometry experiments. The high quality was demonstrated experimentally and computationally, in co-immunoprecipitation and protein complementation assays, as well as over-representation analyses and comparison to prior knowledge. Previously reported linear peptide motifs are reflected in the binding partners, but clearly do not account for most of the interactions, emphasizing the relevance of full-length protein context. The interactions were further shown to form an unusually dense, monolithic network with a central core and reflect and expand phosphotyrosine-related KEGG pathways. Seven of the eight core proteins are well-established signaling hubs. The eighth core gene, SH2D2A, seems to play a more central role than currently appreciated. Finally, selected interactions involving GRB2 were shown to occur in different specific subcellular localizations. Together, these results strongly suggest that the interactions presented here represent an important step toward understanding growth and development and will benefit treatment of pressing medical issues substantially.

Reversible Phosphorylierung ist die bekannteste posttranslationale Modifikation (PTM) und die O-Phosphomonoester von Serin, Threonin und Tyrosin galten lange als die einzigen relevanten Vertreter. Vor kurzem wurden erste Erkenntnisse über die biologische Relevanz von labilen Phosphorylierungen veröffentlicht, z.B. die Phosphorylierung von Histidin, Arginin und Cystein sowie die Pyrophosphorylierung von Serin und Threonin. Auch die Aufklärung von Phospho-Lysin (pLys) wurde mit der Etablierung einer chemoselektiven Synthese zur Darstellung ortsselektiv phosphorylierter Lysinpeptide und der Entwicklung massenspektrometrischer Protokolle zur eindeutigen pLys-Identifizierung in Angriff genommen. Dennoch wurde bisher kein endogenes pLys beschrieben oder eingehende Untersuchungen mit interagierenden Enzymen durchgeführt. In dieser Arbeit werden mehrere Ansätze zur Erweiterung des Wissens über pLys vorgestellt. Dazu gehören das Design einer alternativen Syntheseroute zu pLys-Peptiden und die Entwicklung sowie Evaluierung von zwei stabilen Analoga als Bausteine für die Peptidsynthese. Weiterhin wurde die Protonierung des Phosphoramidatstickstoffs untersucht. In systematischen Enzymaktivitätsassays wurden die Wechselwirkungen zwischen Phospholysine phosphohistidine inorganic pyrophosphate phosphatase (LHPP) und verschiedenen Phospho-Substraten untersucht. Dabei zeigte sich eine ausgeprägte Selektivität für pLys, eine hohe Sequenzabhängigkeit der LHPP-Aktivität und ein klares Bindungsmotiv. Darüber hinaus wurden proteomische Methoden hinsichtlich ihrer Eignung für pLys-Peptide evaluiert. Im Laufe dieser Untersuchung wurden mehrere pLys-Immunogene für die Generierung von monoklonalen anti-pLys-Antikörpern und ein Workflow für die Histontrennung und -analyse entwickelt. Des Weiteren wurde die chelationsverstärkte Fluoreszenz von markierten Phospho-Peptiden als Werkzeug zur Bestimmung des Phosphorylierungsgrades in Enzymaktivitäts- oder Stabilitätsassays untersucht. / Reversible phosphorylation is the most prominent post-translational modification (PTM) and the O-phosphomonoesters of serine, threonine and tyrosine have been considered as the only notable forms for long time. Recent developments have paved the way to insights into the biological relevance of labile phosphorylations, e.g. phosphorylation of histidine, arginine and cysteine as well as pyrophosphorylation of serine and threonine. Also, the elucidation of phospho-lysine (pLys) was tackled with the establishment of a chemoselective synthesis to obtain site-selectively phosphorylated lysine peptides and the development of mass spectrometric protocols to unambiguously identify modification sites. Nonetheless, no endogenous pLys site has been described or in-depth investigations of interacting enzymes have been conducted. In this thesis, several approaches to enhance the knowledge about pLys are introduced. These include the design of an alternative synthesis route to pLys peptides and the development as well as evaluation of two stable analogues as building blocks for peptide synthesis. Furthermore, the protonation of the phosphoramidate-nitrogen was investigated. In systematic phosphoramidate hydrolase and phosphatase activity assays, the interactions between phospholysine phosphohistidine inorganic pyrophosphate phosphatase (LHPP) and various phospho-substrates were examined. Thereby, distinct selectivity for pLys, high sequence dependence of LHPP activity and a distinct binding motif were revealed. In addition to that, proteomic methods were evaluated regarding their suitability for pLys peptides. Over the course of this investigation, several pLys immunogens for the generation of monoclonal anti-pLys antibodies and a workflow for histone separation and analysis were developed. Furthermore, chelation-enhanced fluorescence of labeled phospho-peptides was studied as a tool for determining the degree of phosphorylation in enzyme activity or stability assays.

Das Proteasomensystem der Zelle ist für die Degradation von Proteinen verantwortlich und spielt eine zentrale Rolle bei der Generierung von Epitopen, die auf MHC-Klasse-I Molekülen den cytotoxischen T-Lymphozyten (CTLs) präsentiert werden. Die Stimulation von Zellen mit Interferon-gamma (IFNgamma) führt zu der Bildung von Immunoproteasomen, die im Vergleich zu den konstitutiven Proteasomen eine verbesserte Generierung vieler MHC-Klasse-I Epitope aufweisen. In gesunden Mäusen werden Immunoproteasomen vorwiegend in den lymphatischen Geweben exprimiert, wohingegen nicht-lymphatische Gewebe hauptsächlich konstitutive Proteasomen enthalten. In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss der Listeria monocytogenes Infektion auf die aus der Leber, der Milz, dem Dünndarm und dem Colon stammenden murinen 20S Proteasomen untersucht. Die Struktur der isolierten 20S Proteasomen wurde mittels zweidimensionaler Gelelektrophorese und Westernblot ermittelt, während die Funktion durch in vitro Prozessierung von drei oligomeren Peptidsubstraten analysiert wurde. Die Prozessierungsprodukte wurden mittels HPLC-ESI-Ionenfalle massenspektrometrisch identifiziert sowie quantifiziert. Die vorliegende Arbeit zeigt zum ersten Mal, dass nach einer Infektion die aus den nicht-lymphatischen Organen und Zellen isolierten 20S Proteasomen eine strukturelle und funktionelle Plastizität aufweisen: Nach der Infektion wurde die Bildung von Immunoproteasomen induziert, was mit der gesteigerten Generierung der immunrelevanten Fragmente korreliert werden konnte. Dies verlief unabhängig von der direkten Präsenz von Listeria monocytogenes in den Organen und wurde ausschließlich durch das Cytokin IFNgamma reguliert. Es konnte außerdem eine Zunahme der posttranslationalen Modifikation von Leberproteasomen mit dem Monosaccharid N-Acetylglucosamin nach der Infektion nachgewiesen werden. Des Weiteren wurde eine detaillierte Analyse der massenspektrometrischen Daten hinsichtlich des Schnittverhaltens der konstitutiven und Immunoproteasomen etabliert. Die Auswertung ergab, dass die Immunoproteasomen nach der Infektion durch schnellere und veränderte Nutzung bestehender Spaltstellen an der verbesserten Epitoppräsentation beteiligt sind. / The proteasome system of the cell is responsible for the degradation of proteins and plays a central role in the generation of epitopes which are presented to cytotoxic T-lymphocytes (CTLs) on MHC-class-I molecules. The stimulation of cells by interferon-gamma (IFNgamma) leads to the formation of immunoproteasomes that show an improved generation of many MHC-class-I epitopes compared to constitutive proteasomes. In healthy mice, immunoproteasomes are mainly expressed in the lymphatic tissues, whereas the non-lymphatic organs predominantly contain constitutive proteasomes. In this project the effect of Listeria monocytogenes infection on murine 20S proteasomes derived from the liver, spleen, small intestine and colon were investigated. The structure of the isolated proteasomes was analyzed by two-dimensional gel electrophoresis and western blots while the function was studied by in vitro processing of three oligomeric peptide substrates. Identification and quantification of the processing products was performed by HPLC-ESI-ion trap mass spectrometry. The project showed for the first time, that after infection 20S proteasomes isolated from non-lymphatic organs as well as from non-lymphatic cells displayed structural and functional plasticity: immunoproteasomes were induced post infection which could be correlated with the enhanced generation of immuno-relevant fragments. This was independent of the direct presence of Listeria monocytogenes in the organs and solely controlled by the cytokine IFNgamma. In addition, an increased posttranslational modification with the monosaccharide N-acetylglucosamine could be detected in liver-derived proteasomes after infection. Furthermore, a detailed analysis of the mass spectrometry data was established according to the cleavage site usage of constitutive and immunoproteasomes. The result was that immunoproteasomes are involved in improved generation of the immuno-relevant fragments by the faster cleavage and the changed usage of existing cleavage sites after infection.