Das duktale Adenokarzinom des Pankreas (PDAC) hat aufgrund seines aggressiven Wachstums, seiner frühen Metastasierung und seiner fehlenden Frühsymptome eine sehr schlechte Prognose und ist daher die vierthäufigste Krebstodesursache bei Männern und Frauen in Deutschland. Ein weiteres Charakteristikum von PDAC ist die starke desmoplas-tische Reaktion. Eine Funktion für stromale pankreatische Sternzellen (PSCs) bei der Förderung des Wachstums, der Proliferation und der Metastasierung des Tumors konnte bereits nachgewiesen werden. Für die Beantwortung der Frage, welche molekularen Ursachen einen funktionellen Zusammenhang zwischen Tumoraggressivität und Stroma-zellen herstellen könnten, wurden bereits im Vorfeld dieser Arbeit differentielle Genex-pressionsanalysen durchgeführt. Dabei fiel u.a. auf, dass das sezernierte Glykoprotein secreted Frizzled-related protein 1 (SFRP1), im Vergleich zum entsprechenden nicht-tumorigenen Pankreasgewebe, im Stroma von PDAC-Patienten transkriptionell herunterreguliert war. SFRP1 ist bereits bekannt als Tumorsuppressorgen. In den meisten Fällen wird seine Wirkung auf die Hemmung des β-Catenin-abhängigen (kanonischen) Wnt-Signalweges zurückgeführt. Es wurde bereits sehr häufig beobachtet, dass SFRP1 durch eine Hypermethylierung seiner Promotorregion in einer Vielzahl von humanen Tumoren, darunter auch PDAC sowie PDAC-Vorstufen, herunterreguliert ist. Mit dem Abschalten der SFRP1-Expression wurden erhöhte Proliferation sowie verringerte Apoptose bei den betroffenen Zellen, Merkmale des aktivierten kanonischen Wnt-Signalweges, festgestellt. SFRP1 ist jedoch auch in der Lage nichtkanonische Wnt-Signalwege zu modulieren. Das Ziel dieser von der Deutschen Gesellschaft für Forschung geförderten Arbeit war es, die stromale SFRP1-Expression auf Proteinebene in Proben von PDAC-Patienten mit der von Patienten mit chronischer Pankreatitis zu vergleichen bzw. mit deren Überleben zu korrelieren. Ein möglicher Unterschied sollte mithilfe eines Zellkultur-modells auf einen funktionellen Effekt hin untersucht werden. Dafür sollten stabil und regulierbar SFRP1-überexprimierende Zelllinien aus PDAC- bzw. PSC-Zellen für die Einbindung in Migrationsassays etabliert werden. Für die Ergründung der Mechanismen, die zur Herunterregulierung der stromalen SFRP1-Expression führen könnten, sollte der Methylierungstatus der SFRP1-Promotorregion in PSC- sowie vergleichsweise in PDAC-Zellen mittels methylierungsspezifischer PCR und Bisulfitsequenzierung analysiert werden. Desweiteren sollten diese Zellen mit Hilfe eines Reportergenassays auf eine Mikro-RNA-bedingte Modulation der SFRP1-Expression hin untersucht werden. Die immunhistochemische SFRP1-Färbung von PDAC-Patientenproben auf Tissue-Microarrays (TMAs) ergab eine signifikante Reduktion der stromalen SFRP1-Färbung im Vergleich zur entsprechenden Expression im Stroma von Patienten mit chronischer Pankreatitis (CP). Die Ergebnisse der differentiellen Genexpressionsanalyse konnten also auf Proteinexpressionsebene bestätigt werden. Bei der Korrelation der stromalen SFRP1-Färbung mit dem Überleben der entsprechenden Patienten mit R1-Resektionsstatus zeigte sich ein leichter Überlebensvorteil für die Patienten mit positiver SFRP1-Färbung. Bei der Analyse der SFRP1-Expression auf RNA- und Proteinebene in Zellkulturmodellen von PDAC zeigte sich, dass zwei von vier PDAC-Zelllinien sowie die PSCs und normale Pankreasgangzellen SFRP1-RNA exprimierten. Auch bei anderen untersuchten Tumor- oder murinen PDAC-Zelllinien war das Verhältnis zwischen Linien mit SFRP1-RNA und Linien ohne SFRP1-RNA eher gemischt. Keine dieser Zelllinien jedoch exprimierte SFRP1-Protein bis auf eine murine Fibroblastenzelllinie (3T3). Um zu ergründen, wodurch die Diskrepanz zwischen SFRP1-RNA- und fehlender -Proteinexpression zustande kam, wurden Methylierungsanalysen durchgeführt. Dabei ergaben sich individuelle Methylierungsmuster für die verschiedenen DNAs, die eine fehlende Proteinexpression bei nur einem Teil der Zelllinien erklären würden. Daher wurde eine weitere Möglichkeit der Genexpressionsregulation in eukaryontischen Zellen als Ursache in Betracht gezogen, die Hemmung der Translation von SFRP1-mRNA in Protein durch miRNAs. Hierbei konnte mittels Reportergenassays nachgewiesen werden, dass miRNAs in PSCs und PDAC-Zellen eine kleine Stelle in der 3’-untranslatierten Region sowie Stellen in der kodierenden Sequenz von SFRP1 erkennen, daran binden und translational herunterregulieren konnten. Da keine endogene Proteinexpression festgestellt werden konnte, wurden drei PDAC-Zelllinien (PANC-1, AsPC1 und MIA PaCa-2) sowie eine PSC-Zelllinie (Klon2.2) für die stabile Transfektion mit humanem SFRP1 auf einem regulierbaren Vektor ausgewählt. Mithilfe der Lipofektion gelang es jedoch nur bei MIA PaCa-2 und Klon2.2-Zellen, stabile Einzelzellklone anzuziehen, jedoch mit relativ variablen SFRP1-Expressionen und -Regulierbarkeiten. Um noch mehr PDAC-Zelllinien in funktionellen Tests untersuchen zu können, wurden alle vier Zelllinien noch einmal mit einer weiteren Gentransfermethode, der retroviralen Transduktion, in stabil SFRP1-exprimierende Zelllinien umgewandelt. Um zu untersuchen, inwiefern das in den Patienten verlorengegangene SFRP1 das migratorische Verhalten von PDAC- und PSC-Zellen beeinflussen könnte, wurden Scratch- und Invasions- (Migrations) -Assays mit diesen Zellen durchgeführt und mit den Ergebnissen der entsprechenden Leerkontrollen verglichen. Dabei ergab sich für MIA PaCa-2 sowohl mit den durch Lipofektion als auch mit den durch retrovirale Transduktion generierten Klonen/Zelllinien ein signifikant hemmender Einfluss der SFRP1-Überexpression auf das Migrationsverhalten im Scratch-Assay. PANC-1-Zellen schienen mit Lipofektions-SFRP1-Überständen signifikant schlechter durch Membranen zu migrieren und zeigten ebenfalls eine signifikante Migrationshemmung als retroviral transduzierte Zelllinie in Scatch- und Invasionsassay mit endogener SFRP1-Expression. Für PSCs zeigte sich eine SFRP1-abhängige Migrationshemmung im Scratch-Assay und in den Invasionsassays (mit endogener SFRP1-Überexpression und mit SFRP1-Anwesenheit im Überstand), allerdings nur mit Lipofektionsklonen. Es konnte also ein hemmender Einfluss von SFRP1 auf die Migration von PDAC- und PSC-Zellen nachgewiesen werden. Dieser würde theoretisch wegfallen, wenn SFRP1, wie im Tumorstroma von PDAC-Patienten nachgewiesen, herunterreguliert werden würde. Bei der Untersuchung eines Einflusses von SFRP1 auf die Expression weiterer Gene ergab sich, dass SFRP1 bei PDAC-Zellen keine Hemmung des kanonischen Wnt-Signalweges verursacht. Vielmehr scheint seine Überexpression einen positiven Effekt auf die Expression von Mitgliedern des nichtkanonischen planaren Zellpolaritätssignalweges (PCP) zu haben. Die Schlussfolgerung aus diesen Ergebnissen ist, dass ein Wegfall von SFRP1 im Stroma von PDAC in sehr frühen Phasen (und auch in den Tumorzellen selbst) durch miRNAs oder, im Falle der Tumorzellen, durch Hypermethylierung ausgelöst werden könnte. Sezernierte, tumorsupprimierende, parakrine Signale aus dem Stroma und autokrine Signale von den Tumorzellen selbst würden damit wegfallen und die planare Zellpolarität wäre nicht mehr aufrechterhaltbar. Damit würden sich die Polarität und die Migrationsbereitschaft der Tumorzellen so verändern, dass sie ungerichtet wandern könnten, wodurch das Risiko zur Metastasierung zunehmen könnte. Auf diese Weise könnte die stromale Herunterregulierung von SFRP1 bei der Aufrechterhaltung und Progression des PDAC eine Rolle spielen.

Metal nanoparticles have recently gained popularity in many research areas due to their nanosize-related properties. Depending on the size of the metal nanoparticle, their mode of interaction with electromagnetic radiation and the outcome of this interaction vary; in turn the effect exerted on a protein which is conjugated to a nanoparticle varies, because different sized nanoparticles demonstrate different modes of energy transfer with electromagnetic radiation and molecules conjugated to them. Very small cluster with sizes around 1 – 1.2 nm tend to get excited by incident light and emit fluorescence, whereas larger nanoparticles absorb the incoming light very strongly due to their LSPR. In this study we observed the outcomes of the interaction between two types of nanoparticles, namely gold and gold/silver alloyed nanoparticles with the fluorescence emission of two fluorophores, namely eGFP and rPhiYFP; and demonstrated a bioassay where the fluorescence modulation by gold nanoparticles can be used as the sensing strategy. Lastly, we demonstrated the potential of autofluorescent gold nanoparticles as intracellular reporters.

Single-molecule force spectroscopy (SMFS) with atomic force microscope (AFM) has advanced our knowledge of the mechanical aspects of biological processes, and helped us take big strides in the hitherto unexplored areas of protein (un)folding. One such virgin land is that of membrane proteins, where the advent of AFM has not only helped to visualize the difficult to crystallize membrane proteins at the single-molecule level, but also given a new perspective in the understanding of the interplay of molecular interactions involved in the construction of these molecules. My PhD work was tightly focused on exploiting this sensitive technique to decipher the intra- and intermolecular interactions in membrane proteins, using bacteriorhodopsin and bovine rhodopsin as model systems. Using single-molecule unfolding measurements on different bacteriorhodopsin oligomeric assemblies - trimeric, dimeric and monomeric - it was possible to elucidate the contribution of intra- and interhelical interactions in single bacteriorhodopsin molecules. Besides, intriguing insights were obtained into the organization of bacteriorhodopsin as trimers, as deduced from the unfolding pathways of the proteins from different assemblies. Though the unfolding pathways of bacteriorhodopsin from all the assemblies remained the same, the different occurrence probability of these pathways suggested a kinetic stabilization of bacteriorhodopsin from a trimer compared to that existing as a monomer. Unraveling the knot of a complex G-protein coupled receptor, rhodopsin, showed the existence of two structural states, a native, functional state, and a non-native, non-functional state, corresponding to the presence or absence of a highly conserved disulfide bridge, respectively. The molecular interactions in absence of the native disulfide bridge mapped onto the three-dimensional structure of native rhodopsin gave insights into the molecular origin of the neurodegenerative disease retinitis pigmentosa. This presents a novel technique to decipher molecular interactions of a different conformational state of the same molecule in the absence of a high-resolution X-ray crystal structure. Interestingly, the presence of ZnCl2 maintained the integrity of the disulfide bridge and the nature of unfolding intermediates. Moreover, the increased mechanical and thermodynamic stability of rhodopsin with bound zinc ions suggested a plausible role for the bivalent ion in rhodopsin dimerization and consequently signal transduction. Last but not the least, I decided to dig into the mysteries of the real mechanisms of mechanical unfolding with the help of well-chosen single point mutations in bacteriorhodopsin. The monumental work has helped me to solve some key questions regarding the nature of mechanical barriers that constitute the intermediates in the unfolding process. Of particular interest is the determination of altered occurrence probabilities of unfolding pathways in an energy landscape and their correlation to the intramolecular interactions with the help of bioinformatics tools. The kind of work presented here, in my opinion, will not only help us to understand the basic principles of membrane protein (un)folding, but also to manipulate and tune energy landscapes with the help of small molecules, proteins, or mutations, thus opening up new vistas in medicine and pharmacology. It is just a matter of a lot of hard work, some time, and a little bit of luck till we understand the key elements of membrane protein (un)folding and use it to our advantage.

The vast and growing volume of 3D protein structural data stored in the PDB contains abundant information about macromolecular complexes, and hence, data about protein interfaces. Non-covalent contacts between amino acids are the basis of protein interactions, and they are responsible for binding afinity and specificity in biological processes. In addition, water networks in protein interfaces can also complement direct interactions contributing significantly to molecular recognition, although their exact role is still not well understood. It is estimated that protein complexes in the PDB are substantially underrepresented due to their crystallization dificulties. Methods for automatic classifification and description of the protein complexes are essential to study protein interfaces, and to propose putative binding regions. Due to this strong need, several protein-protein interaction databases have been developed. However, most of them do not take into account either protein-peptide complexes, solvent information or a proper classification of the binding regions, which are fundamental components to provide an accurate description of protein interfaces. In the firest stage of my thesis, I developed the SCOWLP platform, a database and web application that structurally classifies protein binding regions at family level and defines accurately protein interfaces at atomic detail. The analysis of the results showed that protein-peptide complexes are substantially represented in the PDB, and are the only source of interacting information for several families. By clustering the family binding regions, I could identify 9,334 binding regions and 79,803 protein interfaces in the PDB. Interestingly, I observed that 65% of protein families interact to other molecules through more than one region and in 22% of the cases the same region recognizes different protein families. The database and web application are open to the research community (www.scowlp.org) and can tremendously facilitate high-throughput comparative analysis of protein binding regions, as well as, individual analysis of protein interfaces. SCOWLP and the other databases collect and classify the protein binding regions at family level, where sequence and structure homology exist. Interestingly, it has been observed that many protein families also present structural resemblances within each other, mostly across folds. Likewise, structurally similar interacting motifs (binding regions) have been identified among proteins with different folds and functions. For these reasons, I decided to explore the possibility to infer protein binding regions independently of their fold classification. Thus, I performed the firest systematic analysis of binding region conservation within all protein families that are structurally similar, calculated using non-sequential structural alignment methods. My results indicate there is a substantial molecular recognition information that could be potentially inferred among proteins beyond family level. I obtained a 6 to 8 fold enrichment of binding regions, and identified putative binding regions for 728 protein families that lack binding information. Within the results, I found out protein complexes from different folds that present similar interfaces, confirming the predictive usage of the methodology. The data obtained with my approach may complement the SCOWLP family binding regions suggesting alternative binding regions, and can be used to assist protein-protein docking experiments and facilitate rational ligand design. In the last part of my thesis, I used the interacting information contained in the SCOWLP database to help understand the role that water plays in protein interactions in terms of affinity and specificity. I carried out one of the firest high-throughput analysis of solvent in protein interfaces for a curated dataset of transient and obligate protein complexes. Surprisingly, the results highlight the abundance of water-bridged residues in protein interfaces (40.1% of the interfacial residues) that reinforces the importance of including solvent in protein interaction studies (14.5% extra residues interacting only water- mediated). Interestingly, I also observed that obligate and transient interfaces present a comparable amount of solvent, which contrasts the old thoughts saying that obligate protein complexes are expected to exhibit similarities to protein cores having a dry and hydrophobic interfaces. I characterized novel features of water-bridged residues in terms of secondary structure, temperature factors, residue composition, and pairing preferences that differed from direct residue-residue interactions. The results also showed relevant aspects in the mobility and energetics of water-bridged interfacial residues. Collectively, my doctoral thesis work can be summarized in the following points: 1. I developed SCOWLP, an improved framework that identiffies protein interfaces and classifies protein binding regions at family level. 2. I developed a novel methodology to predict alternative binding regions among structurally similar protein families independently of the fold they belong to. 3. I performed a high-throughput analysis of water-bridged interactions contained in SCOWLP to study the role of solvent in protein interfaces. These three components of my thesis represent novel methods for exploiting existing structural information to gain insights into protein- protein interactions, key mechanisms to understand biological processes.

Die Cyclin-abhängigen Kinasen 4 und 6 (Cdk4/6) wurden als essentielle Enzyme für die Regulation des Zellzyklus mit kritischem Beitrag zur gestörten Zellproliferation während der Kanzerogenese identifiziert. Als Konsequenz davon erwiesen sich die Cdk4/6 als attraktive Zielproteine für die Entwicklung neuer therapeutischer Konzepte zur pharmakologischen Tumorbehandlung. Verbindungen aus der Substanzklasse der Pyrido[2,3-d]pyrimidine zeigten vielversprechende inhibitorische Wirkungen auf die Aktivität der Cdk4/6 bei gleichzeitiger herausragender Selektivität gegenüber anderen Cdk. Anschließende Untersuchungen in vitro und in vivo verdeutlichten das Potential einiger Pyrido[2,3 d]pyrimidine zur Inhibierung des Tumorzellwachstums. Die Weiterentwicklung und Nutzung selektiver Cdk4/6-Inhibitoren zur funktionellen Charakterisierung der Cdk4/6 in Tumoren in vivo mit Hilfe der nicht-invasiven Bildgebungstechnik Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ist ein neuer vielversprechender Forschungsansatz und von großem Interesse für die Evaluierung neuer Strategien zur Diagnose und Therapie maligner Erkrankungen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die biochemische und radiopharmakologische Charakterisierung neuer potentieller Cdk4/6-Inhibitoren aus der Verbindungsklasse der Pyrido[2,3-d]pyrimidine und deren Bewertung hinsichtlich ihrer therapeutischen Wirksamkeit zur gezielten Cdk4/6-Inhibierung in ausgewählten Tumorzelllinien sowie ihres Potentials zur funktionellen Bildgebung der Cdk4/6 in Tumoren mittels PET am Tiermodell. Die biochemische Charakterisierung der Pyrido[2,3 d]pyrimidine CKIA, CKIB, CKIC, CKID und CKIE hinsichtlich ihrer zellulären und molekularen Wirkung erfolgte in den kontinuierlich proliferierenden humanen Tumorzelllinien HT-29, FaDu und THP 1 und in differenzierten THP-1-Makrophagen. Die Zweckmäßigkeit der untersuchten Zelllinien zur Charakterisierung potentieller Cdk4/6-Inhibitoren wurde anhand von Studien zur mRNA-Expression und Proteinbiosynthese der Kinasen Cdk4/6 nachgewiesen. Des Weiteren wurde das Vorkommen der Cdk4/6 in den humanen Xenograft-Tumoren HT-29 und FaDu, sowie in ausgewählten Organen und Geweben von nu/nu-NMRI-Mäusen charakterisiert. In vitro wurden für alle untersuchten Pyrido[2,3-d]pyrimidine signifikante, konzentrations- und zeitabhängige inhibitorische Effekte auf die Tumorzellproliferation beobachtet. Durchflusszytometrische Zellzyklusanalysen 24 Stunden nach Inkubation mit den Pyrido[2,3 d]pyrimidinen zeigten eine konzentrationsabhängige Zunahme des Anteils der HT-29-, FaDu- und THP-1-Zellen in der G1-Phase bis auf 90%. Für die nicht-proliferierenden THP 1-Makrophagen wurden bei Inkubation mit den Pyrido[2,3 d]pyrimidinen geringe Veränderungen ihrer Zellzahl und Zellzyklusphasen-verteilung detektiert. Die zellulären Studien identifizierten deutliche qualitative und quantitative Unterschiede der untersuchten Pyrido[2,3 d]pyrimidin-Derivate. Nanomolare Konzentrationen von CKIA, CKIB bzw. CKIE erzielten bereits 24 Stunden nach Inkubation deutliche Effekte, während für CKIC und CKID die 10- bis 100-fache Konzentration eingesetzt werden musste, um eine ähnliche Wirkung zu erhalten. Die molekularen Ursachen der Wachstumshemmung und des Zellzyklusarrests wurden durch Untersuchungen zur Pyrido[2,3 d]pyrimidin-abhängigen Beeinflussung des Cdk4/6-Cyclin D-Retinoblastom-E2F-Signalwegs geklärt. In allen Zelllinien wurde eine deutliche Inhibierung der Cdk4/6-spezifischen Phosphorylierung der Aminosäure Serin-780 des Retinoblastom-Proteins (pRb) beobachtet. Als Konsequenz dieser Inhibierung wurde für CKIA, CKIB und CKIE die signifikante konzentrationsabhängige Unterbrechung der Genexpression von E2F-1 und PCNA nachgewiesen. Die Radiomarkierung der Cdk4/6-Inhibitoren CKIA und CKIB mit 124I bzw. von CKIE mit 18F ermöglichte erstmals die Charakterisierung von in vivo-Interaktionen und des Metabolismus im Blut zirkulierender Pyrido[2,3 d]pyrimidin-Derivate. Die radiopharmako-logischen Eigenschaften von [124I]CKIA, [124I]CKIB und [18F]CKIE wurden in Untersuchungen zur zellulären Radiotracer-Aufnahme, der metabolischen Stabilität und der Bioverteilung bei Ratten sowie abschließend in Kleintier-PET-Untersuchungen bei FaDu-Tumor-tragenden nu/nu-NMRI-Mäusen analysiert. In vitro-Experimente mit [124I]CKIA, [124I]CKIB und [18F]CKIE verdeutlichten eine hohe Stabilität und schnelle Aufnahme der Radiotracer in humane Tumorzellen bei 37°C. Allerdings deutet die Zelltyp-unabhängige Anreicherung auf eine geringe Abhängigkeit der Pyrido[2,3 d]pyrimidin-Akkumulation vom Cdk4/6-Status der Zellen hin. Die signifikant geringeren Aufnahmewerte aller untersuchten Pyrido[2,3-d]pyrimidine bei 4°C und die Blockierung der Aufnahme von [18F]CKIE mit nichtradioaktivem CKIE unterstützen die Vermutung spezifischer Transportmechanismen für die Aufnahme der Pyrido[2,3 d]pyrimidine. Untersuchungen von [124I]CKIA, [124I]CKIB und [18F]CKIE in vivo identifizierten eine schnelle, innerhalb weniger Minuten stattfindende Eliminierung aus dem Blut und die primäre Aufnahme in die Leber als grundlegende Stoffwechseleigenschaft aller drei Radiotracer. Aus den PET-Untersuchungen mit [124I]CKIA und [124I]CKIB bei FaDu-Tumor-tragenden Mäusen wurden nur marginale Anreicherungen der radioaktiven Substanzen im Bereich des Tumors festgestellt. Für [18F]CKIE wurde eine Akkumulation im proliferierenden Randbereich des Tumors beobachtet. Die schnelle Metabolisierung von [18F]CKIE im Blut sowie das konstante, geringe Verhältnis der Aktivität im Tumor zur Aktivität im Skelettmuskel wiesen allerdings auf eine unspezifische Anreicherung hin. Schlussfolgernd aus den Ergebnissen der vorliegenden Arbeit wurde die Effektivität der Pyrido[2,3 d]pyrimidine CKIA, CKIB und CKIE hinsichtlich der Inhibierung der Cdk4/6-vermittelten Zellzyklusprogression gezeigt. Die antiproliferative Aktivität der Substanzen unterstützt eine weiterführende Evaluierung dieser Cdk4/6-Inhibitoren zur pharmakologischen Tumortherapie. Auf der Basis der erhaltenen radiopharmakologischen Ergebnisse werden die kurze biologische Halbwertszeit und unspezifische Tumoranreicherung von [124I]CKIA, [124I]CKIB und [18F]CKIE als limitierende Faktoren für die Eignung dieser Verbindungen als Radiotracer zur nicht-invasiven Bildgebung der Cdk4/6 im Zielgewebe mittels PET angesehen. Es bleibt zu klären, ob eine längere Verweildauer und höhere Stabilität radiomarkierter Pyrido[2,3-d]pyrimidine im Blut die Chance der Cdk4/6-spezifischen Gewebeanreicherung erhöhen oder Transport-mechanistische Effekte allein ausschlaggebend für die Anreicherung in Zellen und Geweben sind. Die Untersuchung optimierter Cdk4/6-selektiver Inhibitoren für die Charakterisierung und Therapie von Tumoren bleibt weiterhin ein interessanter Aspekt in der Tumorforschung.

Die Proteinfaltung ist ein Prozess der molekularen Selbstorganisation, bei dem sich eine lineare Kette von Aminosäuren zu einer definierten, funktionellen dreidimensionalen Struktur zusammensetzt. Der Prozess der Faltung ist ein thermisch getriebener diffusiver Prozess durch eine Gibbs-Energie-Landschaft im Konformationsraum für die Struktur der minimalen Energie. Während dieses Prozesses zeigt die freie Enthalpie des Systems nicht immer eine monotone Abnahme; stattdessen führt eine suboptimale Kompensation der Enthalpie- und der Entropieänderung während jedes Faltungsschrittes zur Bildung von Freien-Enthalpie-Faltungsbarrieren. Diese Barrieren und damit verbundenen hochenergetischen Übergangszustände, die wichtige Informationen über Mechanismen der Proteinfaltung enthalten, sind jedoch kinetisch unzugänglich. Um den Prozess der Barrierebildung und die strukturellen Merkmale von Übergangszuständen aufzudecken, werden Proteine genutzt, die über barrierefreie Pfade falten – so genannte “downhill folder“. Aufgrund der geringen Faltungsbarrieren werden wichtige Interaktionen der Faltung zugänglich und erlauben Einblicke in die ratenbegrenzenden Faltungsvorgänge. In dieser Arbeit vergleichen wir die Faltungsdynamiken von drei verschiedenen Varianten eines Lambda-Repressor-Fragments, bestehend aus den Aminosäuren 6 bis 85: ein Zwei-Zustands-Falter λWT (Y22W) und zwei downhill-folder-artige Varianten, λYA (Y22W/Q33Y/ G46,48A) und λHA (Y22W/Q33H/G46,48A). Um auf die Kinetik und die strukturelle Dynamik zu greifen zu können, werden Einzelmolekülkraftspektroskopische Experimente mit optische Pinzetten mit Submillisekunden- und Nanometer-Auflösung verwendet. Ich fand, dass die niedrige denaturierende Kraft die Mikrosekunden Faltungskinetik von downhill foldern auf eine Millisekunden-Zeitskala verlangsamt, sodass das System für Einzelmolekülstudien gut zugänglich ist. Interessanterweise zeigten sich unter Krafteinwirkung die downhill-folder-artigen Varianten des Lambda-Repressors als kooperative Zwei-Zustands-Falter mit deutlich unterschiedlicher Faltungskinetik und Kraftabhängigkeit. Drei Varianten des Proteins zeigten ein hoch konformes Verhalten unter Last. Die modellfreie Rekonstruktion von Freien-Enthalpie-Landschaften ermöglichte es uns, die feinen Details der Transformation des Zwei-Zustands-Faltungspfad direkt in einen downhill-artigen Pfad aufzulösen. Die Auswirkungen von einzelnen Mutationen auf die Proteinstabilität, Bildung der Übergangszustände und die konformationelle Heterogenität der Faltungs- und Entfaltungszustände konnten beobachtet werden. Interessanterweise zeigen unsere Ergebnisse, dass sich die untersuchten Varianten trotz der ultraschnellen Faltungszeit im Bereich von 2 μs in einem kooperativen Prozess über verbleibende Energiebarrieren falten und entfalten, was darauf hindeutet, dass wesentlich schnellere Faltungsraten notwendig sind um ein downhill Limit vollständig zu erreichen. / Protein folding is a process of molecular self-assembly in which a linear chain of amino acids assembles into a defined, functional three-dimensional structure. The process of folding is a thermally driven diffusive search on a free-energy landscape in the conformational space for the minimal-energy structure. During that process, the free energy of the system does not always show a monotonic decrease; instead, sub-optimal compensation of enthalpy and entropy change during each folding step leads to formation of folding free-energy barriers. However, these barriers, and associated high-energy transition states, that contain key information about mechanisms of protein folding, are kinetically inaccessible. To reveal the barrier-formation process and structural characteristics of transition states, proteins are employed that fold via barrierless paths – so-called downhill folders. Due to the low folding barriers, the key folding interactions become accessible, yielding insights about the rate-limiting folding events. Here, I compared the folding dynamics of three different variants of a lambda repressor fragment, containing amino acids 6 to 85: a two-state folder λWT (Y22W) and two downhill-like folding variants, λYA (Y22W/Q33Y/G46,48A) and λHA (Y22W/Q33H/G46,48A). To access the kinetics and structural dynamics, single-molecule optical tweezers with submillisecond and nanometer resolution are used. I found that force perturbation slowed down the microsecond kinetics of downhill folders to a millisecond time-scale, making it accessible to single-molecule studies. Interestingly, under load, the downhill-like variants of lambda repressor appeared as cooperative two-state folders with significantly different folding kinetics and force dependence. The three protein variants displayed a highly compliant behaviour under load. Model-free reconstruction of free-energy landscapes allowed us to directly resolve the fine details of the transformation of the two-state folding path into a downhill-like path. The effect of single mutations on protein stability, transition state formation and conformational heterogeneity of folding and unfolding states was observed. Noteworthy, our results demonstrate, that despite the ultrafast folding time in a range of 2 µs, the studied variants fold and unfold in a cooperative process via residual barriers, suggesting that much faster folding rate constants are required to reach the full-downhill limit.

Tissue elongation is an important requirement for proper tissue morphogenesis during animal development. The Drosophila egg chamber is an excellent model to study the molecular processes underlying tissue elongation. An egg chamber is composed of germline cells that are enveloped by a somatic follicle epithelium. While the egg chamber matures, the drastic increase of the egg chamber’s volume is accompanied by a shape change from round to oval. Egg chamber elongation coincides with a circumferential alignment of F-actin filaments, microtubules, and fibrils of the extracellular matrix (ECM). Additionally, egg chambers rotate around their future long axis. It has been proposed that this rotation aligns F-actin filaments and ECM fibrils. The circumferentially aligned F-actin and ECM fibrils form a molecular corset that promotes egg chamber elongation. The atypical cadherin Fat2 is required for egg chamber rotation, the circumferential alignment of F-actin, microtubules, and ECM fibrils and for egg chamber elongation. However, the molecular mechanisms by which Fat2 influences egg chamber elongation remain unknown. In my thesis I performed a structure-function analysis of Fat2. I generated a Fat2 version that lacks the intracellular region and a second version, which lacks both intracellular region and the transmembrane domain and tested their ability to compensate for Fat2 functions in fat2-/- mutant egg chambers. My results reveal that the intracellular region is required for the microtubule alignment, and for egg chamber rotation. In contrast, the intracellular region is not required for F-actin and ECM alignment, and for egg chamber elongation. Hence, my findings for the first time demonstrate that egg chamber rotation is not required for F-actin and ECM fibril alignment and that egg chamber elongation can occur independently from egg chamber rotation. My work uncouples some of the parallel processes that take place during oogenesis and changes the view on the mechanisms that drive tissue elongation in this important model system. / Das Strecken von Geweben ist ein wichtiger Prozess bei der Gestaltbildung während der Entwicklung von Organismen. Die Eikammer von Drosophila ist ein hervorragendes Modellsystem, um die Gewebestreckung zu untersuchen. Eine Eikammer besteht aus Keimbahnzellen und einem einschichtigen Follikelepithel, das die Keimbahn umschließt. Während die Eikammer heranwächst durchläuft sie eine drastische Gestaltveränderung von rund nach oval. Zeitgleich zur Streckung der Eikammer weist das Follikelepithel parallel angeordnete F-actin−Filamente, Mikrotubuli und Fasern der extrazellulären Matrix (ECM) auf, welche die Eikammer ringsum umlaufen. Zudem rotieren die Eikammern um ihre zukünftige Längsachse. Bisher nahm man an, die Rotation würde für die Ausrichtung der F-actin−Filamente, Microtubuli und ECM-Fasern gebraucht werden. Die Anordnung der F-actin−Filamente und ECM-Fasern bilden dann ein molekulares Korsett, das die Gewebestreckung fördert. Das atypische Cadherin Fat2 wird für die Rotation der Eikammern, die umlaufende Anordnung der F-actin–Filamente, Microtubuli und ECM-Fasern sowie für die Streckung der Eikammern benötigt. Die Mechanismen, mit denen Fat2 die Gewebestreckung beeinflusst, sind allerdings unbekannt. In meinem Projekt führte ich eine Struktur-Funktions-Analyse von Fat2 durch. Ich generierte eine Version von Fat2 mit einer Deletion der kompletten intrazellulären Region und eine zweite, die weder die intrazelluläre Region noch die Transmembran-Domäne besitzt und testete, ob diese Versionen die Funktionen von Fat2 in fat2-/- mutanten Eikammern kompensieren können. Meine Ergebnisse zeigen, dass die intrazelluläre Region für die Anordnung der Mikrotubuli und für die Rotation der Eikammern gebraucht wird. Die intrazelluläre Region wird jedoch weder für die Anordnung von F-actin–Filamenten und den ECM-Fasern noch für die Streckung der Eikammer benötigt. Meine Erkenntnisse zeigen erstmalig, dass die Streckung der Eikammern ohne Rotation stattfinden kann. Meine Arbeit entkoppelt damit mehrere parallel stattfindende Prozesse während der Entwicklung der Eikammer und eröffnet einen neuen Einblick in die Mechanismen der Gewebestreckung in diesem wichtigen Modellsystem.

Proteins have an indispensable role in the cell. They carry out a wide variety of structural, catalytic and signaling functions in all known biological systems. To perform their biological functions, proteins establish interactions with other bioorganic molecules including other proteins. Therefore, protein-protein interactions is one of the central topics in molecular biology. My thesis is devoted to three different topics in the field of protein-protein interactions. The first one focuses on solvent contribution to protein interfaces as it is an important component of protein complexes. The second topic discloses the structural and functional potential of fluorine's unique properties, which are attractive for protein design and engineering not feasible within the scope of canonical amino acids. The last part of this thesis is a study of the impact of charged amino acid residues within the hydrophobic interface of a coiled-coil system, which is one of the well-established model systems for protein-protein interactions studies. I. The majority of proteins interact in vivo in solution, thus studies of solvent impact on protein-protein interactions could be crucial for understanding many processes in the cell. However, though solvent is known to be very important for protein-protein interactions in terms of structure, dynamics and energetics, its effects are often disregarded in computational studies because a detailed solvent description requires complex and computationally demanding approaches. As a consequence, many protein residues, which establish water-mediated interactions, are neither considered in an interface definition. In the previous work carried out in our group the protein interfaces database (SCOWLP) has been developed. This database takes into account interfacial solvent and based on this classifies all interfacial protein residues of the PDB into three classes based on their interacting properties: dry (direct interaction), dual (direct and water-mediated interactions), and wet spots (residues interacting only through one water molecule). To define an interaction SCOWLP considers a donor–acceptor distance for hydrogen bonds of 3.2 Å, for salt bridges of 4 Å, and for van der Waals contacts the sum of the van der Waals radii of the interacting atoms. In previous studies of the group, statistical analysis of a non-redundant protein structure dataset showed that 40.1% of the interfacial residues participate in water-mediated interactions, and that 14.5% of the total residues in interfaces are wet spots. Moreover, wet spots have been shown to display similar characteristics to residues contacting water molecules in cores or cavities of proteins. The goals of this part of the thesis were: 1. to characterize the impact of solvent in protein-protein interactions 2. to elucidate possible effects of solvent inclusion into the correlated mutations approach for protein contacts prediction To study solvent impact on protein interfaces a molecular dynamics (MD) approach has been used. This part of the work is elaborated in section 2.1 of this thesis. We have characterized properties of water-mediated protein interactions at residue and solvent level. For this purpose, an MD analysis of 17 representative complexes from SH3 and immunoglobulin protein families has been performed. We have shown that the interfacial residues interacting through a single water molecule (wet spots) are energetically and dynamically very similar to other interfacial residues. At the same time, water molecules mediating protein interactions have been found to be significantly less mobile than surface solvent in terms of residence time. Calculated free energies indicate that these water molecules should significantly affect formation and stability of a protein-protein complex. The results obtained in this part of the work also suggest that water molecules in protein interfaces contribute to the conservation of protein interactions by allowing more sequence variability in the interacting partners, which has important implications for the use of the correlated mutations concept in protein interactions studies. This concept is based on the assumption that interacting protein residues co-evolve, so that a mutation in one of the interacting counterparts is compensated by a mutation in the other. The study presented in section 2.2 has been carried out to prove that an explicit introduction of solvent into the correlated mutations concept indeed yields qualitative improvement of existing approaches. For this, we have used the data on interfacial solvent obtained from the SCOWLP database (the whole PDB) to construct a “wet” similarity matrix. This matrix has been used for prediction of protein contacts together with a well-established “dry” matrix. We have analyzed two datasets containing 50 domains and 10 domain pairs, and have compared the results obtained by using several combinations of both “dry” and “wet” matrices. We have found that for predictions for both intra- and interdomain contacts the introduction of a combination of a “dry” and a “wet” similarity matrix improves the predictions in comparison to the “dry” one alone. Our analysis opens up the idea that the consideration of water may have an impact on the improvement of the contact predictions obtained by correlated mutations approaches. There are two principally novel aspects in this study in the context of the used correlated mutations methodology : i) the first introduction of solvent explicitly into the correlated mutations approach; ii) the use of the definition of protein-protein interfaces, which is essentially different from many other works in the field because of taking into account physico-chemical properties of amino acids and not being exclusively based on distance cut-offs. II. The second part of the thesis is focused on properties of fluorinated amino acids in protein environments. In general, non-canonical amino acids with newly designed side-chain functionalities are powerful tools that can be used to improve structural, catalytic, kinetic and thermodynamic properties of peptides and proteins, which otherwise are not feasible within the use of canonical amino acids. In this context fluorinated amino acids have increasingly gained in importance in protein chemistry because of fluorine's unique properties: high electronegativity and a small atomic size. Despite the wide use of fluorine in drug design, properties of fluorine in protein environments have not been yet extensively studied. The aims of this part of the dissertation were: 1. to analyze the basic properties of fluorinated amino acids such as electrostatic and geometric characteristics, hydrogen bonding abilities, hydration properties and conformational preferences (section 3.1) 2. to describe the behavior of fluorinated amino acids in systems emulating protein environments (section 3.2, section 3.3) First, to characterize fluorinated amino acids side chains we have used fluorinated ethane derivatives as their simplified models and applied a quantum mechanics approach. Properties such as charge distribution, dipole moments, volumes and size of the fluoromethylated groups within the model have been characterized. Hydrogen bonding properties of these groups have been compared with the groups typically presented in natural protein environments. We have shown that hydrogen and fluorine atoms within these fluoromethylated groups are weak hydrogen bond donors and acceptors. Nevertheless they should not be disregarded for applications in protein engineering. Then, we have implemented four fluorinated L-amino acids for the AMBER force field and characterized their conformational and hydration properties at the MD level. We have found that hydrophobicity of fluorinated side chains grows with the number of fluorine atoms and could be explained in terms of high electronegativity of fluorine atoms and spacial demand of fluorinated side-chains. These data on hydration agrees with the results obtained in the experimental work performed by our collaborators. We have rationally engineered systems that allow us to study fluorine properties and extract results that could be extrapolated to proteins. For this, we have emulated protein environments by introducing fluorinated amino acids into a parallel coiled-coil and enzyme-ligand chymotrypsin systems. The results on fluorination effect on coiled-coil dimerization and substrate affinities in the chymotrypsin active site obtained by MD, molecular docking and free energy calculations are in strong agreement with experimental data obtained by our collaborators. In particular, we have shown that fluorine content and position of fluorination can considerably change the polarity and steric properties of an amino acid side chain and, thus, can influence the properties that a fluorinated amino acid reveals within a native protein environment. III. Coiled-coils typically consist of two to five right-handed α-helices that wrap around each other to form a left-handed superhelix. The interface of two α-helices is usually represented by hydrophobic residues. However, the analysis of protein databases revealed that in natural occurring proteins up to 20% of these positions are populated by polar and charged residues. The impact of these residues on stability of coiled-coil system is not clear. MD simulations together with free energy calculations have been utilized to estimate favourable interaction partners for uncommon amino acids within the hydrophobic core of coiled-coils (Chapter 4). Based on these data, the best hits among binding partners for one strand of a coiled-coil bearing a charged amino acid in a central hydrophobic core position have been selected. Computational data have been in agreement with the results obtained by our collaborators, who applied phage display technology and CD spectroscopy. This combination of theoretical and experimental approaches allowed to get a deeper insight into the stability of the coiled-coil system. To conclude, this thesis widens existing concepts of protein structural biology in three areas of its current importance. We expand on the role of solvent in protein interfaces, which contributes to the knowledge of physico-chemical properties underlying protein-protein interactions. We develop a deeper insight into the understanding of the fluorine's impact upon its introduction into protein environments, which may assist in exploiting the full potential of fluorine's unique properties for applications in the field of protein engineering and drug design. Finally we investigate the mechanisms underlying coiled-coil system folding. The results presented in the thesis are of definite importance for possible applications (e.g. introduction of solvent explicitly into the scoring function) into protein folding, docking and rational design methods. The dissertation consists of four chapters: ● Chapter 1 contains an introduction to the topic of protein-protein interactions including basic concepts and an overview of the present state of research in the field. ● Chapter 2 focuses on the studies of the role of solvent in protein interfaces. ● Chapter 3 is devoted to the work on fluorinated amino acids in protein environments. ● Chapter 4 describes the study of coiled-coils folding properties. The experimental parts presented in Chapters 3 and 4 of this thesis have been performed by our collaborators at FU Berlin. Sections 2.1, 2.2, 3.1, 3.2 and Chapter 4 have been submitted/published in peer-reviewed international journals. Their organization follows a standard research article structure: Abstract, Introduction, Methodology, Results and discussion, and Conclusions. Section 3.3, though not published yet, is also organized in the same way. The literature references are summed up together at the end of the thesis to avoid redundancy within different chapters.

Das S100A4-Protein ist für die Manifestierung eines metastatischen Phänotyps bei vielen Tumorarten von enormer Bedeutung. Die Aufklärung der zugrunde liegenden Mechanismen und der Interaktionspartner von S100A4 stellt daher einen vielsprechenden Forschungsansatz dar, um neue Erkenntnisse über das Verhalten von Tumorzellen während des Metastasierungsprozesses zu erhalten. Darauf aufbauend können neue Ansatzpunkte für die Therapie metastasierender Krebserkrankungen gewonnen werden. In dieser Hinsicht ist das bisher einer Behandlung kaum zugängliche maligne Melanom als besonders aggressiver und frühzeitig metastasierender Tumor ein ideales Modell zur Aufklärung der zellulären und molekularen Prozesse, über die S100A4 seine Metastasen-fördernden Wirkungen ausübt. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die biochemische und radiopharmakologische Charakterisierung der S100A4-RAGE-Interaktion sowie die Untersuchung der Beteiligung von S100A4 an Prozessen der Metastasierungskaskade in vitro und in vivo. Dies erforderte die Herstellung von rekombinantem S100A4-Protein und die Generierung von stabil mit S100A4-transfizierten Melanomzellen, die damit eine heraufregulierte S100A4-Proteinbiosynthese aufweisen. Die Gewinnung von rekombinantem S100A4 in biologisch funktioneller Form unter Verwendung eines prokaryotischen Expressionssystems erfolgte mit einem Reinheitsgrad von ca. 92%. Das rekombinante S100A4-Protein wurde mit dem Aktivester N-Succinimidyl-4-[18F]fluorbenzoat radioaktiv markiert und charakterisiert. Es wurde die Interaktion zwischen S100A4 bzw. 18F-markiertem S100A4 und der löslichen RAGE-Isoform sRAGE mit einer moderaten Bindungsaffinität im µM-Bereich nachgewiesen. Des Weiteren erfolgte erstmals die Analyse der radiopharmakologischen Eigenschaften von 18F-S100A4 mittels Untersuchungen zur zellulären Assoziation sowie zur metabolischen Stabilität, Bioverteilung und zu In-vivo-Interaktionen mittels Kleintier-Positronen-Emissions-Tomographie in der Ratte. Die In-vitro-Experimente wurden an Endothelzellen (HAEC) und an stabil mit RAGE-transfizierten A375-, A375-mock bzw. nicht transfizierten A375-Melanomzellen durchgeführt. Die A375-hRAGE-Zellen zeigten eine deutlich heraufregulierte RAGE-Proteinbiosynthese während die Endothelzellen eine vergleichsweise geringe intrazelluläre RAGE-Proteinkonzentration aufwiesen. Bei den Melanomzellen kann aufgrund der höheren Assoziation von 18F-S100A4 an A375-hRAGE-Zellen auf eine selektive Bindung von 18F S100A4 an RAGE-Rezeptoren auf der Zelloberfläche geschlossen werden. Die Assoziation von 18F S100A4 an Endothelzellen war bei 37°C in Gegenwart von nicht markiertem rekombinantem S100A4 signifikant vermindert, dementsprechend findet eine spezifische Interaktion von 18F-S100A4 mit Zelloberflächenrezeptoren der Endothelzellen statt. Dieses Ergebnis und die insgesamt höhere Bindung von 18F S100A4 an Endothelzellen im Vergleich zur Assoziation an Melanomzellen lassen neben RAGE noch andere Rezeptoren wie z. B. internalisierende Scavenger-Rezeptoren vermuten. Die In-vivo-Stabilitätsuntersuchungen verdeutlichen einen proteolytischen Abbau von 18F S100A4, allerdings belegen das Vorhandensein von 67% intaktem 18F-S100A4-Protein nach einer Stunde, die Stabilität von 18F-S100A4 in vivo. Die Bioverteilungs- bzw. PET-Untersuchungen zeigen eine schnelle, innerhalb weniger Minuten stattfindende hohe Akkumulation in den Nieren und verdeutlichen somit die renale Ausscheidung von 18F S100A4. Die maßgeblichen Anreicherungen in Milz, Leber, Blut, Lunge und Nebennieren lassen Interaktionen mit Oberflächenrezeptoren dieser Gewebe erkennen. Die temporäre Retention von 18F-S100A4 in der Lunge, dem Hauptsyntheseorgan von RAGE, und die verminderte 18F-S100A4-Akkumulation in Gegenwart des spezifischen RAGE-Liganden glykLDL ist ein Hinweis dafür, dass S100A4 in vivo in der Lunge an RAGE bindet. Die Aktivitätsanreicherungen in Milz, Leber und Nebenniere deuten aufgrund der geringeren RAGE-Synthese in diesen Organen auf die Interaktion von 18F-S100A4 mit anderen Zelloberflächenrezeptoren z. B. aus der Familie der Scavenger-Rezeptoren hin. Die Beteiligung von S100A4 an Metastasierungsprozessen des malignen Melanoms wurde an stabil mit S100A4-transfizierten A375-Melanomzellen, die eine Heraufregulierung der humanen bzw. murinen S100A4-Proteinbiosynthese im Vergleich zu A375-mock- (Vektor-Kontrolle) und nicht-transfizierten A375-Zellen zeigen, untersucht. Die A375-hS100A4-Zellen sezernierten zudem eine signifikant höhere S100A4-Proteinkonzentration in das umgebende Zellkulturmedium im Vergleich zu den Kontrollen. In dieser Hinsicht konnte bei den A375-hS100A4-Zellen, vermutlich aufgrund der höheren extrazellulären S100A4-Konzentration, eine gesteigerte Proliferations-, Motilitäts-, Migrations- und Invasionsrate gegenüber den A375-mock- und A375-Zellen nachgewiesen werden. In diesem Zusammenhang stehen ebenso die gesteigerte RAGE-Proteinbiosynthese und die signifikant höhere Aktivität des Transkriptionsfaktors NF-κB bei A375-Zellen nach 24-stündiger Inkubation mit Kulturmedium der A375-hS100A4-Zellen. Demnach wirkt vermutlich das extrazelluläre S100A4-Protein als autokriner bzw. parakriner Regulator von RAGE und NF κB. Die subkutane Injektion der A375- und stabil transfizierten A375-Melanomzellen in Nacktmäuse führte zur Entwicklung subkutaner Tumore an der Injektionsstelle. Bereits zwei Wochen nach der Injektion etablierten die A375-hS100A4-Zellen die signifikant größeren Tumore im Vergleich zu den A375-mS100A4-, A375-mock und A375-Zellen. Nach Injektion der Zellen in die Schwanzvene der Nacktmäuse konnte keine Entwicklung von Metastasen im Tierkörper festgestellt werden. IN DER VORLIEGENDEN ARBEIT WURDE NACHGEWIESEN: • RAGE ist ein Rezeptor für das S100A4-Protein. Allerdings gibt es eindeutige Hinweise für weitere S100A4-Zielproteine an der Zelloberfläche. • Die bedeutende Rolle von extrazellulärem S100A4 bei wichtigen zellulären Metastasierungsprozessen sowie bei der Aktivierung von Signalproteinen wie NF-κB und RAGE beim malignen Melanom. Die weitere Aufklärung der S100A4-spezifischen Signalkaskaden und Rezeptoren bei metastasierenden Tumorerkrankungen sowie die Charakterisierung von S100A4 als klinischen Parameter bei Patienten mit malignem Melanom stellen hoch interessante Aspekte in der Krebsforschung dar.

Die Interaktion von S100-Proteinen mit dem Rezeptor für advanced glycation endproducts (RAGE) wird als hoch relevant bei der Entstehung, Manifestation und Progression verschiedener entzündlicher Erkrankungen sowie bei der Tumorigenese gewertet. Das tiefergehende Verständnis der Interaktion von S100-Proteinen mit RAGE in vivo stellt eine wissenschaftliche Herausforderung dar und ist ein Ansatz für therapeutische Interventionen. Darüber hinaus stellen Untersuchungen zum Metabolismus von extrazellulär zirkulierenden S100-Proteinen in vivo einen vielversprechenden Forschungsansatz zur Analyse von S100-Protein-assoziierten Erkrankungen dar. Die einzigartigen Eigenschaften der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) als nicht-invasives bildgebendes Verfahren erlauben die Darstellung und quantitative Erfassung biochemischer Prozesse mit der Möglichkeit zelluläre und molekulare Reaktionswege aufzuzeigen sowie in vivo-Mechanismen von Krankheiten im Kontext eines physiologischen Umfeldes darzulegen. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, Fluor-18-markierte S100-Proteine (18F-S100) herzustellen, diese biochemisch, radiochemisch und radiopharmakologisch zu charakterisieren und deren Metabolismus und Interaktion mit RAGE in vivo mittels Kleintier-PET am Tiermodell zu untersuchen. Es wurden die mit RAGE interagierenden S100-Proteine S100A1, S100A12 und S100B in biologisch funktioneller Form hergestellt. Dazu wurden die entsprechenden S100-Gene in den prokaryotischen Expressionsvektor pGEX-6P-1 kloniert. Mit diesen Konstrukten wurden E. coli-Zellen transformiert, aus denen nachfolgend die S100-Proteine isoliert und gereinigt werden konnten. Es konnte eine Reinigung unter nativen, milden Bedingungen etabliert werden, die es ermöglichte, S100A1, S100A12 und S100B in biologisch aktiver Form und in hohen Reinheitsgraden (> 95%) für die nachfolgenden Experimente bereitzustellen. Diese S100-Proteine wurden über den 18F-tragenden Aktivester N-Succinimidyl-4-[18F]fluorbenzoesäure ([18F]SFB) radioaktiv markiert und charakterisiert. Dabei konnte sichergestellt werden, dass die 18F-S100-Proteine in vitro und in vivo stabil sind. Weiterhin konnte nachgewiesen werden, dass die radioaktive Markierung keine Beeinträchtigung auf die biologische Funktionalität der S100-Proteine hat. Dies wurde anhand von sRAGE-Bindungsuntersuchungen sowie Zell-Interaktionsuntersuchungen an konfluenten Endothelzellen (HAEC) und an zu Makrophagen differenzierten THP-1-Zellen (THP-1-Makrophagen) verifiziert. Für die Untersuchung der RAGE-Bindung war die Produktion des löslichen sRAGE bzw. die Generation von flRAGE-berexprimierenden Zellen erforderlich. Beide Konstrukte wurden in geeigneten Zellsystemen exprimiert und das sRAGE-Protein wurde in biologisch aktiver Form synthetisiert und gereinigt (Reinheitsgrad > 97%). Die 18F-S100-Bindung an THP-1-Makrophagen und HAEC wurde in Gegenwart von glykierten LDL (glykLDL) sowie sRAGE signifikant inhibiert, was auf eine RAGE-Interaktion hinweist. Weiterhin konnten durch den Einsatz von Scavenger-Rezeptor-Liganden, wie z. B. Maleinanhydrid-modifiziertes BSA (malBSA) bzw. von Lektinen inhibierende Effekte erzielt werden. Dies ist ein Indiz für die 18F-S100-Interaktion mit Scavenger-Rezeptoren und Glykokonjugaten an der Zelloberfläche. Durch die Untersuchungen mittels konfokaler Laserscanning-Mikroskopie an THP-1-Makrophagen wurde eine Zellaufnahme des Fluoreszein-markierten S100A12 festgestellt. Weiterhin konnten Kolokalisationen mit Lektinen detektiert werden. Das metabolische Schicksal extrazellulär zirkulierender 18F-S100-Proteine in vivo wurde mit Hilfe dynamischer PET-Untersuchungen bzw. anhand von Bioverteilungs-Untersuchungen in männlichen Wistar-Ratten analysiert. Die Hauptakkumulation der Radioaktivität wurde in der Leber und in den Nieren detektiert. In diesen Organen findet der Metabolismus bzw. die glomeruläre Filtration der 18F-S100-Proteine statt. In den Untersuchungen zur Genexpression mittels Echtzeit-PCR sowie im immunchemischen Proteinnachweis am Western Blot wurde eine hohe Expression und Proteinbiosynthese des RAGE in der Lunge ermittelt. Die Lunge eignet sich daher als „Referenz“-Organ für eine funktionelle in vivo-Charakterisierung von RAGE mit 18FS100-Proteinen. Bei den durchgeführten PET-Untersuchungen konnte eine temporäre 18F-S100-Interaktion mit dem Lungengewebe festgestellt werden. Die Retention des 18FS100A12 in der Lunge wurde in Gegenwart von sRAGE inhibiert. Dies ist ein Hinweis dafür, dass 18F-S100-Proteine auch in vivo an RAGE binden können. Die Radioaktivitäts-Akkumulation in den Organen Leber und Milz, die eine Vielzahl von sessilen Makrophagen aufweisen, wurde durch die Applikation von malBSA inhibiert. Dies ist ein Indiz dafür, dass 18F-S100-Proteine in vivo mit Scavenger-Rezeptoren interagieren können. Die vorliegende Arbeit liefert deutliche Hinweise darauf, dass RAGE nicht der alleinige Rezeptor für 18F-S100-Proteine ist. Der Einsatz von 18F-S100-Proteinen als experimentelles Werkzeug in dynamischen PET-Untersuchungen birgt das Potential einer Charakterisierung von S100-Protein-assoziierten, pathophysiologischen Prozessen. / Members of the S100 family of EF-hand calcium binding proteins play important regulatory roles not only within cells but also exert effects in a cytokine-like manner on definite target cells once released into extracellular space or circulating blood. Accordingly, increased levels of S100 proteins in the circulating blood have been associated with a number of disease states, e.g., diabetes, cancer, and various inflammatory disorders. As the best known target protein of extracellular S100 proteins, the receptor for advanced glycation endproducts (RAGE) is of significant importance. However, the role of extracellular S100 proteins during etiology, progression, and manifestation of inflammatory disorders still is poorly understood. One reason for this is the shortage of sensitive methods for direct assessment of the metabolic fate of circulating S100 proteins and, on the other hand, measurement of functional expression of extracellular targets of S100 proteins, e.g., RAGE in vivo. In this line, small animal PET provides a valuable tool for noninvasive imaging of physiological processes and interactions like plasma or vascular retention, tissue-specific receptor binding, accumulation or elimination in vivo. To address this question, human S100 proteins were cloned in the bacterial expression vector pGEX-6P-1, expressed in E. coli BL21, and purified by affinity chromatography and anion exchange chromatography. Purified S100A1, S100B and S100A12 proteins were then radiolabeled with the positron emitter fluorine-18 (18F) by N-succinimidyl-4-[18F]fluorobenzoate ([18F]SFB). Radiolabeling of S100 proteins resulted in radiochemical yields of 3-10% (corrected for decay) and effective specific radioactivities of 1 GBq/µmol, respectively. For investigations about RAGE binding soluble RAGE (sRAGE) was expressed and purified using pSecTag2B. A radioligand binding assay confirmed specific binding of 18F-S100A12, 18F-S100A1, and 18F-S100B to immobilized sRAGE, also showing an order of affinity with S100A12 > S100A1 > S100B. These results indicate that radioactive labelling of S100 proteins did not affect their overall affinity to RAGE. Cellular association studies in human THP-1 macrophages and human aortic endothelial cells (HAEC) showed specific binding of all 18F-S100 proteins to the non-internalizing RAGE as confirmed by inhibitory effects exerted either by other RAGE ligands, e.g., glycated LDL, or by soluble RAGE. Of interest, 18F-S100 proteins were also shown to interact with other putative binding sites, e.g. scavenger receptors as well as proteoglycans. In this line, uptake of 18F-S100 proteins in THP-1 and HAEC could be inhibited by various scavenger receptor ligands, in particular by maleylated BSA as well as by lectines (e.g. ConA and SBA). Confocal laser scanning microscopy analysis showed a major part of the fluoresceinated S100A12 bound to the surface of THP-1 macrophages. Beyond this, uptake of S100A12 could be determined indicating an interaction of S100A12 with both non-internalizing, e.g., RAGE, and internalizing receptors, e.g. scavenger receptors. By evaluation of the relative contribution of 18F-S100A12 association to RAGE-overexpressed CHO cells (using pIres2-AcGFP1), 18F-S100A12 showed a significantly higher association to CHO-RAGE cells compared with CHO-mock cells. Based on these findings and due to their crucial role in inflammatory disorders the metabolic fate of S100 proteins was further investigated in dynamic small animal Positron emission tomography (PET) studies as well as in biodistribution studies in Wistar rats in vivo. For interpretation of in vivo investigations in rats, expression of RAGE was analyzed by quantitative real time RT-PCR as well as western blotting in various organs. Lung tissue expressed the highest level of RAGE protein compared to the other tissues. PET studies in rats revealed a comparatively long mean residence time of circulating 18F-S100 proteins. A major contributor to this phenomenon seems to be a sustained temporary interaction with tissues overexpressing RAGE, e.g., the lung. On the other hand, renal clearance of 18F-S100 via glomerular filtration is a major elimination pathway. However, scavenger receptor-mediated pathways in the liver, the spleen and, to a minor extent, in the kidneys, also seem to contribute to the overall clearance. The presence of sRAGE revealed a decreased retention of 18F-S100A12 in the lung, indicating in vivo binding to RAGE. In vivo blocking studies using maleylated BSA demonstrated a strong inhibition of putative binding sites in rat tissues enriched in cells expressing scavenger receptors like liver and spleen. In conclusion, 18F-labeling of S100 proteins and the use of small animal PET provide a valuable tool to discriminate the kinetics and the metabolic fate of S100 proteins in vivo. Furthermore, the results strongly suggest an involvement of other putative receptors beside RAGE in distribution, tissue association and elimination of circulating proinflammatory S100 proteins. Moreover, the approach provides novel probes for imaging of functional expression of RAGE and scavenger receptors in peripheral inflammatory compartments.