OPUS 4 | Biochemie und Chemie

Regulierung des Ceramid - Sphingosin-1-Phosphat - Rheostats durch die neutrale Ceramidase und die Sphingosinkinase-1 in der Niere (2011)

Ankathrin Thekla Förster

Das Gleichgewicht zwischen den Sphingolipiden Ceramid und Sphingosin-1-Phosphat (S1P) spielt eine entscheidende Rolle für das Schicksal einer Zelle. Es ist bekannt, dass Ceramid proapoptotisch wirkt, wohingegen S1P antiapoptotische und entzündungshemmende Signalwege induziert [6]. Eine Beeinflussung der Sphingolipid-metabolisierenden Enzyme sowie eine daraus resultierende gestörte Balance zwischen Ceramid und S1P ist somit ein Merkmal diverser entzündlicher Krankheiten wie der Asthma bronchiale, der Colitis ulcerosa [148] oder auch verschiedenen Arten von Tumoren [199]. Das Hauptziel dieser Arbeit lag in der Untersuchung der Ceramid-abbauenden neutralen Ceramidase (NCDase) und der S1P-synthetisierenden Sphingosinkinase 1 (SK1) in verschiedenen Nierenzellen. Ein Fokus wurde dabei auf die Regulierung dieser Enzyme durch entzündungshemmende Corticosteroide in Ratten Mesangiumzellen gelegt, wobei diese Zellen entscheidend in der Entstehung entzündlicher Nierenerkrankungen wie einer Glomerulonephritis sind. Weiterhin wurde der Einfluss der Mutation putativer Phosphorylierungsstellen der NCDase auf die Regulierung dieses Enzyms in HEK293 Zellen untersucht und in einem dritten Teil der Arbeit schließlich die Expression und die Funktion der SK1 in der humanen Niere im Vergleich zum Nierenzellkarzinom analysiert. Es konnte gezeigt werden, dass Glucocorticoide (GCs) Mesangiumzellen durch eine Steigerung der intrazellulären S1P-Konzentrationen vor durch Stress induzierter Apoptose schützen. Diese Beeinflussung des Sphingolipid-Rheostats beruhte auf einer gesteigerten mRNA- und Proteinexpression der Sphingosinkinase 1 (SK1) und der neutralen Ceramidase (NCDase). Außerdem wurde nachgewiesen, dass der Promotor der NCDase durch GCs aktivierbar ist und dass zwei Glucocorticoid-responsive-Elemente (GREs) innerhalb der Promotorsequenz durch die Bindung von Glucocorticoidrezeptoren (GRs) diese Aktivierung bewirken. In vivo Experimente mit isolierten Glomeruli, die aus mit Dexamethason behandelten Mäusen gewonnen wurden, zeigten ebenfalls eine Erhöhung der mRNA-Expression und Aktivität der SK1 sowie eine gesteigerte Proteinexpression der NCDase. Somit wurde erstmals ein direkter Einfluss von GCs auf den Sphingolipidmetabolismus in Mesangiumzellen beschrieben. In einem zweiten Teil dieser Arbeit wurde gezeigt, dass eine Mutation zweier putativer Proteinkinase C (PKC)-Phosphorylierungsstellen (T253A und T420/23A) in der Sequenz der murinen NCDase zu einem verlangsamten Reifungsprozess dieses Enzyms führt. Western Blot-Analysen ergaben, dass der überexprimierte NCDase-WT zwei unterschiedlich glykosylierte Isoformen mit einem Molekulargewicht von 120 und 130 kDa exprimiert, welche stetig durch einen aktiven Prozess sezerniert werden. Im Gegensatz dazu war in den Mutanten ausschließlich die 130 kDa-Form im Zellkulturüberstand und die 120 kDa-Form im Lysat zu finden. Im Zusammenfassung 129 Gegensatz zum WT lokalisierten die Mutanten lediglich an intrazellulären Membranen und nicht zusätzlich an der Plasmamembran. In Lysaten von Zellen die die Mutanten exprimierten, konnte eine verringerte relative Aktivität gemessen werden, die der sezernierten mutierten Formen hingegen war erhöht. Daher wurde vermutet, dass die 130 kDa-Form die reife Plasmamembran-gebundene und anschließend sezernierte, aktivere Isoform der NCDase darstellt. Die Inkubation von Mesangiumzellen mit Zellkulturüberständen, die den sezernierten NCDase-WT enthielten, führte zum Schutz vor durch Stress induzierter Apoptose. Somit kann eine auto- bzw. parakrine Funktion der sezernierten NCDase angenommen werden. Dem dritten Teil der Arbeit lag die erstmalige Beschreibung der SK1-Expression in der gesunden humanen Niere zugrunde. Es konnte gezeigt werden, dass diese im Zytoplasma sowie an Membranen von Zellen des proximalen Tubulus sowie in geringerem Maße in Podozyten und Mesangiumzellen des Glomerulus exprimiert wird. Im Gegensatz dazu wurde die SK1 in Biopsien von Patienten mit Nierentumor im Nukleus gefunden. Die Untersuchung der SK1-Expression in 5 verschiedenen Nierentumorzelllinien im Vergleich zu Epithelzellen des proximalen Tubulus (Human Kidney 2 - HK2-Zellen) ergaben, dass sowohl die Protein- als auch die mRNA-Expression der SK1 in Föhn-Zellen stark erhöht, in ACHN3-Zellen hingegen signifikant niedriger war. Zudem konnte auch in den Föhn-Zellen eine nukleäre Expression der SK1 nachgewiesen werden. Die Behandlung von HK2-, ACHN3- und Föhn-Zellen mit dem Transforming Growth Factor-ß2 (TGF-ß2) resultierte in einer transkriptionellen Steigerung der SK1-Expression. Die Herunterregulierung der SK1 in diesen Zellen führte zu einem Arrest der Zellen in der S Phase, wohingegen die Überexpression der SK1 in den ACHN3-Zellen zu einem signifikanten Schutz vor Apoptose führte. Zusammenfassend sind die Sphingolipid-metabolisierenden Enzyme NCDase und SK-1 ein interessanter therapeutischer Ansatzpunkt zur Behandlung von Krankheiten, die mit pathologischen Prozessen wie Entzündung, Apoptose und Proliferation einhergehen, wie es bei Glomerulonephritiden und bei Nierentumoren der Fall ist.

Ordnung des Fachbereichs Biochemie, Chemie, Pharmazie der Johann Wolfgang Goethe-Universität für den Bachelorstudiengang Biochemie mit dem Abschluss „Bachelor of Science“ (B. Sc.) vom 07.06.2010 : vorläufig genehmigt vom Präsidium der Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt am 27.07.2010 (2010)

Promotionsordnung der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fachbereiche der Johann Wolfgang Goethe-Universität in Frankfurt am Main vom 26. Mai 1993 (ABL.1/94, S. 21) zuletzt geändert am 05.09.2007 (Uni-Report 13.11.2008) : genehmigt durch Beschluss des Präsidiums der Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt am Main am 27. Januar 2009 ; hier: Änderung (2009)

Habilitationsordnung der Mathematisch–Naturwissenschaftlichen Fachbereiche der Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt am Main vom 04.02.1992 (ABl. 1992, S.816 ff.), zuletzt geändert am 28. April 2002 (StAnz. 41/2003, S. 4024 – 4025) : genehmigt durch Beschluss des Präsidiums der Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt am Main am 27. Januar 2009 ; hier: Änderung bzw. Ergänzung (2009)

Kernel learning for ligand-based virtual screening:discovery of a new PPARgamma agonist (2010)

Matthias Rupp Timon Schroeter Ramona Steri Ewgenij Proschak Katja Hansen Heiko Zettl Oliver Rau Manfred Schubert-Zsilavecz Klaus-Robert Müller Gisbert Schneider

Poster presentation at 5th German Conference on Cheminformatics: 23. CIC-Workshop Goslar, Germany. 8-10 November 2009 We demonstrate the theoretical and practical application of modern kernel-based machine learning methods to ligand-based virtual screening by successful prospective screening for novel agonists of the peroxisome proliferator-activated receptor gamma (PPARgamma) [1]. PPARgamma is a nuclear receptor involved in lipid and glucose metabolism, and related to type-2 diabetes and dyslipidemia. Applied methods included a graph kernel designed for molecular similarity analysis [2], kernel principle component analysis [3], multiple kernel learning [4], and, Gaussian process regression [5]. In the machine learning approach to ligand-based virtual screening, one uses the similarity principle [6] to identify potentially active compounds based on their similarity to known reference ligands. Kernel-based machine learning [7] uses the "kernel trick", a systematic approach to the derivation of non-linear versions of linear algorithms like separating hyperplanes and regression. Prerequisites for kernel learning are similarity measures with the mathematical property of positive semidefiniteness (kernels). The iterative similarity optimal assignment graph kernel (ISOAK) [2] is defined directly on the annotated structure graph, and was designed specifically for the comparison of small molecules. In our virtual screening study, its use improved results, e.g., in principle component analysis-based visualization and Gaussian process regression. Following a thorough retrospective validation using a data set of 176 published PPARgamma agonists [8], we screened a vendor library for novel agonists. Subsequent testing of 15 compounds in a cell-based transactivation assay [9] yielded four active compounds. The most interesting hit, a natural product derivative with cyclobutane scaffold, is a full selective PPARgamma agonist (EC50 = 10 ± 0.2 microM, inactive on PPARalpha and PPARbeta/delta at 10 microM). We demonstrate how the interplay of several modern kernel-based machine learning approaches can successfully improve ligand-based virtual screening results.

Nitric oxide-independent vasodilator rescues heme-oxidized soluble guanylate cyclase from proteosomal degradation (2009)

Sabine Meurer Sylke Pioch Tatjana Pabst Nils Opitz Peter M. Schmidt Tobias Beckhaus Kristina Wagner Simone Matt Kristina Gegenbauer Sandra Geschka Michael Karas Johannes-Peter Stasch Harald H. H. W. Schmidt Werner Müller-Esterl

Poster presentation: Background Nitric oxide (NO) is an essential vasodilator. In vascular diseases, oxidative stress attenuates NO signaling by both chemical scavenging of free NO and oxidation and down-regulation of its major intracellular receptor, the alpha/beta heterodimeric heme-containing soluble guanylate cyclase (sGC). Oxidation can also induce loss of sGC's heme and responsiveness to NO. Results sGC activators such as BAY 58-2667 bind to oxidized/heme-free sGC and reactivate the enzyme to exert disease-specific vasodilation. Here we show that oxidation-induced down-regulation of sGC protein extends to isolated blood vessels. Mechanistically, degradation was triggered through sGC ubiquitination and proteasomal degradation. The heme-binding site ligand, BAY 58-2667, prevented sGC ubiquitination and stabilized both alpha and beta subunits. Conclusion Collectively, our data establish oxidation-ubiquitination of sGC as a modulator of NO/cGMP signaling and point to a new mechanism of action for sGC activating vasodilators by stabilizing their receptor, oxidized/heme-free sGC.

Bioassays to monitor taspase1 function for the identification of pharmacogenetic inhibitors (2011)

Shirley Knauer Verena Fetz Jens Rabenstein Sandra Friedl Bettina Hofmann Samaneh Sabiani Elisabeth Schröder Lena Kunst Eugen Proschak Eckhard Thines Thomas Kindler Gisbert Schneider Rolf Marschalek Roland Stauber Carolin Bier

Background: Threonine Aspartase 1 (Taspase1) mediates cleavage of the mixed lineage leukemia (MLL) protein and leukemia provoking MLL-fusions. In contrast to other proteases, the understanding of Taspase1's (patho)biological relevance and function is limited, since neither small molecule inhibitors nor cell based functional assays for Taspase1 are currently available. Methodology/Findings: Efficient cell-based assays to probe Taspase1 function in vivo are presented here. These are composed of glutathione S-transferase, autofluorescent protein variants, Taspase1 cleavage sites and rational combinations of nuclear import and export signals. The biosensors localize predominantly to the cytoplasm, whereas expression of biologically active Taspase1 but not of inactive Taspase1 mutants or of the protease Caspase3 triggers their proteolytic cleavage and nuclear accumulation. Compared to in vitro assays using recombinant components the in vivo assay was highly efficient. Employing an optimized nuclear translocation algorithm, the triple-color assay could be adapted to a high-throughput microscopy platform (Z'factor = 0.63). Automated high-content data analysis was used to screen a focused compound library, selected by an in silico pharmacophor screening approach, as well as a collection of fungal extracts. Screening identified two compounds, N-[2-[(4-amino-6-oxo-3H-pyrimidin-2-yl)sulfanyl]ethyl]benzenesulfonamideand 2-benzyltriazole-4,5-dicarboxylic acid, which partially inhibited Taspase1 cleavage in living cells. Additionally, the assay was exploited to probe endogenous Taspase1 in solid tumor cell models and to identify an improved consensus sequence for efficient Taspase1 cleavage. This allowed the in silico identification of novel putative Taspase1 targets. Those include the FERM Domain-Containing Protein 4B, the Tyrosine-Protein Phosphatase Zeta, and DNA Polymerase Zeta. Cleavage site recognition and proteolytic processing of these substrates were verified in the context of the biosensor. Conclusions: The assay not only allows to genetically probe Taspase1 structure function in vivo, but is also applicable for high-content screening to identify Taspase1 inhibitors. Such tools will provide novel insights into Taspase1's function and its potential therapeutic relevance.

DOGS: reaction-driven de novo design of bioactive compounds (2012)

Markus Hartenfeller Heiko Zettl Miriam Walter Matthias Rupp Felix Reisen Ewgenij Proschak Sascha Weggen Holger Stark Gisbert Schneider

We present a computational method for the reaction-based de novo design of drug-like molecules. The software DOGS (Design of Genuine Structures) features a ligand-based strategy for automated ‘in silico’ assembly of potentially novel bioactive compounds. The quality of the designed compounds is assessed by a graph kernel method measuring their similarity to known bioactive reference ligands in terms of structural and pharmacophoric features. We implemented a deterministic compound construction procedure that explicitly considers compound synthesizability, based on a compilation of 25'144 readily available synthetic building blocks and 58 established reaction principles. This enables the software to suggest a synthesis route for each designed compound. Two prospective case studies are presented together with details on the algorithm and its implementation. De novo designed ligand candidates for the human histamine H4 receptor and γ-secretase were synthesized as suggested by the software. The computational approach proved to be suitable for scaffold-hopping from known ligands to novel chemotypes, and for generating bioactive molecules with drug-like properties.

Ordnung der Fachbereiche Medizin, Biowissenschaften, Biochemie, Chemie und Pharmazie sowie Psychologie und Sportwissenschaften der Johann Wolfgang Goethe[-Universität] für den Masterstudiengang Interdisciplinary Neuroscience mit dem Abschluss "Master of Science" (M. Sc.) vom 30. März 2009 in der Fassung vom 22. April 2009, zuletzt geändert am 16. April 2012 : genehmigt vom Präsidium der Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt a. M. am 27. April 2010 ; hier: Änderungen vom 08.11.2012 ; genehmigt vom Präsidium der Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt a. M. am 18. Dezember 2012 (2012)

Ordnung der Fachbereiche Medizin, Biowissenschaften, Biochemie, Chemie und Pharmazie sowie Psychologie und Sportwissenschaften der Johann Wolfgang Goethe-Universität für den Masterstudiengang Interdisciplinary Neuroscience mit dem Abschluss "Master of Science" (M.Sc.) vom 30. März 2009 in der Fassung vom 22. April 2009 : genehmigt durch das Präsidium am 11. Oktober 2011 ; hier: Änderung der Wahlpflichtmodule vom 16. April 2012 ; genehmigt durch das Präsidium am 11. September 2012 (2012)

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