Fakultät für Chemie und Pharmazie - Digitale Hochschulschriften der LMU - Teil 02/06 Archiv

Vinylimidazole sind wichtige Teilstrukturen vieler biologisch aktiver Naturstoffe marinen Ursprungs. Allerdings modifiziert die Natur Vinylimidazoleinheiten oft dadurch, dass eines der Stickstoffatome methyliert vorliegt – wie in der Seitenkette der Eleutheside – oder dass sie zu einer 2-Aminoimidazoleinheit erweitert vorliegen – wie im Fall der Pyrrolimidazolalkaloide. Das marine Diterpenoid Eleutherobin wurde 1997 aus Weichkorallen der Gattung Eleutherobia isoliert und gehört zur Naturstoffklasse der Eleutheside. Später konnte gezeigt werden, dass Eleutherobin ähnliche antimitotische Wirkung besitzt wie Paclitaxel. Da das natürliche Vorkommen dieser Verbindung begrenzt ist und bestehende Syntheserouten lang sind, ist die Entwicklung eines effizienten Syntheseweges von großem Interesse. In der vorliegenden Arbeit wird die erste Synthese von 1,2-seco-Cladiellanen als möglichen Zwischenprodukten auf dem Weg zum Eleuthesid-Grundkörper in nur drei Stufen beschrieben. Der erfolgreiche Einsatz eines RuO2/NaIO4-Systems zur oxidativen Zyklisierung von 1,5-Dienen zu Tetrahydrofuranen ist integraler Bestandteil dieses Weges und könnte die Synthese von Eleuthesiden erheblich verkürzen. Ausserdem wird der Naturstoff (S)-Rosiridol, der zuerst aus der Pflanze Rhodiola rosea isoliert werden konnte, in sieben Stufen synthetisiert. Das natürliche (S)-Enantiomere wird durch kinetische Racematspaltung eines intermediären allylischen- / homoallylischen sekundären Alkohols unter Verwendung einer planar-chiralen Form des DMAPs erreicht. Die Einbettung der Guanidineinheit von Arginin in ein 2-Aminoimidazol liefert Argininmimetika mit verringerter Basizität. Solche Mimetika können bei der Entwicklung argininhaltiger Wirkstoffe mit vorteilhaften pharmakologischen Eigenschaften nützlich sein. In dieser Arbeit wird eine effiziente Synthese des neuen Argininmimetikums 2-Aminohomohistidin beschrieben und es wird gezeigt, dass die Einbettung der Guanidineinheit in eine 2-Aminoimidazoleinheit den pKS-Wert um ca. 4 Einheiten senkt. Erste biologische Tests zeigen zudem, dass 2-Aminohomohistidin ein besserer Inhibitor des GABA-Transportproteins GAT-3 ist als Arginin. Die erfolgreiche orthogonale Schützung von 2-Aminohomohistidin erlaubt nun auch die Verwendung dieser Aminosäure bei der Peptidsynthese über gewöhnliche Fmoc-Festphasenprotokolle.

Molekulare Interaktionen an biofunktionalisierten Grenzflächen werden in zwei Ansätzen analysiert. Zum einen wird an einer artifiziellen Modellmembran mit inkorporierten nativen Zelladhäsionsrezeptoren Integrin alphaV beta3 deren unterschiedliche Bindung an photoschaltbare Peptidliganden mit Oberflächenplasmonen-Fluoreszenzspektroskopie (SPFS) nachgewiesen. Weiterhin wird das Verfahren der SPFS erstmals an lebenden Zellen angewendet, um die Insertion von heterolog exprimiertem Rhodopsin als Modell eines Membranproteins in die Plasmamembran zeitaufgelöst zu detektieren.

The Mediator of transcriptional regulation is the central coactivator that enables a response of RNA polymerase II (Pol II) to activators and repressors. Yeast Mediator has a size of more than one MDa and consists of 25 different polypeptides. Biochemical studies defined three Mediator modules in yeast, the head (MED17) the middle (MED9/MED10) and the tail (MED15) modules. During this work, an E.coli coexpression-copurification system was developed, which allowed to study pairwise interactions of Mediator middle module subunits. With the help of this system I reconstituted a complex of two essential and conserved yeast Mediator middle module proteins, the MED7/MED21 heterodimer, and solved its crystal structure. The heterodimer forms an extended structure, which spans one third of the Mediator length, and almost the diameter of Pol II. It shows a four helix bundle and a coiled-coil protrusion connected by a flexible hinge. Multiple conserved patches can be identified on the surface, which allow for assembly of the middle module. A combination of the coexpression-copurification system and assembly of subcomplexes allowed the reconstitution of a five-subunit Mediator middle module subcomplex. The reconstituted subcomplex is able to bind Pol II in vitro. MED6 associates with the middle module and forms a bridge to the head module. The potential flexibility of this bridge and the MED7/MED21 hinge can account for changes in Mediator structure upon its binding to Pol II or to activators.

In vorliegender Arbeit wurden neue Cyclopentadienylliganden synthetisiert und deren Anwendung in der Organometallchemie untersucht. Zahlreiche Beispiele mit Haupt- und Nebengruppenmetallen wurden strukturell untersucht. Des Weiteren wurde eine Calciumverbindung auf ihre Katalyseaktivität bei der Ringöffnugnspolymerisation von Lactiden untersucht. Außerdem gelang die Synthese und spektroskopische Charakterisierung von Übergangsmetallphosphaniden.

Die Translokase der mitochondrialen Außenmembran TOM-Komplex erkennt alle in Mitochondrien zu importierenden Proteine und vermittelt den Transfer in oder über die Membran. Der Mechanismus der Translokation ist allerdings bisher nur teilweise verstanden. Strukturelle Informationen über den TOM-Komplex können Fragen nach den Detailschritten beantworten helfen. Aus dem Schimmelpilz Neurospora crassa wurde der TOM-Komplex so aufgereinigt, dass Ausbeute und Reinheit strukturelle Untersuchungen mittels Proteinkristallographie ermöglichten. Kristalle des TOM-Komplexes wurden gewonnen und Beugungsexperimente durchgeführt. Die Auflösung der erhaltenen Kristalle des TOM-Komplexes war nicht ausreichend, um Aussagen über die Raumgruppe oder den strukturellen Aufbau des Komplexes treffen zu können. Deshalb wurde das Reinigungsverfahren weiter optimiert sowie eine Reihe von Mutanten des TOM-Komplexes untersucht. Bisher konnte jedoch keine Verbesserung der Beugungsdaten erreicht werden. Zu Beginn dieser Arbeit waren vier Untereinheiten des TOM-Core-Komplexes von N. crassa bekannt: Tom40, Tom22, Tom7 und Tom6. Im ansonsten vergleichbar aufgebauten TOM-Core-Komplex von S. cerevisiae war noch eine weitere Komponente Tom5 beschrieben worden. Daher wurde im Vorfeld der Kristallisationsexperimente die Zusammensetzung des N. crassa TOM-Komplexes massenspektrometrisch analysiert, wobei Tom5 als eine weitere Tom-Untereinheit in N. crassa identifiziert werden konnte. Aufgrund von Experimenten mit S. cerevisiae wurde eine Rolle des Tom5 im Proteinimport in Mitochondrien postuliert. Im Gegensatz hierzu hatte Tom5 in N. crassa keinen Einfluß auf den Proteinimport. Auch auf die Assemblierung des TOM-Komplexes und das Wachstum der Zellen wirkte sich eine Deletion von Tom5 in N. crassa nicht negativ aus. Die Ergebnisse dieser Arbeit lassen allerdings eine solche Funktion auch in Hefe als fraglich erscheinen. Vielmehr deuten die hier vorgelegten Befunde auf eine strukturelle Funktion von Tom5 bei der Stabilisierung des TOM-Komplexes hin. Um weitere neue Komponenten des Import- und Assemblierungsapparates der mitochondrialen Außenmembran zu finden, wurde eine massenspektrometrische Analyse der Proteine von isolierten Außenmembranvesikeln aus N. crassa durchgeführt. Hierbei wurde Mim1 als bisher unbekanntes Außenmembranprotein identifiziert. Mim1 liegt in einem 300 kDa-Komplex vor und es wurde eine essentielle Funktion von Mim1 bei der Assemblierung des TOM-Komplexes nachgewiesen.

Flt3 is the most recently discovered member of the platelet-derived growth factor receptor (PDGFR) subfamily of receptor tyrosine kinases (RTKs). It is expressed on early hematopoietic progenitor cells and is involved in their growth. Activating mutations of Flt3, such as internal tandem duplications (ITD) in the juxtamembrane (JM) region of Flt3, are among the most common genetic alterations found in patients with acute myeloid leukemia (AML). For this reason Flt3 is an attractive target for specific tyrosine kinase inhibitors, and a number of such compounds are currently being tested in clinical trials. However, the mechanisms of Flt3-mediated signal transduction are poorly understood. Src family tyrosine kinases (SFKs) are involved in the signaling processes of various RTKs, including those of the PDGFR subfamily . Most SFKs are expressed predominantly or exclusively in hematopoietic cells, and at least Hck and Lyn were found to be activated in AML patients. These observations indicate that SFKs could also be involved in Flt3 signaling. In this work the role of SFKs in signal transduction of the Flt3 receptor was investigated. A panel of Hck and Flt3 mutants was used in biochemical and biological assays to deduce the contribution of kinase activity, SH2 and SH3 binding domains and tyrosine phosphorylation status to Flt3-SFK interaction. The work presented shows that SFKs interfere with the maturation of wild type and Flt3 ITD receptors in human embryonic kidney 293 (HEK- 293) cells in a kinase-dependent manner. The SFK-mediated effect on receptor maturation is reflected by accumulation of the immature, intracellular form of Flt3 at the expense of the mature, plasma membrane-inserted form of the receptor. This effect of SFK kinase activity on receptor maturation is not limited to Flt3, because analogous results were also obtained for the Kit receptor, another member of the PDGFR subfamily. The demonstration of the role of SFKs in regulation of receptor maturation is novel and the exact mechanism underlying this effect requires further investigation. Using the HEK-293 cells it was also shown that Hck is able to phosphorylate Flt3 on tyrosine residues and to associate with autophosphorylated Flt3 in an SH2 domain-dependent manner. Hck-mediated tyrosine phosphorylation occurs in the JM region of Flt3. Tyrosine residues 589 and 591 in the JM region, when phosphorylated, were also identified as the docking sites for Hck. Although Hck phosphorylation and binding sites on Flt3 overlap, Hck-mediated phosphorylation of Flt3 is not sufficient for Flt3-Hck association. In contrast to the situation in HEK-293 cells, Hck neither interferes with Flt3 maturation nor phosphorylates Flt3 on tyrosine residues, and does not detectably associate with the Flt3 receptor in the hematopoietic murine cell line 32D clone 3 (32D cl.3). However, the level of the ectopic expression of Hck in 32D cl.3 cells was lower than in HEK-293 cells. This difference in Hck expression level probably accounts for both the lack of the Hck-mediated phosphorylation of Flt3 and the interference with its maturation in 32D cl.3 cells. The lower Hck expression level, however, does not account for the lack of detectable association of Hck with Flt3 in 32D cl.3 cells. Using biological assays in which activation of Flt3 can partially overcome the requirement for cytokine stimulation in 32D cl.3 survival and proliferation, it was shown that Hck is not involved in Flt3 signal transduction leading to Flt3-mediated cell survival and Flt3 ITD-dependent cell growth. Therefore, biological relevance of SFKs in Flt3 signaling remains unclear. In summary, although the binding and phosphorylation of Flt3 by Hck can be shown, the biological relevance of Hck in Flt3 signaling remains to be formally demonstrated. This research led to the novel finding that, at least when over-expressed or hyperactivated, SFKs interfere with the maturation process of RTKs. Various studies have shown that the ligandindependent activation of RTKs as well as their premature phosphorylation can interfere with maturation of RTKs. This study reveals that, by virtue of their phosphorylating of Flt3, Kit and possibly other RTKs, SFKs can regulate maturation of these RTKs and consequently alter their transport to the plasma membrane. Further studies are required to investigate the biological relevance of this function of SFKs.

This thesis focuses on the experimental and theoretical investigation of small molecules containing phosphorus, nitrogen and sulfur. The first part of this work presents synthesis and characterisation of molecules bearing a P-N-N-group: N,N´,N´-[tris(trimethylsilyl)]-hydrazino-diphenylphosphane, (TMS)2N-(TMS)N-PPh2, and N,N´,N´-[tris(trimethylsilyl)]-hydrazino-phenyl(chloro)phosphane, (TMS)2N-(TMS)N-P(Cl)Ph, were obtained in the reaction of bis-[lithiumtris(trimethylsilyl)hydrazide] with PhnPCl3 - n (n = 1, 2). The structure and bonding of both species are discussed on the basis of experimentally observed (X-ray, Raman, NMR, and MS) and theoretically obtained data (B3LYP/6-31G(d,p), NBO analysis). Oxidation with sulfur and selenium results in the formation of (TMS)2N-(TMS)N-P(S)-Ph2, (TMS)2N-(TMS)N-P(Se)Ph2, (TMS)2N-(TMS)N-P(S)Ph(Cl) and (TMS)2N-(TMS)N-P(Se)Ph(Cl). Moreover, the thermal decomposition of N,N´,N´-[tris(trimethylsilyl)]hydrazine-dichlorophosphane, (TMS)2N-(TMS)N-PCl2 and the reaction with magnesium have been investigated. The formation and molecular structure of the novel MgCl2(THF)2* 2Mg[(TMS)NP(O)2N(TMS)2](THF) salt containing the hitherto unknown (TMS)NP-(O)2N(TMS)22- anion are discussed. DFT calculations (B3LYP/6-311+G(3df,2p)//B3LYP/6-31G(d,p)) are used to evaluate the bonding, ground-state structures, and energy landscape for the different isomers of (TMS)2N-(TMS)N-PCl2: the thermodynamics and kinetics of the successive elimination of chlorotrimethylsilane (TMS-Cl) resulting in the formation of covalent azide analogues such as TMS-PNN or TMS-NNP are discussed. While investigating the reaction of (TMS)2N-(TMS)N-PCl2 with Lewis acides a galliumtrichloride-adduct of 4-bis[trimethylsilylamino]-1,2,4,3,5-triazadiphosphole was discovered. This hitherto unknown triazadiphosphole represents one of the few examples of a five-membered ring-molecule containing only phosphorus and nitrogen. This ring system was unequivocally characterized by X-Ray, Raman, NMR and MS analysis. Furthermore the Staudinger-type reaction of N,N´,N´-[tris(trimethylsilyl)]-hydrazino-diphenylphosphane with SP(N3)3 and and C3N12 in different stoichiometries were investigated. It is possible to substitute only one azide group in SP(N3)3 and up to two azide groups in C3N12 with (TMS)2N-(TMS)N-PPh2, resulting in the expected products. Upon heating of a solution of (TMS)2N-(TMS)N-PPh2 and SP(N3)3 a new eight-membered ring containing phosphorus and nitrogen in alternating order was obtained. The molecule contains a long pnicogene-chain (eleven atoms in total, three phosphorus- and eight nitrogen-atoms). The reactions of (NSCl)3 and NSCl2- with AgX salts (X = CN, SCN, OCN), as well as the reaction of (NSCl)3 with [PPh4]X (X = CN, SCN, OCN) and HgX (X = CN, SCN) have been investigated in a combined experimental and theoretical study. Additionally, the reaction of NSCl2- salts with hydride-transferring-agents like NaBH4 or NaBH3CN was studied. The thermodynamics as well as structure and bonding of the formation of NSX, NSX2- and NSXY- (X, Y = Cl, H, CN, SCN, OCN) have been studied. Unfortunately the preparation of these species did not suceed. The substitution of sulfur by selenium with SeO2, as reported by Rawson, was investigated on the salts of NSCl2- and S2N3+. These reactions resulted polymeric products and selenium; the formation of a nitrogen-selenium-species could not be confirmed.

The Mediator of transcriptional regulation is the central coactivator that enables a response of RNA polymerase II to activators and repressors. It is conserved from yeast to human and consists of 25 subunits in yeast that are organized in four modules called head, middle, tail, and CDK8/Cyclin C module. Despite its central role in transcription the functional mechanism remains enigmatic. To overcome the lack of detailed structural data on the Mediator a recombinant expression system was established that allows large-scale purifications of Mediator head module subcomplexes. It has been shown that via limited proteolysis assays and multicistronic expression the problems of insolubility and low expression rates of Mediator subunits can be overcome, paving the way for structural studies on subcomplexes of the Mediator head module. First data indicated that a reconstitution of the complete head module is within close reach. Large-scale copurification data led to a detailed interaction map of subunits and subcomplexes from within the head module and towards the middle module. The second part of this work describes the structure solution of a subunit in the CDK8/Cyclin C module – Cyclin C. Cyclin C binds the cyclin-dependent kinases CDK8 and CDK3, which regulate mRNA transcription and the cell cycle, respectively. The crystal structure of Cyclin C reveals two canonical five-helix repeats and a specific N-terminal helix. In contrast to other cyclins, the N-terminal helix is short, mobile, and in an exposed position that allows for interactions with proteins other than the CDKs. A model of the CDK8/Cyclin C pair reveals two regions in the interface with apparently distinct roles. A conserved region explains promiscuous binding of cyclin C to CDK8 and CDK3, and a non-conserved region may be responsible for discrimination of CDK8 against other CDKs involved in transcription. A conserved and Cyclin C-specific surface groove may recruit substrates near the CDK8 active site. Activation of CDKs generally involves phosphorylation of a loop at a threonine residue. In CDK8, this loop is longer and the threonine is absent suggesting an alternative mechanism of activation is discussed based on a CDK8-Cyclin C model.

Dense collagen implants were developed which can be easily manufactured by extrusion at room temperature without the need of organic solvents. The physicochemical properties (matrix surface pattern, apparent matrix density, melting temperatures and swelling behavior) of the collagen materials and matrices were investigated. Furthermore, the diffusion coefficients of water inside the collagen devices (5.76*E-02cm²/h) and of various FITC dextrans in solution (e.g. FITC dextran 70: 2.4*E-03cm²/h) were determined by PFG-NMR and FCS, respectively. The developed collagen devices were used to investigate the enzymatic collagen matrix degradation and the release of higher molecular weight drugs, e.g. proteins. Several processes, i.e. diffusion, swelling and erosion, contribute to the overall release profile from collagen devices. Since it was desired to obtain a delivery system which controls release mainly by erosion, insoluble collagen type I materials were used to enhance the resistance against enzymatic attack. Besides this, collagen was physically or chemically cross-linked in some experiments to further restrict collagen digestion and drug delivery. It was shown that model compounds like BSA or FITC dextran 20, 70 and 150, respectively, could be incorporated and that their delivery could be controlled by the used collagen matrix material, e.g. animal source or cross-linking degree, the matrix dimensions (length or diameter of the extrudates), the molecular weight of the incorporated model compound and the drug load. The in vitro release of FITC dextrans and BSA was investigated and delivery of 80% model drug was in the range between 7h and 5d. Comparsion of the in vitro and the in vivo release (monitored in adult domestic pigs) of BSA was made by ESR. Similar results were obtained and it was shown that the mechanism of release changed from mainly diffusion towards erosion control by increasing the degree of matrix cross-linking. The degradation of insoluble collagen type I by bacterial collagenase was studied in detail to gain further insights into the enzymatic hydrolysis of collagen. In contrast to a simple Michaelis-Menten kinetic, adsorption of collagenase onto the substrate surface plays an important role. Based on the obtained in vitro results a mathematical model was developed to describe drug release from collagen matrices undergoing enzymatic degradation. Equations for the collagen degradation and the drug release were implemented, adsorption and diffusion phenomena were incorporated and a mixture of experimentally determined and fitted parameters was used to feed the model. Good correlation between experimental and simulated data was found. Histological evaluations demonstrated that the developed minirods showed good biocompatibility, with only minor inflammation reactions and normal tissue remodeling. This emphasized the assumption that collagen extrudates could be used in vivo without surgical removal after drug depletion.

Maligne Erkrankungen sind die zweithäufigste Todesursache in den industrialisierten Nationen. Trotz intensiver Forschung in den letzten Jahrzehnten haben sich die Prognosen nur bei einigen Tumorentitäten signifikant verbessert. Die Hauptprobleme sind nach wie vor das Fehlen valider Marker für die Frühdiagnose und hohe Rezidivraten, die aufgrund mangelnder Detektion von disseminierten Tumorzellen entstehen. Tumorantigene erlangen eine immer wichtigere Bedeutung, da sie zur Visualisierung von okkulten Tumorzellen und als Zielstrukturen der spezifischen adoptiven Immuntherapie dienen können. Tumorantigene (TAs) bzw. eine gesteigerte humorale Antwort gegen TAs, besitzen außerdem ein großes Potenzial als zirkulierender Biomarker in der Frühdiagnose. In dieser Arbeit wurde am Beispiel von Karzinomen der oberen Atemwege eine neue Technik zur Identifizierung von TAs entwickelt (AMIDA, Autoantibody Mediated Identification of Antigens), welche einige Limitationen der bereits etablierten SEREX- und PROTEOMEX-Technik umgeht. AMIDA ermöglicht es, im Gegensatz zu SEREX, TAs zu identifizieren, die durch posttranslationale Modifikationen oder aberrante Lokalisationen immunogen wurden. Diese TAs sind häufig tumorspezifisch und eignen sich hervorragend als Biomarker oder als Zielstrukturen für Therapien. Der Vorteil von AMIDA gegenüber PROTEOMEX ist die Immunpräzipitation von Antigenen aus primären Tumorbiopsien mit autologen Serumantikörpern, vor der Auftrennung in einer 2D-Gelelektrophorese und der anschließenden Identifizierung der TAs im Massenspektrometer. Dadurch können TAs aus dem kompletten Proteom identifiziert werden und nicht nur aus der Proteinauswahl, die in einer klassischen 2D-Gelelektrophorese auftrennbar ist. AMIDA führte zur Identifizierung von 27 unterschiedlichen, potenziellen Tumorantigenen, wobei sechzehn TAs bis zum Zeitpunkt ihrer Identifizierung nicht mit malignen Erkrankungen und weitere vier nicht mit HRK assoziiert wurden. Hierbei stellte sich Zytokeratin 8 (CK8) als interessanter Marker für okkulte Tumorzellen heraus, da es bereits in hyperplastischem Rachenepithel vermehrt gebildet und in Neoplasien bzw. Metastasen ausschließlich von Tumorzellen stark überexprimiert wird. CK8 ist zudem ein interessantes Zielmolekül für Immuntherapien mit monoklonalen Antikörpern, da es auf Karzinomzellen ektopisch an der Zelloberfläche lokalisiert. Darüber hinaus zeigten Patienten mit HR-Karzinomen im Vergleich zu gesunden Probanden bereits in sehr frühen Tumorstadien eine deutlich gesteigerte humorale Antwort gegen CK8, was Serumantikörper gegen CK8 zu einem potenziellen zirkulierenden Biomarker in der Frühdiagnose macht. Zwei weitere AMIDA-TAs, AAA-TOB3 bzw. das hypothetische Protein KIAA1273, werden ebenfalls in HRK überexprimiert. Es konnte gezeigt werden, dass es sich bei AAA-TOB3 und KIAA1273 um zwei Isoformen handelt, die von einem Genlokus kodiert, jedoch von zwei unterschiedlichen Promotoren reguliert werden. Beide Isoformen sind Transmembranproteine, die in Mitochondrien lokalisieren und deren Expression direkt von c-Myc reguliert wird. Eine frühere Studie von Da Cruz (2003) zeigte, dass das murine Homolog von AAA-TOB3 pro-apoptotische Eigenschaften hat, wenn es in humanen Zellen überexprimiert wird. Dies konnte in dieser Arbeit für die humanen Isoformen nicht belegt werden. Im Gegenteil, die Repression der beiden Proteine führte zu einer vermehrten Apoptose. Dies lässt eher auf eine für das Zellwachstum bzw. die Zellproliferation notwendige Funktion dieser beiden Proteine schließen und könnte die Überexpression in Tumoren erklären.