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Abstract G‐quadruplexes have attracted growing interest in recent years due to their occurrence in vivo and their possible biological functions. In addition to being promising targets for drug design, these four‐stranded nucleic acid structures have also been recognized as versatile tools for various technological applications. Whereas a large number of studies have yielded insight into their remarkable structural diversity, our current knowledge on G‐quadruplex stabilities as a function of sequence and environmental factors only gradually emerges with an expanding collection of thermodynamic data. This minireview provides an overview of general rules that may be used to better evaluate quadruplex thermodynamic stabilities but also discusses present challenges in predicting most stable folds for a given sequence and environment.

Despite the extensive ongoing research, there still exist plenty of diseases whose mechanisms have not yet been fully understood, one such example being proteasome-related disorders. Over the last few years, an increasing number of studies have been initiated to elucidate their driving pathophysiological mechanisms. Determining the systematic effects of genomic alterations occurring in genes encoding 19S proteasome subunits is a key to comprehend the molecular basis of syndromic intellectual disability (ID) pathogenesis and the subsequent design of new targeted therapies. Therefore, the main objective of my research was to contribute to the identification of potential drivers of syndromic ID, and thereby pave the way for the development of new targeted therapy approaches. In this regard, my aim was to characterize tissue, proteomic and metabolomic changes in cells from patients with PSMC5 mutations and uncover a potential dysregulation of various biochemical and/or inflammatory pathways. To this end, I undertook a comparative examination of control and patient T cells expanded from peripheral blood mononuclear cells (PBMCs). First, I assessed the proteasome composition in these samples (both in its denaturized and native form), by means of SDS-PAGE, native PAGE and western-blotting. Moreover, I determined proteasome chymotrypsin-like activity by measure of Suc-LLVY-AMC peptidase activity assay. In addition, I analysed the activation status of the ER stress and mTOR pathway by RT-PCR and SDS-PAGE /western-blotting prior to a subsequent analysis of T-cell markers. The data show that the investigated p.(Pro320Arg) and p.(Arg201Trp) de novo heterozygous missense mutations in the PSMC5 gene do not cause haploinsufficiency as the steady-state expression level of the PSMC5/Rpt6 full-length protein does not vary between control and patient cells. Further analysis of control and patient T cells under non-reducing conditions revealed that PSMC5/Rpt6 mutants were less efficiently incorporated into 26S proteasome complexes than their wild-type counterparts. The failure to assemble PSMC5/Rpt6 into fully mature proteasomes was associated with a reduced proteasome chymotrypsin-like activity in patient T cells, as determined by in-plate assays. These data unambiguously demonstrate that both of the p.(Pro320Arg) and p.(Arg201Trp) PSMC5 mutations identified in patients suffering from syndromic ID are loss-of-function mutations. Interestingly, my data further show that proteasome dysfunction in these patients was accompanied by abnormalities in mTOR signalling and T-cell differentiation, as determined by western-blotting and flow cytometry, respectively. Altogether, our data identified for the first time PSMC5 as a disease-causing gene for a syndromic form of ID. How proteasome dysfunction caused by PSMC5 variants contributes to disease pathogenesis, remains to be fully determined.

The human pathogen Clostridioides difficile has evolved into the leading cause of nosocomial diarrhea. The bacterium is capable of spore formation, which even allows survival of antibiotic treatment. Although C. difficile features an anaerobic lifestyle, we determined a remarkably high oxygen tolerance of the laboratory reference strain 630Δerm. A mutation of a single nucleotide (single nucleotide polymorphism [SNP]) in the DNA sequence (A to G) of the gene encoding the regulatory protein PerR results in an amino acid substitution (Thr to Ala) in one of the helices of the helix-turn-helix DNA binding domain of this transcriptional repressor in C. difficile 630Δerm. PerR is a sensor protein for hydrogen peroxide and controls the expression of genes involved in the oxidative stress response. We show that PerR of C. difficile 630Δerm has lost its ability to bind the promoter region of PerR-controlled genes. This results in a constitutive derepression of genes encoding oxidative stress proteins such as a rubrerythrin (rbr1) whose mRNA abundance under anaerobic conditions was increased by a factor of about 7 compared to its parental strain C. difficile 630. Rubrerythrin repression in strain 630Δerm could be restored by the introduction of PerR from strain 630. The permanent oxidative stress response of C. difficile 630Δerm observed here should be considered in physiological and pathophysiological investigations based on this widely used model strain. IMPORTANCE The intestinal pathogen Clostridioides difficile is one of the major challenges in medical facilities nowadays. In order to better combat the bacterium, detailed knowledge of its physiology is mandatory. C. difficile strain 630Δerm was generated in a laboratory from the patient-isolated strain C. difficile 630 and represents a reference strain for many researchers in the field, serving as the basis for the construction of insertional gene knockout mutants. In our work, we demonstrate that this strain is characterized by an uncontrolled oxidative stress response as a result of a single-base-pair substitution in the sequence of a transcriptional regulator. C. difficile researchers working with model strain 630Δerm should be aware of this permanent stress response.

Zusammenfassung Im Rahmen immunologischer Erkrankungen, wie Autoimmun- oder inflammatorischer Erkrankungen, Erkrankungen des zentralen Nervensystems oder Krebserkrankungen spielen Peptidasen eine wichtige Rolle [1, 2]. Die Exopeptidasen Membran-Alanyl-Aminopeptidase N (APN/CD13) und Dipeptidylpeptidase IV (DP IV/CD26) sind essentiell für die Regulation vieler biologischer Prozesse, insbesondere für die Autoimmunität und die Inflammation [3-5]. Literaturdaten und Vorarbeiten verschiedener Arbeitsgruppen belegen immunmodulatorische Eigenschaften von Inhibitoren der enzymatischen Aktivität der APN. Sowohl in vitro als auch in verschiedenen Krankheitsmodellen der Maus in vivo, zeigten sich therapeutisch relevante immunsuppressive Effekte dieser Inhibitoren [7, 11]. Mechanistisch liegen diesen positiven Wirkungen unter anderem eine Hemmung der Produktion und Sekretion proinflammatorischer Zytokine, sowie die Verstärkung der Produktion und Sekretion immunsuppressiver Zytokine zu Grunde [5]. Die Inhibitoren scheinen auch einen immunmodulatorischen Einfluss auf den Wnt Signalweg zu haben, der als Signaltransduktionsweg wichtige Aufgaben in der Regulation von Zellmigration, Polarität, interzellulärer Kontakte und für die frühe Embryonalentwicklung übernimmt [47]. Im Rahmen dieser Arbeit wurde sowohl der Einfluss verschiedener Inhibitoren der APN als auch des genetischen CD13-Knockouts in Mäusen auf die Aktivierung verschiedener Mikrogliazellpopulationen und auf die Expression von Komponenten des Wnt Signalweges untersucht. In Abhängigkeit von der Aktivierung war sowohl eine gesteigerte Expression proinflammatorischer Zytokine, als auch eine Hemmung der Komponenten des Wnt Signalweges in BV2 Mikrogliazellen zu beobachten. In BV2 Mikrogliazellen konnten keine signifikanten Einflüsse durch die Inhibitoren A1.002 und IP10.C9 detektiert werden. Lediglich durch den CD13-Antikörper My 7 konnten immunsuppressive Effekte in aktivierten BV2 Mikrgoliazellen beobachtet werden. In CD13-Knockout Mäusen konnte eine signifikante Reduktion der Wnt 10b positiven Mikrogliazellen gezeigt werden. In der Zusammenschau aller Ergebnisse lassen sich regulatorische Zusammenhänge zwischen der Aktivität der Mikrogliazellen, sowie der APN und dem Wnt Signalweg aufzeigen. Daher erscheinen weiterführende Analysen in primären isolierten Mikrogliazellen sinnvoll, um die Bedeutung von Inhibitoren der APN in neuronalen Zellen zu ermitteln. Dabei spielen nicht nur die Inhibitoren selbst, sondern auch deren Inkubationsbedingungen im Verhältnis zur LPS-vermittelten Zellaktivierung eine entscheidende Rolle.

Vorhofflimmern (VHF) ist die häufigste Herzrhythmusstörung im Erwachsenenalter. In den kommenden Jahren und Jahrzehnten werden die Prävalenz und Inzidenz von Vorhofflimmern weiter zunehmen. Die VHF-assoziierten Pathomechanismen sind nicht vollständig geklärt. Derzeitige Therapieansätze sind oft nur zeitlich begrenzt wirksam, mit starken Nebenwirkungen behaftet und können aktuelle Beschwerden der Patienten zwar eindämmen, ein Fortschreiten der Krankheit aber nicht aufhalten. Daher ist es notwendig, weitere Untersuchungen auf Ebene der Zellregulation und Zellkommunikation zu fördern, um das Wissen über Entwicklung, Progression und Reversibilität von VHF-assoziierten Remodeling-Prozessen zu erweitern und neue therapeutische Interventionspunkte zu identifizieren. VHF-induzierte atriale Remodeling-Prozesse werden maßgeblich und zum Teil ursächlich durch reversible Veränderungen der Protein-Phosphorylierung verursacht. In vorherigen Arbeiten des Labors konnten bereits im Rahmen von Phosphoproteom-Analysen Proteine in HL-1 Zellen detektiert werden, die nach Rapid Pacing (RP) auffällig differentiell reguliert waren. In der vorliegenden Arbeit erfolgte die Analyse und Verifizierung dieser Proteine nach kontinuierlichem und Intervall-RP von HL-1 Zellen auf mRNA- und Proteinebene. Der Vergleich der im HL-1-Modell erhaltenen Daten mit denen, die aus atrialem Gewebe von Patienten in SR und VHF gewonnen wurden, soll Rückschlüsse auf klinisch und therapeutisch potenziell relevante Signalwege und Pathomechanismen bei VHF geben. Es stellte sich heraus, dass RP keinen Einfluss auf die mRNA-Expression von DDR2, OBSCN, SGK223, MARK2 und eingeschränkt auf JPH2 und GPX1 in HL-1 Zellen hatte. Lediglich nach Intervall-RP war die mRNA-Menge von JPH2 erhöht und von GPX1 reduziert. Sowohl nach kontinuierlichem als auch nach Intervall-RP war die Genexpression der Proteine SNIP1 und SBK2 stark reduziert. Gleichzeitig stellte sich eine ebenso stark reduzierte SBK2 Proteinexpression sowohl in den HL-1 Zellen als auch im humanen Vorhofgewebe bei VHF dar. In der immunhistochemischen Untersuchung atrialer Gewebeschnitte präsentierte sich SBK2 im Zytoplasma, entlang der Zellmembran und vesikelartig im perinukleären Raum der humanen Kardiomyozyten. RP und VHF hatten keinen Einfluss auf die Gen- und Proteinexpression von MARK2 in den HL-1 Zellen und im humanen Vorhofgewebe. In der Untersuchung der Protein-Phosphorylierung von MARK2 an Thr208 ergaben sich allerdings Diskrepanzen zwischen den murinen und humanen Zellen. Mithilfe der Immunfluoreszenz wurde in den humanen Kardiomyozyten für MARK2 eine regelmäßige Anordnung in longitudinaler Ausrichtung und zwischen den Z-Linien nachgewiesen. Eine VHF-abhängige durch Phosphorylierung vermittelte subzelluläre Translokation von MARK2 konnte ausgeschlossen werden. Diese RP-assoziierten Veränderungen im Phosphoproteom sind am atrialen Remodeling, bei der Erhöhung des oxidativen Stresses und der Aktivierung des TGF-β- und NF-κB-Signalwegs involviert. Des Weiteren wird ein Zusammenhang zwischen MARK2 und dem Wnt-Signalweg vermutet. In weiterführenden Arbeiten sollten Untersuchungen der spezifischen Effekte von Protein-Phosphorylierungen und der Protein-Protein-Interaktionen erfolgen. Da zu den kardialen Funktionen von SBK2 keine Daten vorliegen, könnten mithilfe des Knock-outs von SBK2 (Knock-out Maus oder CRISPR-Cas9 Knock-out in HL-1 Zellen) grundlegende Aussagen zu dessen Rolle im gesunden Herzen oder bei VHF erhalten werden.

The failure of insulin-producingβ-cells is the underlying cause of hyperglycemia in diabetes mellitus.β-cell decay has been linked to hypoxia, chronic inflammation,and oxidative stress. Thioredoxin (Trx) proteins are major actors in redox signaling and essential for signal transduction and the cellular stress response. We haveanalyzed the cytosolic, mitochondrial, and extracellular Trx system proteins in hypoxic and cytokine-induced stress usingβ-cell culture, isolated pancreatic islets, andpancreatic islet transplantation modelling low oxygen supply.Protein levels of cytosolic Trx1 and Trx reductase (TrxR) 1 significantly decreased, while mitochondrial Trx2 and TrxR2 increased upon hypoxia and reox-ygenation. Interestingly, Trx1 was secreted byβ-cells during hypoxia. Moreover, murine and human pancreatic islet grafts released Trx1 upon glucose stimulation.Survival of transplanted islets was substantially impaired by the TrxR inhibitor auranofin.Since a release was prominent upon hypoxia, putative paracrine effects of Trx1 onβ-cells were examined. In fact, exogenously added recombinant hTrx1 mitigatedapoptosis and preserved glucose sensitivity in pancreatic islets subjected to hypoxia and inflammatory stimuli, dependent on its redox activity. Human subjects werestudied, demonstrating a transient increase in extracellular Trx1 in serum after glucose challenge. This increase correlated with better pancreatic islet function.Moreover, hTrx1 inhibited the migration of primary murine macrophages.In conclusion, our study offers evidence for paracrine functions of extracellular Trx1 that improve the survival and function of pancreaticβ-cells.

Die miRNAs sind an der Regulation der Genexpression und somit an der zellulären Proteinbiosynthese beteiligt. Die Expressionsmuster von miRNAs unterscheiden sich sowohl bei Entwicklung als auch bei verschiedenen Stadien von Tumoren, sodass sie zu interessanten Kandidaten als prognostische Biomarker werden können. In der vorliegenden Arbeit stand die Überexpression der miR-3687 im Vordergrund. Ihre Rolle als pro- oder antionkogen agierende miRNA sollte untersucht werden. Mithilfe der Transfektion prostataspezifischer kastrationssensibler sowie kastrationsresistenter Zelllinien konnte eine Überexpression der miR-3687 in Prostatagewebe simuliert werden. Um den Erfolg der Zelltransfektion zu quantifizieren, wurde die stem – loop RT-qPCR etabliert. Mittels Massenspektrometrie konnten die differentiell exprimierten Proteine analysiert werden. Zur Anwendung kamen 2 verschiedenen Verfahren, gelfrei sowie gelbasiert. Dabei ergaben sich deutliche zellspezifische Unterschiede. Im gelbasierten Ansatz wurden beispielsweise für PC-3 Zellen ca. 1685 Proteine, im gelfreien Ansatz bis zu 543 Proteine (bei min. 2 Peptide count) detektiert, die anhand statistischer Parameter ausgewählt wurden. Über Western Blot Experimente erfolgte die Verifizierung interessanter Proteine. Hierbei konnte gezeigt werden, dass PC-3 Zellen miR-3687 reguliert die kleine Isoform des Androgenrezeptors exprimieren. Insbesondere das Protein Vimentin zeigte unter miR-3687 Einfluss in den beiden kastrationssensiblen Zelllinien eine Expressionsminderung. Da es sich bei diesem Protein um einen Marker für den epithelial mesenchymalen Übergang handelt, könnte die Überexpression der miR-3687 der Metastasierung von Krebszellen entgegenwirken und so einen neuen Therapieansatz darstellen. Hinweise auf einen antionkogenen Effekt ergeben die verminderte Expression des Androgenrezeptors in den kastrationsresistenten Zelllinien, die signifikant verminderte Expression des Tumorproteins D52-IF1 sowie die verminderte Expression des Proteins β3-Tubulin in allen Zelllinien. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass eine Vielzahl an Proteinen durch miR-3687 reguliert werden. Bei weiterer Untersuchung der miR-3687 könnte geklärt werden, ob dessen Überexpression allgemein im Gewebe oder nur in ausgewählten Zelllinien antionkogene Wirkungen aufweist und damit tumorsupprimierend wirkt, sodass sich daraus eine spezifische Therapie, beispielsweise nur für das kastrationsresistente Stadium des Prostatakarzinoms, ergeben könnte.

Endogenous redox systems not only counteract oxidative damage induced by high levels of hydroxyl radicals (OH·) under pathological conditions, but also shape redox signaling as a key player in the regulation of physiological processes. Second messengers like hydrogen peroxide and nitric oxide, as well as redox enzymes of the Thioredoxin (Trx) family, including Trxs, glutaredoxins (Grxs), and peroxiredoxins (Prxs) modulate reversible, oxidative modifications of proteins. Thereby redox regulation is part of various cellular processes such as the immune response and Trx proteins have been linked in different disorders including inflammatory diseases. Here, we have analyzed the protein distribution of representative oxidoreductases of the Trx fold protein family—Trx1, Grx1, Grx2, and Prx2—in a murine model of allergic asthma bronchiale, as well as their potential therapeutic impact on type-2 driven airway inflammation. Ovalbumin (OVA) sensitization and challenge using the type-2 prone Balb/c mouse strain resulted in increased levels of all investigated proteins in distinct cellular patterns. While concomitant treatment with Grx1 and Prx2 did not show any therapeutic impact on the outcome of the disease, Grx2 or Trx1 treatment before and during the OVA challenge phase displayed pronounced protective effects on the manifestation of allergic airway inflammation. Eosinophil numbers and the type-2 cytokine IL-5 were significantly reduced while lung function parameters profoundly improved. The number of macrophages in the bronchoalveolar lavage (BAL) did not change significantly, however, the release of nitric oxide that was linked to airway inflammation was successfully prevented by enzymatically active Grx2 ex vivo. The Grx2 Cys-X-X-Ser mutant that facilitates de-/glutathionylation, but does not catalyze dithiol/disulfide exchange lost the ability to protect from airway hyper reactivity and to decrease NO release by macrophages, however, it reduced the number of infiltrating immune cells and IL-5 release. Altogether, this study demonstrates that specific redox proteins and particular enzyme activities protect against inflammatory damage. During OVA-induced allergic airway inflammation, administration of Grx2 exerts beneficial and thus potentially therapeutic effects.