Universität Stuttgart
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Item Open Access Ein maschinenbezogenes Qualitätssicherungssystem für die intensitätsmodulierte Strahlentherapie : Entwicklung, Einführung, Untersuchung und Vergleich mit einem patientenplanbezogenen Qualitätssicherungssystem(2013) Hummel, Daniel; Gromoll, Christian (PD Dr.-Ing. habil.)Die dosimetrische Verifikation jedes Patienten-Bestrahlungsplans ist aktuell das Standardverfahren zur Qualitätssicherung der IMRT. Aufgrund der Eigenschaften und Beschränkungen der dabei eingesetzten Strahlungsdetektoren, Verifikationsmethoden und Vergleichsverfahren ist jedoch nur eine begrenzte Dosisgenauigkeit und Ortsauflösung erreichbar. Die dafür festgelegten Toleranzen können häufig nicht an allen Messpunkten eingehalten werden. Zudem ist es bei steigender Anzahl an mit IMRT behandelten Patienten nicht mehr möglich, jeden einzelnen Plan messtechnisch zu verifizieren. In einem maschinenbezogenen Qualitätssicherungssystem kann auf die Messung jedes einzelnen Patientenplans verzichtet werden, wenn alle IMRT-relevanten Kennmerkmale separat konstanzgeprüft werden. Ein solches QS-System wurde für eine Klinik entwickelt, eingeführt und getestet. Mittels einer täglich durchgeführten Testsequenz und wenigen zusätzlichen Messungen können alle wichtigen Kennmerkmale in kleinen Prüfintervallen geprüft und engere Toleranzen eingehalten werden. Damit sind eine höhere Dosisgenauigkeit, Patientensicherheit und Behandlungsqualität erreichbar. Für große Patientenzahlen ist ein maschinenbezogenes QS-System zudem effizienter als ein patientenplanbezogenes.Item Open Access Development of artificial single and double reading domains to analyze chromatin modification patterns(2018) Mauser, Rebekka; Jeltsch, Albert (Prof. Dr.)The unstructured N-terminal tails of histone proteins carry many different post-translational modifications (PTMs), like methylation, acetylation or phosphorylation. These PTMs can alter the chromatin structure, influence the interaction of adjacent nucleosomes and serve as specific binding sites for histone interacting domains. Currently, the investigation of histone tail PTMs is mainly based on antibodies, however concerns about the specificity of these antibodies and reproducibility of data arouse. Therefore, it was one aim of this thesis to develop alternative approaches to histone tail PTM antibodies. Previous studies already showed that histone modification interacting domains (HiMIDs) can replace histone tail antibodies in a highly effective manner. As part of this work, the TAF3 PHD domain was established as new H3K4me3 specific HiMID. In peptide array binding and Far-western blot assays, the domain showed a specific interaction with H3K4me3 modifications. Also in ChIP like experiments (CIDOP: Chromatin Interacting Domain Precipitation) coupled to qPCR and next generation sequencing, the domain showed a similar performance as validated H3K4me3 antibodies. With the proposal of the histone code hypothesis the question was raised if combinations of histone modifications carry specific biological functions. However, so far, the experimental analysis of the co-occurrence of histone modification on the same nucleosome in a genome-wide manner is a challenging task. For this reason, the main aim of this work was to develop double reading domains in which two histone reading domains are fused together with a flexible linker to achieve simultaneously readout of dual histone tail modifications in a single CIDOP experiment. To validate the concept, the Dnmt3a PWWP domain and the MPP8 Chromo domain were fused together and their specific recognitions of H3K36me2/3 and H3K9me3 histone tail modifications were analyzed. Biochemical investigations like peptide arrays, Far-western blot and western blot experiments showed that both domains specifically interact with their targets and preferentially interact with double modified chromatin. Additionally, the preferred interaction with double modified chromatin could be further verified with binding pocket mutants and methyl-lysine analogues. The newly generated double domain was used in chromatin precipitation experiments to identify genome regions where both modifications are present. The genome-wide distribution of the H3K36me2/3-H3K9me3 showed that this combination of histone marks represents a novel bivalent chromatin state, which is associated with weakly transcribed genes and is enriched for binding sites of ZNF274 and SetDB1. Also in this work, mixed peptide arrays were introduced as new screening method for the efficient analysis of double reading domains. The naturally occurring double reading domain of the BPTF protein was used to demonstrate the capability of this new screening tool. BPTF contains a PHD domain, which binds to H3K4me3 and a Bromo domain, which interacts with acetyl groups of the H4 tail. Synergistic binding to both peptides was shown using the newly developed mixed peptide arrays. Additionally, in the course of this work mixed peptide arrays were used to optimize several of the designed double reading domains. Furthermore, some other double reading domains were generated in this work, like PWWP-ATRX, MPP8 Chromo domain-L-double Tudor and CBX7 Chromo domain-L-MPP8 Chromo domain and analyzed for specific dual readout. Also double reading domains with dual specificity for DNA methylation and histone marks were generated. The firstly used methyl-DNA binding domain of the MBD2 protein showed a strong binding, dominating the effect of the HiMIDs. Therefore, the weaker but still specific methyl-DNA binding domain of the MBD1 protein was used. First experiments with this new fusion constructs showed a simultaneously interaction with chromatin which is associated with DNA methylation and histone PTMs. In summary, the studies with double reading domains showed that with this novel method precipitation of double modified chromatin is possible and that the genome-wide investigation of newly studied bivalent chromatin states is feasible. Therefore, this novel approach makes it possible to analyze many different combinations of histone modifications, investigate their influence on chromatin and gain a deeper understanding of the biological role behind histone tail modification patterns.Item Open Access Molekulare Mechanismen der pro-apoptotischen Kooperation zwischen TNF-R1 und Nicht-Todesrezeptoren der TNF-Rezeptorfamilie(2002) Fotin-Mleczek, Mariola; Scheurich, Peter (Prof. Dr.)Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die molekularen Mechanismen der apoptotischen Kooperation zwischen dem Todesrezeptor TNF-R1 und den Nicht-Todesrezeptoren der TNF-Rezeptorfamilie, insbesondere dem TNF-R2, aufzuklären. Es wurde hier gezeigt, dass die Art der zellulären Antwort, die vom TNF-R1 ausgeht, stark von der Dauer der TNF-Stimulation abhängen kann. So reicht ein TNF-Puls aus um den Transkriptionsfaktor NF-kB zu aktivieren, ist aber nicht hinreichend, um die apoptotische Zellmaschinerie in Gang zu setzen. Die Ko- und Vorstimulation des TNF-R2 konnten die TNF-vermittelte Apoptose-Induktion erhöhen und beschleunigen. Die Verstärkung der Apoptose korrelierte dabei mit der Zeitkinetik der TNF-R2-induzierten TRAF2-Depletion. Eine TNF-R2-Stimulation von 6 Stunden führte zu einer fast vollständigen Depletion von TRAF2 aus dem Zytoplasma, verstärkte den TNF-R1-vermittelten Zelltod dramatisch und inhibierte gleichzeitig die TNF-R1-induzierte NF-kB-Aktivierung zu 90%. Wurden die beiden TNF-Rezeptoren gleichzeitig aktiviert, so konnte noch immer eine beträchtliche Verstärkung der TNF-R1-induzierter Apoptose beobachtet werden, während die TNF-R1-vermittelte NF-kB-Aktivierung unbeeinflusst blieb. Mit Hilfe von der konfokalen Laserscanning-Mikroskopie konnte nachgewiesen werden, dass die Stimulation der Nicht-Todesrezeptoren CD40 und TNF-R2 zur TRAF2-abhängigen Rekrutierung der anti-apoptotischen Moleküle cIAP1 und cIAP2 an die Rezeptoren führte. Dies zeigt, dass der TNF-R1 und die Nicht-Todesrezeptoren der TNF-Rezeptorfamilie nicht nur um TRAF2 sondern auch um die mit TRAF2 assoziierten Schutzproteine kompetieren können. Diese Kompetition bildet den Kern des Modells zur apoptotischen Kooperation der beiden TNF-Rezeptoren. Demnach kann die Stimulation des TNF-R2 die TNF-R1-induzierte Apoptose auf zwei Ebenen verstärken: über die Inhibierung der NF-kB-abhängigen Induktion von Schutzproteinen und durch die Inhibition ihrer Schutzwirkung auf der post-transkriptionellen Ebene durch Kompetition. In beiden Fällen wird die Ausbildung eines Caspase-8-aktivierenden TNF-R1-Signalkomplexes ermöglicht. In vivo werden die Rezeptoren der TNF-Rezeptorfamilie auch durch membranständige Liganden aktiviert. Daher wurden im zweiten Abschnitt dieser Arbeit die Interaktionen zwischen TNF-R2, CD40 und ihren membranständigen Liganden analysiert. Unter Anwendung der Laser-Scanning-Mikroskopie und von Kokulturen konnte demonstriert werden, dass in Zell-Zell-Kontakten die Rezeptoren der TNF-Rezeptorfamilie mit ihren membranständigen Liganden Superaggregate bilden. Diese Aggregate entstehen innerhalb von 30 Minuten nach dem Zusammentreffen zweier Zellen, von denen eine den Rezeptor und die andere den membranständigen Ligand exprimiert. Die Rezeptor-Ligand-Superaggregate bleiben über mehrere Stunden stabil, wobei sich ihre Form und Lage stets verändern. Im Weiterem wurde beobachtet, dass die Rezeptor-Ligand-Superaggregate signalfähige Rezeptor-Komplexe enthalten. So wurde z.B. TRAF2 in die TNF-R2/memTNF-Aggregate rekrutiert. Wurde der CD40 mit einem löslichen CD40-Ligand stimuliert, so wurde die Internalisierung und möglicherweise der Abbau des Rezeptors beobachtet, nicht jedoch nach der Stimulation mit dem membranständigen Ligand. Dies deutet darauf hin, dass sich die Qualität der Bindung zwischen dem Rezeptor und seinem membranständigen Liganden wesentlich von der Interaktion des Rezeptors mit den löslichen Reagenzien unterscheidet.Item Open Access Beiträge zur Biologie, Chorologie, Ökologie und Taxonomie der neophytischen Melde Atriplex micrantha und verwandter Arten(2004) Schwarz, Oliver Christoph; Kull, Ulrich (Prof. Dr.)Atriplex micrantha ist ein Neopyht, dessen Vorkommen in Mitteleuropa seit fast hundert Jahren belegt werden konnte. Die Verbreitung entlang baden-württembergischer Autobahnen und Bundesstraßen, der Stand ihrer weltweiten Verbreitung, ihre Habitat-Ansprüche und ihre Begleitflora wurden untersucht. Es konnten neue Merkmale identifiziert werden, die in Bestimmungsschlüssel einflossen. Die gültige Nomenklatur wurde für A. micrantha, A. aucheri, A. hortensis, A. sagittata und A. oblongifolia recherchiert und Abbildungen der Typusbelege nachgewiesen. Die Fundgeschichte der A. micrantha am Locus classicus sowie die ersten Funde in Westeuropa wurden dargestellt. Die Qualität der in der Bestimmungsliteratur veröffentlichten Abbildungen der genannten Arten wurde miteinander verglichen und diskutiert. Eine entdeckte Unterart der A. micrantha wurde neu beschrieben. Es konnte anhand den ribosomalen ITS-Gensequenzen von 14 Arten nachgewiesen werden, dass A. micrantha, A. prostrata und A. patula in Übereinstimmung mit der morphologischen Einteilung zur Sektion Teutliopsis Dumort. gehören. A. oblongifolia muss jedoch entgegen ihrer bisherigen Zuordnung zur Sektion Teutliopsis der Sekt Dichospermum Dumort. zugeordnet werden. Außerdem wurden ökophysiologische Untersuchungen (Salztoleranz, Keimung, Wasserhaushalt, Photosynthese) von Atriplex micrantha und anderen Melden durchgeführt.Item Open Access Strukturelle und funktionelle Charakterisierung von RERE, einem Gen mit möglicher Relevanz bei der Tumorentstehung(2001) Wärner, Thomas Michael; Pfizenmaier, Klaus (Prof.)RERE (RE repeats encoded) ist ein kürzlich beschriebenes Gen welches in der distalen Region von Chromosom 1p lokalisiert ist. Für diese genomische Region wurde durch molekularbiologische und zytogenetische Studien eine konsistente strukturelle Veränderung in verschiedenen menschlichen Tumoren nachgewiesen. Die Neuroblastom Zelllinie NGP enthält eine reziproke chromosomale Translokation/Duplikation in dieser genomischen Region. Die genomische Sequenz von RERE wurde als die den Bruchpunkt überlagernde Sequenz in der Zelllinie NGP nachgewiesen. In dieser Arbeit wurde die genomische Struktur von RERE beschrieben und die cDNA einer neuen RERE Splicevariante isoliert. In allen untersuchten humanen Geweben wurden mittels Northern blotting zwei dominante RERE-Transkripte nachgewiesen und diese als mögliche Splice Varianten identifiziert. Darüber hinaus wurde in allen untersuchten Tumorzelllinien mittels Western blotting zwei dominante Proteinbanden mit einem RERE Immunserum nachgewiesen. In 2 von 18 untersuchten Tumorzelllinien wurde zusätzlich jeweils eine kleinere dominante Proteinbande detektiert. Weiterhin konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, daß überexprimiertes RERE in PML Oncogenic Domains (PODs) lokalisiert ist und mit den pro-apoptotischen Proteinen PML, BAX und mit Mitochondrien kolokalisiert. Bei RERE transfizierten Zellen wurde durch unterschiedliche Methoden Apoptose nachgewiesen. Durch die Untersuchung verschiedener RERE Proteinfragmente (gesamtes RERE und N- oder C-terminale Deletionsmutanten von RERE) konnte die Region beschrieben werden, die eine Kolokalisierung von RERE und PODs unterstützt und nachdem sie in verschiedene Zelllinien transfiziert wurde, mit dem Nachweis von Apoptose korreliert. Die Ergebnisse dieser Arbeit geben einen ersten Hinweis auf die Funktion von RERE. RERE könnte eine Verbindung zwischen PODs und der Kontrolle von Apoptose darstellen und somit eine wichtige Rolle bei der Tumorentstehung spielen.Item Open Access Molekulare Mechanismen der Antiöstrogenwirkung beim Mammakarzinom(2002) Buck, Miriam; Pfizenmaier, Klaus (Prof. Dr.)Antiöstrogene haben sich als sehr effektiv in der Behandlung hormon-responsiver Mammakarzinome erwiesen. Im Verlauf der Therapie kommt es jedoch in der Regel zu einem Verlust der anithormonellen Wirkung. Die an der Entstehung der Antihormonresistenz beteiligten Mechanismen sind weitgehend ungeklärt. Ein entscheidender Schritt zur Aufklärung der antihormonellen Wirkung war die Beobachtung, dass die Behandlung hormonsensitiver Mammakarzinomzellen zu einer Aktivierung des inhibitorischen Wachstumsfaktors TGFb führt. Am Modell-System hormon-sensitiver MCF-7 Mammakarzinomzellen wurde im Rahmen dieser Arbeit die Beteiligung des TGFb-Systems an der Wirkung des nicht-steroidalen, partiellen Antiöstrogens 4-Hydroxytamoxifen und des steroidalen, reinen Antiöstrogens ICI 182.780 untersucht. Die Ergebnisse sollen zum besseren Verständnis der Interaktionen zwischen Hormonen und Wachstumsfaktoren und den damit im Zusammenhang stehenden Mechanismen der Antiöstrogenresistenz beitragen. Im Mittelpunkt des ersten Teils der Arbeit stand die antiöstrogene Regulation des TGFb-Systems. Untersucht wurde die Expression der Liganden TGFb1 und TGFb2, der Rezeptoren TbRI und TbRII und von Smad7. Zur genauen Quantifizierung der mRNA-Expression dieser Gene wurden spezifische LightCycler RT-PCRs etabliert. Es konnte gezeigt werden, dass nicht nur TGFb2 sondern auch TbRII einer antihormonellen Regulation unterliegt. Die Stärke der Induktion beider Gene korrelierte mit der wachstumsinhibitorischen Wirkung der Antiöstrogene. Smad7 wurde nur schwach durch Antiöstrogen induziert, TGFb1 und TbRI gar nicht. Im zweiten Teil der Arbeit wurde versucht Aufschluss darüber zu erhalten, welche Zweige des komplexen TGFb Signaltransduktionssystems an der antiöstrogenen Wirkung beteiligt sind. Als Endpunkt wurde u.a. die Aktivierung TGFb-sensitiver Promotoren untersucht. Das Reporterplasmid p3TP-lux wurde durch Antiöstrogene ca. 2fach stärker aktiviert als durch TGFb. Über Koexpression dominant-negativer TGFb-Rezeptoren und dominant-negativer Smad4-Proteine konnte gezeigt werden, dass die anitöstrogene Aktivierung von p3TP-lux TGFb vermittelt ist und über den Smad-Signaltransduktionsweg verläuft. Obwohl das steroidale Antiöstrogen ICI 182.780 einen deutlich stärkeren Effekt auf das TGFb-System hat als das partielle Antiöstrogen 4-Hydroxytamoxifen, war die Aktivierung von p3TP-lux durch beide Antiöstrogene annähernd gleich stark. Für eine vollständige Aktivierung von p3TP-lux ist eine Kooperation zwischen einem TGFb aktivierten Smad-Komplex und c-Jun/c-fos notwendig. Die Induktion von c-fos wird jedoch durch steroidale Antiöstrogene blockiert und kommt daher als Ursache der geringen Induktion von p3TP-lux durch ICI 182.780 in Frage. Da TGFb seine Wirkung neben dem Smad-Signaltransduktionsweg auch über MAP-Kinase-Wege entfalten kann, wurde mit Hilfe spezifischer pharmakologischer Inhibitoren die Beteiligung des MEK/Erk- und des p38-MAP-Kinase-Weges an der antihormonellen Wachstumsinhibition untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass der p38-Weg über die Induktion von TGFb2 und TbRII an der antihormonellen Wachstumsinhibition beteiligt ist. Zusammenfassend wurde im Rahmen dieser Arbeit gezeigt, dass Antiöstrogene verschiedene Gene des TGFb-Signaltransduktionssystems differenziell regulieren. Die Untersuchungen zur Beteiligung der TGFb-Signaltransduktionswege an der antihormonellen Wirkung weisen darauf hin, dass diese differenzielle Regulation, durch die spezifische Aktivierung einiger TGFb-Signaltransduktionswege (Smad, p38) und gleichzeitige Inhibition anderer (MEK/Erk) erreicht wird. Da die Signaltransduktionswege in unterschiedlichem Ausmaß zur Aktivierung der verschiedenen Promotoren beitragen, kommt es unter Antiöstrogeneinfluss zu einer Modifizierung des TGFb induzierten Genexpressionsmusters und der spezifisch antiöstrogenen Wirkung.Item Open Access Transformation von B. subtilis 168 : Optimierung und Regulation des Transkriptionsfaktors ComK(2017) Franzen, Regine; Mattes, Ralf (Prof. Dr. rer. nat.)Item Open Access Cytosolic protein quality control of the orphan protein Fas2, a novel physiological substrate of the E3 ligase Ubr1(2013) Scazzari, Mario; Wolf, Dieter H. (Prof. Dr.)Cellular protein quality control (PQC) monitors the proper folding of polypeptides, assembly of protein subunits into protein complexes as well as the delivery of terminally misfolded proteins to degradation. The components of PQC known best at the moment are molecular chaperones and the ubiquitin proteasome system. In contrast to the well-described protein quality control system of the endoplasmic reticulum (ERAD), less is known about how misfolded proteins in the cytosol are recognized and degraded. The cytosolic fatty acid synthase complex (FAS) of Saccharomyces cerevisiae, which is composed of six Fas1- and six Fas2-subunits, is rather stable to proteolysis in vivo. In the absence of the Fas1 subunit (FAS1 deletion strain) the remaining Fas2 subunit becomes an orphan protein which is proteolytically unstable and is targeted to the 26S proteasome for degradation (Egner et al, 1993). In my work, I used the orphan Fas2 protein as object of investigation in order to identify new cellular components that are involved in the recognition and degradation of a natural unassembled protein subunit in S. cerevisiae. In addition, it was elucidated how these newly identified factors act in the quality control process of a naturally occurring orphan protein. Due to previous reports (Heck et al, 2010; Prasad et al, 2010) showing that some cytosolic misfolded proteins are imported into the nucleus for proteasomal degradation the cellular localization of orphan Fas2 was determined. Using laser-scanning microscopy it could be shown that C-terminally EGFP-tagged (enhanced green fluorescent protein) orphan Fas2 is localized to the cytosol, thus representing a potential substrate for the cytosolic quality control system (CytoQC). Furthermore, glycerol step density gradient centrifugation experiments revealed that the majority of the orphan Fas2 proteins are organized in high molecular assembly intermediates, which consist mostly of Fas2 homohexamers. By using the thermosensitive ssa1-45 mutant carrying in addition the gene deletions of SSA2, SSA3 and SSA4, it could be shown that the proteasomal degradation of the orphan protein is dependent on the Hsp70 chaperone Ssa1. It is likely that Ssa1 is required for keeping orphan Fas2 soluble. All members of the Hsp90-, Hsp100-, and Hsp110-chaperone family as well as the small heat shock proteins Hsp26 and Hsp42 were shown to have no effect on the degradation of orphan Fas2. Selected members of the Hsp40 chaperone family, including Apj1, Xdj1 and even Ydj1 also did not show a significant influence on the Ssa1-dependent elimination of the substrate. To prove whether other components of the UPS than the proteasome are required for degradation of orphan Fas2 different E2- and E3 gene deletion mutants were analyzed. It was found that the elimination of orphan Fas2 is strongly delayed in a strain carrying a UBC2 UBC4 double deletion. As single deletions of UBC2 and UBC4 have no significant effect on the turnover of the substrate, it can be assumed that these E2 enzymes have complementing functions in the degradation process of orphan Fas2. In a search for the responsible E3 ubiquitin ligase(s) required for orphan Fas2 degradation the E3 RING ligase Ubr1 was identified. Deletion of UBR1 leads to a strongly delayed degradation of orphan Fas2. The expression of an Ubr1 RING mutant (C1220S) or of an Ubr1 type-1 N-end rule mutant (D176) from a high-copy plasmid in the UBR1 deletion strain cannot complement the strongly delayed degradation of orphan Fas2. In contrast, the stabilization of the orphan protein in the UBR1 deletion strain is reversed, when the same strain harbours a high-copy plasmid expressing wild type Ubr1 or an Ubr1 type-2 N-end rule mutant (P406S) or even a cytosolically-located version of the nuclear E3 RING ligase San1 due to deletion of the nuclear localization sequence. Interaction studies revealed that the E3 RING ligase Ubr1 is physically associated with orphan Fas2. In addition, it was found that Ubr1 mutants harbouring either a defect RING domain or a defect in one of the N-end rule substrate-binding sites (type-1 or type-2) were still able to physically interact with orphan Fas2. Further studies showed that the physical association of orphan Fas2 and Ubr1 remains stable in the conditional ssa1-45 mutant carrying in addition deletions of SSA2 to SSA4. This indicates that already E3-bound orphan Fas2 may not require a functional peptide-binding domain of Ssa1 to maintain the physical contact to Ubr1. Finally, the AAA-ATPase Cdc48 was identified to be necessary for the elimination process of orphan Fas2. Cdc48 may function in the dissociation process of orphan Fas2 assembly intermediates, which mainly consist of Fas2-homohexamers.Item Open Access Regulation of the catalytic activity and specificity of DNA nucleotide methyltransferase 1(2014) Bashtrykov, Pavel; Jeltsch, Albert (Prof. Dr.)DNA nucleotide methyltransferase 1 (Dnmt1) is mainly responsible for the maintenance of DNA methylation in mammals and plays a crucial role in the epigenetic control of gene expression. Dnmt1 recognizes and methylates hemimethylated CpG sites formed during DNA replication. In the present work, the mechanistic details of the substrate recognition by the catalytic domain of Dnmt1, the possible role of the CXXC and RFTS domains of Dnmt1 in the regulation of specificity and activity of Dnmt1, and the influence of the Ubiquitin-like PHD and RING finger domain-containing 1 (Uhrf1) protein on the enzymatic properties of Dnmt1 was investigated. Using modified substrates, the functional roles of individual contacts of the Dnmt1 catalytic domain with the CpG site of the DNA substrate were analysed. The data show that the interaction with the 5-methylcytosine:guanine pair is required for the catalytic activity of Dnmt1, whereas the contacts to the non-target strand guanine are not important, since its replacement with adenine increased the activity of Dnmt1. It was proposed that the CXXC domain binding to unmethylated CpG sites increases the specificity of Dnmt1 for hemimethylated DNA. Our data showed that the CXXC domain does not influence the enzyme’s specificity in the full-length Dnmt1. In contrast, mutagenesis in the catalytic domain introducing an M1235S exchange resulted in a significant reduction in specificity. Therefore, the readout for the hemimethylated DNA occurs within its catalytic domain. It was observed in a crystal structure that the RFTS domain of Dnmt1 inhibits the activity of the enzyme by binding to the catalytic domain and blocking the entry of the DNA. By amino acid substitution in the RFTS domain its positioning within the catalytic domain was destabilized and a corresponding increase in the catalytic rate was observed, which supports this concept and suggests a possible mechanism to allosterically regulate the activity of Dnmt1 in cells. Uhrf1 has been shown to target Dnmt1 to replicated DNA, which is essential for DNA methylation. Here it is demonstrated that Uhrf1 as well as its isolated SRA domain increase the activity and specificity of Dnmt1 in an allosteric mechanism. The stimulatory effect was independent of the SRA domain’s ability to bind hemimethylated DNA. The RFTS domain of Dnmt1 is required for the stimulation, since its deletion or blocking of its interaction with the SRA domain, significantly reduced the ability of Uhrf1 to increase the activity and specificity of Dnmt1. Uhrf1, therefore, plays multiple roles that support DNA methylation including targeting of Dnmt1, its stimulation and an increase of its specificity.Item Open Access Steigerung der Nitril-Hydratase-Aktivität der Nitrilase aus Pseudomonas fluorescens EBC191(2013) Sosedov, Olga; Stolz, Andreas (Prof. Dr.)Chirale 2-Hydroxycarbonsäuren und 2-Hydroxycarboxamide sind wichtige Syntheseprodukte in der organischen Chemie. Die enzymatische Synthese von optisch aktiven 2-Hydroxycarboxamiden und 2-Hydroxycarbonsäuren kann prinzipiell aus optisch aktiven Cyanhydrinen (2-Hydroxynitrilen) unter Verwendung von Nitril-Hydratasen oder Nitrilasen erfolgen. Die praktische Anwendung von Nitril-Hydratasen in der Synthese der 2-Hydroxycarboxamide wird durch Probleme bei der rekombinanten Expression, der Substratspezifität und der Cyanid-Sensitivität vieler Nitril-Hydratasen limitiert. Die beschriebenen Probleme könnten möglicherweise durch den Einsatz von Nitrilasen umgangen werden, da viele Nitrilasen neben ihren Hauptprodukten (den korrespondierenden Carbonsäuren) auch die entsprechenden Amide als Nebenprodukte bilden. Die Nitrilase aus dem Bakterium Pseudomonas fluorescens EBC191 setzt eine Vielzahl an 2-substituierten Nitrilen zu Produktgemischen mit unterschiedlichen Säure/Amid-Verhältnissen um und weist in einigen Fällen eine signifikante Nitril-Hydratase-Aktivität auf. Daher wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit diese Nitrilase mit den Methoden des Protein Engineering dahingehend modifiziert, dass sie Nitrile primär zu Amiden umsetzte. Es wurden hierbei Strategien des rationalen Protein-Designs und der gerichteten Evolution eingesetzt. Aus vorangegangenen Arbeiten waren Nitrilasevarianten bekannt, die nach Deletionen des C-terminalen Bereichs oder durch unterschiedliche Aminosäure-Austausche in der Nähe des katalytischen Zentrums erhöhte Nitril-Hydratase-Aktivitäten aufwiesen. Hierbei waren Enzymvarianten gefunden worden, die aus (R,S)-Mandelonitril bis zu 50% Mandelamid bildeten. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene Enzymvarianten erzeugt, die diese Mutationen in verschiedenen Kombinationen enthielten. Hierbei konnte ein kumulativer Effekt beobachtet und Enzymvarianten generiert werden, die aus (R,S)-Mandelonitril bis zu 70% Mandelamid produzierten. Im Rahmen der gerichteten Evolution der Nitrilase aus P. fluorescens EBC191 wurde mit Hilfe einer fehlerbehafteten PCR eine Bibliothek des modifizierten Nitrilasegens erzeugt. Ein Screening-Verfahren wurde entwickelt und optimiert, dass es ermöglichte, gesteigerte Nitril-Hydratase-Aktivitäten der Enzymvarianten in Kolonien rekombinanter Zellen über die chromogene Bildung von Fe(III)-Hydroxamat-Komplexen zu identifizieren. Die Screening-Methode basierte auf der Acyltransferase-Aktivität einer Amidase, die daher gemeinsam mit einzelnen Nitrilasevarianten in E. coli-Zellen exprimiert werden musste. Es wurden ca. 4200 Klone mit Hilfe des Screening-Verfahrens untersucht. Bei 30 Klonen zeigte die Intensität des gebildeten Fe(III)-Hydroxamat-Komplexes an, dass diese Klone Enzymvarianten mit signifikant höheren Nitril-Hydratase-Aktivitäten als der Wildtyp enthielten. Anschließend wurde der Umsatz von (R,S)-Mandelonitril durch diese Klone mit Hilfe der HPLC analysiert. Hierbei wurden Enzymvarianten gefunden, die aus (R,S)-Mandelonitril bis zu 90% Mandelamid bildeten. Dies bedeutete im Vergleich zum Wildtyp eine annähernd 5-fache Steigerung der Nitril-Hydratase-Aktivität. Die Nitrilase-Gene der im Rahmen der Zufallsmutagenese erhaltenen positiven Mutanten wurden sequenziert und eine Reihe von Aminosäure-Austauschen identifiziert, die zu einer erhöhten Amidbildung führten und die noch nicht aus den früheren Arbeiten bekannt waren. Hierbei wurde gezeigt, dass insbesondere der Austausch eines Tryptophan-Rests in der Position 188 der Nitrilase zu Enzymvarianten mit sehr hohen Nitril-Hydratase-Aktivitäten führte. Nach einer Sättigungsmutagenese an dieser Position wurden Enzymvarianten erhalten, die ca. 94% Mandelamid im Produktgemisch aufwiesen. Im Verlauf der vorliegenden Arbeit gelang es somit, eine beinahe vollständige funktionelle Umwandlung der Nitrilase aus P. fluorescens EBC191 in eine Nitril-Hydratase zu erreichen. Die so erhaltenen Nitrilasevarianten wurden in enzymatischen Kaskadenreaktionen zur Synthese von optisch aktiven 2-Hydroxycarboxamiden eingesetzt. Hierzu wurden rekombinante E. coli Ganzzell-Katalysatoren konstruiert, die eine Nitrilasevariante mit gesteigerter Nitril-Hydratase-Aktivität zusammen mit einer (S)-spezifischen Oxynitrilase aus der Cassava-Pflanze (Manihot esculenta) oder einer (R)-spezifischen Oxynitrilase aus der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) co-exprimierten. Die so erhaltenen Ganzzell-Katalysatoren setzten in wässrigen schwach sauren Puffer-Lösungen Benzaldehyd und Cyanid zu (S)- oder (R)-Mandelamid um. Hierbei wurden mit beiden "bienzymatischen" Ganzzell-Katalysatoren hohe Produktausbeuten und Enantiomerenüberschüsse > 90% erzielt. Die so erzeugten Ganzzell-Katalysatoren stellen eine synthetisch interessante Möglichkeit zur Herstellung verschiedenster optisch aktiver 2-Hydroxycarboxamide dar.