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AlphaFold2-Assisted Domain Determination of the SARS-CoV-2 Protein NSP3 & Exploration of the Solvent Region of Macromolecular Crystals with Experimental Phasing
No full textProteine erfüllen in jeder bekannten Lebensform zahlreiche essentielle Funktionen, finden durch die moderne Biotechnologie aber auch in experimentellen, medizinischen und industriellen Anwendungen Verwendung. Wissen über die Struktur und Funktion kann unter anderem genutzt werden, um Proteine nach unseren Anforderungen zu optimieren und auch um Medikamente gegen Proteine zu entwickeln, welche einem Pathogen entstammen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Multi-domain Protein NSP3, ein Coronavirusprotein, mithilfe von bioinformatischen Methoden und Strukturvorhersage untersucht. Die Ergebnisse umfassen den Nachweis einer bisher unentdeckte Domäne und diverse Erkenntnisse über mögliche Funktionen weiterer Domänen. Zudem wurde der manuelle Prozess der hier zur Domänenidentifizierung genutzt wurde automatisiert, um auch bei beliebigen Multi-domain Proteinen ein besseres Verständnis der Struktur zu bieten. Im zweiten Teil dieser Dissertation wurde die Elektronendichte des Solvensbereichs von Proteinkristallen untersucht. Speziell wurden Reflexdaten automatisiert experimentell phasiert und die resultierenden Dichtekarten wurden mit veröffentlichten Karten verglichen. Die gewonnen Erkenntnisse wurden genutzt, um neue Wassermodelle zu konstruieren, welche zu einer verbesserten Struktur mit niedrigeren R-werten geführt hat.Proteins fulfil various essential functions in all known life forms and modern biotechnology enabled their use in experimental, medical, and industrial applications. Knowledge about the structure and function can be used to optimize proteins for these applications and finds use in drug discovery, if a the protein originates from a pathogen. In this work, the multidomain protein NSP3 from coronaviruses was examined with bioinformatical methods and with structure prediction. The results include the identification and experimental validation of a previously unknown domain and a new hypothesis about functions of additional domains. Furthermore, the manual process of a new domain determination technique was automated to enable use in any multidomain protein. In the second part of this dissertation, the electron density of solvent regions from macromolecular crystals was examined. Specifically, reflection data was experimentally phased in a newly developed automated pipeline. The resulting density maps were compared to published maps and the new insights enabled the construction of new water models, which improved one structure and lowered its R-values
Schubmanagement bei Multipler Sklerose - Entwicklung, Testung und Evaluation eines interaktiven webbasierten Programms für ein selbstbestimmteres Schubmanagement bei Multipler Sklerose
No full textHintergrund: Zur Therapie akuter Schübe bei Multipler Sklerose (MS) wird in Deutschland eine intravenöse, meist stationäre Kortison-Stoßtherapie empfohlen. Da diese Therapie im Vergleich zu Placebo nur eine kurzfristige Wirkung auf die Rückbildung der Symptome hat, langfristig jedoch kein Nutzen belegt ist und darüber hinaus die Wirksamkeit der oralen und der intravenösen Therapie vergleichbar ist, benötigt es informierte Entscheidungen zum Schubmanagement.
Methoden: Ein neues, webbasiertes Programm zum Schubmanagement („ABouts“) wurde entwickelt und in einer Machbarkeits- und Pilotstudie mit MS-Betroffenen und Expert:innen getestet. ABouts zielt darauf ab MS-Betroffene zu empowern und ihre Autonomie in der Schubtherapieentscheidung zu fördern. Zudem wurde ein Fragebogen zum Schubwissen (RKQ) entwickelt und in einer Querschnittstudie validiert. Anschließend wurde ABouts in einer deutschlandweiten randomisierten kontrollierten Studie (RCT) mit begleitender Prozessevaluation evaluiert. Im Rahmen der Prozessevaluation sollen u.a. mögliche Barrieren und Förderfaktoren der Implementierung von ABouts ermittelt werden. Die Entwicklung und Evaluation von ABouts folgt dem Rahmenmodell des UK Medical Research Council (MRC).
Ergebnisse: Die finale Intervention ABouts setzt sich aus drei Kernkomponenten zusammen: evidenzbasierte Patienteninformationen (EBPI), bestehend aus fünf Modulen im Dialogstil mit Entscheidungshilfe für einen akuten Schub, einer geleiteten Online-Gruppenschulung und Diskussion mit einer MS-Nurse und einem Austausch über einen geschützten Chatraum. Die Ergebnisse der Machbarkeits- und Pilotstudie deuten darauf hin, dass ABouts verstanden und akzeptiert wird. Nach einer Überarbeitung des Programms (u.a. hinsichtlich Länge des Textes, Gewichtung der Rolle der Neurolog:innen bei Schubtherapieentscheidungen) konnte die Durchführbarkeit von ABouts bestätigt werden. Der finale RKQ besteht aus zehn Items. In der Validierungsstudie konnten schwache Zusammenhänge zwischen dem RKQ-Score und dem Bildungsstatus der Teilnehmenden, der Krankheitsdauer und der Absicht Kortison-Stoßtherapie zu erhalten ermittelt werden. Für das RCT und die begleitende Prozessevaluation konnten 18 Studienzentren mit insgesamt 160 MS-Betroffenen rekrutiert werden. Das Studiensample setzt sich aus überwiegend weiblichen Teilnehmenden mit einer durchschnittlichen Krankheitsdauer von 3,1 Jahren und einer leichten Beeinträchtigung durch die MS zusammen. Die bereits vorliegenden Basisdaten zu Studieneinschluss zeigten unter anderem, dass mehr subjektives MS-/ und Schubwissen mit einer aktiveren Patientenbeteiligung im Schubmanagement korreliert.
Diskussion: Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass ABouts ein vielversprechender Ansatz sein könnte, um MS-Betroffene mit EBPI zum Schubmanagement zu versorgen und bei Schubtherapieentscheidungen zu unterstützen. Im RCT wird untersucht, ob ABouts den Umgang mit Schüben beeinflussen und zu mehr oral therapierten oder nicht therapierten Schüben führen kann
A Game-theoretical Framework for Causal Inference: With Applications in Artificial Neural Networks and Large-scale Models of Brain Dynamics
No full textCausal inference is at the core of neuroscientific method. From hands-on experimental manipulations to complex models, many frameworks aim at uncovering the causal relationships among brain regions, and between brain and behavior. This large variety of tools, however, comes with the cost of conceptual confusions, since researchers use the same wording to describe different concepts. This confusion is particularly visible, and to some extent troubling, in interdisciplinary sciences dealing with highly sophisticated systems, e.g., neuroscience deciphering the brain.
In this thesis, I aim to provide a coherent, axiomatic, and rigorous conceptual framework based on game theory for causal inference with many desirable properties. This framework, known as Multi-perturbation Shapley value analysis (MSA) employs exhaustive multi-site manipulation of the system to uncover the exact causal contribution of each element to the collectively produced function. After reviewing the current developments in epistemology of causation, methodological advancements of brain manipulation, causal modeling, game theory, network science, and dynamical systems theory, I test MSA on in-silico models such as artificial neural networks (ANNs) and large-scale models of brain dynamics.
I first ask how MSA differs from the conventional lesioning approach in neuroscience, in which only one site is perturbed at the same time. I show that even in small and presumably simplistic ANNs the standard framework produces biased results due to complex higher-order interactions among different elements. However, MSA captures these interactions and provides the correct causal map of the network.
Using a second ANN, I ask if it is possible to infer the causal contribution of its elements from their recorded activity profiles, as done extensively in neuroscience. I show that neural activity is a poor indicator of causal contribution due to downstream nonlinear transformations.
Lastly, I use large-scale models of brain dynamics to investigate how different brain regions causally influence each other. I compare underlying network differences, local models of dynamics, graph theoretical measures, and models of communication in networks. I show that, firstly, some simple models of communication dynamics successfully capture the amount of influence among nodes. These models fall into the category of “broadcasting models” in which the signal is permeated in the network, using multiple pathways to reach the target. I then show that more complicated models of local dynamics add little explanatory power, suggesting that the total amount of influence from a node to another is largely defined by structure. I then show a handful of brain regions use their topological privileges, that is, their extensive connectivity, to influence regions that are not directly connected to them.
Together, I show that not only is MSA a versatile framework for causal inference in neuroscience, but also it can be used to infer causal links in other systems such as ANNs. With these findings and an open-source Python library, I encourage neuroscientists and scientists from other disciplines, including computational sociology, bioinformatics, explainable artificial intelligence, philosophy, and complexity science to consider MSA as a mathematically sound framework for causal inference
A trace metal perspective on biogeochemical processes in the North Sea
No full textKüstenmeere wie die Nordsee sind verschiedensten anthropogenen Stressoren von Land, Meer und der Atmosphäre ausgesetzt. Gleichzeitig sind die Küstenmeere aber auch ein wichtiger Kohlenstoffspeicher, insbesondere im Kampf gegen den Klimawandel. Da künstliche Verfahren zum Entziehen von Kohlendioxid aus der Atmosphäre das Risiko negativer Nebeneffekte und potenzieller zusätzlicher Verunreinigungen der Umwelt bergen können, wird innerhalb des Projektes CARBOSTORE die Verwundbarkeit und das Potenzial natürlicher Kohlenstoffspeicherprozesse in den deutschen Schelfmeeren untersucht. Im Rahmen von CARBOSTORE konzentriert sich diese Doktorarbeit auf die Untersuchung der Wechselwirkung von Spurenmetallen und Nährstoffen mit den biogeochemischen Prozessen der Kohlenstofffixierung und Remineralisierung. Spurenmetalle spielen eine wichtige Rolle als Mikronährstoffe bei der Remineralisierung, Fixierung und langfristigen Speicherung von Kohlenstoff im Meer. Insbesondere in Küstenregionen können hohe anthropogene Einträge allerdings auch einen negativen Effekt auf die biogeochemischen Prozesse haben.
Die Nordsee ist ein Schelfmeer mit dicht besiedelter Küste und wird durch den Eintrag von Spurenmetallen und Nährstoffen über Flüsse und Atmosphäre, sowie durch direkte anthropogene Eingriffe (z. B. Offshore-Plattformen, Schifffahrt, Fischerei) beeinflusst. Durch die vorwiegend zyklonische Strömung in der Nordsee sammeln sich die Schwebstoffe und (anthropogenen) Kontaminanten aus der gesamten Nordsee im Skagerrak zwischen Norwegen und Dänemark. Als tiefster Teil der Nordsee dient der Skagerrak als Archiv für organischen Kohlenstoff und anthropogene Schadstoffe. Künftige Änderungen der Zirkulationsmuster und Nährstoffeinträge könnten jedoch die Redoxbedingungen in den Sedimenten beeinflussen und damit auch das Speicherpotenzial der Skagerrak-Sedimente für Kohlenstoff und assoziierte Kontaminanten verändern. Um diese Prozesse abzuschätzen, ist eine detaillierte Untersuchung der Quellen und Senken von Spurenmetallen, sowie ihrer Wechselwirkungen mit Nährstoffen und Reaktion auf veränderte Randbedingungen erforderlich, die allerdings zuverlässige analytische Methoden erfordert.
Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden Wasserproben aus der gesamten Nordsee auf gelöste Spurenmetalle und Nährstoffe untersucht. Um die Reproduzierbarkeit und Vergleichbarkeit der Daten zu gewährleisten wurden zuvor zwei Filtrationsmethoden verglichen und die Effekte der gekühlten und gefrorenen Probenlagerung systematisch untersucht. Die entwickelte Filtrationsmethode wurde dann auf die Wasserproben aus der Nordsee angewandt. Die erhaltenen Spurenmetall- und Nährstoffkonzentrationen wurden verwendet, um Senken, Quellen und ähnliches Verhalten der Analyten innerhalb der Nordsee zu identifizieren. Mit Hilfe statistischer Methoden wurden die Analyten Flusseinträgen, konservativem oder nährstoff-ähnlichem Verhalten zugeordnet. Außerdem ergaben die Daten, dass die Kontamination der Nordsee durch Gadolinium aus MRT-Kontrastmitteln zunimmt. Dies zeigt, dass gründliche Untersuchungen des Verhaltens und Verbleibs dieses und ähnlicher neu auftretender Schadstoffe nötig sind.
Zur Untersuchung der biogeochemischen Prozesse im Sediment wurden an drei Stellen im Skagerrak zusätzlich Sedimentkerne und Porenwasserproben genommen und die Spurenmetallkonzentrationen, sowie δ98/95Mo-Isotopenverhältnisse gemessen. Die Daten zeigten eine heterogene Verteilung von Redoxbedingungen und Kontaminanten innerhalb des Skagerraks. Obwohl die Metalle zwar wahrscheinlich aus anthropogenen Quellen stammten, akkumulierten sie abhängig von den Redoxbedingungen im Sediment. Aerobe und anaerobe Inkubationen der Skagerrak-Sedimente über einen Zeitraum von bis zu einem Jahr deuteten darauf hin, dass durch Veränderungen des Sauerstoffgehalts im Bodenwasser die im Sediment gebundenen Spurenmetalle remobilisiert werden. Darüber hinaus wurde eine starke δ98/95Mo-Fraktionierung in den anaeroben Wasserproben nachgewiesen, und die Inkubationen deuteten darauf hin, dass unter anaeroben Bedingungen Mangan-Reduktion in den Sedimenten von Eisen- und Sulfatreduktion abgelöst wird, selbst wenn noch ausreichend Mangan im Sediment verfügbar ist.
Im Rahmen von CARBOSTORE liefert diese Doktorarbeit die hochaufgelösten Spurenmetall- und Nährstoffdaten, die zur Modellierung von Kohlenstoffspeicherprozessen in der Nordsee nötig sind. Das Inkubationsexperiment hat gezeigt, wie die biogeochemischen Prozesse im Sediment auf Störungen, die im Zuge des Klimawandels zu erwarten sind, reagieren. Zusätzlich zur Nutzung in CARBOSTORE dient diese Arbeit als wichtiger Referenzpunkt für zukünftige Studien und wird helfen, Kontaminationen durch künstliche Kohlenstoffspeichermethoden abschätzen zu können
Exploring the dark universe with gravitational wave backgrounds
No full textGravitational waves have recently emerged as a novel messenger in astronomy, providing profound insights into the evolution of the cosmos: Last year, several pulsar timing arrays (PTAs) announced the detection of a gravitational wave background (GWB) at nHz frequencies, marking a significant milestone in this field. This discovery can be interpreted as a signal emitted by the inspiral of supermassive black holes during hierarchical structure formation. More excitingly, the signal’s origin could alternatively predate recombination and Big Bang nucleosynthesis. Such an explanation would require new physics in order to explain the strong dynamics in the primordial plasma above the MeV temperature scale necessary to emit those gravitational waves. In this thesis, we explore the possibility that PTAs could have detected a cosmological phase transition within a dark sector. A better fit to the data than that for supermassive black hole binaries can be found if the dark sector hosting the transition decays before the onset of nucleosynthesis. Furthermore, it is plausible that PTAs have instead observed a GWB emitted by the inspiral of supermassive primordial black holes. Our research indicates that these primordial black holes can account for the observed signal only if they are initially clustered rather than homogeneously distributed. Looking towards future gravitational wave observatories, we examine the formidable opportunity offered by LISA, that is sensitive to mHz frequencies, to probe GWBs emitted at temperatures of the primordial plasma around the 100 GeV scale, aligning with the freeze-out epoch of a WIMP dark matter candidate. Our findings suggest that if LISA detects such a cosmological GWB, it would hint towards a dark sector phase transition producing the relic dark matter abundance, consistent with cosmological and astrophysical observations. Our results underscore the significance of gravitational wave observations in unveiling the dynamics of the early universe and provide new pathways for understanding the fundamental nature of dark matter and the cosmological history of the universe
Multi-epistemic and pluriversal hybrid contexts: Actors' narratives and discourses about the Brazilian Amazon Land and Forest
No full textThe pluriversal thinking has gained attention in different areas of everyday life, between academics, activists, grassroots movements, indigenous and traditional communities, among many others. Pluriversal thinking comes from the cosmovision of Latin American groups and communities outside the academy, such as the Zapatistas, Andean campesines and Afro-Colombian groups. However, the term gained renown when Latin American academics from the global north brought it into discussion.
Pluriverses lack a definition. However, it focuses primarily on two things: (1) to challenge the homogenizing tendencies of coloniality and modernity, and (2) to advocate for a world where diverse realities and ways of knowing coexist and thrive. Pluriversalists identify that, historically, some groups have been oppressed by Western views, which has meant that their voice and recognition have been marginalised.
However, the pluriverse, which speaks of a World within many worlds, also presents certain criticisms. For instance, extreme relativism, the lack of dialogue and understanding between different cultural perspectives, creates barriers to effectively implementing the pluriverse. Also, the practicality of the pluriverse, which accompanies the extreme relativism idea, reflects on decision-making when agreements (from all pluriverse) should be taken on situations that affect the world (e.g. decisions regarding climate change). Romanticism, it has been pointed out that pluriverses can fall into the romanticisation of excluded groups, endangering the reproduction of dichotomies. Finally, this thesis points out the absence of inclusion of populations or groups not far from the universal modern world. This is the exploration of possible worlds within contexts growing closer to the universal or globalized world; this thesis names them “intersecting hybrid contexts.” Despite not being considered ‘traditional’ nor ‘indigenous’ in the conventional sense, intersecting hybrid contexts may still embody distinct worldviews and practices, and at the same time, they have practices that perpetuate the single story of one world. These contexts, characterized by mixed cultural and ethnic heritage, occupy a unique position between traditional and modern and local and global. By focusing on these intersecting hybrid contexts, the thesis expands the understanding of the pluriverse beyond the traditional/modern binary, suggesting that the pluriverse can exist in the interstices and hybridities of contexts navigating multiple cultural influences.
To explore the intersecting hybrid contexts, this thesis focuses on the Brazilian Amazon, a place of entanglements and intersections within discourses and social dynamics. The thesis comprises three studies: a) a systematic literature review on academic discourses regarding land, forest and socio-environmental (in)justices in the Brazilian Amazon; b) a discourse analysis on traditional and social media regarding forest and agriculture in the state of Pará; c) a biographical study of rural producers’ narratives and intersection with colonial and developmental discourses in Novo Progresso, Pará.
The study found that the pluriversal dimension/idea infiltrates all spaces (hybrid contexts), spheres, people, and lives (and intersects) in a more or less intense way, and as such, it challenges the idea of the totality of capitalism and the Western system (one-world view)
Experimente zur starken Kopplung und Grundzustandskühlung in einem atom-optomechanischen Hybridsystem
No full textModern experimental quantum physics experienced a rapid development in the past decades. The high degree of control and state of the art experimental techniques motivated the research field of hybrid quantum systems. Hybrid quantum systems combine different hybrid partners that can acquire quantum properties on their own to exploit their individual advantages.
Here we report on the latest results at our experiment that aims to realize strong hybrid coupling between a micromechanical Si4N3 trampoline resonator and laser-cooled 87Rb atoms. The coupling is mediated via a coherent light field that is reflected from the resonator and forms an optical 1D lattice potential for the atoms.
Due to optical losses on the beam path, the coupling lattice is asymmetrically pumped.
This leads to the emergence of atomic density waves in the lattice which has a detrimental effect on the coupling for attractive lattice potentials. We numerically simulated this phenomenon and found that introducing an additional pump-asymmetry-compensation beam can remove the asymmetry-induced instability. As a result we implemented a compensation lattice which allowed us to operate in the previously inaccessible regime of attractive coupling lattice potentials where we reached a maximal cooperativity C_hybrid = (100 ± 25) at room temperature.
In a parallel endeavor we successfully implemented a new fiber cavity with F = 785 to significantly improve the coupling between atoms and the mechanical resonator. In this configuration we reached a maximal cooperativity of C_hybrid = (5900 ± 1300) at room temperature. Furthermore we show experimentally that increasing the finesse of the cavity even further to F = 14500 does not improve the coupling strength in good agreement with theoretical predictions such that further improvements by tuning the finesse are not feasible.
Lastly we realized a quantum-non-demolition measurement technique to perform rapid state tomography of a mechanical resonator. Here the interaction between the resonator and the light field takes place on time scales much smaller than the mechanical oscillation period, which allows for back-action evading measurements of the resonator state with sub-standard-quantum-limit resolution. We calculated a finesse of F = 14500 to resolve the resonator ground state and manufactured as well as implemented a corresponding new fiber cavity into the experimental setup. We conducted pulsed measurements with cavities of F = 785 and F = 14500. While the medium finesse configuration allowed to resolve the resonator state with an imprecision of 16 zero-point motions, the first experiments using the high finesse configuration suggest that further experimental modifications are necessary to acquire meaningful results
Sexuell differenzierte Mikroglia und CA1 hippocampale synaptische Konnektivität
No full textMikroglia, die gehirneigenen Immunzellen, sind auch an der postnatalen Entwicklung des Gehirns beteiligt und spielen eine relevante Rolle bei der Synaptogenese und synaptischem Pruning.
Synaptisches Pruning ist ein Prozess der postnatalen Hirnentwicklung, bei dem überzählige Synapsen entfernt werden. Die genauen Mechanismen in diesem Zusammenhang sind aber weithin unverstanden. In dieser Arbeit wurden über den Zeitraum von 12 Wochen nach der Geburt die Dynamik der Synapsendichte in der CA1-Region des weiblichen und männlichen Hippocampus von C57BL/6J Mäusen mit Elektronenmikroskopie verglichen. Hierbei zeigten sich keine geschlechtsabhängigen Unterschiede über den gesamten Verlauf. Nur am vierzehnten Tag nach der Geburt wiesen die weiblichen Tiere eine signifikant höhere Synapsendichte auf. In Korrelation zeigten weibliche Mikroglia zu diesem Zeitpunkt eine reaktivere Morphologie und erhöhte CD68-positive Granula. Die Inklusion postsynaptischer Spines durch Mikroglia-Fortsätze fand zu diesem Zeitpunkt ebenfalls häufiger in weiblichen Tieren als in männlichen statt. Da zwischen zweiter und dritter Woche die Anzahl der Synapsen stark ansteigt, präsynaptische Boutons und postsynaptische Spines aber unverändert sind, ist die Bildung von Multispineboutons, axonale Boutons denen mehrere Spines angelagert sind und die zur Konsolidierung synaptischer Verbindungen beitragen, naheliegend und reaktive Mikroglia könnten bei der Bildung von Multispineboutons eine Rolle spielen. Langfristig resultierten diese Beobachtungen aber nicht in sexuell differenzierter hippocampaler synaptischer Konnektivität
Cadherin-17 (CDH17) expression in human cancer: A tissue microarray study on 14,948 tumors
No full textCadherin-17 (CDH17) ist ein Zelladhäsionsprotein, das vor allem in Epithelzellen des Darms vorkommt. CDH17 wird daher als mögliches diagnostisches und therapeutisches Ziel angesehen. Ziel dieser Studie war es, die Expression von CDH17 bei Krebs umfassend zu evaluiren und den diagnostischen Nutzen der immunhistochemischen CDH17-Analyse weiter zu bewerten. Ein Tissue-Mikro-Array mit 18131 Proben von 150 verschiedenen Tumorarten und Subtypen sowie 76 verschiedenen normalen Gewebetypen wurde mittels Immunhistochemie (IHC) analysiert.
In normalem Gewebe wurde eine membranöse CDH17-Färbung vor allem im Epithel des Darms und in den Ausführungsgängen des Pankreas festgestellt. Insgesamt wiesen 53 (35,3 %) von 150 Tumorkategorien eine CDH17-Positivität auf, darunter 26 (17,3 %) Kategorien mit mindestens einem stark positiven Fall. CDH17-Positivität war am häufigsten bei epithelialen und neuroendokrinen kolorektalen Neoplasien (50,0%-100%), anderen gastrointestinalen Adenokarzinomen (42,7%-61,6%), muzinösem Ovarialkarzinom (61,1%), Azinuszellkarzinom der Bauchspeicheldrüse (28,6%), Adenokarzinom der Zervix (52,6%), biliopankreatische Adenokarzinome (40,5-69,8%) und andere neuroendokrine Neoplasmen (5,6%-100%). Nur 9,9 % der 182 pulmonalen Adenokarzinome waren CDH17-positiv. Bei kolorektalen Adenokarzinomen war eine reduzierte CDH17-Färbung mit einem hohen pT (p=0,0147), nodaler Metastasierung (p=0,0041), V1 (p=0,0025), L1 (p=0,0054), Lokalisierung im rechten Kolon (p=0,0033) und Mikrosatelliteninstabilität (p<0,0001) verbunden. Bei Magen- und Pankreaskarzinomen stand die CDH17-Expressionsrate in keinem Zusammenhang mit dem Tumorphänotyp. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass unser umfassender Überblick über die CDH17-Expression in menschlichen Tumoren verschiedene Tumorentitäten identifiziert hat, die häufig von Anti-CDH17-Therapien profitieren könnten, und dass die CDH17-IHC zur Unterscheidung von metastasierten gastrointestinalen oder bilio-pankreatischen Adenokarzinomen (häufig positiv) von primären pulmonalen Adenokarzinomen (meist negativ) nützlich ist
The ADAM10-mediated shedding of the prion protein in humans and other mammals: characterization of cleavage site-specific antibodies
No full textSummary
Prion protein (PrPC) is a widely expressed GPI-anchored glycoprotein that naturally undergoes various proteolytic processes. Among these, PrP shedding, a cleavage mediated by the metalloprotease ADAM10, holds significant implications for neurodegenerative diseases. Recent studies suggest that the shed form of PrP (sPrP) acts as a signaling molecule in intercellular communication and plays crucial roles in PrP-related physiological functions. Despite being an evolutionarily conserved protein, the precise site of PrP cleavage and its responsible protease in humans, as well as the biological significance of this shedding process, have not been conclusively studied. In this study, by employing cleavage site prediction and producing/characterizing specific antibodies targeting human sPrP, we identified amino acid Y226 as the site of PrP shedding. Additionally, we demonstrated that the cleavage is solely mediated by ADAM10, similar to what has been previously reported in mice. Our experiments conducted within various models, including cell lines, neural stem cells, and brain organoids, reveal that stimulation of human PrP shedding can be achieved by certain PrP-binding molecules, such as antibodies, without directly affecting ADAM10, suggesting new avenues for therapeutic intervention. Furthermore, our cleavage site-specific antibodies targeting human sPrP can also detect respective shed forms of the protein in the brains of cattle, sheep, and deer (the most relevant animal species naturally affected by fatal and transmissible prion diseases), due to the similarities in the C-terminal amino acid sequences. In both prion and Alzheimer’s diseases, sPrP transitions from a physiological diffuse tissue distribution to a close association with misfolded protein aggregates, indicating a protective blocking activity towards harmful protein conformers and potential as a diagnostic marker. This study highlights the effectiveness of sPrP-specific antibodies for reliably and easily detecting this relevant fragment in human samples. Although the exact role of sPrP in neurodegenerative diseases remains largely undefined, its interaction with aggregates suggests it may have a significant functional role. These findings provide a crucial tool for further research and offer new avenues for exploring sPrP's potential impact on neurodegenerative and other disorders.Zusammenfassung
Das Prionprotein (PrP) ist ein weit verbreitetes GPI-verankertes Glykoprotein, das natürlicherweise verschiedenen proteolytischen Prozessen unterliegt. Unter diesen hat das PrP-Shedding, eine Spaltung, die durch die Metalloprotease ADAM10 vermittelt wird, bedeutende Auswirkungen auf neurodegenerative Erkrankungen. Aktuelle Studien legen nahe, dass die freigesetzte Form von PrP (sPrP) als Signalmolekül in der interzellulären Kommunikation fungiert und eine entscheidende Rolle bei physiologischen Funktionen im Zusammenhang mit PrP spielt. Obwohl es sich um ein evolutionär konserviertes Protein handelt, wurde die genaue Spaltstelle von PrP und die verantwortliche Protease beim Menschen sowie die biologische Bedeutung dieses Spaltungsprozesses noch nicht abschließend untersucht. In dieser Studie haben wir durch die Verwendung von Spaltstellenvorhersage und die Herstellung spezifischer Antikörper, die sich gegen humanes sPrP richten, die Aminosäure Y226 als die Spaltstelle von PrP identifiziert. Zusätzlich wurde bestätigt, dass die Spaltung exklusiv durch ADAM10 vermittelt wird, ähnlich wie zuvor bei Mäusen berichtet wurde. Unsere Experimente, die in verschiedenen Modellen einschließlich Zelllinien, neuralen Stammzellen und Hirnorganoiden durchgeführt wurden, zeigen, dass eine Stimulation des PrP-Sheddings beim Menschen durch bestimmte PrP-bindende Moleküle, wie z.B. Antikörper, möglich ist, ohne ADAM10 direkt zu beeinflussen, was neue Ansätze für therapeutische Interventionen nahelegt. Darüber hinaus können unsere neu generierten Antikörper, die gegen sPrP gerichtet sind, die entsprechenden freigesetzten Formen des Proteins auch in Gehirnen von Rindern, Schafen und Hirschen nachweisen (also den relevanten natürlicherweise von fatalen und übertragbaren Prionenerkrankungen betroffenen Tierarten), aufgrund der Ähnlichkeit der Spaltstellen. Sowohl bei Prionerkrankungen als auch der Alzheimer-Krankheit wechselt sPrP von einer physiologisch diffusen Verteilung im Hirngewebe zu einer engen Assoziation mit fehlgefalteten Proteinaggregaten, was auf eine möglicherweise schützende, blockierende Wirkung gegenüber toxischen Proteinkonformeren sowie sein Potenzial als diagnostischer Marker hinweist. Diese Studie hebt die Wirksamkeit von sPrP-spezifischen Antikörpern zur verlässlichen und einfachen Detektion dieses pathophysiologisch relevanten Fragments in menschlichen Proben hervor. Obwohl die genaue Rolle von sPrP bei neurodegenerativen Erkrankungen weitgehend ungeklärt bleibt, deutet seine Interaktion mit Aggregaten darauf hin, dass es eine signifikante funktionale Rolle spielen könnte. Diese Ergebnisse bieten ein wesentliches Werkzeug für die weiterführende Forschung auf dem Gebiet und eröffnen neue Wege zur Untersuchung des potenziellen Einflusses von sPrP auf neurodegenerative und auch andere Erkrankungen