Synthese und Zellaufnahme von myo-Inositol Pyrophosphat Prometaboliten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Inositolphosphate und Inositolpyrophosphate sind eine ausgesprochen spannende Substanzklasse, die viel zu wenig wissenschaftliche Beachtung findet. Gründe hierfür sind die sehr schwierige Synthese und Analytik dieser hochgeladenen Verbindungen. Jedoch ist gerade im Bereich der Biologie in den letzten Jahren Faszinierendes entdeckt worden, so zum Beispiel der Einfluss von Inositolpyrophosphaten auf die Regulation der Insulinsekretion. Auch sind Knockout Mäuse, die einen Defekt im Inositolpyrophosphat-Metabolismus haben, mit einem interessanten Phänotyp gesegnet: Egal, wie viel Nahrung sie zu sich nehmen, sie werden nicht fettleibig. Die molekularen Mechanismen dieser Vorgänge sind im Wesentlichen unklar. Hier könnten Proben und neue Ansätze im Feld der Inositolpyrophosphate maßgeblich zu einer Verbesserung unserer Einsichten beitragen. Ziel dieses Projekts war die stereoselektive Synthese von Inositolpyrophosphat-Proben, welche zudem zellgängig und photoaktivierbar sein sollten, um deren Funktionen in lebenden Zellen auf der Zeitskala von Sekunden zu Minuten untersuchen zu können. Diese anspruchsvollen Synthesen gelangen und lieferten photoaktivierbare Prometaboliten, die tatsächlich von Zellen aufgenommen wurden. Die Modifikationen, um Membrangängigkeit zu ermöglichen, wurden in der Zelle effizient enzymatisch abgespalten, wohingegen die photoaktivierbare Gruppe unbehelligt blieb. Diese konnte dann durch einen Lichtblitz in der Zelle entfernt werden und somit zeitaufgelöst die Funktion des entsprechenden Inositolpyrophosphates studiert werden. Dadurch wurde es nun auch möglich, verschiedene Inositolpyrophosphate bzgl. ihrer biologischen Aktivität in Zellen zu vergleichen. Zunächst untersuchten wir den Einfluss verschiedener Inostiolpyrophosphate auf die Aktvierung der angeborenen Immunantwort, da es hierzu interessante in vitro Studien gegeben hatte. Wir fanden allerdings keinerlei Aktivierung. Danach studierten wir den Einfluss von Inositolpyrophosphaten auf zelluläre Kalziumoszillationen und konnten tatsächlich zeigen, dass die Freisetzung eines Isomeres (1,5-InsP8) zu einem sofortigen Stopp der Oszillationen führt. Im Anschluss untersuchten wir die Ca2+ und Inositollipid bindende C2AB Domäne von Granuphilin, welche für die Bindung von Insulinvesikeln an die Plasmamembran von Bedeutung ist. Hier konnten wir zeigen, dass die Freisetzung von 1,5-InsP8 zu einer Translokation der Domäne von der Membran ins Zytoplasma führt. Alle diese Untersuchungen deuten auf eine maßgebliche Rolle von 1,5-InsP8 in der Regulation der Insulinsekretion hin, die wir in kommenden Projekten gerne untersuchen möchten. Dabei werden wir immer wieder auf die in diesem Projekt entwickelten Ansätze zurückgreifen können. Diese Ansätze werden inzwischen auch von Kooperationspartnern erfolgreich eingesetzt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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“The Hitchhiker´s Guide to Organophosphate Chemistry.” Synlett 2018, 29, 699-713
H. J. Jessen
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“Arabidopsis ITPK1 and ITPK2 have an Evolutionary Conserved Phytic Acid Kinase Activity.” ACS Chem. Biol. 2019, 14, 2127-2133
D. Laha, N. Parvin, A. Hofer, R. F. H. Giehl, N. Fernandez-Rebollo, N. von Wirén, A. Saiardi, H. J. Jessen, G. Schaaf
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“Photolysis of cell-permeant caged inositol pyrophosphates controls oscillations of cytosolic calcium in a β-cell line.” Chem. Sci. 2019, 10, 2687-2692
S. Hauke, A. K. Dutta, V. Eisenbeis, D. Bezold, T. Bittner, C. Wittwer, D. Thakor, I. Pavlovic, C. Schultz, H. J. Jessen
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"InsP7 is a small-molecule regulator of NUDT3-mediated mRNA decapping and processingbody dynamics." Proc. Natl. Acad. Sci. U S A 2020, 117, 19245–19253
S. Sahu, Z. Wang, X. Jiao, C. Gu, N. Jork, C. Wittwer, X. Li, S. Hostachy, D. Fiedler, H. Wang, H. J. Jessen, M. Kiledjian, S. B. Shears
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"Rapid stimulation of cellular Pi uptake by the inositol pyrophosphate InsP8 induced by its photothermal release from lipid nanocarriers using a near infra-red light-emitting diode." Chem. Sci. 2020, 11, 10265-10278
Z. Wang, N. Jork, T. Bittner, H. Wang, H. J. Jessen, S. B. Shears
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"The inositol pyrophosphate 5-InsP7 drives sodium-potassium pump degradation by relieving an autoinhibitory domain of PI3K p85α". Science Adv., 2020, 6, eabb8542
A. C. Chin, Z. Gao, A. M. Riley, D. Furkert, C. Wittwer, A. Dutta, T. Rojas, E. R. Semenza, R. A. Felder, J. L. Pluznick, H. J. Jessen, D. Fiedler, B. V. L. Potter, S. H. Snyder, C. Fu
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“Photolysis of caged inositol-pyrophosphate InsP8 directly modulates intracellular Ca2+ oscillations and controls C2AB domain localization.” J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 10606–10611
T. Bittner, C. Wittwer, S. Hauke, D. Wohlwend, S. Mundinger, A. K. Dutta, D. Bezold, T. Friedrich, C. Schultz, H. J. Jessen
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„Photo-releasable derivatives of inositol pyrophosphates.” Method Enzymol. 2020, 641, 53-73
S. Hauke, T. Bittner, H. J. Jessen, C. Schultz
