Bioakkumulation und Biomagnifikation sedimentgebundener Schadstoffe in einer aquatischen Labornahrungskette

Lipophile, sedimentgebundene Substanzen sind für endobenthische Tiere in hohem Maße bioverfügbar und können von diesen aufgenommen und angereichert werden. Für benthivore Fische besteht damit das Risiko, diese Chemikalien mit der Nahrung aufzunehmen. Die Aufkonzentrierung sedimentgebundener Chemikalien über zwei oder mehr trophische Ebenen (Biomagnifikation) kann somit durch die Bestimmung der Biokonzentration von Chemikalien in Fischen nach der OECD-Richtlinie 305 (OECD 1996) nicht adäquat erfasst werden. Zur standardisierten Bestimmung der Bioakkumulation und Biomagnifikation wurde eine einfache, zwei trophische Stufen umfassende Labornahrungskette etabliert. Diese bestand aus dem endobenthischen Oligochaeten Tubifex tubifex (MÜLLER) als Beute und dem Dreistachligen Stichling (Gasterosteus aculeatus LINNÉ) als Prädator. Die Experimente wurden mit 14C-markiertem Hexachlorbenzol und Terbutryn in dotiertem künstlichem Sediment und rekonstituiertem Wasser durchgeführt. Um den Einfluss einzelner Expositionspfade an der Gesamtanreicherung der Modellchemikalien zu quantifizieren, wurden die Fische gegenüber dotiertem Wasser bzw. dotiertem Sediment (Biokonzentrationsszenario), vorexponierten Würmern (Biomagnifikationsszenario) und Kombinationen dieser Aufnahmepfade (Bioakkumulationsszenario) exponiert. Sedimentgebundenes HCB wurde im Bioakkumulationsszenario sowohl in den Tubificiden (BAFWurm/Sediment (FG/FG) = 7,8) als auch in den Fischen (AFFisch/Wasser (FG/FG) = 52500; AFFisch/Sediment (FG/FG) = 47; AFFisch/Wurm (FG/FG) = 3,2) deutlich angereichert. Da die Gewebekonzentration von HCB im Räuber, auch auf Basis lipidnormierter Konzentrationen, die Konzentration in seiner Beute überstieg (AFFisch/Wurm (lipidnormiert) = 1,3), kann von einer Aufkonzentrierung der Chemikalie entlang der Labornahrungskette ausgegangen werden (Biomagnifikation). Es konnte gezeigt werden, dass die Exposition gegenüber der Kombination sämtlicher Aufnahmepfade zu deutlich höherer Anreicherung in den Fischen führte als im Falle einzelner Expositionspfade. Ein Vergleich der Ergebnisse der einzelnen Expositionsszenarien erlaubt den Schluss, dass HCB von den Fischen im Bioakkumulationsszenario zu ungefähr gleichen Teilen über das Wasser (45%) und über die Nahrung (41%) aufgenommen wurde, während die Anwesenheit kontaminierten Sediments nur mit 14% zur Gesamtanreicherung beitrug. 14C-Terbutryn wurde im Bioakkumulationsszenario - auf Basis der Gesamtradioaktivität - sowohl in den Tubificiden (AF Wurm/Sediment (FG/FG) = 4,4) als auch in den Fischen (AFFisch/Wasser (FG/FG) = 323; AFFisch/Sediment (FG/FG) = 10; AFFisch/Wurm (FG/FG) = 1,4) angereichert. Allerdings wurde Terbutryn in den Stichlingen zum überwiegenden Teil zu einem polareren Metaboliten transformiert (84%). Daher müssen zur Abschätzung der Anreicherung von Terbutryn die auf den Gehalt an Ursubstanz korrigierten Gewebekonzentrationen und Anreicherungsfaktoren betrachtet werden. Hierbei wird deutlich, dass Terbutryn nicht entlang der Labornahrungskette aufkonzentriert wurde (AFFisch/Wurm = 0,09). Ein Vergleich der Ergebnisse der einzelnen Expositionsszenarien zeigt, dass der Hauptaufnahmepfad von 14C-Terbutryn in Stichlingen das umgebende Wasser ist, während die Anwesenheit kontaminierten Sediments und die Aufnahme über die Nahrung eine untergeordnete Rolle spielen. Da die Messung der Bioakkumulation und Biomagnifikation von sedimentassoziierten Substanzen sehr aufwendig ist, werden zur Abschätzung ihres Risikopotentials vermehrt mathematische Modelle entwickelt und eingesetzt, die eine Chemikalienanreicherung in Nahrungsketten vorhersagen sollen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden die Vorhersagen dreier Modelle mit den experimentell ermittelten Daten verglichen. Hierdurch sollte sowohl die Eignung des entwickelten Testsystems als auch der verwendeten Modelle als nützliche Instrumente des environmental risk assessment überprüft werden. Die Vorhersagen der drei Modelle bei Applikation auf die Daten der Labornahrungskette stimmen gut mit den experimentell bestimmten Konzentrationen von HCB und Terbutryn in den Tubificiden und Fischen überein. Für HCB sagen alle drei Modelle eine Biomagnifikation in der Labornahrungskette vorher. Die Modelle unterschätzen die gemessenen Konzentrationen in den Fischen mit einem Faktor von 1,1 - 1,7 nur geringfügig. Die Konzentration in den Tubificiden wird vom Gobas/Morrison-Modell sehr präzise vorhergesagt (Unterschätzung um Faktor 1,1), während sie im Campfens/Mackay-Modell (Faktor 2,1) und Gobas-Modell (Faktor 6,3) deutlicher unterschätzt wird. Speziell die dem Campfens/Mackay- und Gobas-Modell zugrunde liegenden Annahmen zur Anreicherung in benthischen Organismen erwiesen sich für HCB und Tubificiden als unzureichend zu sein, da die Modelle hierbei nur die Aufnahme aus dem Porenwasser berücksichtigen. Für Terbutryn sind die Modellvorhersagen sehr viel ungenauer als für HCB, da vor allem die starke Metabolisierung von Terbutryn in den Stichlingen unterschätzt wird. Dies resultiert in einer Überschätzung der Terbutryn-Konzentration in den Fischen (Faktor 5,8 - 6,4). Allerdings bleiben zwei Punkte festzuhalten: 1) Die Modelle sagen keine Biomagnifikation von Terbutryn in der Labornahrungskette vorher. 2) Die Modellvorhersagen bestärken die Annahme, dass die Anreicherung von Terbutryn in den Fischen dominiert ist von der Aufnahme aus dem umgebenden Wasser über die respiratorische Oberfläche. Die analysierten Modelle können bei entsprechender Weiterentwicklung als nützliche Instrumente für eine erste Abschätzung des Risikos der Bioakkumulation sedimentgebundener, hoch lipophiler Substanzen in aquatischen Nahrungsketten im Rahmen der Risikoabschätzung (environmental risk assessment) dienen. Zum gegenwärtigen Entwicklungsstand ist die Labornahrungskette jedoch den Modellen vorzuziehen, da sie die konservativeren Daten liefert. Für eine abschließende Beurteilung der vorgestellten Methoden bedarf es allerdings einer Verbreiterung der Datenbasis

Influence of the environment and probes on rapid DNA sequencing via transverse electronic transport

We study theoretically the feasibility of using transverse electronic transport within a nanopore for rapid DNA sequencing. Specifically, we examine the effects of the environment and detection probes on the distinguishability of the DNA bases. We find that the intrinsic measurement bandwidth of the electrodes helps the detection of single bases by averaging over the current distributions of each base. We also find that although the overall magnitude of the current may change dramatically with different detection conditions, the intrinsic distinguishability of the bases is not significantly affected by pore size and transverse field strength. The latter is the result of very effective stabilization of the DNA by the transverse field induced by the probes, so long as that field is much larger than the field that drives DNA through the pore. In addition, the ions and water together effectively screen the charge on the nucleotides, so that the electron states participating in the transport properties of the latter ones resemble those of the uncharged species. Finally, water in the environment has negligible direct influence on the transverse electrical current.Comment: 14 pages, 5 figure

Conformational distributions of isolated myosin motor domains encode their mechanochemical properties

Myosin motor domains perform an extraordinary diversity of biological functions despite sharing a common mechanochemical cycle. Motors are adapted to their function, in part, by tuning the thermodynamics and kinetics of steps in this cycle. However, it remains unclear how sequence encodes these differences, since biochemically distinct motors often have nearly indistinguishable crystal structures. We hypothesized that sequences produce distinct biochemical phenotypes by modulating the relative probabilities of an ensemble of conformations primed for different functional roles. To test this hypothesis, we modeled the distribution of conformations for 12 myosin motor domains by building Markov state models (MSMs) from an unprecedented two milliseconds of all-atom, explicit-solvent molecular dynamics simulations. Comparing motors reveals shifts in the balance between nucleotide-favorable and nucleotide-unfavorable P-loop conformations that predict experimentally measured duty ratios and ADP release rates better than sequence or individual structures. This result demonstrates the power of an ensemble perspective for interrogating sequence-function relationships

Suppression of RhoG activity is mediated by a syndecan 4–synectin–RhoGDI1 complex and is reversed by PKCα in a Rac1 activation pathway

Fibroblast growth factor 2 (FGF2) is a major regulator of developmental, pathological, and therapeutic angiogenesis. Its activity is partially mediated by binding to syndecan 4 (S4), a proteoglycan receptor. Angiogenesis requires polarized activation of the small guanosine triphosphatase Rac1, which involves localized dissociation from RhoGDI1 and association with the plasma membrane. Previous work has shown that genetic deletion of S4 or its adapter, synectin, leads to depolarized Rac activation, decreased endothelial migration, and other physiological defects. In this study, we show that Rac1 activation downstream of S4 is mediated by the RhoG activation pathway. RhoG is maintained in an inactive state by RhoGDI1, which is found in a ternary complex with synectin and S4. Binding of S4 to synectin increases the latter's binding to RhoGDI1, which in turn enhances RhoGDI1's affinity for RhoG. S4 clustering activates PKCα, which phosphorylates RhoGDI1 at Ser96. This phosphorylation triggers release of RhoG, leading to polarized activation of Rac1. Thus, FGF2-induced Rac1 activation depends on the suppression of RhoG by a previously uncharacterized ternary S4–synectin–RhoGDI1 protein complex and activation via PKCα

RhoG regulates endothelial apical cup assembly downstream from ICAM1 engagement and is involved in leukocyte trans-endothelial migration

During trans-endothelial migration (TEM), leukocytes use adhesion receptors such as intercellular adhesion molecule-1 (ICAM1) to adhere to the endothelium. In response to this interaction, the endothelium throws up dynamic membrane protrusions, forming a cup that partially surrounds the adherent leukocyte. Little is known about the signaling pathways that regulate cup formation. In this study, we show that RhoG is activated downstream from ICAM1 engagement. This activation requires the intracellular domain of ICAM1. ICAM1 colocalizes with RhoG and binds to the RhoG-specific SH3-containing guanine-nucleotide exchange factor (SGEF). The SH3 domain of SGEF mediates this interaction. Depletion of endothelial RhoG by small interfering RNA does not affect leukocyte adhesion but decreases cup formation and inhibits leukocyte TEM. Silencing SGEF also results in a substantial reduction in RhoG activity, cup formation, and TEM. Together, these results identify a new signaling pathway involving RhoG and its exchange factor SGEF downstream from ICAM1 that is critical for leukocyte TEM

Predicting locations of cryptic pockets from single protein structures using the PocketMiner graph neural network

Cryptic pockets expand the scope of drug discovery by enabling targeting of proteins currently considered undruggable because they lack pockets in their ground state structures. However, identifying cryptic pockets is labor-intensive and slow. The ability to accurately and rapidly predict if and where cryptic pockets are likely to form from a structure would greatly accelerate the search for druggable pockets. Here, we present PocketMiner, a graph neural network trained to predict where pockets are likely to open in molecular dynamics simulations. Applying PocketMiner to single structures from a newly curated dataset of 39 experimentally confirmed cryptic pockets demonstrates that it accurately identifies cryptic pockets (ROC-AUC: 0.87) \u3e1,000-fold faster than existing methods. We apply PocketMiner across the human proteome and show that predicted pockets open in simulations, suggesting that over half of proteins thought to lack pockets based on available structures likely contain cryptic pockets, vastly expanding the potentially druggable proteome

Individualized Surgery: Gamma-Probe-Guided Lymphadenectomy in Patients with Clinically Enlarged Lymph Node Metastases from Melanomas

BACKGROUND: The value of a preoperative lymphoscintigraphy in melanoma patients with clinically evident regional lymph node metastases has not been studied. Therapeutic lymph node dissection (TLND) is regarded as the clinical standard, but the appropriate extent of TLND is controversial in all lymphatic basins. PATIENTS AND METHODS: Of the 115 consecutive patients with surgery on palpable lymph node metastases, 34 received a pre-operative lymphoscintigraphy. Lymphatic drainage to a second nodal basin outside the clinically involved basin was found in 15 cases. In 13 patients, the ectopic tumor-draining lymph nodes were excised as in a sentinel node biopsy. The lymph nodes from the TLND specimens were postoperatively separated and classified as either radioactive or non-radioactive. RESULTS: A total of 493 lymph nodes were examined pathologically. The largest macrometastasis maintained the ability to take up radiotracer in 77% of cases. Radioactively labeled lymph nodes carried a higher risk of being involved with metastasis. The proportions of tumor involvement for radioactive and non-radioactive lymph nodes were 44.5 and 16.9%, respectively (P=0.00002). Of the 13 ectopic nodal basins surgically explored, six harbored clinically occult metastases. CONCLUSION: In patients undergoing TLND for palpable metastases, tumor-draining lymph nodes in a second, ectopic nodal basin should be excised, because they could be affected by occult metastasis. With respect to radioactive lymph nodes situated within the nodal basin of the macrometastasis but beyond the borders of a less-radical lymphadenectomy, further studies are needed

Directed motion emerging from two coupled random processes: Translocation of a chain through a membrane nanopore driven by binding proteins

We investigate the translocation of a stiff polymer consisting of M monomers through a nanopore in a membrane, in the presence of binding particles (chaperones) that bind onto the polymer, and partially prevent backsliding of the polymer through the pore. The process is characterized by the rates: k for the polymer to make a diffusive jump through the pore, q for unbinding of a chaperone, and the rate q kappa for binding (with a binding strength kappa); except for the case of no binding kappa=0 the presence of the chaperones give rise to an effective force that drives the translocation process. Based on a (2+1) variate master equation, we study in detail the coupled dynamics of diffusive translocation and (partial) rectification by the binding proteins. In particular, we calculate the mean translocation time as a function of the various physical parameters.Comment: 22 pages, 5 figures, IOP styl

Drug specificity and affinity are encoded in the probability of cryptic pocket opening in myosin motor domains

The design of compounds that can discriminate between closely related target proteins remains a central challenge in drug discovery. Specific therapeutics targeting the highly conserved myosin motor family are urgently needed as mutations in at least six of its members cause numerous diseases. Allosteric modulators, like the myosin-II inhibitor blebbistatin, are a promising means to achieve specificity. However, it remains unclear why blebbistatin inhibits myosin-II motors with different potencies given that it binds at a highly conserved pocket that is always closed in blebbistatin-free experimental structures. We hypothesized that the probability of pocket opening is an important determinant of the potency of compounds like blebbistatin. To test this hypothesis, we used Markov state models (MSMs) built from over 2 ms of aggregate molecular dynamics simulations with explicit solvent. We find that blebbistatin\u27s binding pocket readily opens in simulations of blebbistatin-sensitive myosin isoforms. Comparing these conformational ensembles reveals that the probability of pocket opening correctly identifies which isoforms are most sensitive to blebbistatin inhibition and that docking against MSMs quantitatively predicts blebbistatin binding affinities (