open_UMR

Aaron Beller

Welcome to open_UMR!

Open_UMR is a cross faculty publication hub. We collect scientific publications, resources, research data and software from members of Philipps-University Marburg and make it openly accessible. To ensure high standards of quality and re-usability, submissions to open_UMR are subject to curation.

Select a community to browse its collections.

Recent Submissions

Open Access
Fluoreszenzbasierte und computergestützte Analyse des Einflusses kleiner Moleküle auf die Signalübertragung der muskarinischen Acetylcholinrezeptoren M2 und M3
(Philipps-Universität Marburg, 2026-01-14) Flöser, Anja; Prof. Dr. Peter Kolb, Prof. Dr. Moritz Bünemann
G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs) sind Membranproteine, die alle große strukturelle Ähnlichkeit miteinander besitzen und in der Lage sind extrazelluläre in intrazelluläre Signale umzuwandeln. Dies geschieht durch die Aktivierung intrazellulärer Effektorproteine. Bei den natürlichen Signalstoffen, die die Signalübertragung von Außen einleiten, handelt es sich oft um kleine Moleküle, die auch als Agonisten bezeichnet werden. Aufgrund ihrer biologischen Bedeutung für die Signalübertragung in die Zelle besitzen GPCRs eine hohe Relevanz für zahlreiche physiologische Prozesse. Sie beeinflussen beispielsweise wie schnell das Herz schlägt und werden zur Wahrnehmung von Licht, Geruch und Geschmack benötigt. Auch für kognitive und motorische Prozesse spielen sie eine Rolle. Aus diesen Gründen sind GPCRs wichtige Zielproteine für niedermolekulare Arzneimittel. Ein besseres Verständnis der Signalübertragung und Signalmodulation kann damit einen direkten Einfluss auf die Entwicklung zukünftiger Medikamente haben. Im Rahmen dieser Arbeit wurde mit fluoreszenzbasierten und computergestützten Methoden der Einfluss kleiner Moleküle auf die Signalübertragung der muskarinischen Acetylcholinrezeptoren M2 und M3 analysiert. Unterschiedliche Agonisten können zu unterschiedlich starker Rekrutierung von Effektorproteinen an den Rezeptor führen. Dies wirkt sich auf die Signalweiterleitung in der Zelle aus. In der Konsequenz kann dies sowohl die Wirkung als auch die Nebenwirkung von Medikamenten, die auf GPCRs wirken, betreffen. Die Untersuchung dieses als Agonistenbias bezeichneten Phänomens wird dadurch erschwert, dass die Effektorproteine sich in ihrer Aktivierung und Rekrutierung gegenseitig beeinflussen können. Statt der bisher zumeist durchgeführten Analyse nachgeschalteter Signale wurde im ersten Teil dieser Arbeit die direkte Aktivierung und Rekrutierung von Effektorproteinen untersucht. Mit FRET- und BRET-Messungen wurde die Gq-Aktivierung, GRK2-Rekrutierung und Arrestin3-Rekrutierung, sowie die gegenseitige Beeinflussung dieser Effektorproteine am M3R für sieben Agonisten untersucht und ein sogenannter Biasfaktor für jeden Agonisten berechnet. Im Zuge dessen wurde ein Messprotokoll etabliert, das den Einfluss von G-Protein und GRK auf die Arrestin3-Rekrutierung minimiert. Es konnte Bias hinsichtlich der Arrestin3-Rekrutierung am M3R beobachtet werden und auch erstmals gezeigt werden, dass dieser nicht ursächlich durch einen Bias in der GRK2-Rekrutierung entsteht. Die beobachteten Ergebnisse verdeutlichen damit die bisher weniger untersuchte Bedeutung des Effektorproteins GRK für die Analyse und das Verständnis des Agonistenbias und stellen damit einen ersten Schritt dar, um in Zukunft Bias auf Ebene der Signalwege aufzuschlüsseln. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde mit chemoinformatischen Methoden, insbesondere mit Docking, ein kleines Molekül gesucht, das in die intrazelluläre Kavität des M2R bindet, in die auch das G-Protein bindet und das die Interaktion zwischen Rezeptor und G-Protein beeinflusst. Ein solches Molekül kann Verwendung finden bei der weiteren Untersuchung des Agonistenbias ebenso wie bei der Entwicklung einer neuen Klasse von Medikamenten mit maßgeschneidertem Effekt auf die Rezeptor-Effektor-Interaktion. Mit Hilfe von Docking wurden mehrere kleine Moleküle gefunden, die in FRET-Messungen einen Einfluss auf die Interaktion zwischen Rezeptor und G-Protein aufweisen. AW12, das Molekül mit dem stärksten Einfluss wurde genauer untersucht, um herauszufinden, ob es wie vorhergesagt in der intrazellulären Kavität des Rezeptors bindet oder nicht. Die durchgeführten Messungen zeigen, dass AW12 an den M2R bindet, direkt kompetitiv zur G-Protein-Aktivierung ist und am M1R eine Rezeptorkonformationsänderung induziert, vergleichbar mit der, die durch den natürlichen Agonisten ACh induziert wird. Dies legt nahe, dass es sich bei AW12 um den gewünschten intrazellulären Binder handelt, auch wenn dies bisher nicht zweifelsfrei nachgewiesen werden konnte. Im Rahmen dieser Arbeit wurden viele FRET- und BRET-Messungen durchgeführt und ausgewertet. Daraus ergab sich die Frage, welchen Einfluss die durchgeführte Auswertung möglicherweise auf die resultierenden Daten hat. Dies führte im dritten Teil dieser Arbeit zur Entwicklung von pyRET, einem auf Python-basierendem Programm zur automatisierten Datenanalyse und Evaluation der Auswertungsqualität mittels computergenerierter Daten. In den ersten beiden Teilen dieser Arbeit konnten Erkenntnisse gesammelt werden, die das Verständnis der GPCR-vermittelten-Signalübertragung vertiefen und damit in Zukunft möglicherweise zur Entwicklung effektiverer Medikamente mit weniger Nebenwirkungen beitragen. Der dritte Teil dieser Arbeit, das Programm pyRET, ermöglicht es in Zukunft, die Auswertungsqualität von FRET- und BRET-Messungen zu quantifizieren. Zudem kann der Einfluss von Ausreißern und Rauschen auf die Auswertung analysiert werden. Dadurch können verschiedene Auswertemethoden und deren jeweiliger Einfluss auf die Daten direkt miteinander verglichen werden. Durch die Modularität des Programmes ist es möglich, die Software bei Bedarf auch auf weitere Messmethoden und Auswertemethoden anzuwenden. Darüber hinaus kann mit pyRET untersucht werden, welche Qualität der erhobenen Messdaten für welche Auswertemethode benötigt wird. Dies ermöglicht in Zukunft folglich sowohl die Analyse darüber welche Auswertemethode für die jeweiligen Messdaten geeignet ist als auch die Festsetzung von Grenzwerten, um ungeeignete Daten im Rahmen der Auswertung automatisiert zu verwerfen.
Open Access
Characterisation of the role of Mettl3-mediated m6A methylation in skeletal muscle cells
(Philipps-Universität Marburg, 2026-01-12) Law, Justin Yiu Chun; Annette Borchers (Prof. Dr.)
A growing body of evidence suggests a pivotal role of N6-Methyladenosine (m6A) modifications for biological processes, including stem cell differentiation. While initial steps have been taken to explore the influence of m6A on muscle stem cell (MuSC) development, several open questions remain, including contradictory findings about the regulation of MuSCs by m6A. These include dual effects of METTL3 on proliferation and differentiation, identification of direct m6A targets, underlying mechanisms, and the roles of (non-)canonical m6A binding proteins. My research focused on the function of Mettl3-mediated m6A modifications for skeletal muscle cell development and regeneration, revealing effects of m6A on proliferation and differentiation of MuSCs. My study revealed the requirement of Mettl3 in Pax7- positive MuSCs for efficient muscle cell differentiation. Furthermore, several potential direct m6A targets were identified, including COUP-TFII (Nr2f2), a transcription factor involved in the pathogenesis of Duchenne muscular dystrophy. My investigations highlight the role of m6A in the metabolism of Ribonucleic acids (RNAs), particularly RNA stability and translation. It demonstrates that Mettl3 strongly influences mRNA degradation and splicing, disclosing that genes differentially expressed in m6A-deficient MuSCs often show changes in the splicing patterns. The study also examines m6A proteins that interact with m6A-modified RNAs and demonstrates the existence of non-canonical m6A readers. Novel methodologies such as GLORI-Sequencing were established and applied to muscle cells for improving detection of m6A and enabling stoichiometric identification of m6A sites at single nucleotide resolution. Complex m6A methylation patterns were mapped, and their interplay with RNA G-quadruplexes (RG4s) were explored, suggesting links between RG4s and epitranscriptomic changes. In conclusion, my research answers several questions about the function of m6A- dependent processes in muscle stem cell development. The identification of direct targets, mechanisms, and interactions improves understanding of the role of epitranscriptomics for critical cellular activities
Open Access
Molecular coordination of cell shape determinants in Helicobacter pylori: Insights into the dynamics and spatial organization of peptidoglycan-modifying complexes
(Philipps-Universität Marburg, 2026-01-12) Greger, Maximilian; Graumann, Peter Ludwig (Prof. Dr.) ; Waidner, Barbara (Dr.)
The helical morphology characteristic of the widespread human pathogenic organism Helicobacter pylori enables efficient colonization of the epithelial cells of the stomach and makes diseases such as gastric ulcers or gastric cancer more likely. The formation and maintenance of the helical cell shape of H. pylori is the result of the interaction of several proteins, some of which act independently of each other. One group of these proteins comprises the so-called cell shape determinant (Csd) proteins, which, together with the bactofilin CcmA, influence the cell shape by locally defined changes in the structure of the cell shape-determining peptidoglycan. Despite numerous studies that have focused on the identification of these proteins and their interaction with each other through in vitro experiments, little is known about their subcellular localization and dynamics in living cells. Furthermore, the role of the bactofilin CcmA within the complex is not fully understood. The present work deals with the DD-endopeptidases Csd1 and Csd2, the transmembrane protein Csd7 as a representative of the cell shape-defining proteins, as well as the bactofilin CcmA in H. pylori. This provides the first insight into the organization and dynamics of endopeptidases and their interactors. The knowledge gained enables a refinement of the previously known understanding of how active PG modifications are brought about by the interaction of endopeptidases and other associated factors. Using a combination of high-resolution structured illumination microscopy and cluster tracking, regions close to the cell poles were defined as areas with the most restricted diffusion of Csd2 and thus its highest activity. Furthermore, a ring-like structure with a global Csd2-Minimum could be identified at these regions, which showed a rotation-like movement. However, this preferred Csd1:Csd2 localization showed only a slight overlap with PG-growing zones at the septum. This implies a specialized function of the endopeptidase that focuses on PG modification rather than PG expansion. The organization of regions close to the cell poles seems to indicate a locally increased enzymatic activity. In addition, the Csd1:Csd2:Csd7 complex showed an independent movement pattern in contrast to other Cell-shape regulating components like Csd5 or CcmA. The transmembrane protein Csd7 has a stabilizing effect on the Csd1:Csd2 heterodimer, but shows an independent organization in a helical arrangement across the cell length. While static Csd2 occurs preferentially in regions close to the cell pole, static Csd7 exhibits a more widely distributed diffusion behavior. While SMT experiments excluded an effect on the diffusion of Csd7 by CcmA, a spatial proximity to the bactofilin could be observed by bimolecular fluorescence complementation (BiFC). However, this supports the assumption of independence of Csd7 from Csd2, Csd1, and CcmA. Although CcmA showed no direct interaction affinity to the Csd1:Csd2:Csd7 complex, it still has a significant influence on the helical cell shape of H. pylori. CcmA showed a slight tendency towards VI positive curvature only in the polymerized and thus functional state. The potential interaction partner MinD identified by Co-immunoprecipitation, which is part of the septum-defining system, has a major influence on the diffusion behavior of CcmA. In its absence, an increase in the proportion of functional CcmA polymers was observed. The localization as well as the tendencies towards positive cell curvature remained unchanged, suggesting a polymer inhibitory effect mediated by the MinD. The cell elongation observed by ΔminD, as well as the shortened cell shape at ΔccmA, allows speculation about the influence of CcmA on the positioning of the FtsZ ring.
Open Access
Tracking the cellular reprogramming of Sinorhizobium meliloti during transcellular root hair infection of Medicago truncatula
(Philipps-Universität Marburg, 2026-01-12) Bennion, Anne; Becker, Anke (Prof. Dr.); Carvalho-Niebel, Fernanda de (Prof. Dr.)
Rhizobien treten mit Leguminosen in Symbiose, indem sie Stickstoff für die Wirtspflanze fixieren. Dies geschieht in spezialisierten Wurzelorganen, den Knöllchen. Die Etablierung dieser Interaktion erfordert einen präzisen molekularen Austausch zwischen den Partnern, bevor Rhizobien die sich entwickelnden Knöllchen infizieren können. In den meisten Fällen infizieren Rhizobien ihre Wirtpflanze über eine tunnelartige Struktur, den Infektionsfaden, der in den Wurzelhaaren initiiert wird. Obwohl die zelluläre und molekulare Reprogrammierung von Rhizobien in Knöllchen gut untersucht wurde, ist über die bakterielle Reprogrammierung während der Wurzelhaaren-Infektion wenig bekannt. Diese Dissertation stellt neue molekulare Werkzeuge vor, mit denen die Promotoraktivität und Proteinakkumulation von Rhizobium (Sinorhizobium meliloti) während der Wurzelhaaren-Infektion der Modellleguminose Medicago truncatula in vivo mittels fluoreszierender konfokaler Mikroskopie dynamisch verfolgt werden können (Kapitel II). Mithilfe einiger dieser Werkzeuge zeigt diese Arbeit, dass die Zellproliferation von S. meliloti während der transzellulären Wurzelhaaren-Infektion räumlich und zeitlich dynamisch ist und dass diese Dynamik mit dem Entwicklungsstatus des Infektionsfaden verknüpft ist (Kapitel III). Anschließend wurden diese Werkzeuge in Kolokalisationsstudien mit M. truncatula-Mutanten eingesetzt, die in der Infektionsfaden-Entwicklung beeinträchtigt sind. Dabei konnte gezeigt werden, dass diese Dynamik von der Wirtpflanze beeinflusst wird und mit Veränderungen in der Nährstoffverfügbarkeit sowie mit spezifischen Zellwandmodifikationen während der Infektionsfaden-Entwicklung zusammenhängt. Diese Zusammenhänge geben neue Einblicke, wie Rhizobien in frühen Infektionsstadien mit ihrer Wirtpflanze interagieren.
Open Access
Computer-aided ligand discovery and hit optimization of small molecules targeting the TGR5 receptor, Dengue Virus protease, and Pim-1 kinase
(Philipps-Universität Marburg, 2026-01-12) Papadopoulos, Maria Giovanna Eva; Kolb, Peter (Prof. Dr.)
In the last 50 years, computational drug discovery strategies have been implemented and optimized to accelerate lead compound identification. When supported by computational approaches, the time, costs, and labor spent on drug discovery exclusively with conventional methods can be significantly reduced. The scientific field of early-stage drug discovery is being revolutionized by the new potential offered through supercomputing power, artificial intelligence, and new technologies. As a consequence, the scientific community produces a large number of experimental results. Therefore, using computational methods to integrate, analyze, or visualize data is essential. This thesis approaches three distinct scientific problems in the pharmaceutical field, under the lens of computational methods. The aim is to modulate the biological activity of three distinct protein targets with small molecules using molecular simulations and modeling. More specifically, the first scientific challenge is the activation of the human transmembrane receptor TGR5, a target against metabolic and inflammatory diseases, by non-steroidal small molecules that act either as agonists or as positive allosteric modulators. The second scientific subject focuses on potential treatment against the disease caused by the Dengue virus, via allosteric inhibition of its protease. The last scientific argument involves inhibiting the Pim-1 kinase, a well-studied prooncogenic target, with the scope to optimize existing scaffolds. Despite the numerous differences among these proteins and the targeted diseases, the in silicon methods herein presented are based on analogous concepts and, for the most part, structure-based computational techniques. The calculations performed in this study rely on the three-dimensional structures of these targets that have been experimentally resolved. The main focus is to identify novel small molecules that modulate the biological activity of the proteins by binding to them and, therefore, determining the activation or inhibition of the protein target. For all three targets, virtual screening campaigns were performed employing molecular docking calculations to identify small molecules capable of inducing the desired biological response. The identification of the small molecules was performed by employing molecular dynamics simulation techniques and chemoinformatic methods –such as similarity searches– were used in this thesis.