Manipulation der Aktin-Hülle später Endosomen durch ektopisches Protein-Targeting und Etablierung einer in vivo-Hierarchie cytoplasmatischer Targeting-Signalstärken

Der Endocytoseweg in Dictyostelium verläuft über definierte endosomale Reifestadien. Dabei werden die reifenden Endosomen im letzten Stadium durch eine Schicht aus filamentösem Aktin umhüllt. Über die biologische Funktion dieser Aktin-Hülle ist derzeit wenig bekannt. Zum weiteren Erkenntnisgewinn sollten daher unterschiedliche Aktin-interagierende Proteine an die endosomale Aktin-Hülle dirigiert und die sich daraus ergebenden Folgen untersucht werden. Dabei wurde der in Drengk et al., 2003 beschriebene Ansatz aufgegriffen, in dem Proteine durch die Fusion an Vacuolin an die späte endosomale Membran transportiert wurden. Die endosomale Lokalisation von DAip1 bewirkte den vollständigen Verlust der endosomalen Aktin-Hülle, ohne dabei das restliche zelluläre Cytoskelett zu beeinträchtigen. Dabei wird die Depolymerisation vermutlich über die nachgewiesene Interaktion von DAip1 mit dem Aktin-depolymerisierenden Protein Cofilin bewirkt. Einhergehend damit trat eine Aggregation der betroffenen Kompartimente, eine Verzögerung des endocytotischen Transits, sowie eine verstärkte Retention lysosomaler Enzyme auf. Diese Ergebnisse ließen auf eine Funktion der endosomalen Aktin-Hülle als Fusionsinhibitor oder in der Regulation von Recycling-Prozessen an späten Endosomen schließen. Die Verlängerung der endosomalen Verweilzeit des den Arp2/3-Komplex negativ regulierenden Proteins Coronin bewirkte dagegen keine offensichtlichen Veränderungen in den betroffenen Zellen. Diese Beoachtung könnte ein Indiz dafür sein, dass nach der Ausbildung der Aktin-Hülle keine weiteren essentiellen Arp2/3-abhängigen mehr an der endosomalen Membran auftreten. Die endosomale Lokalisation des Aktin-Crosslinkers ABP34 induzierte ebenfalls keine Abweichungen vom Wildtyp-Verhalten. Hierbei besteht allerdings die Möglichkeit, dass die Aktivität des Proteins durch die bereits zuvor beschriebene Calcium-Sensitivität beeintächtigt vorliegt. Eine Verstärkung der endosomalen Hülle konnte trotz der Verwendung unterschiedlicher Ansätze nicht hervorgerufen werden. Offensichtlich wirkt die zusätzliche Expression zentraler Regulatoren der Aktin-Polymerisation in der Zelle cytotoxisch. Die Bindung von VASP an die endosomale Membran bewirkte in den Zellen die Ausbildung voluminöser, cytoplasmatischer „Aktin-Bälle“. Diese riefen in den betroffenen Zellen Defekte in unterschiedlichen Aktin-abhängigen Prozessen, wie der Phago- und Pinocytose, sowie der Cytokinese hervor. Dabei gehen die beobachteten Veränderungen vermutlich auf die nachgewiesene Störung im Gleichgewicht zwischen G- und F-Aktin zurück. Obwohl die Aktin-Bälle an der endosomalen Membran entstehen, weisen sie nach vollendeter Entstehung keine inneren oder äußeren Membranen mehr auf und nehmen nicht mehr aktiv am endocytotischen Geschehen teil. Die nähere Charakterisierung offenbarte große Ähnlichkeit zu den mit unterschiedlichen neurodegenerativen Erkrankungen assoziierten Hirano-Bodies. Über das beobachtbare Lokalisationsverhalten der unterschiedlichen im ersten Teil der Arbeit eingesetzten Vacuolin-Hybridproteine ließ sich die Stärke der Lokalisationsinformationen der fusionierten Aktin-interagierenden Proteine miteinander vergleichen. Dies wurde verwendet, um die einzelnen Proteine gemäß ihres Targeting-Potenzials hierarchisch anzuordnen. Im zweiten Teil der Arbeit wurden dieser Hierarchie die beiden cytoplasmatischen Targeting-Signale für Peroxisomen (PTS1) und den Zellkern (SV40-NLS) hinzugefügt. Der vorgenommene Vergleich dieser in vivo gewonnen Daten aus Dictyostelium mit unterschiedlichen in vitro-Bindungsstudien mit homologen Proteinen anderer Organismen zeigte eine erstaunlich gute Übereinstimmung. Diese Beobachtung lässt auf vergleichbare Targeting-Affinitäten innerhalb der Eukaryoten schließen und belegt, dass die zelluläre Lokalisation eines Proteins relativ sicher anhand der in ihm vorhandenen Bindungs-Affinitäten vorhergesagt werden kann. Durch die Kombination der in vivo- und in vitro-Daten war es auch ohne Kenntnis des Oligomerisierungsgrades und des Interaktionspartners erstmals möglich, die Bindungsstärke von Vacuolin an der endosomalen Membran auf einen definierten Bereich einzugrenzen.

Protein Folding Simulations: Confinement, External Fields and Sequence Design

The present Thesis looks at the problem of protein folding using Monte Carlo and Langevin simulations, three topics in protein folding have been studied: 1) the effect of confining potential barriers, 2) the effect of a static external field and 3) the design of amino acid sequences which fold in a short time and which have a stable native state (global minimum). Regarding the first topic, we studied the confinement of a small protein of 16 amino acids known as 1NJ0 (PDB code) which has a beta-sheet structure as a native state. The confinement of proteins occurs frequently in the cell environment. Some molecules called Chaperones, present in the cytoplasm, capture the unfolded proteins in their interior and avoid the formation of aggregates and misfolded proteins. This mechanism of confinement mediated by Chaperones is not yet well understood. In the present work we considered two kinds of potential barriers which try to mimic the confinement induced by a Chaperon molecule. The first kind of potential was a purely repulsive barrier whose only effect is to create a cavity where the protein folds up correctly. The second kind of potential was a barrier which includes both attractive and repulsive effects. We performed Wang-Landau simulations to calculate the thermodynamical properties of 1NJ0. From the free energy landscape plot we found that 1NJ0 has two intermediate states in the bulk (without confinement) which are clearly separated from the native and the unfolded states. For the case of the purely repulsive barrier we found that the intermediate states get closer to each other in the free energy landscape plot and eventually they collapse into a single intermediate state. The unfolded state is more compact, compared to that in the bulk, as the size of the barrier decreases. For an attractive barrier modifications of the states (native, unfolded and intermediates) are observed depending on the degree of attraction between the protein and the walls of the barrier. The strength of the attraction is measured by the parameter $\epsilon$. A purely repulsive barrier is obtained for $\epsilon=0$ and a purely attractive barrier for $\epsilon=1$. The states are changed slightly for magnitudes of the attraction up to $\epsilon=0.4$. The disappearance of the intermediate states of 1NJ0 is already observed for $\epsilon =0.6$. A very high attractive barrier ($\epsilon \sim 1.0$) produces a completely denatured state. In the second topic of this Thesis we dealt with the interaction of a protein with an external electric field. We demonstrated by means of computer simulations, specifically by using the Wang-Landau algorithm, that the folded, unfolded, and intermediate states can be modified by means of a field. We have found that an external field can induce several modifications in the thermodynamics of these states: for relatively low magnitudes of the field ($<2.06 \times 10^8$ V/m) no major changes in the states are observed. However, for higher magnitudes than ($6.19 \times 10^8$ V/m) one observes the appearance of a new native state which exhibits a helix-like structure. In contrast, the original native state is a $\beta$-sheet structure. In the new native state all the dipoles in the backbone structure are aligned parallel to the field. The design of amino acid sequences constitutes the third topic of the present work. We have tested the Rate of Convergence criterion proposed by D. Gridnev and M. Garcia ({\it work unpublished}). We applied it to the study of off-lattice models. The Rate of Convergence criterion is used to decide if a certain sequence will fold up correctly within a relatively short time. Before the present work, the common way to decide if a certain sequence was a good/bad folder was by performing the whole dynamics until the sequence got its native state (if it existed), or by studying the curvature of the potential energy surface. There are some difficulties in the last two approaches. In the first approach, performing the complete dynamics for hundreds of sequences is a rather challenging task because of the CPU time needed. In the second approach, calculating the curvature of the potential energy surface is possible only for very smooth surfaces. The Rate of Convergence criterion seems to avoid the previous difficulties. With this criterion one does not need to perform the complete dynamics to find the good and bad sequences. Also, the criterion does not depend on the kind of force field used and therefore it can be used even for very rugged energy surfaces.