Neuronal differentiation and epithelial integrity: the role of Drosophila Short stop

The nervous system is the most complex organ in animals and the ordered interconnection of neurons is an essential prerequisite for normal behaviour. Neuronal connectivity requires controlled neuronal growth and differentiation. Neuronal growth essentially depends on the actin and microtubule cytoskeleton, and it has become increasingly clear, that crosslinking of these cytoskeletal fractions is a crucial regulatory process. The Drosophila Spectraplakin family member Short stop (Shot) is such a crosslinker and is crucial for several aspects of neuronal growth. Shot comprises various domains: An actin binding domain, a plakin-like domain, a rod domain, calcium responsive EF-hand motifs, a microtubule binding Gas2 domain, a GSR motif and a C-terminal EB1aff domain. Amongst other phenotypes, shot mutant animals exhibit severely reduced dendrites and neuromuscular junctions, the subcellular compartmentalisation of the transmembrane protein Fasciclin2 is affected, but it is also crucially required in other tissues, for example for the integrity of tendon cells, specialised epidermal cells which anchor muscles to the body wall. Despite these striking phenotypes, Shot function is little understood, and especially we do not understand how it can carry out functions as diverse as those described above. To bridge this gap, I capitalised on the genetic possibilities of the model system Drosophila melanogaster and carried out a structure-function analysis in different neurodevelopmental contexts and in tendon cells. To this end, I used targeted gene expression of existing and newly generated Shot deletion constructs in Drosophila embryos and larvae, analyses of different shot mutant alleles, and transfection of Shot constructs into S2 cells or cultured fibroblasts. My analyses reveal that a part of the Shot C-terminus is not essential in the nervous system but in tendon cells where it stabilises microtubules. The precise molecular mechanism underlying this activity is not yet elucidated but, based on the findings presented here, I have developed three alternative testable hypothesis. Thus, either binding of the microtubule plus-end tracking molecule EB1 through an EB1aff domain, microtubulebundling through a GSR rich motif or a combination of both may explain a context-specific requirement of the Shot C-terminus for tendon cell integrity. Furthermore, I find that the calcium binding EF-hand motif in Shot is exclusively required for a subset of neuronal functions of Shot but not in the epidermal tendon cells. These findings pave the way for complementary studies studying the impact of [Ca2+] on Shot function. Besides these differential requirements of Shot domains I find, that most Shot domains are required in the nervous system and tendon cells alike. Thus the microtubule Gas2 domain shows no context specific requirements and is equally essential in all analysed cellular contexts. Furthermore, I could demonstrate a partial requirement of the large spectrin-repeat rod domain of Shot in neuronal and epidermal contexts. I demonstrate that this domain is partially required in processes involving growth and/or tissue stability but dispensable for cellular processes where no mechanical stress resistance is required. In addition, I demonstrate that the CH1 domain a part of the N-terminal actin binding domain of Shot is only partially required for all analysed contexts. Thus, I conclude that Shot domains are functioning different in various cellular environments. In addition my study lays the base for future projects, such as the elucidation of Shot function in growth cones. Given the high degree of conservation between Shot and its mammalian orthologues MACF1/ACF7 and BPAG1, I believe that the findings presented in this study will contribute to the general understanding of spectraplakins across species borders.

New platforms for optical biosensing

Physicochemical experimental techniques combined with the specificity of a biological recognition system have resulted in a variety of new analytical devices known as biosensors. Biosensors are under intensive development worldwide because they have many potential applications, e.g. in the fields of clinical diagnostics, food analysis, and environmental monitoring. Much effort is spent on the development of highly sensitive sensor platforms to study interactions on the molecular scale. In the first part, this thesis focuses on exploiting the biosensing application of nanoporous gold (NPG) membranes. NPG with randomly distributed nanopores (pore sizes less than 50 nm) will be discussed here. The NPG membrane shows unique plasmonic features, i.e. it supports both propagating and localized surface plasmon resonance modes (p SPR and l-SPR, respectively), both offering sensitive probing of the local refractive index variation on/in NPG. Surface refractive index sensors have an inherent advantage over fluorescence optical biosensors that require a chromophoric group or other luminescence label to transduce the binding event. In the second part, gold/silica composite inverse opals with macroporous structures were investigated with bio- or chemical sensing applications in mind. These samples combined the advantages of a larger available gold surface area with a regular and highly ordered grating structure. The signal of the plasmon was less noisy in these ordered substrate structures compared to the random pore structures of the NPG samples. In the third part of the thesis, surface plasmon resonance (SPR) spectroscopy was applied to probe the protein-protein interaction of the calcium binding protein centrin with the heterotrimeric G-protein transducin on a newly designed sensor platform. SPR spectroscopy was intended to elucidate how the binding of centrin to transducin is regulated towards understanding centrin functions in photoreceptor cells.

Konditionale Mutagenese von Desmoglein 2 in der Maus

Desmosomen sind hoch organisierte interzelluläre Verbindungen, die Zellverbänden eine mechanische Stabilität verleihen. Die Intermediärfilamentnetzwerke benachbarter Zellen werden mit Hilfe der desmosomalen Cadherine vom Desmoglein- und Desmocollin-Typ miteinander verknüpft. Diese Glykoproteine interagieren miteinander im Interzellularspalt zwischen benachbarten Zellen und stellen mit ihren zytoplasmatischen Domänen einen Ankerpunkt für desmosomale Brückenproteine dar, an welche wiederum die Proteine des Intermediärfilament-Zytoskeletts binden. Bei der Maus spielt das desmosomale Cadherin Desmoglein 2 (DSG2) bereits in frühen Stadien der Embryogenese eine entscheidende Rolle. Homozygote DSG2-Knockout-Mäuse sterben bereits vor der Implantation des Embryos ab. Im adulten Tier ist Dsg2 die am weitesten verbreitete Isoform, in Darm, Leber und Herzmuskel wird es zudem exklusiv exprimiert. Ziel dieser Arbeit war es, die Bedeutung von Dsg2 in differenzierten Gewebeverbänden adulter Tiere zu untersuchen. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden mehrere transgene Mauslinien hergestellt, in denen mit Hilfe des Cre/loxP-Systems eine Deletion im DSG2-Gen konditional und gewebsspezifisch induziert werden konnte. Dazu wurden zuerst zwei loxP-Sequenzen und eine mit zwei FRT-Stellen flankierte Neomyzinresistenzgen-Kassette in das DSG2-Gen von embryonalen Stammzellen durch homologe Rekombination eines Targeting-Konstrukts inseriert. Diese Zellen wurden in Blastozysten injiziert und Mauslinien hergestellt. Mit Hilfe der Flpe-Rekombinase wurde anschließend die Resistenzenzgen-Kassette entfernt. Diese Stämme wurden mit Mäusen verpaart, die eine induzierbare und gewebsspezifische Synthese der Cre-Rekombinase ermöglichen. Im Darmepithel und der Leber konnte eine gewebsspezifische Rekombination des DSG2-Gens induziert werden. Untersuchungen der DSG2-mRNA zeigten, dass die DSG2-Rekombination in der Darmschleimhaut nahezu vollständig erfolgte. Immunfluoreszenz-Analysen an Gewebsfragmenten induzierter Tiere mit Isotyp-spezifischen Antikörpern, die im Rahmen dieser Arbeit hergestellt worden waren, zeigten jedoch keine signifikanten Unterschiede der Desmosomenzahl und -verteilung. Daher wurden eGFP-Hybride des zu erwartenden mutierten Dsg2-Proteins in Zellen exprimiert und mit wildtypischem Dsg2 verglichen. Es konnte hinsichtlich der Verteilung und Morphologie der Desmosomen keine Unterschiede zwischen beiden Dsg2-Proteinen festgestellt werden. Der Dsg2-Mutante fehlen wichtige Proteinbereiche, die für die trans-Interaktion der extrazellulären Domäne verantwortlich sind, die Haupt-N-Glykosylierungsstelle, sowie eine der insgesamt vier Kalzium-Bindestellen. Dies sind Eigenschaften, von denen man bisher annahm, dass sie eine zentrale Bedeutung für die desmosomale Adhäsion besitzen. Weitere Experimente werden zeigen, inwieweit die hergestellte Dsg2-Mutante in „Stresssituationen“, wie sie z.B. bei Regenerationsvorgängen oder der Tumorgenese auftreten, zu veränderten adhäsiven Eigenschaften führt.

Escherichia coli alpha-Hämolysin: Untersuchungen zur Struktur und Porenbildung

Escherichia coli α-Hämolysin (HlyA) ist ein Prototyp der RTX-Toxine, die zu den α-porenbildenden Toxinen gehören. HlyA bildet Poren in einer Vielzahl eukaryontischer Zielzellen. Das 107 kDa große Protein besteht aus 1024 Aminosäuren, die gemeinsam mit den Proteinen für posttranslationale Modifikation und Sekretion in einem Operon codiert werden. Die N-terminale Hälfte von HlyA besteht aus mehreren amphipathischen α –Helices, die mit der Porenbildung assoziiert werden, gefolgt von der Calcium-bindenden RTX-Domäne in der C-terminalen Hälfte des Moleküls. Über den porenbildenen Mechanismus ist wenig bekannt. Die vorliegende Arbeit fokussierte sich auf die Frage, ob dieser Prozess eine Oligomerisierung mehrerer HlyA-Moleküle beinhaltet, oder ob die membranschädigende Struktur von einem Monomer gebildet wird. Drei unabhängige biochemische Methoden wurden in dem Versuch eingesetzt, HlyA-Oligomere in permeabilisierten Membranen zu detektieren. In allen drei Ansätzen wurden negative Ergebnisse erreicht, was das Konzept bestätigt, dass die Pore von HlyA von einem Monomer gebildet wird. PCR-basierte Cysteinsubstitutionen wurden durchgeführt, um den N-terminus von HlyA zu charakterisieren. Einzelne Cysteinreste wurden an 21 Positionen innerhalb der Aminosäuresequenz 13-55 eingeführt, und mit dem umgebungssensitiven Fluorophor Badan markiert. Spektrofluorimetrische Messungen zeigten, dass alle untersuchten Aminosäuren innerhalb dieser Domäne unabhängig von der porenbildenden Aktivität in die Membran inserieren. Deletionen der Aminosäuren 1-50 hatten keinen Einfluß auf die lytische Aktivität, während die Deletion der Aminosäuren 1-100 in einer fast vollständig inaktiven Toxinmutante resultierte. Die Einführung von Prolinen durch PCR-basierte Mutagenese wurde durchgeführt, um die Beteiligung vorhergesagter α-Helices innerhalb der N-terminalen Hälfte von HlyA an der hämolytischen Aktivität zu untersuchen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Struktur von mindestens vier vorhergesagten Helices bedeutend für die hämolytische Aktivität ist.