Charakterisierung und Stabilität von Arthropoden-Hämocyanin

Hämocyanine sind große, multimere Sauerstofftransport- proteine, die frei gelöst in der Hämolymphe von Arthropoden und Mollusken vorkommen.Zur Charakterisierung verschiedener Arthropoden-hämocyanine wurden deren molare Massen bestimmt. Die mit einer Vielwinkel-Laser-Lichtstreuapparatur ermittelten Molekulargewichte zeigten eine grosse Schwankungsbreite. Dies konnte auf Ungenauigkeiten der zur Berechnung der Molekulargewichte verwendeten spezifischen Extinktions- koeffizienten und Brechungsindex-Inkremente zurückgeführt werden.Mit der Methode der Massenspektrometrie (MALDI-TOF) bestimmte Molekulargewichte einzelner Untereinheiten des Hämocyanins der Vogelspinne <i style='mso-bidi-font-style: normal'>Eurypelma californicum</i> zeigten eine sehr gute Ãœbereinstimmung mit aus der Sequenz errechneten Werten.Für das 24-mere Spinnenhämocyanin von <i style='mso-bidi-font-style:normal'>Eurypelma californicum</i> wurde die Stabilität gegenüber GdnHCl und der Temperatur auf den verschiedenen strukturellen Ebenen des Proteins untersucht.Viele Stabilitätsuntersuchungen werden an kleinen Proteinen durchgeführt, deren Entfaltung kooperativerfolgt. Bei größeren Proteinen mit unterschiedlichen strukturellen Bereichen (Domänen) ist der Entfaltungs-prozess weitaus komplexer. Ziel war es, durch die Denaturierung des Spinnen-Hämocyanins Erkenntnisse über die Stabilität und Entfaltung der verschiedenen strukturellen Ebenen eines so großen Proteinkomplexes zu gewinnen.Ein wichtiges Charakteristikum für die Interpretation der Entfaltungsexperimente ist die starke Löschung der Tryptophanfluoreszenz im oxygenierten Spinnen-Hämocyanin. Die Löschung kann vollständig durch Förster-Transfer erklärt werden kann. Sie bleibt auf die einzelnen Untereinheiten beschränkt und stellt somit ein reines O₂-Beladungssignal dar.Unter Einwirkung von GdnHCl dissoziiert das native, 24-mere Spinnen-Hämocyanin ohne die Entstehung langlebiger Inter- mediate. Die Untereinheiten werden durch das Oligomer stabilisiert. Die Entfaltung eines Monomers, der Unter- einheit <u>e</u>, folgt einer Hierarchie der verschiedenen strukturellen Ebenen des Moleküls. Die Entfaltung beginnt zunächst von außen mit der Auflockerung der Tertiärstruktur. Der Kern von Domäne II mit dem aktiven Zentrum weist hingegen eine besondere Stabilität auf.Die ausgeprägte Hitzestabilität des <i style='mso-bidi-font-style:normal'>Eurypelma</i>-Hämocyanins hängt vom Oligomerisierungsgrad, dem verwendeten Puffer und dessen Ausgangs-pH-Wert ab und spiegelt offensichtlich die extremen Lebensbedingungen im Habitat wider.

Untersuchung zur Temperaturabhängigkeit der O2-Bindungseigenschaft von Hämocyanin aus Arthropoden verschiedener Biotope

Die Evolution hat nur wenige O2-Transportproteine im Tierreich hervorgebracht. Sie alle nutzen entweder die Metallionen Fe2+ oder Cu2+ zur reversiblen Sauerstoffbindung in vier verschiedenen Typen von aktiven Zentren. Die Metallatome werden dabei über eine prosthetische Gruppe (Porphyrin-Ring) oder direkt (koordinativ) durch Histidine an die Proteinmatrix gebunden. Die Atmungsproteine sorgen für den Transport des Sauerstoffs von den respiratorischen Epithelien (Lunge, Kiemen), hin zu den O2 verbrauchenden Gewebszellen (oxidativer Stoffwechsel). Die Beladung mit Sauerstoff in den Lungen, bzw. den Kiemen sollte leicht und schnell, d.h. mit einer möglichst hohen O2-Affinität erfolgen. Die Arthropoden sind ein sehr artenreicher und erfolgreicher Tierstamm. Ihnen ist es im Laufe der Evolution gelungen, fast alle Lebensräume zu Wasser, auf dem Land und in der Luft zu besiedeln. Die Erschließung so unterschiedlicher Biotope setzt eine sehr gute physiologische Anpassungsfähigkeit voraus. Das physiologisch wichtigste Problem, welches für jeden Lebensraum während der Evolution gelöst werden mußte, ist eine optimale Sauerstoffversorgung der Körperzellen bei allen Umweltbedingungen zu gewährleisten. Ziel dieser Arbeit war es zu untersuchen, inwieweit verschiedene Arthropoden-Hämocyanine eine biotopabhängige (temperaturabhängige) Adaptation der O2-Versorgung (Proteinfunktion) auf Ebene des Hämocyaninmoleküls zeigen. Bei den hier untersuchten Hämocyaninen ließ sich eine signifikante Biotopabhängigkeit für den „Proteinfunktions-Parameter“ Kooperativität nachweisen.

Funktionelle und morphologische Untersuchungen der Silikataufnahme und Nadelbildung im marinen Schwamm Suberites domuncula

Die für Metazoen einzigartige Fähigkeit, hochdifferenzierte Silikatstrukturen herzustellen und als Gerüstsubstanz zu verwenden, steht bei den Porifera in einem scheinbaren Gegensatz zu der niedrigen Konzentration an Silizium in dem die Schwämme umgebenden Medium. In der zweiten bedeutenden silikatpolymerisierenden Species, den einzelligen Kieselalgen (Diatomeen), konnte bereits ein Silikattransporter identifiziert werden, dessen Sequenzdaten jedoch aufgrund der phylogenetisch geringen Verwandtschaft der Demospongien mit den Diatomeen keine Verwendung finden konnte Im Zuge der Suche nach einem Silikat-Transportsystem im Schwamm Suberites domuncula wurde ein potentielles Kandidatengen mittels molekularbiologischer Techniken aus einer cDNA Bank des Instituts isoliert, vervollständigt und analysiert. Es zeigte sich, dass dieser Transporter durch seine Sequenzdaten der Familie der Bikarbonattransporter angehörte, und somit membranständig war. Seine Transportfunktion zeigte sich mittels spezifischer Inhibitoren hemmbar. Damit der Schwamm in der Lage ist, eine regulierbare und schnelle Anreicherung von Silikat durchführen zu können, lag eine Annahme einer Induzierbarkeit der Transportergene durch das Substrat Silikat nahe. Mittels Northern-Blot Analyse konnte in einem Primmorphensystem des Schwammes eine Hochregulation der Transkription der Transportergene festgestellt werden. Die Lokalisation der Exprimierung des Transporters innerhalb des Schwammgewebes konnte mittels In situ Hybridisierung untersucht werden und zeigte eine direkte Nähe zu den Polysilikatstrukturen des Schwammes. Um Hinweise auf eine Bifunktionalität des Transporters aufgrund der Ähnlichkeit von Carbonat und Silikat zu erhärten, wurden fluoreszenzmikroskopische Studien an isolierten Zellkulturen des Schwammes durchgeführt. Es kam zu einer intensive Reaktion der Zellen auf Silikat als Substrat. Dieser Effekt konnte nicht nur durch einen spezifischen Transportinhibitor (DIDS) gehemmt werden, sondern zeigt auch eine deutliche Temperaturabhängigkeit. Um den potentiellen Silikattransporter in Zusammenhang mit dem Gesamtmechanismus der Silikatnadelherstellung in Schwämmen zu bringen, wurden zusätzliche elektronenmikroskopische Studien angestellt. Hier konnte zunächst gezeigt werden, wie sich das die Polykondensation auslösende und dirigierende Proteinfilament des Schwammes bei der Nadelbildung entwickelt. Mittels einer darauf folgenden Immunogold-Markierung des Hauptaxialfilamentproteins des Schwammes in elektronenmikroskopischen Gewebepräparaten, konnte dessen Vorkommen nicht nur im Zentrum der Silikatnadel, sondern auch in den die Nadel umgebenden Strukturen nachgewiesen werden

From lipid bilayers to synaptic vesicles: atomic force microscopy on lipid-based systems

The aim of this thesis was to apply the techniques of the atomic force microscope (AFM) to biological samples, namely lipid-based systems. To this end several systems with biological relevance based on self-assembly, such as a solid-supported membrane (SSM) based sensor for transport proteins, a bilayer of the natural lipid extract from an archaebacterium, and synaptic vesicles, were investigated by the AFM. For the characterization of transport proteins with SSM-sensors proteoliposomes are adsorbed that contain the analyte (transport protein). However the forces governing bilayer-bilayer interactions in solution should be repulsive under physiological conditions. I investigated the nature of the interaction forces with AFM force spectroscopy by mimicking the adsorbing proteoliposome with a cantilever tip, which was functionalized with charged alkane thiols. The nature of the interaction is indeed repulsive, but the lipid layers assemble in stacks on the SSM, which expose their unfavourable edges to the medium. I propose a model by which the proteoliposomes interact with these edges and fuse with the bilayer stacks, so forming a uniform layer on the SSM. Furthermore I characterized freestanding bilayers from a synthetic phospholipid with a phase transition at 41°C and from a natural lipid extract of the archaebacterium Methanococcus jannaschii. The synthetic lipid is in the gel-phase at room temperature and changes to the fluid phase when heated to 50°C. The bilayer of the lipid extract shows no phase transition when heated from room temperature to the growth temperature (~ 50°C) of the archeon. Synaptic vesicles are the containers of neurotransmitter in nerve cells and the synapsins are a family of extrinsic membrane proteins, that are associated with them, and believed to control the synaptic vesicle cycle. I used AFM imaging and force spectroscopy together with dynamic light scattering to investigate the influence of synapsin I on synaptic vesicles. To this end I used native, untreated synaptic vesicles and compared them to synapsin-depleted synaptic vesicles. Synapsin-depleted vesicles were larger in size and showed a higher tendency to aggregate compared to native vesicles, although their mechanical properties were alike. I also measured the aggregation kinetics of synaptic vesicles induced by synapsin I and found that the addition of synapsin I promotes a rapid aggregation of synaptic vesicles. The data indicate that synapsin I affects the stability and the aggregation state of synaptic vesicles, and confirm the physiological role of synapsins in the assembly and regulation of synaptic vesicle pools within nerve cells.

Identifizierung und Charakterisierung von Protein-Biomarkern beim Glaukom

Das Glaukom ist, nach dem Katarakt, die zweithäufigste Ursache für Erblindungen weltweit mit Milionen von Betroffenen, die von dieser zunächst weitgehend symptomfreien neurodegenerativen Erkrankung heimgesucht werden. Die Möglichkeiten auf dem Feld der Diagnose beschränken sich bislang weitestgehend auf die Messung des Augeninnendrucks und der Beurteilung des Augenhintergrundes durch einen erfahrenen Augenarzt. Eine labordiagnostische Prophylaxe ist bis heute nicht verfügbar, die Zahl unerkannter Erkrankungen dementsprechend hoch. Hierdurch geht wertvolle Zeit verloren, die man für eine effektive Therapie nutzen könnte.rnBezüglich der Pathogenese des Glaukoms geht man heute von mehreren, miteinander wechselwirkenden Pathomechanismen aus, zu denen neben mechanischen Einflüssen durch einen erhöhten IOD auch Hypoxie, verminderte Neutrophinversorgung, Exzitotoxizität, oxidativer Stress und eine Beteiligung autoimmuner Prozesse gezählt werden. Unabhängig vom Pathomechanismus folgt stets die Etablierung umfangreicher degenerativer Prozesse im Sehnervenkopf, den retinalen Ganglienzellen und den Axonen des Sehnerven, die letztlich im irreversiblen Untergang dieser Neuronen münden. Diese pathologischen Prozesse im ZNS hinterlassen auf Proteomebene Spuren, die mithilfe moderner massenspektrometrischer Methoden in Kombination mit multivariaten statistischen Methoden detektierbar und als sogenannte Biomarker-Kandidaten mit definiertem Molekulargewicht darstellbar sind. In dieser Arbeit wurde ein „Workflow“ entwickelt, der es ermöglicht, diese Biomarker-Kandidaten im Blutserum und in der Tränenflüssigkeit in einfachen, reproduzierbaren Schritten zu identifizieren und zu charakterisieren. Abweichend von der etablierten Methotik der Bottom-Up-Proteomics musste hierfür eine Methode entsprechend einer Top-Down-Philosophie entwickelt werden, die es erlaubt, die Spuren des Glaukoms im Proteom zu detektieren und zu charakterisieren.rnDies erfolgte in dieser Arbeit durch sowohl massenspektroskopischen Methoden wie SELDI-TOF® und MALDI-Tof-Tof als auch durch Bead-, Gel- und Flüssigkeits-chromatographisch-basierte Separations und Fraktionierungstechniken.rnDie erfolgreiche Kombination dieser Methoden führte zu Identifikationen einer ganzen Reihe von Biomarker-Kandidaten. Unter den identifizierten Proteinen, die bezüglich ihres korrespondierenden SELDI-Peaks im Massenbereich von Biomarker-Kandidaten liegen, finden sich Zytokine und Effektormoleküle der angeborernen Immunität, stressinduzierbare Kinasen, Faktoren, die zum Schutz der Telomeren dienen, Proliferationsmarker, neuronale Antigene und Transportproteine. Darüber hinaus wurden Komponenten identifiziert, die an der neuronalen Neutrophinversorgung beteiligt sind, neuronale Rezeptoren und Antigene, Komponenten des Komplementsystems und des MHC-I-Komplexes. All diese identifizierten Proteine sind bezüglich ihrer Funktion und möglichen Rolle innerhalb der Pathogenese des Glaukoms detailliert beschrieben und charakterisiert. Dies erlaubt einen umfassenden Einblick in alle Pathomechanismen, denen nach heutigem Kenntnisstand, eine Rolle an der Pathogenese des Glaukoms unterstellt wird.rn

Oberflächenstrukturierte amphiphile Polyphenylendendrimere zur Imitation natürlicher Transportproteine

In dieser Arbeit werden formstabile, amphiphile, oberflächenstrukturierte Polyphenylendendrimere (PPDs) mit verschiedenen Oberflächenpolaritäten beschrieben. Die physikalisch-chemischen Eigenschaften dieser Makromoleküle wurden studiert, welche ein gutes Verständnis der Nanoumgebung amphiphiler PPDs lieferten. Auch lichtinduzierte Polaritätsänderung wurde untersucht. Mit dem Konzept einer gleichmäßigen Verteilung polarer Bereiche auf der Peripherie hydrophober PPPs gelang es, Transportsysteme für Fettsäuren und Zytostatika zu erzeugen, welche charakteristische Merkmale natürlicher Transportproteine wie Albumin in sich vereinen. Hierzu zählen eine stabile dreidimensionale Form, die Ausbildung von Bindungstaschen sowie eine definierte strukturierte Oberfläche aus hydrophilen und hydrophoben Bereichen. Die Verfügbarkeit von lipophilen Bindungstaschen übertrifft sogar die des Albumins. Im Gegensatz zu Polymeren kann die Wirkstoffaufnahme bei PPDs exakt bestimmt werden. Die Anpassung der peripheren Gruppen beeinflusst den zellulären Aufnahmemechanismus. Es konnten effiziente Zellaufnahmen in A549-Zellen sowie der Transport und die intrazelluläre Freisetzung von Doxorubicin erreicht werden. Manche PPDs bieten eine Größe und Architektur, die es ermöglicht, Endothelzellen des Gehirns zu durchdringen. Es wurde auch der andere Extremfall untersucht, indem alle polaren Gruppen auf einer Hemisphäre akkumuliert wurden. Zur Darstellung solcher Janus-Dendrimere wurde ein neues Synthesekonzept herausgearbeitet und die erhaltenen Janus-Dendrimere mittels Lichtstreuung untersucht, wobei definierte perlenschnurartige Aggregate gefunden wurden. Weiterhin wurden semifluorierte Amphiphile vorgestellt, welche die Möglichkeit zur Selbstorganisation durch Nanophasenseparation bieten.

Nedd4-1 and beta-arrestin-1 are key regulators of Na+/H+ exchanger 1 ubiquitylation, endocytosis, and function

The ubiquitously expressed mammalian Na(+)/H(+) exchanger 1 (NHE1) controls cell volume and pH but is also critically involved in complex biological processes like cell adhesion, cell migration, cell proliferation, and mechanosensation. Pathways controlling NHE1 turnover at the plasma membrane, however, are currently unclear. Here, we demonstrate that NHE1 undergoes ubiquitylation at the plasma membrane by a process that is unprecedented for a mammalian ion transport protein. This process requires the adapter protein ?-arrestin-1 that interacts with both the E3 ubiquitin ligase Nedd4-1 and the NHE1 C terminus. Truncation of NHE1 C terminus to amino acid 550 abolishes binding to ?-arrestin-1 and NHE1 ubiquitylation. Overexpression of ?-arrestin-1 or of wild type but not ligase-dead Nedd4-1 increases NHE1 ubiquitylation. siRNA-mediated knock-down of Nedd4-1 or ?-arrestin-1 reduces NHE1 ubiquitylation and endocytosis leading to increased NHE1 surface levels. Fibroblasts derived from ?-arrestin-1 and Nedd4-1 knock-out mice show loss of NHE1 ubiquitylation, increased plasmalemmal NHE1 levels and greatly enhanced NHE1 transport compared with wild-type fibroblasts. These findings reveal Nedd4-1 and ?-arrestin-1 as key regulators of NHE1 ubiquitylation, endocytosis, and function. Our data suggest a broader role for ?-arrestins in the regulation of membrane ion transport proteins than currently known.

First report about the mode of action of combined butafosfan and cyanocobalamin on hepatic metabolism in nonketotic early lactating cows

The primary aim was to investigate the effect of combined butafosfan and cyanocobalamin on liver metabolism in early lactating cows through mRNA expression measurements of genes encoding 31 enzymes and transport proteins of major metabolic processes in the liver using 16 multiparous early lactating dairy cows. The treatments included i.v. injection of 10 mL/100 kg of body weight combined butafosfan and cyanocobalamin (TG, n = 8) on 3 d consecutively at 25 +/- 3 d in milk or injection with physiological saline solution similarly applied (CG, n = 8). Results include a higher daily milk production for TG cows (41.1 +/- 0.9 kg, mean +/- SEM) compared with CG cows (39.5 +/- 0.7 kg). In plasma, the concentration of inorganic phosphorus was lower in the TG cows (1.25 +/- 0.08 mmol/L) after the treatment than in the CG cows (1.33 +/- 0.07 mmol/L). The plasma beta-hydroxybutyrate concentration was 0.65 +/- 0.13 mmol/L for all cows before the treatment, and remained unaffected post treatment. The unique result was that in the liver, the mRNA abundance of acyl-coenzyme A synthetase long-chain family member 1, involved in fatty acid oxidation and biosynthesis, was lower across time points after the treatment for TG compared with CG cows (17.5 +/- 0.15 versus 18.1 +/- 0.24 cycle threshold, log(2), respectively). In conclusion, certain effects of combined butafosfan and cyanocobalamin were observed on mRNA abundance of a gene in the liver of nonketotic early lactating cows.

Black hair follicular dysplasia in Large Münsterländer dogs: clinical, histological and ultrastructural features

Four Large Münsterländer cross-bred dogs affected with black hair follicular dysplasia (BHFD) and one unaffected control littermate were observed, and skin was sampled weekly over the first 19 weeks of life. Affected dogs were born with silvery grey hair, a consequence of melanin clumping in the hair shafts. Hair bulb melanocytes were densely pigmented, and contained abundant stage IV melanosomes but adjacent matrix keratinocytes lacked melanosomes. Melanin clumping was not prominent in epidermal melanocytes in the haired skin but occurred in the foot pads. Follicular changes progressed from bulbar clumping, clumping in the isthmus/infundibulum and finally to dysplastic hair shafts. Alopecia developed progressively in pigmented areas. Silver-grey hair, melanin clumping, accumulation of stage IV melanosomes within melanocytes and insufficient melanin transfer to adjacent keratinocytes are also classic features of human Griscelli syndrome. The underlying cause in Griscelli syndrome is a defect of melanocytic intracellular transport proteins leading to inadequate and disorganized melanosome transfer to keratinocytes with resultant melanin clumping. In view of the correlation in the phenotype, histology and ultrastructure between both disorders, a defect in intracellular melanosome transport is postulated as the pathogenic mechanism in BHFD.

Characterisation of transthyretin and retinol-binding protein in plasma and cerebrospinal fluid of dogs

The aim of this study was to investigate differences in concentrations of vitamin A, transthyretin (TTR) and retinol-binding protein (RBP) between plasma and cerebrospinal fluid (CSF) in dogs. RBP was detected using ELISA, and both RBP and TTR by Western blot analysis after separation on SDS-PAGE. Vitamin A was determined by high performance liquid chromatography. RBP and TTR as well as vitamin A were detected in all samples but at substantially lower concentrations in CSF compared to plasma. RBP in dog plasma showed a similar molecular mass to that of humans, whereas canine TTR had a lower molecular mass. Comparison between plasma and CSF showed that both RBP and TTR were of lower molecular mass in CSF. In CSF, RBP and retinol were present at 10-100-fold lower concentrations compared to plasma. Retinyl esters were present only in minute amounts in 5/17 samples. In conclusion, the CSF of dogs compared to humans is significantly different in terms of both quality and quantity of transport proteins for vitamin A.

Therapeutic Targeting of ATP7B in Ovarian Carcinoma.

PURPOSE: Resistance to platinum chemotherapy remains a significant problem in ovarian carcinoma. Here, we examined the biological mechanisms and therapeutic potential of targeting a critical platinum resistance gene, ATP7B, using both in vitro and in vivo models. EXPERIMENTAL DESIGN: Expression of ATP7A and ATP7B was examined in ovarian cancer cell lines by real-time reverse transcription-PCR and Western blot analysis. ATP7A and ATP7B gene silencing was achieved with targeted small interfering RNA (siRNA) and its effects on cell viability and DNA adduct formation were examined. For in vivo therapy experiments, siRNA was incorporated into the neutral nanoliposome 1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphatidylcholine (DOPC). RESULTS: ATP7A and ATP7B genes were expressed at higher levels in platinum-resistant cells compared with sensitive cells; however, only differences in ATP7B reached statistical significance. ATP7A gene silencing had no significant effect on the sensitivity of resistant cells to cisplatin, but ATP7B silencing resulted in 2.5-fold reduction of cisplatin IC(50) levels and increased DNA adduct formation in cisplatin-resistant cells (A2780-CP20 and RMG2). Cisplatin was found to bind to the NH(2)-terminal copper-binding domain of ATP7B, which might be a contributing factor to cisplatin resistance. For in vivo therapy experiments, ATP7B siRNA was incorporated into DOPC and was highly effective in reducing tumor growth in combination with cisplatin (70-88% reduction in both models compared with controls). This reduction in tumor growth was accompanied by reduced proliferation, increased tumor cell apoptosis, and reduced angiogenesis. CONCLUSION: These data provide a new understanding of cisplatin resistance in cancer cells and may have implications for therapeutic reversal of drug resistance.

Lipid-protein interactions drive membrane protein topogenesis in accordance with the positive inside rule.

Transmembrane domain orientation within some membrane proteins is dependent on membrane lipid composition. Initial orientation occurs within the translocon, but final orientation is determined after membrane insertion by interactions within the protein and between lipid headgroups and protein extramembrane domains. Positively and negatively charged amino acids in extramembrane domains represent cytoplasmic retention and membrane translocation forces, respectively, which are determinants of protein orientation. Lipids with no net charge dampen the translocation potential of negative residues working in opposition to cytoplasmic retention of positive residues, thus allowing the functional presence of negative residues in cytoplasmic domains without affecting protein topology.

Physical and functional interaction between the dopamine transporter and the synaptic vesicle protein synaptogyrin-3.

Uptake through the dopamine transporter (DAT) represents the primary mechanism used to terminate dopaminergic transmission in brain. Although it is well known that dopamine (DA) taken up by the transporter is used to replenish synaptic vesicle stores for subsequent release, the molecular details of this mechanism are not completely understood. Here, we identified the synaptic vesicle protein synaptogyrin-3 as a DAT interacting protein using the split ubiquitin system. This interaction was confirmed through coimmunoprecipitation experiments using heterologous cell lines and mouse brain. DAT and synaptogyrin-3 colocalized at presynaptic terminals from mouse striatum. Using fluorescence resonance energy transfer microscopy, we show that both proteins interact in live neurons. Pull-down assays with GST (glutathione S-transferase) proteins revealed that the cytoplasmic N termini of both DAT and synaptogyrin-3 are sufficient for this interaction. Furthermore, the N terminus of DAT is capable of binding purified synaptic vesicles from brain tissue. Functional assays revealed that synaptogyrin-3 expression correlated with DAT activity in PC12 and MN9D cells, but not in the non-neuronal HEK-293 cells. These changes were not attributed to changes in transporter cell surface levels or to direct effect of the protein-protein interaction. Instead, the synaptogyrin-3 effect on DAT activity was abolished in the presence of the vesicular monoamine transporter-2 (VMAT2) inhibitor reserpine, suggesting a dependence on the vesicular DA storage system. Finally, we provide evidence for a biochemical complex involving DAT, synaptogyrin-3, and VMAT2. Collectively, our data identify a novel interaction between DAT and synaptogyrin-3 and suggest a physical and functional link between DAT and the vesicular DA system.

Study of polytopic membrane protein topological organization as a function of membrane lipid composition.

A protocol is described using lipid mutants and thiol-specific chemical reagents to study lipid-dependent and host-specific membrane protein topogenesis by the substituted-cysteine accessibility method as applied to transmembrane domains (SCAM). SCAM is adapted to follow changes in membrane protein topology as a function of changes in membrane lipid composition. The strategy described can be adapted to any membrane system.

Plasticity of lipid-protein interactions in the function and topogenesis of the membrane protein lactose permease from Escherichia coli.

Phosphatidylcholine (PC) has been widely used in place of naturally occurring phosphatidylethanolamine (PE) in reconstitution of bacterial membrane proteins. However, PC does not support native structure or function for several reconstituted transport proteins. Lactose permease (LacY) of Escherichia coli, when reconstituted in E. coli phospholipids, exhibits energy-dependent uphill and energy-independent downhill transport function and proper conformation of periplasmic domain P7, which is tightly linked to uphill transport function. LacY expressed in cells lacking PE and containing only anionic phospholipids exhibits only downhill transport and lacks native P7 conformation. Reconstitution of LacY in the presence of E. coli-derived PE, but not dioleoyl-PC, results in uphill transport. We now show that LacY exhibits uphill transport and native conformation of P7 when expressed in a mutant of E. coli in which PC completely replaces PE even though the structure is not completely native. E. coli-derived PC and synthetic PC species containing at least one saturated fatty acid also support the native conformation of P7 dependent on the presence of anionic phospholipids. Our results demonstrate that the different effects of PE and PC species on LacY structure and function cannot be explained by differences in the direct interaction of the lipid head groups with specific amino acid residues alone but are due to more complex effects of the physical and chemical properties of the lipid environment on protein structure. This conclusion is supported by the effect of different lipids on the proper folding of domain P7, which indirectly influences uphill transport function.