Identification of the cellular and molecular mechanism by which CD2AP, a regulator of neuronal intracellular transport contributes to the development of Alzheimer’s disease

Tese de mestrado. Biologia (Biologia Molecular e Genética). Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências,2014

The effect of lysobisphosphatidic acid (LBPA) on α-tocopherol transfer protein (α-TTP) binding to lipid membranes

The a-tocopherol transfer protein (a-TTP) is responsible for the retention of the atocopherol form of vitamin E in living organisms. The detailed ligand transfer mechanism by a-TTP is still yet to be fully elucidated. To date, studies show that a-TTP transfers a-tocopherol from late endosomes in liver cells to the plasma membrane where it is repackaged into very low density lipoprotein (VLDL) and released into the circulation. Late endosomes have been shown to contain a lipid known as lysobisphosphatidic acid (LBP A) that is unique to this cellular compartment. LBPA plays a role in intracellular trafficking and controlling membrane curvature. Taking these observations into account plus the fact that certain proteins are recruited to membranes based on membrane curvature, the specific aim of this project was to examine the effect of LBP A on a-TTP binding to lipid membranes. To achieve this objective, dual polarization interferometry (DPI) and a vesicle binding assay were employed. Whilst DPI allows protein binding affinity to be measured on a flat lipid surface, the vesicle binding assay determines protein binding affinity to lipid vesicles mimicking curved membranes. DPI analysis revealed that the amount of a-TTP bound to lipid membranes is higher when LBPA is present. Using the vesicle binding assay, a similar result was seen where a greater amount of protein is bound to large unilamellar vesicles (LUV s) containing LBP A. However, the effect of LBP A was attenuated when small unilamellar vesicles (SUVs) were replaced with LUVs. The outcome of this project suggests that aTTP binding to membranes is influenced by membrane curvature, which in turn is induced by the presence of LBP A.

Mechanism of tocopherol transfer by human α-tocopherol transfer protein (α-hTTP)

Vitamin E is a well known fat soluble chain breaking antioxidant. It is a general tenn used to describe a family of eight stereoisomers of tocopherols. Selective retention of a-tocopherol in the human circulation system is regulated by the a -Tocopherol Transfer Protein (a-TIP). Using a fluorescently labelled a-tocopherol (NBD-a-Toc) synthesized in our laboratory, a fluorescence resonance energy transfer (FRET) assay was developed to monitor the kinetics of ligand transfer by a-hTTP in lipid vesicles. Preliminary results implied that NBD-a-Toe simply diffused from 6-His-a-hTTP to acceptor membranes since the kinetics of transfer were not responsive to a variety of conditions tested. After a series of trouble shooting experiments, we identified a minor contaminant, E coli. outer membrane porin F (OmpF) that co-purified with 6-His-a-hTTP from the metal affinity column as the source of the problem. In order to completely avoid OmpF contamination, a GST -a-hTTP fusion protein was purified from a glutathione agarose column followed by an on-column thrombin digestion to remove the GST tag. We then demonstrated that a-hTTP utilizes a collisional mechanism to deliver its ligand. Furthennore, a higher rate of a-tocopherol transfer to small unilamellar vesicles (SUV s) versus large unilamellar vesicles (LUV s) indicated that transfer is sensitive to membrane curvature. These findings suggest that ahTTP mediated a-Toc transfer is dominated by the hydrophobic nature of a-hTTP and the packing density of phospholipid head groups within acceptor membranes. Based on the calculated free energy change (dG) when a protein is transferred from water to the lipid bilayer, a model was generated to predict the orientation of a-hTTP when it interacts with lipid membranes. Guided by this model, several hydrophobic residues expected to penetrate deeply into the bilayer hydrophobic core, were mutated to either aspartate or alanine. Utilizing dual polarization interferometry and size exclusion vesicle binding assays, we identified the key residues for membrane binding to be F 165, F 169 and 1202. In addition, the rates of ligand transfer of the u-TTP mutants were directly correlated to their membrane binding capabilities, indicating that membrane binding was likely the rate limiting step in u-TTP mediated transfer of u-Toc. The propensity of u-TTP for highly curved membrane provides a connection to its colocalization with u-Toc in late endosomes.

Dégradation des membres de la famille du LDLR par la convertase PCSK9 : troisième locus de l'hypercholestérolémie familiale

Les maladies cardiovasculaires (MCV) sont les principales causes de mortalité et de morbidité à travers le monde. En Amérique du Nord, on estime à 90 millions le nombre d’individus ayant une ou plusieurs MCV, à près de 1 million le nombre de décès reliés par année et à 525 milliards de dollars les coûts directs et indirects en 2010. En collaboration avec l’équipe du Dre. Boileau, notre laboratoire a récemment identifié, le troisième locus impliqué dans l’hypercholestérolémie familiale. Une étude publiée dans le New Engl J Med a révélé que l’absence de la convertase PCSK9 réduit de 88% le risque de MCV, corrélé à une forte réduction du taux de cholestérol plasmatique (LDL-C). Il fut démontré que PCSK9 lie directement le récepteur aux lipoprotéines de faible densité (LDLR) et, par un mécanisme méconnu, favorise sa dégradation dans les endosomes/lysosomes provoquant ainsi une accumulation des particules LDL-C dans le plasma. Dans cet ouvrage, nous nous sommes intéressés à trois aspects bien distincts : [1] Quels sont les cibles de PCSK9 ? [2] Quelle voie du trafic cellulaire est impliquée dans la dégradation du LDLR par PCSK9 ? [3] Comment peut-on inhiber la fonction de PCSK9 ? [1] Nous avons démontré que PCSK9 induit la dégradation du LDLR de même que les récepteurs ApoER2 et VLDLR. Ces deux membres de la famille du LDLR (fortes homologies) sont impliqués notamment dans le métabolisme des lipides et de la mise en place de structures neuronales. De plus, nous avons remarqué que la présence de ces récepteurs favorise l’attachement cellulaire de PCSK9 et ce, indépendamment de la présence du LDLR. Cette étude a ouvert pour la première fois le spectre d’action de PCSK9 sur d’autres protéines membranaires. [2] PCSK9 étant une protéine de la voie sécrétoire, nous avons ensuite évalué l’apport des différentes voies du trafic cellulaire, soit extra- ou intracellulaire, impliquées dans la dégradation du LDLR. À l’aide de milieux conditionnées dérivés d’hépatocytes primaires, nous avons d’abord démontré que le niveau extracellulaire de PCSK9 endogène n’a pas une grande influence sur la dégradation intracellulaire du LDLR, lorsqu’incubés sur des hépatocytes provenant de souris déficientes en PCSK9 (Pcsk9-/-). Par analyses de tri cellulaire (FACS), nous avons ensuite remarqué que la surexpression de PCSK9 diminue localement les niveaux de LDLR avec peu d’effet sur les cellules voisines. Lorsque nous avons bloqué l’endocytose du LDLR dans les cellules HepG2 (lignée de cellules hépatiques pour l’étude endogène de PCSK9), nous n’avons dénoté aucun changement des niveaux protéiques du récepteur. Par contre, nous avons pu démontrer que PCSK9 favorise la dégradation du LDLR par l’intermédiaire d’une voie intracellulaire. En effet l’interruption du trafic vésiculaire entre le réseau trans-Golgien (RTG) et les endosomes (interférence à l’ARN contre les chaînes légères de clathrine ; siCLCs) prévient la dégradation du LDLR de manière PCSK9-dépendante. [3] Par immunobuvardage d’affinité, nous avons identifié que la protéine Annexine A2 (AnxA2) interagit spécifiquement avec le domaine C-terminal de PCSK9, important pour son action sur le LDLR. Plus spécifiquement, nous avons cartographié le domaine R1 (acides aminés 34 à 108) comme étant responsable de l’interaction PCSK9AnxA2 qui, jusqu’à présent, n’avait aucune fonction propre. Finalement, nous avons démontré que l’ajout d’AnxA2 prévient la dégradation du LDLR induite par PCSK9. En somme, nos travaux ont pu identifier que d’autres membres de la famille du LDLR, soit ApoER2 et VLDLR, sont sensibles à la présence de PCSK9. De plus, nous avons mis en évidence que l’intégrité du trafic intracellulaire est critique à l’action de PCSK9 sur le LDLR et ce, de manière endogène. Finalement, nous avons identifié l’Annexine A2 comme unique inhibiteur naturel pouvant interférer avec la dégradation du LDLR par PCSK9. Il est indéniable que PCSK9 soit une cible de premier choix pour contrer l’hypercholestérolémie afin de prévenir le développement de MCV. Cet ouvrage apporte donc des apports considérables dans notre compréhension des voies cellulaires impliquées, des cibles affectées et ouvre directement la porte à une approche thérapeutique à fort potentiel.

Enforcing dendritic cell vaccines by manipulating the MHC II antigen presentation pathway

Les vaccins à base de cellules dendritiques (DCs) constituent une avenue très populaire en immunothérapie du cancer. Alors que ces cellules peuvent présenter des peptides exogènes ajoutés au milieu, l’efficacité de chargement de ces peptides au le complexe majeur d'histocompatibilité (CMH) de classe II est limitée. En effet, la majorité des molécules du CMH II à la surface des DCs sont très stable et l’échange de peptide spontané est minime. Confinée aux vésicules endosomales, HLA-DM (DM) retire les peptides des molécules du CMH II en plus de leur accorder une conformation réceptive au chargement de peptides. Il est possible, cependant, de muter le signal de rétention de DM de façon à ce que la protéine s’accumule en surface. Nous avons émis l’hypothèse que ce mutant de DM (DMY) sera aussi fonctionnel à la surface que dans la voie endosomale et qu’il favorisera le chargement de peptides exogènes aux DCs. Nous avons utilisé un vecteur adénoviral pour exprimer DMY dans des DCs et avons montrer que la molécule augmente le chargement de peptides. L’augmentation du chargement peptidique par DMY est autant qualitatif que quantitatif. DMY améliore la réponse T auxiliaire (Th) du coté Th1, ce qui favorise l’immunité anti-cancer. Du côté qualitatif, le chargement de peptides résulte en des complexes peptide-CMHII (pCMH) d’une conformation supérieure (conformère). Ce conformère (Type A) est le préféré pour la vaccination et DMY édite avec succès les complexes pCMH à la surface en éliminant ceux de type B, lesquels sont indésirables. La fonction de DM est régulée par HLA-DO (DO). Ce dernier inhibe l’habilité de DM à échanger le peptide CLIP (peptide dérivée de la chaîne invariante) en fonction du pH, donc dans les endosomes tardifs. Mes résultats indiquent que la surexpression de DO influence la présentation des superantigènes (SAgs) dépendants de la nature du peptide. Il est probable que DO améliore indirectement la liaison de ces SAgs au pCMH dû à l’accumulation de complexe CLIP-CMH, d’autant plus qu’il neutralise la polarisation Th2 normalement observée par CLIP. Ensemble, ces résultats indiquent que DMY est un outil intéressant pour renforcer le chargement de peptides exogènes sur les DCs et ainsi générer des vaccins efficaces. Un effet inattendu de DO sur la présentation de certains SAgs a aussi été observé. Davantage de recherche est nécessaire afin de résoudre comment DMY et DO influence la polarisation des lymphocytes T auxiliaires. Cela conduira à une meilleure compréhension de la présentation antigénique et de son étroite collaboration avec le système immunitaire.

Étude de la Structure-Fonction du Prosegment et du domaine CHRD de la PCSK9 humaine

L’excès des particules de LDL dans le sang constitue un facteur de risque majeur dans le développement des maladies cardiovasculaires. Dans ce contexte, nous étudions la protéine PCSK9 qui favorise directement ce facteur de risque. Cette protéine est sécrétée en majorité au niveau du foie par les hépatocytes et possède la capacité de reconnaître et de lier le récepteur LDLR. Le rôle premier de ce dernier est d’éliminer les particules de LDL circulant dans le plasma. Ainsi, lorsque la PCSK9 forme un complexe avec le LDLR et l’amène à la dégradation, la conséquence directe de la diminution des ces récepteurs est une accumulation malsaine des particules LDL dans le plasma. L’importante implication de la PCSK9 dans le métabolisme des lipides nous a menés vers des recherches de caractérisation de cette protéine ainsi que dans l’étude de son mode d’action. La PCSK9 est composée de trois domaines et notre intérêt s’est porté sur l’étude structure-fonction des deux domaines dont la fonction était inconnue, soit le domaine en N-terminal : le prodomaine et de son domaine en C-terminal : CHRD. Le premier article présenté dans cette thèse révèle l’importance d’une région acide (acide aminés 33-58) régulatrice de l’activité de la PCSK9 localisée en N-terminal du prodomaine ainsi que l’effet du pH acide, équivalent à celui des endosomes tardifs, qui accroît la capacité de la PCSK9 à induire la dégradation du LDLR. Le deuxième article dissèque davantage la structure de la PCSK9 et met en lumière la différence des prérequis structurels de la région ‘’Hinge’’ ainsi que du module M2, composant du domaine CHRD, dans la voie intracellulaire et la voie extracellulaire d’activité de la PCSK9. La mutation R434W localisée dans la région ‘’Hinge’’ résulte dans une inhibition totale de l’activité intracellulaire de la PCSK9 tandis que son activité extracellulaire est réduite à ~70%. Contrairement, la perte du module M2 du domaine CHRD est bien tolérée par la PCSK9 lors de son activité intracellulaire mais totalement inhibitrice pour son activité extracellulaire. Le troisième article se distingue en présentant une nouvelle stratégie d’inhibition de l’activité de la PCSK9 en utilisant une chimère composée de la fraction Fc de l’immunoglobuline IgG1 humaine couplée avec le prodomaine de la PCSK9. La protéine fusion Fcpro lie directement la PCSK9, crée un encombrement structurel qui résulte dans une régulation négative l’activité de la PCSK9. En résumé, nous présentons dans cette thèse, trois manuscrits qui apportent une contribution à la connaissance des composantes structurelles de la PCSK9 et leur implication dans le rôle de la protéine en tant que régulateur négatif du LDLR.

Funktionsanalysen der Domänen des Vacuolin B und die Rolle des filamentösen Actins am Vacuolin B-positiven Kompartiment im endocytotischen Transit in Dictyostelium discoideum

Ähnlich wie in Säugerzellen ist das neutrale Postlysosom in Dictyostelium discoideum von einem Coat aus filamentösem Actin umgeben. In dieser Arbeit wurde der Frage nach der Funktion dieses Actin-Cytoskeletts am späten Endosom nachgegangen. Hierzu wurde zunächst eine Analyse der Domänen des Vacuolin B durchgeführt, das als bisher spätester bekannter Marker im Endocytoseweg in Dictyostelium discoideum das neutrale, postlysosomale Kompartiment dekoriert. In einer Yeast Two Hybrid-Analyse wurden die Bereiche des Vacuolin B identifiziert, die für eine Selbst-Interaktion des Proteins notwendig und ausreichend sind. Es handelt sich dabei um die coiled-coil-Domäne und einen daran anschließenden, 18 Aminosäuren langen, alpha-helicalen Abschnitt. Diesem helicalen Bereich scheint die Funktion einer modifizierenden, die coiled-coil-Ausbildung vermittelnden oder initiierenden Faltungseinheit zuzukommen. Sie weist jedoch nicht die typischen Merkmale einer trigger-Helix auf. Lokalisationsuntersuchungen mit GFP-Deletionskonstrukten zeigten, dass es einen Zusammenhang zwischen Interaktionsfähigkeit und Bindung des Vacuolin an die Oberfläche später Endosomen gibt: Eine korrekte Lokalisation und Membranassoziation waren nur dann zu beobachten, wenn in der Yeast Two Hybrid-Analyse eine Interaktion nachgewiesen werden konnte. Es wurden die für die Lokalisation und Assoziation mit der vacuolären Membran notwendigen Sequenzbereiche identifiziert; diese waren jedoch nicht hinreichend. Vermutlich sind hierfür auch Sequenzen des N-Terminus notwendig. Die erhobenen Daten legen weiterhin eine Bedeutung der hydrophoben Domäne des Vacuolin B für die korrekte Faltung des Proteins nahe. Im Anschluss an die Domänenanalyse wurde Vacuolin dazu benutzt, durch Herstellung von Hybridproteinen Actin-interagierende Proteine gezielt an das späte Endosom zu transportieren. Es wurde deren Einfluss auf den lokalen Actin Coat und den endocytotischen Transit untersucht. Zwei Actin-bindende Proteine mit depolymerisierender Wirkung konnten im Rahmen dieser Arbeit getestet werden, nämlich Severin und Cofilin. Die Schwächung des lokalen Actin Coats durch das Vorhandensein von Severin an der späten Vacuole war nicht eindeutig festzustellen. Severin am Postlysosom führte nicht zu einer Veränderung der Transitkinetik von Flüssigphasenmarker. Allerdings konnte ein Defekt in der Phagocytose festgestellt werden. Es könnte hierbei ein Zusammenhang zwischen der Mobilisierung von intrazellulärem Calcium während der Partikelaufnahme und der Calcium-abhängigen Regulation der Severin-Aktivität bestehen. Das Hybridprotein aus Vacuolin und Cofilin zeigte neben einer Assoziation mit der vacuolären Membran auch eine Lokalisation im Cytoplasma und Cortex der Zellen. Mit der Lokalisation im Cytoplasma und Cortex korrelierte eine Veränderung der endocytotischen Aktivität. Das Vacuolin-Cofilin-Fusionsprotein am Postlysosom rief einen Verlust des lokalen Actin Coats hervor. Dies führte zu einer traubenförmigen Assoziation der späten Endosomen; exocytotische Parameter blieben jedoch unbeeinflusst. Aufgrund der hier erhobenen Daten kann vermutet werden, dass der Actin Coat am Postlysosom dazu dient, eine Agglutination dieser Endosomen zu inhibieren. Dies könnte ein Schutzmechanismus zum Ausschluss von Docking- und Fusionsereignissen sein.

Tissue distribution of DNA-Hsp65/TDM-loaded PLGA microspheres and uptake by phagocytic cells

This study aimed to demonstrate that microspheres, used as delivery vehicle of DNA-Hsp65/TDM [plasmid DNA encoding heat shock protein 65 (Hsp65) coencapsulated with trehalose dimycolate (TDM) into PLGA microspheres], are widely spread among several organs after intramuscular administration in BALB/c mice. In general, we showed that these particles were phagocytosed by antigen presenting cells, such as macrophages and dendritic cells. Besides, it was demonstrated herein that draining lymph node cells presented a significant increase in the number of cells expressing costimulatory molecules (CD80 and CD86) and MHC class II, and also that the administration of the DNA-Hsp65/TDM and vector/TDM formulations resulted in the up-regulation of CD80, CD86 and MHC class II expression when compared to control formulations (vector/TDM and empty). Regarding the intracellular trafficking we observed that following phagocytosis, the microspheres were not found in the late endosomes and/or lysosomes, until 15 days after internalization, and we suggest that these constructions were hydrolysed in early compartments. Overall, these data expand our knowledge on PLGA [poly (lactic-co- glycolic acid)] microspheres as gene carriers in vaccination strategies, as well as open perspectives for their potential use in clinical practice.

Funktionsanalyse von Gamma2-Adaptin: ein zellulärer Adaptor der Hepatitis-B-Virus-Morphogenese

Im Replikationszyklus umhüllter Viren entstehen neue Viruspartikel durch die Knospung an Membranen der Wirtszelle. An diesem Prozess sind verschiedene zelluläre Faktoren und Mechanismen beteiligt, speziell die ESCRT-Proteinkomplexe, welche die Vesikelbildung an den MVBs steuern. Auch bei HBV ist davon auszugehen, dass Komponenten der Wirtszelle an der Umhüllung und Freisetzung der Virionen beteiligt sind, allerdings sind diese noch weitgehend unbekannt. Ziel dieser Arbeit war es daher, die zellulären Faktoren genauer zu charakterisieren und ihre Funktion bei der Virusumhüllung aufzuklären. Den Ausgangspunkt für die hier durchgeführten Untersuchungen bildeten vorangegangene Arbeiten, in denen die spezifische Interaktion des L-Hüllproteins von HBV mit g2-Adaptin nachgewiesen werden konnte. Diese ist für die Morphogenese von HBV essentiell, allerdings ist die zelluläre ebenso wie die virusspezifische Funktion von g2-Adaptin bislang unbekannt. Im Rahmen dieser Arbeit sollte daher untersucht werden, wo und wie g2-Adaptin in der Zelle funktionell ist, um daraus Rückschlüsse auf die Vorgänge bei der Morphogenese von HBV ziehen zu können. Die Grundlage für die Charakterisierung von g2-Adaptin bildete seine Ähnlichkeit zu zellulären Clathrin-Adaptorproteinen. So konnte hier gezeigt werden, dass auch g2-Adaptin ein Clathrin-Bindungsmotiv besitzt, welches eine Interaktion mit Clathrin ermöglicht. Außerdem konnte ein Ubiquitin-Interaktions-Motiv (UIM) identifiziert werden, das die Bindung an ubiquitinierte Proteine vermittelt. Diese Beobachtung deutet darauf hin, dass g2-Adaptin zu einer Gruppe monomerer Adaptorproteine zählen könnte, welche als Ubiquitin-Rezeptoren in der Zelle funktionell sind. Die folgenden Analysen zeigten eine weitere Gemeinsamkeit, da auch g2-Adaptin selbst durch Ubiquitin modifiziert wird, wobei die Ubiquitinierung von einem intakten UIM abhängt. Dieser als Coupled Monoubiquitination bezeichnete Prozess wird hierbei durch die Ubiquitin-Ligase Nedd4 vermittelt, die direkt mit g2-Adaptin interagiert. Dabei konnte nachgewiesen werden, dass die C2-Domäne von Nedd4 ebenfalls mit Ubiquitin modifiziert ist, wodurch der Kontakt zum UIM von g2-Adaptin erfolgt. Die meisten der bislang bekannten Ubiquitin-bindenden Adaptorproteine, spielen bei der Vesikelentstehung an verschiedenen zellulären Membranen eine Rolle, wo sie an der Sortierung der vorwiegend ubiquitinierten Membranproteine beteiligt sind und zelluläre Komponenten rekrutieren, welche die Vesikelabschnürung vermitteln. Die Adaptorproteine sind dabei meist mit der jeweiligen Membran assoziiert, was auch für g2-Adaptin nachgewiesen werden konnte. Diese Membranbindung wird durch den N-terminalen Proteinbereich von g2-Adaptin vermittelt und erfolgt unabhängig von den Ubiquitin-bindenden Eigenschaften und von Nedd4. Allerdings scheint die Ubiquitin-Modifikation von g2-Adaptin ausschließlich in membrangebundener Form zu erfolgen. An welchen Membranen g2-Adaptin lokalisiert ist, wurde in Immunfluoreszenzstudien untersucht, wobei eine enge Assoziation von g2-Adaptin mit späten Endosomen bzw. MVBs zu beobachten war. Bei weiteren Analysen konnte auch ein funktioneller Einfluss auf die Vesikelentstehung an den MVBs nachgewiesen werden, da durch die Depletion von g2-Adaptin stark vergrößerte, defekte MVBs induziert wurden. Dies deutet darauf hin, dass g2-Adaptin als Ubiquitin-Rezeptor an diesen Prozessen beteiligt sein könnte. Ebenso wie andere Adaptorproteine könnte es hier an die Cargo-Proteine binden, diese durch den Kontakt zu Clathrin lokal konzentrieren und die Vesikelabschnürung durch die Rekrutierung der MVB-Maschinerie vermitteln. Möglicherweise stellt g2-Adaptin hierbei den bislang nicht identifizierten Adaptor dar, der die Verbindung zwischen Nedd4 und der MVB-Kaskade herstellt. Eine ähnliche Funktion für g2-Adaptin ist auch bei der Morphogenese von HBV denkbar. Aufgrund der durchgeführten Lokalisationsstudien ist anzunehmen, dass die Umhüllung der HBV-Partikel direkt an den MVBs erfolgt. Vermutlich bindet g2-Adaptin hier an das L-Hüllprotein, wobei es durch die Rekrutierung von Clathrin zu einer lokalen Anreicherung der Hüllproteine kommt. g2-Adaptin interagiert zudem in UIM-abhängiger Weise mit dem Nukleokapsid, wobei der Kontakt direkt erfolgen könnte oder durch die Ubiquitin-Ligase Nedd4 vermittelt wird, welche über eine Late-Domäne ebenfalls mit dem Nukleokapsid verbunden ist. Anscheinend gelangt das Nukleokapsid durch den Einfluss von g2-Adaptin und Nedd4 zum Ort der Virusmorphogenese, wo die eigentliche Umhüllung und die Abschnürung der Viruspartikel erfolgen. Vermutlich sind auch hier Komponenten der MVB-Maschinerie beteiligt, die womöglich durch g2-Adaptin rekrutiert werden.

Endocytic trafficking and oligodendroglial exosome secretion in axon-glia communication and myelination

Oligodendrocytes form specialized plasma membrane extensions which spirally enwrap axons, thereby building up the myelin sheath. During myelination, oligodendrocytes produce large amounts of membrane components. Oligodendrocytes can be seen as a complex polarized cell type with two distinct membrane domains, the plasma membrane surrounding the cell body and the myelin membrane. SNARE proteins mediate the fusion of vesicular cargoes with their target membrane. We propose a model in which the major myelin protein PLP is transported by two different pathways. VAMP3 mediates the non-polarized transport of newly synthesized PLP via recycling endosomes to the plasma membrane, while transport of PLP from late endosomes/lysosomes to myelin is controlled by VAMP7. In the second part of the thesis, the role of exosome secretion in glia to axon signaling was studied. Further studies are required to clarify whether VAMP7 also controls exosome secretion. The thesis further focused on putative metabolic effects in the target neurons. Oligodendroglial exosomes showed no obvious influences on neuronal metabolic activity. Analysis of the phosphorylation levels of the neurofilament heavy subunit revealed a decrease in presence of oligodendrocytes, indicating effects of oligodendroglial exosomes on the neuronal cytoskeleton. Finally, candidates for kinases which are possibly activated upon influence of oligodendroglial exosomes and could influence neuronal survival were identified.

Uptake mechanism, intracellular trafficking and endo-lysosomal pH monitoring of polystyrene nanoparticles

What is the intracellular fate of nanoparticles (NPs) taken up by the cells? This question has been investigated for polystyrene NPs of different sizes with a set of molecular biological and biophysical techniques.rnTwo sets of fluorescent NPs, cationic and non-ionic, were synthesized with three different polymerization techniques. Non-ionic particles (132 – 846 nm) were synthesized with dispersion polymerization in an ethanol/water solution. Cationic NPs with 120 nm were synthesized by miniemulsion polymerization Particles with 208, 267 and 603 nm were produced by seeding the 120 nm particle obtained by miniemulsion polymerization with drop-wise added monomer and polymerization of such. The colloidal characterization of all particles showed a comparable amount of the surface groups. In addition, particles were characterized with regard to their size, morphology, solid content, amount of incorporated fluorescent dye and zeta potential. The fluorescent intensities of all particles were measured by fluorescence spectroscopy for calibration in further cellular experiments. rnThe uptake of the NPs to HeLa cells after 1 – 24 h revealed a much higher uptake of cationic NPs in comparison to non-ionic NPs. If the same amount of NPs with different sizes is introduced to the cell, a different amount of particles is present in the cell medium, which complicates a comparison of the uptake. The same conclusion is valid for the particles’ overall surface area. Therefore, HeLa cells were incubated with the same concentration, amount and surface area of NPs. It was found that with the same concentration always the same polymer amount is taking up by cells. However, the amount of particles taken up decreases for the biggest. A correlation to the surface area could not be found. We conclude that particles are endocytosed by an excavator-shovel like mechanism, which does not distinguish between different sizes, but is only dependent on the volume that is taken up. For the decreased amount of large particles, an overload of this mechanism was assumed, which leads to a decrease in the uptake. rnThe participation of specific endocytotic processes has been determined by the use of pharmacological inhibitors, immunocytological staining and immunofluorescence. The uptake of NPs into the endo-lysosomal machinery is dominated by a caveolin-mediated endocytosis. Other pathways, which include macropinocytosis and a dynamin-dependent mechanism but exclude clathrin mediated endocytosis, also occur as competing processes. All particles can be found to some extent in early endosomes, but only bigger particles were proven to localize in late endosomes. No particles were found in lysosomes; at least not in lysosomes that are labeled with Lamp1 and cathepsin D. However, based on the character of the performed experiment, a localization of particles in lysosomes cannot be excluded.rnDuring their ripening process, vesicles undergo a gradual acidification from early over late endosomes to lysosomes. It is hypothesized that NPs in endo-lysosomal compartments experience the same change in pH value. To probe the environmental pH of NPs after endocytosis, the pH-sensitive dye SNARF-4F was grafted onto amino functionalized polystyrene NPs. The pH value is a ratio function of the two emission wavelengths of the protonated and deprotonated form of the dye and is hence independent of concentration changes. The particles were synthesized by the aforementioned miniemulsion polymerization with the addition of the amino functionalized copolymer AEMH. The immobilization of SNARF-4F was performed by an EDC-coupling reaction. The amount of physically adsorbed dye in comparison to covalently bonded dye was 15% as determined by precipitation of the NPs in methanol, which is a very good solvent for SNARF-4F. To determine influences of cellular proteins on the fluorescence properties, a intracellular calibration fit was established with platereader measurements and cLSM imaging by the cell-penetrable SNARF-4F AM ester. Ionophores equilibrated the extracellular and intracellular pH.rnSNARF-4F NPs were taken up well by HeLa cells and showed no toxic effects. The pH environment of SNARF-4F NPs has been qualitatively imaged as a movie over a time period up to 1 h in pseudo-colors by a self-written automated batch program. Quantification revealed an acidification process until pH value of 4.5 over 24 h, which is much slower than the transport of nutrients to lysosomes. NPs are present in early endosomes after min. 1 h, in late endosomes at approx. 8 h and end up in vesicles with a pH value typical for lysosomes after > 24 h. We therefore assume that NPs bear a unique endocytotic mechanism, at least with regards to the kinetic involvedrn

Die Rolle von gamma2-Adaptin im endo-lysosomalen Proteintransport von Säuger-Zellen

Ziel der Arbeit war es, die physiologische Funktion von 2-Adaptin zu charakterisieren. 2 Adaptin wurde 1998 erstmals von Takatsu et al. und Lewin et al. als mögliches Mitglied der Clathrin-Adapter-Proteinfamilie beschrieben. Seine genaue physiologische Funktion ist aber bis heute noch unklar. Bisherige Ergebnisse deuten darauf hin, das 2-Adaptin unabhängig von den AP-Komplexen wirkt. rnIn der HBV-Morphogenese ist eine spezielle Funktion von 2-Adaptin bekannt, da es dort nach seiner Ubiquitinierung durch Nedd4 als Adapter zwischen dem HBV L- und Core-Protein fungiert und Änderungen in der 2 Konzentration die HBV-Freisetzung blockieren.rn2-Adaptin besitzt neben den für die Clathrin-Adapter Proteine typischen Clathrin-bindenden Eigenschaften auch die Fähigkeit, Ubiquitin über sein UIM zu binden. Darüberhinaus wird 2-Adaptin durch seine Interaktion mit der Ubiquitin-Ligase Nedd4 selbst ubiquitiniert. Damit besitzt 2-Adaptin typische Eigenschaften eines Ubiquitin-Adapters. 2-Adaptin ist an MVBs lokalisiert und Abweichungen in der 2 Konzentration verändern die MVB-Morphologie. Zudem führt die Überexpression von 2-Adaptin zur Blockade der Freisetzung retroviraler VLPs und die 2 Depletion blockiert den lysosomalen Abbau von EGF, einem Substrat des endo-lysosomalen Proteintransports. Dies alles deutet auf eine mögliche Funktion von 2-Adaptin in diesem Transportsystem hin, welche in dieser Arbeit näher untersucht wurde.rnEs konnte gezeigt werden, dass die Depletion von 2-Adaptin den Abbau von endogenen (z.B. EGF, ubiquitinierte Proteine) und exogenen (z.B. das retrovirale MLV.gag-Polyprotein) Substraten des endo-lysosomalen Weges inhibiert, während sie bei 2 Überexpression verstärkt abgebaut werden. Alle bisher identifizierten „Substrate“ von 2 Adaptin, also Proteine, die durch überschüssiges 2-Adaptin abgebaut werden, besitzen eine Verbindung zum endo-lysosomalen System und / oder zur Ubiquitin-Maschinerie der Zelle. Weitere Hinweise auf eine Rolle von 2 Adaptin im MVB-Weg lieferte die Identifikation von Vps28 und Chmp2A als spezifische Interaktionspartner von 2-Adaptin. Über Vps28 erhält -Adaptin direkten Zugang zum ESCRT-I- und über Chmp2A zum ESCRT-III-Komplex. rnZudem konnte neben dem UIM eine PH-Domäne in 2-Adaptin als wichtige funktionelle Domäne identifiziert werden. Sie stellt das Modul für die Interaktion mit Rab7 dar, welche erstmals gezeigt werden konnte. Auch die Interaktion mit Rab7 deutet auf eine Rolle von 2 Adaptin im endo-lysosomalen Transportsystem hin, da Rab7 an späten Endosomen lokalisiert ist und u.a. die Fusion der MVBs mit den Lysosomen vermittelt. Da die Auswirkungen der Rab7-Überexpression und Depletion auf MLV.gag denen der 2 Überexpression bzw. Depletion entsprechen, liegt die Vermutung nahe, dass 2-Adaptin an einem ähnlich späten Schritt im endo-lysosomalen Transportsystem wirkt wie Rab7. Jedoch blockiert überschüssiges 2 Adaptin die ESCRT-abhängige VLP-Ausschleusung an der Plasmamembran und fungiert daher möglicherweise als negativer Regulator der ESCRT-Kaskade. Da die Überexpression von -Adaptin aber gleichzeitig zum vermehrten lysosomalen Abbau führt, ist eine Funktion von 2-Adaptin bei der MVB-Lysosomen-Fusion wenig wahrscheinlich. Einer solchen Funktion widerspricht auch, dass die intrazelluläre Konzentration von Rab7 und Vps28 durch überschüssiges 2-Adaptin reduziert werden. rnAls dritte funktionell wichtige Domäne in 2-Adaptin konnte ein LIR-Motiv identifiziert werden, über welches -Adaptin mit dem Autophagie-Markerprotein LC3 interagieren kann. Die Interaktion mit LC3, und damit die Verbindung zur Autophagie-Machinerie, liefert eine mögliche Erklärung für den vermehrten Abbau bei 2-Überexpression und den Abbau von Proteinen auf der MVB-Oberfläche. Dabei induziert 2-Adaptin nicht die Autophagie per se, sondern scheint als Autophagie-Adapter zu wirken, der seine Substrate, z.B. MVBs, selektiv dem Abbau durch Autophagie zuführt. rnrnEine mögliche Rolle von 2-Adaptin im zum Lysosom hin gerichteten zellulären Transport konnte bestätigt werden, wobei 2-Adaptin dabei verschiedene Funktionen übernimmt: rn als Ubiquitin-Adapter im endo-lysosomalen System, rn als negativer Regulator der ESCRT-Kaskadern und / oder als Autophagie-Adapter.rn

Drug delivery, entry and intracellular trafficking of polymeric nanoparticles

Polymere Nanopartikel sind kleine Teilchen, die vielseitige Einsatzmöglichkeiten für den Transport von Wirkstoffen bieten. Da Nanomaterialien in diesen biomedizinischen Anwendungen oft mit biologischen Systemen in Berührung kommen, erfordert das eine genaue Untersuchung ihrer gegenseitigen Wechselwirkungen. In diesem speziellen Forschungsgebiet, welches sich auf die Interaktionen von Nanomaterialien mit biologischen Komponenten konzentriert, wurde bereits eine Vielzahl verschiedener Nanopartikel-Zell-Interaktionen (z. B. Nanotoxizität, Wirkstofftransport-mechanismen) analysiert. Bezüglich der Untersuchungen zu nanopartikulären Wirkstofftransport-mechanismen ist es im Allgemeinen akzeptiert, dass ein erfolgreicher zellulärer Transport hauptsächlich von der Aufnahme des Nanotransporters abhängt. Deshalb analysieren wir in dieser Arbeit (1) den Wirkstofftransportmechanismus für biologisch-abbaubare eisenhaltige Poly-L-Milchsäure Nanopartikel (PLLA-Fe-PMI) sowie (2) die Aufnahmemechanismen und die intrazellulären Transportwege von nicht-abbaubaren superparamagnetischen Polystyrolnanopartikeln (SPIOPSN). rnIn dieser Arbeit identifizieren wir einen bisher unbekannten und nicht-invasiven Wirkstoff-transportmechanismus. Dabei zeigt diese Studie, dass der subzelluläre Transport der nanopartikulärer Fracht nicht unbedingt von einer Aufnahme der Nanotransporter abhängt. Der identifizierte Arzneimitteltransportmechanismus basiert auf einem einfachen physikochemischen Kontakt des hydrophoben Poly-L-Milchsäure-Nanopartikels mit einer hydrophoben Oberfläche, wodurch die Freisetzung der nanopartikulären Fracht ausgelöst wird. In Zellexperimenten führt die membranvermittelte Freisetzung der nanopartikulären Fracht zu ihrem sofortigen Transport in TIP47+- und ADRP+- Lipidtröpfchen. Der Freisetzungsmechanismus („kiss-and-run") kann durch die kovalente Einbindung des Frachtmoleküls in das Polymer des Nanopartikels blockiert werden.rnWeiterhin wird in Langzeitversuchen gezeigt, dass die Aufnahme der untersuchten polymeren Nanopartikel von einem Makropinozytose-ähnlichen Mechanismus gesteuert wird. Im Laufe dieser Arbeit werden mehrere Faktoren identifiziert, die in diesem Aufnahmemechanismus eine Rolle spielen. Darunter fallen unter anderem die kleinen GTPasen Rac1 und ARF1, die die Aufnahme von SPIOPSN beeinflussen. Darauffolgend werden die intrazellulären Transportwege der Nanopartikel untersucht. Mit Hilfe eines neuartigen Massenspektrometrieansatzes wird der intrazelluläre Transport von nanopartikelhaltigen endozytotischen Vesikeln rekonstruiert. Intensive Untersuchungen identifizieren Marker von frühen Endosomen, späten Endosomen/ multivesikulären Körpern, Rab11+- Endosomen, Flotillin-Vesikeln, Lysosomen und COP-Vesikeln. Schließlich wird der Einfluss des lysosomalen Milieus auf die Proteinhülle der Nanopartikel untersucht. Hier wird gezeigt, dass die adsorbierte Proteinhülle auf den Nanopartikeln in die Zelle transportiert wird und anschließend im Lysosom abgebaut wird. rnInsgesamt verdeutlicht diese Arbeit, dass die klassische Strategie des nanopartikulären und invasiven Wirkstofftransportmechanismuses überdacht werden muss. Weiterhin lässt sich aus den Daten schlussfolgern, dass polymere Nanopartikel einem atypischen Makropinozytose-ähnlichen Aufnahmemechanismus unterliegen. Dies resultiert in einem intrazellulären Transport der Nanopartikel von Makropinosomen über multivesikuläre Körperchen zu Lysosomen.rn

THE UBIQUITIN LIGASE UBE4B IS REQUIRED FOR EFFICIENT EPIDERMAL GROWTH FACTOR RECEPTOR DEGRADATION

The length of time that integral membrane proteins reside on the plasma membrane is regulated by endocytosis, a process that can inactivate these proteins by removing them from the membrane and may ultimately result in their degradation. Proteins are internalized and pass through multiple distinct intracellular compartments where targeting decisions determine their fate. Membrane proteins initially enter early endosomes, and subsequently late endosomes/multivesicular bodies (MVBs), before being degraded in the lysosome. The MVB is a subset of late endosomes characterized by the appearance of small vesicles in its luminal compartment. These vesicles contain cargo proteins sorted from the limiting membrane of the MVB. Proteins not sorted into luminal vesicles remain on the MVB membrane, from where they may be recycled back to the plasma membrane. In the case of receptor tyrosine kinases (RTKs), such as epidermal growth factor (EGF) receptor, this important sorting step determines whether a protein returns to the surface to participate in signaling, or whether its signaling properties are inactivated through its degradation in the lysosome. Hrs is a protein that resides on endosomes and is known to recruit sorting complexes that are vital to this sorting step. These sorting complexes are believed to recognize ubiquitin as sorting signals. However, the link between MVB sorting machinery and the ubiquitination machinery is not known. Recently, Hrs was shown to recruit and bind an E3 ubiquitin ligase, UBE4B, to endosomes. In an assay that is able to measure cargo movement, the disruption of the Hrs-UBE4B interaction showed impaired sorting of EGF receptor into MVBs. My hypothesis is that UBE4B may be the connection between MVB sorting and ubiquitination. This study addresses the role of UBE4B in the trafficking and ubiquitination of EGF receptor. I created stable cell lines that either overexpresses UBE4B or expresses a UBE4B with no ligase activity. Levels of EGF receptor were analyzed after certain periods of ligand-induced receptor internalization. I observed that higher expression levels of UBE4B correspond to increased degradation of EGF receptor. In an in vitro ubiquitination assay, I also determined that UBE4B mediates the ubiquitination of EGF receptor. These data suggest that UBE4B is required for EGFR degradation specifically because it ubiquitinates the receptor allowing it to be sorted into the internal vesicles of MVBs and subsequently degraded in lysosomes.

Genetic mechanisms of Na+, K+-ATPase regulation in hypertension

The spontaneously hypertensive rat (SHR) is a model of essential hypertension. During the early development of hypertension, the SHR demonstrates increased proximal tubule (PT) Na+ reabsorption. I hypothesized that the increased PT Na+ reabsorption exhibited by the young SHR was due to altered sub-cellular distribution of Na+, K +-ATPase compared to the normotensive Wistar Kyoto (WKY). The hypothesis is supported, herein, by observations of greater Na+, K +-ATPase α 1 abundance in PT plasma membrane and lower abundance in late endosomes of 4wk SHR despite no difference in total PT α 1 abundance. There is a greater amount of Ser-18 unphosphorylated α 1 in the 4wk SHR PT. Total PT Na+, K+-ATPase γ abundance is greater in SHR at 4wk and 16wk but γ abundance in plasma membrane is greater only at 4wk. The phosphatase, calcineurin, was chosen for study because it is involved in the stimulation of Na+, K +-ATPase. No difference in calcineurin coding sequence, expression, or activity was observed in SHR. Gene expression arrays were next used to find candidate genes involved in the regulation of Na+, K +-ATPase. The first candidate analyzed was soluble epoxide hydrolase (sEH). The gene encoding sEH (EPHX2) showed lower expression in SHR. There was also a reduction in sEH protein abundance but there was no correlation between protein abundance and blood pressure in F2 progeny. Two EPHX2 alleles were identified, an ancestral allele and a variant allele containing four polymorphisms. sEH activity was greater in animals carrying the variant allele but the inheritance of the variant allele did not correlate with blood pressure. Gene expression arrays also led to the examination of genes involved in redox balance/Na+, K+-ATPase regulation. A pattern of lower expression of genes involved in reactive radical detoxification in SHR was discerned. Six transcription factor binding sites were identified that occurred more often in these genes. Three transcription factors that bind to the HNF1 site were expressed at lower levels in SHR. This points to the HNF1 transcriptional complex as an important trans-acting regulator of a wide range of genes involved in altered redox balance in SHR. ^