On the physical-chemical properties of ceramide C16

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Chemistry.

Molecular dissection of Arabidopsis thaliana endodermis development, structure and function

In vascular plants, the endodermis establishes a protective diffusion barrier surrounding the vasculature preventing the passive, uncontrolled entry of nutrients absorbed by the plant. It does so by means of a differentiation feature, the "Casparian Strip" (CS), a highly localized cell wall impregnation made of lignin, which seals the extracellular space. Although the existence of this differentiation feature has been intensively described, the mechanisms establishing this hallmark remain obscure. In this work I report, the developmental sequence of events that leads to a differentiated endodermis, in the plant model Arabidopsis thaliana. In addition, my descriptive approach gave important insights as to how these cells define membrane domains involved in the directional transport of nutrients. I also participated in characterizing a new transmembrane protein family, the CASPs, localized to the membrane domain underlying the CS, which we accordingly named the Casparian Strip membrane Domain (CSD). Our molecular analysis indicates that these proteins drive CS establishment. To identify more molecular factors of CS establishment, I performed a forward genetic screen. This screen led to the identification of 11 endodermis permissive mutants, which we named schengen (sgn) mutants. The causative mutations have been mapped to 5 independent loci: SGN1 to SGN5. SGN1 and SGN3 encode Receptor Like Kinases involved in the correct establishment of the CSD. A lack of those kinases leads to an incomplete CSD, which gives rise to interrupted CS barriers. Interestingly, SGN1 seems to also regulate CSD positioning to the middle of endodermal transversal walls. SGN4 encodes an NADPH oxidase involved in lignin polymerization essential for CS formation. The sgn5 mutant induces extra divisions of cortical cells strongly affecting the cell identity, but also leading to incorrect differentiation. A thorough characterization of the sgn2 mutant will follow elsewhere, yet preliminary results indicate that SGN2 encodes an Acyl-CoA N-acyltransferase. . In summary, with my work I have contributed a first set of molecular players of Casparian strip formation and initiated their characterization. Eventually, this might lead to an understanding of the molecular mechanisms of CS establishment in A.thaliana . This in turn will hopefully help to better understand nutrient uptake in higher plants and their response to environmental stresses. - Au sein des plantes vasculaires, l'endoderme représente un tissu protecteur mettant en place une barrière imperméable, empêchant n'importe quel élément de rejoindre les tissus conducteurs par simple diffusion. Cette barrière, appelée « Cadre de Caspary », correspond à une lignification de la paroi de l'endoderme et donne lieu à un cloisonnement de l'espace intercellulaire. Bien que cet élément de différenciation soit décrit en détail, sa mise en place reste incomprise. Cette étude indique la suite d'événements aboutissant à l'établissement du cadre de Caspary chez la plante modèle Arabidopsis thaliana. De plus, ce travail apporte de nouvelles connaissances expliquant comment ces cellules définissent des domaines membranaires importants pour le transport des nutriments. Nous décrivons une nouvelle famille de protéines membranaires, les CASPs (« CAparian Strip membrane domain Proteins »), localisées dans un domaine membranaire longeant le cadre de Caspary : le domaine de Caspary (CSD). L'analyse moléculaire des CASPs indique qu'elles dirigent la formation du cadre de Caspary. Par ailleurs, une approche génétique directe nous a permis d'identifier 11 mutants ayant un endoderme perméable. Nous avons nommé ces mutants Schengen, en référence à la zone de libre échange européenne. Les mutations impliquées dans ces mutants affectent 5 gènes désignés de SGN1 à SGN5. SGN1 et SGN3 produisent des protéines de type kinases (« Receptor-like Kinases », RLK) qui participent à la délimitation du CSD. L'absence de ces kinases aboutit à un domaine CSD incomplet, se traduisant par un cadre de Caspary discontinu. De plus, SGN1 semble réguler le positionnement du CSD au milieu de la paroi transversale de l'endoderme. SGN4 produit une enzyme de type NADPH oxydase impliquée dans la polymérisation du cadre de Caspary. Dans le mutant sgn5, on observe une division anormale des cellules du cortex créant ainsi une nouvelle couche cellulaire incapable d'achever sa différenciation en endoderme. Quant à la mutation sgn2, bien que nous pensons qu'elle affecte une Acyl-CoA N-acyltransferase, sa caractérisation ne sera réalisée que prochainement. Au final, ce travail procure de nouveaux éléments sur l'établissement du cadre de Caspary qui pourraient être importants afin de comprendre comment les plantes sélectionnent leurs nutriments et résistent à des conditions environnementales parfois hostiles. - De par leur immobilité, les plantes terrestres n'ont pas d'autre choix que de puiser leurs ressources dans leur environnement direct. La plante extrait du sol les nutriments qui lui sont nécessaires et les redistribue grâce à des tissus conducteurs. Afin de ne pas s'intoxiquer, il est donc essentiel de pouvoir sélectionner les éléments entrant dans la racine. Etonnement, ce n'est pas la surface des racines qui permet ce contrôle mais un tissu interne appelé endoderme. Ce dernier forme une barrière imperméable qui entoure chaque cellule et crée une jointure permettant de bloquer le passage des éléments entre les cellules. Cette structure, appelée « cadre de Caspary », oblige les éléments à entrer dans les cellules de l'endoderme et à être ainsi sélectionnés. Bien que cette structure soit décrite en détail, sa mise en place reste incomprise. Cette étude indique la suite d'événements qui aboutit à la formation du cadre de Caspary chez la plante modèle Arabidopsis thaliana. Ce travail apporte également de nouvelles connaissances expliquant comment ces cellules définissent, organisent et dirigent le transport des nutriments. Nous décrivons comment certains éléments de la cellule, les protéines CASPs (CAsparian Strip membrane domain Proteins), sont organisées un domaine particulier des membranes afin de créer une plateforme de construction longeant le cadre de Caspary : le domaine de Caspary (CSD). Afin de déterminer ce qu'il se passerait si une plante ne possédait pas de cadre de Caspary, nous avons réalisé une mutagénèse, ou approche génétique directe, et identifié 11 mutants (individu ayant un gène défectueux conduisant à la perte d'une fonction) ayant un endoderme perméable. Nous avons nommé ces mutants schengen, en référence à la zone de libre échange européenne. Les mutations impliquées dans ces mutants affectent 5 gènes désignés de SGN1 à SGN5. Les gènes SGN1 et SGN3 produisent des protéines de type kinases (« Receptor-like Kinases », RLK) servant à l'établissement de la plateforme de construction. L'absence de ces kinases aboutit à une base incomplète, se traduisant par un cadre de Caspary discontinu. Qui plus est, la kinase SGN1 semble réguler le positionnement de la plateforme au milieu de l'endoderme. Le gène SGN4 est par contre, impliqué dans la construction à proprement dite du cadre de Caspary. Dans le mutant sgn5, on observe une nouvelle couche de cellules ressemblant à de l'endoderme mais incapable de former correctement une barrière identique au cadre de Caspary. Quant au dernier mutant, sgn2, bien que cette étude fournisse des indices permettant de comprendre pourquoi le mutant sgn2 est défectueux, nous n'expliquerons ce cas que prochainement. En résumé, ce travail procure de nouvelles connaissances sur l'établissement du cadre de Caspary qui pourraient être importantes afin de comprendre comment les plantes sélectionnent leurs nutriments et résistent à des conditions environnementales parfois hostiles.

Point Mutations in the Monocarboxylate Transporter SLC16A12 Lead to Juvenile and Age-Related Cataract

Purpose: Previously we reported on a premature termination mutation in SLC16A12 that leads to dominant juvenile cataract and renal glucosuria. To assess the mutation rate and genotype-phenotype correlations of SLC16A12 in juvenile or age-related forms of cataract, we performed a mutation screen in cataract patients. Methods: Clinical data of approximately 660 patients were collected, genomic DNA was isolated and analyzed. Exons 3 to 8 including flanking intron sequences of SLC16A12 were PCR amplified and DNA sequence was determined. Selected mutations were tested by cell culture assays, in silico analysis and RT-PCR. Results: We found sequence alterations at a rate of approximately 1/75 patients. None of them was found in 360 control alleles. Alterations affect splice site and regulatory region but most mutations caused an amino acid substitution. The majority of the coding region mutations maps to trans-membrane domains. One mutation located to the 5'UTR. It affects translational efficiency of SLC16A12. In addition, we identified a cataract-predisposing SNP in the non-coding region that causes allele-specific splicing of the 5'UTR region. Conclusions: Altered translational efficiency of the solute carrier SLC16A12 and its allele-specific splicing strongly support a model of challenged homeostasis to cause various forms of cataract. In addition, the pathogenic property of the here reported sequence alterations is supported by the lack of known sequence variations within the coding region of SLC16A12. Due to the relatively high mutation rate, we suggest to include SLC16A12 in diagnostic cataract screening. Generally, our data recommend the assessment of regulatory sequences for diagnostic purposes.

Role of myosin V in actin cable organization in fission yeast

Functional specialization is tightly linked to the ability of eukaryotic cells to acquire a particular shape. Cell morphogenesis, in turn, relies on the capacity to establish and maintain cell "polarity", which is achieved by orienting the trafficking of signaling molecules and organelles towards specific cellular locations and/or membrane domains. The "oriented" transport is based upon cytoskeletal polymers, microtubules and actin filaments, which serve as tracks for molecular motors. These latter generate motion that is translated either into pulling forces or directed transport. Fission yeast, a rod-like unicellular eukaryote, shapes itself by restricting growth at cell tips through the concerted activity of microtubules and actin cables. Microtubules, which assemble into 2-6 bundles and run parallel to the long axis of the cell, serve to orient growth to the tips. Growth is supported by the actin cytoskeleton, which provides tracks, the cables, for motor-based transport of secretory vesicles. The molecular motors, which bind cargos and deliver them to the tips along cables, are also known as type V myosins (hereafter indicated as myosin V). How the bundles of parallel actin filaments, i.e. the cables, extend from the tips through the cell and whether they serve any other purpose, besides providing tracks, is poorly understood. It is also unclear how the crosstalk between the two cytoskeletal systems is achieved. These are the basic questions I addressed during my PhD. The first part of the thesis work (Chapter two) suggests that the sole function of actin cables in polarized growth is to serve as tracks for motors. The data indicate that cells may have evolved two cytoskeletal systems to provide robustness to the polarization process but in principle a unique cytoskeleton might have been able to direct and support polarized growth. How actin cables are organized within the cell to optimize cargo transport is addressed later on (Chapter three). The major finding, based on the actin cable defect of cells lacking myosin Vs, is that actin filaments self-organize through the activity of the transport motors. In fact, by delivering cargos to cell tips and exerting physical pulling forces on actin filaments, Myosin Vs contribute not only to polarize cargo transport but also actin tracks. Among the cargos transported by Myosin V, which may be relevant to its function in organizing cables, there is likely the endoplasmic reticulum (ER). Actin cables, which run parallel to cortical ER, may serve as tracks for Myosin V. Myosin V-driven displacement, in turn, may account for the dynamic expansion and organization of ER during polarized growth as suggested in Chapter four. The last part of the work (Chapter five) highlights the existence of a crosstalk between actin and microtubules. In absence of myosin V, indeed, microtubules contribute to actin cable organization, likely playing a scaffolding/tethering function. Whether or not the kinesin 1, Klp3, plays any role in such process has to be demonstrated. In conclusion the work proposes a novel role for myosin Vs in actin organization, besides its transport function, and provides molecular tools to further dissect the role of this type of myosin in fission yeast. - La spécialisation fonctionnelle est étroitement connectée à la capacité des cellules eucaryotes d'acquérir une forme particulière. La morphogenèse cellulaire à son tour, est basée sur la capacité d'établir et de maintenir la polarité cellulaire, polarité réalisée en orientant le trafic des molécules signales et des organelles vers des zones cellulaires spécifiques. Ce transport directionnel dépend des polymères du cytosquelette, microtubules et microfilaments, qui servent comme des voies pour les moteurs moléculaires. Ces derniers engendrent du mouvement, traduit soit en force de traction soit en transport directionnel. La levure fissipare, un eucaryote unicellulaire en forme de bâtonnet, acquière sa forme en limitant sa croissance aux extrémités par l'action concertée des microtubules et de l'actine. Les microtubules, qui s'assemblent de façon antiparallèle et parcourent la cellule parallèlement à l'axe longitudinal, servent à orienter la croissance aux extrémités. Cette croissance est permise par le cytosquelette d'actine, fournissant des voies, les câbles, pour le transport actif des vésicules de sécrétion. Les moteurs moléculaires, responsables de ce transport actif sont aussi appelés myosines de type V (par la suite appelés myosines V). La manière dont ces câbles s'étendent depuis l'extrémité jusqu'à l'intérieur de la cellule est peu connue. De plus, on ignore également si ces câbles présentent une fonction autre que le transport. L'interaction entre les deux cytosquelettes est également obscure. Ce sont ces questions de base auxquelles j'ai tenté de répondre lors de ma thèse. La première partie de cette thèse (chapitre II) suggère que les câbles d'actine, pendant la croissance polarisée, fonctionnent uniquement comme des voies pour les moteurs moléculaires. Les données indiqueraient que les cellules ont fait évoluer deux systèmes de cytosquelette pour assurer plus de robustesse au processus de polarisation, bien que, comme nous le verrons, un système unique est suffisant. Au chapitre III, nous verrons comment les câbles d'actine sont organisés à l'intérieur de la cellule afin d'optimiser le transport des cargo. La découverte majeure, réalisée en observant des cellules dont la myosine V fait défaut, est que ces filaments d'actine s'auto organisent grâce au passage des moteurs moléculaires le long de ces voies. En réalité, en délivrant les cargos aux extrémités de la cellule et en exerçant des forces de traction sur les câbles, les myosines V contribuent non seulement à polariser le transport mais également à polariser les voies elles mêmes. Nous verrons également au chapitre IV, que parmi les cargos importants pour l'organisation des câbles, il y aurait le réticulum endoplasmique (RE). En effet, les câbles d'actine, qui s'étalent parallèlement au RE cortical, pourraient servir comme voie pour la myosine V. Cette dernière en retour pourrait être responsable de l'expansion dynamique et de l'organisation du RE pendant la croissance polarisée.

MYADM regulates Rac1 targeting to ordered membranes required for cell spreading and migration

Membrane organization into condensed domains or rafts provides molecular platforms for selective recruitment of proteins. Cell migration is a general process that requires spatiotemporal targeting of Rac1 to membrane rafts. The protein machinery responsible for making rafts competent to recruit Rac1 remains elusive. Some members of the MAL family of proteins are involved in specialized processes dependent on this type of membrane. Because condensed membrane domains are a general feature of the plasma membrane of all mammalian cells, we hypothesized that MAL family members with ubiquitous expression and plasma membrane distribution could be involved in the organization of membranes for cell migration. We show that myeloid-associated differentiation marker (MYADM), a protein with unique features within the MAL family, colocalizes with Rac1 in membrane protrusions at the cell surface and distributes in condensed membranes. MYADM knockdown (KD) cells had altered membrane condensation and showed deficient incorporation of Rac1 to membrane raft fractions and, similar to Rac1 KD cells, exhibited reduced cell spreading and migration. Results of rescue-of-function experiments by expression of MYADM or active Rac1L61 in cells knocked down for Rac1 or MYADM, respectively, are consistent with the idea that MYADM and Rac1 act on parallel pathways that lead to similar functional outcomes.

Structure and function of the cystic fibrosis transmembrane conductance regulator

Cystic fibrosis (CF) is a lethal autosomal recessive genetic disease caused by mutations in the CF transmembrane conductance regulator (CFTR). Mutations in the CFTR gene may result in a defective processing of its protein and alter the function and regulation of this channel. Mutations are associated with different symptoms, including pancreatic insufficiency, bile duct obstruction, infertility in males, high sweat Cl-, intestinal obstruction, nasal polyp formation, chronic sinusitis, mucus dehydration, and chronic Pseudomonas aeruginosa and Staphylococcus aureus lung infection, responsible for 90% of the mortality of CF patients. The gene responsible for the cellular defect in CF was cloned in 1989 and its protein product CFTR is activated by an increase of intracellular cAMP. The CFTR contains two membrane domains, each with six transmembrane domain segments, two nucleotide-binding domains (NBDs), and a cytoplasmic domain. In this review we discuss the studies that have correlated the role of each CFTR domain in the protein function as a chloride channel and as a regulator of the outwardly rectifying Cl- channels (ORCCs).

Fonction de la protéine Ceroid lipofuscinosis neuronal 5 (CLN5) dans le tri et le recyclage à l’endosome

Le tri et le transport efficace des hydrolases acides vers le lysosome jouent un rôle critique pour la fonction des cellules. Plus de 50 maladies humaines sont dues à des mutations des enzymes lysosomales, des protéines régulant des processus-clés du transport vers le lysosome ou des enzymes effectuant des modifications posttraductionnelles importantes pour la fonction du lysosome. L’objectif de cette thèse est d’identifier des protéines et des mécanismes permettant à la cellule de réguler le transport des enzymes vers le lysosome. Nous avons formulé l’hypothèse que des protéines mutées dans des maladies lysosomales et dont les fonctions étaient inconnues pouvaient jouer un rôle dans le transport vers le lysosome. Les céroïdes-lipofuscinoses neuronales forment une famille de maladies lysosomales rares mais sont aussi les maladies neurodégénératives infantiles les plus fréquentes. Plusieurs gènes impliqués dans les NCL encodent des protéines aux fonctions inconnues. Les travaux présentés dans cette thèse ont identifié la protéine « ceroid lipofuscinosis neuronal-5 » (CLN5) qui est localisée à l’endosome et au lysosome comme élément nécessaire au recrutement et à l’activation de rab7. Rab7 est une protéine Rab-clé qui contrôle le trafic à l’endosome tardif. Cette petite GTPase est impliquée dans le recrutement de retromer, un complexe protéique qui régule le trafic de l’endosome vers l’appareil de Golgi des récepteurs de tri lysosomal comme sortilin et le récepteur du mannose-6-phosphate. Dans les cellules où CLN5 est déplété, les récepteurs de tri lysosomal sont moins recyclés plus rapidement dégradés. En utilisant des expériences de photomarquage nous avons aussi pu démontrer que Rab7 est moins activées en l’absence de CLN5. Pour exécuter leur fonction les protéines rabs doivent être recrutée à la membrane et activées par l’échange d’une molécule de GDP pour une molécule de GTP. Le recrutement des Rabs à la membrane nécessite une modification posttraductionnelle lipidique pour être facilités. En utilisant un modèle de levures nous avons démontré que l’homologue de Rab7, Ypt7 est palmitoylée. Nous avons aussi démontré que la palmitoyltransférase Swif1 est nécessaire au recrutement de Ypt7 à la membrane. Nous avons aussi remarqué que les sous- unités de retromer chez la levure sont moins recrutées lorsque les palmitoyltransférases sont déplétées. Dans les cellules de mammifères nous avons démontré que Rab7 est également palmitoylé et que cette palmitoylation est possiblement effectuée par les palmitoyltransférases DHHC1 et DHHC8. La palmitoylation de Rab7 a lieu sur les cystéines en C-terminal qui sont nécessaires au recrutement membranaire et qui auparavant étaient uniquement décrites comme prénylées. En utilisant la méthode de « click chemistry » nous avons découvert que lorsque la prénylation de Rab7 est bloquée le niveau de palmitoylation augmente. Pour caractériser l’interaction entre CLN5 et Rab7 nous avons performé des expériences afin d’établir définitivement la topologie de cette protéine. Nous avons ainsi démontré que CLN5 est une protéine hautement glycosylée qui est initialement traduite en protéine transmembranaire et subséquemment clivée par un membre de la famille des peptidase de peptide signal (SPP). Cette protéine soluble peut alors possiblement interagir avec CLN3 qui est aussi palmitoylée pour recruter et activer Rab7. Nos études suggèrent pour la première fois que CLN5 pourrait être un recruteur et un activateur de Rab7 qui agirait avec la protéine CLN3 pour séquestrer Rab7 avec les autres récepteurs palmitoylés et permettre leur recyclage vers l’appareil de Golgi.

Acid-base transport by the renal distal nephron

The functional versatility of the distal nephron is mainly due to the large cytological heterogeneity of the segment. Part of Na(+) uptake by distal tubules is dependent on Na(+)/H(+). exchanger 2 (NHE2), implicating a role of distal convoluted cells also in acid-base homeostasis. In addition, intercalated (IC) cells expressed in distal convoluted tubules, connecting tubules and collecting ducts are involved in the final regulation of acid-base excretion. IC cells regulate acid-base handling by 2 main transport proteins, a V-type H(+)-ATPase and a Cl/HCO(3)(-) exchanger, localized at different membrane domains. Type A IC cells are characterized by a luminal H(+)-ATPase in series with a basolateral Cl/HCO(3)(-) exchanger, the anion exchanger AE1. Type B IC cells mediate HCO(3)(-) secretion through the apical Cl(-)/HCO(3)(-) exchanger pendrin in series with a H(+)-ATPase at the basolateral membrane. Alternatively, H(+)/K(+)-ATPases have also been found in several distal tubule cells, particularly in type A and B IC cells. All of these mechanisms are finely regulated, and mutations of 1 or more proteins ultimately lead to expressive disorders of acid-base balance.

Linker for Activation of T-cell Family Member2 (LAT2) a Lipid Raft Adaptor Protein for AKT Signaling, Is an Early Mediator of Alkylphospholipid Anti-leukemic Activity

Lipid rafts are highly ordered membrane domains rich in cholesterol and sphingolipids that provide a scaffold for signal transduction proteins; altered raft structure has also been implicated in cancer progression. We have shown that 25 mu M 10-(octyloxy) decyl-2-(trimethylammonium) ethyl phosphate (ODPC), an alkylphospholipid, targets high cholesterol domains in model membranes and induces apoptosis in leukemia cells but spares normal hematopoietic and epithelial cells under the same conditions. We performed a quantitative (SILAC) proteomic screening of ODPC targets in a lipid-raft-enriched fraction of leukemic cells to identify early events prior to the initiation of apoptosis. Six proteins, three with demonstrated palmitoylation sites, were reduced in abundance. One, the linker for activation of T-cell family member 2 (LAT2), is an adaptor protein associated with lipid rafts in its palmitoylated form and is specifically expressed in B lymphocytes and myeloid cells. Interestingly, LAT2 is not expressed in K562, a cell line more resistant to ODPC-induced apoptosis. There was an early loss of LAT2 in the lipid-raft-enriched fraction of NB4 cells within 3 h following treatment with 25 mu M ODPC. Subsequent degradation of LAT2 by proteasomes was observed. Twenty-five mu M ODPC inhibited AKT activation via myeloid growth factors, and LAT2 knockdown in NB4 cells by shRNA reproduced this effect. LAT2 knockdown in NB4 cells also decreased cell proliferation and increased cell sensitivity to ODPC (7.5X), perifosine (3X), and arsenic trioxide (8.5X). Taken together, these data indicate that LAT2 is an early mediator of the anti-leukemic activity of alkylphospholipids and arsenic trioxide. Thus, LAT2 may be used as a target for the design of drugs for cancer therapy. Molecular & Cellular Proteomics 11: 10.1074/mcp.M112.019661, 1898-1912, 2012.

Zellulärer Transport von Myelinproteinen

Während der Myelinbildung im zentralen Nervensystem (ZNS) umwinden Oligodendrozyten mit Ausläufern ihrer Plasmamembran mehrfach das Axon. Myelin ermöglicht die saltatorische Erregungsweiterleitung entlang der Axone und ist zudem für die Aufrechterhaltung der axonalen Integrität erforderlich (Edgar and Garbern, 2004). Ein Oligodendrozyt myelinisiert bis zu 40 Axonsegmente gleichzeitig, wodurch er in seiner aktivsten Myelinisierungsphase 5 bis 50 x 103 µm2 Membranfläche pro Tag produziert (Pfeiffer et al., 1993). Die vollständig ausgebildete Myelinscheide besteht aus Subdomänen mit charakteristischen Protein- und Lipidzusammensetzungen. Die Entwicklung und der Erhalt der komplexen Myelinmembran erfordert die kontinuierliche Kommunikation zwischen Neuronen und Glia-Zellen, die Koordination der Protein- und Lipidsynthese sowie angepasste intrazelluläre Sortier- und Transportwege der Myelinkomponenten. Über die molekularen Mechanismen, die zur Ausbildung des Myelins und seiner Domänen führen, ist bisher nicht sehr viel bekannt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Endo- und Exozytosemechanismen von Myelinproteinen analysiert. Dabei wurden drei Proteine untersucht, die in unterschiedlichen Subdomänen der Myelinmembran des ZNS lokalisiert sind. Das Hauptmyelinprotein Proteolipid Protein (PLP), das Myelin-assoziierte Glykoprotein (MAG) und das Myelin Oligodendrozyten Glykoprotein (MOG). Die Exozytose des Hauptmyelinproteins PLP erfolgt möglicherweise durch sekretorische Lysosomen (Trajkovic et al., 2006) und ist Ca2+-abhängig. Interessanterweise konnte gezeigt werden, dass PLP, MAG und MOG unterschiedlichen endosomalen Transportwegen und Sortierprozessen unterliegen. PLP wird über einen Clathrin-unabhängigen, MAG und MOG hingegen über einen Clathrin-abhängigen Mechanismus endozytiert. Zudem gelangen die Proteine zu unterschiedlichen endosomalen Zielkompartimenten und recyceln zu verschiedenen oligodendroglialen Membrandomänen. Diese Ergebnisse legen nahe, dass die endosomale Sortierung und das Recycling der Myelinproteine, die für die Bildung der Subdomänen erforderliche Umgestaltung der oligodendroglialen Plasmamembran unterstützen.

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.

Untersuchung multimerer Proteinkomplexe mit oberflächenanalytischen und röntgenspektroskopischen Methoden

Zusammenfassung rnrnIn dieser Arbeit wurden Untersuchungen an zwei verschiedenen multimeren Proteinkomplexen durchgeführt: Zum einen am Hämocyanin aus Homarus americanus mittels Röntgen-L-Kantenspektroskopie und zum anderen am α-Toxin aus Staphylococcus aureus, hinsichtlich der Interaktion an speziellen Raft-artigen Membranabschnitten, mittels AFM.rnFür das Hämocyanin aus Homarus americanus konnte ein neuer Aspekt bezüglich der Bindung von Sauerstoff aufgezeigt werden. Ein zuvor nicht in Betracht gezogener und diskutierter Einfluss von Wassermolekülen auf diesen Vorgang konnte mittels der Methode der Röntgen-L-Kantenspektroskopie dargestellt werden. Erstmals war es möglich die beiden verschiedenen Beladungszustände (Oxy-, Deoxy-Zustand) des Hämocyanin mittels dieser Methode in physiologisch ähnlicher Umgebung zu untersuchen. Vergleiche der erhaltenen L-Kanten-Spektren mit denen anorganischer Vergleichslösungen ließen auf eine Interaktion von Wassermolekülen mit den beiden Kupferatomen des aktiven Zentrums schließen. Dadurch wurde erstmals ein möglicher Einfluss des Wassers auf den Oxygenierungsprozess des Hämocyanins auf elektronischer Ebene aufgezeigt. Vergleichende Betrachtungen von Röntgenkristallstrukturen verschiedener Typ-3-Kupferproteine bestätigten, dass auch hier ein Einfluss von Wassermolekülen auf die aktiven Zentren möglich ist. Vorgeschlagen wird dabei, dass an Stelle der Überlappung der 3d-Orbitale des Kupfers mit den 2p-Orbitalen des Sauerstoffs, wie sie im sauerstoffbeladenen Zustand auftritt, im sauerstoffunbeladenen Zustand eine Wechselwirkung der 3d-Orbitale des Kupfers mit den LUMOS der Wassermoleküle möglich wird, und ein Elektronen- bzw. Ladungstransfer von den Kupfern auf die Wassermoleküle erfolgen kann. rnAFM-Untersuchungen hinsichtlich der Interaktion des α-Toxins aus Staphylococcus aureus mit oberflächenunterstützten Modellmembranen wiesen darauf hin, dass eine bevorzugte Anbindung und zumindest teilweise Integration der α-Toxine in Raft-artige Membranbereiche stattfindet. Für verschiedene ternäre Lipidsysteme konnten phasenseparierte Modellmembranen abgebildet und die unterschiedlichen Domänenformen zugeordnet werden. Der Anbindungsprozess der Toxine an diese oberflächenunterstützte Modellmembranen erfolgte dann wahrscheinlich vornehmlich an den speziellen Raft-artigen Domänen, wohingegen die Insertion der Poren vorrangig an den Grenzbereichen zwischen den Domänen auftrat. Mögliche Ursache dafür sind die räumlichen Besonderheiten dieser Grenzflächen. Membranen weisen an den Schnittstellen zwischen zwei Domänenformen eine erhöhte Unordnung auf, was sich u.a. in einer geringeren Packungsdichte der Phospholipide und dem erhöhten Freiheitsgrad ihrer Kopfgruppen bemerkbar macht. Außerdem kommt es auf Grund der Interaktion der beteiligten Membranbestandteile Sphingomyelin und Cholesterol untereinander zu einer speziellen Ausrichtung der Phosphocholin-Kopfgruppen und innerhalb der Raft-artigen Domänen zu einer erhöhten Packungsdichte der Phospholipide. Die in dieser Arbeit präsentierten Ergebnisse unterstützten demnach die in der Literatur postulierte Vermutung der bevorzugten Interaktion und Integration der Toxin-Moleküle mit Raft-artigen Membrandomänen. Die Insertion der Pore erfolgt aber wahrscheinlich bevorzugt an den Grenzbereichen zwischen den auftretenden Domänen.rn

Domain analysis of lipoprotein LppQ in Mycoplasma mycoides subsp. mycoides SC

The lipoprotein LppQ is the most prominent antigen of Mycoplasma mycoides subsp. mycoides small colony type (SC) during infection of cattle. This pathogen causes contagious bovine pleuropneumonia (CBPP), a devastating disease of considerable socio-economic importance in many countries worldwide. The dominant antigenicity and high specificity for M. mycoides subsp. mycoides SC of lipoprotein LppQ have been exploited for serological diagnosis and for epidemiological investigations of CBPP. Scanning electron microscopy and immunogold labelling were used to provide ultrastructural evidence that LppQ is located to the cell membrane at the outer surface of M. mycoides subsp. mycoides SC. The selectivity and specificity of this method were demonstrated through discriminating localization of extracellular (i.e., in the zone of contact with host cells) vs. integral membrane domains of LppQ. Thus, our findings support the suggestion that the accessible N-terminal domain of LppQ is surface exposed and such surface localization may be implicated in the pathogenesis of CBPP.

Role of phosphatidylethanolamine in the function and assembly of phenylalanine-specific permease of Escherichia coli

Transmembrane segments of polytopic membrane proteins once inserted are generally considered stably oriented due to the large free energy barrier for topological reorientation of adjacent extra-membrane domains. However, proper topology and function of the polytopic membrane protein lactose permease (LacY) of Escherichia coli is dependent on the membrane phospholipid composition revealing topological dynamics of transmembrane domains (Bogdanov, M., Heacock, P. N., and Dowhan, W. (2002) EMBO J. 21, 2107–2116). The high affinity phenylalanine permease PheP shares many topological similarities with LacY. In this study, mutant E. coli cells lacking phosphatidylethanolamine (PE) as a membrane component were used to evaluate the role of PE in the function and assembly of PheP. Active transport of phenylalanine by cells lacking PE was severely inhibited (both Vmax and Km were altered), whereas the PheP protein level in membranes was unaffected. Cysteine residues were introduced into predicted periplasmic or cytoplasmic segments of cysteine-less PheP, and the topology of the protein was explored using a membrane-impermeable thiol-specific biotinylated probe. Based on the biotinylation patterns of PheP in whole cells, the N-terminus and adjoining transmembrane hairpin of PheP adopted an inverted topological orientation in PE-lacking cells. Introduction of PE following the assembly of PheP triggered a reorientation of the N-terminus and adjacent hairpin to their native orientation associated with regain of wild type transport function. These results coupled with the results for LacY support a specific role for membrane lipid composition in determining topological organization and function of membrane proteins. Several other secondary symporters are compromised for activity in PE-lacking cells suggesting that lipid-assisted topogenesis is a general property of such transporters. The reversible orientation of these secondary transport proteins in response to a change of phospholipid composition might be a result of inherent conformational flexibility necessary for transport function or during protein assembly. ^

Modulation of Endocytic Traffic in Polarized Madin-Darby Canine Kidney Cells by the Small GTPase RhoA

Efficient postendocytic membrane traffic in polarized epithelial cells is thought to be regulated in part by the actin cytoskeleton. RhoA modulates assemblies of actin in the cell, and it has been shown to regulate pinocytosis and phagocytosis; however, its effects on postendocytic traffic are largely unexplored. To this end, we expressed wild-type RhoA (RhoAWT), dominant active RhoA (RhoAV14), and dominant inactive RhoA (RhoAN19) in Madin-Darby canine kidney (MDCK) cells expressing the polymeric immunoglobulin receptor. RhoAV14 expression stimulated the rate of apical and basolateral endocytosis, whereas RhoAN19 expression decreased the rate from both membrane domains. Polarized basolateral recycling of transferrin was disrupted in RhoAV14-expressing cells as a result of increased ligand release at the apical pole of the cell. Degradation of basolaterally internalized epidermal growth factor was slowed in RhoAV14-expressing cells. Although apical recycling of immunoglobulin A (IgA) was largely unaffected in cells expressing RhoAV14, transcytosis of basolaterally internalized IgA was severely impaired. Morphological and biochemical analyses demonstrated that a large proportion of IgA internalized from the basolateral pole of RhoAV14-expressing cells remained within basolateral early endosomes and was slow to exit these compartments. RhoAN19 and RhoAWT expression had little effect on these postendocytic pathways. These results indicate that in polarized MDCK cells activated RhoA may modulate endocytosis from both membrane domains and postendocytic traffic at the basolateral pole of the cell.