The role of mitochondria in the regulation of gamma rays induced mTOR-dependent senescence

The first aims of this study were to demonstrate if mitochondrial biogenesis and senescence can be induced simultaneously in cell lines upon exposure to a genotoxic stress, and if the presence of mtDNA mutations which impair the functionality of respiratory complexes can influence the ability of a cell to activate senescence. The data obtained on the oncocytic model XTC.UC1 demonstrated that the presence of mitochondrial dysfunction is involved in the maintenance of a senescent phenotype induced by γ-rays treatment. The involvement of mTORC1 in the regulation of senescence has been shown in this cell line. On the other hand, in cells which do not present mitochondrial dysfunction it has been verified that genotoxic stress determines the activation of both mitochondrial biogenesis and senescence. Further studies are necessary in order to verify if mitochondrial biogenesis sustains the activation of senescence. The second aim of this thesis was to determine the involvement of mTORC1 in the regulation of PGC-1α expression, in order to verify what is the cause of the development of oncocytoma in patients affected by two hereditary cancer syndromes; Cowden and Birt-hogg-Dubé . The study of oncocytic tumors developed by patients affected by these syndromes suggested that the double heterozigosity of the two causative genes, PTEN and FLCN respectively, induce the activation of mTORC1 and therefore the activation of PGC-1α expression. On XTC.UC1 cell line, the most suitable in vitro model, experiments of complementation of PTEN and FLCN were conducted. To date, these results demonstrated that mTORC1 is not involved in the regulation of PGC-1α expression, and PTEN and FLCN seem to have opposite effect on PGC-1α expression.

Expression profiling und rationale Expressionsoptimierung am Beispiel eines prokaryontischen Wirt-,Vektor-Systems

Durch globale Expressionsprofil-Analysen auf Transkriptom-, Proteom- oder Metabolom-Ebene können biotechnologische Produktionsprozesse besser verstanden und die Erkenntnisse für die zielgerichtete, rationale Optimierung von Expressionssystemen genutzt werden. In der vorliegenden Arbeit wurde die Überexpression einer Glukose-Dehydrogenase (EC 1.1.5.2), die von der Roche Diagnostics GmbH für die diagnostische Anwendung optimiert worden war, in Escherichia coli untersucht. Die Enzymvariante unterscheidet sich in sieben ihrer 455 Aminosäuren vom Wildtyp-Enzym und wird im sonst isogenen Wirt-/Vektor-System in signifikant geringeren Mengen (Faktor 5) gebildet. Das prokaryontische Expressionssystem wurde auf Proteom-Ebene charakterisiert. Die 2-dimensionale differenzielle Gelelektrophorese (DIGE) wurde zuvor unter statistischen Aspekten untersucht. Unter Berücksichtigung von technischen und biologischen Variationen, falsch-positiven (α-) und falsch-negativen (β-) Fehlern sowie einem daraus abgeleiteten Versuchsdesign konnten Expressionsunterschiede als signifikant quantifiziert werden, wenn sie um den Faktor ≥ 1,4 differierten. Durch eine Hauptkomponenten-Analyse wurde gezeigt, dass die DIGE-Technologie für die Expressionsprofil-Analyse des Modellsystems geeignet ist. Der Expressionsstamm für die Enzymvariante zeichnete sich durch eine höhere Variabilität an Enzymen für den Zuckerabbau und die Nukleinsäure-Synthese aus. Im Expressionssystem für das Wildtyp-Enzym wurde eine unerwartet erhöhte Plasmidkopienzahl nachgewiesen. Als potenzieller Engpass in der Expression der rekombinanten Glukose-Dehydrogenase wurde die Löslichkeitsvermittlung identifiziert. Im Expressionsstamm für das Wildtyp-Enzym wurden viele Proteine für die Biogenese der äußeren Membran verstärkt exprimiert. Als Folge dessen wurde ein sog. envelope stress ausgelöst und die Zellen gingen in die stationäre Wuchsphase über. Die Ergebnisse der Proteomanalyse wurden weiterführend dazu genutzt, die Produktionsleistung für die Enzymvariante zu verbessern. Durch den Austausch des Replikationsursprungs im Expressionsvektor wurde die Plasmidkopienzahl erhöht und die zelluläre Expressionsleistung für die diagnostisch interessantere Enzymvariante um Faktor 7 - 9 gesteigert. Um die Löslichkeitsvermittlung während der Expression zu verbessern, wurde die Plasmidkopienzahl gesenkt und die Coexpression von Chaperonen initiiert. Die Ausbeuten aktiver Glukose-Dehydrogenase wurden durch die Renaturierung inaktiven Produkts aus dem optimierten Expressionssystem insgesamt um einen Faktor von 4,5 erhöht. Somit führte im Rahmen dieser Arbeit eine proteombasierte Expressionsprofil-Analyse zur zielgerichteten, rationalen Expressionsoptimierung eines prokaryontischen Modellsystems.

Pathogenesis of cell toxicity by plant toxins

Ribosome inactivating proteins (RIPs) are a family of plant proteins that depurinate the major rRNA, inhibiting the protein synthesis. RIPs are divided into type 1, single chain proteins with enzymatic activity, and type 2 RIPs (toxic and non-toxic), with the enzymatic chain linked to a binding chain. RIPs have been used alone or as toxic component of immunotoxins for experimental therapy of many diseases. The knowledge of cell death pathway(s) induced by RIPs could be useful for clarifying the mechanisms induced by RIPs and for designing specific immunotherapy. The topic of the current study was (i) the determination of the amino acid sequence of the type 2 RIP stenodactylin. The comparison with other RIPs showed that the A chain is related to other toxic type 2 RIPs. whereas the B chain is more related to the non-toxic type 2 RIPs. This latter result is surprising because stenodactylin is actually the most toxic type 2 RIP known; (ii) the study of the cell death mechanisms induced by stenodactylin in human neuroblastoma cells (NB100). High doses of stenodactylin can activate the effector caspases (perhaps through the DNA damage and/or intrinsic/extrinsic pathways) and also cause ROS generation. Low doses cause a caspase-dependent apoptosis, mainly via extrinsic pathway. Moreover, the activation of caspases precedes the inhibition of protein synthesis; (iii) the investigation of the cell death pathway induced by the non-toxic type 2 RIPs ebulin l and nigrin b. These RIPs demonstrated high enzymatic activity in a cell-free system, but they lack high cytotoxicity. These preliminary studies demonstrate that the cell death mechanism induced by the two non-toxic RIPs is partially caspase-dependent apoptosis, but other mechanisms seem to be involved

Selektiv deblockierbare Diamino-D-Galactose-Scaffolds für die kombinatorische Synthese potentieller RNA-Liganden

Die Aufklärung der Schlüsselrolle der RNA in zahlreichen biologischen Prozessen, die sich aus ihren selektiven Wechselwirkungen mit anderen RNA-Molekülen, Proteinen, Peptiden bzw. Antibiotika ergibt, ist für die Wirkstoffforschung von großer Bedeutung. Die Aminoglycoside und Antibiotika, die durch eine Hemmung der Proteinbiosynthese schon seit längerem bekannt sind, dienen als Leitstrukuren für die Synthese von weiteren Wirkstoffen. Die meisten Aminoglycosid-Antibiotika beinhalten Aminozucker, die mit dem rn2-Desoxystreptamin-Gerüst verbunden sind. Die stereochemische Vielfalt der Substitutionsstellen für Amino- und Hydroxylgruppen in diesem Gerüst und deren beschränkte konformative Flexibilität bieten vielseitige Möglichkeiten, um potenzielle RNA-Liganden so zu gestalten, dass es zu einer spezifischen Erkennung von RNA-Strukturen kommen kann. Ein wichtiger Vertreter dieser Antibiotika, Neomycin B, von dessen Struktur die Entwicklung des Diaminogalactose-Templates abgeleitet wurde, wurde in dieser Arbeit als Leitstruktur gewählt. Die Synthese von Diaminogalactose-Scaffolds wurde zunächst in Lösung durchgeführt. Anschließend wurden die Bausteine 2 und 4 an einen polymeren Träger gebunden.rnNach Prüfung der orthogonalen Stabilität der Schutzgruppen wurde mit den Scaffolds 2 und 4 eine Bibliothek von 65 Verbindungen hergestellt. Mit 42 dieser Verbindungen wurden anschließend Zellassays im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 579 (RNA-Liganden-Wechselwirkungen) durchgeführt, um ihre Cytotoxizität zu prüfen. Für einzelne Verbindungen konnten die optimalen Konzentrationen bestimmt werden, bei denen zukünftige Tests für die Tat/TAR Wechselwirkung ohne störende cytotoxische Effekte durchgeführt werden können.rn

Structural and functional characterization of Group B Streptococcus pilus 2b

Group B Streptococcus (GBS) is a Gram-positive human pathogen representing one of the most common causes of life-threatening bacterial infections such as sepsis and meningitis in neonates. Covalently polymerized pilus-like structures have been discovered in GBS as important virulence factors as well as vaccine candidates. Pili are protein polymers forming long and thin filamentous structures protruding from bacterial cells, mediating adhesion and colonization to host cells. Gram-positive bacteria, including GBS, build pili on their cell surface via a class C sortase-catalyzed transpeptidation mechanism from pilin protein substrates that are the backbone protein forming the pilus shaft and two ancillary proteins. Also the cell-wall anchoring of the pilus polymers made of covalently linked pilin subunits is mediated by a sortase enzyme. GBS expresses three structurally distinct pilus types (type 1, 2a and 2b). Although the mechanisms of assembly and cell wall anchoring of GBS types 1 and 2a pili have been investigated, those of pilus 2b are not understood until now. Pilus 2b is frequently found in ST-17 strains that are mostly associated with meningitis and high mortality rate especially in infants. In this work the assembly mechanism of GBS pilus type 2b has been elucidated by dissecting through genetic, biochemical and structural studies the role of the two pilus-associated sortases. The most significant findings show that pilus 2b assembly appears “non-canonical”, differing significantly from current pilus assembly models in Gram-positive pathogens. Only sortase-C1 is involved in pilin polymerization, while the sortase-C2 does not act as a pilin polymerase, but it is involved in cell-wall pilus anchoring. Our findings provide new insights into pili biogenesis in Gram-positive bacteria. Moreover, the role of this pilus type during host infection has been investigated. By using a mouse model of meningitis we demonstrated that type 2b pilus contributes to pathogenesis of meningitis in vivo.

Charakterisierung und funktionelle Analyse verschiedener Isoformen von Clusterin (Apolipoprotein J)

Clusterin (CLU), auch bekannt unter dem Namen Apolipoprotein J (ApoJ), wird von Zellen als hetreodimeres Glykoprotein exprimiert und in den extrazellulären Raum sezerniert. Es wird daher auch als sezerniertes CLU (sCLU) bezeichnet. Neben sCLU sind auch nicht-sezernierte Isoformen von CLU bekannt, die in der vorliegenden Arbeit erforscht wurden. Ziel dabei war es, die Expression, die Biogenese, sowie die Funktion dieser Proteine zu ergründen. Nicht-sezernierte CLU-Formen werden ausschließlich von Zellen exprimiert, die zuvor einer Stresssituation ausgesetzt wurden. Dies konnte insbesondere durch Kultur verschiedener Zelllinien bei erhöhter Temperatur oder durch Behandlung mit dem Proteasominhibitor MG 132 demonstriert werden, worauf neben sCLU auch 50 kDa bzw. 45 kDa große, nicht-sezernierte CLU-Proteine in geringen Mengen exprimiert wurden. Bezüglich der Biogenese dieser Proteine wurden mehrere Hypothesen bzw. Mechanismen diskutiert und in dieser Arbeit untersucht: alternative Translationsstartpunkte auf verschiedenen mRNAs, alternatives Splicing einzelner mRNAs sowie Retrotranslokation oder Mistranslokation von sCLU-Vorläuferproteinen. Um die Hypothesen eruieren zu können, musste zuerst eine Expressionsanalyse der bekannten CLU-mRNAs durchgeführt werden. Über 5’-RACE, semi-quantitative und quantitative PCRs wurde die Expression von vier CLU-mRNAs sowie deren Induktion auf Zellstress hin festgestellt. Variante 1 (BP211675) ist die dominante CLU-mRNA und macht über 99,5 % an CLU-mRNA in unbehandelten sowie in gestressten Zellen aus. Des Weiteren sind geringste Mengen der mRNA-Varianten 2 und 3 (NR_038335.1 und NR_045494.1) detektiert worden, deren Sequenzen sich lediglich in ihrem alternativen Exon 1 von Variante 1 unterscheiden. Schließlich konnte die Expression von Variante 1 [Δex2] festgestellt werden, welcher durch alternatives Splicing, i.e. Exon-skipping, das Exon 2 mit der ER-Signalsequenz-codierenden Region (SSCR) fehlt. HEK 293-Zellen, die transient mit je einer der rekombinanten CLU-mRNAs in Form rekombinanter cDNA transfiziert wurden, exprimierten neben großen Mengen sCLU auch geringe Mengen an den nicht-sezernierten CLU-Isoformen. Die anschließend durchgeführten in vitro Mutagenesen belegen, dass alle Isoformen ausgehend von distinkten Translationsstartpunkten aus synthetisiert werden. CLU1-449 (50 kDa) wird als prä-Proprotein von sCLU ausgehend von einem Startcodon auf Exon 2 unmittelbar vor der SSCR translatiert. Unter Zellstress-Bedingungen kann es zu einer Mistranslokation während der co-translationalen Translokation kommen, sodass Teile von CLU1-449 im Cytosol akkumulieren. CLU21-449 (50 kDa) wird ausgehend von einem CUG-Startcodon downstream der SSCR über interne Translationsinitiation gebildet. Analoges gilt für CLU34-449 (45 kDa), welches von einem AUG-Startcodon auf Exon 3 translatiert wird. CLU34-449 ist außerdem die einzige CLU-Form die von Variante 1 [Δex2] codiert wird. Somit konnten drei der in der Literatur postulierten Mechanismen zur Ent-stehung nicht-sezernierter CLU-Isoformen in gestressten Zellen verifiziert werden. Die Mistranslokation von sCLU-Vorläuferproteinen, welche entscheidend zum Auftreten der nicht-sezernierten CLU-Formen beiträgt, die Alternative Translationsinitiation an distinkten Startcodons sowie das alternative Splicing von CLU-mRNA-Variante 1. Weiterführende Experimente bestätigten, dass alle nicht-sezernierten CLU-Isoformen im Cytosol der Zellen lokalisiert sind und keine Glykosylierungen tragen. Somit konnte ein weiterer, in der Literatur kontrovers diskutierter Punkt bezüglich dieser Proteine geklärt werden. Abschließend wurde die physiologische Funktion der einzelnen CLU-Isoformen analysiert. Dabei zeigte sich, dass ausschließlich sCLU eine Chaperonaktivität zukommt, die es ermöglicht, durch Hitze denaturierte Zielproteine in Lösung zu halten. Diese Funktion konnte nicht für die cytosolischen Iso¬formen bestätigt werden. Weiterhin konnte keine Auswirkung einzelner CLU-Formen auf die intrinsische Apoptose oder auf den NF κB-vermittelten Signaltransduktionsweg festgestellt werden, obgleich entsprechende Einflüsse von anderen Arbeitsgruppen postuliert wurden. Die hier gemachten Beobachtungen werfen daher die Frage auf, ob den nicht-sezernierten, cytosolischen CLU-Isoformen überhaupt eine physiologische Funktion zukommt und stellen aktuelle Hypothesen bezüglich der Rolle von CLU bei pathophysiologischen Prozessen infrage.

Biochemische Untersuchungen des Lichtsammlerprotein (LHCP) im Komplex mit seinem Chaperon, dem plastidären Signalerkennungspartikel cpSRP

Das Lichtsammlerprotein (light harvesting chlorophyll a/b-binding protein, LHCP) ist das Apoprotein des Haupt-Lichtsammelkomplexes (LHCII) und stellt das häufigste Membranprotein der Erde dar. Nicht nur aufgrund seiner Abundanz, sondern auch wegen seiner speziellen Translokation als stark hydrophobes Membranprotein durch hauptsächlich wässrige Milieus von cytosolischen Ribosomen bis in die Thylakoidmembran der Chloroplasten ist der Biogeneseweg dieses Proteins von besonderem Interesse. LHCP ist kernkodiert und wird nach seinem Import in Chloroplasten als Transitkomplex mit dem stromalen Signalerkennungsprotein (cpSRP) zur Thylakoide geleitet. Der cpSRP-Komplex besteht aus dem cpSRP43 mit Chaperonfunktion für das LHCP sowie dem Co-Chaperon cpSRP54, welches eine entscheidende Rolle in der stromalen Zielführung des Transitkomplexes spielt. Sowohl die Proteinkonformation des LHCP während seiner Biogenese als auch der in vivo Faltungsablauf während der Thylakoidinsertion sind noch völlig unklar. Mithilfe der Elektronen-paramagnetischen Resonanz (EPR-)Spektroskopie sollte in dieser Arbeit der Faltungszustand des LHCP im Transitkomplex mit dem cpSRP oder in Teilkomplexen davon ermittelt werden.rnKopplungen von cpSRP43 und LHCP bestätigten, dass das Chaperon als Minimaleinheit zur quantitativen Solubilisierung des Membranproteins genügt. Gelfiltrationschromatographische (GFC-) Untersuchungen solcher Komplexe wiesen jedoch mit einem apparenten MW von ≥ 600 kDa ein sehr hochmolekulares Laufverhalten auf. Variierende Proteinstöchiometrien im Komplex zeigten in densitometrischen Auswertungen eine undefinierte Aggregation. Zusätze von Agenzien zur Vermeidung unspezifischer Wechselwirkungen wie z.B. Detergentien oder auch Salzzugabe zeigten keinen Einfluss auf die Aggregate. Volllängen-Transitkomplexe dagegen wiesen trotz unterschiedlichem Angebot von Einzelproteinen reproduzierbar definierte Stöchiometrien auf. Diese zeigten eine LHCP:cpSRP43-Stöchiometrie von 1,25. Dennoch hatten diese Komplexe mit einem apparenten MW von > 300 kDa einen mindestens dimeren Assemblierungsgrad. Eine Voraussetzung für eindeutige EPR-spektroskopische Distanzmessungen zwischen definierten Positionen im LHCP ist jedoch dessen monomolekularisiertes Vorliegen im Chaperonkomplex. Die Darstellung von ternären Transitkomplexen mit einem zu erwartenden apparenten MW von ~175 kDa war auch durch Zusatz verschiedener Proteinaggregationshemmer nicht möglich. Transitkomplexe mit einer verkürzten Version des cpSRP54 zeigten schließlich eine definierte 1:1-Komplexstöchiometrie bei gleichzeitiger polydisperser Komplexzusammensetzung. Es konnten ~60% dieser sogenannten 54M-Transitkomplexe nach GFC-Daten und densitometrischer Auswertung als potentiell ternär eingeschätzt werden. Darüber hinaus gelang es solche Ansätze durch GFC-Fraktionierung zusätzlich von oligomerisierten Spezies aufzureinigen. Dennoch zeigten die Präparate vor GFC-Fraktionierung ein (noch) zu hohes Aggregationssignal im Hintergrund und nach Fraktionierung ein zu schwaches Signal, um eine eindeutige Aussage der EPR-Daten zuzulassen. Dennoch bietet dieses ausgearbeitete Komplexbildungsprotoll in Verbindung mit der Verwendung von verkürztem cpSRP54 eine solide Basis, um weitere Versuche zu EPR-Messungen an cpSRP-gebundenem LHCP durchzuführen. rn

Hsp70-Chaperone und ihre Rolle bei der Thylakoidmembranbiogenese im Cyanobakterium Synechocystis sp. PCC 6803

Im Genom des Cyanobakteriums Synechocystis sp. PCC6803 sind vier homologe Hsp70-Proteine kodiert. Im Rahmen dieser Arbeit konnten neue Erkenntnisse über die möglichen Funktionen der einzelnen Mitglieder der Hsp70-Proteinfamilie in dem Modellorganismus gewonnen bzw. bekannte Aufgabenbereiche erweitert werden. Wie für E. coli schon gezeigt, konnte auch für Synechocystis sp. nachgewiesen werden, dass eine Deletion des ribosomassoziierten Chaperons Trigger Factor ohne Beeinträchtigung der Zellviabilität möglich ist. Darüber hinaus war auch eine Doppeldeletion mit dnaK1 durchführbar. Als Auswirkung der Deletion ließ sich in den jeweiligen Deletionsstämmen eine veränderte Expression der homologen Hsp70-Proteine und Trigger Factor nachweisen. Mit Hilfe der Synechocystis sp.-Mutationsstämme ∆dnaK1, ∆dnaK2, ∆dnaK3, ∆tig und ∆dnaK1∆tig wurden Auswirkungen der Deletion bzw. Depletion umfassend dargestellt und daraus hervorgehende putative Funktionen eingehend diskutiert. Die Reduzierung der zellulären DnaK3-Konzentration um etwa 70 % führte im Depletionsstamm ΔdnaK3 zu weitreichenden physiologischen Änderungen hinsichtlich photosynthetischer Prozesse. Zusammen mit einer lichtabhängigen Expression, konnte DnaK3 als essentieller Faktor für die funktionelle Aufrechterhaltung der Thylakoidmembran identifiziert werden. Durch die Analyse des Proteoms und Lipidoms dunkeladaptierter Synechocystis sp.-Zellen konnte im Vergleich zu älteren Studien eine erheblich größere Anzahl von Proteinen detektiert und quantifiziert werden, womit neue Erkenntnisse über die physiologischen Veränderungen unter heterotrophem Wachstum sowie der Thylakoidmembranbiogenese gewonnen werden konnten.

RAB3GAP1 und RAB3GAP2 (RAB3 GTPase-activating Protein 1/2) beeinflussen die Autophagie in C. elegans und humanen Zellen

Die Proteinhomöostase wird in der Zelle von drei Stoffwechselwegen reguliert: den molekularen Chaperonen, dem Ubiquitin-Proteasom-System und dem autophagosomalen Abbauweg. Die (Makro)Autophagie verpackt und transportiert zytosolische Komponenten in Autophagosomen zu den Lysosomen, wo sie abgebaut werden. Eine Störung dieses Abbauwegs wirkt auf die Proteostase.rnIn dieser Dissertation wurde C. elegans als Modellorganismus zur Erforschung von Proteinstabilität genutzt. In einer RNAi-vermittelten Proteostase-Analyse von Chromosom I und ausgewählter zusätzlicher Gene wurde ein Wurmstamm, der ein Luc::GFP-Konstrukt im Muskel exprimiert, genutzt. Dieses Reporterprotein aggregiert unter Hitzestressbedingungen und diese Aggregation kann durch Modulatoren der Proteostase beeinflusst werden. Dabei wurden mögliche neue Faktoren der Proteinhomöostase entdeckt. Durch weitere Experimente bei denen die Aggregation von PolyQ35::YFP im AM140-System, der Paralyse-Phänotyp und die Akkumulation Thioflavin S-gefärbter Aggregate von Aβ42 im CL2006-Wurmstamm und die Effekte auf die Autophagie mittels eines GFP::LGG1-Konstrukt analysiert wurden, konnten rbg-1 und rbg-2 als neue Modulatoren der Proteinhomöostase, insbesondere der Autophagie, identifiziert werden.rnIm Säuger bilden beide Orthologe dieser Gene, RAB3GAP1 und RAB3GAP2 den heterodimeren RAB3GAP-Komplex, der bisher nur bekannt war für die Stimulation der Umwandlung der GTP-gebundenen aktiven Form zur GDP-gebundenen inaktiven Form der RAB GTPase RAB3. In Immunoblot-Analysen und mikroskopischen Darstellungen im Säugersystem konnte gezeigt werden, dass die Effekte auf die Proteostase über den autophagosomalen Abbauweg wirken. RAB3GAP1/2 wirken als positive Stimulatoren, wenn die Lipidierung von LC3-I und der autophagische Flux von LC3-II und p62/SQSTM1 betrachtet werden. Diese Effekte werden aber nicht über die RAB GTPase RAB3 vermittelt. Die Proteine FEZ1 und FEZ2 haben einen antagonistischen Effekt auf die Autophagie und wenn alle vier Komponenten RAB3GAP1, RAB3GAP2, FEZ1 und FEZ2 zusammen herunter- oder hochreguliert werden, heben sich diese Effekte auf. In Co-Immunopräzipitationen und proteomischen Analysen konnte keine direkte Interaktion zwischen dem RAB3GAP-Komplex und FEZ1/2 oder zu anderen Autophagie-Genen nachgewiesen werden.rnHier konnte der RAB3GAP-Komplex funktionell mit Proteostase und Autophagie in C. elegans und Säugerzellen assoziiert werden. Dieser Komplex zeigt Einflüsse auf die autophagosomale Biogenese indem sie die Proteostase und die Bildung von (prä)autophagosomalen Strukturen in C. elegans und die Lipidierung von LC3 und damit den autophagischen Flux der Autophagiesubstrate LC3-II und p62/SQSTM1 in Säugerzellen beeinflusst. Darüber hinaus wirkt RAB3GAP der komplexen Autophagie-Unterdrückung durch FEZ1 und FEZ2 entgegen. Somit konnte gezeigt werden, dass RAB3GAP als neuartiger Faktor auf die autophagosomale Biogenese und somit auf die Proteostase wirkt.rn

Leishmania major promastigote entry of an autophagy-like compartment and amastigote escape from the parasitophorous vacuole

In this thesis, we investigated the interaction of the obligate intracellular parasite Leishmania (L.) major with two phenotypes of human monocyte derived macrophages (hMDMs). Thereby we focused on the development and maturation of the parasitophorous vacuole (PV) and could show that compartment development is dependent on the parasite stage.rnFocusing on the ultrastructure of PVs containing axenic amastigotes, we demonstrated that the parasites are partially located in damaged PVs or in the cytoplasm of the host. Moreover, we visualized multiple amastigotes in a common PV 144 h p.i. in pro-inflammatory hMDM I but not in anti-inflammatory hMDM II indicating different PV development. rnRegarding the promastigote form, we demonstrated a different uptake of viable and apoptotic L. major promastigotes by hMDMs. Viable promastigotes are predominantly taken up via the flagellum tip whereas apoptotic promastigotes enter the cells via the parasite body. Analyzing compartment maturation, we found that 20-30% of the PVs get positive for the early maturation markers PI3P and EEA1 independent of the viability of the parasites and unaffected by the human macrophage type. Subsequently, 25-40% of the parasites acquire the autophagy marker LC3 on their PV, what is independent of the viability of the parasites as well. We quantified this and in hMDM II less LC3-positive compartments formed compared to hMDM I. Analyzing the ultrastructure, we investigated that the compartments consist of a single-membrane PV characteristic for LC3-associated phagocytosis (LAP). Involvement of LAP was confirmed by demonstrating that the protein kinase ULK1 is dispensable for LC3-compartment formation around Leishmania PVs. Visualizing compartment dynamics in real time showed that apoptotic promastigotes are degraded in LC3-positve compartments, whereas viable promastigotes are able to get rid of LC3-protein on their PV suggesting an involvement in parasite development and survival. In this thesis, we established a lentiviral based fluorescent imaging technique that we combined with High-Pressure-Freezing (HPF) and high-resolution 3D electron microscopy. We visualized a promastigote in a LC3-compartment whose ultrastructure showed an opening of the PV to the outside. To identify new LAP markers involved in Leishmania infection, we established an immuno-magnetic isolation protocol for the purification of Leishmania containing compartments.rnIn conclusion, this study suggests that L. major compartment biogenesis and maturation in pro- and anti-inflammatory human macrophages is dependent on the parasite stage and is different between axenic amastigotes, viable promastigotes and apoptotic promastigotes. Understanding the development and maturation of Leishmania parasites in human host cells is important to control and combat the neglected disease leishmaniasis in the future.rn

Lamellar body ultrastructure revisited: high-pressure freezing and cryo-electron microscopy of vitreous sections

Lamellar bodies are the storage sites for lung surfactant within type II alveolar epithelial cells. The structure-function models of lamellar bodies are based on microscopic analyses of chemically fixed tissue. Despite available alternative fixation methods that are less prone to artifacts, such as cryofixation by high-pressure freezing, the nature of the lung, being mostly air filled, makes it difficult to take advantage of these improved methods. In this paper, we propose a new approach and show for the first time the ultrastructure of intracellular lamellar bodies based on cryo-electron microscopy of vitreous sections in the range of nanometer resolution. Thus, unspoiled by chemical fixation, dehydration and contrasting agents, a close to native structure is revealed. Our approach uses perfluorocarbon to substitute the air in the alveoli. Lung tissue was subsequently high-pressure frozen, cryosectioned and observed in a cryo-electron microscope. The lamellar bodies clearly show a tight lamellar morphology. The periodicity of these lamellae was 7.3 nm. Lamellar bifurcations were observed in our cryosections. The technical approach described in this paper allows the examination of the native cellular ultrastructure of the surfactant system under near in vivo conditions, and therefore opens up prospectives for scrutinizing various theories of lamellar body biogenesis, exocytosis and recycling.

RNA interference in mammalian cell systems

In the last decade, few areas of biology have been transformed as thoroughly as RNA molecular biology. Without any doubt, one of the most significant advances has been the discovery of small (20-30 nucleotide) noncoding RNAs that regulate genes and genomes. The effects of small RNAs on gene expression and control are generally inhibitory, and the corresponding regulatory mechanisms are therefore collectively subsumed under the heading of RNA silencing and/or RNA interference. Two primary categories of these small RNAs - short interfering RNAs (siRNAs) and microRNAs (miRNAs) - act in both somatic and germline lineages of eukaryotic species to regulate endogenous genes and to defend the genome from invasive nucleic acids. Recent advances have revealed unexpected diversity in their biogenesis pathways and the regulatory mechanisms that they access. Our understanding of siRNA and miRNA-based regulation has direct implications for fundamental biology as well as disease aetiology and treatment as it is discussed in this review on 'new techniques in molecular biology'.

Structures of SAS-6 suggest its organization in centrioles

Centrioles are cylindrical, ninefold symmetrical structures with peripheral triplet microtubules strictly required to template cilia and flagella. The highly conserved protein SAS-6 constitutes the center of the cartwheel assembly that scaffolds centrioles early in their biogenesis. We determined the x-ray structure of the amino-terminal domain of SAS-6 from zebrafish, and we show that recombinant SAS-6 self-associates in vitro into assemblies that resemble cartwheel centers. Point mutations are consistent with the notion that centriole formation in vivo depends on the interactions that define the self-assemblies observed here. Thus, these interactions are probably essential to the structural organization of cartwheel centers.

The Trypanosoma brucei MitoCarta and its regulation and splicing pattern during development

It has long been known that trypanosomes regulate mitochondrial biogenesis during the life cycle of the parasite; however, the mitochondrial protein inventory (MitoCarta) and its regulation remain unknown. We present a novel computational method for genome-wide prediction of mitochondrial proteins using a support vector machine-based classifier with approximately 90% prediction accuracy. Using this method, we predicted the mitochondrial localization of 468 proteins with high confidence and have experimentally verified the localization of a subset of these proteins. We then applied a recently developed parallel sequencing technology to determine the expression profiles and the splicing patterns of a total of 1065 predicted MitoCarta transcripts during the development of the parasite, and showed that 435 of the transcripts significantly changed their expressions while 630 remain unchanged in any of the three life stages analyzed. Furthermore, we identified 298 alternatively splicing events, a small subset of which could lead to dual localization of the corresponding proteins.

Guidelines for the use and interpretation of assays for monitoring autophagy

In 2008 we published the first set of guidelines for standardizing research in autophagy. Since then, research on this topic has continued to accelerate, and many new scientists have entered the field. Our knowledge base and relevant new technologies have also been expanding. Accordingly, it is important to update these guidelines for monitoring autophagy in different organisms. Various reviews have described the range of assays that have been used for this purpose. Nevertheless, there continues to be confusion regarding acceptable methods to measure autophagy, especially in multicellular eukaryotes. A key point that needs to be emphasized is that there is a difference between measurements that monitor the numbers or volume of autophagic elements (e.g., autophagosomes or autolysosomes) at any stage of the autophagic process vs. those that measure flux through the autophagy pathway (i.e., the complete process); thus, a block in macroautophagy that results in autophagosome accumulation needs to be differentiated from stimuli that result in increased autophagic activity, defined as increased autophagy induction coupled with increased delivery to, and degradation within, lysosomes (in most higher eukaryotes and some protists such as Dictyostelium) or the vacuole (in plants and fungi). In other words, it is especially important that investigators new to the field understand that the appearance of more autophagosomes does not necessarily equate with more autophagy. In fact, in many cases, autophagosomes accumulate because of a block in trafficking to lysosomes without a concomitant change in autophagosome biogenesis, whereas an increase in autolysosomes may reflect a reduction in degradative activity. Here, we present a set of guidelines for the selection and interpretation of methods for use by investigators who aim to examine macroautophagy and related processes, as well as for reviewers who need to provide realistic and reasonable critiques of papers that are focused on these processes. These guidelines are not meant to be a formulaic set of rules, because the appropriate assays depend in part on the question being asked and the system being used. In addition, we emphasize that no individual assay is guaranteed to be the most appropriate one in every situation, and we strongly recommend the use of multiple assays to monitor autophagy. In these guidelines, we consider these various methods of assessing autophagy and what information can, or cannot, be obtained from them. Finally, by discussing the merits and limits of particular autophagy assays, we hope to encourage technical innovation in the field.