Characterization of polycystin-1 in ADPKD pathogenetic mechanism : biogenesis and functional implications by genetic approaches in mouse

La polykystose rénale autosomique dominante (ADPKD) est une des maladies génétiques les plus communes. ADPKD se manifeste le plus souvent au stade adulte par la présence de kystes rénaux, et bien souvent de kystes hépatiques, avec une progression très variable. ADPKD mène à une insuffisance rénale: les seuls recours sont la dialyse puis la transplantation rénale. Les mutations dispersées sur les gènes PKD1 (majoritairement; la protéine polycystine-1, PC1) et PKD2 (la protéine polycystine-2, PC2) sont responsables de l’ADPKD. Le mécanisme pathogénétique de perte de fonction (LOF) et donc d’un effet récessif cellulaire est évoqué comme causatif de l’ADPKD. LOF est en effet supporté par les modèles murins d’inactivation de gènes PKD1/PKD2, qui développent de kystes, quoique in utéro et avec une rapidité impressionnante dans les reins mais pas dans le foie. Malgré de nombreuses études in vitro, le rôle de PC1/PC2 membranaire/ciliaire reste plutôt hypothétique et contexte-dépendant. Ces études ont associé PC1/PC2 à une panoplie de voies de signalisation et ont souligné une complexité structurelle et fonctionnelle exceptionnelle, dont l’implication a été testée notamment chez les modèles de LOF. Toutefois, les observations patho-cellulaires chez l’humain dont une expression soutenue, voire augmentée, de PKD1/PC1 et l’absence de phénotypes extrarénaux particuliers remet en question l’exclusivité du mécanisme de LOF. Il était donc primordial 1) d’éclaircir le mécanisme pathogénétique, 2) de générer des outils in vivo authentiques d’ADPKD en terme d’initiation et de progression de la maladie et 3) de mieux connaitre les fonctions des PC1/PC2 indispensables pour une translation clinique adéquate. Cette thèse aborde tous ces points. Tout d’abord, nous avons démontré qu’une augmentation de PKD1 endogène sauvage, tout comme chez l’humain, est pathogénétique en générant et caractérisant en détail un modèle murin transgénique de Pkd1 (Pkd1TAG). Ce modèle reproduit non seulement les caractéristiques humaines rénales, associées aux défauts du cil primaire, mais aussi extrarénales comme les kystes hépatiques. La sévérité du phénotype corrèle avec le niveau d’expression de Pkd1 ce qui supporte fortement un modèle de dosage. Dans un deuxième temps, nous avons démontré par les études de complémentations génétiques que ces deux organes reposent sur une balance du clivage GPS de Pc1, une modification post-traductionelle typique des aGPCR, et dont l’activité et l’abondance semblent strictement contrôlées. De plus, nous avons caractérisé extensivement la biogénèse de Pc1 et de ses dérivés in vivo générés suite au clivage GPS. Nous avons identifié une toute nouvelle forme et prédominante à la membrane, la forme Pc1deN, en plus de confirmer deux fragments N- et C-terminal de Pc1 (NTF et CTF, respectivement) qui eux s’associent de manière non-covalente. Nous avons démontré de façon importante que le trafic de Pc1deN i.e., une forme NTF détachée du CTF, est toutefois dépendant de l’intégrité du fragment CTF in vivo. Par la suite, nous avons généré un premier modèle humanisant une mutation PKD1 non-sens tronquée au niveau du domaine NTF(E3043X) en la reproduisant chez une souris transgénique (Pkd1extra). Structurellement, cette mutation, qui mimique la forme Pc1deN, s’est également avérée causative de PKD. Le modèle Pkd1extra a permis entre autre de postuler l’existence d’une cross-interaction entre différentes formes de Pc1. De plus, nos deux modèles murins sont tous les deux associés à des niveaux altérés de c-Myc et Pc2, et soutiennent une implication réelle de ces derniers dans l’ADPKD tou comme une interaction fonctionnelle entre les polycystines. Finalement, nous avons démontré un chevauchement significatif entre l’ADPKD et le dommage rénal aigüe (ischémie/AKI) dont une expression augmentée de Pc1 et Pc2 mais aussi une stimulation de plusieurs facteurs cystogéniques tel que la tubérine, la β-caténine et l’oncogène c-Myc. Nos études ont donc apporté des évidences cruciales sur la contribution du gène dosage dans l’ADPKD. Nous avons développé deux modèles murins qui serviront d’outil pour l’analyse de la pathologie humaine ainsi que pour la validation préclinique ADPKD. L’identification d’une nouvelle forme de Pc1 ajoute un niveau de complexité supplémentaire expliquant en partie une capacité de régulation de plusieurs voies de signalisation par Pc1. Nos résultats nous amènent à proposer de nouvelles approches thérapeutiques: d’une part, le ciblage de CTF i.e., de style chaperonne, et d’autre part le ciblage de modulateurs intracellulaires (c-Myc, Pc2, Hif1α). Ensemble, nos travaux sont d’une importance primordiale du point de vue informatif et pratique pour un avancement vers une thérapie contre l’ADPKD. Le partage de voies communes entre AKI et ADPKD ouvre la voie aux approches thérapeutiques parallèles pour un traitement assurément beaucoup plus rapide.

Rôles des protéines d’échafaudage Gab dans la signalisation et l’angiogenèse médiées par le VEGF

La protéine d’échafaudage Gab1 amplifie la signalisation de plusieurs récepteurs à fonction tyrosine kinase (RTK). Entre autres, elle promeut la signalisation du VEGFR2, un RTK essentiel à la médiation de l’angiogenèse via le VEGF dans les cellules endothéliales. En réponse au VEGF, Gab1 est phosphorylé sur tyrosine, ce qui résulte en la formation d’un complexe de protéines de signalisation impliqué dans le remodelage du cytosquelette d’actine et la migration des cellules endothéliales. Gab1 est un modulateur essentiel de l’angiogenèse in vitro et in vivo. Toutefois, malgré l’importance de Gab1 dans les cellules endothéliales, les mécanismes moléculaires impliqués dans la médiation de ses fonctions, demeurent mal définis et la participation du second membre de la famille, Gab2, reste inconnue. Dans un premier temps, nous avons démontré que tout comme Gab1, Gab2 est phosphorylé sur tyrosine, qu’il s’associe de façon similaire avec des protéines de signalisation et qu’il médie la migration des cellules endothéliales en réponse au VEGF. Cependant, contrairement à Gab1, Gab2 n’interagit pas avec le VEGFR2 et n’est pas essentiel pour l’activation d’Akt et la promotion de la survie cellulaire. En fait, nous avons constaté que l’expression de Gab2 atténue l’expression de Gab1 et l’activation de la signalisation médiée par le VEGF. Ainsi, Gab2 semble agir plutôt comme un régulateur négatif des signaux pro-angiogéniques induits par Gab1. La migration cellulaire est une des étapes cruciales de l’angiogenèse. Nous avons démontré que Gab1 médie l’activation de la GTPase Rac1 via la formation et la localisation d’un complexe protéique incluant la GEF VAV2, la p120Caténine et la Cortactine aux lamellipodes des cellules endothéliales en réponse au VEGF. De plus, nous montrons que l’assemblage de ce complexe corrèle avec la capacité du VEGF à induire l’invasion des cellules endothéliales et le bourgeonnement de capillaires, deux phénomènes essentiels au processus angiogénique. La régulation des RhoGTPases est également régulée par des inactivateurs spécifiques les « Rho GTPases activating proteins », ou GAPs. Nous décrivons ici pour la première fois le rôle de la GAP CdGAP dans les cellules endothéliales et démontrons son importance dans la médiation de la signalisation du VEGF via la phosphorylation sur tyrosine de Gab1 et l’activation des RhoGTPases Rac1 et Cdc42. Ainsi, dù à son importance sur l’activation de voies de signalisation du VEGF, CdGAP représente un régulateur crucial de la promotion de diverses activités biologiques essentielles à l’angiogenèse telles que la migration cellulaire, et le bourgeonnement de capillaires in vitro et d’aortes de souris ex vivo. De plus, les embryons de souris CdGAP KO présentent des hémorragies et de l’œdème, et ces défauts vasculaires pourraient être responsables de la mortalité de 44% des souris CdGAP knock-out attendues. Nos études amènent donc une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires induits par le VEGF et démontrent l’implication centrale de Gab1 et des régulateurs des RhoGTPases dans la promotion de l’angiogenèse. Cette meilleure compréhension pourrait mener à l’identification de nouvelles cibles ou approches thérapeutiques afin d’améliorer le traitement des patients souffrant de maladies associées à une néovascularisation incontrôlée telles que le cancer.

New insights into small molecules inhibitors and protein-protein interactions of VirB8 : a critical conserved component of the type IV secretion system.

Les systèmes bactériens de sécrétion de type IV (T4SS) sont constitués d’un ensemble de 8 à 12 protéines conservées. Ces dernières sont utilisées lors de la translocation de protéines, la translocation de complexes ADN-protéines mais aussi pour le transport de ces derniers au travers de la membrane cellulaire. Les T4SS, en tant que facteurs de virulence pour beaucoup de pathogènes comme Brucella suis, sont donc d’excellents modèles cibles pour le développement de médicaments d’antivirulence. Ces médicaments, en privant le pathogène de son facteur essentiel de virulence : le T4SS, constituent une alternative ou encore une amélioration des traitements antibiotiques utilisés actuellement. VirB8, un facteur d’assemblage conservé dans le T4SS, forme des dimères qui sont importants pour la fonction des T4SS dans ces pathogènes. De par ses interactions multiples, VirB8 est un excellent modèle pour l’analyse des facteurs d’assemblage mais aussi en tant que cible de médicaments qui empêcheraient son interaction avec d’autres protéines et qui, in fine, désarmeraient les bactéries en les privant de leur fonctions essentielles de virulence. À ce jour, nous savons qu’il existe un équilibre monomère-dimère et un processus d’homodimerization de VirB8 dont l’importance est vitale pour la fonctionnement biologique des T4SSs. En se basant sur des essais quantitatifs d’interaction, nous avons identifié (i) des sites potentiels d’interaction avec d’autres protéines VirB du T4SS mais aussi (ii) isolé des petites molécules inhibitrices afin de tester la fonction protéique de VirB8. Afin de déterminer les acides aminés importants pour l’hétérodimérization de VirB8 avec VirB10, nous avons effectué des expériences de mutagenèse aléatoire, de phage display et d’arrimage moléculaire in silico. Ces expériences ont démontré l’importance de trois acides aminés localisés sur le feuillet β : R160, S162, T164 et I165. Ces derniers seraient importants pour l’association de VirB8 avec VirB10 étant donné que leur mutagenèse entraine une diminution de la formation du complexe VirB8-VirB10. L’objectif actuel de notre projet de recherche est de pouvoir mieux comprendre mais aussi d’évaluer le rôle de VirB8 dans l’assemblage du T4SS. Grace à un méthode de criblage adaptée à partir de la structure de VirB8, nous avons pu identifié une petite molécule inhibitrice BAR-068, qui aurait un rôle prometteur dans l’inhibition du T4SS. Nous avons utilisé la spectroscopie par fluorescence, l’essai à deux hybrides, le cross-linking et la cristallographie afin de déterminer le mécanisme d'interaction existant entre VirB8 et BAR-068. Ces travaux pourraient permettre de nombreuses avancées, notamment en termes de compréhension des mécanismes d’inhibition du T4SS. Notre objectif ultime est de pouvoir caractériser la séquence d’évènements essentiels à l’assemblage et au fonctionnement du T4SS. De manière globale, notre projet de recherche permettrait de révéler les grands principes d’assemblage des protéines membranaires, les processus de sécrétion de protéines chez les bactéries mais aussi de proposer une nouvelle stratégie lors du développement de drogues antimicrobiennes.

Stem cells from umbilical cord blood do have myogenic potential, with and without differentiation induction in vitro

The dystrophin gene, located at Xp21, codifies dystrophin, which is part of a protein complex responsible for the membrane stability of muscle cells. Its absence on muscle causes Duchenne Muscular Dystrophy (DMD), a severe disorder, while a defect of muscle dystrophin causes Becker Muscular Dystrophy (DMB), a milder disease. The replacement of the defective muscle through stem cells transplantation is a possible future treatment for these patients. Our objective was to analyze the potential of CD34+ stem cells from umbilical cord blood to differentiate in muscle cells and express dystrophin, in vitro. Protein expression was analyzed by Immunofluorescence, Western Blotting (WB) and Reverse Transcriptase – Polymerase Chain Reaction (RT-PCR). CD34+ stem cells and myoblasts from a DMD affected patient started to fuse with muscle cells immediately after co-cultures establishment. Differentiation in mature myotubes was observed after 15 days and dystrophin-positive regions were detected through Immunofluorescence analysis. However, WB or RT-PCR analysis did not detect the presence of normal dystrophin in co-cultures of CD34+ and DMD or DMB affected patients' muscle cells. In contrast, some CD34+ stem cells differentiated in dystrophin producers' muscle cells, what was observed by WB, reinforcing that this progenitor cell has the potential to originate muscle dystrophin in vitro, and not just in vivo like reported before.

Transcriptional regulation of human mu-opioid receptor gene: functional characterization of activating and inhibitory transcription factors

The organization of the nervous and immune systems is characterized by obvious differences and striking parallels. Both systems need to relay information across very short and very long distances. The nervous system communicates over both long and short ranges primarily by means of more or less hardwired intercellular connections, consisting of axons, dendrites, and synapses. Longrange communication in the immune system occurs mainly via the ordered and guided migration of immune cells and systemically acting soluble factors such as antibodies, cytokines, and chemokines. Its short-range communication either is mediated by locally acting soluble factors or transpires during direct cell–cell contact across specialized areas called “immunological synapses” (Kirschensteiner et al., 2003). These parallels in intercellular communication are complemented by a complex array of factors that induce cell growth and differentiation: these factors in the immune system are called cytokines; in the nervous system, they are called neurotrophic factors. Neither the cytokines nor the neurotrophic factors appear to be completely exclusive to either system (Neumann et al., 2002). In particular, mounting evidence indicates that some of the most potent members of the neurotrophin family, for example, nerve growth factor (NGF) and brainderived neurotrophic factor (BDNF), act on or are produced by immune cells (Kerschensteiner et al., 1999) There are, however, other neurotrophic factors, for example the insulin-like growth factor-1 (IGF-1), that can behave similarly (Kermer et al., 2000). These factors may allow the two systems to “cross-talk” and eventually may provide a molecular explanation for the reports that inflammation after central nervous system (CNS) injury has beneficial effects (Moalem et al., 1999). In order to shed some more light on such a cross-talk, therefore, transcription factors modulating mu-opioid receptor (MOPr) expression in neurons and immune cells are here investigated. More precisely, I focused my attention on IGF-I modulation of MOPr in neurons and T-cell receptor induction of MOPr expression in T-lymphocytes. Three different opioid receptors [mu (MOPr), delta (DOPr), and kappa (KOPr)] belonging to the G-protein coupled receptor super-family have been cloned. They are activated by structurallyrelated exogenous opioids or endogenous opioid peptides, and contribute to the regulation of several functions including pain transmission, respiration, cardiac and gastrointestinal functions, and immune response (Zollner and Stein 2007). MOPr is expressed mainly in the central nervous system where it regulates morphine-induced analgesia, tolerance and dependence (Mayer and Hollt 2006). Recently, induction of MOPr expression in different immune cells induced by cytokines has been reported (Kraus et al., 2001; Kraus et al., 2003). The human mu-opioid receptor gene (OPRM1) promoter is of the TATA-less type and has clusters of potential binding sites for different transcription factors (Law et al. 2004). Several studies, primarily focused on the upstream region of the OPRM1 promoter, have investigated transcriptional regulation of MOPr expression. Presently, however, it is still not completely clear how positive and negative transcription regulators cooperatively coordinate cellor tissue-specific transcription of the OPRM1 gene, and how specific growth factors influence its expression. IGF-I and its receptors are widely distributed throughout the nervous system during development, and their involvement in neurogenesis has been extensively investigated (Arsenijevic et al. 1998; van Golen and Feldman 2000). As previously mentioned, such neurotrophic factors can be also produced and/or act on immune cells (Kerschenseteiner et al., 2003). Most of the physiologic effects of IGF-I are mediated by the type I IGF surface receptor which, after ligand binding-induced autophosphorylation, associates with specific adaptor proteins and activates different second messengers (Bondy and Cheng 2004). These include: phosphatidylinositol 3-kinase, mitogen-activated protein kinase (Vincent and Feldman 2002; Di Toro et al. 2005) and members of the Janus kinase (JAK)/STAT3 signalling pathway (Zong et al. 2000; Yadav et al. 2005). REST plays a complex role in neuronal cells by differentially repressing target gene expression (Lunyak et al. 2004; Coulson 2005; Ballas and Mandel 2005). REST expression decreases during neurogenesis, but has been detected in the adult rat brain (Palm et al. 1998) and is up-regulated in response to global ischemia (Calderone et al. 2003) and induction of epilepsy (Spencer et al. 2006). Thus, the REST concentration seems to influence its function and the expression of neuronal genes, and may have different effects in embryonic and differentiated neurons (Su et al. 2004; Sun et al. 2005). In a previous study, REST was elevated during the early stages of neural induction by IGF-I in neuroblastoma cells. REST may contribute to the down-regulation of genes not yet required by the differentiation program, but its expression decreases after five days of treatment to allow for the acquisition of neural phenotypes. Di Toro et al. proposed a model in which the extent of neurite outgrowth in differentiating neuroblastoma cells was affected by the disappearance of REST (Di Toro et al. 2005). The human mu-opioid receptor gene (OPRM1) promoter contains a DNA sequence binding the repressor element 1 silencing transcription factor (REST) that is implicated in transcriptional repression. Therefore, in the fist part of this thesis, I investigated whether insulin-like growth factor I (IGF-I), which affects various aspects of neuronal induction and maturation, regulates OPRM1 transcription in neuronal cells in the context of the potential influence of REST. A series of OPRM1-luciferase promoter/reporter constructs were transfected into two neuronal cell models, neuroblastoma-derived SH-SY5Y cells and PC12 cells. In the former, endogenous levels of human mu-opioid receptor (hMOPr) mRNA were evaluated by real-time PCR. IGF-I upregulated OPRM1 transcription in: PC12 cells lacking REST, in SH-SY5Y cells transfected with constructs deficient in the REST DNA binding element, or when REST was down-regulated in retinoic acid-differentiated cells. IGF-I activates the signal transducer and activator of transcription-3 (STAT3) signaling pathway and this transcription factor, binding to the STAT1/3 DNA element located in the promoter, increases OPRM1 transcription. T-cell receptor (TCR) recognizes peptide antigens displayed in the context of the major histocompatibility complex (MHC) and gives rise to a potent as well as branched intracellular signalling that convert naïve T-cells in mature effectors, thus significantly contributing to the genesis of a specific immune response. In the second part of my work I exposed wild type Jurkat CD4+ T-cells to a mixture of CD3 and CD28 antigens in order to fully activate TCR and study whether its signalling influence OPRM1 expression. Results were that TCR engagement determined a significant induction of OPRM1 expression through the activation of transcription factors AP-1, NF-kB and NFAT. Eventually, I investigated MOPr turnover once it has been expressed on T-cells outer membrane. It turned out that DAMGO induced MOPr internalisation and recycling, whereas morphine did not. Overall, from the data collected in this thesis we can conclude that that a reduction in REST is a critical switch enabling IGF-I to up-regulate human MOPr, helping these findings clarify how human MOPr expression is regulated in neuronal cells, and that TCR engagement up-regulates OPRM1 transcription in T-cells. My results that neurotrophic factors a and TCR engagement, as well as it is reported for cytokines, seem to up-regulate OPRM1 in both neurons and immune cells suggest an important role for MOPr as a molecular bridge between neurons and immune cells; therefore, MOPr could play a key role in the cross-talk between immune system and nervous system and in particular in the balance between pro-inflammatory and pro-nociceptive stimuli and analgesic and neuroprotective effects.

Zeitaufgelöste Messung der Faltung und Pigmentbindung des Lichtsammlerproteins LHCIIb anhand verschiedener spektroskopischer Monitore

Über die Biogenese des Lichtsammelkomplexes des Photosystems II höherer Pflanzen (LHCII) in der Thylakoidmembran der Chloroplasten existieren wenige Daten. Deswegen soll die Aufklärung des Faltungsmechanismus in vitro anhand von zeitaufgelösten Messungen der Rückfaltung des Komplexes Rückschlüsse auf die Situation in vivo ermöglichen.Zur Beobachtung der Rückfaltung wurden Methoden der Fluoreszenz- und CD-Spektroskopie verwendet. Die Pigmentbindung und die Ausbildung von α-helikaler Sekundärstruktur erfolgt in einem schnelleren und einem langsameren apparenten Schritt (Sekunden und Minuten); beide Vorgänge sind eng gekoppelt und limitiert durch die Bindung der Carotinoide. In der schnelleren Phase ist die Bindung von Chl a und Lutein ausreichend für die Zunahme an α-helikaler Struktur. Ein thermodynamisch stabiler Komplex erfordert die Bindung von Chl b und Carotinoiden. In der schnellen Phase bindet Chl a vor Chl b und Lutein mindestens so schnell wie Chl b; beide Pigmente limitieren die Bindung von Chl b. Chl b ist notwendig für die Ereignisse der langsameren Phase.Bzgl. der Situation in vivo deuten die Daten auf (1) eine aktive Rolle der Pigmentbindung für die Membraninsertion des Proteins, (2) einen Schutz vor Photooxidation der Chlorophylle durch die obligatorische Carotinoidbindung und (3) die Möglichkeit der Umsetzung von LHCII-gebundem Chl a zu Chl b.

Untersuchung der Struktur und Assemblierung des Lichtsammelkomplexes II höherer Pflanzen mittels elektronenparamagnetischer Resonanz (EPR)

Der Haupt-Lichtsammelkomplex (LHCII) des Photosyntheseapparates höherer Pflanzen gehört zu den häufigsten Membranproteinen der Erde. Seine Kristallstruktur ist bekannt. Das Apoprotein kann rekombinant in Escherichia coli überexprimiert und somit molekularbiologisch vielfältig verändert werden. In Detergenzlösung besitzt das denaturierte Protein die erstaunliche Fähigkeit, sich spontan zu funktionalen Protein-Pigment-Komplexen zu organisieren, welche strukturell nahezu identisch sind mit nativem LHCII. Der Faltungsprozess findet in vitro im Zeitbereich von Sekunden bis Minuten statt und ist abhängig von der Bindung der Cofaktoren Chlorophyll a und b sowie verschiedenen Carotinoiden.rn Diese Eigenschaften machen LHCII besonders geeignet für Strukturuntersuchungen mittels der elektronenparamagnetischen Resonanz (EPR)-Spektrokopie. Diese setzt eine punktspezifische Spinmarkierung des LHCII voraus, die in dieser Arbeit zunächst optimiert wurde. Einschließlich der Beiträge Anderer stand eine breite Auswahl von über 40 spinmarkierten Mutanten des LHCII bereit, einen N-terminalen „Cys walk“ eingeschlossen. Weder der hierfür notwendige Austausch einzelner Aminosäuren noch die Anknüpfung des Spinmarkers beeinträchtigten die Funktion des LHCII. Zudem konnte ein Protokoll zur Präparation heterogen spinmarkierter LHCII-Trimere entwickelt werden, also von Trimeren, die jeweils nur ein Monomer mit einer Spinmarkierung enthalten.rn Spinmarkierte Proben des Detergenz-solubilisierten LHCII wurden unter Verwendung verschiedener EPR-Techniken strukturell analysiert. Als besonders aussagekräftig erwies sich die Messung der Wasserzugänglichkeit einzelner Aminosäurepositionen anhand der Electron Spin Echo Envelope Modulation (ESEEM). In Kombination mit der etablierten Double Electron-Electron Resonance (DEER)-Technik zur Detektion von Abständen zwischen zwei Spinmarkern wurde der membranständige Kernbereich des LHCII in Lösung eingehend untersucht und strukturell der Kristallstruktur für sehr ähnlich befunden. Die Vermessung kristallographisch nicht erfasster Bereiche nahe dem N-Terminus offenbarte die schon früher detektierte Strukturdynamik der Domäne in Abhängigkeit des Oligomerisierungsgrades. Der neue, noch zu vervollständigende Datensatz aus Abstandsverteilungen und ESEEM-Wasserzugänglichkeiten monomerer wie trimerer Proben sollte in naher Zukunft die sehr genaue Modellierung der N-terminalen Domäne des LHCII ermöglichen.rn In einem weiteren Abschnitt der Arbeit wurde die Faltung des LHCII-Apoproteins bei der LHCII-Assemblierung in vitro untersucht. Vorausgegangene fluoreszenzspektroskopi-sche Arbeiten hatten gezeigt, dass die Bindung von Chlorophyll a und b in aufeinanderfolgenden Schritten im Zeitbereich von weniger als einer Minute bzw. mehreren Minuten erfolgten. Sowohl die Wasserzugänglichkeit einzelner Aminosäurepositionen als auch Spin-Spin-Abstände änderten sich in ähnlichen Zeitbereichen. Die Daten deuten darauf hin, dass die Ausbildung der mittleren Transmembran-Helix mit der schnelleren Chlorophyll-a-Bindung einhergeht, während sich die Superhelix aus den beiden anderen Transmembranhelices erst im langsameren Schritt, zusammen mit der Chlorophyll-b-Bindung, ausbildet.rn

Direct electron transfer to cytochrome c oxidase investigated by electrochemistry and time-resolved surface-enhanced infrared absorption spectroscopy

Cytochrom c Oxidase (CcO), der Komplex IV der Atmungskette, ist eine der Häm-Kupfer enthaltenden Oxidasen und hat eine wichtige Funktion im Zellmetabolismus. Das Enzym enthält vier prosthetische Gruppen und befindet sich in der inneren Membran von Mitochondrien und in der Zellmembran einiger aerober Bakterien. Die CcO katalysiert den Elektronentransfer (ET) von Cytochrom c zu O2, wobei die eigentliche Reaktion am binuklearen Zentrum (CuB-Häm a3) erfolgt. Bei der Reduktion von O2 zu zwei H2O werden vier Protonen verbraucht. Zudem werden vier Protonen über die Membran transportiert, wodurch eine elektrochemische Potentialdifferenz dieser Ionen zwischen Matrix und Intermembranphase entsteht. Trotz ihrer Wichtigkeit sind Membranproteine wie die CcO noch wenig untersucht, weshalb auch der Mechanismus der Atmungskette noch nicht vollständig aufgeklärt ist. Das Ziel dieser Arbeit ist, einen Beitrag zum Verständnis der Funktion der CcO zu leisten. Hierzu wurde die CcO aus Rhodobacter sphaeroides über einen His-Anker, der am C-Terminus der Untereinheit II angebracht wurde, an eine funktionalisierte Metallelektrode in definierter Orientierung gebunden. Der erste Elektronenakzeptor, das CuA, liegt dabei am nächsten zur Metalloberfläche. Dann wurde eine Doppelschicht aus Lipiden insitu zwischen die gebundenen Proteine eingefügt, was zur sog. proteingebundenen Lipid-Doppelschicht Membran (ptBLM) führt. Dabei musste die optimale Oberflächenkonzentration der gebundenen Proteine herausgefunden werden. Elektrochemische Impedanzspektroskopie(EIS), Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie (SPR) und zyklische Voltammetrie (CV) wurden angewandt um die Aktivität der CcO als Funktion der Packungsdichte zu charakterisieren. Der Hauptteil der Arbeit betrifft die Untersuchung des direkten ET zur CcO unter anaeroben Bedingungen. Die Kombination aus zeitaufgelöster oberflächenverstärkter Infrarot-Absorptionsspektroskopie (tr-SEIRAS) und Elektrochemie hat sich dafür als besonders geeignet erwiesen. In einer ersten Studie wurde der ET mit Hilfe von fast scan CV untersucht, wobei CVs von nicht-aktivierter sowie aktivierter CcO mit verschiedenen Vorschubgeschwindigkeiten gemessen wurden. Die aktivierte Form wurde nach dem katalytischen Umsatz des Proteins in Anwesenheit von O2 erhalten. Ein vier-ET-modell wurde entwickelt um die CVs zu analysieren. Die Methode erlaubt zwischen dem Mechanismus des sequentiellen und des unabhängigen ET zu den vier Zentren CuA, Häm a, Häm a3 und CuB zu unterscheiden. Zudem lassen sich die Standardredoxpotentiale und die kinetischen Koeffizienten des ET bestimmen. In einer zweiten Studie wurde tr-SEIRAS im step scan Modus angewandt. Dafür wurden Rechteckpulse an die CcO angelegt und SEIRAS im ART-Modus verwendet um Spektren bei definierten Zeitscheiben aufzunehmen. Aus diesen Spektren wurden einzelne Banden isoliert, die Veränderungen von Vibrationsmoden der Aminosäuren und Peptidgruppen in Abhängigkeit des Redoxzustands der Zentren zeigen. Aufgrund von Zuordnungen aus der Literatur, die durch potentiometrische Titration der CcO ermittelt wurden, konnten die Banden versuchsweise den Redoxzentren zugeordnet werden. Die Bandenflächen gegen die Zeit aufgetragen geben dann die Redox-Kinetik der Zentren wieder und wurden wiederum mit dem vier-ET-Modell ausgewertet. Die Ergebnisse beider Studien erlauben die Schlussfolgerung, dass der ET zur CcO in einer ptBLM mit größter Wahrscheinlichkeit dem sequentiellen Mechanismus folgt, was dem natürlichen ET von Cytochrom c zur CcO entspricht.

Structural analysis of the major lightharvesting complex II by electron paramagnetic resonance (EPR) : comparison between monomers and trimers

Der Haupt-Lichtsammenkomplex II (LHCII) höherer Pflanzen ist das häufigsternMembranprotein der Welt und in die chloroplastidäre Thylakoidmembran integriert. DerrnLHCII kann als Modellsystem genutzt werden, um die Funktionsweise vonrnMembranproteinen besser zu verstehen, da 96 % seiner Struktur kristallografisch aufgelöstrnist und er in rekombinanter Form in vitro rückgefaltet werden kann. Hierbei entsteht einrnvoll funktionaler Protein-Pigment.Komplex, der nahezu identisch mit der in vivo Varianternist.rnElektronenparamagnetischen Resonanz (EPR) Spektroskopie ist eine hoch sensitive undrnideal geeignete Methode, um die Strukturdynamik von Proteinen zu untersuchen. Hierzurnist eine ortsspezifische Markierung mit Spinsonden notwendig, die kovalent an Cysteinernbinden. Möglich wird dies, indem sorgfältig ausgewählte Aminosäuren gegen Cysteinerngetauscht werden, ohne dass die Funktionsweise des LHCII beeinträchtigt wird.rnIm Rahmen dieser Arbeit wurden die Stabilität des verwendeten Spinmarkers und diernProbenqualität verbessert, indem alle Schritte der Probenpräparation untersucht wurden.rnMithilfe dieser Erkenntnisse konnte sowohl die Gefahr einer Proteinaggregation als auchrnein Verlust des EPR Signals deutlich vermindert werden. In Kombination mit derrngleichzeitigen Etablierung des Q-Band EPR können nun deutlich geringer konzentrierternProben zuverlässig vermessen werden. Darüber hinaus wurde eine reproduzierbarernMethode entwickelt, um heterogene Trimere herzustellen. Diese bestehen aus einemrndoppelt markierten Monomer und zwei unmarkierten Monomeren und erlauben es, diernkristallografisch unvollständig aufgelöste N-terminale Domäne im monomeren undrntrimeren Assemblierungsgrad zu untersuchen. Die Ergebnisse konnten einerseits diernVermutung bestätigen, dass diese Domäne im Vergleich zum starren Proteinkern sehrrnflexibel ist und andererseits, dass sie in Monomeren noch mobiler ist als in Trimeren.rnZudem wurde die lumenale Schleifenregion bei unterschiedlichen pH Werten undrnvariierender Pigmentzusammensetzung untersucht, da dieser Bereich sehr kontroversrndiskutiert wird. Die Messergebnisse offenbarten, dass diese Region starre und flexiblerernSektionen aufweist. Während der pH Wert keinen Einfluss auf die Konformation hatte,rnzeigte sich, dass die Abwesenheit von Neoxanthin zu einer Änderung der Konformationrnführt. Weiterführende Analysen der strukturellen Dynamik des LHCII in einerrnLipidmembran konnten hingegen nicht durchgeführt werden, da dies eine gerichteternInsertion des rückgefalteten Proteins in Liposomen erfordert, was trotz intensiverrnVersuche nicht zum Erfolg führte.

Fatty acid and peptide profiles in plasma membrane and membrane rafts of PUFA supplemented RAW264.7 macrophages

The eukaryotic cell membrane possesses numerous complex functions, which are essential for life. At this, the composition and the structure of the lipid bilayer are of particular importance. Polyunsaturated fatty acids may modulate the physical properties of biological membranes via alteration of membrane lipid composition affecting numerous physiological processes, e.g. in the immune system. In this systematic study we present fatty acid and peptide profiles of cell membrane and membrane rafts of murine macrophages that have been supplemented with saturated fatty acids as well as PUFAs from the n-3, the n-6 and the n-9 family. Using fatty acid composition analysis and mass spectrometry-based peptidome profiling we found that PUFAs from both the n-3 and the n-6 family have an impact on lipid and protein composition of plasma membrane and membrane rafts in a similar manner. In addition, we found a relation between the number of bis-allyl-methylene positions of the PUFA added and the unsaturation index of plasma membrane as well as membrane rafts of supplemented cells. With regard to the proposed significance of lipid microdomains for disease development and treatment our study will help to achieve a targeted dietary modulation of immune cell lipid bilayers.

A tool for the qualitative comparison of membrane-embedded and detergent-solubilized membrane protein structures in projection

The calculation of projection structures (PSs) from Protein Data Bank (PDB)-coordinate files of membrane proteins is not well-established. Reports on such attempts exist but are rare. In addition, the different procedures are barely described and thus difficult if not impossible to reproduce. Here we present a simple, fast and well-documented method for the calculation and visualization of PSs from PDB-coordinate files of membrane proteins: the projection structure visualization (PSV)-method. The PSV-method was successfully validated using the PS of aquaporin-1 (AQP1) from 2D crystals and cryo-transmission electron microscopy, and the PDB-coordinate file of AQP1 determined from 3D crystals and X-ray crystallography. Besides AQP1, which is a relatively rigid protein, we also studied a flexible membrane transport protein, i.e. the L-arginine/agmatine antiporter AdiC. Comparison of PSs calculated from the existing PDB-coordinate files of substrate-free and L-arginine-bound AdiC indicated that conformational changes are detected in projection. Importantly, structural differences were found between the PSV-method calculated PSs of the detergent-solubilized AdiC proteins and the PS from cryo-TEM of membrane-embedded AdiC. These differences are particularly exciting since they may reflect a different conformation of AdiC induced by the lateral pressure in the lipid bilayer.

Phosphatidylglycerophosphate synthase associates with a mitochondrial inner membrane complex and is essential for growth of Trypanosoma brucei

Maintenance of the lipid composition is important for proper function and homeostasis of the mitochondrion. In Trypanosoma brucei, the enzymes involved in the biosynthesis of the mitochondrial phospholipid, phosphatidylglycerol (PG), have not been studied experimentally. We now report the characterization of T. brucei phosphatidylglycerophosphate synthase (TbPgps), the rate-limiting enzyme in PG formation, which was identified based on its homology to other eukaryotic Pgps. Lipid quantification and metabolic labelling experiments show that TbPgps gene knock-down results in loss of PG and a reduction of another mitochondria-specific phospholipid, cardiolipin. Using immunohistochemistry and immunoblotting of digitonin-isolated mitochondria, we show that TbPgps localizes to the mitochondrion. Moreover, reduced TbPgps expression in T. brucei procyclic forms leads to alterations in mitochondrial morphology, reduction in the amounts of respiratory complexes III and IV and, ultimately, parasite death. Using native polyacrylamide gel electrophoresis we demonstrate for the first time in a eukaryotic organism that TbPgps is a component of a 720 kDa protein complex, co-migrating with T. brucei cardiolipin synthase and cytochrome c1, a protein of respiratory complex III.

Analysis of VirB4, a membrane-associated ATPase subunit essential for T -complex transport in Agrobacterium tumefaciens

Agrobacterium tumefaciens is a plant pathogen with the unique ability to export oncogenic DNA-protein complexes (T-complexes) to susceptible plant cells and cause crown gall tumors. Delivery of the T-complexes across the bacterial membranes requires eleven VirB proteins and VirD4, which are postulated to form a transmembrane transporter. This thesis examines the subcellular localization and oligomeric structure of the 87-kDa VirB4 protein, which is one of three essential ATPases proposed to energize T-complex transport and/or assembly. Results of subcellular localization studies showed that VirB4 is tightly associated with the cytoplasmic membrane, suggesting that it is a membrane-spanning protein. The membrane topology of VirB4 was determined by using a nested deletion strategy to generate random fusions between virB4 and the periplasmically-active alkaline phosphatase, $\sp\prime phoA$. Analysis of PhoA and complementary $\beta$-galactosidase reporter fusions identified two putative periplasmically-exposed regions in VirB4. A periplasmic exposure of one of these regions was further confirmed by protease susceptibility assays using A. tumefaciens spheroplasts. To gain insight into the structure of the transporter, the topological configurations of other VirB proteins were also examined. Results from hydropathy analyses, subcellular localization, protease susceptibility, and PhoA reporter fusion studies support a model that all of the VirB proteins localize at one or both of the bacterial membranes. Immunoprecipitation and Co$\sp{2+}$ affinity chromatography studies demonstrated that native VirB4 (87-kDa) and a functional N-terminally tagged HIS-VirB4 derivative (89-kDa) interact and that the interaction is independent of other VirB proteins. A $\lambda$ cI repressor fusion assay supplied further evidence for VirB4 dimer formation. A VirB4 dimerization domain was localized to the N-terminal third of the protein, as judged by: (i) transdominance of an allele that codes for this region of VirB4; (ii) co-retention of a His-tagged N-terminal truncation derivative and native VirB4 on Co$\sp{2+}$ affinity columns; and (iii) dimer formation of the N-terminal third of VirB4 fused to the cI repressor protein. Taken together, these findings are consistent with a model that VirB4 is topologically configured as an integral cytoplasmic membrane protein with two periplasmic domains and that VirB4 assembles as homodimers via an N-terminal dimerization domain. Dimer formation is postulated to be essential for stabilization of VirB4 monomers during T-complex transporter assembly. ^

The nitrogen costs of photosynthesis in a diatom under current and future pCO2

With each cellular generation, oxygenic photoautotrophs must accumulate abundant protein complexes that mediate light capture, photosynthetic electron transport and carbon fixation. In addition to this net synthesis, oxygenic photoautotrophs must counter the light-dependent photoinactivation of Photosystem II (PSII), using metabolically expensive proteolysis, disassembly, resynthesis and re-assembly of protein subunits. We used growth rates, elemental analyses and protein quantitations to estimate the nitrogen (N) metabolism costs to both accumulate the photosynthetic system and to maintain PSII function in the diatom Thalassiosira pseudonana, growing at two pCO2 levels across a range of light levels. The photosynthetic system contains c. 15-25% of total cellular N. Under low growth light, N (re)cycling through PSII repair is only c. 1% of the cellular N assimilation rate. As growth light increases to inhibitory levels, N metabolite cycling through PSII repair increases to c. 14% of the cellular N assimilation rate. Cells growing under the assumed future 750 ppmv pCO2 show higher growth rates under optimal light, coinciding with a lowered N metabolic cost to maintain photosynthesis, but then suffer greater photoinhibition of growth under excess light, coincident with rising costs to maintain photosynthesis. We predict this quantitative trait response to light will vary across taxa.