@phdthesis{Klemm2020,
  author    = {Klemm, Theresa Antonia},
  title     = {Minor differences cause major effects: How differential oligomerization regulates the activities of USP25 and USP28},
  doi       = {10.25972/OPUS-19108},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-191080},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2020},
  abstract  = {Deubiquitinases are regulators of the ubiquitin proteasome system that counteract the ubiquitination cascade by removing ubiquitin from substrates and cleaving ubiquitin chains. Due to their involvment in various important pathways, they are associated with several diseases and may thus present promising drug targets. The two related ubiquitin specific proteases USP25 and USP28 share a highly conserved amino acid sequence but perform distinct biological functions. USP28 plays roles in cell cycle regulation and was also linked to several types of cancer. It adopts oncogenic functions by rescuing the oncoproteins MYC and JUN from proteasomal degradation, which is induced by the E3-ligase SCF (FBW7). Opposingly, USP28 also regulates the stability of the tumor suppressor FBW7 itself. USP25 contributes to a balanced innate immune system by stabilizing TRAF3 and TRAF6 and lately was found to promote Wnt-signaling by deubiquitinating TNKS. Due to the high level of identity of both proteases, a recent attempt to inhibit USP28 led to cross reactivity against USP25. In our study, we characterized both USP25 and USP28 structurally and functionally using x-ray crystallography, biochemical as well as biophysical approaches to determine similarities and differences that can be exploited for the development of specific inhibitors. The crystal structure of the USP28 catalytic domain revealed a cherry-couple like dimer that mediates self-association by an inserted helical subdomain, the USP25/28 catalytic domain inserted domain (UCID). In USP25, the UCID leads to formation of a tetramer composed of two interlinked USP28-like dimers. Structural and functional analysis revealed that the dimeric USP28 is active, whereas the tetrameric USP25 is auto inhibited. Disruption of the tetramer by a cancer-associated mutation or a deletion-variant activates USP25 through dimer formation in in vitro assays and leads to an increased stability of TNKS in cell studies. Furthermore, in vitro data showed that neither ubiquitin nor substrate binding led to the activation of the USP25 tetramer construct. With the structure of the C-terminal domain of USP25, we determined the last unknown region in the enzyme as a separately folded domain that mediates substrate interactions. Combined the structures of the USP25 and USP28 catalytic domains and the functional characterization of both enzymes provide novel insights into the regulation of USPs by oligomerization. Furthermore, we identified individual features of each protease that might be explored for the development of specific small molecule inhibitors.},
  subject      = {Oligomerisation},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Lehmann2020,
  author    = {Lehmann, Julian},
  title     = {Hochaufl{\"o}sende Fluoreszenzmikroskopie beleuchtet den Oligomerisierungsstatus pflanzlicher Membranproteine},
  doi       = {10.25972/OPUS-21176},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-211762},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2020},
  abstract  = {SLAC/SLAH Anionenkan{\"a}le, die zur Familie der langsamen Anionenkan{\"a}le geh{\"o}ren, repr{\"a}sentieren Schl{\"u}sselproteine in der pflanzlichen Stressantwort. Neben ihrer Aufgabe in Stresssituationen, ist eine Untergruppe der Kan{\"a}le f{\"u}r die Beladung der Leitgef{\"a}ße mit Nitrat und Chlorid in der Stele der Pflanzenwurzeln verantwortlich. Biophysikalische und pflanzenphysiologische Studien stellten heraus, dass vor Allem der Anionenkanal SLAH3 f{\"u}r die Beladung der Xylem Leitgef{\"a}ße mit Nitrat und Chlorid verantwortlich ist. Ihm zur Seite gestellt werden noch die elektrisch inaktiven Homologe SLAH1 und SLAH4 in der Wurzel exprimiert. Sie steuern die Aktivit{\"a}t von SLAH3 durch die Assemblierung zu SLAH1/SLAH3 oder SLAH3/SLAH4 Heteromeren. Neben der Kontrolle durch Heteromerisierungsereignisse, werden SLAH3 Homomere sehr spezifisch und schnell durch zytosolische Ans{\"a}uerung aktiviert. Obwohl bereits die Kristallstruktur des bakteriellen Homologs HiTehA zu pflanzlichen SLAC/SLAH Anionenkan{\"a}len bekannt ist, welche HiTehA als Trimer charakterisiert, sind die St{\"o}chiometrie und der Polymerisierungsgrad der pflanzlichen SLAC/SLAHs bisher noch unbekannt. Die Fluoreszenzmikroskopie umfasst viele etablierte Anwendungsmethoden, wie die konfokale Laserrastermikroskopie (CLSM), Techniken mit verbesserter Aufl{\"o}sung, wie die Mikroskopie mit strukturierter Beleuchtung (SIM) und hochaufl{\"o}sende Methoden, welche durch die Lokalisationsmikroskopie (z.B. dSTORM und PALM) oder die Expansionsmikroskopie (ExM) vertreten werden. Diese unterschiedlichen Mikroskopie-methoden erm{\"o}glichen neue Einblicke in die Organisation von Proteinen in biologischen Systemen, die bis auf die molekulare Ebene hinunterreichen. Insbesondere im Bereich der hochaufl{\"o}senden Fluoreszenzmikroskopie sind im Gegensatz zu tierischen Frage-stellungen bisher jedoch nur wenige Untersuchungen in pflanzlichen Geweben durchgef{\"u}hrt worden. Die Lokalisationsmikroskopie erm{\"o}glicht die Quantifizierung einzelner Molek{\"u}le in nativen Systemen und l{\"a}sst {\"u}berdies R{\"u}ckschl{\"u}sse auf den Polymerisierungsgrad von Proteinen zu. Da Poly- und Heteromerisierung von Proteinen oftmals mit der Funktionalit{\"a}t eines entsprechenden Proteins einhergeht, wie es bei den SLAC/SLAH Anionenkan{\"a}len der Fall ist, wurden in dieser Arbeit PALM Messungen zur Untersuchung des Polymerisierungsgrades und Interaktionsmuster der Anionenkan{\"a}le angewendet. Ferner wurden Expressionsmuster der SLAC/SLAHs untersucht und zudem Mikroskopieanwendungen im Pflanzengewebe etabliert und verbessert. In Bezug auf die Mikroskopieanwendungen konnten wir in Arabidopsis thaliana (At) Wurzeln die polare Verteilung von PIN Proteinen mittels SIM best{\"a}tigen und die gruppierte Verteilung in der Plasmamembran am Zellpol aufl{\"o}sen. In Wurzel-querschnitten war es m{\"o}glich, Zellw{\"a}nde zu vermessen, den Aufbau der Pflanzenwurzel mit den verschiedenen Zelltypen zu rekonstruieren und diesen in Zusammenhang mit Zellwanddicken zu bringen. Anhand dieser Aufnahmen ließ sich die Aufl{\"o}sungsgrenze eines SIM-Mikroskops bestimmen, weshalb diese Probe als Modellstruktur f{\"u}r Aufl{\"o}sungsanalysen, zur Kontrolle f{\"u}r die korrekte Bildverarbeitung bei hochaufl{\"o}sender Bildgebung und andere Fragestellungen empfohlen werden kann. F{\"u}r die Expansionsmikroskopie in pflanzlichen Proben konnten ein enzym- und ein denaturierungsbasiertes Pr{\"a}parationsprotokoll etabliert werden. Dabei wurden ganze At Setzlinge, Wurzelabschnitte und Blattst{\"u}cke gef{\"a}rbt, expandiert und mit zwei bis drei Mal verbesserter Aufl{\"o}sung bildlich dargestellt. In diesem Zusammenhang waren Aufnahmen ganzer Wurzel- und Blattproben mit beeindruckender Eindringtiefe und extrem geringem Hintergrundsignal m{\"o}glich. Zudem wurden die Daten kritisch betrachtet, Probleme aufgezeigt, gewebespezifische Ver{\"a}nderungen dargestellt und limitierende Faktoren f{\"u}r die ExM in Pflanzenproben thematisiert. Im Fokus dieser Arbeit stand die Untersuchung der SLAC/SLAH Proteine. SLAH2 wird in den Wurzeln vornehmlich in Endodermis- und Perizykelzellen exprimiert, was anhand verschiedener At SLAH2 YFP Mutanten untersucht werden konnte. Dies unterst{\"u}tzt die Annahme, dass SLAH2 bei der Beladung der Leitgef{\"a}ße mit Nitrat maßgeblich beteiligt ist. Es ist denkbar, dass SLAH2 ebenfalls eine wachstumsbeeinflussende Funktion {\"u}ber die Regulation von Nitratkonzentrationen zugeschrieben werden kann. Darauf deuten vor allem die verst{\"a}rkte Expression von SLAH2 im Bereich der Seitenwurzeln und die heterogene Expression in der Elongations-, Differenzierungs- und meristematischen Zone hin. Die Membranst{\"a}ndigkeit von SLAH4 konnte nachgewiesen werden und FRET FLIM Untersuchungen zeigten eine hohe Affinit{\"a}t von SLAH4 zu SLAH3, was die beiden Homologe als Interaktionspartner identifiziert. F{\"u}r die Bestimmung des Oligomerisierungsgrades mittels PALM wurden die pflanzlichen Anionenkan{\"a}le in tierischen COS7-Zellen exprimiert. Die elektrophysiologische Funktionalit{\"a}t der mEOS2-SLAC/SLAH-Konstrukte wurde mit Hilfe von Patch-Clamp-Versuchen in COS7-Zellen {\"u}berpr{\"u}ft. Um Expressionslevel, Membranst{\"a}ndigkeit und die Verteilung {\"u}ber die Membran der SLAC/SLAHs zu verifizieren, wurden dSTORM-Aufnahmen herangezogen Schließlich erm{\"o}glichten PALM-Aufnahmen die Bestimmung des Polymerisierungs-grades der SLAC/SLAH Anionenkan{\"a}le, die st{\"o}chiometrischen Ver{\"a}nderungen bei Heteromerisierung von SLAH3 mit SLAH1 oder SLAH4 und auch der Einfluss einer zytosolischer Ans{\"a}uerung auf den Polymerisierungsgrad von SLAH3 Homomeren. Zudem weisen die Oligomerisierungsanalysen von SLAH3 Mutanten darauf hin, dass die Aminos{\"a}uren Histidin His330 und His454 entscheidend an der pH sensitiven Regulierung von SLAH3 beteiligt sind. Durch die erhobenen Daten konnten also entscheidende, neue Erkenntnisse {\"u}ber die Regulationsmechanismen von pflanzlichen Anionenkan{\"a}len auf molekularer Ebene gewonnen werden: Unter Standardbedingungen liegen SLAC1, SLAH2 und SLAH3 haupts{\"a}chlich als Dimer vor. Auf eine zytosolische Ans{\"a}uerung reagiert ausschließlich SLAH3 mit einer signifikanten st{\"o}chiometrischen Ver{\"a}nderung und liegt im aktiven Zustand vor Allem als Monomer vor. Der Oligomerisierungsgrad von SLAC1 und SLAH2 bleibt hingegen bei einer zytosolischen Ans{\"a}uerung unver{\"a}ndert. Ferner kommt es bei der Interaktion von SLAH3 mit SLAH1 oder SLAH4 zur Formierung eines Heterodimers, welches unbeeinflusst durch den zytosolischen pH bleibt. Im Gegensatz dazu bleiben die elektrisch inaktiven Untereinheiten SLAH1 und SLAH4 monomerisch und assemblieren ganz spezifisch nur mit SLAH3. Die hochaufl{\"o}sende Fluoreszenz-mikroskopie, insbesondere PALM erlaubt es also Heteromerisierungsereignisse und {\"A}nderungen im Poylmerisierungsgrad von Membranproteinen wie den SLAC/SLAHs auf molekularer Ebene zu untersuchen und l{\"a}sst so R{\"u}ckschl{\"u}sse auf physiologische Ereignisse zu.},
  subject      = {Fluoreszenzmikroskopie},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Delto2015,
  author    = {Delto, Carolyn Francesca},
  title     = {Structural and Biochemical Characterization of the GABA(A) Receptor Interacting Protein Muskelin},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-115922},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2015},
  abstract  = {In a study from 2011, the protein muskelin was described as a central coordinator of the retrograde transport of GABA(A) receptors in neurons. As muskelin governs the transport along actin filaments as well as microtubules, it might be the first representative of a novel class of regulators, which coordinate cargo transport across the borders of these two independent systems of transport paths and their associated motorproteins. To establish a basis for understanding the mode of operation of muskelin, the aim of this thesis was an in-depth biochemical and structural characterization of muskelin and its interaction with the GABA(A) receptor. One focus of the work was the analysis of the oligomerization of muskelin. As could be demonstrated, the oligomerization is based on two independent interactions mediated by different domains of the protein: a known interaction of the N-terminal discoidin domain with the C-terminal portion, termed head-to-tail interaction, and a dimerization of the LisH motif in muskelin that was so far neglected in the literature. For the detailed studies of both binding events, the solution of a crystal structure of a fragment of muskelin, comprising the Discoidin domain and the LisH motif, was an important basis. The fragment crystallized as a dimer, with dimerization being mediated solely by the LisH motif. Biochemical analysis corroborated that the LisH motif in muskelin serves as a dimerization element, and, moreover, showed that the C-terminal domain of the protein substantially stabilizes this dimerization. In addition, the crystal structure revealed the molecular composition of the surface of the head in the head-to-tail interaction, namely the discoidin domain. This information enabled to map the amino acids contributing to binding, which showed that the binding site of the head-to-tail interaction coincides with the generic ligand binding site of the discoidin domain. As part of the analyses, residues that are critical for LisH-dimerization and the head-to-tail binding, respectively, were identified, whose mutation specifically interfered with each of the interactions separately. These mutations allowed to investigate the interplay of these interactions during oligomerization. It could be shown that recombinant muskelin assembles into a tetramer to which both interactions, the LisH-dimerization and the head-to-tail binding, contribute independently. When one of the two interactions was disturbed, only a dimer mediated via the respective other interaction could be formed; when both interactions were disturbed, the protein was present as monomer. Furthermore, Frank Heisler in the group of Matthias Kneussel was able to show the drastic impact of an impaired LisH-dimerization on muskelin in cells using these mutations. Disturbing the LisH-dimerization led to a complete redistribution of the originally cytoplasmic muskelin to the nucleus which was accompanied by a severe impairment of its function during GABA(A) receptor transport. Following up on these results in an analysis of muskelin variants, for which alterations of the subcellular localization had been published earlier, the crucial influence of LisH-dimerization to the subcellular localization and thereby the role of muskelin in the cell was confirmed. The biochemical studies of the interaction of muskelin and the alpha1 subunit of the GABA(A) receptor demonstrated a direct binding with an affinity in the low micromolar range, which is mediated primarily by the kelch repeat domain in muskelin. For the binding site on the GABA(A) receptor, it was confirmed that the thirteen most C-terminal residues of the intracellular domain are critical for the binding of muskelin. In accordance with the strong conservation of these residues among the alpha subunits of the GABA(A) receptor, it could be shown that an interaction with muskelin in vitro is also possible for the alpha2 and alpha5 subunits. Based on the comparison of the binding sites between the homologous subunits, tentative conclusions can be drawn about the details of the binding, which may serve as a starting point for follow-up studies. This thesis thereby makes valuable contributions to the understanding of muskelin, in particular the significance of its oligomerization. It furthermore provides an experimental framework for future studies that address related topics, such as the characterization of other muskelin interaction partners, or the questions raised in this work.},
  subject      = {Oligomerisation},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Mueller2009,
  author    = {M{\"u}ller, Nicole},
  title     = {Entwicklung antigenabh{\"a}ngig aktivierbarer TNF-Ligand-Fusionsproteine},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-36489},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2009},
  abstract  = {Von TRAIL, FasL und APRIL, drei Mitgliedern der TNF-Liganden-Familie, ist bekannt, dass Trimerstabilit{\"a}t und Oligomerisierungsstatus maßgeblich das Rezeptoraktivierungspotential dieser Liganden beeinflussen. F{\"u}r die immunstimulatorischen TNF-Liganden CD27L, CD40L, OX40L, 41BBL und GITRL war hingegen vor der Durchf{\"u}hrung dieser Arbeit praktisch nicht bekannt, inwieweit Trimerbildung, Stabilisierung und Oligomerisierung wichtig f{\"u}r deren Aktitvit{\"a}t sind. Dies wurde in dieser Arbeit systematisch untersucht. CD40L besaß bereits als trimeres Molek{\"u}l eine hohe Aktivit{\"a}t, die durch sekund{\"a}re Oligomerisierung nur wenig gesteigert wurde. Die spezifische Aktivit{\"a}t konnte durch Stabilisierung mit Hilfe der Tenascin-C (TNC)-Trimerisierungsdom{\"a}ne nur geringf{\"u}gig gesteigert werden. CD27L war als l{\"o}sliches Flag-markiertes sowie als hexameres Fc-Protein selbst nach Quervernetzen nicht in der Lage, seinen Rezeptor CD27 zu binden und zu aktivieren. Die TNC-stabilisierte trimere Form des CD27L hingegen induzierte nach Oligomerisierung mit einem anti-Flag-Antik{\"o}rper ein starkes Signal. Trimerer OX40L und trimerer 41BBL konnten nur in oligomerisierter Form ihre Rezeptoren aktivieren, wobei die Aktivit{\"a}t der TNC-stabilisierten Form signifikant st{\"a}rker ausgepr{\"a}gt war. GITRL aktivierte seinen Rezeptor bereits als stabilisiertes Trimer und Hexamer, die Aktivit{\"a}t konnte durch Quervernetzen nur gering gesteigert werden. Zusammenfassend kann man sagen, dass CD27L, OX40L und 41BBL zu der Untergruppe der TNF-Ligandenfamilie geh{\"o}rt, f{\"u}r die eine Stabilisierung des trimeren Molek{\"u}ls und dessen Oligomerisierung n{\"o}tig sind, um eine starke Rezeptoraktivierung zu erm{\"o}glichen. Im Gegensatz dazu zeigten CD40L und GITRL bereits oligomerisierungsunabh{\"a}ngig eine hohe Aktivit{\"a}t. GITRL ben{\"o}tigte allerdings die Stabilisierung des trimeren Molek{\"u}ls durch die TNC-Dom{\"a}ne, um gute Aktivit{\"a}t zu zeigen. Im Weiteren wurden Antik{\"o}rperfragment (scFv-)-TNF-Ligand-Fusionsproteine konstruiert und untersucht, die ein Zelloberfl{\"a}chenantigen binden. Eine starke Zelloberfl{\"a}chenantigen-spezifische Aktivierung des jeweiligen Rezeptors konnte f{\"u}r scFv-41BBL und f{\"u}r scFv-OX40L gezeigt werden, wohingegen scFv-CD40L und scFv-GITRL bereits auf antigennegativen Zellen stark aktiv waren. scFv-CD27L war selbst auf antigenpositiven Zellen inaktiv. Verwendet man an Stelle des Antik{\"o}rperfragments eine extrazellul{\"a}re Proteinbindedom{\"a}ne, z.B. die eines TNF-Rezeptors, erh{\"a}lt man Fusionsproteine, die zum einen eine selektive Aktivierung der TNF-Ligandendom{\"a}ne und somit die Aktivierung des korrespondierenden Rezeptors auf der Zielzelle erm{\"o}glichen, zum anderen aber durch die Bindung an den membranst{\"a}ndigen Liganden dessen Aktitv{\"a}t neutralisieren k{\"o}nnen. F{\"u}r CD40-, RANK- und B7-2-FasL konnte der immobilisationabh{\"a}ngige Aktivierungseffekt auf entsprechenden Zelloberfl{\"a}chenmolek{\"u}l-exprimierenden Zellen gezeigt werden. Anhand von T47D-Zellen, die durch eine autokrine CD40L-CD40-Signalschleife vor Apoptose gesch{\"u}tzt sind, konnte gezeigt werden, dass durch die Bindung von CD40-FasL an membranst{\"a}ndigen CD40L die CD40L-CD40-Interaktion gest{\"o}rt und gleichzeitig Apoptose verst{\"a}rkt induziert werden kann. Das Prinzip der antigenabh{\"a}ngigen Aktivierung von TNF-Liganden k{\"o}nnte Anwendung in der Tumortherapie finden, da bei Verwendung entsprechender selektiv exprimierter Marker eine lokale Rezeptoraktivierung erreicht und so Nebenwirkungen minimiert werden k{\"o}nnen.},
  subject      = {Rekombinantes Protein},
  language  = {de}
}