@phdthesis{Schubert2021,
  author    = {Schubert, Jonathan},
  title     = {Bildgebende Zweifarben-Einzelmolek{\"u}l-PET-Fluoreszenzspektroskopie am molekularen Chaperon Hsp90},
  doi       = {10.25972/OPUS-24493},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-244938},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2021},
  abstract  = {Im Forschungsfeld der Proteindynamik h{\"a}ufen sich in den letzten Jahren Untersuchungen an einzelnen Molek{\"u}len. Damit k{\"o}nnen molekulare Ereignisse, die in konventioneller Spektroskopie durch stochastische Prozesse unentdeckt bleiben, durch direkte Beobachtung identifiziert und analysiert werden, was zu tieferem mechanistischem Verst{\"a}ndnis des untersuchten Systems beitragen kann. Die Implikation des molekularen Chaperons Hsp90 in die korrekte Faltung und Aktivierung einer Vielzahl davon abh{\"a}ngiger Klientenproteine machen es zu einem zentralen Knotenpunkt der zellul{\"a}ren Proteinhom{\"o}ostase, allerdings ist der Mechanismus seiner breiten Klientenerkennung und -prozessierung bisher nur l{\"u}ckenhaft untersucht. Mit der Erkenntnis, dass Hsp90 ATP abh{\"a}ngig große, ratenlimitierende Umstrukturierungen erf{\"a}hrt, wurden Reportersysteme entwickelt, die auf dem F{\"o}rster-Resonanzenergietransfer mit einer r{\"a}umlichen Aufl{\"o}sung von ca. 2-10 nm basieren. Diese dokumentieren einen Klammerschluss des Chaperons und prognostizieren einen intermediatbbasierten Konformations-Zyklus. Details {\"u}ber den Mechanismus der Umstrukturierungen wurden mit der Entwicklung von Reportersystemen ermittelt, die auf dem photoinduzierten Elektronentransfer zwischen der Aminos{\"a}ure Tryptophan und einem organischen Farbstoff basieren. Die Technik beruht auf kontaktinduzierter Fluoreszenzl{\"o}schung und damit verbundenen digitalen Intensit{\"a}ts{\"u}berg{\"a}ngen, dabei erm{\"o}glicht die r{\"a}umliche Sensitivit{\"a}t von < 1 nm die Beobachtung von lokalen Umstrukturierungen. In Hsp90 wurden damit mittels konventioneller Spektroskopie drei kritische lokale Umlagerungen untersucht und daraus ein Modell mit heterogenen apo-Konformationen sowie ein kooperativer Konformationszyklus abgeleitet, der dem intermediatbasierten Modell gegen{\"u}bersteht. Im Rahmen dieser Dissertation wurde anhand des Hsp90-Chaperons eine Methode entwickelt, die eine bildgebende PET Fluoreszenzspektroskopie von mehreren Umstrukturierungen gleichzeitig an einzelnen Molek{\"u}len erlaubt. Ein umfangreiches Farbstoffscreening f{\"u}hrte zur Identifizierung eines Farbstoffpaars, das die PET-basierte simultane Aufzeichnung zweier Konformations-Koordinaten erm{\"o}glicht. {\"U}ber verschiedene Modifikationen des Chaperons konnten einzelmolek{\"u}ltaugliche Oberfl{\"a}chen hergestellt werden, auf denen zweifach markierte Hsp90-Proteine immobilisiert sind. Fluoreszenzintensit{\"a}tszeitspuren einzelner Chaperone und entsprechende Kontrollkonstrukte best{\"a}tigen qualitativ den Erfolg der Methode, f{\"u}r die quantitative Analyse wurde eine Routine in der Programmiersprache Python entwickelt, mit welcher kinetische Informationen ermittelt werden konnten. Diese legen eine enge wechselseitige Abh{\"a}ngigkeit der drei lokalen Elemente nahe, wobei der Großteil der Konformations{\"u}berg{\"a}nge zweier simultan aufgezeichneter Umstrukturierungen Synchronit{\"a}t innerhalb von zwei Sekunden zeigt. Im Vergleich zur Hydrolyse von einem ATP in mehreren Minuten deutet das auf eine enge Kopplung hin. Weiter konnte eine Beschleunigung der Dynamiken durch aromatische Modifikation des N-Terminus von Hsp90 beobachtet werden, zudem erlaubt der Einzelmolek{\"u}lansatz die Verwendung des nativen Nukleotids ATP, wodurch auch die lokalen {\"O}ffnungsdynamiken zug{\"a}nglich werden. Die zur Bestimmung der Zeitkonstanten durchgef{\"u}hrte Analyse unterst{\"u}tzt die Ansicht heterogener apo-Zust{\"a}nde und einer einheitlich geschlossenen Konformation. Die bildgebende Zweifarben-Einzelmolek{\"u}l-PET-Spektroskopie konnte insgesamt zu einem Komplement der Einzelmolek{\"u}l-FRET-Spektroskopie entwickelt werden, um damit lokale Konformationsdynamiken zu untersuchen. Der bildgebende Ansatz erlaubt eine einfache Implementierung in einen experimentellen Einzelmolek{\"u}l-FRET Aufbau bei gleichzeitiger Erweiterung der beobachteten Koordinaten und wird so zu einem breit anwendbaren Werkzeug multidimensionaler Dynamikuntersuchungen einzelner Proteine.},
  subject      = {Fluoreszenzspektroskopie},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Nedvetsky2003,
  author    = {Nedvetsky, Pavel I.},
  title     = {Regulation of the nitric oxide receptor, soluble guanylyl cyclase},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-7046},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2003},
  abstract  = {Soluble guanylyl cyclase (sGC) is the best established receptor for nitric oxide (NO) and regulates a great number of important physiological functions. Surprisingly, despite the wellappreciated roles of this enzyme in regulation of vascular tone, smooth muscle cell proliferation, platelet aggregation, renal sodium secretion, synaptic plasticity, and other functions, extremely little is known about the regulation of sGC activity and protein levels. To date, the only well-proven physiologically relevant sGC regulator is NO. In the present study, some additional possibilities for sGC regulation were shown. Firstly, we evaluated the ability of different NO donors to stimulate sGC. Significant differences in the sGC stimulation by SNP and DEA/NO were found. DEA/NO stimulated sGC much stronger than did SNP. Interestingly, no correlation between the sGC protein and maximal activity distribution was found in rat brain regions tested, suggesting the existence of some additional regulatory mechanisms for sGC. The failure of SNP to stimulate sGC maximally might be one of the reasons why the lack of correlation between the distribution of sGC activity and proteins in brain was not detected earlier. Prolonged exposure of endothelial cells to NO donors produced desensitization of the cGMP response. This desensitization cannot be explained by increased PDE activity, since PDE inhibitors were not able to prevent the NO donor-induced decrease of the maximal cGMP response in endothelial cells. The failure of SH-reducing agents to improve the cGMP response after its desensitization by NO suggests that a SH-independent mechanism mediates NO effects. Demonstration that the potency of the recently described activator of oxidized (heme-free) sGC, BAY58-2667, to stimulate sGC increases after prolonged exposure of the cells to an NO donor, DETA/NO, suggests that oxidation of heme may be a reason for NOinduced desensitization of sGC and decrease in sGC protein level. Indeed, the well-known heme-oxidizing agent ODQ produces a dramatic decrease in sGC protein levels in endothelial cells and BAY58-2667 prevents this effect. Although the mechanism of sGC activation and stabilization by BAY58-2667 is unknown, this substance is an interesting candidate to modulate sGC under conditions where sGC heme iron is oxidized. Very little is known about regulation of sGC by intracellular localization or translocation between different intracellular compartments. In the present study, an increase in sGC sensitivity to NO under membrane association was demonstrated. Treatment of isolated lung with VEGF markedly increased sGC in membrane fractions of endothelial cells. Failure of VEGF to stimulate sGC membrane association in cultured endothelial cells allows us to propose a complex mechanism of regulation of sGC membrane association and/or a transient character of sGC membrane attachment. A very likely mechanism for the attachment of sGC to membranes is via sGCinteracting proteins. These proteins may participate also in other aspects of sGC regulation. The role of the recently described sGC interaction partner, Hsp90, was investigated. Shortterm treatment of endothelial cells with an Hsp90 inhibitor does not affect NO donor or calcium ionophore-stimulated cGMP accumulation in the cells. However, inhibition of Hsp90 results in a rapid and dramatic decrease in sGC protein levels in endothelial cells. These effects were unrelated to changes in sGC transcription, since inhibition of transcription had much slower effect on sGC protein levels. In contrast, inhibitors of proteasomes abolished the reduction in sGC protein levels produced by an Hsp90 inhibitor, suggesting involvement of proteolytic degradation of sGC proteins during inhibition of Hsp90. All these data together suggest that Hsp90 is required to maintain mature sGC proteins. In conclusion, in the present study it was demonstrated that multiple mechanisms are involved in the regulation of sGC activity and its sensitivity to NO. Oxidation of sGC heme by NO seems to be one of the mechanisms for negative regulation of sGC in the presence of high or prolonged stimulation with NO. Another possible means of regulating sGC sensitivity to NO is via the intracellular translocation of the enzyme. It has been also demonstrated here that attachment of sGC to the membrane fraction results in an apparent increase in the enzyme sensitivity to NO. Additionally, Hsp90 was required to maintain sGC protein in endothelial and other cell types. However, we could not find any acute affect of Hsp90 on sGC activity, as reported recently. All these findings demonstrate that the regulation of sGC activity and protein level is a much more complex process than had been assumed earlier.},
  subject      = {Guanylatcyclase},
  language  = {en}
}