@phdthesis{Schwebs2024,
  author    = {Schwebs, Marie},
  title     = {Structure and dynamics of the plasma membrane: a single-molecule study in \(Trypanosoma\) \(brucei\)},
  doi       = {10.25972/OPUS-27569},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-275699},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2024},
  abstract  = {The unicellular, flagellated parasite Trypanosoma brucei is the causative agent of human African sleeping sickness and nagana in livestock. In the last decades, it has become an established eukaryotic model organism in the field of biology, as well as in the interdisciplinary field of biophysics. For instance, the dense variant surface glycoprotein (VSG) coat offers the possibility to study the dynamics of GPI-anchored proteins in the plasma membrane of living cells. The fluidity of the VSG coat is not only an interesting object of study for its own sake, but is critically important for the survival of the parasite in the mammalian host. In order to maintain the integrity of the coat, the entire VSG coat is recycled within a few minutes. This is surprisingly fast for a purely diffusive process with the flagellar pocket (FP) as the sole site for endo- and exocytosis. Previous studies characterising VSG dynamics using FRAP reported diffusion coefficients that were not sufficient to to enable fast turnover based on passive VSG randomisation on the trypanosome surface. In this thesis, live-cell single-molecule fluorescence microscopy (SMFM) was employed to elucidate whether VSG diffusion coefficients were priorly underestimated or whether directed forces could be involved to bias VSGs towards the entrance of the FP. Embedding the highly motile trypanosomes in thermo-stable hydrogels facilitated the investigation of VSG dynamics on living trypanosomes at the mammalian host's temperature of 37°C. To allow for a spatial correlation of the VSG dynamics to the FP entrance, a cell line was employed harbouring a fluorescently labelled structure as a reference. Sequential two-colour SMFM was then established to allow for recording and registration of the dynamic and static single-molecule information. In order to characterise VSG dynamics, an algorithm to obtain reliable information from short trajectories was adapted (shortTrAn). It allowed for the quantification of the local dynamics in two distinct scenarios: diffusion and directed motion. The adaptation of the algorithm to the VSG data sets required the introduction of an additional projection filter. The algorithm was further extended to take into account the localisation errors inherent to single-particle tracking. The results of the quantification of diffusion and directed motion were presented in maps of the trypanosome surface, including an outline generated from a super-resolved static structure as a reference. Information on diffusion was displayed in one map, an ellipse plot. The colour code represented the local diffusion coefficient, while the shape of the ellipses provided an indication of the diffusion behaviour (aniso- or isotropic diffusion). The eccentricity of the ellipses was used to quantify deviations from isotropic diffusion. Information on directed motion was shown in three maps: A velocity map, representing the amplitude of the local velocities in a colour code. A quiver plot, illustrating the orientation of directed motion, and a third map which indicated the relative standard error of the local velocities colour-coded. Finally, a guideline based on random walk simulations was used to identify which of the two motion scenarios dominated locally. Application of the guideline to the VSG dynamics analysed by shortTrAn yielded supermaps that showed the locally dominant motion mode colour-coded. I found that VSG dynamics are dominated by diffusion, but several times faster than previously determined. The diffusion behaviour was additionally characterised by spatial heterogeneity. Moreover, isolated regions exhibiting the characteristics of round and elongated traps were observed on the cell surface. Additionally, VSG dynamics were studied with respect to the entrance of the FP. VSG dynamics in this region displayed similar characteristics compared to the remainder of the cell surface and forces biasing VSGs into the FP were not found. Furthermore, I investigated a potential interference of the attachment of the cytoskeleton to the plasma membrane with the dynamics of VSGs which are anchored to the outer leaflet of the membrane. Preliminary experiments were conducted on osmotically swollen trypanosomes and trypanosomes depleted for a microtubule-associated protein anchoring the subpellicular microtubule cytoskeleton to the plasma membrane. The measurements revealed a trend that detachment of the cytoskeleton could be associated with a reduction in the VSG diffusion coefficient and a loss of elongated traps. The latter could be an indication that these isolated regions were caused by underlying structures associated with the cytoskeleton. The measurements on cells with an intact cytoskeleton were complemented by random walk simulations of VSG dynamics with the newly determined diffusion coefficient on long time scales not accessible in experiments. Simulations showed that passive VSG randomisation is fast enough to allow for a turnover of the full VSG coat within a few minutes. According to an estimate based on the known rate of endocytosis and the newly determined VSG diffusion coefficient, the majority of exocytosed VSGs could escape from the FP to the cell surface without being immediately re-endocytosed.},
  subject      = {Trypanosoma brucei},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Thein2009,
  author    = {Thein, Marcus},
  title     = {Porins of Lyme Disease and Relapsing Fever Spirochetes},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-35158},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2009},
  abstract  = {Die Gattung Borrelia geh{\"o}rt zur Abteilung der Spiroch{\"a}ten, einem alten Zweig der Bakteriendom{\"a}ne, der nur entfernt mit Gram-negativen Bakterien verwandt ist. S{\"a}mtliche Arten dieser Gattung sind obligate Parasiten. Borrelien k{\"o}nnen in die Erreger zweier humaner Krankheiten eingeteilt werden: die Lyme-Borreliose und das R{\"u}ckfallfieber. Borrelien besitzen mit 0.91 Mb ein sehr kleines Chromosom und sind daher in ihren metabolischen F{\"a}higkeiten eingeschr{\"a}nkt. Folglich ist das {\"U}berleben s{\"a}mtlicher Borrelienarten absolut abh{\"a}ngig von N{\"a}hrstoffen, die von ihren Wirten bereitgestellt werden. Der Transport dieser N{\"a}hrstoffe und anderer Molek{\"u}le {\"u}ber die {\"a}ußere Membran wird durch porenformende Proteine, so genannte Porine erm{\"o}glicht. Porine sind wassergef{\"u}llte Kan{\"a}le, die in zwei Klassen unterteilt werden k{\"o}nnen: allgemeine Diffusionsporen und substratspezifische Porine. Aus dem Lyme-Borreliose Erreger Borrelia burgdorferi wurden bisher drei mutmaßliche Porine charakterisiert und beschrieben: P13, Oms28 und P66. Demgegen{\"u}ber sind die Kenntnisse {\"u}ber Porine in R{\"u}ckfallfieberarten rudiment{\"a}r und es wurde bisher noch kein einziges Porin f{\"u}r Vertreter dieser Krankheit identifiziert. Unter Ber{\"u}cksichtigung dieses Hintergrunds war die allgemeine Zielsetzung dieser Arbeit, einen Einblick in die Porinzusammensetzung von sowohl Lyme Borreliose- als auch R{\"u}ckfallfieber-Spiroch{\"a}ten zu erlangen. Dieses Ziel konnte erreicht werden, indem Porine aus den Außenmembranen von Borrelien isoliert und identifiziert wurden und anschließend biophysikalisch in k{\"u}nstlichen Lipidmembranen charakterisiert wurden. Ein Kapitel dieser Arbeit beschreibt die Identifizierung und Charakterisierung des ersten Porins aus R{\"u}ckfallfiebererregern. Das porenformende Protein wurde aus den Außenmembranen von Borrelia duttonii, Borrelia hermsii und Borrelia recurrentis isoliert und Oms38 genannt, f{\"u}r „outer membrane-spanning protein of 38 kDa". Die biophysikalische Charakterisierung mit der „black lipid bilayer" Methode zeigte, dass Oms38 kleine, wassergef{\"u}llte Kan{\"a}le mit einer Einzelkanalleitf{\"a}higkeit von 80 pS in 1 M KCl bildet. Diese Kan{\"a}le sind nicht spannungsabh{\"a}ngig und leicht selektiv f{\"u}r Anionen mit einem Permeabilit{\"a}tsverh{\"a}ltnis von Kationen zu Anionen von 0,41 in KCl. Ein homologes Protein zu Oms38 wurde in den Lyme Borreliose Erregern Borrelia burgdorferi, Borrelia garinii und Borrelia afzelii identifiziert. Das porenformende Protein dieser Arten weist eine hohe Sequenzhomologie zu Oms38 auf und zeigt {\"a}hnliche biophysikalische Eigenschaften, das heißt es formt Poren von 50 pS in 1 M KCl. Durch Titrationsexperimente konnte gezeigt werden, dass die Pore teilweise durch Dicarboxylate blockiert werden kann. Eine Auswertung dieser Versuche legte nahe, dass dieses Protein keine allgemeine Diffusionspore darstellt, sondern einen Kanal mit einer spezifischen Bindestelle f{\"u}r diese Komponenten. Daher wurde dieses Porin DipA genannt, was f{\"u}r „dicarboxylate-specific porin A" steht. In einer anderen Versuchsreihe wurde gezeigt, dass das Porin P66 sowohl in Lyme Borreliose Erregern als auch in R{\"u}ckfallfieberarten vorhanden ist. Hierf{\"u}r wurden die Außenmembranen der Lyme Borreliose Erreger Borrelia burgdorferi, Borrelia afzelii und Borrelia garinii und der R{\"u}ckfallfieberarten Borrelia duttonii, Borrelia recurrentis und Borrelia hermsii genauer untersucht. Mit Ausnahme des P66 Homologs von Borrelia hermsii rekonstituierten P66 Proteine aus allen Arten sehr aktiv in k{\"u}nstliche Membranen und formten Poren zwischen 9 und 11 nS in 1 M KCl. Die biophysikalischen Eigenschaften der Homologe wurden in Experimenten mit „black lipid bilayer" Membranen ausf{\"u}hrlich verglichen. Des Weiteren wurden Porendurchmesser und Konstitution des Borrelia burgdorferi Porins P66 genau untersucht. Hierf{\"u}r wurde die P66 Einzelkanalleitf{\"a}higkeit in Anwesenheit von verschiedenen Nichtelektrolyten in k{\"u}nstlichen Lipidmembranen analysiert. Der effektive Durchmesser des P66 Wasserlumens wurde auf ~1.9 nm bestimmt. Dar{\"u}ber hinaus konnte P66 mit bestimmten Nichtelektrolyten wie PEG 400, PEG 600 und Maltohexaose blockiert werden. Weitere Blockierungsexperimente auf Einzelkanalebene deckten sieben Unterzust{\"a}nde von P66 auf, die auf ein P66 Heptamer schließen ließen. Dieser heptamere Charakter konnte durch Blue native PAGE Analysen best{\"a}tigt werden. Zusammenfassend beschreibt diese Dissertation detaillierte biochemische und biophysikalische Untersuchungen von Porinen aus sowohl Lyme Borreliose- als auch R{\"u}ckfallfieber-Borrelien. Erkenntnisse aus dieser Arbeit bringen das Verstehen der N{\"a}hrstoffaufnahme {\"u}ber Außenmembranen dieser streng wirtsabh{\"a}ngigen, pathogenen Spiroch{\"a}ten einen großen Schritt vorw{\"a}rts. Ein fundiertes Wissen {\"u}ber oberfl{\"a}chenexponierte Proteine wie Porine ist Vorraussetzung f{\"u}r die Herstellung erfolgreicher Impfstoffe und Therapeutika gegen die von Borrelien verursachten Krankheiten.},
  subject      = {Porin},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Milenkovic2006,
  author    = {Milenkovic, Vladimir M.},
  title     = {Structural and functional analysis of bestrophin},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-19372},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2006},
  abstract  = {Morbus Best (OMIM 153700), auch als vitelliforme Makuladystrophie Typ 2 (VMD2) bezeichnet, ist eine autosomal dominant vererbte Makuladystrophie mit juvenilem Beginn. Die Erkrankung geht einher mit einer Ansammlung von Lipofuscin-{\"a}hnlichem Material im sowie unterhalb des retinalen Pigmentepithels (RPE). Das bei Morbus Best mutierte VMD2- Gen kodiert f{\"u}r ein 585 Aminos{\"a}uren langes Transmembranprotein, genannt Bestrophin, und wird vorwiegend im RPE exprimiert. Das Protein hat eine komplexe Membrantopologie mit 4-6 putativen Transmembrandom{\"a}nen (TMD) und ist vermutlich in den Ca2+-abh{\"a}ngigen Transport von Chloridionen durch die Plasmamembran involviert. Die {\"u}berwiegende Mehrheit der krankheitsassoziierten Ver{\"a}nderungen bei M. Best Patienten sind Missense-Mutationen, die innerhalb der hochkonservierten N-terminalen H{\"a}lfte des Proteins nahe der mutmaßlichen Transmembrandom{\"a}nen akkumulieren. Der Zusammenhang zwischen Pathologie und identifizierter Mutationen bzw. der Chloridkanal- Funktion von Bestrophin-1 ist noch unklar. Um die biologische Funktion von Bestrohin-1 weiter aufzukl{\"a}ren und die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen der BMD besser zu verstehen, wurde mit Hilfe des GAL4-basierenden Hefe-Zwei-Hybridsystems (Y2H) nach interagierenden Partnern von Bestrophin-1 gesucht. Ein Screen in einer bovinen RPE cDNABank mit verschiedenen verk{\"u}rzten Fragmenten von Bestrophin-1 ergab 53 m{\"o}gliche interagierende Partner. Allerdings schlossen anschließende Verifikationsexperimente die Kandidatengene aus. Somit deuten die Resultate dieser umfangreichen YH2-Studie daraufhin, dass Bestrophin f{\"u}r das herk{\"o}mmliche Zwei-Hybrid-System nicht geeignet ist. Zum einen k{\"o}nnte dies daran liegen, dass das Protein ein integraler Bestandteil der Membran ist und zum anderen, dass m{\"o}glicherweise der Transport der gew{\"a}hlten Bestrophin-Fragmente zum Nukleus nicht stattfindet. Dies gilt jedoch als Grundvoraussetzung f{\"u}r eine Proteininteraktion im Hefe-2-Hybridsystem. Bestrophin geh{\"o}rt zu einer großen Familie von integralen Membranproteinen, von der bis heute bereits {\"u}ber 100 Mitglieder bei verschiedenen Organismengruppen wie denS{\"a}ugern, Insekten und W{\"u}rmern identifiziert werden konnten. Als auff{\"a}lligste Besonderheit in der Familie der Bestrophine zeigt sich neben einer nicht-variablen RFP-Dom{\"a}ne (Arginin- Phenylalanin-Prolin) eine evolution{\"a}r hochkonservierte N-terminale Region. Um die phylogenetische Beziehung der Bestrophine zu untersuchen sowie den Aufbau und die Funktion von konservierten Motiven innerhalb der Familienmitglieder zu identifizieren, wurde diese konservierte N-terminale Region sowohl bioinformatisch wie auch Chapter Two: Zusammenfassung 4 phylogenetisch weiter untersucht. Die phylogenetische Analyse der Bestrophin Homologen brachte vier evolution{\"a}r konservierte Familienmitglieder in S{\"a}ugern hervor, die jeweils eine starke Homologie zu den Proteinen VMD2, VMD2-L1 bis VMD2-L3 des Menschen zeigen. Die signifikante {\"A}hnlichkeit der Proteinsequenz innerhalb der vier Familienmitglieder l{\"a}sst die Schlussfolgerungen zu, dass zum einen jedes einzelne Familienmitglied ihre eigene evolution{\"a}r konservierte Funktion hat und zum anderen dass die Divergenz des Bestrophins in verschiedene Familienmitglieder zeitlich vor der Divergenz der verschiedenen S{\"a}ugerspezien erfolgt sein muss.},
  subject      = {Makuladegeneration},
  language  = {en}
}