@phdthesis{Loeschberger2014,
  author    = {L{\"o}schberger, Anna},
  title     = {Biologische Referenzstrukturen und Protokolloptimierung in der hochaufl{\"o}senden Fluoreszenzmikroskopie mit dSTORM},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-102630},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2014},
  abstract  = {Die Lokalisationsmikroskopie ist eine neue, vielversprechende Methode der hochaufl{\"o}senden Fluoreszenzmikroskopie. Sie erm{\"o}glicht detaillierte Einblicke in die Organisation und den strukturellen Aufbau von Zellen. Da die Vorbereitung der Proben und das Aufnehmen der Bilder im Vergleich zu herk{\"o}mmlichen Methoden h{\"o}here Anforderungen stellt, mussten ihr Potential und ihre Zuverl{\"a}ssigkeit erst noch {\"u}berzeugend gezeigt werden. Bis vor kurzem wurde das Aufl{\"o}sungsverm{\"o}gen vor allem an Mikrotubuli gezeigt, deren filament{\"o}se Struktur allerdings schon in konfokalen Bildern zu erkennen ist. Deswegen wurde in dieser Dissertation der Kernporenkomplex (NPC), dessen Struktur in der konventionellen Fluoreszenzmikroskopie nicht aufl{\"o}sbar ist, als Modellstruktur f{\"u}r die hochaufl{\"o}sende Fluoreszenzmikroskopie eingef{\"u}hrt. Dazu wurden Kernporenkomplexe aus Kernh{\"u}llen von Xenopus laevis Oocyten mit dSTORM (direct stochastic optical reconstruction microscopy), einer Methode der Lokalisationsmikroskopie, hochaufgel{\"o}st. Damit konnte nun erstmals die Achtfachsymmetrie dieses Proteinkomplexes lichtmikroskopisch dargestellt werden. Desweiteren konnte der Zentralkanal mit einem Durchmesser von ca. 40 nm aufgel{\"o}st werden. Die Daten eigneten sich außerdem f{\"u}r eine automatisierte Bildanalyse nach dem sogenannten "particle averaging" - einer aus der Elektronenmikroskopie bekannten Methode, um eine Durchschnittsstruktur zu ermitteln. Dar{\"u}ber hinaus wurden Zweifach-F{\"a}rbungen von NPCs benutzt, um verschiedene Ans{\"a}tze f{\"u}r Zweifarben-Aufnahmen mit dSTORM zu testen. Neben dem mittlerweile standardm{\"a}ßig benutzten, sequentiellen Ansatz mit zwei spektral getrennten Farbstoffen, wurde auch ein simultaner Ansatz mit zwei spektral {\"u}berlappenden Farbstoffen erfolgreich angewandt. Auch f{\"u}r 3D-Messungen mit den Ans{\"a}tzen Biplane und Astigmatismus eignete sich die Markierung der Kernh{\"u}lle. Hier wurden jedoch A6-Zellen benutzt und die Kr{\"u}mmung des Zellkerns {\"u}ber die gef{\"a}rbten Kernporen dargestellt. dSTORM-Messungen k{\"o}nnen nicht nur an fixierten, sondern auch in lebenden Zellen durchgef{\"u}hrt werden. Hierzu eignen sich vor allem sehr immobile Proteine, wie H2B oder Lamin C. Anhand von SNAP-Tag- und Halo-Tag-Konstrukten konnte gezeigt werden, dass sich kommerziell erh{\"a}ltliche, organische Farbstoffe auch in endogener zellul{\"a}rer Umgebung schalten lassen, wodurch Lebendzell-Aufnahmen mit dSTORM m{\"o}glich sind. Ein weiterer Teil dieser Arbeit befasst sich mit korrelativen Aufnahmen aus dSTORM und Rasterelektronenmikroskopie (SEM). Hierzu wurden Xenopus laevis Kernh{\"u}llen zuerst mit dSTORM hochaufgel{\"o}st und danach f{\"u}r die EM pr{\"a}pariert. Anschließend wurden zugeh{\"o}rige Bereiche am Rasterelektronenmikroskop aufgenommen. Mit den erhaltenen korrelativen Bildern konnte gezeigt werden, dass sich dSTORM und SEM bei geeigneten Proben durchaus kombinieren lassen. Proteine k{\"o}nnen somit spezifisch markiert und im Rahmen ihrer strukturellen Umgebung mit nahezu molekularer Aufl{\"o}sung dargestellt werden. Da hochwertige Aufnahmen eine ausgereifte Probenpr{\"a}paration voraussetzen, darf deren Etablierung nicht zu kurz kommen. Unter dieser Pr{\"a}misse wurde ein optimiertes Markierungsprotokoll mit dem Namen ClickOx entwickelt. Mit ClickOx bleibt bei der kupferkatalysierten Azid-Alkin-Cycloaddition die Feinstruktur von Aktinfilamenten, sowie die Fluoreszenz fluoreszierender Proteine, deutlich sichtbar erhalten. W{\"a}hrend bei den klassischen Click-Protokollen auf Grund der Entstehung von reaktiven Sauerstoff-Spezies (ROS) feine zellul{\"a}re Strukturen, wie Aktinfilamente, angegriffen oder zerst{\"o}rt werden, sch{\"u}tzt das neue Protokoll mit enzymatischem Sauerstoffentzug Proteine und somit Strukturen vor Reaktionen mit ROS. Das unterstreicht, wie wichtig es ist auch sogenannte "etablierte" Protokolle weiterzuentwickeln, denn bestimmte Nebeneffekte in Pr{\"a}parationen werden unter Umst{\"a}nden erstmals in der Hochaufl{\"o}sung sichtbar. Ein weiterer Aspekt war die Untersuchung des Einflusses von D1 auf die Chromatinorganisation. Mit verschiedenen mikroskopischen Methoden konnten Hinweise auf eine m{\"o}gliche DNA-Cross-Linking-F{\"a}higkeit dieses Proteins gesammelt werden. Hier wurde die Einzelmolek{\"u}linformation der dSTORM-Filme genutzt, um unterschiedliche Grade von DNA- bzw. Chromatin-Akkumulation zu vergleichen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass wildtypisches D1 DNA vernetzen kann. Dies erfolgt {\"u}ber die sogenannten AT-Haken-Motive. Sobald diese alle durch Mutation funktionsunf{\"a}hig gemacht werden - wie bei der verwendeten R10xG-Mutante - l{\"a}sst sich keine Akkumulation der DNA mehr beobachten. Neben der Chromatinaggregation durch D1-Expression konnte in FRAP-Experimenten gezeigt werden, dass nur die "echten" AT-Haken eine hohe Affinit{\"a}t zum Chromatin aufweisen, die sogenannten "potentiellen" hingegen nicht.},
  subject      = {Fluoreszenzmikroskopie},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Aufmkolk2018,
  author    = {Aufmkolk, Sarah},
  title     = {Super-Resolution Microscopy of Synaptic Proteins},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-151976},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  pages     = {X, 97},
  year      = {2018},
  abstract  = {The interaction of synaptic proteins orchestrate the function of one of the most complex organs, the brain. The multitude of molecular elements influencing neurological correlations makes imaging processes complicated since conventional fluorescence microscopy methods are unable to resolve structures beyond the diffraction-limit. The implementation of super-resolution fluorescence microscopy into the field of neuroscience allows the visualisation of the fine details of neural connectivity. The key element of my thesis is the super-resolution technique dSTORM (direct Stochastic Optical Reconstruction Microscopy) and its optimisation as a multi-colour approach. Capturing more than one target, I aim to unravel the distribution of synaptic proteins with nanometer precision and set them into a structural and quantitative context with one another. Therefore dSTORM specific protocols are optimized to serve the peculiarities of particular neural samples. In one project the brain derived neurotrophic factor (BDNF) is investigated in primary, hippocampal neurons. With a precision beyond 15 nm, preand post-synaptic sites can be identified by staining the active zone proteins bassoon and homer. As a result, hallmarks of mature synapses can be exhibited. The single molecule sensitivity of dSTORM enables the measurement of endogenous BDNF and locates BDNF granules aligned with glutamatergic pre-synapses. This data proofs that hippocampal neurons are capable of enriching BDNF within the mature glutamatergic pre-synapse, possibly influencing synaptic plasticity. The distribution of the metabotropic glutamate receptor mGlu4 is investigated in physiological brain slices enabling the analysis of the receptor in its natural environment. With dual-colour dSTORM, the spatial arrangement of the mGlu4 receptor in the pre-synaptic sites of parallel fibres in the molecular layer of the mouse cerebellum is visualized, as well as a four to six-fold increase in the density of the receptor in the active zone compared to the nearby environment. Prior functional measurements show that metabotropic glutamate receptors influence voltage-gated calcium channels and proteins that are involved in synaptic vesicle priming. Corresponding dSTORM data indeed suggests that a subset of the mGlu4 receptor is correlated with the voltage-gated calcium channel Cav2.1 on distances around 60 nm. These results are based on the improvement of the direct analysis of localisation data. Tools like coordinated based correlation analysis and nearest neighbour analysis of clusters centroids are used complementary to map protein connections of the synapse. Limits and possible improvements of these tools are discussed to foster the quantitative analysis of single molecule localisation microscopy data. Performing super-resolution microscopy on complex samples like brain slices benefits from a maximised field of view in combination with the visualisation of more than two targets to set the protein of interest in a cellular context. This challenge served as a motivation to establish a workflow for correlated structured illumination microscopy (SIM) and dSTORM. The development of the visualisation software coSIdSTORM promotes the combination of these powerful super-resolution techniques even on separated setups. As an example, synapses in the cerebellum that are affiliated to the parallel fibres and the dendrites of the Purkinje cells are identified by SIM and the protein bassoon of those pre-synapses is visualised threedimensionally with nanoscopic precision by dSTORM. In this work I placed emphasis on the improvement of multi-colour super-resolution imaging and its analysing tools to enable the investigation of synaptic proteins. The unravelling of the structural arrangement of investigated proteins supports the building of a synapse model and therefore helps to understand the relation between structure and function in neural transmission processes.},
  subject      = {Hochaufl{\"o}sende Mikroskopie},
  language  = {en}
}