TY  - THES
A1  - Müller, Nicole
T1  - Entwicklung antigenabhängig aktivierbarer TNF-Ligand-Fusionsproteine
T1  - Development of antigen-dependent activatable TNF ligand fusion proteins
N2  - Von TRAIL, FasL und APRIL, drei Mitgliedern der TNF-Liganden-Familie, ist bekannt, dass Trimerstabilität und Oligomerisierungsstatus maßgeblich das Rezeptoraktivierungspotential dieser Liganden beeinflussen. Für die immunstimulatorischen TNF-Liganden CD27L, CD40L, OX40L, 41BBL und GITRL war hingegen vor der Durchführung dieser Arbeit praktisch nicht bekannt, inwieweit Trimerbildung, Stabilisierung und Oligomerisierung wichtig für deren Aktitvität sind. Dies wurde in dieser Arbeit systematisch untersucht. CD40L besaß bereits als trimeres Molekül eine hohe Aktivität, die durch sekundäre Oligomerisierung nur wenig gesteigert wurde. Die spezifische Aktivität konnte durch Stabilisierung mit Hilfe der Tenascin-C (TNC)-Trimerisierungsdomäne nur geringfügig gesteigert werden. CD27L war als lösliches 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-Antikörper ein starkes Signal. Trimerer OX40L und trimerer 41BBL konnten nur in oligomerisierter Form ihre Rezeptoren aktivieren, wobei die Aktivität der TNC-stabilisierten Form signifikant stärker ausgeprägt war. GITRL aktivierte seinen Rezeptor bereits als stabilisiertes Trimer und Hexamer, die Aktivität konnte durch Quervernetzen nur gering gesteigert werden. Zusammenfassend kann man sagen, dass CD27L, OX40L und 41BBL zu der Untergruppe der TNF-Ligandenfamilie gehört, für die eine Stabilisierung des trimeren Moleküls und dessen Oligomerisierung nötig sind, um eine starke Rezeptoraktivierung zu ermöglichen. Im Gegensatz dazu zeigten CD40L und GITRL bereits oligomerisierungsunabhängig eine hohe Aktivität. GITRL benötigte allerdings die Stabilisierung des trimeren Moleküls durch die TNC-Domäne, um gute Aktivität zu zeigen. Im Weiteren wurden Antikörperfragment (scFv-)-TNF-Ligand-Fusionsproteine konstruiert und untersucht, die ein Zelloberflächenantigen binden. Eine starke Zelloberflächenantigen-spezifische Aktivierung des jeweiligen Rezeptors konnte für scFv-41BBL und für 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 Antikörperfragments eine extrazelluläre Proteinbindedomäne, z.B. die eines TNF-Rezeptors, erhält man Fusionsproteine, die zum einen eine selektive Aktivierung der TNF-Ligandendomäne und somit die Aktivierung des korrespondierenden Rezeptors auf der Zielzelle ermöglichen, zum anderen aber durch die Bindung an den membranständigen Liganden dessen Aktitvät neutralisieren können. Für CD40-, RANK- und B7-2-FasL konnte der immobilisationabhängige Aktivierungseffekt auf entsprechenden Zelloberflächenmolekül-exprimierenden Zellen gezeigt werden. Anhand von T47D-Zellen, die durch eine autokrine CD40L-CD40-Signalschleife vor Apoptose geschützt sind, konnte gezeigt werden, dass durch die Bindung von CD40-FasL an membranständigen CD40L die CD40L-CD40-Interaktion gestört und gleichzeitig Apoptose verstärkt induziert werden kann. Das Prinzip der antigenabhängigen Aktivierung von TNF-Liganden könnte Anwendung in der Tumortherapie finden, da bei Verwendung entsprechender selektiv exprimierter Marker eine lokale Rezeptoraktivierung erreicht und so Nebenwirkungen minimiert werden können.
N2  - Trimer stability and oligomerization status of TRAIL, FasL and APRIL, three members of the TNF ligand family, critically determine their receptor activating potential. However, detailed information for the immunostimmulatory ligands CD27L, CD40L, OX40L, 41BBL and GITRL regarding the importance of trimer formation, stabilization and oligomerization for ligand activity was lacking. These aspects were investigated systematically in this work. CD40L was highly active as a trimeric molecule. Secondary oligomerization and/or stabilization via the tenascin-C (TNC) trimerization domain slightly enhanced its specific activity. As soluble Flag-tagged and as hexameric Fc protein CD27L failed to bind and activate its cognate receptor CD27, even after crosslinking. However, the TNC stabilized form of CD27L induced a strong signal after oligomerization with anti-Flag antibody. Receptor signaling was only activated by oligomerized molecules of trimeric OX40L and 41BBL whereas the respective TNC fusion protein showed significant stronger activity. Stabilized GITRL trimers and hexamers already activated their receptor whereas oligomerization of GITRL just slightly enhanced the specific activity. Taken together, CD27L, OX40L and 41BBL belong to a TNF ligand family subgroup which requires oligomerization and stabilization of the trimeric molecule to ensure strong receptor activation. In contrast, CD40L and GITRL already display high oligomerization-independent activity, though the latter needs stabilization by the TNC domain. Furthermore, antibody fragment (scFv)-ligand fusion proteins targeting specific cell surface antigens were designed and analyzed. Strong cell surface antigen-selective TNF receptor activation was achieved for scFv-41BBL and scFv-OX40L whereas scFv-CD40L and scFv-GITRL already induced signaling in the absence of antigen-positive cells. scFv-CD27L lacked activity even on antigen-positive cells. Using an extracellular protein binding domain for example the ligand binding domain of a TNF receptor instead of an antibody fragment resulted in fusion proteins that on the one hand activate the TNF ligand domain and thus the corresponding receptor on target cells and on the other hand neutralize membrane ligand activity by binding. The effect of cell surface immobilization-mediated activation of these fusion proteins on cells expressing the corresponding target molecule was shown here for CD40-, RANK- and B7-2-FasL. The CD40-FasL fusion protein simultaneously blocked CD40L-CD40 interaction and induced strong apoptosis in T47D cells displaying an antiapoptotic autocrine CD40L-CD40 signaling loop. The principle of antigen-dependent activation of TNF ligands could be of use in tumor treatment due to the fact that tumor specific marker targeting leads to locally restricted receptor activation on antigen positive cells, promising a reduction in potential off target effects.
KW  - Rekombinantes Protein
KW  - Oligomerisation
KW  - Fas-Ligand
KW  - Antigen CD40
KW  - Apoptosis
KW  - Fibroblast activator protein I
KW  - Antigen CD19
KW  - Tumor-Nekrose-Faktor
KW  - Trimerisation
KW  - Stabilisierung
KW  - CD27L
KW  - GITRL
KW  - OX40L
KW  - 41BBL
KW  - TRAIL
KW  - single chain
KW  - oligomerization
KW  - fusion protein
KW  - cross-linking
KW  - FAP
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-36489
ER  - 
TY  - THES
A1  - Delto, Carolyn Francesca
T1  - Structural and Biochemical Characterization of the GABA(A) Receptor Interacting Protein Muskelin
T1  - Strukturelle und Biochemische Charakterisierung des GABA(A) Rezeptor interagierenden Proteins Muskelin
N2  - 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.
N2  - Das Protein Muskelin wurde in einer Studie aus dem Jahr 2011 als zentraler Koordinator des retrograden Transports von GABA(A)-Rezeptoren in Neuronen beschrieben. Da Muskelin den Transport des Rezeptors sowohl entlang von Aktinfilamenten als auch Mikrotubuli steuert, könnte es der erste bekannte Vertreter einer neuen Klasse von Regulatoren sein, die den Transport einer Fracht über die Grenzen dieser beiden unabhängigen Systeme von Transportwegen und der damit assoziierten Motorproteine hinweg koordinieren. Um Grundlagen für das Verständnis der Wirkungsweise von Muskelin zu schaffen, war das Ziel dieser Arbeit die biochemische und strukturelle Charakterisierung von Muskelin und seiner Interaktion mit dem GABA(A)-Rezeptor.
Ein Schwerpunkt der Arbeit lag dabei auf der Analyse der Oligomerisierung von Muskelin. Wie gezeigt werden konnte, beruht die Oligomerisierung auf zwei unabhängigen, von verschiedenen Domänen des Proteins vermittelten Bindungen: zum Einen auf einer bereits bekannten Wechselwirkung der N-terminalen Discoidin-Domäne und des C-terminalen Teils (anschaulich als Head-to-tail, englisch für Kopf-an-Schwanz, bezeichnet), zum Anderen auf einer in der Literatur bisher außer Acht gelassenen Dimerisierung des LisH-Motivs in Muskelin.
Für die detaillierten Studien beider Bindungen lieferte die Aufklärung der Kristallstruktur eines Teilstücks von Muskelin, das die Discoidin-Domäne und das LisH-Motiv umfasst, eine wichtige Grundlage. Das Teilstück kristallisierte als Dimer, wobei die Dimerisierung ausschließlich über das LisH-Motiv vermittelt wurde. Die biochemischen Analysen bestätigten, dass das LisH-Motiv in Muskelin als Dimerisierungselement wirkt, und zeigten darüber hinaus, dass die C-terminale Domäne des Proteins diese Dimerisierung wesentlich stabilisiert. Zudem offenbarte die Kristallstruktur den molekularen Aufbau der Oberfläche des Kopfes in der Head-to-tail-Bindung, der Discoidin-Domäne. Die Kartierung der zur Bindung beitragenden Aminosäuren belegte, dass die Bindungsstelle der Head-to-tail-Interaktion mit der generischen Ligandenbindungsstelle der Discoidin-Domäne zusammenfällt.
Als Teil der Analysen wurden zur LisH-Dimerisierung oder zur Head-to-tail-Bindung kritisch beitragende Aminosäurenseitenketten identifiziert, durch deren Mutationen
Ispezifisch jeweils eine der beiden Interaktionen unterbunden werden konnte. Diese Mutationen ermöglichten es, das Zusammenspiel der Bindungen in der Oligomerisierung zu untersuchen. Es konnte gezeigt werden, dass rekombinantes Muskelin ein Tetramer bildet, wozu beide Interaktionen, die LisH-Dimerisierung und die Head-to-tail-Bindung, unabhängig beitragen. Wurde jeweils eine der beiden Interaktionen durch Mutation gestört, konnte nur noch ein über die jeweils andere Interaktion vermitteltes Dimer gebildet werden, bei gleichzeitiger Störung beider Interaktionen lag das Protein als Monomer vor. Darüber hinaus konnte Frank Heisler in der Arbeitsgruppe von Matthias Kneussel mit Hilfe dieser Mutationen zeigen, dass eine Störung der LisH-Dimerisierung drastische Auswirkungen auf Muskelin in Zellen hat. Die Störung der LisH-Dimerisierung führte zu einer vollständigen Umverteilung des sonst im Zytoplasma lokalisierten Muskelins in den Kern, begleitet von einer starken Beeinträchtigung seiner Funktion im Transport des GABA(A)-Rezeptors. Auf diesen Ergebnissen aufbauend wurde durch Analysen der oligomeren Zustände von Muskelin-Varianten, für die in der Literatur eine veränderte Lokalisation beschrieben worden war, die entscheidende Bedeutung der LisH-Dimerisierung für die subzelluläre Verteilung und damit die Rolle von Muskelin in der Zelle bekräftigt.
Die biochemischen Studien der Interaktion von Muskelin und der alpha1-Untereinheit des GABA(A)-Rezeptors demonstrierten eine direkte Bindung mit mikromolarer Affinität, die in Muskelin vorwiegend durch die Kelch-repeat-Domäne vermittelt wird. Für die Bindungsstelle auf Seite des GABA(A)-Rezeptors wurde bestätigt, dass die dreizehn C-terminalen Reste der intrazellulären Domäne entscheidend sind. In Übereinstimmung mit der starken Konservierung dieser Reste in verschiedenen alpha-Untereinheiten des GABA(A)-Rezeptors, konnte gezeigt werden, dass in vitro eine Bindung von Muskelin auch an die intrazelluläre Domäne der alpha2- und alpha5-Untereinheit möglich ist. Anhand des Vergleichs der Bindungsstelle zwischen den homologen Untereinheiten lassen sich erste Rückschlüsse auf die Details der Interaktion ziehen, die als Anknüpfungspunkt für kommende Studien dienen können.
Diese Arbeit liefert damit wesentliche Beiträge zum Verständnis von Muskelin, insbesondere der Bedeutung seiner Oligomerisierung. Sie bietet zudem ein experimentelles Rahmenwerk für zukünftige Studien, die sich verwandten Themen, wie der Charakterisierung weiterer Interaktionen von Muskelin, oder den in dieser Arbeit aufgeworfenen Fragen widmen.
KW  - Oligomerisation
KW  - GABA-Rezeptor
KW  - Muskelin
KW  - Oligomerization
KW  - GABA(A) receptor
KW  - Interaction analysis
KW  - Strukturanalyse
KW  - Biochemie
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-115922
ER  - 
TY  - THES
A1  - Klemm, Theresa Antonia
T1  - Minor differences cause major effects: How differential oligomerization regulates the activities of USP25 and USP28
T1  - Kleine Unterschiede mit großer Auswirkung: Wie differenzielle Oligomerisierung die Aktivitäten von USP25 und USP28 reguliert
N2  - 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.
N2  - Deubiquitinasen sind Regulatoren des Ubiquitin-Proteasom-Systems, welche der Ubiquitin-Kaskade entgegenwirken, in dem sie Ubiquitin von Substraten entfernen oder Ubiquitinketten schneiden. Durch ihr umfangreiches Vorkommen in wichtigen Signalwegen, werden sie häufig mit Krankheiten assoziiert und gelten daher als vielversprechender Ansatzpunkt für die Entwicklung von Arzneimitteln. Die zwei verwandten Ubiquitin-spezifischen Proteasen USP25 und USP28 zeichnen sich durch eine sehr hohe Konservierung der Aminosäuresequenz aus, unterscheiden sich jedoch in ihren biologischen Funktionen. USP28 ist in die Regulierung des Zellzyklus involviert und wurde auch mit mehreren Krebsarten in Verbindung gebracht. Es zeigt onkogene Merkmale, indem es die Onkoproteine MYC und JUN vor dem proteasomalen Abbau schützt, welcher durch die E3-Ligase SCF (FBW7) induziert wird. Im Widerspruch dazu reguliert USP28 jedoch auch die Stabilität des Tumorsuppressors FBW7 selbst. USP25 hingegen stabilisiert TRAF3 und TRAF6 und trägt damit zum Gleichgewicht des angeborenen Immunsystems bei. Außerdem wurde USP25 erst kürzlich eine Funktion nachgewiesen, die den Wnt-Signalweg fördert, indem es TNKS deubiquitiniert. 
Die hohe Sequenzidentität beider Proteasen führte bisher dazu, dass alle Inhibitoren, die entwickelt wurden, um USP28 spezifisch zu hemmen, auch eine Kreuzreaktion mit USP25 aufweisen. In unseren Studien, haben wir Röntgenkristallographie, sowie biochemische und biophysikalische Methoden angewandt, um strukturelle und funktionelle Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen USP25 und USP28 zu identifizieren, die bei der Entwicklung von spezifischen Inhibitoren genutzt werden können. 
Die Kristallstruktur der katalytischen Domäne von USP28 zeigt ein Kirsch-ähnliches Dimer, welches, vermittelt durch die Insertion einer helikalen Unterdomäne, der USP25/USP28 catalytic domain inserted domain (UCID), mit sich selbst assoziiert. In USP25, führt die UCID zu der Bildung eines Tetramers, welches aus zwei USP28-ähnlichen Dimeren besteht. Strukturelle und funktionelle Untersuchungen zeigten, dass ein USP28 Dimer aktiv ist, wohingegen ein tetrameres USP25 auto-inhibiert vorliegt. In in vitro Experimenten führte die Zerschlagung des USP25 Tetramers, durch eine Krebs-assoziierte Mutation oder eine Deletionsvariante, zu einem Dimer und damit zu einer Aktivierung von USP25. In Zell-studien, induzierten die USP25 Dimere eine erhöhte Stabilität des Substrates TNKS. Außerdem zeigten die in vitro Daten, dass weder Ubiquitin noch die Substratbindung unsere USP25 Konstrukte aktivieren können. Durch die strukturelle Charakterisierung der C-terminalen Domäne von USP25, konnten wir den letzten bisher unbekannten Bereich des Enzyms als eine separat gefaltete Domäne beschreiben, welche Substratinteraktionen vermittelt. 
Sowohl durch die Strukturen, der katalytischen Domänen von USP25 und USP28, als auch durch die funktionelle Charakterisierung beider Enzyme konnten neue Erkenntnisse zu der Regulation von USPs durch Oligomerisierung gewonnen werden. Außerdem konnten wir individuelle Merkmale in beiden Proteasen identifizieren, die genutzt werden können, um die Entwicklung von spezifischen kleinmolekularen Inhibitoren voran zu bringen.
KW  - Oligomerisation
KW  - Enzym
KW  - deubiquitinase
KW  - USP
KW  - oligomerization
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-191080
ER  - 
TY  - THES
A1  - Lehmann, Julian
T1  - Hochauflösende Fluoreszenzmikroskopie beleuchtet den Oligomerisierungsstatus pflanzlicher Membranproteine
T1  - Super-resolution microscopy elucidates the stoichiometry of plant membrane proteins
N2  - SLAC/SLAH Anionenkanäle, die zur Familie der langsamen Anionenkanäle gehören, repräsentieren Schlüsselproteine in der pflanzlichen Stressantwort. Neben ihrer Aufgabe in Stresssituationen, ist eine Untergruppe der Kanäle für die Beladung der Leitgefäße mit Nitrat und Chlorid in der Stele der Pflanzenwurzeln verantwortlich. Biophysikalische und pflanzenphysiologische Studien stellten heraus, dass vor Allem der Anionenkanal SLAH3 für die Beladung der Xylem Leitgefäße 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 Aktivität 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 Ansäuerung aktiviert. Obwohl bereits die Kristallstruktur des bakteriellen Homologs HiTehA zu pflanzlichen SLAC/SLAH Anionenkanälen bekannt ist, welche HiTehA als Trimer charakterisiert, sind die Stöchiometrie und der Polymerisierungsgrad der pflanzlichen SLAC/SLAHs bisher noch unbekannt. 
Die Fluoreszenzmikroskopie umfasst viele etablierte Anwendungsmethoden, wie die konfokale Laserrastermikroskopie (CLSM), Techniken mit verbesserter Auflösung, wie die Mikroskopie mit strukturierter Beleuchtung (SIM) und hochauflösende Methoden, welche durch die Lokalisationsmikroskopie (z.B. dSTORM und PALM) oder die Expansionsmikroskopie (ExM) vertreten werden. Diese unterschiedlichen Mikroskopie-methoden ermöglichen neue Einblicke in die Organisation von Proteinen in biologischen Systemen, die bis auf die molekulare Ebene hinunterreichen. Insbesondere im Bereich der hochauflösenden Fluoreszenzmikroskopie sind im Gegensatz zu tierischen Frage-stellungen bisher jedoch nur wenige Untersuchungen in pflanzlichen Geweben durchgeführt worden. 
Die Lokalisationsmikroskopie ermöglicht die Quantifizierung einzelner Moleküle in nativen Systemen und lässt überdies Rückschlüsse auf den Polymerisierungsgrad von Proteinen zu. Da Poly- und Heteromerisierung von Proteinen oftmals mit der Funktionalität eines entsprechenden Proteins einhergeht, wie es bei den SLAC/SLAH Anionenkanälen der Fall ist, wurden in dieser Arbeit PALM Messungen zur Untersuchung des Polymerisierungsgrades und Interaktionsmuster der Anionenkanäle 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 bestätigen und die gruppierte Verteilung in der Plasmamembran am Zellpol auflösen. In Wurzel-querschnitten war es möglich, Zellwände 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 Auflösungsgrenze eines SIM-Mikroskops bestimmen, weshalb diese Probe als Modellstruktur für Auflösungsanalysen, zur Kontrolle für die korrekte Bildverarbeitung bei hochauflösender Bildgebung und andere Fragestellungen empfohlen werden kann. 
Für die Expansionsmikroskopie in pflanzlichen Proben konnten ein enzym- und ein denaturierungsbasiertes Präparationsprotokoll etabliert werden. Dabei wurden ganze At Setzlinge, Wurzelabschnitte und Blattstücke gefärbt, expandiert und mit zwei bis drei Mal verbesserter Auflösung bildlich dargestellt. In diesem Zusammenhang waren Aufnahmen ganzer Wurzel- und Blattproben mit beeindruckender Eindringtiefe und extrem geringem Hintergrundsignal möglich. Zudem wurden die Daten kritisch betrachtet, Probleme aufgezeigt, gewebespezifische Veränderungen dargestellt und limitierende Faktoren für 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 unterstützt die Annahme, dass SLAH2 bei der Beladung der Leitgefäße mit Nitrat maßgeblich beteiligt ist. Es ist denkbar, dass SLAH2 ebenfalls eine wachstumsbeeinflussende Funktion über die Regulation von Nitratkonzentrationen zugeschrieben werden kann. Darauf deuten vor allem die verstärkte Expression von SLAH2 im Bereich der Seitenwurzeln und die heterogene Expression in der Elongations-, Differenzierungs- und meristematischen Zone hin. Die Membranständigkeit von SLAH4 konnte nachgewiesen werden und FRET FLIM Untersuchungen zeigten eine hohe Affinität von SLAH4 zu SLAH3, was die beiden Homologe als Interaktionspartner identifiziert.
Für die Bestimmung des Oligomerisierungsgrades mittels PALM wurden die pflanzlichen Anionenkanäle in tierischen COS7-Zellen exprimiert. Die elektrophysiologische Funktionalität der mEOS2-SLAC/SLAH-Konstrukte wurde mit Hilfe von Patch-Clamp-Versuchen in COS7-Zellen überprüft. Um Expressionslevel, Membranständigkeit und die Verteilung über die Membran der SLAC/SLAHs zu verifizieren, wurden dSTORM-Aufnahmen herangezogen 
Schließlich ermöglichten PALM-Aufnahmen die Bestimmung des Polymerisierungs-grades der SLAC/SLAH Anionenkanäle, die stöchiometrischen Veränderungen bei Heteromerisierung von SLAH3 mit SLAH1 oder SLAH4 und auch der Einfluss einer zytosolischer Ansäuerung auf den Polymerisierungsgrad von SLAH3 Homomeren. Zudem weisen die Oligomerisierungsanalysen von SLAH3 Mutanten darauf hin, dass die Aminosäuren Histidin His330 und His454 entscheidend an der pH sensitiven Regulierung von SLAH3 beteiligt sind.
Durch die erhobenen Daten konnten also entscheidende, neue Erkenntnisse über die Regulationsmechanismen von pflanzlichen Anionenkanälen auf molekularer Ebene gewonnen werden: Unter Standardbedingungen liegen SLAC1, SLAH2 und SLAH3 hauptsächlich als Dimer vor. Auf eine zytosolische Ansäuerung reagiert ausschließlich SLAH3 mit einer signifikanten stöchiometrischen Veränderung und liegt im aktiven Zustand vor Allem als Monomer vor. Der Oligomerisierungsgrad von SLAC1 und SLAH2 bleibt hingegen bei einer zytosolischen Ansäuerung unverändert. 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 hochauflösende Fluoreszenz-mikroskopie, insbesondere PALM erlaubt es also Heteromerisierungsereignisse und Änderungen im Poylmerisierungsgrad von Membranproteinen wie den SLAC/SLAHs auf molekularer Ebene zu untersuchen und lässt so Rückschlüsse auf physiologische Ereignisse zu.
N2  - Anion channels of the slow anion channel family (SLAC/SLAH) are general master switches of plant stress responses. In addition a subgroup of channels load the vascular tissue in roots with nitrate and chloride. The activity of the main nitrate and chloride loading anion channel, SLAH3, is controlled by heteromerization with the electro-physiologically silent subunits SLAH1 and SLAH4 or alternatively by cytosolic acidification. Although the crystal structure of a bacterial homologue (HiTehA) of plant SLAC/SLAH anion channels is already known and suggests a trimeric structure, the stoichiometry and the multimerization level of the plant anion channel counterparts are still undiscovered.
Fluorescence microscopy encompasses numerous well-established application methods like confocal laser scanning microscopy (CLSM), high resolution techniques like structured illumination microscopy (SIM) and super resolution microscopy represented by single molecule localization microscopy (e.g. dSTORM and PALM) or recently upcoming methods like expansion microscopy (ExM). These different application methods open new fields of insight into the biological organization of proteins, even down to the molecular level. In comparison to faunal studies, very little floral enquiries have been conducted, especially in the super resolution-sector. 
Single-molecule localization microscopy enables individual molecules to be quantified in the native environment and therefore allows conclusions regarding protein stoichiometry. As protein stoichiometry often involves cellular function of the corresponding protein, we used PALM applications and single molecule counting strategies to analyze the stoichiometric distribution of anion channel complexes. Moreover, in this study, expression patterns of the SLAC/SLAH proteins were investigated and different microscopic applications on plant specific issues could be improved and established. 
Referring to microscopic applications, we confirmed the polar orientation of PIN proteins via SIM and succeeded in resolving the clustered distribution in the plasma membrane at the cellular pole. Besides we were also able to measure cellwall dimensions of root cross sections from Arabidopsis thaliana seedlings and therefore succeeded in concluding the root architecture, designating the various cell types within the root, comparing them with cellwall thickness and evaluating resolution limits of the SIM microscope. Due to these reasons, this specimen can be recommended as a model structure for resolution analyses, control measurements regarding tissue-intactness after image processing for super-resolution images, or further questions. 
We turned out to establish two different protocols for ExM-studies in plants. One is based on enzymatic digestion and the other one on denaturation. We were able to label, expand and image whole At-seedlings, root- and leaf segments and thereby improved the resolution 2 3 fold. In this regard we managed to comprehensively depict the intact structure of leaves and roots with impressive penetration depth and extremely low background. We also examined our data and identified tissue-specific changes, discuss problems and possible limits of ExM in plants.
The major part of this work was the investigation of SLAC/SLAH proteins. The expression of SLAH2 in roots is mainly located in endodermal and pericycle cells which was observed in various At-SLAH2-YFP mutants. Thus, strengthening the hypothesis, that SLAH2 has a major role in loading the vascular tissue with nitrate. The heterogeneous expression levels of SLAH2 in the meristematic-, elongation- and differentiation zone and moreover the upregulation in areas of lateral root formation also suggests that SLAH2 has an effect on plant growth by regulating nitrate levels. SLAH4 is located in the plasma membrane and FRET FLIM measurements showed a high affinity to SLAH3, validating the two homologues as interaction partners.
For PALM-stoichiometry analyses, the plant anion channels were expressed in mammalian COS7-cells, in order to avoid endogenous falsification of the stoichiometries, as well as impractical reasons of PALM imaging in plant tissue. Hence, checking the electrophysiological functionality of mEOS2-SLAC/SLAH constructs via patch-clamp measurements. dSTORM-measurements were used to verify expression levels, correct membrane-association and the distribution of the SLAC/SLAHs in COS7 cells. 
We determined the multimerization level of SLAC/SLAHs upon cytosolic acidification and monitor stoichiometric changes upon heteromerization of SLAH3 with SLAH1 and SLAH4.
On the basis of our data the following valuable new insights into the regulation mechanisms of plant anion channels were revealed: under control conditions, SLAC1, SLAH2 and SLAH3 are mainly depicted as dimers. Upon cytosolic acidification with NaOAc the stoichiometries of SLAC1 and SLAH2 remained unchanged, whereas the amount of dimeric SLAH3 is significantly reduced and shifts to a mainly monomeric distribution. It could also be assessed that SLAH3 interacts with SLAH1 or SLAH4, thereby forming a heterodimer, which is barely separable by acidification. In contrast, for SLAH1 and SLAH4 no affinity was observed. Moreover, the stoichiometries of different SLAH3-mutants indicated a crucial role of the amino acids histidin His330 and His454 in the pH-sensitive regulation of SLAH3.
Hence, super-resolution micrsocopy, especially PALM allows the quantification of polymerization- and heteromerization-levels of proteins like the SLAC/SLAH anion-channels on the molecular level and therefore enabling physiological conclusions.
KW  - Fluoreszenzmikroskopie
KW  - Membranproteine
KW  - Oligomerisation
KW  - Superresolution microscopy
KW  - SLAC/SLAH
KW  - PALM stoichiometry
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-211762
ER  -