TY  - THES
A1  - Göhler, Antonia
T1  - Untersuchung Karbohydrat-bindender Proteine mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung
T1  - Studying carbohydrate binding proteins with high temporal and spatial resolution
N2  - Das menschliche Genom verschlüsselt 30000 bis 40000 Proteine, von denen ein Großteil kovalent gebundene Karbohydrat-Gruppen an Asparagin-, Serin-, Threonin- oder Hydroxylysin-Resten trägt. Diese sogenannten Glykoproteine sind allgegenwärtige Bestandteile der extrazellulären Matrix von Zelloberflächen. Sie steuern Zell-Zell- und Zell-Matrix-Kommunikationen, können bei der roteinfaltung helfen bzw. die Proteinstabilität erhöhen oder Immunantworten regulieren. Die Auslösung von biologischen Prozesse erfordert aber Übersetzer der zuckerbasierten Informationen. Solche Effektoren sind die Lektine, unter ihnen auch die Galektine. Galektine binden spezifisch β-Galaktosen, weisen strukturelle Übereinstimmungen in der Aminosäuresequenz ihrer Zuckererkennungsdomänen (CRDs) auf und zeigen ein „jelly-roll“-Faltungsmuster, bestehend aus einem β-Sandwich mit zwei antiparallelen Faltblättern. Strukturell werden die CRDs in drei verschiedenen, topologischen Formen präsentiert. Proto-Typen existieren als nicht-kovalent verknüpfte Dimere der CRDs, Chimera-Typen besitzen neben der CRD eine Nicht-Lektin-Domäne und bei den Tandem-Repeat-Typen sind zwei verschiedene CRDs über ein kurzes Linker-Peptid kovalent verbunden. Galektine werden sowohl in normalem wie auch pathogenem Gewebe exprimiert und das zunehmende Wissen über die Beteiligung an verschiedenen Krankheiten und Tumorwachstum liefert die Motivation, strukturelle Aspekte und die Vernetzung von Lektinen detailliert, insbesondere im Hinblick auf ihre intrafamiliären Unterschiede, zu untersuchen. Durch die Kombination verschiedener Spektroskopie-Techniken mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung, basierend auf der Verwendung von Fluorophoren (intrinsisch und extrinsisch), werden in dieser Arbeit die Eigenschaften von Galektinen näher untersucht. Mit Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie (FCS) und Anisotropie-Messungen wird gezeigt, dass eine Liganden-Bindung bei Proto-Typ-Galektinen mit einer Verringerung des hydrodynamischen Radius einhergeht. Bei Tandem-Repeat- und Chimera-Typen bleibt der Radius konstant. Dafür skaliert die Diffusionskonstante von Tandem-Repeat-Typen anormal mit der molaren Masse. Die Anisotropie-Messungen werden parallel zu den FCS-Messungen durchgeführt, um einen Einfluss des Fluoreszenzmarkers auszuschließen. Mit Hilfe dieser Technik wird außerdem gezeigt, dass unterschiedliche Dissoziationskonstanten und Kinetiken für den Bindungsprozess innerhalb der Proto-Typ-Gruppe möglichweise auf unterschiedliche Konformationsdynamiken zurückgehen. Der Vergleich von hGal-1 und cG-1B verdeutlicht, dass strukturelle Ähnlichkeiten zwar ein identisches Bindungsverhalten hervorrufen können, der Oxidationsprozess der Proteine aber unterschiedlich ablaufen kann. Beide Methoden können so als sehr sensitive Techniken zur Untersuchung von Strukturmerkmalen bei Galektinen etabliert werden, wobei die Übertragbarkeit auf andere Glykoproteine gewährleistet ist. Weiterhin gilt Quervernetzung als eine der wichtigsten Eigenschaften von Galektinen, da durch die Vernetzung von Glykoproteinen auf der Zelloberfläche Signalwege aktiviert und Immunantworten reguliert werden. Um die räumliche organisation und Quervernetzung von hGal-1 auf den Oberflächen von Neuroblastomzellen nachzuweisen, eignet sich das hochauflösende Mikroskopieverfahren dSTORM sehr gut. Durch Verwendung des photoschaltbaren Fluorophors Alexa647 als spezifischem Marker für hGal-1, einem Standard-Weitfeld-Aufbau und verschiedenen Analyseverfahren, kann eine Clusterformation von hGal-1 auf der Zelloberfläche bestätigt werden. hGal-1 bildet Cluster mit einem mittleren Durchmesser von 81±7 nm aus. Der Durchmesser ist unabhängig von der Konzentration, während die Anzahl der Cluster davon abhängt. Für die Clusterausbildung ist ein Startpunkt, also eine minimale Dichte der Galektin-Moleküle, notwendig. Durch Blockierung der CRDs mit Laktose wird die Clusterbildung unterdrückt und die Spezifität der CRDs gegenüber β-Galaktosen erneut herausgestellt. Anders als dimeres hGal-1 binden Monomere deutlich schlechter an die Membranrezeptoren. Es werden keine Cluster ausgebildet, eine Quervernetzung von Membranrezeptoren ist nicht möglich. Außerdem kann es durch die Monomere zu einer vollständigen Markierung und damit Abkugellung der Zellen kommen. Möglicherweise wird der Zelltod induziert. Hochauflösende Mikroskopieverfahren sind durch den Markierungsprozess limitiert. Die bioorthogonale Click-Chemie eröffnet jedoch neue Möglichkeiten zur Markierung und Visualisierung von Biomolekülen, ohne die Notwenigkeit genetischer Manipulationen. Es werden modifizierte Zuckermoleküle in die Zellmembranen eingebaut, über eine 1,3-polare Cycloaddition mit einem Alkin markiert und ihre Verteilung mit Hilfe von dSTORM untersucht. Es wird nachgewiesen, dass die Zuckermoleküle in Clustern auftreten und Click-Chemie trotz dem Katalysator Kupfer an lebenden Zellen durchführbar ist. Die Bewegung der Gesamtcluster wird mittels Mean Square Displacement aufgeschlüsselt und eine Diffusionskonstante für Cluster im Bereich von 40 - 250 nm bestimmt. Zusammenfassend stellt die Kombination verschiedener Spektroskopie-Techniken ein gutes Werkzeug zur Untersuchung von Karbohydrat-bindendenden Proteinen mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung dar und ermöglicht einen neuen Einblick in die Biologie der Galektine.
N2  - The human genome encodes 30,000 to 40,000 proteins of which the majority have covalently linked carbohydrates at the amino acids asparagine, serine, hreonine and hydroxylysine. These so called glycoproteins are embedded in the extracellular matrix and presented on cell surfaces. Glycoproteins are important membrane proteins, which are involved in cell-cell or cell-matrix interactions, protein folding or missfolding and the regulation of immune responses. The glycan chains harbour ideal properties for high-density storage of biological information; they are the basis of the sugar code. To translate its structural information into physiological effects the interplay with endogenous lectins is important. Lectins, among them the family of galectins, translate the sugarbased information into biosignaling. Galectins are carbohydrate-binding proteins that bind β-galactosides. They share a core sequence consisting of 130 amino acids, and a β-sandwich fold with two antiparallel β-sheets. Structurally, they are divided into three groups: proto-types exist as non-covalent dimers of two carbohydrate-recognition domains (CRD). The chimera-types have a lectin and a non-lectin domain and tandem-repeat-types contain of two different CRDs covalently linked by a short peptide. They are differentially expressed by various normal and pathological tissues. Due to the documented relation between lectins and different diseases (tumour growth, immune responses) it is important to study structural properties and their cross-linking ability in solution, especially in view of their intrafamily diversification. Therefore different spectroscopic techniques are used. Intrinsic and extrinsic fluorophores allow fluorescent measurements with high spatial and temporal resolution. Combining FCS and anisotropy measurements structural information about lectins, glycoproteins and their relations are monitored. For prototype galectins the hydrodynamic radius decrease upon ligand binding. Tandemrepeat- and chimera-types do not change their dimensions whereas their diffusion constants, measured with FCS, scale anomalous with the molar mass. Anisotropy measurements are carried out in parallel. Since an intrinsic fluorophore of the protein (tryptophan) is exploited, no labelling is necessary. With the help of this technique I am able to show that different binding constants and kinetics of the binding process within the galectin-family are caused by various conformational dynamics. Comparing hGal1 and cG-1B, the oxidation processes reveal differences despite of structural and binding similarities. These two techniques are very sensitive and applicable to study structural characteristics of galectins. Cross-linking between galetins and glycoproteins on the cell surface have been proposed to function as an „on-off“-switch that regulates cell proliferation, differentiation and immune responsiveness. Direct stochastic optical reconstruction microscopy (dSTORM) provide an opportunity to study the spatial organization and cross-linking ability of hGal-1 interacting with β-galactose specific receptors on the cell surface of neuroblastoma cells. Alexa647, which can be switched reliable between an on- and a very stable off-state, is used as specific galectin marker. Measurements are done on a standard widefield setup and a spot analysis of single molecules in order to resolve clustering and cross-linking of galectins with a spatial resolution of better than 50 nm. The mean cluster size of hGal-1 molecules on the cell surface of neuroblastoma cells is 81±7 nm. The cluster diameter is independent of the protein concentration, a starting point or minimal galectin density for cluster formation is needed and the specificity of the CRDs for galactosides is underlined. Monomeric hGal-1 molecules show a different binding behaviour. On the one hand there are less localizations detectable and on the other hand I find very densly labelled, spherically shaped cells. This can maybe interpreted as hGal1-induced apoptosis. Existing labeling strategies limitate the value of super-resolution microscopy. The bioorthogonal click-chemistry creates a new field for labeling and visualizing biomolecules in vivo without the requirement of genetic manipulation. By hijacking a cell’s biosynthetic machinery, a metabolic precursor functionalized with a bioorthogonal chemical tag is incorporated into target biomolecules, including glycans, lipids, proteins and nucleic acids. Because of this I combine click-chemistry and the super-resolution technique dSTORM for specific labelling of metabolized sugar molecules. The cluster formation of sugar molecules on living and fixed cells in the presence of copper is being studied. Copper has no negative influence on the living cells. The mean square displacement decode cluster movement and determine cluster diameters in the range of 40 - 250 nm. In summary, we show that a combination of various temporal and spatial highresolution fluorescence techniques can be used advantageously to obatin new insights into the biology of galectins.
KW  - Fluoreszenz
KW  - Glykoproteine
KW  - Fluoreszenzspektroskopie
KW  - Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie
KW  - Anisotropie
KW  - dSTORM-Mikroskopie
KW  - Galektine
KW  - Fluorescence
KW  - Microscopy
KW  - anisotropy
KW  - glycoproteins
KW  - galectins
KW  - fluorescence correlation spectroscopy
KW  - dSTORM
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-76665
ER  - 
TY  - THES
A1  - Heiby, Julia
T1  - Insight into molecular mechanisms of folding and self-association of spider silk protein domains
T1  - Einblicke in molekulare Mechanismen der Faltung und Selbstassoziation von Spinnenseidenproteindomänen
N2  - Spider silk is a biomaterial of extraordinary toughness paired with elasticity. The assembly of silk proteins, so-called spidroins (from “spider” and “fibroin”), generates the silk threads we typically see in our garden or the corners of our houses. Although spider webs from different species vary considerably in geometry and size, many sections of spidroin sequences are conserved. Highly conserved regions, found in all spidroins, relate to the terminal domains of the protein, i.e., the N-terminal (NTD) and C-terminal domains (CTD). Both have an essential function in the silk fibre association and polymerisation.
The NTD is a 14 kDa five-helix bundle, which self-associates via a pH-driven mechanism. This process is critical for starting the polymerisation of the fibre. However, detailed insights into how conserved this mechanism is in different species and the quantitative thermodynamic comparison between homologous NTDs was missing. For this reason, four homologous NTDs of the major ampullate gland (MaSp) from spider species Euprosthenops australis, Nephila clavipes, Latrodectus hesperus, and Latrodectus geometricus were investigated. I analysed and quantified equilibrium thermodynamics, kinetics of folding, and self-association. Methods involved dynamic light scattering (MALS), stopped-flow fluorescence and circular dichroism spectroscopy in combination with thermal and chemical denaturation experiments. The results showed conserved, cooperative two-state folding on a sub-millisecond time scale. All homologous NTDs showed a similarly fast association in the order of 10^9 M^−1 s^−1, while the resulting equilibrium dissociation constants were in the low nanomolar range. Electrostatic forces were found to be of great importance for protein association. Monomeric protein stability increased with salt concentration while enhancing its folding speed. However, due to Debye-Hückel effects, we found intermolecular electrostatics to be shielded, which reduced the NTDs association capacity significantly at high ionic strength. Altogether, the energetics and kinetics of the NTD dimerisation was conserved for all analysed homologs.
Comparable to the NTD, the spider silks CTD is also a α-helix bundle, which covalently links two spidroins. The orientation of the domains predetermines the future fibre geometry. Here again, the detailed quantitative characterisation of the folding and dimerisation was missing. Therefore, the CTD from the E. australis was analysed in-depth. The protein folded via a three-state mechanism and was placed in the family of knotted proteins. 
By analysing the amino acid composition of the NTD of the MaSp1 of the Euprosthenops australis, we found an unusually high content of methionine residues (Met). To elucidate why this protein exhibits so many Met residues, I mutated all core Mets simultaneously to leucine (Leu). Results revealed a dramatically stabilised NTD, which now folded 50 times faster. After solving the tertiary structure of the mutant by NMR (nuclear magnetic resonance) spectroscopy, the structure of the monomeric mutant was found to be identical with the wild-type protein. However, when probing the dimerisation of the NTD, I could show that the association capacity was substantially impaired for the mutant. Our findings lead to the conclusion that Met provides the NTD with enhanced conformational dynamics and thus mobilises the protein, which results in tightly associated dimers. In additional experiments, I first re-introduced new Met residues into the Met-depleted protein at sequence positions containing native Leu. Hence, the mutated NTD protein was provided with the same number of Leu, which were previously removed by mutation. However, the protein did not regain wild-type characteristics. The functionality was not restored, but its stability was decreased as expected. To probe our hypothesis gained from the MaSp NTD, I transferred the experiment to another protein, namely the Hsp90 chaperone. Therefore, I incorporated methionine residues in the protein, which resulted in a slight improvement of its function.
Finally, trial experiments were performed aiming at the synthesis of shortened spidroin constructs containing less repetitive middle-segments than the wild-type protein. The objective was to study the findings of the terminal domains in the context of an intact spidroin. The synthesis of these engineered spidroins was challenging. Nevertheless, preliminary results encourage the assumption that the characteristics observed in the isolated domains hold true in the context of a full-length spidroin.
N2  - Spinnenseide ist ein Biomaterial mit außergewöhnlicher Widerstandsfähigkeit welche gepaart ist mit Elastizität. Das Zusammenfügen von Seidenproteinen aus so ge-nannten Spidroinen (ein Kunstwort aus „Spinne“ und „Fibroin“) erzeugt die Seiden-fäden, die wir typischerweise in unseren Gärten oder in den Ecken unserer Häuser finden. Obwohl Spinnennetze von verschiedenen Spinnenarten in Geometrie und Größe stark variieren, sind große Teile der Spidroin-Sequenzen konserviert. Stark konservierte Bereiche, die in allen Spidroinen vorkommen, sind die endständigen Bereiche des Proteins, die N-terminale (NTD) und C-terminale Domäne (CTD) ge-nannt werden. Beide haben wichtige Funktionen in der Assoziation der Proteine im Spinnkanal und deren Polymerisation zur Ausbildung des Seidenfadens.
Die NTD ist ein kleines 14 kDa Protein, bestehend aus einem Bündel aus fünf Helices, dessen Selbstorganisation pH-abhängig ist. Dieser Prozess leitet die Poly-merisation der Faser ein. Allerdings fehlten bis heute Informationen darüber, ob dieser Mechanismus bei homologen Domänen aus verschiedenen Spinnenarten konser¬viert ist, da kaum quantitative biophysikalische Daten vorhanden sind. Aus diesem Grund wurden vier homologe NTDs der Spinnenarten Euprosthenops australis, Nephila clavipes, Latrodectus hesperus und Latrodectus geometricus vergleichend untersucht und deren Gleichgewichts-Thermodynamik, die Kinetik der Faltung und die Selbstassoziation quantitativ analysiert. Dazu wurden Methoden wie dynamische Mehrwinkel-Lichtstreuung (MALS), Stopped-Flow Fluoreszenz-spektroskopie und Zirkulardichroismus in Kombination mit thermischen und chemischen Denaturierungs¬experimenten angewandt. Die Ergebnisse lieferten die Erkenntnis einer kooperativen Zwei-Zustands-Faltung, die auf einer Zeitskala von weniger als einer Millisekunde stattfand. Alle homologen NTDs zeigten eine schnelle Assoziationsratenkonstante in der Größenordnung von 10^9 M^-1 s^-1, während die Gleichgewichts-Dissoziationskonstante für alle Homologe im nied¬rigen nano-molaren Bereich lag. Die Proteinassoziation wurde durch elektrostatische Kräfte gesteuert, wobei hohe Salzkonzentrationen die Stabilität des monomeren Proteins und dessen Faltungsgeschwindigkeit erhöhten. Die Assoziation zweier Domänen wurde jedoch durch Abschirmung intermolekularer elektrostatischer Kräfte, dem Debye-Hückel-Gesetz zufolge, reduziert. Die Energetik und Kinetik der NTD-Dimerisierung aller untersuchten Homologen erwies sich konserviert.
Ebenso wie die NTD, ist auch die CTD der Spinnenseide ein α-helikales Bündel, welche jedoch zwei Spidroine kovalent miteinander verbindet. Die Orientierung der verknüpften Domäne bestimmt bereits die zukünftige Faserstruktur. Ähnlich wie bei der NTD, waren Faltung und Dimerisierung der CTD bisher nicht im Detail be-schrieben. Durch eine detaillierte Analyse der CTD der E. australis konnte gezeigt werden, dass das Protein sich in einem dreistufigen Mechanismus faltet und außerdem der Familie der geknoteten Proteine angehört.
Bei genauerer Betrachtung der Aminosäurezusammensetzung der E. australis NTD konnte ein ungewöhnlich hoher Anteil der Aminosäure Methionin (Met) festge¬stellt werden. Um diesen überraschenden Sachverhalt zu verstehen, habe ich alle im Kern liegenden Met zu Leucin (Leu) mutiert. Die Ergebnisse zeigten eine extrem stabilisierte NTD, welche sich nun 50-fach schneller faltete. Die Protein¬struktur der Mutante wurde in Lösung mittels NMR Spektroskopie ermittelt. Das Ergebnis lieferte deckungsgleiche Strukturen von Mutante und Wildtyp im monomeren Zustand. Allerdings zeigten NTD Dimerisierungs-Versuche, dass die Assoziations-fähigkeit der Mutante erheblich beeinträchtigt war. Untersuchungen der nativen Dynamik mittels NMR und Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie zeigten, dass Met diese entscheidend verstärkt, was zu einem eng assoziierten Dimer führte. Im Versuch die Dynamik wieder künstlich herzustellen, habe ich neue Met in die Mutante eingeführt, auf Sequenzpositionen welche natürlicherweise Leu aufweisen. Somit wurde die ursprüngliche Anzahl an Met in der NTD wiederher¬gestellt, jedoch an anderen Positionen. Obwohl das Protein wie erwartet an Stabilität verlor, konnte dessen Funktionalität nicht wiederhergestellt werden. Um unsere Erkenntnisse auf andere Proteine zu übertragen, wurden Met Reste künstlich in ein Hsp90 Protein eingeführt. Es konnte eine leicht verbesserte Funktionalität des Proteins beobachtet werden.
Schließlich wurde versucht, die für die CTD und NTD gewonnen Erkenntnisse auf intakte, jedoch verkürzte Spidroine zu übertragen. Dazu wurden Spidroine mit weniger repetitiven Mittelsegmenten mittels rekombinanten Methoden hergestellt. Die Synthese dieser Spidroine erwies sich als Herausforderung. Allerdings zeigten die vorläufigen Ergebnisse, dass eine Verallgemeinerung der Erkenntnisse der isolierten Domänen auf das Volllängen-Spidroin möglich ist.
KW  - Spinnenseide
KW  - Fluoreszenzspektroskopie
KW  - Terminale Domaine
KW  - Spider Silk
KW  - Fluorescence spectroscopy
KW  - Terminal domains
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-193455
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schubert, Jonathan
T1  - Bildgebende Zweifarben-Einzelmolekül-PET-Fluoreszenzspektroskopie am molekularen Chaperon Hsp90
T1  - Two-color single-molecule PET fluorescence imaging spectroscopy on the molecular chaperone Hsp90
N2  - Im Forschungsfeld der Proteindynamik häufen sich in den letzten Jahren Untersuchungen an einzelnen Molekülen. Damit können molekulare Ereignisse, die in konventioneller Spektroskopie durch stochastische Prozesse unentdeckt bleiben, durch direkte Beobachtung identifiziert und analysiert werden, was zu tieferem mechanistischem Verständnis des untersuchten Systems beitragen kann.
Die Implikation des molekularen Chaperons Hsp90 in die korrekte Faltung und Aktivierung einer Vielzahl davon abhängiger Klientenproteine machen es zu einem zentralen Knotenpunkt der zellulären Proteinhomöostase, allerdings ist der Mechanismus seiner breiten Klientenerkennung und -prozessierung bisher nur lückenhaft untersucht. Mit der Erkenntnis, dass Hsp90 ATP abhängig große, ratenlimitierende Umstrukturierungen erfährt, wurden Reportersysteme entwickelt, die auf dem Förster-Resonanzenergietransfer mit einer räumlichen Auflösung von ca. 2-10 nm basieren. Diese dokumentieren einen Klammerschluss des Chaperons und prognostizieren einen intermediatbbasierten Konformations-Zyklus. Details über den Mechanismus der Umstrukturierungen wurden mit der Entwicklung von Reportersystemen ermittelt, die auf dem photoinduzierten Elektronentransfer zwischen der Aminosäure Tryptophan und einem organischen Farbstoff basieren. Die Technik beruht auf kontaktinduzierter Fluoreszenzlöschung und damit verbundenen digitalen Intensitätsübergängen, dabei ermöglicht die räumliche Sensitivität 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 gegenübersteht. 
Im Rahmen dieser Dissertation wurde anhand des Hsp90-Chaperons eine Methode entwickelt, die eine bildgebende PET Fluoreszenzspektroskopie von mehreren Umstrukturierungen gleichzeitig an einzelnen Molekülen erlaubt. Ein umfangreiches Farbstoffscreening führte zur Identifizierung eines Farbstoffpaars, das die PET-basierte simultane Aufzeichnung zweier Konformations-Koordinaten ermöglicht. Über verschiedene Modifikationen des Chaperons konnten einzelmolekültaugliche Oberflächen hergestellt werden, auf denen zweifach markierte Hsp90-Proteine immobilisiert sind. Fluoreszenzintensitätszeitspuren einzelner Chaperone und entsprechende Kontrollkonstrukte bestätigen qualitativ den Erfolg der Methode, für die quantitative Analyse wurde eine Routine in der Programmiersprache Python entwickelt, mit welcher kinetische Informationen ermittelt werden konnten. 
Diese legen eine enge wechselseitige Abhängigkeit der drei lokalen Elemente nahe, wobei der Großteil der Konformationsübergänge zweier simultan aufgezeichneter Umstrukturierungen Synchronität 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 Einzelmolekülansatz die Verwendung des nativen Nukleotids ATP, wodurch auch die lokalen Öffnungsdynamiken zugänglich werden. Die zur Bestimmung der Zeitkonstanten durchgeführte Analyse unterstützt die Ansicht heterogener apo-Zustände und einer einheitlich geschlossenen Konformation.
Die bildgebende Zweifarben-Einzelmolekül-PET-Spektroskopie konnte insgesamt zu einem Komplement der Einzelmolekül-FRET-Spektroskopie entwickelt werden, um damit lokale Konformationsdynamiken zu untersuchen. Der bildgebende Ansatz erlaubt eine einfache Implementierung in einen experimentellen Einzelmolekül-FRET Aufbau bei gleichzeitiger Erweiterung der beobachteten Koordinaten und wird so zu einem breit anwendbaren Werkzeug multidimensionaler Dynamikuntersuchungen einzelner Proteine.
N2  - Over the past years, the number of investigations of single molecules has risen in the field of protein dynamics studies. Direct observation of molecular events that are obscured by stochastic processes in bulk measurements can provide a deeper mechanistic understanding of the systems under study. 
The molecular chaperone Hsp90, as being involved in the correct folding and activation of client proteins, thereby acting at late-stage folding, is a central node of cellular protein homeostasis. The mechanistic understanding of its broad client recognition and processing capability still remains elusive. The discovery of large conformational changes that drive the chaperone through a rate limiting conformational cycle as a reaction of ATP binding led to the development of reporter systems that probe the global rearrangement. As the reporters are based on Förster resonance energy transfer, they are active on a spatial scale of 2-10 nm and report on the molecular clamp closure. The predicted conformational cycle implicates several intermediate states. Details of the underlying rearrangements were obtained by the development of reporter systems based on photoinduced electron transfer between the amino acid tryptophan and an organic dye. As the technique relies on contact-induced quenching of fluorescence, which is accompanied by digital intensity transitions, the resulting spatial resolution of < 1 nm enables probing of local conformational rearrangements. In bulk experiments, three critical local dynamics were probed in Hsp90, leading to the assumption of heterogeneous apo conformations and an associated cooperative cycle which faces the intermediate-based model.
Within the scope of this doctoral thesis, two color single-molecule PET fluorescence imaging spectroscopy was developed using the Hsp90 chaperone to study multiple conformational rearrangements simultaneously on individual proteins. Extensive dye screening identified a dye pair suitable for the PET-based investigation of two different conformational coordinates simultaneously. Modifications on the chaperone protein enabled the immobilization of double-labeled Hsp90 molecules on glass surfaces that are suited for single-molecule studies. Fluorescence intensity time traces of single chaperones and related control constructs validated qualitatively the success of the method. For quantitative analysis, a routine was developed in the programming language Python to obtain kinetic information. 
Derived kinetics pointed to a close interdependence between the three local elements. Furthermore, the majority of state transitions of rearrangements studied at the same time occurred simultaneously within a two-second window, thereby suggesting synchronicity. Compared to the hydrolysis of one ATP molecule taking minutes, this suggests a tight coupling of motions. Further, an aromatic modification of the Hsp90 N-Terminus resulted in accelerated local dynamics. Besides investigating the dynamics accompanying clamp closure, clamp opening kinetics also became accessible through the use of native nucleotide ATP. The analysis performed as part of the determination of time constants supports the view of a heterogeneous apo and a uniformly closed conformation. 
Two-color single-molecule PET fluorescence imaging spectroscopy was developed into a technique complement to single-molecule FRET spectroscopy that enables the probing of local conformational dynamics in immobilized proteins. The imaging approach allows for easy implementation in a single-molecule FRET setup while expanding the observed coordinates, making the PET-based technique a widely applicable tool for multidimensional dynamics studies of single proteins.
KW  - Fluoreszenzspektroskopie
KW  - Einzelmolekülspektroskopie
KW  - Hitzeschock-Proteine
KW  - Proteinsynthese
KW  - Photoinduzierter Elektronentransfer
KW  - photoinduced electron transfer
KW  - Hsp90
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-244938
ER  -