TY  - THES
A1  - Markert, Sebastian Matthias
T1  - Enriching the understanding of synaptic architecture from single synapses to networks with advanced imaging techniques
T1  - Vertiefung des Verständnisses synaptischer Architektur von der einzelnen Synapse bis zum Netzwerk mit modernsten bildgebenden Verfahren
N2  - Because of its complexity and intricacy, studying the nervous system is often challenging. Fortunately, the small nematode roundworm Caenorhabditis elegans is well established as a model system for basic neurobiological research. The C. elegans model is also the only organism with a supposedly complete connectome, an organism-wide map of synaptic connectivity resolved by electron microscopy, which provides some understanding of how the nervous system works as a whole. However, the number of available data-sets is small and the connectome contains errors and gaps. One example of this concerns electrical synapses. Electrical synapses are formed by gap junctions and difficult to map due to their often ambiguous morphology in electron micrographs, leading to misclassification or omission. On the other hand, chemical synapses are more easily mapped, but many aspects of their mode of operation remain elusive and their role in the C. elegans connectome is oversimplified. A comprehensive understanding of signal transduction of neurons between each other and other cells will be indispensable for a comprehensive understanding of the nervous system. In this thesis, I approach these challenges with a combination of advanced light and electron microscopy techniques.
First, this thesis describes a strategy to increase synaptic specificity in connectomics. Specifically, I classify gap junctions with a high degree of confidence. To achieve this, I utilized array tomography (AT). In this thesis, AT is adapted for high-pressure freezing to optimize for structure preservation and for super-resolution light microscopy; in this manner, I aim to bridge the gap between light and electron microscopy resolutions. I call this adaptation super-resolution array tomography (srAT). The srAT approach made it possible to clearly identify and map gap junctions with high precision and accuracy. The results from this study showcased the feasibility of incorporating electrical synapses into connectomes in a systematic manner, and subsequent studies have used srAT for other models and questions.
As mentioned above, the C. elegans connectomic model suffers from a shortage of datasets. For most larval stages, including the special dauer larval stage, connectome data is completely missing up to now. To obtain the first partial connectome data-set of the C. elegans dauer larva, we used focused ion-beam scanning electron microscopy (FIB-SEM). This technique offers an excellent axial resolution and is useful for acquiring large volumes for connectomics. Together with our collaborators, I acquired several data-sets which enable the analysis of dauer stage-specific “re-wiring” of the nervous system and thus offer valuable insights into connectome plasticity/variability.
While chemical synapses are easy to map relative to electrical synapses, signal transduction via chemical transmitters requires a large number of different proteins and molecular processes acting in conjunction in a highly constricted space. Because of the small spatial scale of the synapse, investigating protein function requires very high resolution, which electron tomography provides. I analyzed electron tomograms of a worm-line with a mutant synaptic protein, the serine/threonine kinase SAD-1, and found remarkable alterations in several architectural features. My results confirm and re-contextualize previous findings and provide new insight into the functions of this protein at the chemical synapse.
Finally, I investigated the effectiveness of our methods on “malfunctioning,” synapses, using an amyotrophic lateral sclerosis (ALS) model. In the putative synaptopathy ALS, the mechanisms of motor neuron death are mostly unknown. However, mutations in the gene FUS (Fused in Sarcoma) are one known cause of the disease. The expression of the mutated human FUS in C. elegans was recently shown to produce an ALS-like phenotype in the worms, rendering C. elegans an attractive disease model for ALS. Together with our collaboration partners, I applied both srAT and electron tomography methods to “ALS worms” and found effects on vesicle docking. These findings help to explain electrophysiological recordings that revealed a decrease in frequency of mini excitatory synaptic currents, but not amplitudes, in ALS worms compared to controls. In addition, synaptic endosomes appeared larger and contained electron-dense filaments in our tomograms. These results substantiate the idea that mutated FUS impairs vesicle docking and also offer new insights into further molecular mechanisms of disease development in FUS-dependent ALS. Furthermore, we demonstrated the broader applicability of our methods by successfully using them on cultured mouse motor neurons.
Overall, using the C. elegans model and a combination of light and electron microscopy methods, this thesis helps to elucidate the structure and function of neuronal synapses, towards the aim of obtaining a comprehensive model of the nervous system.
N2  - Das Nervensystem ist ein definierendes Merkmal aller Tiere, unter anderem verantwortlich für Sinneswahrnehmung, Bewegung und „höhere“ Hirnfunktionen. Wegen dessen Komplexität und Feingliedrigkeit stellt das Erforschen des Nervensystems oft eine Herausforderung dar. Jedoch ist der kleine Fadenwurm Caenorhabditis elegans als Modellsystem für neurobiologische Grundlagenforschung gut etabliert. Erbesitzt eines der kleinsten und unveränderlichsten bekannten Nervensysteme. C.elegans ist auch das einzige Modell, für das ein annähernd vollständiges Konnektom vorliegt, eine durch Elektronenmikroskopie erstellte Karte der synaptischen Verbindungen eines gesamten Organismus, die Einblicke in die Funktionsweise des Nervensystems als Ganzes erlaubt. Allerdings ist die Anzahl der verfügbaren Datensätze gering und das Konnektom enthält Fehler und Lücken. Davon sind beispielsweise elektrische Synapsen betroffen. Elektrische Synapsen werden von Gap Junctions gebildet und sind auf Grund ihrer oft uneindeutigen Morphologie in elektronenmikroskopischen Aufnahmen schwierig zu kartieren, was dazu führt, dass einige falsch klassifiziert oder übersehen werden. Chemische Synapsen sind dagegen einfacher zu kartieren, aber viele Aspekte ihrer Funktionsweise sind schwer zu erfassen und ihre Rolle im Konnektom von C.elegans ist daher zu vereinfacht dargestellt. Ein umfassendes Verständnis der Signaltransduktion von Neuronen untereinander und zu anderen Zellen wird Voraussetzung für ein vollständiges Erfassen des Nervensystems sein. In der vorliegenden Arbeit gehe ich diese Herausforderungen mithilfe einer Kombination aus modernsten licht- und elektronenmikroskopischen Verfahren an. Zunächst beschreibt diese Arbeit eine Strategie, um die synaptische Spezifität in der Konnektomik zu erhöhen, indem ich Gap Junctions mit einem hohen Maß an Genauigkeit klassifiziere. Um dies zu erreichen, nutzte ich array tomography (AT), eine Technik, die Licht- und Elektronenmikrokopie miteinander korreliert. In dieser Arbeit wird AT adaptiert für Hochdruckgefrierung, um die Strukturerhaltung zu optimieren, sowie für ultrahochauflösende Lichtmikroskopie; so wird die Kluft zwischen den Auflösungsbereichen von Licht- und Elektronenmikroskopie überbrückt. Diese Adaption nenne ich super-resolution array tomography (srAT). Der srATAnsatz machte es möglich, Gap Junctions mit hoher Präzision und Genauigkeit klar zu identifizieren. Für diese Arbeit konzentrierte ich mich dabei auf Gap Junctions des retrovesikulären Ganglions von C.elegans. Die Ergebnisse dieser Studie veranschaulichen, wie es möglich wäre, elektrische Synapsen systematisch in Konnektome aufzunehmen. Nachfolgende Studien haben srAT auch auf andere Modelle und Fragestellungen angewandt ...
KW  - Caenorhabditis elegans
KW  - Synapse
KW  - Elektronenmikroskopie
KW  - Myatrophische Lateralsklerose
KW  - connectomics
KW  - focused ion-beam scanning electron microscopy
KW  - super-resolution array tomography
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-189935
ER  - 
TY  - THES
A1  - Stetter, Maurice
T1  - LC3-associated phagocytosis seals the fate of the second polar body in \(Caenorhabditis\) \(elegans\)
T1  - LC3-assoziierte Phagozytose besiegelt das Schicksal des zweiten Polkörpers in \(Caenorhabditis\) \(elegans\)
N2  - This work investigates the death and degradation of the second polar body of the nematode C. elegans in order to improve our understanding how pluripotent undifferentiated cells deal with dying cells. With the use of fluorescence microscopy this work demonstrates that both polar bodies loose membrane integrity early. The second polar body has contact to embryonic cells and gets internalized, dependent on the Rac1-ortholog CED-10. 
The polar body gets degraded via LC3-associated phagocytosis. While lysosome recruitment depends on RAB-7, LC3 does not improve lysosome recruitment but still accelerates polar body degradation. 
This work establishes the second polar body as a genetic model to study cell death and LC3-associated phagocytosis and has revealed further aspects of phagosome maturation and degradation.
N2  - Um besser zu verstehen, wie undifferenzierte pluripotente Zellen mit abgestorbenen Zellen umgehen, wird in dieser Dissertation die Phagozytose und der Abbau des 2. Polkörpers der weiblichen Meiose im Fadenwurm C. elegans untersucht. Mithilfe von fluorenzenzmikroskopischen Aufnahmen wird in dieser Arbeit gezeigt, dass beide Polkörper schon früh ihre Membranintegrität verlieren. Der 2. Polkörper, welcher direkten Kontakt zu embryonischen Zellen hat, wird daraufhin mithilfe des Rac1-Orthologs CED-10 phagozytiert. Es wird gezeigt, dass es sich bei dem Abbauprozess um LC3-assoziierte Phagozytose handelt. Die RAB-7 GTPase ist notwendig für die Rekrutierung von Lysosomen, während LC3 darauf keinen Einfluss hat, aber trotzdem den Abbau des Polkörpers beschleunigt. 
Mit dieser Arbeit konnte ein genetisches Modell für die Erforschung von Zelltod und der LC3-assoziierten Phagozytose entwickelt werden und weitere Aspekte der Phagosomreifung und des -abbaus aufgedeckt werden.
KW  - Polkörper
KW  - Phagozytose
KW  - Autophagie
KW  - Zelltod
KW  - Caenorhabditis elegans
KW  - LC3-assoziierte Phagozytose
KW  - phagosome maturation
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-231981
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TY  - THES
A1  - Beer, Katharina Beate
T1  - Identification and characterization of TAT-5 interactors that regulate extracellular vesicle budding
T1  - Identifizierung und Charakterisierung von TAT-5 Interaktoren, welche die Ausschüttung von Extrazellulären Vesikeln regulieren
N2  - Cells from bacteria to man release extracellular vesicles (EV) such as microvesicles (MV) that carry signaling molecules like morphogens and miRNAs to control intercellular communication during health and disease. MV release also sculpts membranes, e.g. repairing damaged membranes to avoid cell death. HIV viruses also bud from the plasma membrane in a similar fashion. In order to determine the in vivo functions of MVs and regulate their release, we need to understand the mechanisms of MV release by plasma membrane budding (ectocytosis). 
The conserved phospholipid flippase TAT-5 maintains the asymmetric localization of phosphatidylethanolamine (PE) in the plasma membrane and was the only known inhibitor of ESCRT-mediated ectocytosis in C. elegans. Loss of TAT-5 lipid flipping activity increased the externalization of PE and accumulation of MVs. However, it was unclear how cells control TAT-5 activity to release the right amount of MVs at the right time, since no upstream regulators of TAT-5 were known. 
To identify conserved TAT-5 regulators we looked for new proteins that inhibit MV release. To do so, we first developed a degradation-based technique to specifically label MVs. We tagged a plasma membrane reporter with the endogenous ZF1 degradation tag (degron) and expressed it in C. elegans embryos. This reporter is protected from degradation inside MVs, but is degraded inside the cell. Thus, the fluorescence is selectively maintained inside MVs, creating the first MV-specific reporter. We identified four MV release inhibitors associated with retrograde recycling, including the class III PI3Kinase VPS-34, Beclin1 homolog BEC-1, DnaJ protein RME-8, and the uncharacterized Dopey homolog PAD-1. We found that VPS-34, BEC-1, RME-8, and redundant sorting nexins are required for the plasma membrane localization of TAT-5, which is important to maintain PE asymmetry and inhibit MV release. Although we confirmed that PAD-1 and the GEF-like protein MON-2 are required for endosomal recycling, they only traffic TAT-5 in the absence of sorting nexin-mediated recycling. Instead, PAD-1 is specifically required for the lipid flipping activity of TAT-5 that inhibits MV release. 
Thus, our work pinpoints TAT-5 and PE as key regulators of plasma membrane budding, further supporting the model that PE externalization drives ectocytosis. In addition, we uncovered redundant intracellular trafficking pathways, which affect organelle size and revealed new regulators of TAT-5 flippase activity. These newly identified ectocytosis inhibitors provide a toolkit to test the in vivo roles of MVs. In the long term, our work will help to identify the mechanisms that govern MV budding, furthering our understanding of the mechanisms that regulate disease-mediated EV release, membrane sculpting and viral budding.
N2  - Zellen von Bakterien bis zum Menschen produzieren Extrazelluläre Vesikel (EV) wie zum Beispiel Mikrovesikel (MV). MV können Signal Moleküle wie Morphogene und miRNA transportieren, welche die normale oder krankheitsbedingte interzelluläre Kommunikation kontrollieren. Bei der Produktion von MVs werden Membranen verformt, wie auch für die Reparatur von beschädigten Membranen um den Zelltod zu verhindern. Außerdem knospen HIV-Virus Partikel von der Plasma Membrane durch eine ähnliche Art und Weise. Um zu verstehen welche in vivo Funktion MV haben, müssen wir die Mechanismen der MV Knospung von der Plasma Membran (Ektozytose) verstehen.
Die konservierte Phospholipid Flippase TAT-5 hält die asymmetrische Verteilung von Phosphatidylethanolamine (PE) in der Plasma Membrane aufrecht und war der einzig bekannte Inhibitor der von ESCRT Proteinen durchgeführten Ektozytose in C. elegans. Wenn die Lipid-flippende Funktion von TAT-5 verloren geht, wird PE externalisiert und MV sammeln sich außerhalb der Zelle an. Allerdings ist es unklar mit welchen Mechanismen die Aktivität von TAT-5 reguliert wird um die richtige Menge an MV zur richtigen Zeit zu produzieren, da die vorgeschalteten Regulatoren unbekannt sind.
Um konservierte TAT-5 Regulatoren zu identifizieren suchten wir nach neuen Proteinen, die die Produktion von MV inhibieren. Dazu entwickelten wir eine Degradations-Technik um MV spezifisch zu kennzeichnen. Wir markierten einen fluoreszierenden Plasma Membran Marker mit dem endogenen ZF1 Degradations-Kennzeichen (Degron) und exprimierten es im C. elegans Embryo. Der Marker wird vor der Degradation geschützt, wenn er in einem MV von der Zelle ausgesondert wurde. Dadurch bleibt die Fluoreszenz speziell in MV erhalten, während sie innerhalb der Zelle abgebaut wird. Dadurch wurde die Sichtbarkeit von ausgeschütteten MV erhöht. Wir fanden vier Proteine, welche mit Protein Recycling in Verbindung gebracht werden, die die Ausschüttung von MV verhindern: Class III PI3Kiase VPS-34, Beclin1 Homolog BEC-1, DnaJ Protein RME-8 und das nicht näher charakterisierte Dopey Homolog PAD-1. Wir benutzten dieses Set an Proteinen, um zu testen ob und wie diese TAT-5 regulieren können. Wir fanden, dass Class III PI3Kinase, RME-8 und redundante Sorting Nexins für die Plasma Membran Lokalisierung von TAT-5 verantwortlich sind, was wichtig ist um die PE Asymmetrie aufrecht zu erhalten und die MV Produktion zu verhindern. Wenn auch PAD-1 und das GEF-ähnliche MON-2 für endosomales Recycling verantwortlich sind, regulieren sie die Lokalisation von TAT-5 nur in Abwesenheit von Sorting Nexins-reguliertem Transport. Zudem scheint PAD-1 direkt für die Lipid Translokations-Aktivität von TAT-5 verantwortlich zu sein.
Demnach konnten wir zeigen, dass TAT-5 und PE Schlüsselregulatoren für MV Produktion sind, was weiterhin die Ansicht unterstützt, dass PE Externalisierung für die Ektozytose verantwortlich ist. Außerdem fanden wir, dass redundante intrazelluläre Transportwege für die Größe von Organellen verantwortlich sind und deckten neue TAT-5 Aktivitäts-Regulatoren auf. Diese neu aufgedeckten Ektozytose Inhibitoren könnten Werkzeuge sein um die in vivo Funktionen von MV zu testen. Längerfristig kann unsere Forschung dazu beitragen die Mechanismen der MV Produktion zu identifizieren und die Regulation während der krankheitsbedingten EV Produktion, der Membrane Reparatur und der Virus Knospung besser zu verstehen.
KW  - C. elegans
KW  - Extracellular Vesicles
KW  - Microvesicle
KW  - Flippase
KW  - P4-ATPase
KW  - Caenorhabditis elegans
KW  - Vesikelbildung
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-206724
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TY  - THES
A1  - Irmisch, Linda
T1  - The role of septins and other regulatory proteins in abscission and midbody fate in C. elegans embryos
T1  - Die Rolle von Septinen und anderen regulatorischen Proteinen in Abszission und Schicksal des Midbodys in C. elegans Embryonen
N2  - Abscission marks the last step of cytokinesis and gives rise to two physically separated daughter cells and a midbody remnant. This work studies abscission by examining the extent of the abscission failure in C. elegans septin and ESCRT mutants with the help of the ZF1-degradation technique. The ZF1 technique is also applied to discern a possible role for PI3K during abscission. Lastly, we test the role of proteins required for macroautophagy but not for LC3-associated phagocytosis (LAP) and show that after release into the extracellular space, the midbody is resolved via LAP.
N2  - Durch Abszission, den letzten Schritt der Zytokinese, entstehen zwei physisch voneinander getrennte Tochterzellen und ein Mittelkörper, auch Flemming-Körper oder Midbody genannt. In dieser Arbeit wird mittels ZF1-vermittelter Abbautechnik in C. elegans Septin- und ESCRT-Mutanten das Ausmaß eines Abszissionsdefekts untersucht. Die ZF1-Technik wird ebenso eingesetzt, um eine mögliche Rolle von PI3K in Abszission festzustellen. Schließlich wird die Rolle von Proteinen erforderlich für Makroautophagie aber nicht für LC3-assoziierte Phagozytose (LAP) getestet und gezeigt, dass der Midbody nach Freilassung in den extrazellulären Raum mittels LAP verarbeitet wird.
KW  - Zellteilung
KW  - Caenorhabditis elegans
KW  - Abszision
KW  - Septine
KW  - Phagozytose
KW  - midbody remnant
KW  - LC3-associated phagocytosis
KW  - ZF1 degradation assay
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-183244
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