TY - JOUR A1 - Herrmann, Marietta A1 - Engelke, Klaus A1 - Ebert, Regina A1 - Müller-Deubert, Sigrid A1 - Rudert, Maximilian A1 - Ziouti, Fani A1 - Jundt, Franziska A1 - Felsenberg, Dieter A1 - Jakob, Franz T1 - Interactions between muscle and bone — Where physics meets biology JF - Biomolecules N2 - Muscle and bone interact via physical forces and secreted osteokines and myokines. Physical forces are generated through gravity, locomotion, exercise, and external devices. Cells sense mechanical strain via adhesion molecules and translate it into biochemical responses, modulating the basic mechanisms of cellular biology such as lineage commitment, tissue formation, and maturation. This may result in the initiation of bone formation, muscle hypertrophy, and the enhanced production of extracellular matrix constituents, adhesion molecules, and cytoskeletal elements. Bone and muscle mass, resistance to strain, and the stiffness of matrix, cells, and tissues are enhanced, influencing fracture resistance and muscle power. This propagates a dynamic and continuous reciprocity of physicochemical interaction. Secreted growth and differentiation factors are important effectors of mutual interaction. The acute effects of exercise induce the secretion of exosomes with cargo molecules that are capable of mediating the endocrine effects between muscle, bone, and the organism. Long-term changes induce adaptations of the respective tissue secretome that maintain adequate homeostatic conditions. Lessons from unloading, microgravity, and disuse teach us that gratuitous tissue is removed or reorganized while immobility and inflammation trigger muscle and bone marrow fatty infiltration and propagate degenerative diseases such as sarcopenia and osteoporosis. Ongoing research will certainly find new therapeutic targets for prevention and treatment. KW - muscle KW - bone KW - mechanosensing KW - mechanotransduction KW - myokines KW - osteokines adaptation Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-203399 SN - 2218-273X VL - 10 IS - 3 ER - TY - THES A1 - Scholz, Nicole T1 - Genetic analyses of sensory and motoneuron physiology in Drosophila melanogaster T1 - Genetische Analyse sensorischer und motoneuronaler Physiologie in Drosophila melanogaster N2 - During my PhD I studied two principal biological aspects employing Drosophila melanogaster. Therefore, this study is divided into Part I and II. Part I: Bruchpilot and Complexin interact to regulate synaptic vesicle tethering to the active zone cytomatrix At the presynaptic active zone (AZ) synaptic vesicles (SVs) are often physically linked to an electron-dense cytomatrix – a process referred to as “SV tethering”. This process serves to concentrate SVs in close proximity to their release sites before contacting the SNARE complex for subsequent fusion (Hallermann and Silver, 2013). In Drosophila, the AZ protein Bruchpilot (BRP) is part of the proteinous cytomatrix at which SVs accumulate (Kittel et al., 2006b; Wagh et al., 2006; Fouquet et al., 2009). Intriguingly, truncation of only 1% of the C-terminal region of BRP results in a severe defect in SV tethering to this AZ scaffold (hence named brpnude; Hallermann et al., 2010b). Consistent with these findings, cell-specific overexpression of a C-terminal BRP fragment, named mBRPC-tip (corresponds to 1% absent in brpnude; m = mobile) phenocopied the brpnude mutant in behavioral and functional experiments. These data indicate that mBRPC-tip suffices to saturate putative SV binding sites, which induced a functional tethering deficit at motoneuronal AZs. However, the molecular identity of the BRP complement to tether SVs to the presynaptic AZ scaffold remains unknown. Moreover, within larval motoneurons membrane-attached C-terminal portions of BRP were sufficient to tether SVs to sites outside of the AZ. Based on this finding a genetic screen was designed to identify BRP interactors in vivo. This screen identified Complexin (CPX), which is known to inhibit spontaneous SV fusion and to enhance stimulus evoked SV release (Huntwork and Littleton, 2007; Cho et al., 2010; Martin et al., 2011). However, so far CPX has not been associated with a function upstream of priming/docking and release of SVs. This work provides morphological and functional evidence, which suggests that CPX promotes recruitment of SVs to the AZ and thereby curtails synaptic short-term depression. Together, the presented findings indicate a functional interaction between BRP and CPX at Drosophila AZs. Part II: The Adhesion-GPCR Latrophilin/CIRL shapes mechanosensation The calcium independent receptor of α-latrotoxin (CIRL), also named Latrophilin, represents a prototypic Adhesion class G-protein coupled-receptor (aGPCR). Initially, Latrophilin was identified based on its capacity to bind the α-component of latrotoxin (α-LTX; Davletov et al., 1996; Krasnoperov et al., 1996), which triggers massive exocytotic activity from neurons of the peripheral nervous system (Scheer et al., 1984; Umbach et al., 1998; Orlova et al., 2000). As a result Latrophilin is considered to play a role in synaptic transmission. Later on, Latrophilins have been associated with other biological processes including tissue polarity (Langenhan et al., 2009), fertility (Prömel et al., 2012) and synaptogenesis (Silva et al., 2011). However, thus far its subcellular localization and the identity of endogenous ligands, two aspects crucial for the comprehension of Latrophilin’s in vivo function, remain enigmatic. Drosophila contains only one latrophilin homolog, named dCirl, whose function has not been investigated thus far. This study demonstrates abundant dCirl expression throughout the nervous system of Drosophila larvae. dCirlKO animals are viable and display no defects in development and neuronal differentiation. However, dCirl appears to influence the dimension of the postsynaptic sub-synaptic reticulum (SSR), which was accompanied by an increase in the postsynaptic Discs-large abundance (DLG). In contrast, morphological and functional properties of presynaptic motoneurons were not compromised by the removal of dCirl. Instead, dCirl is required for the perception of mechanical challenges (acoustic-, tactile- and proprioceptive stimuli) through specialized mechanosensory devices, chordotonal organs (Eberl, 1999). The data indicate that dCirl modulates the sensitivity of chordotonal neurons towards mechanical stimulation and thereby adjusts their input-output relation. Genetic interaction analyses suggest that adaption of the molecular mechanotransduction machinery by dCirl may underlie this process. Together, these results uncover an unexpected function of Latrophilin/dCIRL in mechanosensation and imply general modulatory roles of aGPCR in mechanoception. N2 - In dieser These wurden zwei grundlegende biologische Aspekte mittels Drosophila melanogaster untersucht, weshalb diese in zwei Teile gegliedert ist. TeiL I: Die Interaktion von Bruchpilot und Complexin vermittelt die Anbindung von synaptischen Vesikeln an die Zytomatrix der aktiven Zone Oft findet man an aktiven Zonen (AZ) von Präsynapsen elektronendichte Matrices, welche meist in physischem Kontakt mit synaptischen Vesikeln (SV) stehen. Dieser als „SV Tethering“ bezeichnete Prozess dient der Anreicherung SV in der unmittelbaren Nähe ihrer Freisetzungszonen, noch bevor diese mit dem SNARE Komplex interagieren, um mit der präsynapti-schen Plasmamembran zu fusionieren (Hallermann und Silver, 2013). In der Taufliege Drosophila melanogaster bildet das AZ Protein Bruchpilot (BRP) Protrusionen, um welche SV akkumulieren (Kittel et al., 2006b; Wagh et al., 2006; Fouquet et al., 2009). Interessan-terweise resultiert bereits eine minimale Verkürzung von BRP (1% der Gesamtlänge) am C-terminalen Ende in einem schwerwiegenden Anbindedefekt von SV, der mit einem Funkti-onsverlust dieser Synapsen einhergeht (brpnude; Hallermann et al., 2010b). Entsprechend diesem Vorbefund resultierte die gewebespezifische Überexpression eines C-terminalen BRP Fragments - mBRPC-tip (entspricht dem fehlenden Fragment der brpnude Mu-tante; m = mobil) - sowohl in Verhaltens- als auch funktionellen Analysen in einer Phänoko-pie der brpnude Mutante. Dies deutet daraufhin, dass mBRPC-tip vermeintliche vesikuläre Interaktionspartner blockiert und so die Anreicherung von SV an motoneuronalen AZ verhindert, was ähnlich wie in brpnude Mutanten zu einem funktionellen Tethering-Defekt führt. Die molekulare Identität eines BRP Partners zur Anreicherung von SV an der Zytomatrix der AZ wurde bisher nicht beschrieben. Weiterhin zeigt diese Arbeit, dass membrangebundene C-terminale BRP Anteile genügen, um SV an Positionen außerhalb von AZ zu binden. Basierend auf diesem Befund wurde ein gene-tischer in vivo Screen zur Identifikation von BRP Interaktoren entwickelt. Dieser Screen identifizierte Complexin (CPX), ein Protein, dessen hemmende beziehungsweise fördernde Wirkung auf die spontane und reizinduzierte Vesikelfusion bekannt ist (Huntwork und Littleton, 2007; Cho et al., 2010; Martin et al., 2011). CPX wurde bisher nicht mit einer Funktion ober-halb von Vesikelpriming und -fusion in Verbindung gebracht. Diese Studie dokumentiert strukturelle und funktionelle Hinweise, die darauf hindeuten, dass CPX mit BRP interagiert, um Vesikelakkumulation an AZ zu fördern und dadurch synaptischer Kurzzeit-Depression entgegen zu wirken. Teil II: Adhäsions-GPCR Latrophilin/CIRL moduliert die Wahrnehmung mechanischer Reize Der Kalzium-unabhängige Rezeptor für α-Latrotoxin (CIRL), oder Latrophilin, ist ein prototypischer Rezeptor der Adhäsions G-Protein gekoppelten Klasse (aGPCR). Identifiziert wurde Latrophilin ursprünglich aufgrund seiner Fähigkeit die α-Komponente von Latrotoxin (α-LTX) zu binden (Davletov et al., 1996; Krasnoperov et al., 1996), welches seine Wirkung am peripheren Nervensystem entfaltet und dort übermäßige Transmitterausschüttung an neuronalen Endigungen induziert (Scheer et al., 1984; Umbach et al., 1998; Orlova et al., 2000). Basierend auf diesem Effekt wurde Latrophilin eine Rolle bei der synaptischen Transmission zugesprochen. Später wurden Latrophiline mit weiteren biologischen Prozessen in Zusammenhang gebracht, darunter Gewebepolarität (Langenhan et al., 2009), Fertilität (Prömel et al., 2012) und Synaptogenese (Silva et al., 2011). Allerdings blieb sowohl die subzelluläre Lokalisation als auch die Identität endogener Liganden, zwei Schlüsselaspekte im Verständnis der in vivo Funktion von Latrophilinen bisher rätselhaft. Drosophila besitzt lediglich ein latrophilin Homolog, dCirl, dessen Funktion bisher nicht untersucht wurde. Diese Arbeit zeigt, dass dCirl in weiten Teilen des larvalen Nervensystems von Drosophila exprimiert ist. dCirl knock-out Mutanten sind lebensfähig und weisen keine Störungen in der Entwicklung und neuronalen Differenzierung auf. Allerdings schien dCirl Einfluss auf die Ausdehnung des postsynaptischen subsynaptischen Retikulums (SSR) zu nehmen, was mit einer erhöhten Menge an Discs-large (DLG) assoziiert war. Die morphologischen und funktionellen Eigenschaften präsynaptischer Motoneurone der Fliegenlarve hingegen, waren durch den Verlust von dCirl funktionell weitestgehend unbeeinträchtigt. Vielmehr ist dCirl notwendig für die Wahrnehmung mechanischer Reize (akustische-, taktile und propriozeptive) durch spezialisierte Vorrichtungen - Chordotonalorgane (Eberl, 1999). Die Befunde deuten daraufhin, dass dCirl die Sensitivität der Chordotonalneurone gegenüber mechanischen Reizen moduliert und dadurch das Input-Output Verhältnis einstellt. Adaptation der molekularen Mechanotransduktionsmaschinerie durch dCirl könnte die molekulare Grundlage für diesen Prozess darstellen, eine Hypothese die durch genetische Interaktionsanalysen gestützt wird. Schlussfolglich enthüllen die experimentellen Befunde dieser These eine unerwartete Funktion von Latrophilin/dCirl bei der Mechanoperzeption und implizieren eine generelle modula-torische Rolle für aGPCR bei der Wahrnehmung mechanischer Reize. KW - Drosophila KW - Synapse KW - GPCR KW - synaptic vesicle tethering KW - active zone KW - Complexin KW - Bruchpilot KW - Adhesion-GPCR KW - Latrophilin KW - mechanosensing Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-123249 ER - TY - THES A1 - Flegler, Vanessa Judith T1 - Application of electron cryomicroscopy for structural and functional studies on the mechanosensitive channels of small conductance T1 - Kryoelektronenmikroskopie zur strukturellen und funktionellen Untersuchung der mechanosensitiven Kanäle kleiner Leitfähigkeit N2 - Bacteria thrive and survive in many different environments, and as a result, they have developed robust mechanisms to adapt rapidly to alterations in their surroundings. The protection against osmotic forces is provided by mechanosensitive channels: their primary function is to maintain the integrity of the cell upon a hypoosmotic shock. The mechanosensitive channel of small conductance (MscS) is not only the smallest common structural unit of a diverse family that allows for a tailored response in osmoregulation; it is also the most intensively studied homologue. Mechanosensitive channels directly sense elevated membrane tension levels generated by increased pressure within the cell and open transiently. Escherichia coli has six paralogues that differ in their gating properties and the number of additional transmembrane (TM) helices. These TM helices, termed sensor paddles, are essential for sensing, as they directly contact the surrounding membrane; however, the role of the additional TM helices is still unclear. Furthermore, lipids occupy hydrophobic pockets far away from the membrane plane. A recent gating model for MscS states that increased membrane tension triggers the expulsion of lipids out of those pockets, modulating different conformational states of MscS. This model focuses on bound lipids, but it is still unclear to what extent the direct interaction with the membrane influences sensing and how relevant it is for the larger paralogues. In the herein described work, structural studies on two larger paralogues, the medium-sized channel YnaI and the large channel YbiO were realised using electron cryomicroscopy (cryo-EM). Lipids were identified in YnaI in the pockets in a similar position and orientation as in MscS, suggesting a conserved sensing mechanism. Moreover, the copolymer diisobutylene/maleic acid (DIBMA) allowed the extraction of artificially activated YnaI from plasma membranes, leading to an open-like form of this channel. This novel conformation indicated that the pore helices bend at a GGxGG motif during gating, which is unique among the Escherichia coli paralogues, concomitant with a structural reorganisation of the sensor paddles. Thus, despite a high similarity of their closed states, the gating mechanisms of MscS and YnaI are surprisingly different. Furthermore, the comparison of MscS, YnaI, and YbiO accentuates variations and similarities between the differently sized family members, implying fine-tuning of channel properties in the pore regions and the cytosolic lateral entry sides into the channel. Structural analyses of MscS reconstituted into different systems showed the advantages and disadvantages of certain polymers and detergents. The novel DIBMA copolymer and the more conventional amphiphilic polymers, so-called Amphipols, perturb contacting transmembrane helices or lead to their denaturation. Due to this observation, the obtained structures of YnaI must also be cautiously considered. The structures obtained in detergents resulted in unaffected channels; however, the applicability of detergents for MscS-like channels is limited by the increased required sample concentration. The role of lipids for gating MscS in the absence of a membrane was examined by deliberately removing coordinated lipid molecules from MscS using different amounts and kinds of detergent. The effects on the channel were inspected by cryo-EM. These experiments showed that closed MscS adopts the open conformation when it is enough delipidated by incubation with the detergent n-dodecyl-β-D-maltoside, and adding lipids to the open channel reverses this process. The results agree with the state-of-the-art model that the amount of lipid molecules in the pockets and grooves is responsible for the conformational state of MscS. Furthermore, incubation with the detergent lauryl maltose neopentyl glycol, which has stabilising and delipidating characteristics, resulted in a high-resolution structure of open MscS exhibiting an intricate network of ligands. Based on this structure, an updated gating model is proposed, which states that upon opening, lipids from the pockets migrate into the cytosolic membrane leaflet, while lipids from the periplasmic leaflet enter the grooves that arise between the sensor paddles. N2 - Bakterien gedeihen und überleben in vielen unterschiedlichen Umgebungen. Daher haben sie robuste Mechanismen entwickelt, um sich rasch an Veränderungen in ihrer Umgebung anzupassen. Den Schutz vor osmotischen Kräften gewährleisten mechanosensitive Kanäle: Ihre Hauptfunktion besteht darin, die Unversehrtheit der Zelle bei einem hypoosmotischen Schock zu erhalten. Der mechanosensitive Kanal geringer Leitfähigkeit (mechanosensitive channel of small conductance, MscS) stellt nicht nur die kleinste gemeinsame Struktureinheit einer Familie von Kanälen dar, die eine maßgeschneiderte Antwort auf hypoosmotischen Stress ermöglicht; er ist auch das intensivste untersuchte Familienmitglied. Mechanosensitive Kanäle registrieren erhöhte Membranspannungen, die durch steigenden Druck innerhalb der Zelle entstehen, und öffnen vorübergehend. In Escherichia coli gibt es sechs paraloge Kanäle, die sich in ihren Öffnungs-Eigenschaften und der Anzahl zusätzlicher transmembranen Helices unterscheiden. Diese Helices, die als sensor paddles bezeichnet werden, sind für das Erfassen ansteigender Membranspannung unerlässlich, da sie direkt mit der umgebenden Membran in Kontakt stehen; die Rolle der zusätzlichen transmembranen Helices ist jedoch noch nicht geklärt. Außerdem sitzen Lipide in hydrophoben Taschen weit entfernt von der Membran. Ei kürzlich vorgeschlagenes Öffnungs-Modell für MscS besagt, dass eine erhöhte Membranspannung zum Ausstoß der Lipide aus diesen Taschen führt, wodurch verschiedene Konformationszustände von MscS moduliert werden. Dieses Modell konzentriert sich auf die Rolle der Lipide, aber es ist noch immer unklar, inwieweit die direkte Wechselwirkung mit der Membran das Wahrnehmen der Membranspannung beeinflusst und welche Bedeutung sie für die größeren paralogen Kanäle hat. In der vorliegenden Arbeit wurden Strukturstudien an zwei größeren paralogen Kanälen, dem mittelgroßen Kanal YnaI und dem großen Kanal YbiO, mittels Kryoelektronenmikroskopie (Kryo-EM) durchgeführt. In YnaI wurden Lipide in den Taschen in ähnlicher Position und Ausrichtung wie in MscS gefunden, was auf einen konservierten Mechanismus zur Wahrnehmung der Membranspannung schließen lässt. Darüber hinaus ermöglichte das Copolymer Diisobutylen/Maleinsäure (DIBMA) die Isolation von artifiziell aktiviertem YnaI aus Plasmamembranen, was zur Struktur einer anscheinend offenen Form dieses Kanals führte. Diese neuartige Konformation deutet darauf hin, dass sich die Porenhelices während des Öffnens im Bereich eines GGxGG-Motiv biegen, das unter den paralogen Kanälen von Escherichia coli einzigartig ist und mit einer strukturellen Reorganisation der sensor paddles einhergeht. Trotz der großen Ähnlichkeit ihrer geschlossenen Zustände sind die Öffnungs-Mechanismen von MscS und YnaI also überraschend unterschiedlich. Darüber hinaus zeigte der Vergleich von MscS, YnaI und YbiO Unterschiede und Gemeinsamkeiten zwischen den unterschiedlich großen Familienmitgliedern. Diese Erkenntnissse deuten auf eine Feinabstimmung der Kanaleigenschaften im Bereich der Pore und an den zytosolischen seitlichen Eingängen der Kanäle hin. Strukturanalysen von MscS, in verschiedene Systeme rekonstituiert, zeigten die Vor- und Nachteile von ausgewählten Polymeren und Detergenzien. Das neuartige DIBMA-Copolymer und herkömmlichere amphiphile Polymere, die sogenannten Amphipole, stören die kontaktierenden transmembranen Helices oder führen zu deren Denaturierung. Im Zuge dieser Beobachtung müssen auch die erhaltenen Strukturen von YnaI vorsichtig betrachtet werden. Die in Detergenzien erhaltenen Strukturen zeigen unbeeinträchtigte Kanäle; die Anwendbarkeit von Detergenzien für MscS-ähnliche Kanäle wird jedoch durch die erhöhte erforderliche Proteinkonzentration eingeschränkt. Die Rolle der Lipide für das Öffnen von MscS wurde in Abwesenheit einer Membran untersucht, indem koordinierte Lipidmoleküle mit verschiedenen Mengen und Arten von Detergenzien bewusst von MscS entfernt wurden. Die Auswirkungen auf den Kanal wurden mittels Kryo-EM untersucht. Dabei zeigte sich, dass die geschlossene Form von MscS in die offene Konformation übergeht, wenn es durch Inkubation mit dem Detergenz n-Dodecyl-β-D-Maltosid ausreichend delipidiert wird, und dass die Zugabe von Lipiden zum offenen Kanal diesen Prozess wieder umkehrt. Die Ergebnisse stimmen mit dem Öffnungs-Modell überein, das besagt, dass die Menge der Lipidmoleküle in den Taschen und Furchen für den Konformationszustand von MscS verantwortlich ist. Darüber hinaus führte die Inkubation mit dem Detergenz Laurylmaltose-neopentylglykol, das sowohl stabilisierende als auch delipidierende Eigenschaften hat, zu einer hochaufgelösten Struktur des offenen MscS, die ein ausgeprägtes Netzwerk von Liganden zeigt. Auf der Grundlage dieser Struktur wird ein aktualisiertes Öffnungs-Modell vorgeschlagen, das besagt, dass bei der Öffnung Lipide aus den Taschen in die zytosolische Lipidschicht der Membran wandern, während Lipide aus der periplasmatischen Lipidschicht in die Furchen gelangen, die zwischen den sensor paddles entstehen. KW - mechanosensitive channels KW - electron cryomicroscopy KW - MscS KW - YnaI KW - protein-lipid interactions KW - delipidation KW - mechanosensing KW - electron microscopy Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-268979 ER -