TY - THES A1 - Sandblad, Linda T1 - Seam Binding, a Novel Mechanism for Microtubule Stabilization T1 - Naht Bindung, ein Neuartiger Mechanismus zur Stabilisierung von Mikrotubuli N2 - Microtubules are a fascinating component of the cellular scaffold protein network, the cytoskeleton. These hollow tubular structures are assembled of laterally associated proto-filaments containing ab-tubulin heterodimers in a head to tail arrangement. Accordingly microtubules have a defined polarity, which sets the base for the polarity of the cell. The microtubule lattice can be arranged in two conformations: In the more abundant B-lattice conformation, where the protofilaments interact laterally through a- to a- and b- to b-tubulin contacts and in the less stable A-lattice conformation, where a-tubulin interacts laterally with b-tubulin. In cells the microtubules generally contain 13 protofilaments of which usually one pair interacts in the A-lattice conformation, forming the so-called lattice seam. Microtubule dynamics and interactions are strongly regulated by micro-tubule associate proteins (MAPs). Structural investigations on MAPs and microtubule associated motor proteins in complex with microtubules have become possible in combination with modern electron microscopy (EM) and image processing. We have used biochemistry and different advanced EM techniques to study the interaction between microtubules and the MAP Mal3p in vitro. Mal3p is the sole member of the end-binding protein 1 (EB1) protein family in the fission yeast Schizosaccharomyces pombe. Previous in vivo studies have shown that Mal3p promotes microtubule growth. Our studies with high-resolution unidirectional shadowing EM revealed that Mal3p interacts with the microtubule lattice in a novel way, using binding sites on the microtubule that are different from those reported for other MAPs or motor proteins. Full-length Mal3p preferentially binds between two protofilaments on the microtubule lattice, leaving the rest of the lattice free. A case where Mal3p was found in two adjacent protofilament, revealed an A-lattice conformation on the microtubules, surprisingly indicating specific binding of Mal3p to the microtubule seam. With a lattice enhancer, in form of a b-tubulin binding kinesin motor domain, it was demonstrated that Mal3p stabilizes the seam which is thought to be the weakest part of a microtubule. Further, the presence of Mal3p during microtubule polymerization enhances the closure of protofilament sheets into a tubular organization. Cryo-EM and 3-D helical reconstruction on a monomeric microtubule binding domain of Mal3p, confirm the localization in between the protofilament and result in an accurate localization on the microtubule lattice. The results also indicate Mal3p’s capacity to influence the microtubule lattice conformation. Together, studies approached in vitro demonstrate that an EB1-family homolog not only interacts with the microtubule plus end, but also with the microtubule lattice. The structure of Mal3p interacting with microtubules reveals a new mechanism for microtubule stabilization and further insight on how plus end binding proteins are able promote microtubule growth. These findings further suggest that microtubules exhibit two distinct reaction platforms on their surface that can independently interact with selected MAPs or motors. N2 - Mikrotubuli sind eine faszinierende Komponente des Zytoskeletts einer Zelle. Ihre Struktur entspricht der eines Hohlzylinders. Sie sind aus seitlich assoziierten Proto-filamenten zusammengesetzt, die aus a- und b-Tubulin Untereinheiten bestehen. Diese Heterodimere sind gerichtet, bedingt durch ihre Kopf-Schwanz Anordnung. Folglich besitzen Mikrotubuli eine definierte Polarität, welche die Basis für die Polarität der Zelle bildet. Die Anordnung der Untereinheiten zu einem so genannten Mikrotubulus Gitter kann in zwei Konformationen vorkommen: In der häufigeren B-Gitter Formation, in welcher die Protofilamente seitlich durch a- zu a- und b- zu b-Tubulin interagieren und in der weniger stabilen A-Gitter Konformation, in der a-Tubulin lateral mit b-Tubulin wechselwirkt. In der Zelle vorkommende Mikrotubuli haben grundsätzlich 13 Proto-filamente. Mindestens ein Paar dieser Protofilamente interagiert in der A-Gitter Kon-formation und bildet die so genannte Gitter-Naht (lattice seam). Mikrotubuli Dynamik und Interaktionen sind streng durch Mikrotubuli assoziierte Proteine (MAPs) reguliert. Die Kombination aus moderner Elektronenmikroskopie (EM) und Bild-verarbeitung macht strukturelle Untersuchungen an MAPs und Motorproteinen im Zusammenhang mit Mikrutubuli möglich. Wir haben biochemische und hoch entwickelte EM Techniken benutzt, um die Interaktion zwischen Mikrotubuli und dem Mikrotubuli assoziierten Protein Mal3 in vitro zu untersuchen. Mal3p ist ein Homolog des konservierten Ende-Bindungs Protein 1 (EB1) in der Spalthefe Schizosaccharomyces pombe. Es wurde bereits gezeigt, dass EB1 die Struktur von Mikrotubuli stabilisiert. Mit Hilfe einer speziellen, hochauflösenden EM Schattierungstechnik haben wir demonstriert, dass Mal3p auf neuartige Weise mit dem Mikrotubulus Gitter interagiert. Dabei besetzt Mal3p Bindungsstellen am Mikrotubulus, die sich von denen der anderen MAPs oder Motorproteinen unterscheiden. Mal3p bevorzugt die Bindung zwischen zwei Proto-filamenten, lässt jedoch das übrigen Gitter unbesetzt. In seltenen Fällen wurde Mal3p in zwei nebeneinander angrenzenden Protofilamenten gefunden. An diesen Stellen zeigt sich überraschenderweise eine A-Gitter-Konformation am Mikrotubulus, was auf eine spezifische Naht-Bindung hinweist. Mit Hilfe einer Gitterverstärkung in Form einer Kinesin-Motor-Domäne, die an jede b-Untereinheit bindet, konnte gezeigt werden, dass Mal3p die Naht, den schwächsten Teil eines Mikrotubulus, stabilisiert. Des Weiteren unterstützt die Anwesenheit von Mal3p während der Mikrotubulus Polymerisation die Formierung zur Bildung des Hohlzylinders. Die Untersuchung der monomeren Mikrotubuli-Bindungs-Domäne von Mal3p unter Anwendung von Kryo-EM und anschließender 3-D helikalen Rekonstruktion, führte zur genauen Lokalisierung des Proteins auf dem Mikrotubulus Gerüst. Hierbei bestätigte sich auch die Lokalisation zwischen den Protofilamenten. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass Mal3p die Fähigkeit besitzt, die Konformation des Mikrotubulus Gitters zu beeinflussen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das EB1-Homolog nicht nur an das Mikrotubulus Plus Ende, sondern auch an der Naht entlang des ganzen Mikrotubulus bindet. Die Art wie Mal3p mit den Mikrotubuli interagiert, zeigt einen neuen Mecha-nismus der Mikrotubuli Stabilisierung und eröffnet weitere Sichtweisen, wie Plus End Bindungsproteine die Dynamik von Mikrotubuli beeinflussen. Die Ergebnisse belegen, dass Mikrotubuli zwei definierte Reaktionsplattformen auf ihrer Oberfläche besitzen, die unabhängig mit verschiedenen MAPs und Motorproteinen interagieren KW - Mikrotubulus KW - Elektronenmikroskopie KW - Mikrotubule KW - Tubulin KW - Mal3p KW - EB1 KW - Microtubules KW - Electron Microscopy KW - Seam KW - Lattice KW - EB1 Y1 - 2007 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-24714 ER - 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 -