TY - THES A1 - Kuhlemann, Alexander T1 - Bioorthogonal labeling of neuronal proteins using super-resolution fluorescence microscopy T1 - Bioorthogonale Markierung von neuronalen Proteinen mittels hochauflösender Fluoreszenzmikroskopie N2 - The synaptic cleft is of central importance for synaptic transmission, neuronal plasticity and memory and thus well studied in neurobiology. To target proteins of interest with high specificity and strong signal to noise conventional immunohistochemistry relies on the use of fluorescently labeled antibodies. However, investigations on synaptic receptors remain challenging due to the defined size of the synaptic cleft of ~20 nm between opposing pre- and postsynaptic membranes. At this limited space, antibodies bear unwanted side effects such as crosslinking, accessibility issues and a considerable linkage error between fluorophore and target of ~10 nm. With recent single molecule localization microscopy (SMLM) methods enabling localization precisions of a few nanometers, the demand for labeling approaches with minimal linkage error and reliable recognition of the target molecules rises. Within the scope of this work, different labeling techniques for super-resolution fluorescence microscopy were utilized allowing site-specific labeling of a single amino acid in synaptic proteins like kainate receptors (KARs), transmembrane α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid receptor regulatory proteins (TARPs), γ-aminobutyric acid type A receptors (GABA-ARs) and neuroligin 2 (NL2). The method exploits the incorporation of unnatural amino acids (uAAs) in the protein of interest using genetic code expansion (GCE) via amber suppression technology and subsequent labeling with tetrazine functionalized fluorophores. Implementing this technique, hard-to-target proteins such as KARs, TARPs and GABA-ARs could be labeled successfully, which could only be imaged insufficiently with conventional labeling approaches. Furthermore, functional studies involving electrophysiological characterization, as well as FRAP and FRET experiments validated that incorporation of uAAs maintains the native character of the targeted proteins. Next, the method was transferred into primary hippocampal neurons and in combination with super-resolution microscopy it was possible to resolve the nanoscale organization of γ2 and γ8 TARPs. Cluster analysis of dSTORM localization data verified synaptic accumulation of γ2, while γ8 was homogenously distributed along the neuron. Additionally, GCE and bioorthogonal labeling allowed visualization of clickable GABA-A receptors located at postsynaptic compartments in dissociated hippocampal neurons. Moreover, saturation experiments and FRET imaging of clickable multimeric receptors revealed successful binding of multiple tetrazine functionalized fluorophores to uAA-modified dimeric GABA-AR α2 subunits in close proximity (~5 nm). Further utilization of tetrazine-dyes via super-resolution microscopy methods such as dSTORM and click-ExM will provide insights to subunit arrangement in receptors in the future. This work investigated the nanoscale organization of synaptic proteins with minimal linkage error enabling new insights into receptor assembly, trafficking and recycling, as well as protein-protein interactions at synapses. Ultimately, bioorthogonal labeling can help to understand pathologies such as the limbic encephalitis associated with GABA-AR autoantibodies and is already in application for cancer therapies. N2 - Der synaptische Spalt ist von zentraler Bedeutung für die synaptische Reizweiterleitung, neuronale Plastizität und Gedächtnis und dadurch neurobiologisch sehr gut charakterisiert. Um Zielproteine mit hoher Spezifität und einem guten Signal-zu-Rauschen Verhältnis zu adressieren, wird konventionell auf Immunhistochemie mittels Fluoreszenzfarbstoff-markierter Antikörper zurückgegriffen. Untersuchungen synaptischer Rezeptoren bleiben dabei jedoch aufgrund der limitierten Zugänglichkeit des synaptischen Spalts mit einem Abstand von ~20 nm zwischen gegenüberliegenden pre- und postsynaptischen Membranen herausfordernd. Speziell in einem räumlich begrenzten Umfeld können bei der Verwendung von Antikörpern unerwünschte Artefakte auftreten, die durch Kreuzverlinkung, eine verminderte Zugänglichkeit und einen erheblichen Markierungsabstand zwischen Fluorophor und Probe von ~10 nm entstehen. Aktuelle Verfahren der Einzelmolekül-Lokalisations-Mikroskopie (SMLM), die eine Lokalisationsgenauigkeit von wenigen Nanometern ermöglichen, erhöhen die Nachfrage an Markierungsstrategien mit minimalem Markierungsabstand und zuverlässiger Erkennung der Zielstruktur. Im Rahmen dieser Arbeit wurden daher verschiedene Markierungsmethoden für die hochauflösende Fluoreszenz-Mikroskopie erprobt. Dies ermöglichte die ortsspezifische Markierung einer einzigen Aminosäure in synaptischen Proteinen wie Kainat-Rezeptoren (KARs), Transmembran-α-Amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazol-Propionsäure-Rezeptor regulierenden Proteinen (TARPs), γ-Aminobuttersäure-Typ-A-Rezeptoren (GABA-ARs) oder Neuroligin 2 (NL2). Die angewandte Methodik nutzt den Einbau von unnatürlichen Aminosäuren (uAAs) in das Zielprotein mittels Erweiterung des genetischen Codes (GCE) durch Unterdrückung des Amber-Stop-Codons. Durch Anwendung dieser Strategie gelang es, schwer adressierbare Proteine wie KARs, TARPs und GABA-ARs, welche zuvor mittels konventioneller Markierungsversuche nur unzureichend abgebildet werden konnten, erfolgreich zu markieren. Funktionelle Studien wie elektrophysiologische Charakterisierungen, aber auch FRAP und FRET Experimente zeigten, dass dabei der native Zustand der Zielproteine auch nach dem Einbau von uAAs erhalten bleibt. Schließlich wurde die Methode in primäre hippocampale Neuronen überführt und in Kombination mit hochauflösender Mikroskopie konnte die Organisation von γ2 und γ8 TARPs im Nanobereich aufgelöst werden. Eine Cluster-Analyse von dSTORM Lokalisationsdaten bestätigte die Anreicherung von γ2 in Synapsen, während γ8 homogen entlang des Neurons verteilt vorliegt. Die Erweiterung des genetischen Codes in Kombination mit bioorthogonaler Markierung erlaubte zusätzlich die Visualisierung von clickbaren GABA-A Rezeptoren in Postsynapsen von dissoziierten hippocampalen Neuronen. Außerdem zeigten Saturierungs-Experimente und FRET-Bildgebung die erfolgreiche Bindung von mehreren Tetrazin-gekoppelten Fluorophoren an uAA-modifizierten, dimerischen GABA-AR α2-Untereinheiten in geringem Abstand (~5 nm). Auf der Basis dieser Resultate werden zukünftig hochauflösende mikroskopische Verfahren, wie dSTORM und click-ExM, in Kombination mit Tetrazin-Farbstoffen die Visualisierung von multimerischen Rezeptoren ermöglichen. Im Rahmen dieser Arbeit konnte die Organisation von synaptischen Proteinen mit minimalem Markierungsabstand im Nanobereich untersucht werden und dadurch neue Einsichten in Rezeptor-Zusammenbau, -Bewegungen und -Wiederverwertung, aber auch Protein-Protein Interaktionen in Synapsen gewonnen werden. Die Weiterentwicklung bioorthogonaler Markierungsstrategien kann in Zukunft dazu beitragen Krankheiten, wie die Limbische Enzephalitis, welche mit GABA-AR Autoantikörpern in Verbindung steht, besser zu verstehen und findet zudem bereits heute Anwendung in Krebstherapien. KW - microscopy KW - bioorthogonal labeling KW - super-resolution fluorescence microscopy Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-243731 ER - TY - JOUR A1 - Kuhlemann, Alexander A1 - Beliu, Gerti A1 - Janzen, Dieter A1 - Petrini, Enrica Maria A1 - Taban, Danush A1 - Helmerich, Dominic A. A1 - Doose, Sören A1 - Bruno, Martina A1 - Barberis, Andrea A1 - Villmann, Carmen A1 - Sauer, Markus A1 - Werner, Christian T1 - Genetic Code Expansion and Click-Chemistry Labeling to Visualize GABA-A Receptors by Super-Resolution Microscopy JF - Frontiers in Synaptic Neuroscience N2 - Fluorescence labeling of difficult to access protein sites, e.g., in confined compartments, requires small fluorescent labels that can be covalently tethered at well-defined positions with high efficiency. Here, we report site-specific labeling of the extracellular domain of γ-aminobutyric acid type A (GABA-A) receptor subunits by genetic code expansion (GCE) with unnatural amino acids (ncAA) combined with bioorthogonal click-chemistry labeling with tetrazine dyes in HEK-293-T cells and primary cultured neurons. After optimization of GABA-A receptor expression and labeling efficiency, most effective variants were selected for super-resolution microscopy and functionality testing by whole-cell patch clamp. Our results show that GCE with ncAA and bioorthogonal click labeling with small tetrazine dyes represents a versatile method for highly efficient site-specific fluorescence labeling of proteins in a crowded environment, e.g., extracellular protein domains in confined compartments such as the synaptic cleft. KW - super-resolution microscopy (SRM) KW - click-chemistry KW - dSTORM KW - GABA-A receptor KW - genetic code expansion Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-251035 SN - 1663-3563 VL - 13 ER - TY - JOUR A1 - Börtlein, Charlene A1 - Draeger, Annette A1 - Schoenauer, Roman A1 - Kuhlemann, Alexander A1 - Sauer, Markus A1 - Schneider-Schaulies, Sybille A1 - Avota, Elita T1 - The neutral sphingomyelinase 2 is required to polarize and sustain T Cell receptor signaling JF - Frontiers in Immunology N2 - By promoting ceramide release at the cytosolic membrane leaflet, the neutral sphingomyelinase 2 (NSM) is capable of organizing receptor and signalosome segregation. Its role in T cell receptor (TCR) signaling remained so far unknown. We now show that TCR-driven NSM activation is dispensable for TCR clustering and initial phosphorylation, but of crucial importance for further signal amplification. In particular, at low doses of TCR stimulatory antibodies, NSM is required for Ca\(^{2+}\) mobilization and T cell proliferation. NSM-deficient T cells lack sustained CD3ζ and ZAP-70 phosphorylation and are unable to polarize and stabilize their microtubular system. We identified PKCζ as the key NSM downstream effector in this second wave of TCR signaling supporting dynamics of microtubule-organizing center (MTOC). Ceramide supplementation rescued PKCζ membrane recruitment and MTOC translocation in NSM-deficient cells. These findings identify the NSM as essential in TCR signaling when dynamic cytoskeletal reorganization promotes continued lateral and vertical supply of TCR signaling components: CD3ζ, Zap70, and PKCζ, and functional immune synapses are organized and stabilized via MTOC polarization. KW - neutral sphingomyelinase 2 KW - T cells KW - ceramides KW - PKCζ, KW - the microtubule-organizing center Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-176572 VL - 9 IS - 815 ER -