TY  - THES
A1  - Godbole, Amod Anand
T1  - A new paradigm in GPCR signaling at the trans-Golgi network of thyroid cells
T1  - Ein neues Model der GPCR Signaltransduktion am trans-Golgi-Netzwerk von Schilddrüsenzellen
N2  - Whereas G-protein coupled receptors (GPCRs) have been long believed to signal through cyclic AMP exclusively at cell surface, our group has previously shown that GPCRs not only signal at the cell surface but can also continue doing so once internalized together with their ligands, leading to persistent cAMP production. This phenomenon, which we originally described for the thyroid stimulating hormone receptor (TSHR) in thyroid cells, has been observed also for other GPCRs. However, the intracellular compartment(s) responsible for such persistent signaling and its consequences on downstream effectors were insufficiently characterized. The aim of this study was to follow by live-cell imaging the trafficking of internalized TSHRs and other involved signaling proteins as well as to understand the consequences of signaling by internalized TSHRs on the downstream activation of protein kinase A (PKA). cAMP and PKA
activity was measured in real-time in living thyroid cells using FRET-based sensors Epac1-camp and AKAR2 respectively. The results suggest that TSH co-internalizes with its receptor and that the internalized TSH/TSHR complexes traffic retrogradely to the trans-Golgi network (TGN). This study also provides evidence that these internalized TSH/TSHR complexes meet an intracellular pool of Gs proteins in sorting endosomes and in TGN and activate it there, as visualized in real-time using a conformational biosensor nanobody, Nb37. Acute Brefeldin A-induced Golgi collapse hinders the retrograde trafficking of TSH/TSHR complexes, leading to reduced cAMP production and PKA signaling. BFA pretreatment was also able to attenuate CREB phosphorylation suggesting that an intact Golgi/TGN organisation is essential
for an efficient cAMP/PKA signaling by internalized TSH/TSHR complexes. Taken together this data provides evidence that internalized TSH/TSHR complexes meet and activate Gs proteins in sorting endosomes and at the TGN, leading to a local activation of PKA and consequently increased CREB activation. These findings suggest unexpected functions for receptor internalization, with major pathophysiological and pharmacological implications.
N2  - G-Protein-gekoppelte Rezeptoren sind nur in Eukaryonten vorhandeln und bilden die größte und diverseste Familie von Zellmembranrezeptoren. Sie reagieren auf eine vielfältige Gruppe von Stimuli die verschiedene Effektoren aktivieren und damit nachgelagerte Signalkaskaden auslösen, die letztlich entscheidend für die Zellphysiologie sind. Die Regelung der Ligand-vermittelten Signaltransduktion wird hauptsächlich durch die Desensibilisierung des GPCR mittels Dephosphorylierung (katalysiert durch GRK) und zusätzlich durch Internalisierung des GPCR gesteuert. Die Annahme, dass GPCRs für cAMP nur an der Zellmembran signalisieren und nicht mehr sobald sie in die Zelle internalisiert wurden, konnte durch wegweisende unabhängige Forschung an GPCRs im Besonderen an TSHR und PTHR geändert werden. So konnte gezeigt werden, dass sie für cAMP nicht nur an der Zellmembran signalisieren, sondern auch, wenn sie in intrazelluläre Zellkompartimente internalisiert wurde. Dieses Phänomen („sustained signaling“ hier „anhaltende Signalisierung“) wurde seitdem für andere GPCRs (z.B. 2-AR, V2R und LHR) beschrieben. Aber die Zellkompartimente wurden für nachhaltige intrazelluläre Signale nicht ausreichend charakterisiert. Das Ziel dieser Arbeit war es die Bewegung und die dynamische Natur der möglichen signalisierenden Kompartimente mittels „real-time TIRF“-Mikroskopie und die Signalisierung unter Verwendung von „real-time FRET“ in primären Maus Schilddrüsenzellen zu untersuchen.
Die vorliegende Arbeit berichtet, dass TSH/TSHR Komplexe internalisieren und ein signifikanter Teil, welcher vom Retromer Komplex angeführt wird, gelangt über den retrograden (rückwärts gerichteten) Transport in das trans-Golgi-Netzwerk (TGN). Diese TSH/TSHR-Komplexe treffen nicht in den frühen Endosomen auf die Gs-Proteine, sondern in den „Sortierer Endosomen“ und in dem TGN. Ein direkter Beweis für Gs Protein Aktivierung und Signaltransduktion am TGN und in Sortierer Endosomen konnte mittels des nanobody Nb37, einem spezifischen Biosensor für das aktive Gs Protein, erbracht werden. Es konnte gezeigt werden, dass die Sequestrierung von Nb37 an diesen Kompartimenten ein szintillierendes Verhalten in Zeit und Raum zeigt. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass die katalytische Untereinheit der PKA am Golgi/TGN angereichert ist. Die Behandlung mit Brefeldin A führt zum Verlust dieser PKA Lokalisation am Golgi. Die Beschädigung und Reorganisation des TGN durch Brefeldin A führt zu a) einer abgeschwächten cAMP Reaktion b) einer dreiphasigen PKA Reaktion charakterisiert durch eine schnelle erste Phase, eine langsame (deutlich abgeschwächte) zweite Phase und eine verzögerte dritte Phase und schließlich c) einer abgeschwächte CREB Phosphorylierung. Es gibt Anzeichen dafür, dass die Reorganisation des TGN Kompartimente betrifft, die verantwortlich für intrazelluläre cAMP- und PKA-Signalisierung sind. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das TGN eines der Kompartimente ist, das für die anhaltende TSHR-Signalisierung verantwortlich ist.
KW  - G-Protein gekoppelte Rezeptoren
KW  - GPCR
KW  - thyroid stimulating hormone receptor
KW  - trans-Golgi network
KW  - Signaltransduktion
KW  - Golgi-Apparat
KW  - Schilddrüse
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-147159
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bathon, Kerstin
T1  - Mutations in protein kinase A catalytic subunit as a cause of adrenal Cushing's syndrome: mechanisms and functional consequences
T1  - Mutationen in der katalytischen Untereinheit von Proteinkinase A als Ursache des adrenalen Cushing Syndroms: Mechanismen und funktionelle Konsequenzen
N2  - Protein kinase A (PKA) is the main effector of cyclic-adenosine monophosphate (cAMP) and plays an important role in steroidogenesis and proliferation of adrenal cells. In a previous study we found two mutations (L206R, 199_200insW) in the main catalytic subunit of protein kinase A (PKA C) to be responsible for cortisol-producing adrenocortical adenomas (CPAs). These mutations interfere with the formation of a stable holoenzyme, thus causing constitutive PKA activation. More recently, we identified additional mutations affecting PKA C in CPAs associated with overt Cushing syndrome: S213R+insIILR, 200_201insV, W197R, d244 248+E249Q, E32V. 
This study reports a functional characterization of those PKA Cmutations linked to CPAs of Cushing’s patients. All analyzed mutations except for E32V showed a reduced interaction with at least one tested regulatory (R) subunit. Interestingly the results of the activity differed among the mutants and between the assays employed. For three mutants (L206R, 199_200insW, S213R+insIILR), the results showed enhanced translocation to the nucleus. This was also observed in CRISPR/Cas9 generated PRKACA L206R mutated HEK293T cells. The enhanced nuclear translocation of this mutants could be due to the lack of R subunit binding, but also other mechanisms could be at play. Additionally, I used an algorithm, which predicted an effect of the mutation on substrate specificity for four mutants (L206R, 199_200insW, 200_201insV, d244 248+E249Q). This was proven using phosphoproteomics for three mutants (L206R, 200_201insV, d244 248+E249Q). In PRKACA L206R mutated CPAs this change in substrate specificity also caused hyperphosphorylation of H1.4 on serine 36, which has been reported to be implicated in mitosis. Due to these observations, I hypothesized, that there are several mechanisms of action of PRKACA mutations leading to increased cortisol secretion and cell proliferation in adrenal cells: interference with the formation of a stable holoenzyme, altered subcellular localization and a change in substrate specificity. My data indicate that some PKA C mutants might act via just one, others by a combination of these mechanisms. Altogether, these findings indicate that several mechanisms contribute to the development of CPAs caused by PRKACA mutations. Moreover, these findings provide a highly illustrative example of how alterations in a protein kinase can cause a human disease.
N2  - Proteinkinase A (PKA) ist der Haupteffektor von cyclischem Adenosinmonophosphat (cAMP) und spielt eine wichtige Rolle bei der Synthese von Steroiden und der Proliferation von Nebennierenzellen. In einer vorangegangenen Studie fanden wir zwei Mutationen (L206R, 199_200insW) der wichtigsten katalytischen Untereinheit von PKA (PKA C), die für Kortisol sekretierende Nebennierenrindenadenome (CPAs) verantwortlich sind. Diese Mutationen stören die Bildung eines stabilen Holoenzyms und verursachen somit eine dauerhafte PKA Aktivierung. Vor Kurzem fanden wir weitere Mutationen der PKA C in CPAs von Patienten mit Cushing Syndrom: S213R+insIILR, 200_201insV, W197R, d244 248+E249Q, E32V.
In dieser Arbeit wurde eine funktionelle Charakterisierung dieser PKA C Mutanten, die im Zusammenhang mit CPAs von Cushing Patienten stehen, durchgeführt. Alle PKA Mutanten, mit Ausnahme von E32V, zeigten eine reduzierte Interaktion mit mindestens einer getesteten regulatorischen (R) Untereinheit. Interessanterweise hatten die Mutanten unterschiedliche Effekte auf die Aktivität der Kinase. Zusätzlich hatte die Analysemethode ebenfalls Einfluss auf die Aktivität der Mutanten. Für drei Mutanten (L206R, 199_200insW, S213R+insIILR) zeigten die Ergebnisse eine verstärkte Translokation der C Untereinheit in den Zellkern. Dies wurde auch in HEK293T Zellen bestätigt, in deren PRKACA Gen mittels CRISPR/Cas9 die L206R Mutation eingeführt wurde. Diese erhöhte Translokation kann durch die fehlende Bindung zur R Untereinheit erklärt werden, aber auch andere Mechanismen könnten eine Rolle spielen. Außerdem zeigten die Ergebnisse eine Veränderung der Substratspezifität, die für vier Mutanten durch einen Algorithmus vorausberechnet wurde (L206R, 199_200insW, 200_201insV, d244-248+E249Q). Für drei dieser Mutanten (L206R, 200_201insV, d244 248+E249Q) wurde dieses Ergebnis mittels Phosphoproteomics nachgewiesen. Diese Änderung der Substratspezifität verursacht in PRKACA L206R mutierten CPAs auch eine Hyperphosphorylierung von H1.4 an Serin 36, welches eine wichtige Rolle in der Zellteilung spielt. Meine Ergebnisse weisen darauf hin, dass es mehrere Wirkungsmechanismen von PRKACA Mutationen gibt, die zu einer erhöhten Sekretion von Kortisol und Zellproliferation in Nebennierenzellen führen: Störung der Bildung eines stabilen Holoenzyms, Änderung der subzellulären Lokalisation und eine Veränderung der Substratspezifität. Meine Ergebnisse weisen darauf hin, dass einige PKA C-Mutanten durch nur einen, andere durch eine Kombination dieser Mechanismen wirken. Insgesamt zeigen diese Ergebnisse, dass PRKACA Mutationen durch mehrere Mechanismen zur Entwicklung von CPAs beitragen. Darüber hinaus liefern diese Ergebnisse ein anschauliches Beispiel dafür, wie Mutationen in einer Proteinkinase eine menschliche Krankheit verursachen können.
KW  - Proteinkinase A
KW  - Mutation
KW  - PRKACA
KW  - Cushing-Syndrom
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-168937
ER  - 
TY  - THES
A1  - Lyga, Sandra
T1  - Glycoprotein hormone receptor signaling in the endosomal compartment
T1  - Glykoproteinhormon-Rezeptor Signaltransduktion im endosomalen Kompartiment
N2  - G protein-coupled receptors (GPCRs) are the major group of cell-surface receptors that transmit extracellular signals via classical, G protein-dependent pathways into the cell. Although GPCRs were long assumed to signal exclusively from the cell-surface, recent investigations have demonstrated a possibly completely new paradigm. In this new view, GPCR continues signaling via 3´,5´-cyclic adenosine monophosphate (cAMP) after their agonist-induced internalization of ligand/receptor complexes into an intracellular compartment, causing persistent cAMP elevation and apparently specific signaling outcomes. The thyroid stimulating hormone (TSH) receptor is one of the first GPCRs, which has been reported to show persistent signaling after ligand removal (Calebiro et al., 2009). In the meantime, signaling by internalized GPCR become a highly investigated topic and has been shown for several GPCRs, including the parathyroid hormone receptor (Ferrandon et al., 2009), D1 dopamine receptor (Kotowski et al., 2011) and beta2-adrenergic receptor (Irannejad et al., 2013). A recent study on the beta2-adrenergic receptor revealed that internalized receptor not only participates in cAMP signaling, but is also involved in gene transcription (Tsvetanova and von Zastrow, 2014). However, a biological effect of GPCR signaling at intracellular sites, which would demonstrate its physiological relevance, still remained to be shown.
To investigate GPCR signaling from intracellular compartment under physiological condition, two different cellular models were utilized in the present study: intact ovarian follicles expressing luteinizing hormone (LH) receptors and primary thyroid cells expressing TSH receptors.
Intact ovarian follicles were obtained from a transgenic mouse expressing, a Förster/Fluorescence Resonance Energy Transfer (FRET) sensor for cAMP to monitor cAMP/LH receptor signaling. This study provides the first accurate spatiotemporal characterization of cAMP signaling, which is derived from different cell layers of an intact ovarian follicle. Additionally, it could be shown that cAMP diffusion via gap junctions is implicated in spreading the LH-induced cAMP signals from one the outermost (mural granulosa) to the innermost (cumulus oophorus) cell layer of an ovarian follicle. Interestingly, LH receptor stimulation was associated with persistent cAMP signaling after LH removal and negligible desensitization of the cAMP signal. Interfering with receptor internalization with a dynamin inhibitor dynasore did not only prevent persistent LH-induced cAMP signaling, but also impaired the resumption of meiosis in follicle-enclosed oocytes, a key biological effect of LH. 
In order to investigate the downstream activation of protein kinase A (PKA) in primary thyroid cells, FRET sensors with different subcellular localization (plasma membrane, cytosol and nucleus) were transiently transfected into primary thyroid cells of wild-type mice via electroporation. Interestingly, TSH stimulation causes at least two distinct phases of PKA activation in the global primary thyroid cell, which are temporally separated by approximately 2 min. In addition, PKA activation in different subcellular compartments are characterized by dissimilar kinetics and amplitudes. Pharmacological inhibition of TSH receptor internalization largely prevented the second (i.e. late) phase of PKA activation as well as the subsequent TSH-dependent phosphorylation of CREB and TSH-dependent induction of early genes. These results suggest that PKA activation and nuclear signaling require internalization of the TSH receptor. 
Taken together, the data of the present study provide strong evidence that GPCR signaling at intracellular sites is distinct from the one occurring at the cell-surface and is highly physiologically relevant.
N2  - G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCR) umfassen die größte Gruppe von Rezeptoren in der
Zellmembran und übermitteln extrazelluläre Signale via G-Protein-abhängige Signalwege in das Zellinnere. Obwohl lange Zeit die Wissenschaft davon ausging, das GPCR ausschließlich an der Zelloberfläche Signale weiterleiten, zeigen Studien der letzten Jahre eine vollkommen neuartige Signalweiterleitung aus dem Zellinneren. In dieser neuen Sichtweise, vermitteln GPCR nach Agonist-induzierter Internalisierung des Liganden/Rezeptor-Komplexes in das Zellinnere weiterhin zyklische Adenosin-3´,5´-monophosphat (cAMP)-Signale, was zu einer dauerhaften cAMP-Erhöhung und einem spezifischen Ergebnis der Signaltransduktion führt. Einer der ersten GPCR, für den gezeigt wurde, dass Signale aus dem Zelleninneren übertragen werden können, war der Thyreoidea-stimulierendes Hormon (TSH) Rezeptor. In der Zwischenzeit wurde die Signalübertagung von bereits internalisierten Rezeptoren für weitere GPCR gezeigt, inklusive des beta2-adrenergen Rezeptors. Vor kurzem demonstrierte eine Studie des beta2-adrenerge Rezeptors, dass die intrazellulare GPCR-Signalübertragung nicht nur an der cAMP-Weiterleitung sondern auch an der Gentranskription beteiligt ist. Bis jetzt konnte jedoch noch kein Zusammenhang zwischen der GPCR-Signaltransduktion aus dem Zellinneren und einem biologischen Effekt mit physiologischer Relevanz hergestellt werden.
Um GPCR-Signaltransduktion im Zellinneren unter physiologischen Bedingungen zu untersuchen, wurden in der aktuellen Arbeit zwei unterschiedliche zelluläre Modelle verwendet: Intakte Follikel eines Ovars, welche luteinisierende Hormon (LH) Rezeptoren exprimieren und TSH-Rezeptoren-exprimierende primäre Schilddrüsenzellen.
Die Follikel wurden aus einer transgenen Maus, die einen Förster/Fluoreszenz Resonanz Energie Transfer (FRET) Sensor für cAMP exprimiert, gewonnen, um cAMP/LH-Signaltransduktion zu messen. Diese Arbeit zeigt die erste exakte, zeitliche und räumliche Charakterisierung der LH- induzierten cAMP-Signaltransduktion in intakten Follikeln des Ovars. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass die Diffusion von cAMP via Gap Junctions ein wichtiger  Bestandteil bei der Übermittlung des LH-induzierten cAMP-Signals von der äußeren (Mural granulosa) zur inneren (Cumulus oophorus) Zellebene eines Follikels darstellt. Interessanterweise ergab die LH- Rezeptor Stimulation nach Entfernung des Liganden LH ein anhaltendes cAMP-Signal sowie eine unwesentliche Desensitization des cAMP-Signals. Die Inhibition der Rezeptorendozytose mit Dynasore verhinderte nicht nur das LH-induzierte anhaltende cAMP-Signal sondern beeinflusste auch die Wiederaufnahme der Meiose durch die Follikel-eingeschlossene Oozyte, einer der
wichtigsten biologischen Aufgaben von LH.
 
 
 
Um den Einfluss der TSH-Rezeptorinternalisierung auf die PKA-Aktivität zu untersuchen, wurden
primäre Schilddrüsenzellen von FVB-Mäusen, mit FRET-basierenden Protein Kinase A (PKA) Sensor exprimiert werden, via Elektroporation transfiziert. Die Ergebnisse zeigen, dass eine TSH- vermittelte Stimulation des Rezeptors mindestens zwei kinetisch und räumlich unterschiedliche PKA-Signale in Schilddrüsenzellen auslöst, die zeitlich voneinander getrennt sind. Durch die Inhibierung des TSH-Rezeptorinternalisierung konnte gezeigt werden, dass das zweite PKA-Signal sowie die darauffolgende TSH-abhängige Phosphorylierung des Trankriptionsfaktors CREB und die TSH-abhängige Regulierung von Gen Expression vermindert ist. Diese Befunde geben Aufschluss über die Notwendigkeit der Internalisierung des Rezeptors in das Zellinnere für eine effektive PKA- und Zellkern-Signaltransduktion.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Ergebnisse dieser Arbeit neue, und wichtige Erkenntnisse über den Mechanismus der GPCR-Signalweiterleitung im Zellinneren und erstmals
einen Einblick über die biologische Relevanz der Rezeptorinternalisierung liefern.
KW  - GPCR
KW  - Receptor signaling
KW  - Glycoprotein hormone
KW  - Receptor internalization
KW  - cAMP signaling
KW  - PKA signaling
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-139994
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schreiber, Benjamin
T1  - Selective and enhanced fluorescence by biocompatible nanocoatings to monitor G-protein-coupled receptor dynamics
T1  - Selektive und verstärkte Fluoreszenz durch biokompatible Nanobeschichtungen zur Untersuchung von G-protein-gekoppelten Rezeptoren und ihrer Dynamik
N2  - Fluorescence microscopy has become one of the most important techniques for the imaging of biological cells and tissue, since the technique allows for selective labeling with fluorescent molecules and is highly suitable for low-light applications down to the single molecule regime. The methodological requirements are well-defined for studying membrane receptors within a highly localized nanometer-thin membrane. For example, G-protein-coupled receptors (GPCRs) are an extensively studied class of membrane receptors that represent one of the most important pharmaceutical targets. Ligand binding and GPCR activation dynamics are suspected to take place at the millisecond scale and may even be far faster. Thus, techniques that are fast, selective, and live-cell compatible are required to monitor GPCR dynamics. Fluorescence resonance energy transfer (FRET) and total internal reflection fluorescence microscopy (TIRF-M) are methods of choice to monitor the dynamics of GPCRs selectively within the cell membrane. 
Despite the remarkable success of these modalities, there are limitations. Most importantly, inhomogeneous illumination can induce imaging artifacts, rendering spectroscopic evaluation difficult. Background signal due to scattering processes or imperfect labeling can hamper the signal-to-noise, thus limiting image contrast and acquisition speed. Careful consideration of the internal physiology is required for FRET sensor design, so that ligand binding and cell compatibility are well-preserved despite the fluorescence labeling procedures. This limitation of labeling positions leads to very low signal changes in FRET-based GPCR analysis. In addition, microscopy of these systems becomes even more challenging in single molecule or low-light applications where the accuracy and temporal resolution may become dramatically low. Fluorescent labels should therefore be brighter, protected from photobleaching, and as small as possible to avoid interference with the binding kinetics. The development of new fluorescent molecules and labeling methods is an ongoing process. However, a complete characterization of new labels and sensors takes time. So far, the perfect dye system for GPCR studies has not been found, even though there is high demand. 
Thus, this thesis explores and applies a different approach based on improved illumination schemes for TIRF-M as well as metal-coated coverslips to enhance fluorescence and FRET efficiency. First, it is demonstrated that a 360° illumination scheme reduces typical TIRF artifacts and produces a much more homogenously illuminated field of view. Second, membrane imaging and FRET spectroscopy are improved by metal coatings that are used to modulate the fluorescent properties of common fluorescent dyes. Computer simulation methods are used to understand the underlying photophysics and to design the coatings. Third, this thesis explores the operational regime and limitations of plasmonic approaches with high sectioning capabilities. The findings are summarized by three publications that are presented in the results section of this work. In addition, the theory of fluorescence and FRET is explained, with particular attention to its emission modulations in the vicinity of metal-dielectric layers. Details of the instrumentation, computer simulations, and cell culture are described in the method section. The work concludes with a discussion of the findings within the framework of recent technological developments as well as perspectives and suggestions for future approaches complete the presented work.
N2  - Die Fluoreszenzmikroskopie ist zu einer der wichtigsten Techniken für die Bildgebung biologischer Zellen und Gewebe geworden, da die Technik eine selektive Markierung mit fluoreszierenden Molekülen ermöglicht und sich hervorragend für Anwendungen bei schwachem Licht bis hin zum Einzelmolekül-Regime eignet. Die methodischen Anforderungen sind gut definiert, um Membranrezeptoren innerhalb einer stark lokalisierten nanometerdünnen Membran zu untersuchen. Zum Beispiel sind G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs) eine ausführlich untersuchte Klasse von Membranrezeptoren, weil diese wichtige pharmazeutische Ziele darstellen. Es wird vermutet, dass die Ligandenbindungs- und GPCR-Aktivierungsdynamiken im Millisekundenbereich stattfinden und sogar viel schneller sein können. Daher sind Techniken erforderlich, die schnell, selektiv und lebend-Zell kompatibel sind, um die GPCR-Dynamik zu aufzunehmen. Fluoreszenzresonanzenergietransfer (FRET) und internale Totalreflexions-Fluoreszenzmikroskopie (TIRF-M) sind Methoden der Wahl, um die Dynamik von GPCRs selektiv innerhalb der Zellmembran zu untersuchen.
Trotz des bemerkenswerten Erfolgs dieser Modalitäten gibt es Einschränkungen. Am wichtigsten ist, dass eine inhomogene Beleuchtung Artefakte erzeugen kann, welche die spektroskopische Auswertung erschweren. Hintergrundsignale aufgrund von Streuprozessen oder unvollständiger Markierung können das Signal-Rausch-Verhältnis beeinträchtigen und somit den Bildkontrast und die Erfassungsgeschwindigkeit begrenzen. Eine sorgfältige Berücksichtigung der internen Physiologie ist für das Design der FRET-Sensoren ist erforderlich, so dass die Ligandenbindung und die Zellkompatibilität trotz der Fluoreszenzmarkierungsverfahren nicht gestört werden. Diese Einschränkung der Markierungspositionen führt zu sehr geringen Signalkontrast in der FRET-basierten GPCR-Analyse. Darüber hinaus wird die Mikroskopie dieser Systeme bei Einzelmolekül- oder Schwachlichtanwendungen, bei denen die Genauigkeit und die zeitliche Auflösung dramatisch niedrig werden können, noch schwieriger. Fluoreszierende Marker sollten daher heller, vor Photobleichung geschützt und so klein wie möglich sein, um Störungen mit der Rezeptorkinetik zu vermeiden. Die Entwicklung neuer fluoreszierender Moleküle und Markierungsmethoden ist ein fortlaufender Prozess. Eine vollständige Charakterisierung neuer Marker und Sensoren benötigt jedoch Zeit. Bis jetzt wurde das perfekte Farbstoffsystem für GPCR-Studien noch nicht gefunden, auch wenn es eine hohe Nachfrage dafür gibt.
Daher wird ein anderer Ansatz auf der Grundlage verbesserter Beleuchtungsschemata für TIRF-M sowie metallbeschichtete Deckgläser zur Verbesserung der Fluoreszenz- und FRET-Effizienz untersucht. Zunächst wird gezeigt, dass ein 360 ° Beleuchtung typische TIRF-Artefakte reduziert und ein wesentlich homogeneres Bildausleuchtung erzeugt. Zweitens wurde durch die Modulation der Fluoreszenzeigenschaften gängiger Fluoreszenzfarbstoffe die Membranbildgebung und FRET-Spektroskopie verbessert. Computersimulationsmethoden werden verwendet, um die zugrundeliegende Photophysik zu verstehen und zielgerichtet Beschichtungen zu entwerfen. Drittens wurden das operationelle Regime und die Grenzen von plasmonischen Ansätzen mit noch höheren Signalselektiverung untersucht. Die Ergebnisse sind in drei Publikationen zusammengefasst, die im Ergebnisteil dieser Arbeit vorgestellt werden. Darüber hinaus wird die Theorie der Fluoreszenz und des FRET unter besonderer Berücksichtigung ihrer Emissionsmodulationen in der Nähe von Metall-Dielektrikum-Schichten erläutert. Details der Instrumentierung, Computersimulationen und Zellkultur werden im Abschnitt Methoden beschrieben. Die Arbeit schließt mit einer Diskussion der Ergebnisse im Rahmen der jüngsten technologischen Entwicklungen sowie mit Perspektiven und Vorschlägen für zukünftige Ansätze, die die vorliegende Arbeit abrunden.
KW  - G-Protein gekoppelte Rezeptoren
KW  - Fluorescence
KW  - Microscopy
KW  - Plasmonic
KW  - Fluorescence Resonance Energy Transfer
KW  - G Protein-Coupled Receptors
KW  - Fluoreszenzmikroskopie
KW  - Fluorescence Microscopy
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-173923
ER  - 
TY  - THES
A1  - Gamaleldin, Mariam
T1  - Non-canonical Signaling of μ-opioid Receptors
T1  - Nicht kanonische Signaltransduktion von μ Opioidrezeptoren
N2  - According to the “canonical” paradigm of GPCR signaling, agonist-bound GPCRs only signal to the downstream adenylyl cyclase enzyme when they are seated at the plasma membrane. Upon prolonged binding of an agonist, receptor internalization usually takes place, leading to the termination of this downstream signaling pathway and activation of alternative ones. However, a set of recent studies have shown that at least some GPCRs (e.g. thyroid stimulating hormone receptor) continue signaling to adenylyl cyclase after internalization. In this study, I aimed to investigate canonical signaling by internalized μ opioid receptors (MORs), which are Gi-coupled receptors, using a fluorescence resonance energy transfer (FRET) sensor for cyclic AMP (cAMP) known as Epac1-camps. My results show that the cyclic AMP inhibition signal induced by the binding of DAMGO, a MOR agonist, persists after agonist washout. We hypothesized that this persistent signal might come from internalized DAMGO-bound receptors located in the endosomal compartment. To test this hypothesis, I used dynasore and Dyngo 4a, two dynamin inhibitors that are known to prevent clathrin-mediated endocytosis. Interestingly, dynasore but not Dyngo 4a pretreatment largely blunted the response to MOR activation as well as to adenylyl cyclase activation with Forskolin (FSK). In addition, DAMGO-induced cAMP signal remained persistent even in the presence of 30 M Dyngo 4a. These results might point to a complex interplay between clathrin-mediated internalization and MOR signaling. Further experiments are required to elucidate the mechanisms underlying the persistent MOR signaling and to fully clarify whether MORs are capable of Gi signaling in the endosomal compartment.
N2  - Nach dem „kanonischem“ Paradigma der Signaltransduktion akktivieren agonistbindende GPCR's nur dann die Adenylylcyclase, wenn sie sich in der Zellmembran befinden. Ist der Agonist länger gebunden führt dies meist zur Internalisierung des Rezeptors. Dies führt dazu, dass die Signaltransduktion beendet wird und andere Signalwege aktiviert werden. Jedoch haben einige neuere Studien gezeigt, dass zumindest einige GPCR's (z.B. der Thyreotropinrezeptor) auch nach Internalisierung weiter die Adenylylcyclase aktivieren. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es kanonische Signaltransduktion von internalisierten μ Opioidrezeptoren (MORs) zu untersuchen, welche zu den Gi gekoppelten Rezeptoren gehören. Dazu wird ein Förster Resonanz Energie Transfer (FRET) Sensor für Cyclisches Adenosinmonophosphat (cAMP) benutzt, bekannt als Epac1-camps.
Meine Resultate zeigen, dass die Inhibierung des cAMP Signal durch das Binden von DAMGO, einem MOR Agonisten, bestehen bleibt auch nachdem der Agonist ausgewaschen wurde. Unsere Hypothese ist, dass internalisierte Rezeptoren im endosomalen Kompartment, die DAMGO gebunden haben, die Ursache für das fortbestehende Signal verantwortlich sind. Um dies zu überprüfen habe ich Dynasore und Dyngo 4a benutzt. Beides sind Dynamin Inhibitoren von welchen man weiß, dass sie die Clathrin gesteuerte Endocytose unterbinden. Interessanterweise hat nur die Vorbehandlung mit Dynasore die Reaktion auf die MOR und die Adenylylcyclase Aktivierung mit Forskolin (FSK) verringert, jedoch nicht Dyngo 4a. Desweiteren hielt das durch DAMGO induzierte cAMP Signal selbst nach Zugabe von 30 M Dyngo 4a an.
Diese Ergebnisse können ein Hinweis für einen komplexen Zusammenhang zwischen Clathrin gesteuerter Internalisierung und MOR Signaltransduktion sein. Jedoch braucht es weitere Experimente um den zugrundeliegenden Mechanismus der anhaltenden MOR Signaltransduktion zu beleuchten und um vollständig zu erklären ob MORs in der Lage für Gi Signaltransduktion im endosomalen Kompartment sind.
(Übersetzt von Kerstin Seier)
KW  - G protein-coupled receptors
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-240327
ER  - 
TY  - THES
A1  - Mohamedgamil, Sana Siddig Abdelrahman
T1  - Organization and dynamics of class C GPCR nanodomains in neurons visualized by single-molecule microscopy
T1  - Visualisierung der Anordnung und Dynamik von Klasse C GPCR-Nanodomänen in Neuronen durch Einzelmolekülmikroskopie
N2  - Despite the large number of G protein-coupled receptors (GPCRs) expressed in the central nervous system (CNS), little is known about their location, organization, and dynamics in functional nanodomains at synapses. Class C GPCRs including metabotropic glutamate receptors (mGluRs) and the γ-aminobutyric acid subtype B receptor (GABABR) mediate several key functions in synaptic transmission. However, it is still insufficiently understood how these receptors function at synapses to modulate neurotransmission.  One limitation is the availability of techniques to examine receptors with high spatiotemporal resolution in physiologically relevant cells. To investigate the distribution and spatiotemporal dynamics of mGluR4 and GABABR in cerebellar slices and cultured hippocampal neurons, I used advanced imaging techniques, including single-molecule imaging and superresolution microscopy with high spatial (10-20 nm) and temporal (20 ms) resolution. 
The presynaptic active zone (AZ) is a highly organized structure that specializes in neurotransmitter release. mGluR4 is a prototypical presynaptic class C GPCR. mGluR4 mediates an inhibitory effect on  presynaptic glutamate release mainly via the inhibition of P/Q type voltage dependent calcium channels (CaV2.1).  In this study, I analyzed the organization of mGluR4 at the synapse between parallel fibers and Purkinje cells in the mouse cerebellum with near-molecular resolution using two-color direct stochastic optical reconstruction microscopy (dSTORM). Quantitative analyses revealed a four-fold mGluR4 enrichment at parallel fiber AZs. I found that an AZ contains 29 mGluR4 nanoclusters on average. Each nanocluster contains one or two mGluR4s, with few nanoclusters containing three or more receptors. To assess the spatial distribution of mGluR4 relative to functional active zone elements such as CaV2.1 and Munc 18-1 (an essential component of the synaptic secretory machinery), a distance-based colocalization analysis was used. The analysis revealed positive correlation between mGluR4 and both proteins at a distance of 40 nm. Interestingly, mGluR4 showed a higher positive correlation to Munc 18-1 in comparison to CaV2.1. These results suggest that mGluR4 might directly inhibit the exocytotic machinery to reduce glutamate release from the synaptic vesicles in addition to its role in the inhibition of presynaptic calcium influx. The revealed high degree of mGluR4 organization may provide a new ultrastructural basis to explain the depressive effect of mGluR4 on the neurotransmission. 
Moreover, I directly imaged GABABR dynamic behavior with high spatiotemporal resolution in living hippocampal neurons utilizing single-molecule total internal reflection fluorescence microscopy (TIRFM). To this purpose, the GABAB1 subunit was engineered with an N-terminal SNAP-tag to enable specific labeling with bright organic fluorophores. On the plasma membrane surface, immobile and mobile GABABRs were detected at both synaptic and extrasynaptic compartments. A mean square displacement analysis (MSD) revealed characteristic dynamic patterns of GABABR depending on receptor location inside or outside of the synapses. The majority of receptors belonging to the extrasynaptic pool displayed rapid and free diffusion. In contrast, approximately 80% of receptors residing at the synaptic compartments were immobile or confined within limited regions. Receptors located at pre- and post-synaptic sites showed a similar behavior. GABABR lateral diffusion patterns inside and outside synapses might be important for the regulation of efficacy of synaptic inhibition. 
Altogether, this study puts forward previously unknown GPCR nanoscopic details in functional nanodomains. GPCR spatial organization might be important for the efficiency, fidelity, and rapid signaling required for synaptic transmission.
 
N2  - Trotz der großen Anzahl an G Protein-gekoppelten Rezeptoren (GPCRs) die im zentralen Nervensystem (ZNS) exprimiert werden, ist deren Lokalisierung, Anordnung und Dynamik in funktionellen Nanodomänen an Synapsen gegenwärtig weitgehend unbekannt. Klasse C GPCRs, einschließlich metabotroper Glutamatrezeptoren (mGluRs) und des γ- Aminobuttersäure-B-Rezeptors (GABABR), vermitteln einige Schlüsselfunktionen der synaptischen Übertragung. Grundlegende Prinzipien wie diese Rezeptoren an Synapsen funktionieren, um die Neurotransmission zu modulieren, sind jedoch nur unvollständig verstanden. Eine Schwierigkeit ist die Verfügbarkeit von Techniken zur Untersuchung von Rezeptoren mit hoher raum-zeitlicher Auflösung in physiologisch relevanten Zellen. Um die Anordnung und die raum-zeitliche Dynamik von mGluR4 und GABABR in Kleinhirnschnitten und kultivierten hippocampalen Neuronen zu untersuchen, verwendete ich neue optische Verfahren wie Einzelmolekül- und hochauflösende Mikroskopie (dSTORM) mit hoher räumlicher (10-20 nm) und zeitlicher Auflösung (20 ms).
Die präsynaptische aktive Zone (AZ) ist eine hoch organisierte Struktur, die auf die Transmitterausschüttung spezialisiert ist. Der mGluR4 ist ein prototypischer, präsynaptischer Klasse C GPCR. Hauptsächlich durch die Inhibierung spannungsgesteuerter Calciumkanäle des P/Q-Typs (CaV2.1) vermittelt mGluR4 eine inhibitorische Wirkung auf die Glutamatfreisetzung.In dieser Arbeit analysierte ich die Organisation des mGluR4 an der Synapse zwischen parallelen Fasern und Purkinje-Zellen im Kleinhirn der Maus unter Verwendung der Zweifarben direkten stochastischen optischen Rekonstruktionsmikroskopie (dSTORM). Quantitative Analysen zeigten eine vierfache höhere Anreicherung von mGluR4 an den Parallelfaser-AZs. Ich fand heraus, dass eine AZ im Durchschnitt 29 mGluR4- Nanocluster enthält. Jeder Nanocluster enthält ein oder zwei mGluR4s, wobei wenige Nanocluster drei oder mehr Rezeptoren enthalten. Um die räumliche Verteilung von mGluR4 relativ zu funktionellen Elementen aktiver Zonen, wie CaV2.1 und Munc 18-1( ein wichtiges Protein der exozytotischen Maschinerie), zu bestimmen, wurde die Abstandsbasierte-Co- Lokalisierung-Analyse verwendet. Co-Lokalisierung wurde zwischen mGluR4 und beiden Proteinen in einem Abstand von 40 nm detektiert. Interessanterweise wurde für Munc 18-1 eine höhere positive Korrelation zu mGluR4 identifiziert. Dies deutet darauf hin, dass mGluR4, zusätzlich zu seiner Rolle bei der Hemmung des präsynaptischen Calciumeinstroms, die exozytotische Maschinerie zur Verringerung der Freisetzung von Glutamat aus sekretorischen Organellen direkt hemmen könnte. Der gezeigte hohe Grad der mGluR4-Organisation könnte
 
eine neue ultrastrukturelle Grundlage zur Erklärung der depressiven Wirkung von mGluR4 auf die synaptische Übertragung liefern.
Außerdem habe ich das dynamische Verhalten von GABABR direkt mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung in lebenden hippocampalen Neuronen durch Einzelmolekül-TIRFM visualisiert. Zu diesem Zweck wurde die GABAB1-Untereinheit mit einem N-terminalen SNAP- Tag konstruiert, um eine spezifische Markierung mit hellen organischen Fluorophoren zu ermöglichen. Auf der Oberfläche der Plasmamembran wurden immobile und mobile GABABRs in synaptischen und extrasynaptischen Kompartimenten nachgewiesen. Die mittlere quadratische Verschiebung (mean square displacment analysis (MSD)) zeigte charakteristische dynamische Muster von GABABR in Abhängigkeit der Position der Rezeptoren innerhalb oder außerhalb der Synapsen. Die Mehrheit der Rezeptoren im extrasynaptischen Pool zeigte schnelle und freie Diffusion. Im Gegensatz dazu waren ungefähr 80% der synaptischen Rezeptoren immobile oder auf begrenzte Regionen beschränkt. Rezeptoren an prä- und postsynaptischen Stellen zeigten ein ähnliches Verhalten. GABABR- Diffusionsmuster innerhalb und außerhalb von Synapsen könnten außerdem für die Regulierung der Wirksamkeit der synaptischen Hemmung von Bedeutung sein.
Insgesamt zeigen diese Ergebnisse bisher unbekannte Erkenntnisse zu nanoskopischen Einzelheiten von GPCRs in funktionellen Nanodomänen. Die räumliche Organisation von GPCR kann für die Effizienz, Genauigkeit und schnelle Signalisierung der Neurotransmission wichtig sein.
KW  - GPCR nanodomains
KW  - single-molecule microscopy
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-178963
ER  - 
TY  - THES
A1  - Seier, Kerstin
T1  - Investigation of dynamic processes of prototypical class A GPCRs by single-molecule microscopy
T1  - Untersuchung von dynamischen Prozessen von prototypischen Klasse A GPCR's durch Einzelmolekülmikroskopie
N2  - In this work, two projects were pursued. 

In the first project, I investigated two different subtypes of opioid receptors, which play a key role as target for analgesia. A set of subtype specific fluorescent ligands for μ opioid receptor (MOR) and δ opioid receptor (DOR) was characterised and used to gain insights into the diffusion behaviour of those receptors. It was shown that the novel ligands hold photophysical and pharmacological properties making them suitable for single-molecule microscopy. Applying them to wild-type receptors expressed in living cells revealed that both sub-types possess a heterogeneous diffusion behaviour. Further- more, the fluorescent ligands for the MOR were used to investigate homodomerisation, a highly debated topic. The results reveal that only ≈ 5 % of the receptors are present as homodimers, and thus the majority is monomeric. G-protein coupled receptors (GPCRs) play a major role as drug targets. Accordingly, understanding the activation process is very important. For a long time GPCRs have been believed to be either active or inactive. In recent years several studies have shown, that the reality is more complex, involving more substates. [1, 2, 3, 4] In this work the α 2A AR was chosen to investigate the activation process on a single-molecule level, thus being able to distinguish also rare or short-lived events that are hidden in ensemble mea- surements. With this aim, the receptor was labelled intracellular with two fluorophores using supported membranes. Thus it was possible to acquire movies showing qualita- tively smFRET events. Unfortunately, the functionality of the used construct could not be demonstrated. To recover the functionality the CLIP-tag in the third intracellular loop was replaced successfully with an amber codon. This stop codon was used to insert an unnatural amino acid. Five different mutants were created and tested and the most promising candidate could be identified. First ensemble FRET measurements indicated that the functionality might be recovered but further improvements would be needed. Overall, I could show that single-molecule microscopy is a versatile tool to investigate the behaviour of typical class A GPCRs. I was able to show that MOR are mostly monomeric under physiological expression levels. Furthermore, I could establish intra- cellular labelling with supported membranes and acquire qualitative smFRET events.
N2  - In dieser Arbeit wurden zwei Projekte verfolgt. 

Im ersten Projekt wurden zwei Subtypen der Opioidrezeptoren untersucht, die eine wichtige Rolle für die Wirksamkeit von Analgetika spielen. Ein Set von subtypspezifischen fluoreszierenden Liganden für den MOR und den DOR wurde charakterisiert und eingesetzt, um Einblicke in das Diffuionsverhalten der Rezeptoren zu gewinnen. Es konnte gezeigt werden, dass die neuartigen Liganden sowohl photophysikalische als auch pharmakologische Eigenschaften besitzen, die sie für die Einzelmolekülmikroskopie interessant machen. Versuche mit Opioidrezeptoren, die in lebenden Zellen exprimiert werden, zeigten, dass beide Subtypen heterogenes Diffuionsverhalten aufweisen. Des Weiteren wurden die fluoreszierenden Liganden für den MOR genutzt um Homodimerisierung zu untersuchen, da dies ein kontrovers diskutiertes Thema ist. Die Ergebnisse zeigen, dass lediglich ≈ 5% der Rezeptoren als Homodimere vorliegen und der Großteil monomerisch ist. 
GPCRs sind besonderem Interesse, weil sie Angriffspunkt vieler Medikamente sind. Deshalb ist es wichtig ihren Aktivierungsmechanismus besser zu verstehen. Lange Zeit wurde angenommen, dass GPCRs entweder aktiv oder inaktiv sind. Neuere Studien zeigten jedoch, dass die Realität komplexer ist und der Prozess Zwischenschritte involviert. [1, 2, 3, 4] In dieser Arbeit wurde der α 2A Adrenorezeptor als prototypischer Klasse A GPCR gewählt, um den Aktivierungsprozess auf Einzelmoleküllevel zu untersuchen. Durch die Betrachtung einzelner Rezeptoren ist es möglich auch seltene oder sehr kurzlebige Ereignisse zu unterscheiden, die in Kollektivmessungen untergehen. Um dies zu erreichen wurde der Rezeptor erfolgreich intrazellulär mit zwei Fluorophoren markiert. Dies gelang durch die Herstellung von „supported membranes", also Zellmembranen die auf einem Objektträger fixiert wurden. Dadurch war es möglich Videos aufzunehmen, die Einzelmolekül-FRET-Ereignisse zeigen. Jedoch gelang es nicht zu zeigen, dass der Rezeptor als Ganzes noch funktional war. Um einen funktionalen Rezeptor zu erhalten, wurde das CLIP-Tag in der dritten intrazellulären Schleife erfolgreich durch ein Stopcodon ersetzt, welches für eine nicht kanonische Aminosäure kodierte. Fünf verschiedene Mutanten wurden kloniert und getestet, wobei der vielversprechendste Mutant identifiziert werden konnte. Erste FRET-Kollektivmessungen deuten darauf hin, dass dieser Mutant funktional sein könnte. Jedoch sind weitere Verbesserungen nötig. 
Insgesamt konnte ich zeigen, dass Einzelmolekülmikroskopie vielseitige Möglichkeiten bietet um das Verhalten von GPCRs zu untersuchen. Ich konnte nachweisen, dass MOR unter physiologischen Bedingungen hauptsächlich als Monomere vorliegen. Des Weiteren konnte ich Dank supported membranes die Markierung durch Farbstoffe im Intrazellularbereich etablieren und qualitative smFRET Ereignisse aufnehmen.
KW  - PhD thesis pharmacology
KW  - GPCR dimerisation
KW  - single-molecule imaging
KW  - opioid receptor
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-199739
ER  -