TY  - THES
A1  - Fronczek, David Norman
T1  - Integration of fluorescence and atomic force microscopy for single molecule studies of protein complexes
N2  - The scope of this work is to develop a novel single-molecule imaging technique by combining atomic force microscopy (AFM) and optical fluorescence microscopy. The technique is used for characterizing the structural properties of multi-protein complexes. The high-resolution fluorescence microscopy and AFM are combined (FIONA-AFM) to allow for the identification of individual proteins in such complexes. This is achieved by labeling single proteins with fluorescent dyes and determining the positions of these fluorophores with high precision in an optical image. The same area of the sample is subsequently scanned by AFM. Finally, the two images are aligned and the positions of the fluorophores are displayed on top of the topographical data. Using quantum dots as fiducial markers in addition to fluorescently labeled proteins, fluorescence and AFM information can be aligned with an accuracy better than 10 nm, which is sufficient to identify single fluorescently labeled proteins in most multi-protein complexes. The limitations of localization precision and accuracy in fluorescence and AFM images are investigated, including their effects on the overall registration accuracy of FIONA-AFM hybrid images. This combination of the two complementary techniques opens a wide spectrum of possible applications to the study of protein interactions, because AFM can yield high resolution (5–10 nm) information about the conformational properties of multi-protein complexes while the fluorescence can indicate spatial relationships of the proteins within the complexes. Additionally, computer simulations are performed in order to validate the accuracy of the registration algorithm.
N2  - Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde ein bildgebendes Verfahren zur Identifizierung einzelner Proteine in rasterkraftmikroskopischen Aufnahmen entwickelt. Dazu wird ein integrierter Versuchsaufbau aus einem Rasterkraft- und einem optischen Mikroskop verwendet. Ziel der Technik ist die Identifizierung einzelner Proteine im biologischen Kontext (z. B. in Proteinkomplexen). Dazu werden ausgewählte Proteine fluoreszierend markiert und parallel zur Rasterkraftmessung optisch abgebildet. Für dieses Verfahren werden transparente und zugleich nano-glatte Substrate benötigt. Dazu wurden Probenträger aus Glas und Mica (Muskovit) verwendet und evaluiert. Als Fluoreszenzfarbstoffe kommen Quantenpunkte zum Einsatz, bestehend aus 5–10 nm großen Nanokristallen, die vermittels Antikörper stabil an Proteine gebunden werden können, ohne deren Funktion zu beeinträchtigen. Die optische Anregung erfolgt durch einen Argon-Laser, unter Verwendung des Prinzips der Totalreflektions-Fluoreszenz-Mikroskopie (TIRF). Im optischen Bild erscheinen die Fluorophore als einzelne Beugungsscheibchen. Durch eine Ausgleichsrechnung, bei der eine 2D-Gaußfunktion an die Daten angepasst wird, werden die Positionen der Fluorophore mit hoher Genauigkeit ermittelt (Superlocalization). Anschließend werden die Bilder durch eine affine Transformation ausgerichtet. Diese Transformation wird durch ein merkmalbasiertes Bildregistrierungsverfahren numerisch bestimmt, welches die Koordinaten einiger identischer Punkte in den Rasterkraft- und Fluoreszenzbildern als Eingabe benötigt. Die Programmierung und Evaluierung des zur Auswertung erforderlichen Algorithmus war Teil der Arbeit. Die Positionen der Fluorophore werden anschließend farbkodiert im topografischen Bild ausgegeben, was die Identifizierung einzelner Proteine/Objekte ermöglicht. Zur experimentellen Realisierung des Verfahrens wurden Abbildungen mit ungebundenen Quantenpunkten erstellt, wobei eine Überlagerungsgenauigkeit von ca. 6 nm (Glas) bzw. ca. 9 nm (Mica) erreicht werden konnte. Ergänzend dazu wurden Simulationen durchgeführt, um die Validität des Auswertungsalgorithmus zu bestätigen. Diese ermöglichen zusätzlich Vorhersagen über die zu erwartende Genauigkeit unter verschiedenen Abbildungsbedingungen. Schließlich wurde die Technik exemplarisch auf ein biologisches System angewendet. Dazu wurde der Schadenserkennungsapparat des bakteriellen DNS-Reparatursystems NER herangezogen. Bei gleichzeitig deutlicher Sichtbarkeit einzelner DNS-Moleküle und Proteine im Topographiebild konnte eine Überlagerungsgenauigkeit von 8.8 nm erreicht werden.
KW  - Kraftmikroskopie
KW  - Fluoreszenz
KW  - DNS-Reparatur
KW  - Registrierung <Bildverarbeitung>
KW  - Multiproteinkomplex
KW  - AFM
KW  - Fluorescence imaging with one nanometer accuracy
KW  - FIONA
KW  - hybrid imaging
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-70731
ER  - 
TY  - THES
A1  - Büchner, Claudia Nadine
T1  - Single molecule studies of DNA lesion search and recognition strategies
T1  - Einzel-Molekül-Studien von Strategien zur DNS-Schadenssuche und -erkennung
N2  - The integrity of our genome is continuously endangered by DNA damaging factors. Several cellular mechanisms have evolved to recognize and remove different types of DNA lesions. Despite the wealth of information on the three-dimensional structure and the catalytic mechanism of DNA repair enzymes, the essential process of target site search and identification remains more elusive. How can a small number of repair proteins find and detect the rare sites of damage rapidly and efficiently over an excess of millions of undamaged bases? 
To address this pivotal question in DNA repair, I focused on the central players from the two DNA damage excision repair pathways in my studies: nucleotide excision repair (NER) and base excision repair (BER). As examples for completely different approaches of damage search, recognition and verification, I compared the NER protein Xeroderma pigmentosum group D (XPD) with the BER proteins human thymine DNA glycosylase (hTDG) and human 8-oxoguanine glycosylase (hOgg1). 
In particular, the single molecule approach of atomic force microscopy (AFM) imaging and complementary biochemical and biophysical techniques were applied. I established a simple, optimized preparation approach, which yields homogeneous and pure samples of long (several hundreds to thousands of base pairs) DNA substrates suitable for the AFM studies with DNA repair proteins. Via this sample preparation, a single target site of interest can be introduced into DNA at a known position, which allows separate analysis of specific protein-DNA complexes bound to the lesion site and nonspecific complexes bound to non-damaged DNA. 
The first part of the thesis investigates the XPD protein involved in eukaryotic NER. In general, the NER mechanism removes helix-distorting lesions – carcinogenic UV light induced photoproducts, such as cyclobutane pyrimidine dimers (CPDs) as well as bulky DNA adducts. The 5’-3’ helicase XPD has been proposed to be one of the key players in DNA damage verification in eukaryotic NER, which is still a matter of hot debate. In the studies, I focused on XPD from the archaeal species Thermoplasma acidophilum (taXPD), which shares a relatively high sequence homology with the sequence of the human protein and may serve as a good model for its eukaryotic counterpart. Based on AFM experiments and accompanying DNA binding affinity measurements with the biosensor technology Biolayer Interferometry (BLI), a clear role of XPD in damage verification was deciphered. Specifically, the data suggested that the ATP-dependent 5’-3’ helicase activity of XPD was blocked by the presence of damage leading to stalled XPD-DNA damage verification complexes at the lesion sites.
Successful damage verification led to ATP-dependent conformational changes visible by a significant transition in DNA bend angles from ~ 50° to ~ 65° at the site of the bound protein. Remarkably, this DNA bend angle shift was observed both in the presence of ATP and ATPγs (non-hydrolyzable ATP analog) indicating that ATP-binding instead of ATP hydrolysis was sufficient to induce repair competent conformational changes of XPD. Most importantly, detailed protein binding position and DNA bend angle analyses revealed for the first time that XPD preferably recognizes a bulky fluorescein lesion on the translocated strand, whereas a CPD lesion is preferentially detected on the opposite, non-translocated strand. Despite the different recognition strategies for both types of damages, they share a common verification complex conformation, which may serve as a signal for the recruitment of further NER factors.
In the second part of the thesis, AFM imaging and a 2-Aminopurine fluorescence-based base-flipping assay were combined to investigate damage search and recognition by DNA glycosylases in BER. Exemplarily, I chose to study hTDG as a representative of the vast glycosylase family. hTDG excises thymine and uracil from mutagenic G:T and G:U mispairs contributing to cancer and genetic disease. The AFM data suggested that hTDG uses the intrinsic flexibility of G:T and G:U wobble pairs for initial damage sensing, while scanning DNA as a search complex (SC, slightly bent DNA). Remarkably, hTDG has been indicated to continuously switch between the search and interrogation conformation (IC, stronger bent DNA) during damage search. In the IC, target bases are interrogated by extrahelical base flipping, which is facilitated by protein-induced DNA bending and enhanced DNA flexibility at mismatches. AFM and fluorescence analyses revealed that the flipped base is stabilized via hTDG’s arginine finger. Correct target bases are perfectly stabilized within the enzyme’s catalytic pocket resulting in prolonged residence time and enhanced excision probability. To test for the generalizability of the proposed hTDG damage search model to BER glycosylases, identical studies were performed with a second glycosylase, hOgg1. The data on hOgg1, which removes structurally more stable 8-oxoguanine lesions, supported the hypothesis developed for lesion recognition by hTDG as a common strategy employed by BER glycosylases
N2  - Die Stabilität des menschlichen Genoms wird durch DNA-schädigende Faktoren ständig bedroht. Mehrere zelluläre Mechanismen haben sich entwickelt, um verschiedene Typen von DNS-Schädigungen zu erkennen und zu entfernen. Obwohl zahlreiche und vielfältige Informationen über die drei-dimensionalen Strukturen und katalytischen Mechanismen von DNS-Reparaturenzymen vorhanden sind, ist der essentielle Prozess der Suche und Identifikation von Läsionen kaum verstanden. Wie ist es möglich, dass eine kleine Anzahl an Reparaturenzymen die seltenen DNS-Schadensstellen unter Millionen von unbeschädigten Basen schnell und effizient finden kann?
Diese zentrale Frage der DNS-Reparatur habe ich mit Hilfe von Schlüssel-Proteinen aus zwei verschiedenen DNS-Reparaturmechanismen untersucht, zum einen aus der Nukleotid- (NER) und zum anderen aus der Basenexzisionsreparatur (BER). Als Beispiel für zwei völlig unterschiedliche Ansätze zur Schadenssuche, -erkennung und -verifizierung, habe ich das NER Protein Xeroderma pigmentosum group D (XPD) mit den BER Proteinen humane Thymin DNA Glykosylase (hTDG) und der humanen 8-Oxoguanin Glykosylase (hOgg1) verglichen.
Im Detail habe ich Einzelmoleküluntersuchungen mittels Rasterkraftmikroskopie (engl. ‚atomic force microscopy‘, AFM) und unterstützenden biochemischen und biophysikalischen Techniken angewandt. Ich habe eine einfache und optimierte Probenaufbereitungsmethode etabliert, welche es ermöglicht homogene, hochreine und lange (mehrere 100 Basenpaare) DNS-Substrate herzustellen, die für AFM Studien mit DNS-Reparaturenzymen geeignet sind. Mit Hilfe dieser Probenherstellungs-Technik kann eine einzelne, gewünschte Zielstelle an einer bestimmten Position in diese DNS-Substrate eingefügt werden. Die Verwendung dieser speziellen DNS-Substrate erlaubt eine separate Analyse von spezifischen Protein-DNS-Komplexen, die an bestimmte Läsionen gebunden sind, und unspezifischen Komplexen mit unbeschädigter DNS.
Der erste Teil dieser Arbeit behandelt die Rolle von XPD in der eukaryotischen NER. Der NER Mechanismus entfernt DNS-Schäden, welche die Helix-Struktur der DNS verzerren. Das sind zum einen krebserregende UV-Schäden, wie zum Beispiel Cyclobutan-Pyrimidindimere (CPDs) sowie sperrige DNS-Addukte. Die 5‘-3‘ Helikase XPD wird als eines der Schlüsselenzyme bei der Schadens-Verifizierung gehandelt, was jedoch derzeit noch umstritten ist. In meinen Studien habe ich mich mit dem XPD-Protein aus dem archäischen Organismus Thermoplasma acidophilum (taXPD) beschäftigt. Dieses weist eine relativ große Sequenzhomologie mit dem humanen Protein auf und stellt daher ein gutes Modell für das eukaryotische XPD dar. Auf Grund von AFM Experimenten und DNS-Bindungsaffinitätsmessungen mittels Biolayer-Interferometrie (BLI), konnte XPD eine eindeutige Rolle in der DNS-Schadensverifizierung zugesprochen werden. Meine Ergebnisse zeigten, dass die ATP-abhängige Helikase-Aktivität von XPD durch die Anwesenheit eines DNA-Schadens gehemmt wird, was zur Schadensverifizierung und Bildung von XPD-DNA-Komplexen führt, die von der Schadensstelle ‚aufgehalten‘ wurden.
Eine erfolgreiche Schadensverifizierung führt daraufhin zu ATP-abhängigen Konformationsänderungen, die sich in einer Änderung des DNA-Biegewinkels von ~ 50° zu ~ 65° an der Stelle des gebunden Proteins äußern. Es ist bemerkenswert, dass diese Änderung des DNS-Biegewinkels sowohl mit ATP und als auch mit ATPγs (nicht-hydrolysierbares ATP Analog) beobachtet wurde. Dies zeigt, dass bereits die Bindung und anstatt der Hydrolyse von ATP ausreicht, um reparaturkompetente Konformationsänderungen durch XPD zu veranlassen. Darüber hinaus haben meine detaillierten Proteinbindeposition- und DNS-Biegewinkelanalysen haben zum ersten Mal gezeigt, dass XPD sperrige Fluoreszein-Schäden vor allem auf dem translozierten DNS-Strang erkennt, während CPD-Schäden vor allem auf dem gegenüberliegendem nicht-translozierten Strang erkannt werden. Trotz dieser unterschiedlichen Erkennungsstrategien für die zwei Schadenstypen, nehmen die beiden Schäden die gleiche Konformation im Schadensverifizierungs-Komplex an, was als Signal für die Rekrutierung weiterer NER Faktoren dienen könnte.
Im zweiten Teil meiner Arbeit kombinierte ich AFM-Experimente mit einem sogenannten ‚base flipping' Test, der auf der Fluoreszenz von 2-Aminopurine basiert, um die Schadenssuche und -erkennung durch DNS-Glykosylasen im BER-Mechanismus zu untersuchen. Als Beispiel für die weitläufige Familie der Glykosylasen wählte ich hTDG aus. hTDG schneidet Thymin und Uracil aus mutagenen G:T und G:U Fehlpaarungen heraus. Die AFM Daten zeigten, dass sich hTDG für die initiale Schadenserkennung die intrinsische Flexibilität in G:T und G:U Paaren zu Nutze macht, während die DNA als Suchkomplex geprüft wird (engl. ‚search complex‘, SC, leicht gebogene DNS-Struktur). Erstaunlicherweise scheint hTDG dabei kontinuierlich zwischen einem Such- und Prüfkomplex umzuschalten (engl. ‚interrogation complex‘, IC, stärkere Biegung der DNS). Im IC werden Basen durch „flippen“ außerhalb der DNS-Helix geprüft, was durch die Protein induzierte DNS-Biegung und die erhöhte Flexibilität von Fehlpaarungen in der DNS ermöglicht wird. Die Analyse von AFM- und Fluoreszenzexperimenten brachte zum Vorschein, dass die ‚geflippte‘ Base durch den Arginin-Finger von hTDG stabilisiert wird. Die korrekten Zielbasen passen exakt in die katalytische Tasche des Enzyms und werden dort perfekt stabilisiert, was zu einer längeren Aufenthaltsdauer führt, die wiederum die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass die Base herausgeschnitten wird. Um zu testen, ob das für hTDG vorgeschlagene Schadenssuchmodel auch allgemein für andere BER Glykosylasen gilt, habe ich die gleichen Experimente mit einer weiteren Glykosylase (hOgg1) durchgeführt, ein Protein das strukturell stabilere 8-Oxoguanin-Schäden entfernt. Die Daten für hOgg1 untermauern die Hypothese, die für die Schadenssuche von hTDG erarbeitet wurde, als eine gemeinsame Strategie von BER Glykosylasen.
KW  - Rasterionenmikroskop
KW  - DNS-Schädigung
KW  - Single-molecule
KW  - Atomic-force-microscopy
KW  - DNA lesion
KW  - Einzel-Molekül
KW  - Rasterkraft-Mikroskopie
KW  - DNS-Schaden
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-111886
ER  - 
TY  - THES
A1  - Mehringer, Christian Felix
T1  - Optimierung und Objektivierung der DNA-Biegewinkelmessung zur Untersuchung der initialen Schadenserkennung von Glykosylasen im Rahmen der Basen-Exzisions-Reparatur
T1  - Optimisation and standardisation of DNA bend angle measurements as application of automated DNA bend angle measurements to initial damage detection of base excision repair glycosylases
N2  - Im Rahmen dieser Doktorarbeit sollte anknüpfend an die Ergebnisse aus vo-rangegangenen Untersuchungen der AG Tessmer, das von Büchner et al. [1] vorgestellte Modell zur DNA-Schadenserkennung, welches im Speziellen auf Daten zu den Glykosylasen hTDG und hOGG1 basierte, auf seine Allgemein-gültigkeit für DNA-Glykosylasen untersucht werden. Das Modell beschreibt den Prozess der Schadenserkennung als eine notwendige Übereinstimmung der passiven Biegung am Schadensort mit dem aktiven BiegungswinkeI der scha-densspezifischen Glykosylase. Ein wesentlicher Bestandteil dieser Arbeit war zudem die Etablierung einer automatisierten Messsoftware zur objektiven Biegewinkelmessung an DNA-Strängen in rasterkraftmikroskopischen Aufnah-men. Dies wurde mit verschiedenen Bildverarbeitungsprogrammen sowie einer in MATLAB implementierten Messsoftware erreicht und das Programm zudem auf die Biegewinkelmessung von proteininduzierten Biegewinkeln erweitert. Zur Anwendung kam die Methode der automatisierten Biegewinkelmessung sowohl an rasterkraftmikroskopischen Aufnahmen der Glykosylase MutY gebunden an ungeschädigter DNA als auch an Aufnahmen von DNA mit und ohne Basen-schaden. Neben oxoG:A und G:A, den spezifischen MutY-Zielschäden, wurden auch andere Basenschäden wie beispielsweise oxoG:C und ethenoA:T vermes-sen und zudem die von der Glykosylase MutY an ungeschädigter DNA induzier-te Biegung mit den Biegewinkeln der jeweiligen Zielschäden verglichen. Die Übereinstimmung in den Konformationen der Zielschäden und der Reparatur-komplexe auch für die Glykosylase MutY (wie bereits für hTDG und hOGG1 in oben genannter Arbeit gezeigt) erlauben ein verbessertes Verständnis der Schadenssuche und -erkennung durch DNA-Glykosylasen, indem sie die All-gemeingültigkeit einer Biegungsenergie-basierten initialen Schadenserkennung durch DNA-Glykosylasen unterstützen. Die etablierte Messsoftware kann zu-künftig an weiteren DNA-Schäden und den entsprechenden Protein-DNA-Komplexen ihre Anwendung finden und kann somit durch die effektive Gewin-nung objektiver Daten in großer Menge zur Stützung des Modells beitragen.
N2  - The focus of this thesis was to test the general applicability of a model for initial lesion detection by base excision repair (BER) glycosylases. This thesis built on previous results from the Tessmer laboratory on the human base excision re-pair (BER) glycosylases hTDG and hOGG1 (Büchner et al. [1]). Based on this work, a model for initial lesion detection by glycosylases had been proposed that describes the process of damage recognition as a necessary match of the passive bending at the point of damage with the active bending by the damage-specific glycosylase. An essential component of this work was also the estab-lishment of an automated measurement software for objective bend angle measurements on DNA strands in atomic force microscopy (AFM) images. This was achieved with various image processing programs and a custom written MATLAB software. In addition, the procedure was extended to the measure-ment of DNA bend angles in protein-DNA complexes. In particular, the automa-ted bend angle analsyis was applied to AFM images of the glycosylase MutY bound to non-specific DNA and MutY target lesions (oxoG:A and G:A), as well as other DNA damages (oxoG:C and ethenoA:T). In the analyses, DNA bending induced by MutY in undamaged DNA was measured and compared to bending at the respective target damage. Similarities in the conformations of target da-mage and repair complexes also for this additional glycosylase (as already shown for hTDG and hOGG1 in above mentioned work) allow an improved un-derstanding of DNA glycosylase damage search and recognition by supporting the general validity of bending energy-based initial damage detection by DNA glycosylases. In addition, the established measurement software can also be used to measure DNA bending by other protein systems in an unbiased manner and on a high-throughput scale. The software thus contributes to the effective acquisition of objective data.
KW  - DNS-Reparatur
KW  - Biegewinkel
KW  - Rasterkraftmikroskop
KW  - Glykosylasen
KW  - Computerprogramm
KW  - Basen-Exzisionsreparatur
KW  - AFM
KW  - Automatische Biegewinkelmessung
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-230847
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bangalore, Disha Mohan
T1  - Mechanistic studies of protein-DNA interactions by single
molecule atomic force microscopy
T1  - Mechanistische Untersuchungen von protein-DNA-Wechselwirkungen mittels Einzelmolekül-Rasterkraftmikroskopie
N2  - Protein-DNA interactions are central to many biological processes and form the bedrock of gene transcription, DNA replication, and DNA repair processes. Many proteins recognize specific sequences in DNA- a restriction enzyme must only cut at the correct sequence and a transcription factor should bind at its consensus sequence. Some proteins are designed to bind to specific structural or chemical features in DNA, such as DNA repair proteins and some DNA modifying enzymes. Target-specific DNA binding proteins initially bind to non-specific DNA and then search for their target sites through different types of diffusion mechanisms. Atomic force microscopy (AFM) is a single-molecule technique that is specifically well-suited to resolve the distinct states of target-specific as well as nonspecific protein-DNA interactions that are vital for a deeper insight into the target site search mechanisms of these enzymes. In this thesis, protein systems involved in epigenetic regulation, base excision repair (BER), and transcription are investigated by single-molecule AFM analyses complemented by biochemical and biophysical experiments.
The first chapter of this thesis narrates the establishment of a novel, user-unbiased MatLab-based tool for automated DNA bend angle measurements on AFM data. This tool has then been employed to study the initial lesion detection step of several DNA glycosylases. These results promoted a model describing the altered plasticities of DNA at the target lesions of DNA glycosylases as the fundamental mechanism for their enhanced efficiency of lesion detection.
In the second chapter of this thesis, the novel automated tool has been further extended to provide protein binding positions on the DNA along with corresponding DNA bend angles and applied to the study of DNMT3A DNA methyltransferase. These AFM studies revealed preferential co-methylation at specific, defined distances between two CpG sites by the enzyme and when combined with biochemical analyses and structural modelling supported novel modes of CpG co-methylation by DNMT3A.
In the third chapter of this thesis, the role of 8-oxo-guanine glycosylase (hOGG1) in Myc-mediated transcription initiation has been investigated. AFM analyses revealed that in the presence of oxidative damage in DNA, Myc is recruited to its target site (E-box) by hOGG1 through direct protein-protein interactions, specifically under oxidizing conditions. Intriguingly, oxidation of hOGG1 was further observed to result in dimerization of hOGG1, which may also play a role in the mechanism of transcription regulation by hOGG1 under oxidative stress.
N2  - Protein-DNA-Wechselwirkungen sind für viele biologische Prozesse von zentraler Bedeutung und bilden die Grundlage der Gentranskription, der DNA-Replikation und der DNA-Reparaturprozesse. Viele Proteine erkennen bestimmte Bassen-Sequenzen in der DNA - ein Restriktionsenzym darf nur an der richtigen Sequenz schneiden, und ein Transkriptionsfaktor sollte an seine Konsenssequenz binden. Einige Proteine sind darauf ausgelegt, an bestimmte strukturelle oder chemische Merkmale der DNA zu binden, wie z. B. DNA-Reparaturproteine und verschiedene DNA-modifizierende Enzyme. Zielspezifische DNA-bindende Proteine binden zunächst an unspezifische DNA und suchen dann durch verschiedene Arten von Diffusionsmechanismen nach ihren Zielstellen in der DNA. AFM ist eine Einzelmolekültechnik, die besonders gut geeignet ist, um die verschiedenen Zustände sowohl der spezifisch gebundenen als auch unspezifischen Protein-DNA-Wechselwirkungen aufzulösen, die für einen tieferen Einblick in die Mechanismen der Zielstellensuche unerlässlich sind. In dieser Arbeit werden Proteinsysteme, die an der epigenetischen Regulation, der Basenexzisionsreparatur (BER) und der Transkription beteiligt sind, durch Einzelmolekül- AFM-Analysen untersucht, und diese Studien werden durch biochemische und biophysikalische Experimente komplementiert. ...
KW  - Transcription
KW  - atomic force microscopy
KW  - protein-DNA interactions
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-252047
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schubert, Jonathan
T1  - Bildgebende Zweifarben-Einzelmolekül-PET-Fluoreszenzspektroskopie am molekularen Chaperon Hsp90
T1  - Two-color single-molecule PET fluorescence imaging spectroscopy on the molecular chaperone Hsp90
N2  - Im Forschungsfeld der Proteindynamik häufen sich in den letzten Jahren Untersuchungen an einzelnen Molekülen. Damit können molekulare Ereignisse, die in konventioneller Spektroskopie durch stochastische Prozesse unentdeckt bleiben, durch direkte Beobachtung identifiziert und analysiert werden, was zu tieferem mechanistischem Verständnis des untersuchten Systems beitragen kann.
Die Implikation des molekularen Chaperons Hsp90 in die korrekte Faltung und Aktivierung einer Vielzahl davon abhängiger Klientenproteine machen es zu einem zentralen Knotenpunkt der zellulären Proteinhomöostase, allerdings ist der Mechanismus seiner breiten Klientenerkennung und -prozessierung bisher nur lückenhaft untersucht. Mit der Erkenntnis, dass Hsp90 ATP abhängig große, ratenlimitierende Umstrukturierungen erfährt, wurden Reportersysteme entwickelt, die auf dem Förster-Resonanzenergietransfer mit einer räumlichen Auflösung von ca. 2-10 nm basieren. Diese dokumentieren einen Klammerschluss des Chaperons und prognostizieren einen intermediatbbasierten Konformations-Zyklus. Details über den Mechanismus der Umstrukturierungen wurden mit der Entwicklung von Reportersystemen ermittelt, die auf dem photoinduzierten Elektronentransfer zwischen der Aminosäure Tryptophan und einem organischen Farbstoff basieren. Die Technik beruht auf kontaktinduzierter Fluoreszenzlöschung und damit verbundenen digitalen Intensitätsübergängen, dabei ermöglicht die räumliche Sensitivität von < 1 nm die Beobachtung von lokalen Umstrukturierungen. In Hsp90 wurden damit mittels konventioneller Spektroskopie drei kritische lokale Umlagerungen untersucht und daraus ein Modell mit heterogenen apo-Konformationen sowie ein kooperativer Konformationszyklus abgeleitet, der dem intermediatbasierten Modell gegenübersteht. 
Im Rahmen dieser Dissertation wurde anhand des Hsp90-Chaperons eine Methode entwickelt, die eine bildgebende PET Fluoreszenzspektroskopie von mehreren Umstrukturierungen gleichzeitig an einzelnen Molekülen erlaubt. Ein umfangreiches Farbstoffscreening führte zur Identifizierung eines Farbstoffpaars, das die PET-basierte simultane Aufzeichnung zweier Konformations-Koordinaten ermöglicht. Über verschiedene Modifikationen des Chaperons konnten einzelmolekültaugliche Oberflächen hergestellt werden, auf denen zweifach markierte Hsp90-Proteine immobilisiert sind. Fluoreszenzintensitätszeitspuren einzelner Chaperone und entsprechende Kontrollkonstrukte bestätigen qualitativ den Erfolg der Methode, für die quantitative Analyse wurde eine Routine in der Programmiersprache Python entwickelt, mit welcher kinetische Informationen ermittelt werden konnten. 
Diese legen eine enge wechselseitige Abhängigkeit der drei lokalen Elemente nahe, wobei der Großteil der Konformationsübergänge zweier simultan aufgezeichneter Umstrukturierungen Synchronität innerhalb von zwei Sekunden zeigt. Im Vergleich zur Hydrolyse von einem ATP in mehreren Minuten deutet das auf eine enge Kopplung hin. Weiter konnte eine Beschleunigung der Dynamiken durch aromatische Modifikation des N-Terminus von Hsp90 beobachtet werden, zudem erlaubt der Einzelmolekülansatz die Verwendung des nativen Nukleotids ATP, wodurch auch die lokalen Öffnungsdynamiken zugänglich werden. Die zur Bestimmung der Zeitkonstanten durchgeführte Analyse unterstützt die Ansicht heterogener apo-Zustände und einer einheitlich geschlossenen Konformation.
Die bildgebende Zweifarben-Einzelmolekül-PET-Spektroskopie konnte insgesamt zu einem Komplement der Einzelmolekül-FRET-Spektroskopie entwickelt werden, um damit lokale Konformationsdynamiken zu untersuchen. Der bildgebende Ansatz erlaubt eine einfache Implementierung in einen experimentellen Einzelmolekül-FRET Aufbau bei gleichzeitiger Erweiterung der beobachteten Koordinaten und wird so zu einem breit anwendbaren Werkzeug multidimensionaler Dynamikuntersuchungen einzelner Proteine.
N2  - Over the past years, the number of investigations of single molecules has risen in the field of protein dynamics studies. Direct observation of molecular events that are obscured by stochastic processes in bulk measurements can provide a deeper mechanistic understanding of the systems under study. 
The molecular chaperone Hsp90, as being involved in the correct folding and activation of client proteins, thereby acting at late-stage folding, is a central node of cellular protein homeostasis. The mechanistic understanding of its broad client recognition and processing capability still remains elusive. The discovery of large conformational changes that drive the chaperone through a rate limiting conformational cycle as a reaction of ATP binding led to the development of reporter systems that probe the global rearrangement. As the reporters are based on Förster resonance energy transfer, they are active on a spatial scale of 2-10 nm and report on the molecular clamp closure. The predicted conformational cycle implicates several intermediate states. Details of the underlying rearrangements were obtained by the development of reporter systems based on photoinduced electron transfer between the amino acid tryptophan and an organic dye. As the technique relies on contact-induced quenching of fluorescence, which is accompanied by digital intensity transitions, the resulting spatial resolution of < 1 nm enables probing of local conformational rearrangements. In bulk experiments, three critical local dynamics were probed in Hsp90, leading to the assumption of heterogeneous apo conformations and an associated cooperative cycle which faces the intermediate-based model.
Within the scope of this doctoral thesis, two color single-molecule PET fluorescence imaging spectroscopy was developed using the Hsp90 chaperone to study multiple conformational rearrangements simultaneously on individual proteins. Extensive dye screening identified a dye pair suitable for the PET-based investigation of two different conformational coordinates simultaneously. Modifications on the chaperone protein enabled the immobilization of double-labeled Hsp90 molecules on glass surfaces that are suited for single-molecule studies. Fluorescence intensity time traces of single chaperones and related control constructs validated qualitatively the success of the method. For quantitative analysis, a routine was developed in the programming language Python to obtain kinetic information. 
Derived kinetics pointed to a close interdependence between the three local elements. Furthermore, the majority of state transitions of rearrangements studied at the same time occurred simultaneously within a two-second window, thereby suggesting synchronicity. Compared to the hydrolysis of one ATP molecule taking minutes, this suggests a tight coupling of motions. Further, an aromatic modification of the Hsp90 N-Terminus resulted in accelerated local dynamics. Besides investigating the dynamics accompanying clamp closure, clamp opening kinetics also became accessible through the use of native nucleotide ATP. The analysis performed as part of the determination of time constants supports the view of a heterogeneous apo and a uniformly closed conformation. 
Two-color single-molecule PET fluorescence imaging spectroscopy was developed into a technique complement to single-molecule FRET spectroscopy that enables the probing of local conformational dynamics in immobilized proteins. The imaging approach allows for easy implementation in a single-molecule FRET setup while expanding the observed coordinates, making the PET-based technique a widely applicable tool for multidimensional dynamics studies of single proteins.
KW  - Fluoreszenzspektroskopie
KW  - Einzelmolekülspektroskopie
KW  - Hitzeschock-Proteine
KW  - Proteinsynthese
KW  - Photoinduzierter Elektronentransfer
KW  - photoinduced electron transfer
KW  - Hsp90
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-244938
ER  -