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Single-molecule fluorescence microscopy in live \(Trypanosoma\) \(brucei\) and model membranes

Einzelmolekül-Fluoreszenzmikroskopie in lebenden \(Trypanosoma\) \(brucei\) und Modellmembranen

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-169222
  • The eukaryotic parasite Trypanosoma brucei has evolved sophisticated strategies to escape the host immune response and maintain a persistent infection inside a host. One central feature of the parasite’s defense mechanism relies on the shielding function of their surface protein coat. This coat is composed of a dense arrangement of one type of glycosylphosphatidylinositol (GPI)-anchored variant surface glycoproteins (VSGs) which impair the identification of epitopes of invariant surface proteins by the immune system. In addition to theThe eukaryotic parasite Trypanosoma brucei has evolved sophisticated strategies to escape the host immune response and maintain a persistent infection inside a host. One central feature of the parasite’s defense mechanism relies on the shielding function of their surface protein coat. This coat is composed of a dense arrangement of one type of glycosylphosphatidylinositol (GPI)-anchored variant surface glycoproteins (VSGs) which impair the identification of epitopes of invariant surface proteins by the immune system. In addition to the importance of understanding the function of the VSG coat and use it as a potential target to efficiently fight the parasite, it is also crucial to study its biophysical properties as it is not yet understood sufficiently. This is due to the fact that microscopic investigations on living trypanosomes are limited to a great extent by the intrinsic motility of the parasite. In the present study, state-of-the-art single-molecule fluorescence microscopy (SMFM) is introduced as a tool for biophysical investigations in the field of trypanosome research. The work encompasses studies of VSG dynamics under the defined conditions of an artificial supported lipid bilayer (SLB). First, the impact of the lateral protein density on VSG diffusion was systematically studied in SLBs. Ensemble fluorescence after photobleaching (FRAP) and complementary single-particle tracking experiments revealed that a molecular crowding threshold (MCT) exists, above which a density dependent decrease of the diffusion coefficient is measured. A relative quantification of reconstituted VSGs illustrated that the VSG coat of living trypanosomes operates very close to its MCT and is optimized for high density while maintaining fluidity. Second, the impact of VSG N-glycosylation on VSG diffusion was quantitatively investigated. N-glycosylation was shown to contribute to preserving protein mobility at high protein concentrations. Third, a detailed analysis of VSG trajectories revealed that two distinct populations of freely diffusing VSGs were present in a SLB, which is in agreement with the recent finding, that VSGs are able to adopt two main structurally distinct conformations. The results from SLBs were further complemented by single-particle tracking experiments of surface VSGs on living trypanosomes. A high mobility and free diffusion were measured on the cell surface, illustrating the overall dynamic nature of the VSG coat. It was concluded that the VSG coat on living trypanosomes is a protective structure that combines density and mobility, which is supported by the conformational flexibility of VSGs. These features are elementary for the persistence of a stable infection in the host. Different hydrogel embedding methods are presented, that facilitated SMFM in immobilized, living trypanosomes. The hydrogels were found to be highly cytocompatible for one hour after cross-linking. They exhibited low autofluorescence properties in the spectral range of the investigations, making them suitable for super-resolution microscopy (SRM). Exemplary SRM on living trypanosomes illustrated that the hydrogels efficiently immobilized the cells on the nanometer lever. Furthermore, the plasma membrane organization was studied in living trypanosomes. A statistical analysis of a tracer molecule inside the inner leaflet of the plasma membrane revealed that specific membrane domains exist, in which the tracer appeared accumulated or diluted. It was suggested that this distribution was caused by the interaction with proteins of the underlying cytoskeleton. In conclusion, SMFM has been successfully introduced as a tool in the field of trypanosome research. Measurements in model membranes facilitated systematic studies of VSG dynamics on the single-molecule level. The implementation of hydrogel immobilization allowed for the study of static structures and dynamic processes with high spatial and temporal resolution in living, embedded trypanosomes for the first time.show moreshow less
  • Der eukaryotische Parasit Trypanosoma brucei hat komplexe Strategien entwickelt um der Immunantwort eines Wirtes zu entkommen und eine persistente Infektion innerhalb dessen aufrechtzuerhalten. Ein zentrales Element seiner Verteidigungsstrategie stützt sich auf die Schutzfunktion seines Proteinmantels auf der Zelloberfläche. Dieser Mantel besteht aus einer dichten Schicht aus identischen, Glykosylphosphatidylinositol (GPI)-verankerten variablen Oberflächenglykoproteinen (VSG). Der VSG Mantel verhindert die Erkennung der darunterliegenden,Der eukaryotische Parasit Trypanosoma brucei hat komplexe Strategien entwickelt um der Immunantwort eines Wirtes zu entkommen und eine persistente Infektion innerhalb dessen aufrechtzuerhalten. Ein zentrales Element seiner Verteidigungsstrategie stützt sich auf die Schutzfunktion seines Proteinmantels auf der Zelloberfläche. Dieser Mantel besteht aus einer dichten Schicht aus identischen, Glykosylphosphatidylinositol (GPI)-verankerten variablen Oberflächenglykoproteinen (VSG). Der VSG Mantel verhindert die Erkennung der darunterliegenden, invarianten Epitope durch das Immunsystem. Obwohl es notwendig ist die Funktionsweise des VSG Mantels zu verstehen, vor allem um ihn als mögliches Angriffsziel gegen den Parasiten zu verwenden, sind seine biophysikalischen Eigenschaften bisher nur unzureichend verstanden. Dies ist vor allem der Tatsache geschuldet, dass die hohe Motilität der Parasiten mikroskopische Studien in lebenden Zellen bisher weitestgehend verhinderten. In der vorliegenden Arbeit wird nun hochmoderne Einzelmolekül-Fluoreszenzmikroskopie (EMFM) als Möglichkeit für mikroskopische Untersuchungen im Forschungsbereich der Trypanosomen vorgestellt. Die Arbeit umfasst Untersuchungen der VSG Dynamik unter definierten Bedingungen künstlicher Membransysteme. Es wurde zuerst der Einfluss der lateralen Proteindichte auf die VSG Diffusion untersucht. Experimente mittels Fluoreszenz- Wiederkehr nach irreversiblem Photobleichen und komplementäre Einzelmolekül- Verfolgungs Experimente offenbarten, dass ein molekularer Diffusionsschwellenwert existiert. Über diesem Schwellenwert wurde eine dichteabhänige Reduzierung des Diffusionskoeffizienten gemessen. Eine relative Quantifizierung der rekonstituierten VSGs verdeutlichte, dass der Oberflächenmantel der Trypanosomen sehr nahe an diesem Schwellenwert agiert. Der VSG Mantel ist optimiert um eine hohe Proteindichte bei gleichzeitiger hoher Mobilität der VSGs zu gewährleisten. Des Weiteren wurde der Einfluss der VSG N-Glykosylierung auf die Diffusion des Proteins quantitativ untersucht. Die Messungen ergaben, dass die N-Glykosylierung dazu beiträgt eine hohe Mobilität bei hohen Proteindichten aufrechtzuerhalten. Eine detaillierte Analyse von VSG Trajektorien offenbarte, dass zwei unterschiedliche Populationen frei diffundierender VSGs in der künstlichen Membran vorlagen. Kürzlich wurde entdeckt, dass VSGs zwei strukturell unterschiedliche Konformationen annehmen können. Die Messungen in der Arbeit stimmen mit diesen Beschreibungen überein. Die Ergebnisse der EMFM in künstlichen Membranen wurden durch VSG Einzelmolekül- Verfolgungs Experimente auf lebenden Zellen ergänzt. Es wurde eine hohe Mobilität und Dynamik einzelner VSGs gemessen, was die allgemein dynamische Natur des VSG Mantels verdeutlicht. Dies führte zu der Schlussfolgerung, dass der VSG Mantel auf lebenden Trypanosomen ein dichter und dennoch dynamischer Schutzmantel ist. Die Fähigkeit der VSGs ihre Konformation flexibel anzupassen, unterstützt das Erhalten der Fluidität bei variablen Dichten. Diese Eigenschaften des VSG Mantels sind elementar für die Aufrechterhaltung einer presistenden Infektion eines Wirtes. In dieser Arbeit werden des Weiteren verschiedene, auf Hydrogel basierende Einbettungsmethoden vorgestellt. Diese ermöglichten die Zellimmobilisierung und erlaubten EMFM in lebenden Trypanosomen. Die Hydrogele wiesen eine hohe Zytokompatibilität auf. Die Zellen überlebten in den Gelen für eine Stunde nach Beginn der Immobilisierung. Die Hydrogele erfüllten die Anforderungen der Superresolution Mikroskopie (SRM) da sie eine geringe Autofluoreszenz im Spektralbereich der verwendeten Fluorophore besaßen. Mittels SRM konnte nachgewiesen werden, dass die Hydrogele die Zellen effizient immobilisierten. Als erstes Anwendungsbeispiel der Methode wurde die Organisation der Plasmamembran in lebenden Trypanosomen untersucht. Die Untersuchung eines fluoreszenten Tracers in der inneren Membranschicht ergab, dass dessen Verteilung nicht homogen war. Es wurden spezifische Membrandomänen gefunden, in denen das Molekül entweder vermehrt oder vermindert auftrat. Dies führte zu der Schlussfolgerung, dass diese Verteilung durch eine Interaktion des Tracers mit Proteinen des zellulären Zytoskeletts zustande kam. Die in dieser Arbeit präsentierten Ergebnisse zeigen, dass EMFM erfolgreich für verschiedene biologische Untersuchungen im Forschungsfeld der Trypanosomen angewendet werden kann. Dies gilt zum Beispiel für die Untersuchung von der VSG Dynamik in künstlichen Membransystemen, aber auch für Studien in lebenden Zellen unter Verwendung der auf Hydrogelen basierenden Zelleinbettung.show moreshow less

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Metadaten
Author: Marius Glogger
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-169222
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Fakultät für Biologie
Faculties:Fakultät für Biologie / Theodor-Boveri-Institut für Biowissenschaften
Referee:Dr. Susanne Fenz, Prof. Dr. Markus Sauer
Date of final exam:2018/09/26
Language:English
Year of Completion:2018
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 59 Tiere (Zoologie) / 590 Tiere (Zoologie)
GND Keyword:Trypanosoma brucei; Virulenzfaktor; Zelloberfläche; Glykoproteine; Fluoreszenzmikroskopie
Tag:Single-molecule fluorescence microscopy; Trypanosoma brucei; Variant surface glycoprotein
Release Date:2018/10/17
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht