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Markierung postsynaptischer Proteine für die hochauflösende Fluoreszenzmikroskopie

Labeling of postsynaptic proteins for super-resolution microscopy

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-192394
  • Das menschliche Gehirn ist ein Organ, das aufgrund seiner Komplexität und zellulären Diversität noch am wenigsten verstanden ist. Eine der Ursachen dafür sind zahlreiche Herausforderungen in diversen neurobiologischen Bild-gebungsverfahren. Erst seit der Erfindung der hochauflösenden Fluoreszenz-mikroskopie ist es möglich, Strukturen unterhalb der Beugungsgrenze zu visua-lisieren und somit eine maximale Auflösung von bis zu 20 nm zu erreichen. Zusätzlich hängt die Fähigkeit, biologische Strukturen aufzulösen, von der Markierungs-größe undDas menschliche Gehirn ist ein Organ, das aufgrund seiner Komplexität und zellulären Diversität noch am wenigsten verstanden ist. Eine der Ursachen dafür sind zahlreiche Herausforderungen in diversen neurobiologischen Bild-gebungsverfahren. Erst seit der Erfindung der hochauflösenden Fluoreszenz-mikroskopie ist es möglich, Strukturen unterhalb der Beugungsgrenze zu visua-lisieren und somit eine maximale Auflösung von bis zu 20 nm zu erreichen. Zusätzlich hängt die Fähigkeit, biologische Strukturen aufzulösen, von der Markierungs-größe und -dichte ab. Derzeit ist die häufigste Methode zur Proteinfärbung die indirekte Antikörperfärbung, bei der ein Fluorophor-markierter Sekundärantikörper an einen Epitop-spezifischen Primärantikörper bindet. Dabei kann der Abstand von Zielstruktur und Fluorophor bis zu 30 nm betragen, was eine Auflösungs-verminderung zur Folge haben kann. Aufgrund dessen wurden in dieser Arbeit alternative Markierungsmethoden getestet, um postsynaptische Proteine sicht-bar zu machen. Zunächst wurde der postsynaptische N-Methyl-D-Aspartat (NMDA)-Rezeptor mit Hilfe konventioneller indirekter Antikörperfärbung markiert. Hier war die NR1-Untereinheit des NMDA-Rezeptors von besonderem Interesse, da diese in der Autoimmunerkrankung Anti-NMDA-Rezeptor-Enzephalitis invol-viert ist. Patienten dieser seltenen Krankheit bilden Autoantikörper gegen die NR1-Untereinheit, wodurch ein schneller reversibler Verlust der NMDA-Rezeptoren auf der Postsynapse induziert wird. Wichtige Informationen können nicht mehr ausreichend weitergegeben werden, was psychiatrische und neurologi-sche Störungen zur Folge hat. In dieser Arbeit wurden sowohl kommerzielle NR1-Antikörper, als auch rekombinante monoklonale NR1-Antikörper von Patien-ten mit Anti-NMDA-Rezeptor-Enzephalitis getestet. In konfokalen und in hochaufgelösten SIM- (engl. structured illumination microscopy) und dSTORM- (engl. direct stochastic optical reconstruction microscopy) Messun-gen konnten kommerzielle NR1-Antikörper keine erfolgreichen Färbungen erzielen. Dagegen erwiesen sich die rekombinanten monoklonalen NR1-Patientenantikörper als sehr spezifisch, sowohl in primären Neuronen als auch im Hippocampus von murinen Gehirnschnitten und lieferten gute Kolokalisati-onen mit dem postsynaptischen Markerprotein Homer. Um die optische Auflösung zu verbessern, wurde eine neue Markierungs-methode mit sog. „Super-Binde-Peptiden“ (SBPs) getestet. SBPs sind modifi-zierte Peptide, die erhöhte Affinitäten und Spezifitäten aufweisen und mit ei-ner Größe von ~ 2,5 nm wesentlich kleiner als Antikörper sind. In dieser Arbeit bestätigte sich ein kleines hochspezifisches SPB, das an den Fluoreszenzfarb-stoff Tetra- methylrhodamin (TMR) gekoppelt ist, als effektiver Marker für das Ankerpro-tein Gephyrin. Gephyrin ist für die Lokalisation und Verankerung einiger post-synaptischer Rezeptoren zuständig, indem es sie mit dem Cytoskelett der Zelle verbindet. SIM-Messungen in primären Neuronen zeigten eine bessere Clus-terrepräsentation bei der Färbung von Gephyrin mit SBPs, als mit Antikörper-färbung. Zusätzlich wurden Kolokalisationsanalysen von Gephyrin zusammen mit dem inhibito-rischen präsynaptischen vesikulären GABA-Transporter VGAT durchgeführt. Eine weitere Färbemethode stellte die bioorthogonale Click-Färbung durch die Erweiterung des eukaryotischen genetischen Codes (engl. genetic code ex-pansion, GCE) dar. Dabei wurde eine unnatürliche, nicht-kanonische Amino-säure (engl. non-canonical amino acid, ncAA) ins Zielprotein eingebaut und in Kombination mit der Click-Chemie ortsspezifisch mit organischen Tetrazin-Farbstoff-Konjugaten angefärbt. Organische Fluorophore haben den Vorteil, dass sie mit einer Größe von 0,5 – 2 nm sehr klein sind und damit die natürli-chen Funktionen der Proteine in der Zelle kaum beeinflussen. In dieser Arbeit wurde zum ersten Mal gezeigt, dass der tetramere postsynaptische NMDA-Rezeptor durch die Amber-Supres-sionsmethode bioorthogonal angefärbt werden konnte. Aus sieben verschiede-nen Amber-Mutanten der NR1-Untereinheit stellte sich die Y392TAG-NR1-Mutante als diejenige mit der besten Proteinexpression, Färbeeffizienz und rezeptorfunktionalität heraus. Dies konnte durch Fluoreszenzmikroskopie- und Whole-Cell Patch-Clamp-Experimenten gezeigt werden. Die bioorthogo-nale Click-Färbung durch GCE eignete sich für die Färbung des NMDA-Rezeptors in verschiedenen Zelllinien, mit unterschiedlichen Tetrazin-Farbstoff-Konjugaten und für Lebendzellexperimente. In dSTORM-Messungen erwies sich das Tetrazin-Cy5-Farbstoff-Konjugat als ideal aufgrund seiner Grö-ße, Photostabilität, Helligkeit und seines geeigneten Blinkverhaltens, sodass eine homogene NMDA-Rezeptorverteilung auf der Zellmembran gezeigt wer-den konnte. NR1-Antikörperfärbungen wiesen dagegen starke Clusterbildun-gen auf. Die Ergebnisse konnten belegen, dass kleinere Farbstoffe eine deut-lich bessere Zugänglichkeit zu ihrem Zielprotein haben und somit besser für die hochauflösende Fluoreszenzmikroskopie geeignet sind.show moreshow less
  • Due to its complexity and cellular diversity, the human brain is an organ which is poorly understood. In particular, there are numerous challenges in different neurobiological imaging processes. The advent of super-resolution fluorescence microscopy, where a maximal optical resolution of up to 20 nm is achievable, made it feasible to visualize structures beyond the diffraction limit. The ability to resolve biological structures is further dependent on the labeling size and density. Currently, indirect antibody staining is the most common methodDue to its complexity and cellular diversity, the human brain is an organ which is poorly understood. In particular, there are numerous challenges in different neurobiological imaging processes. The advent of super-resolution fluorescence microscopy, where a maximal optical resolution of up to 20 nm is achievable, made it feasible to visualize structures beyond the diffraction limit. The ability to resolve biological structures is further dependent on the labeling size and density. Currently, indirect antibody staining is the most common method for protein labeling. Thereby, a fluorophore marked secondary anti-body binds an epitope specific primary antibody. Consequently, the off-distance between target structure and fluorophore can be up to 30 nm, which could provoke a decrease of resolution. As a result, alternative labeling methods were tested in this work to visualize postsynaptic proteins. Initially, labeling of the postsynaptic N-methyl-D-aspartate (NMDA) recep-tor was performed with conventional indirect antibody staining. Here, the NR1 subunit of the NMDA receptor was of special interest because it is involved in the autoimmune disease of Anti-NMDA receptor encephalitis. Patients of this rare disorder produce autoantibodies against the NR1 subunit, which induces a fast and reversible reduction of NMDA receptors on the postsynapse. Important synaptic information cannot be transferred sufficiently which results in psychiatrical and neurological deficiencies. In this work commercial NR1 antibodies as well as recombinant monoclonal NR1 antibodies from patients with Anti-NMDA receptor encephalitis were tested. In confocal and super-resolved SIM (structured illumination microscopy) and dSTORM (direct sto-chastic optical reconstruction microscopy) measurements the commercial NR1 antibodies could not obtain a successful staining. In contrast, recombinant monoclonal NR1 patient antibodies turn out to be very specific, both in primary neurons and in the hippocampus of murine brain slices. Additionally, they show perfect colocaliza-tion together with the postsynaptic marker protein Homer. To further improve the optical resolution, a new labeling method was tested with so called “super-binding peptides” (SBPs). SBPs are modified peptides with enhanced affinity and specificity. With a size of ~ 2.5 nm, they are much smaller than antibodies. In this work a small, highly specific SBP, coupled to the fluorescent dye tetramethylrhodamine (TMR), turned out to be an efficient marker for the postsynaptic anchor protein gephyrin. Gephyrin is responsible for the localization and anchoring of postsynaptic receptors by connecting them with the cytoskeleton of the cell. SIM measurements in primary neurons showed better cluster representation of gephyrin stained with SBPs than with antibody stain-ing. In addition, colocalization analysis of gephyrin together with the inhibitory presynaptic vesicular GABA transporter VGAT was performed. Another staining method was the bioorthogonal click chemistry by the eu-karyotic genetic code expansion (GCE). Thereby, an unnatural, non-canonical amino acid (ncAA) is incorporated into the target protein and click-labeled site- specifically with an organic tetrazine dye conjugate. Organic dyes are very small with a size of only 0.5 – 2 nm and barely influence the natural function of proteins within the cell, which is beneficial for super-resolution microscopy. In this work, tetrameric postsynaptic NMDA receptors were bioorthogonally la-beled via the amber suppression method for the first time. From a series of seven different amber mutants of the NR1 subunit, the Y392TAG mutant was the one with the best protein expression, labeling efficiency and receptor functionality, as shown by fluorescence microscopy and whole-cell patch clamp experiments. The bioortho-gonal click staining by GCE was suitable for the NMDA receptor stain-ing in different cell lines, with various tetrazine dye conjugates and for live-cell experiments. In dSTORM measurements the tetrazine-Cy5 dye conjugate was ideal because of its size, photostability, brightness and appropriate blinking be-havior. Accordingly, a homogenous NMDA receptor distribution on the cell membrane was observed. In contrast, NR1 antibody staining showed big cluster formation. The results show that small labels have a better accessibility to its target and are therefore much more suitable for super-resolution microscopy.show moreshow less

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Metadaten
Author: Franziska Neubert
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-192394
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Fakultät für Biologie
Faculties:Fakultät für Biologie / Theodor-Boveri-Institut für Biowissenschaften
Referee:Prof. Dr. Markus Sauer, Prof. Dr. Christian Geis
Date of final exam:2019/11/27
Language:German
Year of Completion:2019
DOI:https://doi.org/10.25972/OPUS-19239
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
GND Keyword:hochauflösende Fluoreszenzmikroskopie; Markierungen synaptischer Proteine
Release Date:2019/12/02
Licence (German):License LogoCC BY-SA: Creative-Commons-Lizenz: Namensnennung, Weitergabe unter gleichen Bedingungen 4.0 International