The cyclic nucleotides cAMP and cGMP are important second messengers that orchestrate fundamental cellular responses. Here, we present the characterization of the rhodopsinguanylyl cyclase from Catenaria anguillulae (CaRhGC), which produces cGMP in response to green light with a light to dark activity ratio > 1000. After light excitation the putative signaling state forms with tau = 31 ms and decays with tau = 570 ms. Mutations (up to 6) within the nucleotide binding site generate rhodopsin-adenylyl cyclases (CaRhACs) of which the double mutated YFP-CaRhAC (E497K/C566D) is the most suitable for rapid cAMP production in neurons. Furthermore, the crystal structure of the ligand-bound AC domain (2.25 angstrom) reveals detailed information about the nucleotide binding mode within this recently discovered class of enzyme rhodopsin. Both YFP-CaRhGC and YFP-CaRhAC are favorable optogenetic tools for non-invasive, cell-selective, and spatio-temporally precise modulation of cAMP/cGMP with light.

In den letzten Jahren haben sich hochauflösende Fluoreszenzmikroskopiemethoden, basierend auf der Lokalisation einzelner Fluorophore, zu einem leistungsstarken Werkzeug etabliert, um Fluoreszenzbilder weit unterhalb der Auflösungsgrenze zu generieren. Hiermit können räumliche Auflösungen von ~ 20 nm erzielt werden, was weit unterhalb der Beugungsgrenze liegt. Dabei haben zahlreiche Optimierungen und Entwicklungen neuer Methoden in der Einzelmolekül-Lokalisationsmikroskopie die Genauigkeit der orstspezifischen Bestimmung einzelner Fluorophore auf bis zu ~ 1 – 3 nm erhöht. Eine Auflösung im molekularen Bereich, weit unterhalb von ~ 10 nm bleibt allerdings herausfordernd, da die Lokalisationsgenauigkeit nur ein Kriterium hierfür ist. Allerdings wurde sich in den letzten Jahren überwiegend auf die Verbesserung dieses Parameters konzentriert. Weitere Kriterien für die fluoreszenzmikroskopische Auflösung sind dabei unter anderem die Markierungsdichte und die Kopplungseffizienz der Zielstruktur, sowie der Kopplungsfehler (Abstand zur Zielstruktur nach Farbstoffkopplung), die sich herausfordernd für eine molekulare Auflösung darstellen. Auch wenn die Kopplungseffizienz und -dichte hoch und der Kopplungsfehler gering ist, steigt bei Interfluorophordistanzen < 5nm, abhängig von den Farbstoffen, die Wahrscheinlichkeit von starken und schwachen Farbstoffwechselwirkungen und damit von Energieübertragungsprozessen zwischen den Farbstoffen, stark an. Daneben sollten Farbstoffe, abhänging von der Lokalisationsmikroskopiemethode, spezifische Kriterien, wie beispielsweise die Photoschaltbarkeit bei dSTORM, erfüllen, was dazu führt, dass diese Methoden häufig nur auf einzelne Farbstoffe beschränkt sind. In dieser Arbeit konnte mithilfe von definierten DNA-Origami Konstrukten gezeigt werden, dass das Blinkverhalten von Cyaninfarbstoffen unter dSTORM-Bedingungen einer Abstandsabhängigkeit aufgrund von spezifischen Energieübertragungsprozessen folgt, womit Farbstoffabstände im sub-10 nm Bereich charakterisiert werden konnten. Darüber hinaus konnte diese Abstandsabhängigkeit an biologischen Proben gezeigt werden. Hierbei konnten verschiedene zelluläre Rezeptoren effizient und mit geringem Abstandsfehler zur Zielstruktur mit Cyaninfarbstoffen gekoppelt werden. Diese abstandsabhänigen Prozesse und damit Charakterisierungen könnten dabei nicht nur spezifisch für die häufig unter dSTORM-Bedingungen verwendeten Cyaninfarbstoffen gültig sein, sondern auch auf andere Farbstoffklassen, die einen Auszustand zeigen, übertragbar sein. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass hochauflösende dSTORM Aufnahmen unabhängig vom Farbstoffkopplungsgrad der Antikörpern sind, welche häufig für Standardfärbungen von zellulären Strukturen verwendet werden. Dabei konnte durch Photonenkoinzidenzmessungen dargelegt werden, dass aufgrund komplexer Farbstoffwechselwirkungen im Mittel nur ein Farbstoff aktiv ist, wobei höhere Kopplungsgrade ein komplexes Blinkverhalten zu Beginn der Messung zeigen. Durch die undefinierten Farbstoffabstände an Antikörpern konnte hier kein eindeutiger Energieübertragungsmechanismus entschlüsselt werden. Dennoch konnte gezeigt werden, dass Farbstoffaggregate bzw. H-Dimere unter dSTORM-Bedingungen destabilisiert werden. Durch die zuvor erwähnten DNA-Origami Konstrukte definierter Interfluorophordistanzen konnten Energieübertragungsmechanismen entschlüsselt werden, die auch für die Antikörper diverser Kopplungsgrade gültig sind. Des Weiteren konnten, ausgelöst durch komplexe Energieübertragungsprozesse höherer Kopplungsgrade am Antikörper, Mehrfarbenaufnahmen zellulärer Strukturen generiert werden, die über die spezifische Fluoreszenzlebenszeit separiert werden konnten. Dies stellt hier eine weitere Möglichkeit dar, unter einfachen Bedingungen, schnelle Mehrfarbenaufnahmen zellulärer Strukturen zu generieren. Durch die Verwendung des selben Farbstoffes unterschiedlicher Kopplungsgrade kann hier nur mit einer Anregungswellenlänge und frei von chromatischer Aberration gearbeitet werden. Neben den photophysikalischen Untersuchungen der Cyaninfarbstoffe Cy5 und Alexa Fluor 647 wurden diese ebenso photochemisch näher betrachtet. Dabei konnte ein neuartiger chemischer Mechanismus entschlüsselt werden. Dieser Mechanismus führt, ausgelöst durch Singulett-Sauerstoff (1O2), zu einer Photozerschneidung des konjugierten Doppelbindungssystems um zwei Kohlenstoffatome, was zu strukturellen und spektroskopischen Veränderungen dieser Farbstoffe führt. Auf Grundlage dieses Mechanismus konnte eine neue DNA-PAINT Methode entwickelt werden, die zu einer Beschleunigung der Aufnahmezeit führt.

Despite accounting for only a small proportion of all skin cancers, malignant melanoma displays a serious health risk with increasing incidence and high mortality rate. Fortunately, advances in the treatment of malignant melanoma now prolong survival and enhance response and treatment efficacy. Established biomarkers help evaluate disease progression and facilitate choosing appropriate and individual treatment options. However, the need for easily accessible and reliable biomarkers is rising to predict patient-specific clinical outcome. Eosinophil infiltration into the tumor and high peripheral eosinophil counts prior and during treatment have been associated with better response in patients for various cancer entities, including melanoma. An analysis of a heterogeneous study cohort reported high serum ECP levels in non-responders. Hence, eosinophil frequency and serum ECP as a soluble eosinophil-secreted mediator were suggested as prognostic biomarkers in melanoma. We examined whether melanoma patients treated with first-line targeted therapy could also benefit from the effects of eosinophils. In total, 243 blood and serum samples from patients with advanced melanoma were prospectively and retrospectively collected before and after drug initiation. To link eosinophil function to improved clinical outcome, soluble serum markers and peripheral blood counts were used for correlative studies using a homogeneous study cohort. In addition, functional and phenotypical characterizations provided insights into the expression profile and activity of freshly isolated eosinophils, including comparisons between patients and healthy donors. Our data showed a significant correlation between high pre-treatment blood eosinophil counts and improved response to targeted therapy and by trend to combinatorial immunotherapy in patients with metastatic melanoma. In accordance with previous studies our results links eosinophil blood counts to better response in melanoma patients. High pre-treatment ECP serum concentration correlated with response to immunotherapy but not to targeted therapy. Eosinophils from healthy donors and patients showed functional and phenotypical similarities. Functional assays revealed a strong cytotoxic potential of blood eosinophils towards melanoma cells in vitro, inducing apoptosis and necrosis. In addition, in vitro cytotoxicity was an active process of peripheral eosinophils and melanoma cells with bidirectional features and required close cell-cell interaction. The extent of cytotoxicity was dose-dependent and showed susceptibility to changes in physical factors like adherence. Importantly, we provide evidence of an additive tumoricidal function of eosinophils and combinatorial targeted therapy in vitro. In summary, we give valuable insights into the complex and treatment-dependent role of eosinophils in melanoma. As a result, our data support the suggestion of eosinophils and their secreted mediators as potential prognostic biomarkers. It will take additional studies to examine the molecular mechanisms that underlie our findings.

Spinal muscular atrophy (SMA) is a genetic pediatric condition that affects lower motoneurons leading to their degeneration and muscle weakness. It is caused by homozygous loss or mutations in the Survival Motor Neuron 1 (SMN1) gene; however, the pathomechanism leading to motoneuron degeneration is not fully resolved. Cultured embryonic SMA motoneurons display axon elongation and differentiation defects accompanied by collapsed growth cones with a disturbed actin cytoskeleton. Intriguingly, motoneurons cultured from mice deficient for the Tropomyosin-kinase receptor B (TrkB), exhibit similar pathological features. Thus, the question arises whether SMA motoneurons suffer from defective Brain-derived neurotrophic factor (BDNF)/TrkB signaling and whether there is a link to the disturbed actin cytoskeleton. In the recent years, modifier genes such as Plastin 3 (PLS3) were shown to beneficially interfere with SMA pathology. Nevertheless, the mechanism of how the actin-bundler PLS3 counteracts SMN deficiency is not well understood. In this study, we investigated TrkB localization and its activation in cultured SMA motoneurons and neuromuscular junctions (NMJs). While TrkB levels are only mildly affected locally in axon terminals, BDNF-mediated TrkB phosphorylation was massively disturbed. The activity-dependent TrkB translocation to the cell surface and its activation via BDNF were shown to be Pls3-dependent processes, that can be abolished by knockdown of Pls3. In contrast, PLS3 overexpression in SMA motoneurons rescued the defects on morphological and functional level. In particular, the relocation of TrkB to the cell surface after BDNF-induced internalization is disturbed in SMA, which is based on an actin-dependent TrkB translocation defect from intracellular stores. Lastly, AAV9-mediated PLS3 overexpression in vivo in neonatal SMA mice provided further evidence for the capacity of PLS3 to modulate actin dynamics necessary for accurate BDNF/TrkB signaling. In conclusion, we provide a novel role for PLS3 in mediating proper alignment of transmembrane proteins as prerequisite for their appropriate functioning. Hence, PLS3 is required for a key process indispensable for the development and function of motoneurons even beyond the context of SMA.

Solitary bees in seasonal environments must align their life-cycles with favorable environmental conditions and resources; the timing of their emergence is highly fitness relevant. In several bee species, overwintering temperature influences both emergence date and body weight at emergence. High variability in emergence dates among specimens overwintering at the same temperatures suggests that the timing of emergence also depends on individual body conditions. However, possible causes for this variability, such as individual differences in body size or weight, have been rarely studied. In a climate chamber experiment using two spring-emerging mason bees (Osmia cornuta and O. bicornis), we investigated the relationship between temperature, emergence date, body weight, and body size, the last of which is not affected by overwintering temperature. Our study showed that body weight declined during hibernation more strongly in warm than in cold overwintering temperatures. Although bees emerged earlier in warm than in cold overwintering temperatures, at the time of emergence, bees in warm overwintering temperatures had lower body weights than bees in cold overwintering temperatures (exception of male O. cornuta). Among specimens that experienced the same overwintering temperatures, small and light bees emerged later than their larger and heavier conspecifics. Using a simple mechanistic model we demonstrated that spring-emerging solitary bees use a strategic approach and emerge at a date that is most promising for their individual fitness expectations. Our results suggest that warmer overwintering temperatures reduce bee fitness by causing a decrease in body weight at emergence. We showed furthermore that in order to adjust their emergence dates, bees use not only temperature but also their individual body condition as triggers. This may explain differing responses to climate warming within and among bee populations and may have consequences for bee-plant interactions as well as for the persistence of bee populations under climate change.