Gleich einem Etikett dient die N-Glykokosylierung vom Ribosom neu synthetisierter Proteine durch die Oligosaccharyltransferase (OST) bei der kotranslationalen Translokation in das Endoplasmatische Retikulum (ER) als Startpunkt vielschichtiger Prozessierungen. Bisher fehlte der strukturelle Nachweis, dass die OST als mit dem Ribosom assoziierten Membranprotein (RAMP) Bestandteil des auf dem proteinleitenden Kanal, dem Sec61-Komplex, basierenden Translokons ist. In dieser Arbeit berichten wir von der kryoelektronenmikroskopischen 3D-Struktur eines definierten OST-Sec61-Ribosom-Komplexes aus Saccharomyces cerevisiae bei 15,4 Å Auflösung. Dazu wurden die Komponenten (OST, Sec61 und Ribosomen mit naszierender Proteinkette) affinitätschromatographisch gereinigt und das Bindungsverhalten mit 80S-Ribosomen in vitro untersucht. Die OST band mit einer KD von 12,8 nM hochaffin und spezifisch an den bekannten Sec61-Ribosomen-Komplex. Dieser in vitro rekonstituierte trimere Komplex zeigte eine neuartige eng an das Ribosom anschließende Translokonstruktur mit zwei bisher unbekannten ribosomalen Verbindungen, einer einzigen dezentralen porenförmigen Vertiefung und zusätzlichen luminalen Bereichen. Durch das Docken eines Sec61-Homologs in einer alternativen Bindeposition sowie das Docken eines Stt3p-Homologs (der katalytischen Untereinheit der OST) und mit Hilfe der mittels (Kryo-)Negativkontrastierung gewonnenen 3D-Struktur der OST konnten Hybridmodelle erstellt werden. Daraus wurde unter Einbeziehung von bekannten molekularbiologisch gewonnenen Interaktionsdaten das 3D-Modell eines aktiven Ribosomen-gebundenen OST-Sec61-Translokons entwickelt. / Like a label, N-glycosylation by the oligosaccharyltransferase (OST) of newly synthesized proteins emerging from the ribosome while being cotranslationally translocated into the endoplasmic reticulum (ER) provides a starting point for a multitude of processes. Hitherto no structural proof has been presented, that the OST as a ribosome associated membrane protein (RAMP) is a constituent of the translocon, based at its core on the protein conducting channel (Sec61-complex). In this work we report on the 3D-structure of a defined OST-Sec61-ribosome complex from Saccharomyces cerevisiae by cryo-electron microscopy at 15.4 Å resolution. Thereto, the components (OST, Sec61, ribosome nascent chain complexes) have been purified by affinity chromatography and the binding of 80S-ribosomes has been checked in vitro. The OST bound with high affinity by a KD of 12.8 nM specifically to the established Sec61-ribosome complex. This trimeric complex reconstituted in vitro exhibits a new kind of tightly bound ribosomal translocon showing two hitherto unknown connections to the ribosome, a single off-center pore-like indentation and an additional luminal domain. By docking of a Sec61 homologue at an alternative binding position plus the docking of a Stt3p homologue (the catalytic subunit of the OST) and by means of the 3D-structure of the OST using the (cryo-)negative staining technique, hybrid models could be created. Consequently, integrating known interaction data from molecular biology experiments has been used to develop a 3D-model of an active ribosome-bound OST-Sec61-translocon.

Zusammenfassung Thema dieser Arbeit sind zwei zentrale biochemische Aspekte der Proteinbiosynthese , wobei das Ribosom eine zentrale Komponente darstellt: erstens wird ein spezieller Faktor des Elongationszyklus in Pilzen, eEF3, und zweitens der proteinleitende Kanal bei der kotranslationalen Proteintranslokation durch die Membran des endoplasmatischen Retikulums (ER) betrachtet. Für die Elongation der Polypeptidkette benötigen alle Organismen zwei Elongationsfaktoren, die GTPasen eEF1A (EF-Tu in Prokaryoten) und eEF2 (EF-G in Prokaryoten). Bei Fungi wird noch ein dritter Elongationsfaktor, eEF3, benötigt. Dieser Faktor ist eine ATPase mit ABC-Kassetten-Domänen. Durch einen nicht bekannten Mechamismus stimuliert er in Gegenwart von ATP die eEF1A-abhängige Bindung von Aminoacyl-tRNA an die ribosomale A-Stelle. Es wurde vorgeschlagen, dass eEF3 die Freisetzung von deacylierter tRNA aus der ribosomalen E-Stelle ermöglicht, und dadurch über allosterische Kopplung die Affinität der A-Stelle für Aminoacyl-tRNA erhöht. In dieser Arbeit wird die Kryo-EM Struktur von ribosomengebundenem eEF3 bei 13,3 Å vorgestellt. Dabei zeigt sich eine vollig neue ribosomale Bindungsstelle für eEF3 von der aus tatsächlich die Affinität für tRNA in der ribosomalen E-Stelle moduliert werden kann. Mit Hilfe der Kristallstruktur von eEF3 wurde ein molekulares Modell für eEF3 in seiner funktionalen Konformation generiert, welches die strukturelle Basis für die Aktivität dieses ABC-Proteins im Kontext der Translation liefert. Bei der kotranslationalen Translokation stellt der heterotrimere Sec61-Komplex einen signalsequenzgesteuerten proteinleitenden Kanal (PCC) dar, der die Translokation eines sekretorischen Proteins durch, oder die Integration von Membranproteinen in die ER-Membran erlaubt. Es wird angenommen, dass der aktive proteinleitende Kanal im ribosomengebundenen Zustand aus einer oligomeren Struktur mit mehreren Kopien des Sec61-Heterotrimers besteht. Die Kristallstruktur eines inaktiven PCC zeigt jedoch nur ein einziges Heterotrimer (Monomer), das auch im aktiven Zustand funktional sein könnte. In dieser Arbeit wird eine Kryo-EM-Struktur des aktiven proteinleitenden Kanals im Komplex mit einem translatierenden Ribosom aus Hefe präsentiert, die die bislang detailierteste Elektronendichtekarte für den PCC zeigt. Als charakteristisches Merkmal kann eine trichterförmige Pore auf der zytosolischen Seite visualisiert werden. Es wurden verschiedene molekulare Modelle für den aktiven Zustand in die Elektronendichte gedockt. Obwohl eine genaue molekulare Interpretation durch die Auflösung (12,3 Å) nach wie vor limitiert ist, erscheint es sehr wahrscheinlich, dass nur ein einziges, geöffnetes Sec61-Heterotrimer im aktiven Kanal vorliegt. / This work presents cryo-EM structures of two active ribosomal ligands in yeast, namely eEF3 and Sec61. Protein synthesis requires two canonical elongation factors in all kingdoms. These are the GTPases eEF1A (EF-Tu in prokaryotes) and eEF2 (EF-G in prokayotes). In fungi, a third elongation factor eEF3 is required, which belongs to the ATP-binding cassette- (ABC-) protein family. This factor is essential for the binding of the aminoacyl-tRNA-eEF1A-GTP ternary complex to the A site of the ribosome and has been suggested to do so by facilitating the clearance of deacyl-tRNA from the ribosomal E-site. The cryo-EM structure of the ATP-bound form of eEF3 in complex with an 80S ribosome shows that eEF3 binds the ribosome in the post-translocational conformation using a novel binding site. From there the affinity for tRNA in the ribosomal E site could be easily modified. Using the crystal structure of eEF3, a molecular model for eEF3 was generated, which provides the structural basis for the activity of an ABC protein in the context of translation. In co-translational translocation the trimeric Sec61-complex serves as a signal sequence-gated protein-conducting channel (PCC) which allows the translocation of a secetory protein through and the integration of a membrane protein into the lipid bilayer of the ER. Bound to a ribosome, the active PCC seems to have an oligomeric structure consisting of several copies of Sec61-trimers. The crystal structure of an inactive PCC, however, shows only a single heterotrimer (monomer) which could also be functional in the active state. The cryo-EM structure of the active PCC in complex with a translating ribosome shows the hitherto most detailed electron density map for the PCC. The most characteristic feature is a funnel-shaped off-centered pore at the cytosolic side. Several models for the active state were docked into the EM-density. Although a precise molecular interpretation is limited by the resolution (12, 3 Å), a single copy of an opened Sec61-heterotrimer seems to be the most reasonable fit for the density.

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Bislang wurden Bullen in der Milchrinderzucht anhand des Töchterleistungsvergleiches bewertet, was zur Folge hatte, dass die Zuchtwertschätzung erst nach fünf Jahren vorlag (REENTS UND REINHARDT, 2007). Durch die 2010 eingeführte genomische Zuchtwertschätzung werden Bullenkälber bereits in den ersten Lebensmonaten geprüft und die erfolgreichen Bullen ab einem Alter von 12 Monaten zur Spermaproduktion von den Besamungsstationen eingesetzt. Zu bedenken ist dabei, dass Jungbullen unter 2 Jahren lediglich ein durchschnittliches Ejakulatvolumen von 2-4 ml aufweisen und die Spermienkonzentration deutlich unter der von Altbullen liegt. Es müssen daher entweder mehr Jungbullen zum Einsatz kommen oder die Besamungsportionen müssen in ihrer Spermienkon-zentration reduziert werden. Eine am Institut für Nutztiergenetik Mariensee ent-wickelte Methode, der Sperm-Intra-Fallopian-Transfer (SIFT®), ermöglicht es, minimal dosierte Spermaportionen unchirurgisch in den Eileiter zu übertragen (GROSSFELD ET AL., 2011B). Ein wesentlicher Vorteil dieser Methode ist die Re-duzierung des Besamungsvolumens unter Beibehaltung des Volu-men/Mengenverhältnisses. Zielsetzung dieser Arbeit war es, eine in Volumen und Spermienzahl reduzierte Spermaportion neu zu konfektionieren und ein angepasstes Kühl- sowie Gefrierprotokoll zu entwickeln. Hierbei sollten vergleichbare Auftauqualitäten wie in einer üblichen Besamungsportion erreicht werden. Die Qualität des Spermas wurde dabei sowohl unter Laborbedingungen als auch in Testbesamungen an zufällig ausgewählten Färsen und Kühen evaluiert. In ersten Screeningversuchen wurde zunächst ein Tiefgefrierverfahren für gering dosierte Verpackungssysteme (Nanostraw) mit einem Volumen bis 50 µl entwickelt. Dabei sollten vergleichbare Auftauqualitäten üblicher Besamungs-portionen erreicht werden. Es wurden sechs verschiedene Kühlkurven (A-D, D+ und E) entwickelt. Dabei zeigte sich, dass aufgrund der Stickstoff-volumeneinströme ein Haltepunkt bei -8°C in keiner der Einfrierkurven für kleine Volumina zu etablieren war. Dies ist u.a. auf die bauartbedingten Vorgaben des verwendeten Einfrierautomaten zurückzuführen. Ebenso wurde der Zusatz von 7,5% Glyzerin im Verdünner bei dem Gefrierprotokoll D+ aufgrund der Datenlage des Vorversuchs für den Hauptversuch verworfen. Die Proben wurden bullenindividuell erhoben, zur besseren statistischen Absicherung jedoch für die Auswertung zusammengefasst. Aus den Screeningversuchen erschien das Kryokonservierungsprotokoll D+ für den Nanostraw unter Laborbedingungen am geeignetsten und wurde im Thermoresistenztest, der den Bedingungen im Hinblick auf die Temperatur im Uterus bzw. Eileiter ähnlich ist, getestet. Weiterhin fand ein Vergleich der spermatologischen Qualitätsparameter nach dem Auftauen zwischen der Kontroll- und der Nanostrawgruppe mit der Kühlkurve D+ im Thermoresistenztest statt. Im praktischen Teil der Arbeit wurde die Methode SIFT® zunächst anhand eines Versuchs mit geschlechtsdifferenziertem Frischsamen praktiziert. Dabei wurden 20 Färsen mittelseiner Prid®α 1, 55g Progesteron-Spirale und zehn Kühe mit einem Ovsynch Programm synchronisiert. In einem weiteren Besamungsversuch konnte das Sperma aus den Nanostraws verwendet werden, das vorher kryokonserviert worden ist. Es wurden nur spontan brünstige Färsen und Kühe in den Eileiter besamt. Die Untersuchungen führten zu folgenden Ergebnissen: 1) In den Screeningversuchen zeigte sich, dass der Anteil motiler Spermien signifikant (p≤0,05) abhängig von der Gefriergeschwindigkeit der Kühlkurve war. Der höchste Anteil motiler Spermien aus dem Nanostraw war in Kühlkurve D+ mit einem Anteil von 52,9% zu verzeichnen. Eine signifikante Zunahme des Anteils membranintakter Spermien von Kurve A zu B und D zu D+ war zu beobachten. Die Hälfte der Nanostrawspermien zeigten in der Kühlkurve D+ eine intakte Membranintegrität. Die Kontrollspermien lagen bei 56,9%. In Kurve D+ zeigten 66,6% der Spermien aus dem Nanostraw keine morphologischen Veränderungen, in der Kontrollgruppe waren dies 75,4%. Die Änderung der Glyzerinkonzentration im Verdünnungsmedium zeigte keine signifikante Verbesserung der Spermaqualitätsparameter nach dem Auftauen. 2) Im Thermoresistenztest erreichten die Spermien aus dem Nanostraw in allen gemessenen Parametern die Mindestanforderungen an die Spermaqualität nach Rath et al. (2009). So belief sich der Anteil membranintakter Spermien aus dem Nanostraw nach dreistündiger Inkubation bei 37°C auf 56,4%, die Kontrollstrawspermien lagen bei einem Anteil von 67,2%. Dabei zeigte der Faktor Bulle einen signifikanten Effekt (p≤0,01) auf den Anteil motiler und progressiver Spermien sowie den Anteil PI-negativer Spermien. Mögliche Effekte des Bullen auf die Qualität und Befruchtungsfähigkeit der Spermien nach dem Auftauen zeigten andere Versuchsanstellungen und Forschungshypothesen (JANUSKAUSKAS ET AL., 1996, KATHIRAVAN ET AL., 2011). 3) In dem ersten Besamungsversuch wurden 20 Färsen und zehn Kühen geschlechtsdifferenziertes Sperma mit der Methode SIFT® in den Eileiter über-tragen. 37,5% der Färsen und 33% der Kühe wurden tragend. Dabei konnte ein bullenindividueller dosisabhängiger Effekt festgestellt werden. 50% der Kühe, die mit 500.000 Samenzellen inseminiert wurden und 16% der Kühe, die mit 250.000 Samenzellen besamt wurden, wurden tragend. 4) Im Besamungsversuch mit dem kryokonservierten Sperma aus dem Na-nostraw wurden sechs spontan brünstige Rinder mittels SIFT®-Spermien in den Eileiter übertragen. Alle Tiere wurden als Kälber für die Follikelpunktion in einem anderen Versuch verwendet. Fünf Tiere wurden mit dem Bullen A besamt. 40% der Tiere wurden tragend. Lediglich ein Tier wurde mit dem Bullen B besamt. Das Trächtigkeitsergebnis war negativ. Die Kühe wurden mit dem Bullen A besamt, dieser erzielte eine Trächtigkeitsrate von 33%.

Viruses are entities which are made of a few genes and are reliant on obligate parasitism to propagate. Due to the obligate connection to their hosts, virus evolution is constrained to the type of host. Viruses however do transmit to evolutionary distinct hosts; in these cases, the phylogenetic relationship of the hosts usually are close. In some instances, RNA-viruses have made host jumps between evolutionary distant hosts, such as the host jump from invertebrates to vertebrates, and fungi to arthropod. Partitiviruses are double stranded RNA viruses which mainly infect fungi and plants. The defining characteristic of these double stranded RNA viruses are the double layered capsids which are formed by a single open reading frame (ORF). The capsid proteins form icosahedral virus particles which are in the magnitude of 30-40 nm. Metagenomic studies have discovered partitiviruses originating from an insect in the Odanata family, a finding which contradicts the fungal host specificity of partitiviruses. The finding of the Hubei.PLV 11 thus implies the existence of a partitiviruses containing structural elements in their capsids which could be involved in the infection of arthropods. Thus, this virus could be used as a model for a structural comparison with its fungi infecting relatives with hopes to identify common viral structural factors necessary for the infection of arthropods. For this purpose, the Hubei.PLV ORF was cloned and then transfected into insect Spodoptera frugiperda (Sf-9) cells using a baculovirus expression system, “bac-to-bac” expression system. The FLAG-tagged capsid proteins were expressed by the Sf-9 cells to be approximately 60 kDa. After ultra-centrifugation in a sucrose gradient, some spontaneous assembly into the expected ~40 nm icosahedral virus-like particles were observed using low resolution scanning electron microscopy. The observed particles were also confirmed by a dynamic light scattering experiment (DLS) and a higher resolution cryo-EM microscope. Thus, the bac-to-bac expression system can be used to produce VLPs from this genus of viruses, and this metagenomically derived virus genome. However, for future success in defining a high-resolution model of this virus, it is recommended that the Sf-9 culture volume is sufficiently high for enough particle production which is necessary for a high-resolution map. The other virus, the Southern pygmy squid Flavilike virus (SpSFV) has been suggested to be the oldest relative of the land based flaviviruses. The SpSFV was found to be the most divergent of the flaviviruses, and to infect invertebrates. Solving for the structure of the SpSFV and comparing it to vertebrate infecting flaviviruses could therefore lead to the identification of factors necessary for the adaptation to vertebrates and thus the humoral immunity by flaviviruses. The soluble E-protein was expressed using the bac-to-bac expression system. The protein was indicated to be multiglycosylated and approximately 50 kDa which is in line with other strains in the genus. Affinity chromatography did not elute this protein, likely due to the His-tag not being spatially available. Cation exchange could elute some protein, but not much from the small ~30 mL culture. To conclude, VLP assembly was confirmed by the Hubei.PLV, thus, solving for the structure is a distinct possibility when a larger Sf-9 culture is used to produce the VLPs. For the SpSFV soluble E-protein, the protein is secreted into the supernatant of the Sf-9 cultures, making purification a possibility. For this, a large Sf-9 culture can be used to produce this protein and then purify it with a cat-ion exchange chromatography.

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<p>  </p> <p>Water scarcity is a global problem impacting a majority of the world population. A significant proportion of the global population is deprived of clean drinking water, an impact felt by the rural as well as urban population. Saltwater desalination provides an attractive option to produce clean water. Some technologies to generate potable water include reverse osmosis (RO), multi-stage flash distillation (MSF), vapor compression distillation and multi-effect distillation (MED). Distillation plants such as those in MED often have falling-film evaporators operating at low energy conversion efficiency and hence distillation is performed over multiple stages (or effects). Porous materials can be utilized as evaporators in such plants with the objective of leveraging their superior efficiency. This can potentially decrease the number of effects over which distillation occurs. However, evaporation of high-salinity salt solution eventually results in salt precipitation which can cause fouling and induce structural damages, especially if the precipitates appear within the porous medium. Crystallization-induced structural damages are also of significant concern to building materials and for their role in weathering of historical monuments. It is thus crucial to understand the mechanisms governing salt precipitation in a porous medium.</p> <p>Transport of solute in such a medium is either driven by flow of the solution (advection) or by concentration gradients (diffusion). The dynamics of solute transport is further complicated due to the involvement of a reaction term accounting for any salt precipitation. The relative strengths of these driving forces determine the solute transport behavior during an evaporation-driven process. The wide-scale applications of solute transport and its complicated nature warrant investigation, both experimental and theoretical, of the dependence of solute transport and the subsequent precipitation on the operating conditions and the properties of the porous medium.</p> <p>This dissertation first focuses on developing a novel modeling framework for evaluating the transient behavior of the solute mass fraction profile within the domain of a one-dimensional porous medium, and extending its capability to predict the formation of salt precipitate in the medium.  Experimental investigations are then performed to study the formation of precipitate on sintered porous copper wicks of different particle-size compositions, and developing a mechanistic understanding of the governing principles.</p> <p>A numerical modeling framework is developed to analyze evaporation-driven solute transport. Transient advection-diffusion equations govern the salt mass fraction profile of the solution inside the porous medium. These governing equations are solved to obtain the solute mass fraction profile within the porous medium as well as the effloresced salt crust. Further accounting for precipitation allows a study of the formation and growth of efflorescence and subflorescence. Crystallization experiments are performed by allowing a NaCl solution to evaporate from a porous medium of copper particles and the subflorescence trends predicted by the model are validated. The modeling framework offers a comprehensive tool for predicting the spatio-temporal solute mass fraction profiles and subsequent precipitation in a porous medium.</p> <p>The dependence of efflorescence pattern on the properties of a porous medium is also investigated. Efflorescence patterns are visually observed and characterized on sintered copper particle wicks with spatially unimodal and bimodal compositions of different particle sizes. Efflorescence is found to form earlier and spread readily over a wick made from smaller particles, owing to their lower porosity, while it is limited to certain areas of the surface for wicks composed of the larger particles. A scaling analysis explains the observed efflorescence patterns in the bimodal wicks caused by particle size-induced non-uniform porosity and permeability. The non-uniformity reduces the advective flux in a high-permeability region by diverting flow towards a low-permeability region. This reduction in advective flux manifests as an exclusion distance surrounding a crystallization site where efflorescence is not expected to occur. The dependence of this exclusion distance on the porosity and permeability of the porous medium and the operating conditions is investigated. A large exclusion distance associated with the regions with bigger particles in the bimodal wicks explains preferential efflorescence over the regions with smaller particles. This novel scaling analysis coupled with the introduction of the exclusion distance provides guidelines for designing heterogeneous porous media that can localize efflorescence.</p> <p>Additionally, droplet interactions with microstructured superhydrophobic surfaces as well as soft surfaces were investigated during the course of this dissertation, separate from the above investigations. These investigations involve the interplay of surface energies with electrical or elastic energies and are studied both experimentally and through theoretical models, and therefore are retained as additional chapters in the thesis as being of relevant interest.  Electrowetting experiments are performed on superhydrophobic surfaces with re-entrant structures to study their resilience to the Cassie-to-Wenzel transition. The deformation of soft surfaces caused by forces exerted by microscale droplets is studied and the resulting interaction between multiple droplets is explored. </p>

Les poly(ADP-ribose) polymérases (PARP) sont des enzymes qui modifient les protéines ou l’ADN par ADP-ribosylation à l’aide du nicotinamide adénine dinucléotide (NAD+). Tankyrase est une PARP qui régule divers processus cellulaires, tels que la maintenance des télomères, la signalisation Wnt et le traitement de l’ARN. Elle est constituée de groupes de répétitions d’ankyrine (ARC) N-terminaux qui se lient aux protéines substrats, d’un domaine de motif α stérile intermédiaire qui médie la polymérisation avec d’autres molécules de tankyrase et d’un domaine catalytique C-terminal. Étant donné que l’activité de la tankyrase favorise la signalisation pro-oncogène Wnt/β-caténine, des inhibiteurs sous forme de petites molécules ont été développés pour cibler son domaine catalytique et se sont révélés prometteurs pour le traitement du cancer colorectal. Certaines protéines se lient à la tankyrase, mais plutôt que d’être ciblées pour l’ADP-ribosylation, elles inhibent son activité catalytique. Ces partenaires de liaison comprennent la GDP-mannose 4,6-déshydratase (GMD) et le gène 4 associé à la prostate (PAGE4). Il est important de noter que la structure de l’enzyme tankyrase complète n’a pas encore été déterminée, et on ignore actuellement pourquoi certaines protéines qui se lient à la tankyrase sont modifiées par l’ADP-ribose, tandis que d’autres restent inchangées et inhibent plutôt son activité catalytique. Comprendre ce mécanisme d’inhibition par analyse structurale pourrait fournir de nouvelles voies thérapeutiques bloquant la signalisation Wnt/β-caténine en ciblant le domaine N-terminal de la tankyrase. Notre objectif était d’utiliser la microscopie à coloration négative et la cryomicroscopie électronique pour déterminer les structures de la tankyrase seule et en complexe avec GMD et PAGE4. Nous avons observé que la tankyrase 1 s’assemble en double hélice lors de la polymérisation, créant des contacts interdomaines susceptibles de faciliter ses rôles catalytiques et d’échafaudage dans la signalisation cellulaire. De plus, GMD compactée et ARC1–5 de la tankyrase 1 se lient dans un rapport molaire 1:1 pour former un complexe bilobé, ce qui aide à expliquer pourquoi la GMD reste inchangée. Ces connaissances permettront le développement d’interventions cliniques plus efficaces ciblant les ARC N-terminaux ainsi que les contacts interdomaines de la tankyrase humaine. / Poly(ADP-ribose) polymerases (PARPs) are enzymes that modify proteins or DNA by ADP-ribosylation using nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+). Tankyrase is a PARP that regulates diverse cellular processes, such as telomere maintenance, Wnt signaling, and RNA processing. It is made up of N-terminal ankyrin repeat clusters (ARCs) that bind substrate proteins, a middle sterile α motif domain that mediates polymerization with other tankyrase molecules, and a C-terminal catalytic domain. Due to the fact that tankyrase activity promotes pro-oncogenic Wnt/β-catenin signaling, small molecule inhibitors have been developed that target its catalytic domain and have shown promise for the treatment of colorectal cancer. Certain proteins bind tankyrase, but rather than being targeted for ADP-ribosylation, they inhibit its catalytic activity. These binding partners include GDP-mannose 4,6-dehydratase (GMD) and prostate-associated gene 4 (PAGE4). Importantly, the structure of the full-length tankyrase enzyme has yet to be determined, and it is currently unknown why some proteins that bind to tankyrase are modified with ADP-ribose, while others remain unmodified and instead inhibit its catalytic activity. Understanding this mechanism of inhibition by structural analysis could provide new therapeutic avenues that oppose Wnt/β-catenin signaling by targeting the N-terminal domain of tankyrase. We aimed to use negative stain and cryo-electron microscopy to determine the structures of tankyrase alone and in complex with GMD and PAGE4. We observed that tankyrase 1 assembles as a double helix upon polymerization, creating interdomain contacts that may facilitate its catalytic and scaffolding roles in cellular signaling. Moreover, compacted GMD and ARC1–5 of tankyrase 1 bind in a 1:1 molar ratio to form a bilobal complex, which aids in explaining why GMD remains unmodified. These insights will allow for the development of more effective clinical interventions targeting the N-terminal ARCs as well as interdomain contacts of human tankyrase.

In dieser Arbeit, wurden Endozytose und intrazellulären Transportwegen für zwei verschiedene biologisch relevante Nanopartikel (dendritisch Polyglycerolsulfat (dPGS-np) und Polyethylenimin beschichtete Goldnanopartikel (PEI-np)) mit Kryo-Röntgentomographie untersucht. Diese Untersuchungen zeigten, beide Nanopartikeln über Makropinozytose endozytiert werden und dass die meisten Nanopartikel in Endosomen, multivesikulären Körpern und Lysosomen lokalisiert sind. Trotz dieser Ähnlichkeiten im Verhalten beider Partikel gab es auch Unterschiede die zeigten. Im Gegensatz zu PEI-np, wurden einige dPGS-np in Lipidtröpfchen gefunden. Weiterhin verursachen die PEI-np bei einer Konzentration von 0,13 nM ein Zerplatzen von Lysosomen in erheblichem Ausmaß wodurch die Nanopartikel in das Zytoplasma entweichen und teilweise in den Zellkern eindringen. Im Unterschied dazu konnte kein Nachweis für ein Zerplatzen von Lysosomen durch dPGS-np erbracht werde. Interessanterweise wurde ein Wechsel des Endocytose-Weges von der Makropinozytose zu einer mutmaßlichen Caveolae-vermittelten Endozytose beobachtet, wenn die PEI-np-Konzentration um das Zehnfache reduziert wurde. Unter diesen Bedingungen induzierten PEI-np kein Zerplatzen von Lysosomen mehr. Das Ausbleiben von zerplatzten Lysosomen bei dieser niedrigeren Konzentration korreliert mit einer verringerten Zellschädigung und hat somit wichtige Auswirkungen auf die Verwendung von PEI beim Gentransfer. Überraschenderweise stellte sich heraus, dass beide Nanopartikelarten eine bisher nicht beobachtete umfassende zytoplasmatische Veränderungen in den Zellen induzierten. Insbesondere wurden nach der Inkubation mit beiden Diese zytoplasmatischen Veränderungen könnten wichtige physiologische Veränderungen widerspiegeln, jedoch ist hierzu zusätzliche Forschung erforderlich. Diese Beobachtungen deuten darauf hin, dass das Verhalten biologisch relevanter Nanopartikel in Zukunft vorhersehbarer werden kann durch weitere systematische Studien. / In this thesis, the endocytosis and trafficking pathways of two different biologically relevant nanoparticles, namely dendritic polyglycerol sulfate coated gold nanoparticles (dPGS-np) and polyethyleneimine coated gold nanoparticles (PEI-np) were investigated via cryo soft X-ray tomography. Both nanoparticles were found to be endocytosed predominantly via macropinocytosis, and most nanoparticles became localized to endosomes, multivesicular bodies and lysosomes. Despite these similarities in trafficking, there were also key differences. Some dPGS-np were found in lipid droplets but no PEI nanoparticles were found in this compartment. At a concentration of 0.13 nM, PEI-np were observed to induce extensive rupture of lysosomes, leading to significant levels of cytoplasmic escape and nuclear entry. In contrast, no evidence for lysosomal rupture with dPGS-np was detected, and concomitantly very low levels of cytoplasmic escape and no nuclear entry were found. Interestingly, when the PEI-np concentration was reduced by ten-fold, a switch in the endocytosis pathway from macropinocytosis to a putative caveolae-mediated endocytosis was observed. Importantly, under these conditions, PEI nanoparticles no longer induced lysosomal rupture. This lack of lysosomal rupture at the lower concentration was correlated with reduced cellular damage, and so has important implications for use of PEI in gene delivery. Most surprisingly, both nanoparticle types were found to induce similar global cytoplasmic alterations in the cells. These cytoplasmic alterations could reflect important physiological changes, but further work is required to determine this. Our observations suggest that the behavior of biologically relevant nanoparticles might become more predictable in the future by further application of systematic studies.

Tato práce se zabývá možnostmi kvantitativního zobrazování ve skenovacím (transmisním) elektronovém mikroskopu (S|T|EM) společně s jejich korelativní aplikací. Práce začíná popisem metody kvantitativního STEM (qSTEM), kde lze stanovenou lokální tloušťku vzorku dát do spojitosti s ozářenou dávkou, a vytvořit tak studii úbytku hmoty. Tato metoda byla použita při studiu ultratenkých řezů zalévací epoxidové pryskyřice za různých podmínek (stáří, teplota, kontrastování, čištění pomocí plazmy, pokrytí uhlíkem, proud ve svazku). V rámci této části jsou diskutovány a demonstrovány možnosti kalibračního procesu detektoru, nezbytné pozadí Monte Carlo simulací elektronového rozptylu a dosažitelná přesnost metody. Metoda je pak rozšířena pro použití detektoru zpětně odražených elektronů (BSE), kde byla postulována, vyvinuta a testována nová kalibrační technika založená na odrazu primárního svazku na elektronovém zrcadle. Testovací vzorky byly různě tenké vrstvy v tloušťkách mezi 1 až 25 nm. Použití detektoru BSE přináší možnost měřit tloušťku nejen elektronově průhledných vzorků jako v případě qSTEM, ale také tenkých vrstev na substrátech - qBSE. Obě výše uvedené metody (qSTEM a qBSE) jsou založeny na intenzitě zaznamenaného obrazu, a to přináší komplikaci, protože vyžadují správnou kalibraci detektoru, kde jen malý posun úrovně základního signálu způsobí významnou změnu výsledků. Tato nedostatečnost byla překonána v případě qSTEM použitím nejpravděpodobnějšího úhlu rozptylu (zachyceného pixelovaným STEM detektorem), namísto integrální intenzity obrazu zachycené prstencovým segmentem detektoru STEM. Výhodou této metody je její použitelnost i na data, která nebyla předem zamýšlena pro využití qSTEM, protože pro aplikaci metody nejsou potřeba žádné zvláštní předchozí kroky. Nevýhodou je omezený rozsah detekovatelných tlouštěk vzorku způsobený absencí píku v závislosti signálu na úhlu rozptylu. Obecně platí, že oblast s malou tloušťkou je neměřitelná stejně tak jako tloušťka příliš silná (použitelný rozsah je pro latex 185 - 1 000 nm; rozsah je daný geometrií detekce a velikostí pixelů). Navíc jsou v práci prezentovány korelativní aplikace konvenčních a komerčně dostupných kvantitativních technik katodoluminiscence (CL) a rentgenové energiově disperzní spektroskopie (EDX) spolu s vysokorozlišovacími obrazy vytvořenými pomocí sekundárních a prošlých elektronů.