NEDD8, molécule de la famille de l’ubiquitine est essentielle au développement, à la croissance et à la viabilité d’un organisme, de plus c’est une cible prometteuse en thérapeutique. Nous avons découvert que l’inhibiteur spécifique de la NEDDylation, MLN4924 altère la morphologie sans fragmentation et augmente la surface du nucléole de cellules humaines et de noyaux de la lignée germinale de Caenorhabditis elegans. Une approche de protéomique quantitative (SILAC) combiné à l’analyse de la production des ARNr et des ribosomes montrent que MLN4924 change la composition protéique du nucléole sans affecter l’activité transcriptionnelle de l’ARN pol I. Notre analyse montre que MLN4924 active p53 par la voie RPL11/RPL5-Mdm2 caractéristique d’un stress du nucléole. Cette étude identifie le nucléole comme une cible intéressante dans l’utilisation d’inhibiteurs de la NEDDylation et apporte un nouveau mécanisme d’activation de p53 par inhibition de la voie NEDD8.Dans une seconde étude nous avons adapté la méthode de FLIM-FRET (« Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy – Förster Resonance Energy Transfer ») à l’étude de la compaction de la chromatine à l’échelle du nanomètre dans un organisme vivant. Le nématode Caenorhabditis elegans s’est révélé être un modèle de choix. Au sein des chromosomes méiotiques, nous avons identifié différentes régions de compaction, de niveau variable par mesure du FRET entre histones fusionnées à des protéines fluorescentes. Par une approche originale d’ARN interférence et injection d’un « extra-chromosome » nous avons défini l’architecture à une nano-échelle de différents états de l’hétérochromatine et montré que cette organisation est contrôlée par les protéines HP1 « Heterochromatin Protein 1 » et SETDB1, une protéine « H3-Lysine 9 methyl transferase ». Nous avons également montré que la compaction de l’hétérochromatine est dépendante des condensines I et II et plus particulièrement la condensine I contrôle l’état faiblement compacté de la chromatine.Nos travaux ont confirmé que C. elegans est un modèle d’intérêt majeur pour l’étude des compartiments nucléaires et parfaitement adapté pour des études pré-clinique. / The ubiquitin-like molecule NEDD8 is conserved and essential for viability, growth and development; its activation pathway is a promising target for therapeutic intervention. We found that the small molecule inhibitor of NEDDylation, MLN4924, alters the morphology and increases the surface size of the nucleolus in human cells and Caenorhabditis elegans germ cells in the absence of nucleolar fragmentation. Through SILAC proteomic analysis and rRNA production, processing and ribosome profiling, we show that MLN4924 changes the composition of the nucleolar proteome but does not inhibit RNA Pol I transcription. Further analysis demonstrates that MLN4924 activates the p53 tumour suppressor through the RPL11/RPL5-Mdm2 pathway, with characteristics of nucleolar stress. The study identifies the nucleolus as a target of the NEDDylation pathway and provides a mechanism for p53 activation upon NEDD8 inhibition.Then we adapted a quantitative FRET (Förster resonance energy transfer)-based fluorescence lifetime imaging microscopy (FLIM) approach to assay the nano-scale chromatin compaction in a living organism, the nematode Caenorhabditis elegans. By measuring FRET between histone-tagged fluorescent proteins, we visualized distinct chromosomal regions and quantified the different levels of nanoscale compaction in meiotic cells. Using RNAi and repetitive extrachromosomal array approaches, we defined the heterochromatin state and showed that its architecture presents a nanoscale-compacted organization controlled by Heterochromatin Protein-1 (HP1) and SETDB1 H3-lysine-9 methyl-transferase homologs in vivo. Next, we functionally explored condensin complexes. We found that condensin I and condensin II are essential for heterochromatin compaction and that condensin I additionally controls lowly compacted regions. Our data show that, in living animals, nanoscale chromatin compaction is controlled not only by histone modifiers and readers but also by condensin complexes.We confirm that C. elegans is an interesting model to study nuclear signalling and perfectly adapt to be a platform for pre-clinical studies.

Es wird angenommen, dass das Influenzavirus-Glykoprotein Hämagglutinin (HA) für seine Funktion sowohl bei der Virusfreisetzung als auch bei der Fusion von viraler und zellulärer Membran mit Cholesterin- und Sphingolipidreichen Domänen, sogenannten Membran-Rafts, assoziiert sein muss. Aus diesem Grund sollte in dieser Arbeit die Membran-Raft-Affinität von HA in lebenden Zellen mittels FLIM-FRET gemessen werden. Dabei wurde mit Hilfe der Fluroreszenz-Lebenszeit-Messung (FLIM) der Förster-Resonanz-Energie-Transfer (FRET) von fluoreszenzmarkiertem HA auf einen etablierten Raft-Marker bestimmt. Diese Messungen zeigten, dass beide Proteine in gemeinsamen Klustern in der Plasmamembran vorkommen. Durch Cholesterinentzug und durch den Einsatz von Cytochalasin D, welches die Mikrofilamente zerstört, konnte diese Klusterbildung reduziert werden. Demnach tragen sowohl die Membran-Rafts als auch das Aktinnetzwerk zu dieser Klusterbildung bei. Mittels FLIM-FRET konnte zusätzlich bestätigt werden, dass die Signale für die Detergenslöslichkeit von HA in Triton-Extraktionsexperimenten, die Palmitylierung und die stark hydrophoben Aminosäuren zu Beginn der Transmembrandomäne (TMD), auch im lebenden System eine wichtige Rolle spielen. Zusätzlich konnten biochemische Experimente zeigen, dass die hydrophoben Aminosäuren zu Beginn der HA-TMD den intrazellulären Transport, nach der Trimerbildung, entscheidend verzögern. Diese Verzögerung ist vermutlich auf einer erschwerten Integration dieser Proteine in die Membran-Rafts begründet. Die virale Fusion mit der Wirtszellmembran wird durch eine pH5-Behandlung vermittelte Konformationsänderung von HA ausgelöst. FLIM-FRET-Messungen zeigten für die pH5-Konformation von HA eine verglichen mit der pH7-Konformation verringerte Klusterbildung mit dem Raft-Marker. Somit ist offensichtlich, dass die Membranfusion-vermittelnde HA-Konformation eine verringerte Raft-Affinität besitzt. Diese verringerte Raft-Affinität könnte eine wichtige Rolle bei der Störung der Lipide an der Fusionsstelle spielen und somit die Bildung und/oder Vergrößerung der Fusionspore erleichtern. / It has been supposed that the hemagglutinin (HA) of influenza virus is recruited to cholesterol- and sphingolipid-enriched domains, also named membrane-rafts, to accomplish its function in virus budding and membrane fusion. This study aimed at verifying the affinity of HA for membrane-rafts in living cells using fluorescence-lifetime imaging microscopy to measure Förster’s resonance energy transfer (FLIM-FRET). FLIM-FRET revealed strong clustering between a fluorescence-tagged HA-protein and a well-established raft-marker in CHO cells. Clustering was significantly reduced when rafts were disintegrated by cholesterol depletion and when microfilaments were disrupted with cytochalasin D. Thus, membrane-rafts as well as the actin meshwork contribute synergistically to clustering. Clustering was also reduced by the removal of the known signals for the association of HA with detergent-resistant-membranes, the palmitoylation and the first amino acids in the transmembrane region (TMR). Since these mutations are obviously important for the raft-association of HA their function during the transport through the ER and the Golgi-complex was studied. These investigations showed that the exchange of the first three amino acids of the HA-TMR led to a decelerated transport after trimer-formation of the protein, probably due to retarded integration of these proteins into membrane-raft domains. Mediating viral fusion with the host cell membrane requires an irreversible conformational change of HA. FLIM-FRET studies of this low pH conformation unveiled that the clustering with the raft-marker is decisively reduced compared to the pre-fusion conformation of the protein. It might be assumed that the fusion-mediating conformation of HA reduces the proteins affinity for membrane-rafts. Therefore it is likely that this reduced affinity for rafts after the conformational change is relevant to cause perturbation of lipids at the fusion site and thereby facilitating the formation and/or enlargement of the fusion pore.

Der Viruspartikelzusammenbau hängt von der Anreicherung viraler Untereinheiten in spezifischen Domänen der PM ab. Es wird vorgeschlagen, dass Membran-Rafts – geordnete, sphingomyelin- und cholesterinreiche Mikrodomänen in der PM – als lokale Rekrutierungsstellen dienen. Hämagglutinin (HA) ist ein homotrimeres Glykoprotein in der Hülle des Influenzavirus. Es dient der Bindung an die Wirtszelle und der Fusion mit dem Endosom. Es wird angenommen, dass HA bei der Abschnürung der Viruspartikel von der Zelle mitwirkt. Zwei Hauptbeobachtungen führten zu der Hypothese, dass sich HA in Lipid-Mikrodomänen einlagert: HA wurde biochemisch in Detergens-resistenten Membranen nachgewiesen und die Virushülle ist mit raftbildenden Lipiden angereichert. Um die Rolle der HA-Transmembrandomäne für die Lipid-Raft-Inkorporation aufzuklären, wurde ein Konstrukt entwickelt, das den C-Terminus von HA mit dem gelb fluoreszierenden Protein YFP fusioniert, und die Transmembrandomäne, nicht aber die N-terminale Ektodomäne von HA enthält. In transfizierten Säugetierzellen wurde der Förster-Resonanz-Energie-Transfer (FRET) zwischen diesem Konstrukt und einem GPI-verankerten cyan fluoreszierenden Protein CFP (Raft-Marker) durch Fluoreszenz-Lebenszeit-Mikroskopie (FLIM) gemessen. Die Ergebnisse zeigen, dass sich HA-Konstrukte in Cholesterin-abhängigen Lipiddomänen anreichern, was durch eine erhöhte FRET-Effizienz nachgewiesen wurde. Zudem führen ein Cholesterinentzug aus der PM und die Deletion hochkonservierter Palmitylierungsstellen zu einer signifikanten Verringerung selbiger; sehr gering war diese zwischen dem HA-Konstrukt und einem Nicht-Raft-Marker. Darüberhinaus konnte durch ortsspezifische Mutagenese gezeigt werden, dass die verwendeten Konstrukte disulfidbrückenverbundene Oligomere bilden, welche Voraussetzung für den Transport der Konstrukte an die PM sind. Zeitaufgelöste Anisotropiemessungen ergaben für diese ein starkes Homo-FRET-Signal, welches die Oligomerisierungshypothese bestätigt. / Numerous enveloped viruses bud from the host cell plasma membrane (PM). Assembly of the new viral particles depends on the accumulation of the viral subunits at specific sites of the cell membrane. Lipid domains or rafts enriched of sphingomyelin and cholesterol were suggested as sites for local recruitment of viral components. Hemagglutinin (HA), a homotrimeric glycoprotein embedded in the envelope of influenza virus, mediates binding of the virus to the host cell and fusion between the viral envelope and the endosomal membrane. HA might play an important role in budding of the viral particles from the host cell. Two observations led to the suggestion that HA entraps in lipid microdomains. First, HA was rescued in DRM fractions, second the viral envelope was found to be enriched in lipids generally forming rafts. To elucidate the role of the HA transmembrane domain in lipid raft localization we expressed constructs harboring the transmembrane domain and the cytoplasmic tail but lacking the N-terminal ectodomain of HA in the PM of mammalian cells. We studied energy transfer (FRET) between these constructs and a GPI anchored CFP as a raft marker by fluorescence lifetime imaging microscopy (FLIM). Our results suggest that HA constructs are indeed sorted into cholesterol-dependent lipid domains since cholesterol depletion of the PM caused a significant decrease of FRET efficiency. Likewise, deletion of the three highly conserved palmitoylation sites of HA is also accompanied by a reduction of FRET efficiency. Site directed mutagenesis demonstrated that TMD-HA constructs form disulfide linked oligomers and that oligomerization is fundamental for the transport to the PM. This result was corroborated by time resolved anisotropy measurements that revealed strong homoFRET between TMD-HA-YFP molecules, thus indicating protein clustering. Accordingly, trimerization of full length HA is fundamental for stability and the subsequent delivery of the protein to the cell surface.

Introduction: 23 million patients worldwide suffer from heart failure. These patients depend on cardiac research, because cardiac research enables the development of new therapeutic strategies and –targets. In cardiomyocytes, the compartmentalization of cAMP and cGMP depends on many factors. T-tubuli and PDEs are responsible for the division of cells in microdomains in which localized and specific cAMP and cGMP-signaling occurs. The aim of this thesis was to develop a method to answer the open questions that remain about the physiological and pathophysiological significance of cAMP/cGMP compartmentalization. Methods: I used the zebrafish as a model, because the transparency of zebrafish larvae enabled non-invasive fluorescent imaging in cardiomyocytes in the living animal. I cloned the Fluorescence Resonance Energy Transfer (FRET) sensors EPAC1-camps for cAMP and cGi500 for cGMP and injected them into zebrafish fertilized embryos. Then I used the F0 generation for Fluorescence Lifetime Imaging (FLIM) -FRET-measurements of cAMP and cGMP. Ca2+ is an important downstream mediator of cAMP and cGMP, because Ca2+ regulates cardiac contraction. Therefore, I also cloned the Ca2+ sensor GCaMP6 and used the dye Fluo-4 AM to include intracellular Ca2+ in the imaging. Results: The cloned sensors for cAMP, cGMP and Ca2+ were successfully injected into the zebrafish and showed expression in individual cardiomyocytes. I developed a protocol to mount the living zebrafish embryos and to measure intracellular cAMP and cGMP with FLIM-FRET in vivo with high spatial resolution. I characterized the sensors in their functionality by showing that the sensors react to changes in intracellular concentrations of cAMP and cGMP. The results of this study include evidence that zebrafish have mechanisms that lead to cAMP/cGMP compartmentalization in the absence of T-tubuli, and these mechanisms keep compartmentalization constant even under extreme cAMP or cGMP increasing drug treatment. Furthermore, I imaged intracellular Ca2+ by confocal microscopy and developed a protocol to use Fluo-4 AM for Ca2+ imaging. Conclusion: The method used in this thesis should allow the investigation of subcellular cAMP/cGMP compartmentalization and Ca2+ and to subsequently answer open questions in the field, for example whether a change of cAMP compartmentalization leads to the pathological phenotypes of cardiac disease or if a changed compartmentalization of cAMP in cardiac disease influences Ca2+ concentrations and therefore contraction. Additionally, this method can be used to learn more about cAMP, cGMP und Ca2+ during regeneration in the heart, because the zebrafish cardiomyocytes can regenerate. / Einleitung: Weltweit sind mehr als 23 Millionen unter Herzinsuffizienz leidende Patienten auf die kardiologische Grundlagenforschung angewiesen, da diese die Voraussetzung für eine bessere Versorgung durch adaptierte und neue Behandlungswege schafft. In Kardiomyozyten hängt die Kompartimentierung von cAMP und cGMP von vielen Faktoren ab. T-Tubuli und PDEs werden unter anderem für die Aufteilung der Zellen in Mikrodomänen, in denen lokalisierte und spezifische cAMP- und cGMP-Signalgebung stattfinden kann, verantwortlich gemacht. Das Ziel dieser Arbeit war die Etablierung einer Methode, mithilfe derer offene Fragen bezüglich der physiologischen und insbesondere der pathophysiologischen Relevanz der cAMP- und cGMP Kompartimentierung beantwortet werden können. Methode: Als Modell diente der Zebrafisch, da die Transparenz von Zebrafisch Embryonen eine nicht-invasive Bildgebung von Fluoreszenz in Kardiomyozyten im lebenden Tier ermöglicht. Dafür klonierte ich die Förster Resonance Energy Transfer (FRET) -Sensoren EPAC1-camps als cAMP-Sensor und cGi500 als cGMP-Sensor und injizierte diese in befruchtete Zebrafisch Embryonen. Anschließend benutzte ich die F0-Generation für Fluorescence Lifetime Imaging (FLIM) -FRET-Messungen von cAMP und cGMP. Da Ca2+ als wichtiger downstream Mediator von cAMP und cGMP die kardiale Kontraktion reguliert, klonierte ich außerdem den Ca2+-Sensor GCaMP6 und benutzte den Farbstoff Fluo-4 AM, um intrazelluläres Ca2+ darzustellen. Ergebnisse: Die klonierten Sensoren für cAMP, cGMP und Ca2+ konnten erfolgreich in den Zebrafisch injiziert werden und zeigten alle Expression in einzelnen Kardiomyozyten. Ich entwickelte ein Protokoll, dass die Fixierung von lebenden Zebrafisch Embryonen und nachfolgender Bildgebung von cAMP und cGMP mit hoher zellulärer Auflösung mit FLIM-FRET in vivo erlaubte. Ich konnte eine funktionelle Charakterisierung der Sensoren durchführen, indem ich zeigte, dass sie auf Konzentrationsänderungen von intrazellulärem cAMP und cGMP reagieren sowie zeigen, dass Zebrafische trotz fehlender T-Tubuli eine signifikante cAMP- und cGMP Kompartimentierung aufweisen, auch unter extremen Bedingungen nach Gabe von cAMP/cGMP stimulierenden Substanzen in hoher Dosierung. Ich konnte zudem subzelluläres Ca2+ durch konfokale Mikroskopie bildgebend darstellen und entwickelte ein Protokoll, um mit Fluo-4 AM eine schnelle Möglichkeit zu haben, Ca2+ mit in die Messungen einzubeziehen. Ausblick: Die in dieser Arbeit benutzte Methode bietet eine gute Möglichkeit, subzelluläre cAMP- und cGMP-Kompartimentierung und Ca2+ zu untersuchen und damit zum Beispiel die Fragen zu beantworten, ob eine veränderte cAMP/cGMP Kompartimentierung zu Herzkrankheiten wie Hypertrophie führt oder ob eine veränderte cAMP Kompartimentierung den zellulären Ca2+ Haushalt und damit die kardiale Kontraktion beeinflusst. Darüber hinaus kann das von mir etablierte Protokoll dazu genutzt werden, mehr über cAMP, cGMP und Ca2+ während der Regeneration im Herzen zu lernen, da der Zebrafisch über ausgeprägte Regenerationsfähigkeiten verfügt.

Introduction: 23 million patients worldwide suffer from heart failure. These patients depend on cardiac research, because cardiac research enables the development of new therapeutic strategies and –targets. In cardiomyocytes, the compartmentalization of cAMP and cGMP depends on many factors. T-tubuli and PDEs are responsible for the division of cells in microdomains in which localized and specific cAMP and cGMP-signaling occurs. The aim of this thesis was to develop a method to answer the open questions that remain about the physiological and pathophysiological significance of cAMP/cGMP compartmentalization. Methods: I used the zebrafish as a model, because the transparency of zebrafish larvae enabled non-invasive fluorescent imaging in cardiomyocytes in the living animal. I cloned the Fluorescence Resonance Energy Transfer (FRET) sensors EPAC1-camps for cAMP and cGi500 for cGMP and injected them into zebrafish fertilized embryos. Then I used the F0 generation for Fluorescence Lifetime Imaging (FLIM) -FRET-measurements of cAMP and cGMP. Ca2+ is an important downstream mediator of cAMP and cGMP, because Ca2+ regulates cardiac contraction. Therefore, I also cloned the Ca2+ sensor GCaMP6 and used the dye Fluo-4 AM to include intracellular Ca2+ in the imaging. Results: The cloned sensors for cAMP, cGMP and Ca2+ were successfully injected into the zebrafish and showed expression in individual cardiomyocytes. I developed a protocol to mount the living zebrafish embryos and to measure intracellular cAMP and cGMP with FLIM-FRET in vivo with high spatial resolution. I characterized the sensors in their functionality by showing that the sensors react to changes in intracellular concentrations of cAMP and cGMP. The results of this study include evidence that zebrafish have mechanisms that lead to cAMP/cGMP compartmentalization in the absence of T-tubuli, and these mechanisms keep compartmentalization constant even under extreme cAMP or cGMP increasing drug treatment. Furthermore, I imaged intracellular Ca2+ by confocal microscopy and developed a protocol to use Fluo-4 AM for Ca2+ imaging. Conclusion: The method used in this thesis should allow the investigation of subcellular cAMP/cGMP compartmentalization and Ca2+ and to subsequently answer open questions in the field, for example whether a change of cAMP compartmentalization leads to the pathological phenotypes of cardiac disease or if a changed compartmentalization of cAMP in cardiac disease influences Ca2+ concentrations and therefore contraction. Additionally, this method can be used to learn more about cAMP, cGMP und Ca2+ during regeneration in the heart, because the zebrafish cardiomyocytes can regenerate. / Einleitung: Weltweit sind mehr als 23 Millionen unter Herzinsuffizienz leidende Patienten auf die kardiologische Grundlagenforschung angewiesen, da diese die Voraussetzung für eine bessere Versorgung durch adaptierte und neue Behandlungswege schafft. In Kardiomyozyten hängt die Kompartimentierung von cAMP und cGMP von vielen Faktoren ab. T-Tubuli und PDEs werden unter anderem für die Aufteilung der Zellen in Mikrodomänen, in denen lokalisierte und spezifische cAMP- und cGMP-Signalgebung stattfinden kann, verantwortlich gemacht. Das Ziel dieser Arbeit war die Etablierung einer Methode, mithilfe derer offene Fragen bezüglich der physiologischen und insbesondere der pathophysiologischen Relevanz der cAMP- und cGMP Kompartimentierung beantwortet werden können. Methode: Als Modell diente der Zebrafisch, da die Transparenz von Zebrafisch Embryonen eine nicht-invasive Bildgebung von Fluoreszenz in Kardiomyozyten im lebenden Tier ermöglicht. Dafür klonierte ich die Förster Resonance Energy Transfer (FRET) -Sensoren EPAC1-camps als cAMP-Sensor und cGi500 als cGMP-Sensor und injizierte diese in befruchtete Zebrafisch Embryonen. Anschließend benutzte ich die F0-Generation für Fluorescence Lifetime Imaging (FLIM) -FRET-Messungen von cAMP und cGMP. Da Ca2+ als wichtiger downstream Mediator von cAMP und cGMP die kardiale Kontraktion reguliert, klonierte ich außerdem den Ca2+-Sensor GCaMP6 und benutzte den Farbstoff Fluo-4 AM, um intrazelluläres Ca2+ darzustellen. Ergebnisse: Die klonierten Sensoren für cAMP, cGMP und Ca2+ konnten erfolgreich in den Zebrafisch injiziert werden und zeigten alle Expression in einzelnen Kardiomyozyten. Ich entwickelte ein Protokoll, dass die Fixierung von lebenden Zebrafisch Embryonen und nachfolgender Bildgebung von cAMP und cGMP mit hoher zellulärer Auflösung mit FLIM-FRET in vivo erlaubte. Ich konnte eine funktionelle Charakterisierung der Sensoren durchführen, indem ich zeigte, dass sie auf Konzentrationsänderungen von intrazellulärem cAMP und cGMP reagieren sowie zeigen, dass Zebrafische trotz fehlender T-Tubuli eine signifikante cAMP- und cGMP Kompartimentierung aufweisen, auch unter extremen Bedingungen nach Gabe von cAMP/cGMP stimulierenden Substanzen in hoher Dosierung. Ich konnte zudem subzelluläres Ca2+ durch konfokale Mikroskopie bildgebend darstellen und entwickelte ein Protokoll, um mit Fluo-4 AM eine schnelle Möglichkeit zu haben, Ca2+ mit in die Messungen einzubeziehen. Ausblick: Die in dieser Arbeit benutzte Methode bietet eine gute Möglichkeit, subzelluläre cAMP- und cGMP-Kompartimentierung und Ca2+ zu untersuchen und damit zum Beispiel die Fragen zu beantworten, ob eine veränderte cAMP/cGMP Kompartimentierung zu Herzkrankheiten wie Hypertrophie führt oder ob eine veränderte cAMP Kompartimentierung den zellulären Ca2+ Haushalt und damit die kardiale Kontraktion beeinflusst. Darüber hinaus kann das von mir etablierte Protokoll dazu genutzt werden, mehr über cAMP, cGMP und Ca2+ während der Regeneration im Herzen zu lernen, da der Zebrafisch über ausgeprägte Regenerationsfähigkeiten verfügt.

<p>Huntington’s disease (HD) is a devastating autosomal dominant neurodegenerative disorder for which there are no disease modifying treatments. Owing to this are the multiple biological functions of the huntingtin protein and the lack of understanding of the exact pathways being affected in HD. It is clear that the huntingtin protein normally provides anti-apoptotic support and that there are underlying energetic problems and cell stress defects associated with disease. Work from our group has shown that huntingtin acts as a stress sensor and translocates from the endoplasmic reticulum to the nucleus upon cell stress. We therefore hypothesized that huntingtin has a nuclear function in the cell stress response; which would tie together what is currently known about huntingtin, its pro-apoptotic function and the energetic defects of neurodegeneration. In this thesis we describe huntingtin as having a role in the nuclear cofilin-actin rod stress response. Cofilin is an actin binding protein normally involved in actin treadmilling. During stress, cofilin saturates F-actin leading to rod formation which functions to alleviate ATP. We show that this response is impaired in the presence of mutant huntingtin and that the aberrations in this response can be mediated through the enzyme tissue transglutaminase. Little is known about the physiological role and requirement of the cofilin-actin rod response. Therefore we created a system to test if rod formation was required in cells during stress, which indicates if and how targeting this pathway will be possible. We additionally looked at targeting the nuclear import and export properties of the cofilin protein, which directly affect rod formation and may be targetable in cofilin modifying drug discovery efforts. Overall, this work has described a specific and relevant pathway affected by mutant huntingtin and started the process of assessing this pathway as a therapeutic avenue for Huntington’s disease.</p> / Doctor of Philosophy (PhD)

Die Assemblierung von Influenzaviren erfolgt an Rafts der apikalen Wirtszellplasmamembran mit denen das Hämagglutinin (HA) über Acylierungen im C-Terminus und hydrophobe Aminosäuren seiner Transmembrandomäne (TMD) interagiert. M2 besitzt eine cytoplasmatische amphiphile Helix (AH), die ebenso potenzielle Raft-Motive aufweist: Eine Acylierung und Cholesterol-Bindemotive. In dieser Arbeit wurde per Konfokalmikroskopie an polarisierten Zellen, die fluoreszenzmarkierte M2-Varianten exprimierten, gezeigt, dass diese M2-Motive nicht für den apikalen Transport, der vermutlich durch Raft-ähnliche Vesikel erfolgt, benötigt werden. Messungen des Förster-Resonanzenergietransfers über Fluoreszenz-Lebenszeit-Mikroskopie (FLIM-FRET) in der Plasmamembran lebender Zellen, die fluoreszenzmarkiertes HA und M2 koexprimierten, ergaben, dass diese Motive auch nicht für die Interaktion mit den durch HA, in Abhängigkeit von dessen Raft-Motiven, stabilisierten Raft-Domänen notwendig sind. Mittels reverser Genetik konnten infektiöse WSN-Viren mit fehlender Acylierung am Ende der HA-TMD, nicht jedoch Viren ohne die zwei cytoplasmatischen Acylierungen hergestellt werden. Weiterhin ergaben Wachstumsanalysen, dass die Acylierung von HA und M2 für den gleichen Schritt des viralen Replikationszyklus von Bedeutung sind. Für die M2-AH wurde postuliert, dass sie die Membrankrümmung detektiert und durch Insertion in die Wirtszellmembran die Virusabschnürung bewirkt. Infektiöse Viren ohne M2 oder ohne die AH konnten ebenso wie Viren mit M2 mit einer Helix mit reduzierter Amphiphilität in dieser Arbeit nicht hergestellt werden. Allerdings führte die Substitution der AH durch typische krümmungsdetektierende oder modulierende Helices zu Viren, deren Wachstum um zwei bis vier Titerstufen im Vergleich zum Wildtyp reduziert war. Die Helix-Amphiphilität scheint wichtig zu sein, aber auch die Sequenz oder bestimmte Aminosäuren sind offenbar für eine effiziente Virusreplikation notwendig. / The assembly of influenza virus particles occurs at the apical plasma membrane of the host cell at membrane rafts which the hemagglutinin (HA) interacts with via acylations in its C-terminal region and via hydrophobic amino acids in the transmembrane domain (TMD). M2 possesses a cytoplasmic amphiphilic helix (AH) that also contains potential raft motifs: an acylation and cholesterol-binding motifs. In this work, confocal microscopy of polarised cells, which were expressing fluorescently labelled M2-variants, demonstrated that these motifs of M2 are not required for apical transport, which is assumed to be mediated by raft-like vesicles. Furthermore, FLIM-FRET (Förster resonance energy transfer measured via fluorescence lifetime imaging microscopy) analyses, performed in the plasma membrane of living cells coexpressing fluorescently labelled HA and M2, revealed that these M2-motifs are not required for association with the large coalesced raft phase organised by HA. In contrast, deleting HA’s raft-targeting features clearly reduced clustering with M2. While the removal of the two cytoplasmic acylations prevented the rescue of infectious virus by reverse genetics, a mutant virus without acylation in the HA-TMD could be rescued. Moreover, growth analyses revealed that the acylations of HA and M2 are important for the same step in the viral replication cycle. It has been postulated that the M2-AH detects membrane curvature and accomplishes membrane scission by inserting into the host cell membrane. Viruses without M2, without the M2-AH or with M2 containing a helix with reduced amphiphilicity could not be produced in this work. However, substituting the AH by typical curvature-sensing or -generating helices led to viruses with two to four orders of magnitude reduced growth as compared to wildtype virus. The amphiphilicity of the helix seems to be important, but also the sequence or specific amino acids appear to be necessary for an efficient virus replication.

The thesis reports on the application of advanced microanalytical techniques to answer a fundamental open question on the homeostasis of Plasmodium falciparum infected red blood cells, namely how infected cells retain their integrity for the duration of the parasite asexual reproduction cycle. The volume and shape changes of infected cells were measured and characterized at femtolitre resolution throughout the intraerythrocytic cycle using confocal microscopy. Fluorescence lifetime imaging and electron probe X-ray microanalysis were applied for the quantification of intracellular haemoglobin and electrolyte concentrations. The cytomechanical properties of uninfected and infected red cells were studied using a novel optical stretcher device, which enabled individual cells to be trapped and manipulated optomechanically in microfluidic channels. Combined, these methods offered a unique insight into the homeostatic and rheological behaviour of malaria-infected red cells. The results were analysed by comparison with predictions from a detailed physiological model of the homeostasis and volume regulation of infected cells, providing broad support to the view that excess haemoglobin consumptions by the parasite was necessary for the integrity of infected cells (the colloidosmotic hypothesis). The dissertation is introduced with an overview of malaria, red blood cells homeostasis and the changes induced by Plasmodium falciparum infection. In the following, this description is extended to an in-depth theoretical analysis of the infected red blood cell homeostasis, from which the need to characterise certain parameters arises. The subsequent chapters address sequentially the assessment of the haemoglobin and electrolyte concentration, cell shape and volume changes and ultimately alterations in cell elasticity. The experimental part is complemented with a comparison of the resulting data to the predictions from the theoretical analysis and an outlook on future work.