In der vorliegenden Arbeit wird ein neuer Ansatz vorgestellt, um Lipiddomänen, die Bindungsorte peripherer und integraler Membranproteine darstellen können, zu charakterisieren. Insbesondere wurde die Analyse der Fluoreszenzlebenszeiten von NBD-markierten Lipidanaloga benutzt, um Lipiddomänen in Giant unilamellar vesicles (GUV) und darauf aufbauend, in der Plasmamembran von Säugerzellen zu untersuchen. Das typische Zeitfenster von Fluoreszenzlebenszeiten im Bereich von Nanosekunden ermöglicht es, auch sehr kurzlebige Lipiddomänen nachzuweisen. Mit Hilfe des Fluorescence lifetime imaging (FLIM) wurden für die liquid disordered (ld) und liquid ordered (lo) Domänen in GUV jeweils spezifische Werte für das Abklingen der Fluoreszenz gemessen. Sogar die Existenz von submikroskopischen Domänen in GUV konnte nachgewiesen werden. Die Fluoreszenzlebenszeit des Lipidanalogs C6-NBD-PC zeigte in der Plasmamembran von Säugerzellen eine breite Verteilung. Dies legt in Übereinstimmung mit FLIM-Experimenten an aus der Plasmamembran von HeLa-Zellen gewonnenen Giant vesicles nahe, dass in der Plasmamembran von Zellen eine Vielzahl verschiedener submikroskopischer Lipiddomänen existiert. Darauf aufbauend wurde die Fluoreszenzmikroskopie an GUV angewendet, um die Bindung von fluoreszenzmarkiertem alpha-Synuclein an mittels FLIM charakterisierte Lipiddomänen zu untersuchen. Die Experimente zeigten, dass das Protein mit hoher Affinität an negativ geladene Phospholipide unter der Vorraussetzung bindet, dass diese sich in ld Domänen befinden. Im Gegensatz dazu erfolgt keine Bindung wenn diese Lipide in lo Domänen lokalisiert sind. Im Vergleich zum wildtypischen alpha-Synuclein zeigte die Variante A30P eine geringere Affinität zur Membran, während die E46K-Variante eine stärkere Bindung zeigte. Dies deutet darauf hin, dass bei den erblichen Formen des Morbus Parkinson eine veränderte Assoziation des alpha-Synucleins mit der Membran eine Rolle spielen kann. / In the present study a novel approach to characterize lipid domains, which may provide binding sites for peripheral or integral membrane proteins, is demonstrated. In particular, analysis of fluorescence lifetimes of NBD-labeled lipid analogues was used to study lipid domains in Giant unilamellar vesicles (GUV) and – based on the GUV results – in the plasma membrane of mammalian cells. As fluorescence decays in a few nanoseconds it is possible to to detect also very short-lived lipid domains. Fluorescence Lifetime Imaging (FLIM) revealed that the fluorescence decay of NBD-lipid analogues showed domain dependent decay times in the liquid disordered (ld) and the liquid ordered (lo) phase of GUV. Even the existence of submicroscopic domains in lipid membranes could be detected by FLIM. A broad distribution of the fluorescence lifetime was found for C6-NBD-PC inserted in the plasma membrane of mammalian cells. In agreement with FLIM studies on lipid domain forming Giant vesicles derived from the plasma membrane of HeLa-cells this may suggest that a variety of submicroscopic lipid domains exists in the plasma membrane of intact mammalian cells. Based on that, fluorescence microscopy was used on GUV to study the binding of fluorescently labeled alpha-synuclein at lipid domains previously characterized by FLIM. The experiments suggested that alpha-synuclein binds with high affinity to negatively charged phospholipids, when they are embedded in a ld as opposed to a lo environment. When compared with wildtype alpha-synuclein, the disease-causing alpha-synuclein variant A30P bound less efficiently to anionic phospholipids, while the variant E46K showed enhanced binding. This suggests that an altered association of alpha-synuclein with membranes may play a role in the inherited forms of Parkinson’s disease.

Der ABC-Transporter ABCA1 ist unmittelbar in die zelluläre Lipidhomeostasie einbezogen, in dem er die Freisetzung von Cholesterol an plasmatische Rezeptoren, wie ApoA-I, vermittelt. Trotz intensiver Untersuchungen ist dieser molekulare Mechanismus nicht verstanden. Verschiedene Studien deuten daraufhin, dass durch die Aktivität von ABCA1 bedingte Veränderungen in der Lipidphase der äußeren Hälfte der Plasmamembran (PM) wichtig für die Freisetzung des Cholesterols sind. In der vorliegenden Arbeit wird die Lipidumgebung von ABCA1 in der PM lebender Säugetierzellen unter Anwendung der Fluoreszenzlebenszeitmikroskopie von fluoreszierenden Lipidsonden untersucht. Es wurde eine breite Verteilung der Fluoreszenzlebenszeiten der Sonden gefunden, die sensitiv gegenüber Veränderungen der lateralen und transversalen Organisation der Lipide ist. Im Einklang mit Studien an riesengroßen unilamellaren Vesikeln und Plasmamembranvesikeln weisen unsere Ergebnisse die Existenz einer größeren Vielfalt submikroskopischer Lipiddomänen auf. Die FLIM-Untersuchungen an ABCA1 exprimierenden HeLa-Zellen weisen eine die Lipidphase destabilisierende Funktion des Transportes aus. Dieses wurde unterstützt durch die Lipidanalyse von Fraktionen der PM. Auf der Basis unserer Untersuchungen und früheren Daten stellen wir die Hypothese auf, dass die Exponierung von Phosphatidylserin (PS) auf der Zelloberfläche ein zentrales Ereignis der ABCA1 bedingten Veränderungen ist. Allerdings zeigen vergleichende Studien an ABCA7 exprimierenden Zellen, dass dies nicht ausreicht, um die ABCA1 verursachten Veränderungen in der Lipidpackung der PM zu erklären. Unsere Ergebnisse beweisen, dass die Fähigkeit von ABCA1, den Cholesterolefflux zu vermitteln, auf durch den Transporter bedingte Veränderungen in der LP der PM zurückzuführen sind, die unabhängig von der Bindung von ApoA-1 sind und dieser vorausgehen. Diese Veränderungen sind notwendig für die Lipidierung von ApoA-1 und der Generierung von HDL-Partikeln. / The ABCA1 transporter organizes cellular lipid homeostasis by promoting the release of cholesterol to plasmatic acceptors such as ApoA-I. Despite intensive investigation, the molecular mechanism of such a process has not yet been clarified. In the present study we report on the analysis of the ABCA1 lipid microenvironment at the plasma membrane of living cells, by a novel approach based on fluorescence lifetime imaging microscopy (FLIM). In the plasma membrane of mammalian cells, a broad fluorescence lifetime distribution sensitive to treatments interfering with the membrane lateral and transbilayer organization was found. In agreement with investigations in giant unilamellar vesicles and giant plasma membrane vesicles, our results are consistent with the existence of a large variety of submicroscopic lipid domains. Based on that, FLIM in HeLa cells expressing ABCA1 revealed the destabilizing function of the transporter on the lipid arrangement at the membrane, indicating that lipid packing was a primary target of ABCA1 activity. This was corroborated by the analysis of plasma membrane fractions isolated by density fractionation. On the basis of our analysis and previous data, we speculate that the exposure of phosphatidylserine on the cell surface is a central event for ABCA1-dependent modifications. However, a comparative study of cells expressing ABCA7, the member of the ABCA subfamily with the highest homology to ABCA1, revealed that exposure of PS alone cannot account for the detected effects. Collectively, our data suggest that the ability of ABCA1 to promote cholesterol efflux is independent and precedes its actual binding to ApoA-I. Rather, ABCA1-induced plasma membrane modifications are necessary for the lipidation of ApoA-I and the generation of high density lipoprotein particles.

Die Fusion von Membranen erfordert die Verschmelzung von zwei Phospholipiddoppel-schichten, wobei dies über dieselben Zwischenschritte abzulaufen scheint. Eine lokale Störung (‚Stalk’) stellt eine erste Verbindung der äußeren Membranhälften dar, die anschließend lateral expandiert und ein Hemifusionsdiaphragma (HD) bildet. Das Öffnen einer Fusionspore im HD führt zur vollständigen Fusion. Mittels konfokaler Mikroskopie wurde die Fusion von Giant unilamellar vesicles (GUVs) mit negativ geladenen Lipiden und transmembranen (TM) Peptiden in Anwesenheit von zweiwertigen Kationen beobachtet, wobei die Peptide bei der HD Entstehung völlig verdrängt wurden. Eine detaillierte Analyse zeigte, dass es sich bei diesem Mikrometer-großen Bereich um ein HD handelt, dessen Größe von der Lipidzusammensetzung und Peptidkonzentration in den GUVs abhängt. Laterale Lipiddomänen gelten als entscheidend für Signal- und Sortierungsprozesse in der Zelle. Liquid ordered (Lo) Domänen in Modellsystemen wie GUVs ähneln den mit Sphingo-lipiden und Cholesterol angereicherten biologischen Raft-Domänen, allerdings scheinen Membraneigenschaften wie die Lipidpackung sich von biologischen Membranen zu unterscheiden. In diesem Zusammenhang wird die Sortierung des TM-verankerten Hemag-glutinin (HA) des Influenzavirus und von lipidverankerten Ras-Proteinen in GUVs wie auch in abgelösten Plasmamembran-Ausstülpungen (GPMVs) untersucht. HA Protein und TM-Pepitde von HA wurden ausschließlich (GUVs) bzw. vorwiegend (GPMVs) in der liquid disordered (Ld) Domäne gefunden. K-Ras wurde inmitten der Ld detektiert, während N-Ras zur Lo/Ld Grenzlinie diffundierte. Diese Ergebnisse werden im Zusammenhang mit den Unterschieden der Lipidpackung innerhalb der verschiedenen membranverankerten Systeme diskutiert. Es ist wahrscheinlich, dass die Bildung, Größe und Stabilität sowie die physikalischen Eigenschaften der Lipiddomänen in biologischen Membranen stark von Protein-Lipid-Wechsel-wirkungen beeinflusst werden. / Membrane fusion is ubiquitous in life and requires remodelling of two phospholipid bilayers. Fusion likely proceeds through similar sequential intermediates. A stalk between the contacting leaflets forms and radially expands into a hemifusion diaphragm (HD) wherein finally a fusion pore opens up. Direct experimental verification of this key structure is difficult due to its transient nature. Confocal microscopy was used to visualize the fusion of giant unilamellar vesicles (GUVs) comprising negatively charged phosphatidylserine and fluorescent transmembrane (TM) entities in the presence of divalent cations. A complete displacement of TM peptides preceded full fusion. This is consistent with HD formation. Detailed analysis provided proof that the micrometer sized structures are in fact HDs. HD size is dependent on lipid composition and peptide concentration. Lateral lipid domain formation is believed to be essential for sorting and signalling processes in the cell. Liquid ordered (Lo) domains in model systems like GUVs resemble biological rafts enriched in sphingolipids and cholesterol, but their physical properties seem distinct from biological membranes as judged by e.g. lipid order and packing. In this context the sorting of TM anchored influenza virus hemagglutinin (HA) and different lipid anchored Ras proteins is studied in GUVs and giant plasma membrane derived vesicles (GPMVs). Authentic HA or the TM domain peptides were sorted exclusively (GUVs) or predominantly (GPMVs) to the liquid disordered (Ld) domains. Whereas K-Ras was found in the bulk Ld domains, N-Ras diffuses to the Lo/Ld interface. These results are discussed with respect to differences in lipid packing in the different membrane systems and regarding the membrane anchors and their hydrophobic matching. The results suggest that the formation, size and stability as well as the physical properties of lipid domains in biological membranes are tightly regulated by protein-lipid interactions.

Die Struktur der Plasmamembran ist von deren Lipid- und Proteinzusammensetzung abhängig und wird durch die Anbindung an das unterliegende Zytoskelett beeinflusst. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung eines neuen Modellsystems basierend auf po­ren­über­span­nen­den Membranen, welches sowohl die heterogene Lipidzusammensetzung als auch den Einfluss eines unterliegenden Netzwerks berücksichtigt. Lipidmembranen, zusammengesetzt aus der „raft“-ähnlichen Lipidmischung DOPC/Sphingo­myelin/Cho­les­terin (40:40:20), wurden auf porösen, hochgeordneten Siliziumsubstraten mit Po­ren­durch­messern von 0.8, 1.2 und 2.0 µm durch Spreiten und Fusion von Riesenvesikeln (giant unilamellar vesicles, GUVs) präpariert. Die mikroskopische Phasenseparation in koexistierenden flüssig-geordneten (liquid ordered, lo) und flüssig-ungeordneten (liquid disordered, ld) Domänen wurde stark durch das unterliegende poröse Substrat beeinflusst. Die Größe der lo-Domänen konnte durch die Porengröße des Siliziumsubstrats, die Temperatur und den Cholesteringehalt der Membran, welcher durch Zugabe von Methyl-β-Cyclodextrin moduliert wurde, kontrolliert werden. Die Bindung der Shiga Toxin B-Untereinheit (STxB) an po­ren­überspannende Membranen, dotiert mit 5 mol% des Rezeptorlipids Gb3, führte zu einem Anstieg des Anteils der lo-Phase. Außerdem wurde die Bildung von lo-Domänen in nicht-phasenseparierten Membranen, zusammengesetzt aus DOPC/Sphingomyelin/Cholesterin/Gb3 (65:10:20:5), durch die Shiga Toxin-Bindung induziert. Ein Anstieg des Anteils der lo-Phase konnte ebenfalls bei der Bindung der pentameren Cholera Toxin B-Untereinheit (CTxB) an po­ren­überspannende Membranen, dotiert mit 1 mol% des Rezeptorlipids GM1, beobachtet werden. Des Weiteren wurde der Einfluss der chemischen Struktur des Gb3-Moleküls auf die Shiga Toxin-Bindung und die Reorganisation von festkörperunterstützten Membranen (solid supported membranes, SSMs) untersucht. Die STxB-Bindung an α-hydroxyliertes Gb3 erhöhte signifikant den Anteil der lo-Phase, während eine cis-Doppelbindung zur Bildung einer weiteren lo-Phase führte, die vermutlich ungesättigte (Glyko-)Sphingolipide und Cholesterin enthält. Im Falles des ungesättigten Gb3 konnte außerdem eine Kondensation zu größeren Domänen nach der STxB-Bindung beobachtet werden. Die genaue Phasenzuordnung der eingesetzten Glykospingolipide vor der Proteinbindung ist bisher unbekannt. Daher wurde das Phasenverhalten eines fluoreszierenden Polyen-Ga­lac­to­ce­re­bro­sids untersucht, welches bevorzugt in der lo-Phase von GUVs angereichert war. Dieser neue, intrinsische Fluorophor vermag als Grundlage für weitere Studien zum Phasenverhalten von Glykosphingolipiden dienen.