Endozytose erfordert hohe Membrankrümmung und führt zu Flächenänderungen der Membranhälften. Dies kann durch eine Oberflächendifferenz zwischen den Schichten initiiert werden, die durch geänderte Lipidzusammensetzungen hervorgerufen werden kann. Daher wurde die Hypothese aufgestellt, dass Lipid-Transporter zu Beginn der Endozytose für veränderte Flächenverhältnisse verantwortlich sind. Um den Einfluss veränderter Flächen auf Endozytose zu untersuchen, wurden die Oberflächenverhältnisse der Membran durch Zugabe von Phospholipiden verändert und anschließend Endozytose gemessen. Abhängig von der Sorte wurden die Lipide nur in die äußere Schicht eingebaut oder auch auf die innere Seite transportiert, wodurch die entsprechende Seite vergrößert wurde. Die Zugabe verschiedener Aminophospholipide, die auf die innere Membranseite transportiert werden, führte zu gesteigerter „bulk flow“ Endocytose in K562-Zellen. Darüber hinaus deuten die Ergebnisse darauf hin, dass Clathrin-vermittelte Endozytose von Hep2-Zellen ebenfalls stimuliert wurde. Umgekehrt hatte die Zugabe von Lipiden, die auf der äußeren Hälfte bleiben, reduzierte „bulk flow“- oder Clathrin-vermittelte Endozytose in verschiedenen Zelllinien zur Folge. Bemerkenswert ist, dass auch Clathrin-vermittelte Endozytose durch die Lipidzugabe beeinflusst wurde, obwohl gerade in diesem Weg viele Proteine involviert sind, die Krümmung induzieren können. Dies passt zu einem neuen Modell wie Lipidtransporter in Endozytose involviert sind. Durch den Transport von Lipiden und die zusätzliche Interaktion mit Endozytoseproteinen, könnten diese Transporter zwei Mechanismen zur Erzeugung von Krümmung miteinander verbinden: Membrankrümmung induziert durch eine Flächenasymmetrie zwischen den Membranhälften und durch Wechselwirkung mit Proteinen. Die Ergebnisse dieser Arbeit deuten darauf hin, dass die für Endozytose notwendige Krümmung durch die durch Lipidtransport induzierte Flächenasymmetrie der Membranschichten unterstützt wird. / Endocytic engulfment requires high local membrane curvature and causes significant area changes of the membrane leaflets. This can be initiated by differences between the surface areas of the two monolayers related to leaflet specific modulation of lipid composition. Thus, it was proposed that lipid translocators, pumping phospholipids from the outer to the inner leaflet, account for monolayer area asymmetry as an early step in endocytosis. To elucidate the influence of this asymmetry on endocytosis, surface area relation was altered by adding exogenous phospholipids to living cells and changes in endocytic activity were quantified. Depending on the lipid species, exogenous lipids were only incorporated into the outer layer or subsequently translocated across the plasma membrane thereby increasing either the outer or inner surface area. Addition of different analogues of aminophospholipids, which are translocated to the inner leaflet, led to an enhancement of bulk flow endocytosis in K562 cells. Moreover, our data indicate that clathrin-mediated endocytosis of Hep2 cells was stimulated as well. Inversely, addition of phospholipids, which remain on the outer layer, reduced bulk flow or clathrin-mediated endocytosis in various cell lines. Notably, also clathrin-mediated endocytosis was influenced by the addition of lipids, although many proteins noted for their ability to induce membrane curvature are known to be implicated in this pathway. This corroborates a recent model how aminophospholipid translocases are implicated in endocytosis. Upon translocating lipids and additionally interacting with endocytic accessory proteins, lipid translocators could integrate two processes to generate curvature: membrane bending based on monolayer area asymmetry and protein-related mechanisms. Collectively, findings in the present study suggest that curvature generation in endocytosis is supported by the induction of monolayer area asymmetry mediated by the translocation of lipids.

Das Amyloid-beta Peptid (Ab) ist der Hauptbestandteil der extrazellulären Plaques bei der Alzheimerschen Krankheit. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die Mechanismen der Wechselwirkungen des Ab mit der Plasmamembran und der nachfolgenden zellulären Aufnahme aufzuklären. Die Aggregation, die zelluläre Aufnahme und die Zytotoxizität von Ab42 wurden durch Verwendung von fluoreszenzmarkierten Ab42 in einem Neuroblastomzellkulturmodell untersucht. Sowohl bei Inkubation mit Monomeren als auch mit Aggregaten wurde in den Zellen Ab42 detektiert. Dabei binden Ab42 Monomere und kleine Aggregate zunächst an die Zellmembran. Allerdings erfolgt keine direkte Aufnahme von Monomeren in die Zelle. Erst nach Ausbildung von Aggregaten mit geordneter Sekundärstruktur wurde Ab42 in den endozytotischen Vesikel detektiert. Voraussetzung für den an der Membran ablaufenden Aggregationsprozess ist, dass die Monomere oberhalb einer kritischen Konzentration anwesend sind, um eine Bildung von beta-Faltblatt-Strukturen (bF) und entsprechenden Aggregaten zu ermöglichen. Ab42 Aggregate, die sich durch eine bF auszeichneten, benötigten keine kritische Schwellenkonzentration für die endozytotische Aufnahme. Eng mit der Aufnahme von Ab42 Aggregaten war die Veränderung des zellulären Metabolismus verbunden. Um die Wechselwirkung zwischen Ab und der Membrannäher zu charakterisieren, wurden Modellmembransystemen einschl. riesigen Membranvesikeln genutzt. Dabei wurde beobachtet, dass sowohl Ab42 als auch Ab40 Einstülpungen in der Membran induzieren können. Kleine Aggregate beider Isoformen, die noch keine bF aufweisen, interagierten bevorzugt mit der ungeordneten Lipidphase und induzierten dabei eine negative Membrankrümmung. Diese Beobachtungen legen den Schluss nahe, dass möglicherweise das Ab selbst den endozytotischen Prozess unterstützt oder diesen sogar einleiten könnte. Dies könnte auch auf eine mögliche physiologische Funktion von Ab Aggregaten, die nicht toxisch sind, hindeuten. / The accumulation of Amyloid beta peptide 1-42 (Ab42) in extracellular plaques is one of the pathological hallmarks of Alzheimer’s disease. Several studies have suggested that a cellular reuptake of Ab42 may be a crucial step in its cytotoxicity, but mechanisms of Ab-membrane interaction and subsequent cellular uptake are not yet understood. The first aim of the present study is to answer the question whether aggregate formation is a prerequisite or a consequence of Ab-membrane interaction and of Ab endocytosis. We visualized aggregate formation of fluorescently labeled Ab42 by Förster resonance energy transfer and tracked its internalization by human neuroblastoma cells. Both monomeric and aggregated Ab42 entered the cells, however, monomer uptake faced a concentration threshold and occurred only at concentrations and time scales that allowed beta-sheet-rich (bS) aggregates to form. By uncoupling membrane binding from internalization, we found that Ab42 monomers as well as small aggregate species bound rapidly to the plasma membrane and formed bS aggregates. These structures were subsequently taken up and accumulated in endocytic vesicles. This process correlated with inhibition of cellular metabolism activities. Our data therefore imply that the formation of bS aggregates at the cell membrane is a prerequisite for Ab42 uptake and cytotoxicity. The second aim of the study is to investigate the Ab-membrane interaction in vitro by using giant unilamellar vesicles and giant plasma membrane vesicles as model membrane systems. We found that both Ab isoforms, Ab42 and Ab40, interacted with the liquid disordered phase of model membranes. Early aggregation intermediates, which did not yet bind to the amyloiddophilic dye Thioflavin T, induced negative membrane curvature. The ability of Ab to induce membrane deformation suggests that Ab may facilitate its own endocytosis. It also hints at a possible physiological function of non-toxic Ab aggregate species.