Tail anchored (TA) proteins constitute an evolutionarily-conserved group of integral membrane proteins that are characterised by the presence of a single C-terminal transmembrane segment (TMS), which acts as both a membrane anchor and a targeting signal. In eukaryotes, TA-proteins localise to most intracellular membranes with the endoplasmic reticulum (ER) being the entry site for TA-proteins destined for the compartments of the secretory pathway and the plasma membrane. Notably, distinct routes for TA-protein delivery to the ER have been identified, and the pathway preference seems to be determined by a relative hydrophobicity of the TMS.In the present study I demonstrate that two major routes for TA-protein delivery to the ER membrane, the TRC40-dependent and “unassisted”/chaperone-mediated pathways, both rely on the action of cytosolic factors which are extremely flexible and can accommodate substrates with TMSs that have been extensively modified (Chapters 2.1 – 2.3). Moreover, the ability of PEGylated forms of the TRC40 client Sec61b to become membrane-integrated correlates very well with the calculated changes in free energy that are associated with its partitioning into a lipid bilayer, supporting a thermodynamics-driven mode of membrane insertion for TA-proteins (Chapter 2.1). The use of fluorescently-labelled recombinant cytochrome b5 (Cytb5), a model TA-protein exploiting the “unassisted”/chaperone-mediated pathway, strongly suggests the involvement of cytosolic components during its biogenesis, whilst the accessibility of novel cysteine residues to the reagent mPEG-5000 indicates a role for peripheral membrane proteins during Cytb5 membrane integration (Chapter 2.2). Importantly, pull down assays using recombinant TA-proteins as bait, followed by mass spectrometric analysis, allowed me to identify a number of cytosolic interacting partners of TA-proteins (Chapters 2.3 and 2.4). The function of one such a factor, Bat3, was further investigated, and it was found to act prior to TRC40 and facilitate the loading of TA-protein substrates onto this targeting factor (Chapter 2.3). Based on these results and available published data, a hypothetical protein-protein interaction network is presented, and I speculate about the role of individual components during TA-protein biogenesis (Discussion).

Membranproteine spielen eine wichtige Rolle in vielen biochemischen Prozessen der Zelle, wie zum Beispiel der Signaltransduktion, der Zelladhesion oder auch der Erkennung von Krankheitserregern. Viele dieser Proteine sind von Bedeutung für die Entwicklung neuer innovativer Medikamente. Somit hat auch die Entwicklung von Sensoren, die die Untersuchung von Membranproteinen in ihrer natürlichen Umgebung erlauben an Bedeutung gewonnen [1]. Thema dieser Doktorarbeit war die Entwicklung von Analysekonzepten die es ermöglichen unterschiedliche Aspekte von Membraninteraktionen zu untersuchen und zu quantifizieren. Als Analysemethode wurde dafür reflektometrische Interferenz Spektroskopie (RIfS) eine markierungsfreie, optische Methode verwendet. RIfS erlaubt es die Höhe dünner transparenter Filme zu bestimmen, indem das Weißlicht-Reflexionspektrum eines solchen Films aufgezeichnet wird. Durch die Überlagerung der in dem Film mehrfach reflektierten Teilstrahlen entsteht ein Interferenzmuster im Reflexionsspektrum, welches Aufschluß gibt über die Schichtdicke und den Brechungsindex des transparenten Films. Es wurde bereits gezeigt, dass RIfS eine geeignete Methode zur Untersuchung von Protein-ProteinWechselwirkungen ist [2]. Aus diesem Grund wurde RIfS als Detektionsverfahren für die Entwicklung eines Membransensors gewählt. Im Laufe dieser Arbeit entstanden zwei Aufbauten für reflektometrische Messungen. Ein Standard RIfS Aufbau und ein Instrument das die Methode mit Fluoreszenz-Mikroskopie kombiniert. Um dieWechselwirkung von Proteinen selbst und Proteinen mit Membranbestandteilen wie Lipiden zu untersuchen, wurde ein Konzept basierend auf festkörperunterstützten Membranen entwickelt. Dieses Experiment erlaubt es die Wechselwirkungen auf artifiziellen Membranen, sowie auf rekonstituierten Zellmembranen zu untersuchen. Zudem wurde ein Analysekonzept mit Nano-BLMs entwickelt, dass es erlaubt den simultanen Transport von Molekülen in ein membranverschlossenes Kompartiment hinein als auch heraus zu beobachten. Neben diesen membranbasierten Experimenten wurde auch ein Konzept entwickelt, welches es erlaubt die molekulare Erkennungsreaktion von sehr kleiner Analyten direkt zu messen. Dieses Messkonzept erlaubt es die Bindung von Molekülen mit sehr kleinem Molekulargewicht an einen auf dem Sensor immobilisierten Partner direkt zu quantifizieren.

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