Rhodopsin-Guanylylzyklasen (RhGC) sind einzigartige Photorezeptoren, die kürzlich in Pilzen der Abteilung Blastocladiomycota entdeckt wurden [1]. RhGCs gehören zu den Enzym-Rhodopsinen und die Licht-sensitive mikrobielle Rhodopsin Domäne ist kovalent mit einer Typ III Guanylylzyklase verbunden. Guanylylzyklasen bilden den sekundären Botenstoff cGMP, der zusammen mit cAMP eine Vielzahl biologischer Prozesse reguliert [2–12]. In der vorliegenden Arbeit wurden die fünf neu-entdeckten RhGCs mithilfe unterschiedlicher biochemischer und biophysikalischer Methoden charakterisiert. Elektrophysiologische Messungen erbrachten einen indirekten Nachweis für eine Grünlicht-aktivierte cGMP Synthese bei den RhGCs aus Blastocladiella emersonii (Be) und Catenaria anguillulae (Ca). Die Licht-aktivierte Guanylylzyklasen Funktion dieser RhGCs konnte durch ELISA Experimente und nach Aufreinigung der Photorezeptoren bestätigt werden. Belichtung führte zu einer 100-fachen oder 200-fachen Erhöhung von cGMP mit einem vmax von 1.8 oder 11.6 µmol/min/mg(Protein) bei BeRhGC oder CaRhGC. Im Dunkeln verblieb bei beiden Photorezeptoren die cGMP-Konzentration auf dem Niveau von Kontrollzellen. Durch eine enzymkinetische Analyse der isolierten Guanylylzyklase Domänen (Be/CaGC) konnte die konstitutive Aktivität der enzymatischen Einheit gezeigt werden, die im Vergleich zu den Volllängen Photorezeptoren 3-6x reduziert war. Weiterhin wurden die Photozyklen der isolierten Rhodopsin Domänen mithilfe spektroskopischer Methoden untersucht und Photointermediate identifiziert, die typisch für mikrobielle Rhodopsine sind. Die M-Intermediate zerfielen langsam mit τ ~ 100 ms bei BeRh und τ ~ 500 ms bei CaRh. Um die kinetischen und spektroskopischen Parameter der Photorezeptoren zu verändern, wurden die Be/Ca Rhodopsin Domänen mutiert. Zusätzlich wurde die Substratspezifität der RhGCs geändert und eine Doppelmutation (E497K/C566D) in der katalytischen Domäne erzeugte Rhodopsin-Adenylylzyklasen (RhACs). Die Licht-induzierte cAMP Synthese der RhACs wurde in Xenopus Oocyten getestet und im Vergleich zu BeRhAC zeigte CaRhAC eine erhöhte Licht-zu-Dunkel-Aktivität (6x) einhergehend mit einer verringerten Dunkelaktivität (5.5x). Um weitere Einblicke in die kürzlich entdeckten RhGCs zu erhalten, wurden die isolierten Zyklase Domänen, Be/CaGC und CaAC, in Gegenwart von NTP Analoga kristallisiert. Neben hochauflösenden monomeren GC Strukturen ohne Ligand wurde eine 2.25 Å Struktur der mutierten Zyklase, CaAC, mit dem ATP Analogon ATPαS gelöst. Die CaAC Struktur zeigt ein antiparalleles Arrangement der Dimer-Untereinheiten und die Bindung der Nukleotidbase durch die zuvor mutierten Reste. Aufgrund der Ähnlichkeit zu anderen Typ III Zyklasen kann auf einen klassischen Reaktionsablauf bei RhGCs rückgeschlossen werden. Abschließend wurde die Anwendbarkeit von Ca/BeRhGC sowie CaRhAC in hippokampalen Rattenneuronen und CHO Zellen getestet. Diese Experimente zeigen, dass sowohl RhGCs als auch YFP-CaRhAC als optogenetische Werkzeuge eingesetzt werden können, um die Zellbotenstoffe cGMP bzw. cAMP präzise mit Licht zu regulieren. / Rhodopsin-guanylyl cyclases (RhGC) are unique photoreceptors recently discovered in Blastocladiomycota fungi [1]. In RhGCs the light-sensitive microbial rhodopsin domain is covalently linked to a type III guanylyl cyclase. Guanylyl cyclases form the second messenger cGMP, which together with cAMP regulates a variety of biological processes [2–12]. Due to their architecture, RhGCs are classified as microbial enzyme rhodopsins. In the present work, the five newly discovered RhGCs were characterized using different biochemical and biophysical methods. Electrophysiological measurements provided indirect evidence for green light-activated cGMP synthesis of the RhGCs from Blastocladiella emersonii (Be) and Catenaria anguillulae (Ca). The light-activated guanylyl cyclase function could be confirmed by ELISA experiments and after purification of these photoreceptors. Green illumination led to a 100-fold or 200-fold increase in cGMP with a vmax of 1.8 or 11.6 µmol/min/mg(protein) for BeRhGC or CaRhGC. In the dark the cGMP concentration remained at the level of control cells for both photoreceptors. A kinetic analysis of the isolated guanylyl cyclase domains (Be/CaGC) revealed the constitutive activity of the enzymatic domain, which was 3-6x reduced compared to the full-length photoreceptors. A spectroscopic characterization of the Be/Ca rhodopsin domains allowed the identification of photocycle intermediates, which are typical for microbial rhodopsins. The M-intermediates decayed slowly with a τ ~ 100 ms for BeRh and τ ~ 500 ms for CaRh. The Be/Ca rhodopsin domains were mutated to change the kinetic and spectroscopic parameters of the photoreceptors. In addition, the substrate specificity of the RhGCs was switched to ATP by a double mutation (E497K/C566D) in the catalytic domain. The light-induced cAMP synthesis of the generated rhodopsin-adenylyl cyclases (Be/CaRhACs) was shown in Xenopus oocytes and after purification of the proteins. Compared to BeRhAC, CaRhAC showed an increased light-to-dark activity (6x) and a decreased activity in darkness (5.5x). To get further insight into the recently discovered RhGCs, the isolated cyclase domains, Be/CaGC and CaAC, were crystallized in the presence of NTP analogues. High-resolution monomeric GC structures without a bound ligand were produced. Additionally, a 2.25 Å structure of the mutated cyclase, CaAC, with the ATP analogue ATPαS was solved. The CaAC structure shows an antiparallel arrangement of the dimer subunits and the nucleotide base is bound by the previously mutated residues. Due to the similarity to other type III cyclases, a classical reaction sequence for RhGCs can be deduced. Finally, the applicability of Ca/BeRhGC and CaRhAC was tested in hippocampal rat neurons and CHO cells. These application-oriented approaches show that both RhGCs and YFP-CaRhAC can be used as optogenetic tools to precisely control cGMP and cAMP with light.

Ionotrope Glutamatrezeptoren steuern exzitatorische Prozesse im Gehirn. Der AMPA-Rezeptor ist der schnellste Glutamatrezeptor und reguliert die Signaltransduktion in hochfrequenten Bereichen. Um die Konformationen des Rezeptors für die Aktivierung aufzuschlüsseln, wurden die Ligandenbindedomänen (LBD), mit künstlichen Metallbrücken verlinkt. Die tetramerische LBD-Schicht hat mehrere Freiheitsgrade. Sie reichen vom Schließen der LBD durch Ligandenbindung, bis hin zu den verschiedenen Konformationsmöglichkeiten innerhalb des Tetramers. Die bereits publizierte T1-Mutante wurde verlinkt und auf Einzelkanalebene elektrophysiologisch untersucht. Anschließend wurde T1 mit einer Mutante (DKD-3H) verglichen die durch molekulardynamische Simulationen identifiziert wurde. Die Eigenschaften von T1 und DKD-3H wurden mit einem natürlich vorkommenden AMPAR-Linker, namens Con ikot ikot, verglichen. Meeresschnecken der Gattung Conus setzen das Polypeptid zur Fischjagd ein. Zur Analyse wurde eine Software entwickelt, speziell für Ströme von ligandengesteuerten Ionenkanälen mit multiplen Leitfähigkeiten (www.github.com/AGPlested/ASCAM). Durch Verlinkung in T1 konnten drei präaktive Konformationen aufgeschlüsselt werden und die schnelle Aktivierung im sub-Millisekundenbereich verschwindet ganz. Obwohl die Metall-koordinierenden Residuen von T1 und DKD-3H nah beieinander liegen, konnte für DKD-3H nur eine einzelne präaktive Konformation gefunden werden. Es deutet darauf hin, dass die LBD-Schicht von AMPA-Rezeptoren hochdynamisch ist da die geringe Abweichung große Auswirkungen auf den Phänotypen des Rezeptors hat. LBD-Verlinkung mit Con-ikot-ikot ergab einen EC50 von ~5 nM. Alle drei Verlinkungsarten resultierten in einer reduzierten Offenwahrscheinlichkeit. Einzelkanalanalysen von T1 und Con-ikot-ikot-gebundenen AMPA-Rezeptoren unterstützen die Hypothese, dass die veränderten Phänotypen aus dem Wechselspiel der LBDs innerhalb der LBD-Schicht resultieren. / Ionotropic glutamate receptors (iGluRs) mediate excitatory neurotransmission in the mammalian brain. The AMPA-type receptor is the fastest iGluR member, activating at the sub-millisecond time scale. In this study, ligand-binding domains (LBDs), where AMPAR activation is initialised, were cross-linked with artificially introduced metal bridges to trap and investigate conformational states of the receptor before- and during activation. The tetrameric LBD layer has multiple degrees of freedom, from closure of individual clamshells and their conformational arrangement within the dimers and the tetramer. The previously studied T1 mutant was cross-linked at the single-channel level and compared to a second cross-linking mutant (DKD 3H) that was predicted on a molecular dynamics approach. T1 and DKD 3H were to the effects of a naturally occurring AMPAR-specific LBD cross-linker (Con ikot ikot) from a fish-hunting snail of the genus Conus. Single-channel recordings were analysed with a newly developed software dedicated to ligand-gated ion channels with conductances in the low pA range and multiple subconductance levels (www.github.com/AGPlested/ASCAM). Trapping of the T1 mutant revealed three pre-active conformational states that were not described for AMPARs before. Fast activation in the sub-millisecond range disappears fully indicating that these conformations proceed too fast in non-restricted wild-type receptors to be resolved. Although the metal-coordinating residues of T1 and DKD 3H are in close proximity, DKD 3H yielded one single pre-active state. A slightly distinct register of the bridge results in largely different phenotypes. Cross-linking with con ikot ikot identified an EC50 of ~5 nM. All three cross-linking approaches reduced open probability. The results support the hypothesis that the altered phenotypes are not a result of singly restricted LBDs but the dynamics of the tetrameric LBD-layer as one unit.

Der Herzmuskel muss sich einer dynamischen und sich mechanisch verändernden Umgebung anpassen. Die Mechanosignaltransduktion ermöglicht es Zellen mechanischen Kräfte zu erfassen und durch nachgeschaltete biochemische Signalkaskaden darauf zu reagieren. Obwohl verschiedene Gewebestrukturen und Proteine damit in Verbindung gebracht wurden, wie das Herz die mechanischen Kräfte wahrnimmt, ist unser Verständnis der kardialen Mechanosignaltransduktion unvollständig. Durch Dehnung aktivierte Ionenkanäle spielen eine wichtige Rolle bei der mechanosensitiven Autoregulation des Herzens. Um die funktionelle Rolle von PIEZO1 in Kardiomyozyten zu untersuchen, habe ich daher PIEZO1 in induzierten pluripotenten Stammzellen mittels Genomeditierung deletiert. Die PIEZO1-/- Zellen wurden dann in lebensfähige, herzähnlich schlagende Kardiomyozyten differenziert. In phänotypische Analysen der elektrophysiologischer Eigenschaften, Zellmorphologie und der herzähnlichen Schlagaktivität habe ich den Effekt der PIEZO1-deletion in genomeditierten Kardiomyozyten untersucht. Die Deletion von PIEZO1 zeigte zum ersten Mal, dass es PIEZO1-abhängige dehnungsaktivierte und Kalzium-Ströme in vom Menschen stammenden differenzierten Kardiomyozyten gibt. Dies legt nahe, dass PIEZO1 eine Rolle in der Mechanosignaltransduction in Herzzellen spielt. Darüber hinaus zeigte eine RNA-Sequenz Analyse, dass der Verlust von PIEZO1 in vom Menschen stammenden differenzierten Kardiomyozyten mit der Herunterregulation von Proteinen korreliert, die für die extrazellulärer Matrix von Bedeutung sind. Diese Daten unterstreichen die Rolle von PIEZO1 in Kardiomyozyten und legen seine Bedeutung für die Organisation und Struktur der extrazellulären Matrix nahe. / The cardiac muscle has to adapt in a highly dynamic mechanical environment. Mechanotransduction is the process that allows cells to sense the mechanical forces and respond by downstream biochemical signaling cascades. Although different tissue structures and proteins have been implicated in how the heart senses the mechanical forces, yet our understanding in cardiac mechanotransduction is incomplete. Stretch-activated channels (SACs) have been suggested to play an important role in the mechanosensitive autoregulation of the heart. PIEZO1 is a stretch-activated channel and has been involved in vascularization, erythrocyte volume homeostasis and regulation of the baroreceptor reflex, yet its role in cardiac mechanotransduction has not been described. To study the functional role of PIEZO1 in cardiomyocytes I have generated a PIEZO1 knockout (KO) human induced pluripotent cell (hiPSC) line using genome editing technology. The genome edited cells were then differentiated into viable, beating cardiomyocytes. Different phenotypic analyses were conducted, including the evaluation of electrophysiological characteristics, observation of cell morphology and beating activity of the genome edited hiPSC-derived cardiomyocytes. With this approach the aim was to gain more insight into PIEZO1 function in cardiomyocytes using a reliable, efficient and reproducible human cellular model system. For the first time PIEZO1-dependent calcium transients and stretch-activated currents were observed in hiPSC-derived cardiomyocytes (hiPSC-CMs). This proposes a possible role of PIEZO1 as a cardiac mechanotransducer. Furthermore, RNA-seq analysis revealed that loss of PIEZO1 in hiPSC-CMs is associated with downregulation of the expression of extracellular matrix-associated proteins. These data highlight the role of PIEZO1 in cardiomyocytes and suggest its implication in extracellular matrix organization and structure.

Ionenkanäle spielen eine wichtige Rolle in vielen physiologischen Prozessen. Während manche Kanäle hochspezifisch für eine Ionensorte sind, sind andere Kanäle weniger selektiv. Tetramere Ionenkanäle weisen eine gemeinsame Grundarchitektur auf, von der nur ionotrope Glutamatrezeptoren (iGluRs) abweichen, deren Struktur im Vergleich zu den anderen invertiert ist. Eine Untergruppe der iGluRs stellen α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid Rezeptoren (AMPARs) dar, welche im Zentralnervensystem von Wirbeltieren die Mehrheit der exzitatorischen Neurotransmission übernehmen. Eine einzelne posttranskriptionelle Veränderung (Glutamin zu Arginin) an der Spitze des Selektivitätsfilters (SF, Q/R Stelle) von AMPAR-Typ 2 (GluA2) macht den Kanal quasi undurchlässig für Ca2+. Das Ziel dieser Arbeit war das Erstellen einer GluA2-Kanalchimäre mit Hilfe des bakteriellen Kanals NaK. Mutation rund um die Q/R Stelle wurden nicht toleriert von der Chimäre, während C-terminale Mutationen des SF stabil waren und für strukturelle Studien verwendet wurden. Die Entfernung einer Aminosäure im Vergleich zum NaK Wildtyp erzeugte eine Begradigung des SF und eine Erweiterung der wassergefüllten Ausbuchtung. Überraschenderweise kristallisierten die NaK Chimären überwiegend in zweifach symmetrischer Anordnung. Vor allem im SF kam es zu ausgeprägter lokaler Asymmetrie, unabhängig von der Ionenzusammensetzung. Um die Flexibilität des SF näher zu untersuchen, wurden Aminosäuren von NaK in GluA2 integriert und mithilfe von Patch-clamp Elektrophysiologie untersucht. Gleichsam wie in NaK, wurden Mutationen an der Filterspitze nicht toleriert, wohingegen die C-terminale Hälfte problemlos ausgetauscht werden konnte. Die funktionelle Integrität der NaK Chimäre wurde mithilfe von Einzelkanalmessungen in Bilayern überprüft. Zusätzlich wurden, auf Basis der gelösten Strukturen, Molekulardynamiksimulationen durchgeführt, welche einen dynamischen Einblick in den Permeationsmechanismus erlauben. / Ion channels play an important role in many physiological processes, for example the generation of action potentials. While some channels display high selectivity for one ion species, others are more promiscuous. All tetrameric cation channels share the same principal architecture, but the transmembrane domain of ionotropic glutamate receptors (iGluRs) is inverted relative to the other members. A subfamily of iGluRs, α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid receptors (AMPARs), mediates the vast majority of excitatory neurotransmission in the vertebrate central nervous system. In AMPA-type 2 iGluRs (GluA2), a single post-transcriptional modification (glutamine to arginine) at the tip of the selectivity filter (SF, Q/R site) renders the channel Ca2+ impermeable. The aim of this thesis was therefore to create an AMPAR pore mimic by using the bacterial channel NaK. Unfortunately, mutations around the Q/R site abolished expression of the NaK-GluA2 chimera, while C-terminal mutations of the SF were stable and could be used for structural studies. The shortening of the SF by one amino acid caused a straightening and opened an extended water-filled vestibule. Strikingly, most of the tested chimeras exhibited twofold symmetry with strong local asymmetry in the mutated part of the SF independent of the ion type present. For functional tests, residues from NaK wt were also swapped into GluA2. N-terminal mutations abolished the current response, whereas C-terminal mutations behaved wt-like. Single-channel bilayer experiments confirmed the functional integrity of the NaK-GluA2 chimera. Additionally, extensive molecular dynamics simulations, based on the solved structures, were carried out alongside. In summary, it could be demonstrated that the SF of the non-selective NaK-GluA2 chimera is highly flexible and accommodated all tested ions. Ion binding is accompanied by local asymmetric rearrangements, possibly creating an energetically simple way to allow permeation.