Utilizing various systems such as cell-based assays but also multicellular organisms such as Drosophila melanogaster and C.elegans, for example, the endocytic system has been shown to consist of a network of biochemically and morphologically distinct organelles that carry out specialized tasks in the uptake, recycling and catabolism of growth factors and nutrients, serving a plethora of key biological functions (Mellman, 1996). Different classes of endosomes were found to exhibit a characteristic intracellular steady state distribution. This distribution pattern observed at steady state results from a dynamic interaction of endosomes with the actin and the microtubule cytoskeleton. It remains unclear, however, which microtubule-based motors besides Dynein control the intracellular distribution and motility of early endosomes and how their function is integrated with the sorting and transport of cargo. The first part of this thesis research outlines the search for such motor. I describe the identification of KIF16B which functions as a novel endocytic motor protein. This molecular motor, a kinesin-3, transports early endosomes to the plus end of microtubules, in a process regulated by the small GTPase Rab5 and its effector, the phosphatidylinositol-3-OH kinase hVPS34. In vivo, KIF16B overexpression relocated early endosomes to the cell periphery and inhibited transport to the degradative pathway. Conversely, expression of dominant-negative mutants or ablation of KIF16B by RNAi caused the clustering of early endosomes to the peri-nuclear region, delayed receptor recycling to the plasma membrane and accelerated degradation. These results suggest that KIF16B, by regulating the plus end motility of early endosomes, modulates the intracellular localization of early endosomes and the balance between receptor recycling and degradation. In displaying Rab5 and PI(3)P-containing cargo selectivity, a remarkable property of KIF16B is that it is subjected to the same regulatory principles governing the membrane tethering and fusion machinery (Zerial and McBride, 2001). Since KIF16B can modulate growth factor degradation, we propose that this motor could have also important implications for signaling. Importantly, KIF16B has provided novel insight into how intracellular localization of endosomes governs the transport activity of these organelles. The second part of this thesis describes the proof-of-principle of a genome-wide screening strategy aimed at gaining insights into the next level of understanding: How the spatial distribution of organelles is linked to their function in an experimental system which features cellular polarity, for example, a tissue or organ. The suitability of C. elegans as a model organism to identify genes functioning in endocytosis has been demonstrated by previous genetic screens (Grant and Hirsh 1999; Fares and Greenwald, 2001). Offering excellent morphological resolution and polarization, the nematode intestine represents a good system to study the apical sorting of a transmembrane marker. The steady state localization of such a marker is likely the result of a dynamic process that depends on biosynthetic trafficking to the apical surface, apical endocytosis and recycling occurring through apical recycling endosomes. Therefore, mis-sorting of this marker upon RNA-mediated interference will be indicative of a failure in one of the aforementioned processes. Furthermore, since it is still largely unclear why apical endosomes maintain their polarized localization, this screen will also monitor the morphology of this endocytic compartment using a second marker. Following image acquisition based on an automated confocal microscope, data can be analyzed using custom-built software allowing objective phenotypic analysis. The successful establishment of the proof-of-principle marks the current state-of-the-art of this large-scale screening project.

No description available.

No description available.

No description available.

No description available.

Physik gibt es überall dort, wo Materie: Maßnahmen wie Energie, Masse, Temperatur, Geschwindigkeit, Größe und Steifigkeit sind alle Beispiele der physikalischen Eigenschaften. Solche Mengen sind wichtige Charakterisierungen für biologische Organismen: Sie verändern die ganze Zeit während des gesamten Lebenszyklus. Für eine Bio-Mechaniker, Steifigkeit ist eine wichtige Maßnahme zur biologischen Design zu verstehen. Weil biologische Bausteine so klein wie 1 nm (Protein / DNA / Lipid) sein können, sind spezielle Techniken erforderlich, um ihre Steifigkeit zu studieren. Beide Rasterkraftmikroskopie (AFM) und optischen Pinzetten können verwendet werden, um aktiv zu verformen die Objekte an pN-nN Kräfte und messen die Verformung auf Nanometer Längenskalen werden. In dieser Arbeit AFM wird angewandt, um die Mechanik von Influenza-Viren, Liposomen und lebenden Zellen zu studieren. Das Genom von Viren von einer Proteinhülle und in einigen Fällen eine zusätzliche Lipidhülle verpackt. Dieser Verbund Shell hat widersprüchliche Rollen: er hat das virale Genom zu schützen, aber es sollte auch ermöglichen Auspacken während der viralen Infektion in das Genom zu lösen. Influenza-Virus ist das weichste Virus jemals gefunden, aber zur gleichen Zeit eine sehr hartnäckige Virus verursacht jährliche Pandemien. Ein besseres Verständnis der mechanischen Eigenschaften des Influenza-Virus kann uns helfen zu verstehen, warum das Virus so erfolgreich ist. Die mechanischen Eigenschaften von Influenza-Viren wurden durch AFM gemessen und mit den Liposomen der viralen Lipid hergestellt. Wir haben gefunden, dass die Influenzavirus-Mechanik durch seine Lipidhülle (~ 70%) werden dominiert. In Kapitel 2 haben wir gezeigt, dass anstelle der Verwendung einer starren Proteinkapsid die Lipidhülle ausreicht, um das Influenza virale Genom zu schützen. In Kapitel 3 haben wir weitere blickte in die Funktion des M1 Proteinhülle während der viralen Infektion. Ein Zwischenprodukt Auspacken Schritt wurde durch Messen der in fluenzavirale Steifigkeit bei pH 7, 6, 5,5 und 5, Bedingungen, die die Ansäuerung Umgebungen auf der viralen Infektion nachahmen Stoffwechselweg entdeckt. Der Zwischenschritt wurde weiterhin als wesentlich erwiesen für eine erfolgreiche Infektion. Wir schlagen vor, dass das Influenza-Virus hat sich zu eng synchronisiert die verschiedenen Schritte ihrer Auspacken mit pH-

Peptide bilden eine einzigartige Klasse von Biomolekülen. Auf Grund ihrer komplexen Struktur sind sie in der Lage hochspezifisch an Zielmoleküle zu binden und können darüber hinaus bioaktive Eigenschaften aufweisen. In dieser Dissertation wurden verschiedene Anwendungen, für die biologisch aktive Peptide genutzt werden können untersucht und darüber hinaus die Konjugation ungeschützter Peptide an funktionelle Gerüstmoleküle betrachtet. Die spezifischen Bindungseigenschaften eines Hemagglutinin bindenden Peptids konnten durch deren multivalente Präsentation auf einem Polymer-Nanopartikel genutzt werden, um einen hochwirksamen Virus-Eintritts-Blocker zu synthetisieren. Außerdem wurde in dieser Dissertation eine neuartige chemoselektive Konjugation zwischen ungeschützten zyklischen Peptiden und Proteinen erforscht, basierend auf der Staudinger Phosphonite Reaktion. Die kovalente Bindung zwischen Proteinen und Peptiden ermöglichte die zellulären Aufnahme und zytosolische Verteilung des konjugierten Proteins. Die neuartige Staudinger induzierte Thiol Addition konnte darüber hinaus für die intramolekulare Makrozyklisierung von Peptiden eingesetzt werden, wodurch die biologische Aktivität der Peptide gesteigert wurde. Dies konnte anhand von zyklischen zellpenetrierenden Peptiden, als auch in der Stabilisierung der helikalen Struktur eines peptidischen Protein-Protein-Interaktions Inhibitors gezeigt werden. Des weiteren wurde eine bioreversible chemoselektive Konjugationsmethode untersucht, basierend auf der O-Alkylierung von Carbonsäuren, um eGFP mit zyklischen zellpenetrierenden Peptiden zu markieren. Erste Schritte zur Evaluierung der entstandenen Konjugate wurden unternommen. Zusammengenommen konnte die Vielfältigkeit bioaktiver Peptide in mehreren Anwendungen gezeigt werden, mit besonderem Augenmerk auf die Erweiterung der Konjugationsmethoden für ungeschützte Peptide an funktionale Trägermoleküle. / Synthetic peptides are a unique class of biomolecules. Due to their complex structure they can bind targets in a highly specific manner and can furthermore exhibit unique properties. Even though they are complex in structure, they are straightforward synthetically accessible. This thesis evolves around the many different aspects, in which biological active peptides can be used, from specific binders to cell penetration tags. Furthermore, the site specific and chemoselective conjugation of an unprotected peptide to a functional scaffold has been addressed. The binding properties of peptides could be used to generate a highly potent virus entry blocker from a viral-membrane-protein binding peptide, which was displayed multivalently on a polymeric nanoparticle. Furthermore, this thesis explored a novel chemoselective reaction, based on the Staudinger phosphonite reaction to conjugate cyclic peptides to eGFP. The covalent attachment of the peptidic ligand promoted efficiently the cellular uptake of protein and its cytosolic distribution. The novel Staudinger induced thiol addition cascade was further successfully used in an intramolecular reaction to macrocyclize peptides in order to induce bioactivity. This could be shown for the synthesis of cyclic cell penetrating peptides, as well as to stabilize the helical structure of a peptidic protein-protein interaction inhibitor. Furthermore, a bioreversible chemoselective conjugation based on a diazo building block, was used to label eGFP with cyclic cell penetrating peptides. First steps to evaluate the potency in vitro were undertaken. Taken together, the versatility of bioactive peptides was demonstrated in multiple applications and the tools to conjugate unprotected peptides to functional scaffolds was extended by the Staudinger induced thiol addition.

Metastasis Associated in Colon Cancer 1 (MACC1) ist ein prognostischer und prädiktiver Biomarker für Tumorprogression und Fernmetastasierung von Darmkrebs. Der exponentielle Anstieg der MACC1-verbundenen Publikationen seit dessen Entdeckung im Jahr 2009 verdeutlicht Mitwirkung von MACC1 am Krankheitsfortschritt vieler solider Tumore. Dies umfasst sich nicht nur die erhöhte Tumorinvasion und Metastasierung, sondern ebenso erhöhte Tumorangiogenese, dessen Stammzellfähigkeit und die Vermeidung von Apoptose. Obwohl unsere Forschungsarbeiten in den letzten Jahren neue Erkenntnisse über die Auswirkung von MACC1 in der Tumorprogression brachten, ist über dessen Proteinstruktur und der damit verbundenen Funktion in physiologischen Prozessen wenig bekannt. In dieser Arbeit wird zum ersten Mal die Rolle von MACC1 in der Clathrin-abhängigen Endozytose (CME) untersucht. Nach massenspektrometrischer Analyse des MACC1-Interaktoms wurde die Proteinbindung von MACC1 und den CME-verbundenen Faktoren CLTC, DNM2 und AP-2α, bzw. dem CME-Cargo TfR experimentell bestätigt. Davon ausgehend wurde der Endozytoseweg von TfR und MACC1-abhängige Änderungen in dessen Oberflächenverteilung, Internalisierung, Recycling und Proteinabbau mittels neu etablierter Methoden untersucht und ergab einen deutlichen Einfluss von MACC1 auf die Internalisierung und das Recycling von TfR. Daraufhin wurden durch Sequenzanalyse der MACC1-Proteinstruktur vorhergesagte N-terminale Interaktionsbereiche mit CME-Faktoren betrachtet, die eine Clathrin-Box sowie NPF- bzw. DPF-Motive umfassen. Deletionsvarianten von MACC1 wurden zunächst auf ihre Interaktionsfähigkeit mit CLTC, DNM2 und TfR getestet, deren subzelluläre Lokalisation bestimmt, sowie deren Einfluss auf den Endozytoseweg von TfR geprüft. Das erhöhte Recycling von TfR in Abhängigkeit von MACC1 wurde für EGFR als wichtigen Vertreter von krebsrelevanten Rezeptor-Tyrosinkinasen überprüft. Die Analyse des TfR-EGFR gekoppelten frühen Endozytosewegs ergab eine erhöhte Recyclingrate des Rezeptors in verschiedenen MACC1-überexprimierenden Zelllinien. Um den Einfluss der N-terminalen Interaktionsbereiche von MACC1 auf den Endozytoseweg von EGFR zu verstehen, wurden die MACC1-Deletionsvarianten nicht nur auf Änderungen im Verlauf der EGFR-Endozytose geprüft, sondern ebenfalls auf die Aktivierung des Rezeptors sowie nachgelagerter Signaltransduktoren wie PI3K/AKT und ERK1/2. Die Wichtigkeit der Interaktionsbereiche von MACC1 wurde durch eine Analyse der EGF-induzierten Zellproliferation bestätigt. Die Ergebnisse dieser Arbeit, die die Rolle von MACC1 in der Endozytose beschreiben, erweitern die Interventionsmöglichkeiten gegenüber der Fernmetastasierung solider Tumore und könnten helfen, das Überleben betroffener Patienten zu verlängern. / Metastasis Associated in Colon Cancer 1 (MACC1) is a newly discovered prognostic and predictive biomarker associated with tumor progression and metastasis development. Since our first report concerning MACC1 in 2009, MACC1-related research has been exponentially increasing. At present, MACC1 involvement in the progression of many cancer types has become increasingly clear. MACC1 does not only promote invasion and metastasis formation, but it also induces angiogenesis, stemness and prevents apoptosis. Although in the last years our research concerning MACC1 gained new insights into cancer progression, little is known about its structural role and functions in physiological processes. In this thesis, I will address for the first time the role of MACC1 during CME (clathrin-mediated endocytosis). Importantly, MACC1’s role in CME was first suggested by interactome analysis. Thus, MACC1’s CME interactors (CLTC, DNM2, AP2α and TfR), were first identified and validated. In addition, MACC1’s impact on TfR endocytic traffic was addressed by studying its effect on surface distribution, uptake, recycling and degradation of the receptor with pioneering and newly established methods. As a result of this research, MACC1 shows a clear impact on TfR internalization and recycling. Thus, the present work dissects the MACC1 protein structure containing predicted CME domains such as clathrin box, NPFs and DPF. By deleting these domains, first the impact on the binding between MACC1 and CLTC, DNM2 and TfR were analyzed. Also, we characterized the distribution of MACC1 in the cell depending on the presence of its CME domains, and then I addressed their specific impact during TfR endocytic traffic. After we elucidated the MACC1-dependent increase in TfR recycling, we compared its newly discovered function during EGFR endocytic traffic. By analyzing TfR -EGFR coupled early endocytic traffic during EGF-stimulated internalization in MACC1 overexpressing cell lines, we discovered that MACC1 promotes faster recycling of EGFR to PM, in two different cell lines. In order to understand the MACC1 CME domains impact on EGFR endocytic traffic, we dissected not only EGFR endocytic fate in MACC1 CME mutant cell lines but also the impact on EGFR trans-activation after EGF-stimulated internalization and downstream signaling, in particular, AKT and ERK1/2. To conclude with functional analysis, we also addressed MACC1 CME domains impact on cell proliferation revealing that CME domains integrity is important for efficient cell proliferation. The present work sheds new light on MACC1’s role during endocytosis, opening a possibility of intervention on metastasis development in CRC to improve the survival of patients.

Utilizing various systems such as cell-based assays but also multicellular organisms such as Drosophila melanogaster and C.elegans, for example, the endocytic system has been shown to consist of a network of biochemically and morphologically distinct organelles that carry out specialized tasks in the uptake, recycling and catabolism of growth factors and nutrients, serving a plethora of key biological functions (Mellman, 1996). Different classes of endosomes were found to exhibit a characteristic intracellular steady state distribution. This distribution pattern observed at steady state results from a dynamic interaction of endosomes with the actin and the microtubule cytoskeleton. It remains unclear, however, which microtubule-based motors besides Dynein control the intracellular distribution and motility of early endosomes and how their function is integrated with the sorting and transport of cargo. The first part of this thesis research outlines the search for such motor. I describe the identification of KIF16B which functions as a novel endocytic motor protein. This molecular motor, a kinesin-3, transports early endosomes to the plus end of microtubules, in a process regulated by the small GTPase Rab5 and its effector, the phosphatidylinositol-3-OH kinase hVPS34. In vivo, KIF16B overexpression relocated early endosomes to the cell periphery and inhibited transport to the degradative pathway. Conversely, expression of dominant-negative mutants or ablation of KIF16B by RNAi caused the clustering of early endosomes to the peri-nuclear region, delayed receptor recycling to the plasma membrane and accelerated degradation. These results suggest that KIF16B, by regulating the plus end motility of early endosomes, modulates the intracellular localization of early endosomes and the balance between receptor recycling and degradation. In displaying Rab5 and PI(3)P-containing cargo selectivity, a remarkable property of KIF16B is that it is subjected to the same regulatory principles governing the membrane tethering and fusion machinery (Zerial and McBride, 2001). Since KIF16B can modulate growth factor degradation, we propose that this motor could have also important implications for signaling. Importantly, KIF16B has provided novel insight into how intracellular localization of endosomes governs the transport activity of these organelles. The second part of this thesis describes the proof-of-principle of a genome-wide screening strategy aimed at gaining insights into the next level of understanding: How the spatial distribution of organelles is linked to their function in an experimental system which features cellular polarity, for example, a tissue or organ. The suitability of C. elegans as a model organism to identify genes functioning in endocytosis has been demonstrated by previous genetic screens (Grant and Hirsh 1999; Fares and Greenwald, 2001). Offering excellent morphological resolution and polarization, the nematode intestine represents a good system to study the apical sorting of a transmembrane marker. The steady state localization of such a marker is likely the result of a dynamic process that depends on biosynthetic trafficking to the apical surface, apical endocytosis and recycling occurring through apical recycling endosomes. Therefore, mis-sorting of this marker upon RNA-mediated interference will be indicative of a failure in one of the aforementioned processes. Furthermore, since it is still largely unclear why apical endosomes maintain their polarized localization, this screen will also monitor the morphology of this endocytic compartment using a second marker. Following image acquisition based on an automated confocal microscope, data can be analyzed using custom-built software allowing objective phenotypic analysis. The successful establishment of the proof-of-principle marks the current state-of-the-art of this large-scale screening project.

Extracellular accumulation of Aβ in β-amyloid plaques is thought to be associated with the neurodegeneration observed in Alzheimer’s disease (AD) patients, although a lack of correlation with cognitive decline raised doubts on this hypothesis. In different transgenic mouse models Aβ accumulates inside the cells and mice develop behavioral deficits well before visible extracellular β-amyloid accumulation. Here we show that intracellular Aβ accumulates in flotillin-1 positive endocytic vesicles. We also demonstrate that flotillin-1 is not only associated with intracellular Aβ in transgenic mice but also with extracellular β-amyloid plaques in AD patient brain sections. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.