Stuttgart, Univ., Diss., 2008.

Universiẗat, Diss., 1999--Bonn.

Universiẗat, Diss., 1999--Bonn.

Ionotrope Glutamatrezeptoren (iGluRs) sind ligandengesteuerte Ionenkanäle und vermitteln den Großteil der exzitatorischen Signalweiterleitung im gesamten zentralen Nervensystem. Darüber hinaus spielen iGluRs eine entscheidende Rolle bei der neuronalen Entwicklung und Funktion, einschließlich Lernprozessen und Gedächtnisbildung. Da eine Fehlfunktion dieser Rezeptoren mit zahlreichen neurodegenerativen Erkrankungen verbunden ist, stellen iGluRs zudem wichtige Zielproteine für die pharmakologische Wirkstoffentwicklung dar. Im Allgemeinen wird zwischen drei Untergruppen ionotroper Glutamatrezeptoren unterschieden, welche aufgrund ihrer Selektivität für einen bestimmten Liganden benannt sind: AMPA-, Kainate-, und NMDA-Rezeptoren. Die iGluRs jeder dieser Untergruppen bestehen in der Regel aus vier Untereinheiten, welche wiederum aus vier semiautonomen Domänen aufgebaut sind: (i) die aminoterminale Domäne (ATD), (ii) die Ligandenbindedomäne (LBD), (iii) die Transmembrandomäne (TMD) und (iv) die carboxyterminale Domäne (CTD). Die Ligandenbindedomäne, welche wiederum aus zwei Lobes (D1 und D2) besteht und in ihrer Struktur einer Muschelschale ähnelt, vollzieht bei Bindung eines Neurotransmitters eine Konformationsänderung, wobei sie sich um den gebundenen Agonisten herumschließt. Diese Konformationsänderung der LBD wird auf die Transmembrandomäne, welche den membranüberspannenden Ionenkanal ausbildet, übertragen, was in einer Umlagerung der Transmembranhelices und infolgedessen der Öffnung des Ionenkanals resultiert. Die Konformationsänderung der LBD ist demnach die treibende Kraft, welche dem Öffnen und Schließen des Ionenkanals zugrunde liegt. Aus diesem Grund stellt die isolierte Ligandenbindedomäne, welche als lösliches Protein hergestellt werden kann, ein etabliertes Modellsystem zur Untersuchung der strukturellen und funktionellen Zusammenhänge innerhalb des Funktionsmechanismus ionotroper Glutamatrezeptoren dar. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Konformationsdynamiken der in Escherichia coli-Bakterien exprimierten isolierten Ligandenbindedomänen der drei homologen Untergruppen – AMPA-, Kainate- und NMDA-Rezeptoren – sowohl als Monomer als auch als Dimer untersucht. Hierbei wurden im ungebundenen Apo-Zustand der Proteine signifikante Kinetiken im Bereich von Nanosekunden bis Mikrosekunden festgestellt, welche bei Bindung eines Agonisten sowie bei Dimerisierung erheblichen Veränderungen zeigen. Darüber hinaus wurde allosterische Kommunikation zwischen den LBDs der NMDA-Untergruppe untersucht, wobei in der Tat ein deutlicher allosterischer Effekt in Bezug auf die Konformationsdynamiken der Proteine gemessen werden konnte. Weiterhin wurde ein PET-FCS-basiertes Verfahren zur Messung der Dissoziationskonstante der Bindung eines Liganden an die LBD eines AMPA-Rezeptors entwickelt. Zuletzt wurde außerdem ermittelt, ob ein Unterschied zwischen vollen und partiellen Agonisten hinsichtlich ihres Einflusses auf die Konformationsdynamiken einer AMPA-Rezeptor LBD besteht, was nachgewiesenermaßen nicht der Fall ist. Alle Messungen wurden auf Einzelmolekülebene auf Zeitskalen von Nanosekunden bis Millisekunden basierend auf Fluoreszenzfluktuationen unter Verwendung des photoinduzierten Elektronentransfers (PET) in Kombination mit Korrelationsspektroskopie (PET-FCS) durchgeführt. Zu diesem Zweck wurden PET-basierte Fluoreszenzsonden entwickelt, um Konformationsänderungen auf einer räumlichen Skala von einem Nanometer zu detektieren. Durch die Experimente innerhalb dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die PET-FCS-Methode eine vielversprechende Ergänzung zu allen bisher bestehenden Methoden zur Untersuchung der Konformationsdynamiken der Ligandenbindedomäne ionotroper Glutamatrezeptoren darstellt und daher eine aussichtsreiche Möglichkeit zur Erweiterung des zukünftigen Verständnisses der Funktionsweise von iGluRs bietet. / Ionotropic glutamate receptors (iGluRs) are ligand-gated ion channels that mediate most of the excitatory signal transmission throughout the central nervous system. In addition, iGluRs play a crucial role in neural development and function, including learning and memory. Since receptor malfunction contributes to a variety of neurological diseases, iGluRs are key targets for drug development in pharmacology. Furthermore, ionotropic glutamate receptors are divided into three major subgroups, all of which are named due to their selectivity for a certain ligand: AMPA, Kainate and NMDA. Members of each subgroup usually consist of four subunits, which in turn comprise four semi-autonomous domains: (i) the amino terminal domain (ATD), (ii) the ligand binding domain (LBD), (iii) the transmembrane domain (TMD), and (iv) the carboxy terminal domain (CTD). Upon binding a neurotransmitter the ligand binding domain, which adopts a clamshell-like structure consisting of two domains (D1 and D2), undergoes a conformational change by closing around the ligand and trapping it within the binding cleft. The conformational change of the LBD is then transferred to the transmembrane domain which forms the membrane-spanning ion channel, which results in rearrangement of the transmembrane helices and consequently in opening of the ion channel. Accordingly, the conformational change of the LBD is the driving force underlying opening and closing of the ion channel. The isolated ligand binding domain can be produced as soluble protein and represents a well-established model system for exploring structural and functional relationships within the functional mechanism of ionotropic glutamate receptors. As part of this thesis, ligand binding domains of all three homologues – AMPAR, KainateR and NMDAR – have been expressed in Escherichia coli bacterial cells and conformational dynamics of the proteins both as monomer and as dimer have been investigated. In the unbound apo state of the proteins, significant kinetics have been observed in the nanosecond to microsecond time range which undergo considerable changes upon agonist binding or dimerization. In addition, allosteric communication between LBDs of the NMDA subgroup has been investigated, whereby a distinct allosteric effect regarding the conformational dynamics of the protein could actually be measured. Furthermore, a PET-FCS-based tool for measuring the dissociation constant of a ligand for an AMPA receptor LBD has been developed. Finally, it has been investigated whether full and partial agonists have different effects on the conformational dynamics of an AMPA receptor LBD, which has been found clearly not to be the case. All measurements have been performed at the single-molecule level on time scales from nanoseconds to milliseconds based on fluorescence fluctuations using photoinduced electron transfer (PET) fluorescence quenching in combination with correlation spectroscopy (PET-FCS). To this end, PET-based fluorescence probes have been engineered to monitor conformational changes on the one-nanometer scale. The experiments that have been carried out within this thesis introduce PET-FCS as a promising tool to complement all previously existing methods for studying conformational dynamics of ionotropic glutamate receptor ligand binding domains and hence offer a promising opportunity to expand future understanding of how iGluRs work.

Stuttgart, Univ., Diss., 2003.

University, Diss., 2003--Heidelberg.

In the heart the β\(_1\)-adrenergic receptor (AR) and the β\(_2\)-AR, two prototypical G protein-coupled receptors (GPCRs), are both activated by the same hormones, namely adrenaline and noradrenaline. Both receptors couple to stimulatory G\(_s\) proteins, mediate an increase in cyclic adenosine monophosphate (cAMP) and influence the contractility and frequency of the heart upon stimulation. However, activation of the β\(_1\)-AR, not the β\(_2\)-AR, lead to other additional effects, such as changes in gene transcription resulting in cardiac hypertrophy, leading to speculations on how distinct effects can arise from receptors coupled to the same downstream signaling pathway. In this thesis the question of whether this distinct behavior may originate from a differential localization of these two receptors in adult cardiomyocytes is addressed. Therefore, fluorescence spectroscopy tools are developed and implemented in order to elucidate the presence and dynamics of these endogenous receptors at the outer plasma membrane as well as on the T-tubular network of intact adult cardiomyocytes. This allows the visualization of confined localization and diffusion of the β\(_2\)-AR to the T-tubular network at endogenous expression. In contrast, the β\(_1\)-AR is found diffusing at both the outer plasma membrane and the T-tubules. Upon overexpression of the β\(_2\)-AR in adult transgenic cardiomyocytes, the receptors experience a loss of this compartmentalization and are also found at the cell surface. These data suggest that distinct signaling and functional effects can be controlled by specific cell surface targeting of the receptor subtypes. The tools at the basis of this thesis work are a fluorescent adrenergic antagonist in combination of fluorescence fluctuation spectroscopy to monitor the localization and dynamics of the lowly expressed adrenergic receptors. Along the way to optimizing these approaches, I worked on combining widefield and confocal imaging in one setup, as well as implementing a stable autofocus mechanism using electrically tunable lenses. / Im Herzen werden der β\(_1\)-adrenerge Rezeptor (AR) und der β\(_2\)-AR, zwei prototypische GPCR, durch die Hormone Adrenalin und Noradrenalin aktiviert. Dabei interagieren beide Rezeptoren mit dem stimulatorischen G\(_s\) Protein, bewirken eine Erhöhung des cyclischen Adenosinmonophosphates (cAMP) und beeinflussen die Kontraktionskraft und Frequenz des Herzens nach einem Stimulus. Jedoch hat die Aktivierung des β\(_1\)-ARs, nicht des β\(_2\)-ARs, auch weitere Effekte, wie z.B. Veränderungen in der Transkription von Genen. Dies wiederum führt zu Spekulationen, wie solch unterschiedliche Effekte von Rezeptoren hervorgerufen werden können, die gleiche Signalwege bedienen. In dieser Arbeit wird untersucht, ob dieses unterschiedliche Verhalten durch eine ungleiche Verteilung dieser beiden Rezeptoren in adulten Kardiomyozyten hervorgerufen werden könnte. Dazu wird die Lokalisation und die Dynamik dieser endogenen Rezeptoren in der Plasmamembran sowie im T-tubulären Netzwerk von intakten adulten Kardiomyozyten, unter Entwicklung und Verwendung hochsensitiver Fluoreszenzspektroskopiemethoden, bestimmt. Dies ermöglicht die örtliche und dynamische Eingrenzung des β\(_2\)-adrenergen Rezeptors unter endogener Expression ausschließlich auf das T-tubuläre Netzwerk. Dementgegen stellt sich heraus, dass sich der β\(_1\)-adrenerge Rezeptor ubiquitär auf der äußeren Membran und den T-Tubuli befindet und diffundiert. In β\(_2\)-AR überexprimierenden transgenen Kardiomyozyten hingegen werden diese Kompartments nicht beibehalten und es findet eine Umverteilung der Rezeptoren, auch unter Einbezug der Zelloberfläche, statt. Diese Daten können stärker darauf hindeuten, dass einige Rezeptorsubtypen sich gezielt und spezifisch bestimmte Zelloberflächen aussuchen, um somit ihre verschiedenen Signale und funktionären Effekte erzeugen zu können. Zu den Techniken, die in dieser Arbeit die Bestimmung der Lokalisation und der Dynamiken der niedrig exprimierten adrenergen Rezeptoren zulassen, gehört die Anwendung von Fluoreszenzspektroskopiemethoden in Kombination mit einem fluoreszierenden β-adrenergen Antagonisten. Weitere Techniken, die im Rahmen dieser Arbeit entwickelt wurden und in weiterführenden Studien aufschlussreiche Erkenntnisse liefern könnten, umfassen die Entwicklung eines Setups aus einer Kombination aus Weitfeld- und Konfokalmikroskopie und die Implementierung eines stabilen Autofokus mit Hilfe einer elektrisch veränderbaren Linse.

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The coiled-coil motif is present in proteins from all kingdoms of life. Its structure is based on a repeating sequence of 7 amino acids with hydrophobic residues at positions 1 and 4, which folds into an alpha-helix. Two, or more, alpha-helices wind around each other based on hydrophobic interactions forming the coiled-coil. Structural variations include length, deviations from the canonical form based on the heptad repeat, as well as the orientation and number of alpha-helices. They are involved in a wide variety of cellular processes including vesicle tethering and signal transmission along their length. In order to transmit signal, the protein must be able to dynamically rearrange its structure. An outstanding example of a coiled-coil that needs to rearrange its structure to perform its function is the early endosomal tether EEA1, which has been shown to increase its flexibility upon binding to the active form of the small GTPase Rab5. That conformational change generates an entropic collapse that brings the ends of the protein closer to each other. Nevertheless, the recycling from the more flexible state to its original extended conformation was not addressed. Herein, the entropic collapse mechanism was further studied and the full EEA1 cycle between extended and flexible states described. In addition to these studies, other coiled-coil proteins were assessed to determine if they also experience a binding-induced entropic collapse. One of the strategies to investigate the entropic collapse mechanism was to compare the adhesive forces along the two alpha-helices of the EEA1 dimer in its extended and flexible conformations. To this end, an experiment was designed to unwind the dimer using optical tweezers, a force-spectroscopy method that uses a highly focused laser beam to manipulate microscopic objects. Each EEA1 monomer was attached to a distinct DNA piece using a site-specific enzymatic reaction. The DNA pieces were linked to two optically trapped micron-sized beads. And the distance between the optical traps increased to unwind the EEA1. A second strategy to investigate the entropic collapse was to evaluate EEA1 dynamics in solution using dual color fluorescence cross-correlation spectroscopy (dcFCCS). EEA1 C-termini was labeled with two different fluorophores. Fluctuations on fluorescent intensities caused by the dyes crossing a confocal volume were recorded over time. Based on an analysis of these fluctuations, a conformational change in EEA1 from semi-flexible to flexible upon addition of active Rab5 was described. This is in agreement with the previously reported entropic collapse. More importantly, EEA1 was shown to cycle between semi-flexible and flexible states by adding Rab5:GTP and waiting for the GTP to hydrolyse. To determine whether other proteins experience a binding-induced entropic collapse, coiled-coil proteins that share structural and functional similarities with EEA1 were evaluated. Rotary shadowing EM images of the target protein alone and binding with its suspected allosteric effector were compared. It was found that ELKS, a coiled-coil protein involved in vesicle trafficking, undergoes an increase in flexibility upon binding with the active form of Rab6. Thus, hinting that the entropic collapse may indeed be a general mode of action for at least a sub-group of long coiled-coil proteins. Overall, the major contributions of this thesis are to describe the full entropic collapse cycle on EEA1 and to show a second example of a coiled-coil protein experiencing a binding induced flexibility increase.:List of Figures List of Tables List of Equations List of Abbreviations 1 Introduction 1.1 EEA1 as an endosomal tether 2 Materials and Methods 2.1 Materials 2.2 Methods 2.2.1 Sub-cloning 2.2.2 Protein expression and purification 2.2.3 Protein-protein binding assays 2.2.4 Electron microscopy 2.2.5 Analysis of electron microscopy 2.2.6 Generation of DNA handles for protein-DNA conjugates 2.2.7 Adding SortaseA recognition site to EEA1 2.2.8 Protein-DNA conjugation3 2.2.9 Sample preparation for optical tweezers 2.2.10 Dual color labeling of EEA1 2.2.11 Fluorescence cross-correlation spectroscopy 2.2.12 Generation of dsDNA for dcFCCS calibration 2.2.13 RabGTPase nucleotide loading 2.2.14 Liposome preparation 2.2.15 MCBs preparation 3 Unwinding EEA1 coiled-coil domain 3.1 Introduction 3.1.1 Optical tweezers for EEA1 unwinding 3.1.2 SortaseA-catalysed ligation 3.2 Aims 3.3 Results 3.3.1 Optimization of SortaseA-catalysed ligation 3.3.2 Formation of EEA1-DNA handle conjugate 3.3.3 EEA1 unwinding experiments 3.4 Discussion 4 EEA1 entropic collapse is recyclable 4.1 Introduction 4.1.1 Advantages of dcFCCS vs FCS 4.1.2 Requirements for dcFCCS measurements 4.1.3 dcFCCS for end polymer dynamics analysis 4.2 Aims 4.3 Results 4.3.1 System preparation and dcFCCS calibration 4.3.2 Labelling of EEA1 4.3.3 Comparing FCS vs dcFCCS 4.3.4 EEA1 entropic collapse shown by dcFCCS 4.3.5 EEA1 flexibility change is recyclable 4.4 Discussion 5 Entropic collapse as a general mechanism 5.1 Introduction 5.2 Aims 5.3 Results 5.3.1 ELKS increases its flexibility upon binding active Rab6 5.3.2 p115-GM130 complex observed by rotary shadowing EM 5.4 Discussion 6 Conclusions and outlook References

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