京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第21372号 / 工博第4531号 / 新制||工||1706(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科合成・生物化学専攻 / (主査)教授 梅田 眞郷, 教授 浜地 格, 教授 秋吉 一成 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DGAM

In großen Teilen der Welt verursachen intrazelluläre Parasiten der Spezies Leishmania schwerwiegende Infektionen beim Menschen. Die Exposition eines Phospholipids (Phosphatidylserin, PS) steht unter Verdacht Fresszellen zur Aufnahme der Parasiten zu stimulieren. Bisher ist die Regulation der Phospholipidverteilung in der Plasmamembran dieser Parasiten kaum erforscht. In der vorliegenden Arbeit wurde ein lipidtransportierender Proteinkomplex identifiziert, der einen wesentlichen Beitrag zur asymmetrischen Lipidverteilung in der Plasmamembran von Leishmania donovani leistet. Die Zerstörung des Komplexes führte zum Verlust des einwärts gerichteten Lipidtransports und zur Anreicherung von Phosphatidylethanolamin (PE) auf der Zelloberfläche des Parasiten. Diese veränderte Lipidasymmetrie hatte jedoch keinen Einfluss auf die Phagozytose durch Makrophagen. Darüber hinaus brachte die Untersuchung des Insektenstadiums (Promastigote) verschiedener Leishmania Spezies zu Tage, dass die Menge an PS unterhalb des Detektionslimits modernster Nachweisverfahren liegt. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass der Parasit über einen Scramblase-Mechanismus verfügt, der durch intrazelluläres Kalzium stimulierbar ist. Die Scramblase-Aktivität ist, im Gegensatz zu dem zuvor beschriebenen einwärts gerichteten Lipidtransport, energieunabhängig und ermöglicht die bidirektionale Translokation von fluoreszenzmarkiertem Phosphatidylcholin (PC), PE, PS und Sphingomyelin (SM). Dementsprechend konnte nach Kalziumstimulierung endogenes PE auch in der äußeren Lipidschicht der Plasmamembran detektiert werden, wobei deren Barrierefunktion nicht beeinträchtigt wurde. Diese Ergebnisse geben neue Einblicke in die dynamische Regulation der Lipidverteilung über die Plasmamembran des Parasiten und verdeutlichen, dass die Exposition von PS und PE nicht essentiell für das Eindringen der Leishmanien in die Wirtszellen ist. / The protozoan parasite Leishmania causes severe infections in humans throughout the world. Following the transmission via sand flies to its mammalian host the extracellular parasite has to gain entry into phagocytic cells to initiate a successful infection. Specific surface exposed phospholipids have been implicated in Leishmania macrophage-interaction, but the mecha-nisms controlling and regulating the plasma membrane lipid distribution remains to be eluci-dated. In the present work a lipid transporting protein complex was identified in Leishmania dono-vani which plays an essential role in maintaining an asymmetric lipid distribution across the plasma membrane. Loss of the protein complex abolishes the inward-directed lipid transport and thus e.g. to an increased cell surface exposure of phosphatidylethanolamine (PE). In spite of this altered lipid asymmetry the uptake by macrophages is unaffected. Moreover, Leishma-nia promastigotes of different species lack detectable amounts of phosphatidylserine (PS) although being infective. Furthermore, a scramblase activity following a cytosolic calcium signal was demonstrated. This scramblase mechanism facilitated, in contrast to the previous described inward directed lipid transport, the bidirectional movement of fluorescent lipid analogues of PC, PE, PS and SM in an energy-independent manner. In accordance with these findings endogenous PE was exposed to the outer plasma membrane leaflet following the Ca2+-signal, while the plasma membrane itself remained intact. These results provide novel insight into the dynamic regulation of the transbilayer lipid distri-bution across the parasite plasma membrane and reveal that exposure of PS and PE is not cru-cial for invasion of the host cell by Leishmania donovani promastigotes.

In eukaryotischen Zellen sind die Lipidspezies häufig asymmetrisch zwischen den Hälften der Plasmamembran verteilt. Insbesondere Phosphatidylserin (PS) weist oft eine ausgeprägte transversale Asymmetrie auf, da es fast ausschliesslich auf die innere Hälfte der Plasmamembran beschränkt ist. In den letzten Jahren wurden mehrere Proteine diskutiert, die Lipide zwischen den Membranhälften transportieren und möglicherweise die transversale Lipidasymmetrie sowie damit verbundene Zelleigenschaften beeinflussen. Im Mittelpunkt der vorliegenden Promotion steht der Auswärtstransport fluoreszierender (C6-NBD-) Lipid-Analoga und endogener Lipide durch das Multidrug Resistance 1 P-Glycoprotein (MDR1 Pgp), das der ATP Binding Cassette (ABC) Transporter Superfamilie angehört. Interessanter Weise wird für MDR1 Pgp eine ungewöhnlich breite Substratspezifität angenommen. Das anionische Lipid PS war hier von besonderem Interesse, obgleich es in vorhergehenden Arbeiten nicht als MDR1 Pgp Substrat betrachtet wurde. Der Auswärtstransport von Phosphatidylcholin-, Phosphatidylethanolamin-, Glucosylceramid- und Sphingomyelin-Analoga durch MDR1 Pgp konnte in einer humanen Magenkarzinomlinie (EPG85-257), die MDR1 überexprimiert, mittels Fluoreszenzspektroskopie bestätigt werden. Zudem legt die verringerte Akkumulation von Diacylglycerol- und Ceramid-Analoga den Transport dieser Lipidspezies durch MDR1 Pgp nahe. Im Anschluß an die intrazelluläre Markierung mit C6-NBD-PS mittels eines neuen Verfahrens konnte der signifikant erhöhte Auswärtstransport dieses Analogons in MDR1 überexprimierenden Zellen durch Verwendung spezifischer Inhibitoren MDR1 Pgp zugeschrieben werden. In flusscytometrischen Versuchen war die Exponierung von endogenem PS auf der äusseren Membranhälfte von MDR1 überexprimierenden Zellen signifikant höher als in Kontrollzellen. Verringerung der PS-Exponierung durch einen Inhibitor von MDR1 Pgp deutet auf den Transport von endogenem PS durch MDR1 Pgp hin. Zusätzlich wurde hier der Transport von C6-NBD-PS in vier weiteren Zellinien mit verschiedener Spezies- und Gewebezugehörigkeit charakterisiert, die unterschiedliche Mengen an MDR1 Pgp synthetisieren. Wie Experimente in einer BCRP überexprimierenden EPG85-257-Sublinie nahelegen, ist ausser MDR1 Pgp möglicherweise ebenfalls der ABC Halb-Transporter Breast Cancer Resistance Protein (BCRP) am Transport von C6-NBD-PS und an der verstärkten Exponierung von endogenem PS beteiligt. / In eukaryotic cells, the lipid species are frequently distributed asymmetrically between the plasma membrane leaflets. Phosphatidylserine (PS), in particular, often exhibits a distinct transverse asymmetry, being restricted almost exclusively to the inner leaflet. In the past years, several proteins were suggested to transport lipids between the leaflets of a membrane, and to potentially influence transverse lipid asymmetry and related cell properties. This thesis focuses on outward transport of fluorescent (C6-NBD-) lipid analogs and endogenous lipids by the Multidrug Resistance 1 P-Glycoprotein (MDR1 Pgp), a member of the ATP binding cassette (ABC) transporter superfamily. Interestingly, MDR1 Pgp has been suggested to exhibit an unusually broad substrate specificity. Here, the anionic PS was of particular concern, although previously reported not to be an MDR1 Pgp substrate. In a human gastric carcinoma cell line (EPG85-257) overexpressing MDR1, outward transport of phosphatidylcholine, phosphatidylethanolamine, glucosylceramide and sphingomyelin analogs via MDR1 Pgp was confirmed using fluorescence spectroscopy. In addition, decreased accumulation of analogs of diacylglycerol and ceramide suggest MDR1 Pgp mediated transport of these lipid species. Upon intracellular labelling with C6-NBD-PS using a novel approach, significantly increased outward transport of this analog in MDR1 overexpressing cells could be attributed to MDR1 Pgp by employing specific inhibitors. In a flow cytometry setup, the exposure of endogenous PS on the outer plasma membrane leaflet was significantly elevated in MDR1 overexpressing cells compared to controls. Reduction of PS exposure by an MDR1 Pgp inhibitor suggests transport of endogenous PS by MDR1 Pgp. Transport of C6-NBD-PS was furthermore characterized here in four additional cell lines of different species and tissue origin with varying synthesis levels of MDR1 Pgp. Besides MDR1 Pgp, the ABC half-size transporter Breast Cancer Resistance Protein (BCRP) is possibly also involved in transport of C6-NBD-PS and in increased exposure of endogenous PS, as found in a BCRP overexpressing EPG85-257 subline.