Les vésicules géantes unilamellaires (GUV) permettent d’étudier efficacement les interactions entre les lipides et les peptides. Dans ce manuscrit, il a été montré que les interactions attractives lipides-peptides sont supprimées par l’attachement de polypeptides de type élastine (ELP) sur des peptides riches en arginine et peuvent être modulées par l’auto-assemblage en micelles ainsi que par le nombre de groupements arginine dans la séquence des peptides capables de pénétrer les cellules. De plus, une nouvelle méthode pour former des GUV à partir de systèmes complexes en seulement quelques minutes a été développée. Cette méthode est basée sur le gonflement d’un film de PVA sous une bicouche lipidique. Elle supprime la dégradation des molécules pendant la formation des GUV de lipides synthétiques, tels que des glycolipides et des phospholipides portant des groupements amides, où les méthodes traditionnelles ne réussissent pas à produire des vésicules non endommagées. / Giant Unilamellar Vesicles (GUVs) are a valuable tool to study lipid bilayer-biomolecule interactions in simplified cell-like model systems. In this work, a new method to efficiently form GUVs within minutes from more complex systems was developed. This method is based on swelling of a PVA-film under a lipid bilayer and minimizes damage of involved molecules during GUV formation. It also opens up many interesting perspectives for the formation of GUVs composed from new classes of synthetic lipids, such as glycolipids and amide-bearing phospholipids, where the traditional methods fail to efficiently produce “undamaged” vesicles. GUVs were also used for studying lipid-peptide interactions of a new class of elastin-like polypeptides functionalized with arginine-rich residues. It is shown that attractive interactions between lipids and peptides are suppressed by cargo-attachment and can be tuned by self-assembly into micelles and the arginine-amount of the cell penetrating residue.

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(English) This work is based on five publications studying mostly adenylate cyclase toxin (CyaA) from Bordetella pertussis and its interaction with biological membranes. CyaA permeabilizes cell membranes by forming small cation­selective pores and subverts cellular signaling by delivering an adenylate cyclase (AC) enzyme that converts ATP to cAMP into host cells. First study clarifies the membrane disruption mechanisms of CyaA and another bacterial RTX toxin; α­hemolysin (HlyA) from Escherichia coli. For this purpose, we employed a fluorescence requenching method using liposomes as target membranes. We showed that both toxins induced a graded leakage of liposome content with different ion selectivities (Fišer a Konopásek 2009). Both AC delivery and pore formation were previously shown to involve a predicted amphipathic α­helix(502­522). In the second publication we investigated another predicted transmembrane α­helix(565­591) that comprises a Glu(570) and Glu(581) pair. We examined the roles of these glutamates in the activity of CyaA, mostly on planar lipid membranes end erythrocytes. Negative charge at position 570, but not at position 581, was found to be essential for cation selectivity of the pore, suggesting a role of Glu(570) in...

Die Zellmembran dient der Zelle nicht nur als äußere Hülle, sondern ist auch an einer Vielzahl von lebenswichtigen Prozessen wie Signaltransduktion oder Zelladhäsion beteiligt. Wasser als integraler Bestandteil von Zellen und der extrazellulären Matrix hat sowohl einen großen Einfluss auf die Struktur von Biomolekülen, als auch selbst besondere Merkmale in eingschränkter Geometrie. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei Effekte an Modellmembranen untersucht: Erstens der Einfluss des Gegenions an kationischen Lipiden (DODAX, X = F, Cl, Br, I) auf die Eigenschaften des Grenzflächenwassers und zweitens das Vermögen durch Viskositätsänderungen das Wachstum von Nervenzellen anzuregen sowie die einzelnen Stadien der Bildung von neuronalen Netzwerken und deren Optimierung zu charakterisieren. Lipidmultischichten und darin adsorbiertes Grenzflächenwasser wurden mittels Infrarotspektroskopie mit abgeschwächter Totalreflexion untersucht. Nach Charakterisierung von Phasenverhalten und Wasserkapazität der Lipide wurden die Eigenschaften des Wassers durch kontrollierte Hydratisierung bei einem Wassergehalt von einem Wassermolekül pro Lipid verglichen. Durch die geringe Wasserkapazität können in diesem besonderen System direkte Wechselwirkungen zwischen Lipiden und Wasser aus der ersten Hydratationsschale beobachtet werden. Bemerkenswert strukturierte OH-Streckschwingungsbanden in Abhängigkeit des Anions und niedrige IR-Ordnungsparameter zeigen, dass stark geordnete, in ihrer Mobilität eingeschränkte Wassermoleküle an DODAX in verschiedenen Populationen mit unterschiedlich starken Wasserstoffbrückenbindungen existieren und sich vermutlich in kleinen Clustern anordnen. Die zweite Fragestellung hatte zum Ziel, das Wachstum von Nervenzellen auf Membranen zu beleuchten. Auf der Ebene einzelner Zellen wurde untersucht, ob sich in Analogie zu den bisher verwendeten elastischen Substraten, die Viskosität von Membranen als neuartiger physikalischer Stimulus dafür eignet, das mechanosensitive Verhalten von Neuronen zu modulieren. Das Wachstum der Neuronen wurde auf substrat- und polymergestützten Lipiddoppelschichten mittels Phasenkontrastmikroskopie beobachtet. Die Quantifizierung der Neuritenlängen, -auswuchsgeschwindigkeiten und -verzweigungen zeigten kaum signifikante Unterschiede. Diffusionsmessungen (FRAP) ergaben, dass entgegen der Erwartungen, die Substrate sehr ähnliche Fluiditäten aufweisen. Die Betrachtung der zeitlichen Entwicklung des kollektiven Neuronenwachstums, also der Bildung von komplexen Netzwerken, offenbarte robuste „Kleine-Welt“-Eigenschaften und darüber hinaus unterschiedliche Stadien. Diese wurden durch graphentheoretische Analyse beschrieben, um anhand typischer Größen wie dem Clusterkoeffizienten und der kürzesten Pfadlänge zu zeigen, wie sich die Neuronen in einem frühen Stadium vernetzen, im Verlauf eine maximale Komplexität erreichen und letztlich das Netzwerk durch effiziente Umstrukturierung hinsichtlich kurzer Pfadlängen optimiert wird.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Excess caloric intake and/or obesity currently remain the largest predisposing risk factors for the development of type 2 diabetes. Discerning the cellular and molecular mechanisms responsible and amendable to therapy represents a growing challenge in medicine. At a cellular level, increased activity of the hexosamine biosynthesis pathway (HBP), a sensor of excess energy status, has been suggested to promote the exacerbation of insulin resistance through increasing adipose tissue and skeletal muscle membrane cholesterol content. This in turn compromises cortical filamentous actin structure necessary for proper incorporation of the insulin-sensitive glucose transporter GLUT4 into the plasma membrane. The current studies attempted to elucidate the mechanism by which hexosamines provoke membrane cholesterol toxicity and insulin resistance. In 3T3-L1 adipocytes cultured with pathophysiologic hyperinsulinemia to induce insulin resistance, increased HBP flux was observed. This occurred concomitant with gains in the mRNA and protein levels of HMG-CoA reductase (HMGR), the rate limiting enzyme in cholesterol synthesis. Mechanistically, immunoprecipitation demonstrated increased HBP-induced N-acetylglucosamine (O-GlcNAc) modification of specificity protein 1 (Sp1), a regulator of HMGR synthesis. This was associated with increased affinity toward and activity of Hmgcr, the gene encoding HMGR. Global HBP inhibition or Sp1 binding to DNA prevented membrane cholesterol accrual, filamentous actin loss, and glucose transport dysfunction. Furthermore, hyperinsulinemia and HBP activation impaired cholesterol efflux in adipocytes, exacerbating cholesterol toxicity and potentially contributing to cardiovascular disease. In this regard, chromium picolinate (CrPic), known to have beneficial effects on glucose and lipoprotein metabolism, improved cholesterol efflux and restored membrane cholesterol content. To test the role of membrane cholesterol accumulation in vivo, studies were conducted on C57Bl/6J mice fed a low or high fat diet. High fat feeding promoted increased HBP activity, membrane cholesterol accumulation, and insulin resistance. Supplementation of mice with CrPic in their drinking water (8µg/kg/day) countered these derangements and improved insulin sensitivity. Together, these data provide mechanistic insight for the role of membrane cholesterol stress in the development of insulin resistance, as well as cardiovascular disease, and highlight a novel therapeutic action of chromium entailing inhibition of the HBP pathway.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / An investigation of the lipid metabolism pathway in the yeast Yarrowia lipolytica was conducted. Yarrowia is an oleaginous ascomycete that is capable of growing on many different substrates, which derives its name from its high efficiency of growth on lipids. Once the exogenous lipids are converted into free fatty acids and internalized by the yeast, the primary mode of degradation is through β-oxidation mediated by the peroxisomal oxidases, or POX genes. These enzymes catalyze the formation of a trans double bond, producing the trans-2-enoyl product. Our study looked at the comparison of the Y. lipolytica prototrophic strain against a knockout of the Pox2 gene on the uptake, incorporation, and degradation of relevant fatty acids. To construct this gene knockout, a novel gene deletion method using a combination of Cre recombinase and the AHAS* gene was synthesized, developed, and tested successfully. This knockout system allows for serial deletion of genes with the use of only one resistance marker, with excision of the marker after selection.

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