6 Abstract This master's thesis provides study of individual helixes from C-terminal pore-forming domain (CTD) of colicin U and their behavior in lipid bilayer on atomic level. For this purpose the all-atom molecular simulation method was used. Later the study was extended an applied on CTD of published structures of other pore-forming colicins. On the base of study extension the ability of disruption of lipid bilayer integrity by helixes H1 and H10 was successfully observed. Helix H1 was synthesized and its activity was experimentally proved on black lipid membranes. The other helixes are often too short to be able to keep position in lipid bilayer and their behavior could be affected by artificial termini, therefore they were not synthesized. The MD simulations of pairs of helixes show that structure stability and their ability to stay in the membrane depends on binding partners. The results of the thesis show the importance of H10 for colicin pore-formation, which has not been observed yet. The results also support the toroidal pore model suggested previously for colicin E1. The results prove that colicins contain specific secondary structures, which are able to disrupt the inner bacterial membrane not only in its native form but also when artificially separated from the rest of the protein. Klíčová...

L’objectif de ce travail est de caractériser l’interaction entre le Lanréotide – un octapeptide dicationique – et des membranes composées de lipides. Bien que ce peptide soit très soluble, il possède des propriétés d’autoassemblage. Au-delà d’une concentration critique – qui est sensible à la température et à la force ionique – ce peptide s’auto-assemble en nanotubes dont la structure a été résolue par l’équipe. Ce travail de thèse comporte deux volets : d’une part l’étude de l’interaction entre le Lanréotide et des membranes anioniques, d’autre part l’étude de l’interaction entre le Lanréotide et des membranes neutres.Nous adoptons une approche structurale afin de caractériser les mélanges membrane-peptide : diffusion de rayons X, spectroscopie infrarouge (ATR-FTIR), microscopie électronique (coloration négative et cryofracture) ; ainsi qu’une approche quantitative (ultrafiltration et dosage) afin de déterminer la stœchiométrie des interactions. En présence de lipides anioniques, le Lanréotide interagit en totalité avec les membranes jusqu’à les saturer. Cette interaction, qui n’est pas abolie à forte force ionique (2M de NaCl ou de phosphate), provoque un autoassemblage du peptide à la surface des membranes. Ce phénomène génère des autoassemblages mixtes constitués d’un empilement de bicouches de peptide prises en sandwich entre des bicouches de lipides. Ces empilements s’enroulent selon une spirale d’Archimède, c’est-à-dire une spirale régulière dont le pas est constant. Dans ces assemblages mixtes le peptide est organisé dans un nouveau mode d’assemblage dont la structure est ici résolue.Dans le cas des mélanges membranes neutre-Lanréotide, un coefficient de partage du peptide entre l’eau et les lipides est mis en évidence. Ceci suggère que dans ces conditions le peptide peut traverser les membranes. Enfin l’interaction du Lanréotide avec ces membranes provoque une diminution de sa concentration critique d’assemblage. / The aim of this work is to characterize the interaction between the Lanreotide – a dicationic octapeptide – and membranes composed of lipids. Even if the peptide is very soluble, it has self-assembling properties. Above the critical concentration – which is sensitive to both temperature and ionic strength – the peptide self-assembles into nanotubes whose structure has been solved by the team. The present work is divided into two parts: on one side the study of the interaction of the Lanreotide with anionic membranes, on the other one the study of the interaction of the Lanreotide with neutral membranes.We adopted a structural approach to characterize the membrane-peptide mixture: X-ray scattering, vibrational spectroscopy (ATR-FTIR), electron microscopy (negative staining and freeze-fracture) ; we also used a quantitative approach (ultrafiltration and peptide quantification) in order to determine the stoichiometry of the interaction. In the presence of anionic lipids, the peptide interacts with membranes until its saturation. This interaction, which is not abolished at high ionic strength (2M NaCl or phosphate), induces the self-assembly of the peptide at the surface of the membrane. This phenomenon generates mixed self-assemblies composed of a stack of peptide bilayers sandwiched by lipids bilayers. These stacks wrap into an Archimedian spiral which is a regular spiral with a constant step. In these mixed assemblies, the peptide is organized in a new architecture compared to the self-assemble nanotubes. This new structure has been characterized and solved in this study.In the case of neutral membrane-Lanreotide mixture, the peptide partitions between water and lipids. This observation suggests that in this condition the peptide is able to cross the membranes. The peptide-membrane interaction also decreases the critical concentration of the peptide.

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Die Aufklärung der Prozesse, die zur Zusammensetzung des Influenza A Virus führen, ist Bestandteil für die Bekämpfung dieser Infektionskrankheit. Der Viruspartikel setzt sich aus einer Hülle, der darunter liegenden Matrix und dem Genom zusammen. Das Genom ist als Bündel aus acht Ribunucleoproteinkomplexen organisiert. Die Hülle besteht aus einer Membran, die mit Sphingomyelin und Cholesterol angereichert ist und den darin eingebetteten Membranproteinen Hämagglutinin, Neuraminidase und dem Protonenkanal M2. Die unter der Hülle liegende Matrix wird von einem einzigen Influenzaprotein formiert: Dem Matrixprotein M1. Es spielt eine Schlüsselrolle im Replikationszyklus des Virus in der Zelle. Es interagiert mit dem genetischen Material, mit den Membranproteinen und der Lipidmembran der Hülle. Die vorliegende Arbeit gibt Auskunft, welche Lipide eine Rolle in der M1-MembranWechselwirkung spielen. Die Liste der identifizierten Lipide umfasst neben dem bereits bekannten Phosphatidylserin auch Phosphatidylglycerol und Phosphatidsäure. Verschiedene Phosphatidylinositole konnten ebenfalls identifiziert werden. Als stärkster M1 Bindungspartner trat dabei Phosphatidylinositol-4-Phosphat zutage. Weitere auf Mutanten basierende Untersuchungen zeigten, dass der membranbindende Bereich nicht auf eine einzelne Domäne in M1 festgelegt werden kann. Die N-terminale M1-Domäne mit ihrem Oberflächen-exponierten, positiv geladenen Areal und die C-terminale Domäne interagierten mit Modellmembranen. Das Resultat dieser Interaktionen konnte mittels mikroskopischer Untersuchungen an gigantischen unilamellaren Vesikeln dokumentiert werden. Für M1 und für eine Mutante, die nur aus der N-terminalen M1-Domäne besteht, konnte eine von anderen viralen Proteinen unabhängige homooligomere Organisation auf der Membran gezeigt werden. Diese M1-Cluster könnten während der Zusammensetzung des Viruspartikels als Fundament für die Eingliederung aller weiteren viralen Komponenten dienen. / about the assembly process of the influenza A virus particle is essential for the development of effective approaches for prevention and treatment of this virus infection. The virus particle consists of an envelope, an underlying matrix, and the encapsulated genome. The genetic material is organized as bundle of eight ribonucleoprotein complexes that encode for eleven proteins. The envelope consists of a lipid bilayer that is enriched in sphingomyelin and cholesterol. The viral spike proteins, hemagglutinin and neuraminidase, as well as the proton channel M2 are embedded into this membrane. The matrix can be found below the envelope. It is formed by one single protein, the matrix protein M1. M1 plays a crucial role during the replication of the virus in the cell. It interacts with the genetic material, with the envelope proteins and with the lipid bilayer of the envelope. The results of this study reveal in detail which lipids are targeted by M1. The set of identified lipids contains phosphatylglycerol and phosphatidic acids as new binding partners, beside the known phophatidylserine. Additionally, several phosphatidylinositols were identified. Phosphatidylinositol-4-phosphate was the strongest binding partner from this group. Mutant-based analysis revealed that M1 owns more than one membrane binding site. The positively charged area in the N-terminal and the C-terminal domain mediated membrane association of the respective mutant protein. The final constitution of M1 on the membrane was characterized by confocal fluorescence microscopy on giant unilamellar vesicles. Full length M1 and a mutant that consisted only of the N-terminal part of M1 showed lateral clustering of homooligomers on the vesicle surface. The clusters formed independently of any other viral component. A function as fundament for the incorporation of the other viral components can be assumed for these clusters.

Das Amyloid-beta Peptid (Ab) ist der Hauptbestandteil der extrazellulären Plaques bei der Alzheimerschen Krankheit. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die Mechanismen der Wechselwirkungen des Ab mit der Plasmamembran und der nachfolgenden zellulären Aufnahme aufzuklären. Die Aggregation, die zelluläre Aufnahme und die Zytotoxizität von Ab42 wurden durch Verwendung von fluoreszenzmarkierten Ab42 in einem Neuroblastomzellkulturmodell untersucht. Sowohl bei Inkubation mit Monomeren als auch mit Aggregaten wurde in den Zellen Ab42 detektiert. Dabei binden Ab42 Monomere und kleine Aggregate zunächst an die Zellmembran. Allerdings erfolgt keine direkte Aufnahme von Monomeren in die Zelle. Erst nach Ausbildung von Aggregaten mit geordneter Sekundärstruktur wurde Ab42 in den endozytotischen Vesikel detektiert. Voraussetzung für den an der Membran ablaufenden Aggregationsprozess ist, dass die Monomere oberhalb einer kritischen Konzentration anwesend sind, um eine Bildung von beta-Faltblatt-Strukturen (bF) und entsprechenden Aggregaten zu ermöglichen. Ab42 Aggregate, die sich durch eine bF auszeichneten, benötigten keine kritische Schwellenkonzentration für die endozytotische Aufnahme. Eng mit der Aufnahme von Ab42 Aggregaten war die Veränderung des zellulären Metabolismus verbunden. Um die Wechselwirkung zwischen Ab und der Membrannäher zu charakterisieren, wurden Modellmembransystemen einschl. riesigen Membranvesikeln genutzt. Dabei wurde beobachtet, dass sowohl Ab42 als auch Ab40 Einstülpungen in der Membran induzieren können. Kleine Aggregate beider Isoformen, die noch keine bF aufweisen, interagierten bevorzugt mit der ungeordneten Lipidphase und induzierten dabei eine negative Membrankrümmung. Diese Beobachtungen legen den Schluss nahe, dass möglicherweise das Ab selbst den endozytotischen Prozess unterstützt oder diesen sogar einleiten könnte. Dies könnte auch auf eine mögliche physiologische Funktion von Ab Aggregaten, die nicht toxisch sind, hindeuten. / The accumulation of Amyloid beta peptide 1-42 (Ab42) in extracellular plaques is one of the pathological hallmarks of Alzheimer’s disease. Several studies have suggested that a cellular reuptake of Ab42 may be a crucial step in its cytotoxicity, but mechanisms of Ab-membrane interaction and subsequent cellular uptake are not yet understood. The first aim of the present study is to answer the question whether aggregate formation is a prerequisite or a consequence of Ab-membrane interaction and of Ab endocytosis. We visualized aggregate formation of fluorescently labeled Ab42 by Förster resonance energy transfer and tracked its internalization by human neuroblastoma cells. Both monomeric and aggregated Ab42 entered the cells, however, monomer uptake faced a concentration threshold and occurred only at concentrations and time scales that allowed beta-sheet-rich (bS) aggregates to form. By uncoupling membrane binding from internalization, we found that Ab42 monomers as well as small aggregate species bound rapidly to the plasma membrane and formed bS aggregates. These structures were subsequently taken up and accumulated in endocytic vesicles. This process correlated with inhibition of cellular metabolism activities. Our data therefore imply that the formation of bS aggregates at the cell membrane is a prerequisite for Ab42 uptake and cytotoxicity. The second aim of the study is to investigate the Ab-membrane interaction in vitro by using giant unilamellar vesicles and giant plasma membrane vesicles as model membrane systems. We found that both Ab isoforms, Ab42 and Ab40, interacted with the liquid disordered phase of model membranes. Early aggregation intermediates, which did not yet bind to the amyloiddophilic dye Thioflavin T, induced negative membrane curvature. The ability of Ab to induce membrane deformation suggests that Ab may facilitate its own endocytosis. It also hints at a possible physiological function of non-toxic Ab aggregate species.

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Die Aufgabe des Proteins Arrestin ist die Beendigung der Signalweitergabe über den GPCR Signalweg. In Stäbchenzellen bindet Arrestin an Licht-aktiviertes phosphoriliertes Rhodopsin um die Signalweitergabe zu unterdrücken. Die Bindung von Arrestin an Rhodopsin erfolgt in zwei Schritten. Zunächst wechselwirkt Arrestin mit dem phosphorilierten C-Terminus von Rhodopsin und bildet einen prä-Komplex, dies induziert Konformationsänderungen im Arrestin wodurch die Bildung eines High-affinity Komplex unter Kopplung an den helikalen Kern des aktivierten Rezeptors erfolgen kann. Biochemische Untersuchungen und Kristallstrukturen haben einen Einblick in die Konformation des Komplexes aus Arrestin und Rhodopsin ermöglicht. In dieser Arbeit werden site-directed Fluorezenz Experimente angewandt um die strukturellen Änderungen zu untersuchen, die bei der Bindung von Arrestin an Rhodopsin ablaufen und der nterschiedlichen Bindungsmodi innerhalb der Wechselwirkung zwischen Arrestin und Rhodopsin. Insbesondere wird hier eine, bisher nicht beschriebene, Assoziation von Arrestin an die Membran untersucht. Des Weiteren wurden Erkenntnisse über die Struktur des prä-Komplexes gewonnen. Die Konformation vom Arrestin im prä-Komplex scheint die Konformation im Basalzustand nachzubilden unter Beteiligung zweier Kontaktstellen: Interaktion mit dem phosphorilierten C-Terminus des Rezeptors und Assoziation mit der Membran. Beim Übergang in den High-affinity Komplex durchläuft Arrestin eine Konformationsänderung in eine aktivere Konformation: der C-Terminus wird verdrängt, es erfolgt eine Neuausrichtung der zentralen flexiblen Schleifen und die Orientierung des Membranankers ändert sich. Die Aufgabe des prä-Komplexes ist somit Arrestin und den Rezeptor zusammen zu bringen sowie die korrekte Orientierung sicherzustellen um einen schnellen Übergang in den High-affinity Komplex zu ermöglichen. / The protein arrestin is responsible for termination of GPCR signalling. In the rod cell, arrestin binds light-activated phosphorylated rhodopsin in order to block further signal transduction. The binding of arrestin to rhodopsin is a two-step process. Arrestin first interacts with the phosphorylated receptor C-terminus in a pre-complex, which induces conformational changes in arrestin that allow coupling to the helical core of the active receptor in a high-affinity complex. Biochemical studies and crystal structures have provided insights into the conformation of the arrestin-rhodopsin complex. This dissertation describes site-directed fluorescence experiments, which were carried out to further investigate the conformational changes occurring upon arrestin binding to rhodopsin and the nature of different binding modes of the arrestin-rhodopsin interaction. In particular this involved characterization of a previously unidentified association of arrestin with the membrane, as well as further elucidation of the structure of the pre-complex. The conformation of arrestin in the pre-complex is indicated to resemble that of the basal state of arrestin, and involves two sites of contact: interaction with the phosphorylated receptor C-terminus, and association with the membrane. Upon transition to the high-affinity complex, arrestin undergoes a conformational change to a more active conformation: the auto-inhibitory C-tail is displaced, there is movement within the central flexible loops, and the orientation of the membrane anchor changes. The pre-complex therefore most likely functions to bring arrestin and the receptor into close contact, and in the correct orientation, to allow for fast transition to the high-affinity complex.