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Determining the structure and mechanisms of all individual functional modules of cells at high molecular detail has often been seen as equal to understanding how cells work. Recent technical advances have led to a flush of high-resolution structures of various macromolecular machines, but despite this wealth of detailed information, our understanding of cellular function remains incomplete. Here, we discuss present-day limitations of structural biology and highlight novel technologies that may enable us to analyze molecular functions directly inside cells. We predict that the progression toward structural cell biology will involve a shift toward conceptualizing a 4D virtual reality of cells using digital twins. These will capture cellular segments in a highly enriched molecular detail, include dynamic changes, and facilitate simulations of molecular processes, leading to novel and experimentally testable predictions. Transferring biological questions into algorithms that learn from the existing wealth of data and explore novel solutions may ultimately unveil how cells work.
The ubiquitin (Ub) code denotes the complex Ub architectures, including Ub chains of different length, linkage-type and linkage combinations, which enable ubiquitination to control a wide range of protein fates. Although many linkage-specific interactors have been described, how interactors are able to decode more complex architectures is not fully understood. We conducted a Ub interactor screen, in humans and yeast, using Ub chains of varying length, as well as, homotypic and heterotypic branched chains of the two most abundant linkage types – K48- and K63-linked Ub. We identified some of the first K48/K63 branch-specific Ub interactors, including histone ADP-ribosyltransferase PARP10/ARTD10, E3 ligase UBR4 and huntingtin-interacting protein HIP1. Furthermore, we revealed the importance of chain length by identifying interactors with a preference for Ub3 over Ub2 chains, including Ub-directed endoprotease DDI2, autophagy receptor CCDC50 and p97-adaptor FAF1. Crucially, we compared datasets collected using two common DUB inhibitors – Chloroacetamide and N-ethylmaleimide. This revealed inhibitor-dependent interactors, highlighting the importance of inhibitor consideration during pulldown studies. This dataset is a key resource for understanding how the Ub code is read.
Microbial rhodopsins are omnipresent on Earth, however the vast majority of them remain uncharacterized. Here we describe a new rhodopsin group from cold-adapted organisms and cold environments, such as glaciers, denoted as CryoRhodopsins (CryoRs). Our data suggest that CryoRs have dual functionality switching between inward transmembrane proton translocation and photosensory activity, both of which can be modulated with UV light. CryoR1 exhibits two subpopulations in the ground state, which upon light activation lead to transient photocurrents of opposing polarities. A distinguishing feature of the group is the presence of a buried arginine residue close to the cytoplasmic face of its members. Combining single-particle cryo-electron microscopy and X-ray crystallography with the rhodopsin activation by lit, we demonstrate that the arginine stabilizes a UV-absorbing intermediate of an extremely slow CryoRhodopsin photocycle. Together with extensive spectroscopic characterization, our investigations on CryoR1 and CryoR2 proteins reveal mechanisms of photoswitching in the newly identified group and demonstrate principles of the adaptation of these rhodopsins to low temperatures.Microbial rhodopsins are omnipresent on Earth, however the vast majority of them remain uncharacterized. Here we describe a new rhodopsin group from cold-adapted organisms and cold environments, such as glaciers, denoted as CryoRhodopsins (CryoRs). Our data suggest that CryoRs have dual functionality switching between inward transmembrane proton translocation and photosensory activity, both of which can be modulated with UV light. CryoR1 exhibits two subpopulations in the ground state, which upon light activation lead to transient photocurrents of opposing polarities. A distinguishing feature of the group is the presence of a buried arginine residue close to the cytoplasmic face of its members. Combining single-particle cryo-electron microscopy and X-ray crystallography with the rhodopsin activation by light, we demonstrate that the arginine stabilizes a UV-absorbing intermediate of an extremely slow CryoRhodopsin photocycle. Together with extensive spectroscopic characterization, our investigations on CryoR1 and CryoR2 proteins reveal mechanisms of photoswitching in the newly identified group and demonstrate principles of the adaptation of these rhodopsins to low temperatures.
Microbial rhodopsins are omnipresent on Earth, however the vast majority of them remain uncharacterized. Here we describe a new rhodopsin clade from cold-adapted organisms and cold environments, such as glaciers, denoted as CryoRhodopsins (CryoRs). Our data suggest that CryoRs have photosensory activity. A distinguishing feature of the clade is the presence of a buried arginine residue close to the cytoplasmic face of its members. Combining single-particle cryo-electron microscopy and X-ray crystallography with the rhodopsin activation by light, we demonstrate that the arginine stabilizes a strongly blue-shifted intermediate of an extremely slow CryoRhodopsin photocycle. Together with extensive spectroscopic characterization, our investigations on CryoR1 and CryoR2 proteins reveal mechanisms of photoswitching in the newly identified clade and demonstrate principles of the adaptation of these rhodopsins to low temperatures.
Nuclear pore complexes (NPCs) constitute giant channels within the nuclear envelope that mediate nucleocytoplasmic exchange. NPC diameter is thought to be regulated by nuclear envelope tension, but how such diameter changes are physiologically linked to cell differentiation, where mechanical properties of nuclei are remodeled and nuclear mechanosensing occurs, remains unstudied. Here we used cryo-electron tomography to show that NPCs dilate during differentiation of mouse embryonic stem cells into neural progenitors. In Nup133-deficient cells, which are known to display impaired neural differentiation, NPCs however fail to dilate. By analyzing the architectures of individual NPCs with template matching, we revealed that the Nup133-deficient NPCs are structurally heterogeneous and frequently disintegrate, resulting in the formation of large nuclear envelope openings. We propose that the elasticity of the NPC scaffold mechanically safeguards the nuclear envelope. Our studies provide a molecular explanation for how genetic perturbation of scaffolding components of macromolecular complexes causes tissue-specific phenotypes.
Upon infection, human immunodeficiency virus (HIV-1) releases its cone-shaped capsid into the cytoplasm of infected T-cells and macrophages. As its largest known cargo, the capsid enters the nuclear pore complex (NPC), driven by interactions with numerous FG-repeat nucleoporins (FG-Nups). Whether NPCs structurally adapt to capsid passage and whether capsids are modified during passage remains unknown, however. Here, we combined super-resolution and correlative microscopy with cryo electron tomography and molecular simulations to study nuclear entry of HIV-1 capsids in primary human macrophages. We found that cytosolically bound cyclophilin A is stripped off capsids entering the NPC, and the capsid hexagonal lattice remains largely intact inside and beyond the central channel. Strikingly, the NPC scaffold rings frequently crack during capsid passage, consistent with computer simulations indicating the need for NPC widening. The unique cone shape of the HIV-1 capsid facilitates its entry into NPCs and helps to crack their rings.
The lipid content of skin plays a determinant role in its barrier function with a particularly important role attributed to linoleic acid and its derivatives. Here we explored the consequences of interfering with the soluble epoxide hydrolase (sEH) on skin homeostasis. sEH; which converts fatty acid epoxides generated by cytochrome P450 enzymes to their corresponding diols, was largely restricted to the epidermis which was enriched in sEH-generated diols. Global deletion of the sEH increased levels of epoxides, including the linoleic acid-derived epoxide; 12,13-epoxyoctadecenoic acid (12,13-EpOME), and increased basal keratinocyte proliferation. sEH deletion (sEH-/- mice) resulted in thicker differentiated spinous and corneocyte layers compared to wild-type mice, a hyperkeratosis phenotype that was reproduced in wild-type mice treated with a sEH inhibitor. sEH deletion made the skin sensitive to inflammation and sEH-/- mice developed thicker imiquimod-induced psoriasis plaques than the control group and were more prone to inflammation triggered by mechanical stress with pronounced infiltration and activation of neutrophils as well as vascular leak and increased 12,13-EpOME and leukotriene (LT) B4 levels. Topical treatment of LTB4 antagonist after stripping successfully inhibited inflammation and neutrophil infiltration both in wild type and sEH-/- skin. While 12,13-EpoME had no effect on the trans-endothelial migration of neutrophils, like LTB4, it effectively induced neutrophil adhesion and activation. These observations indicate that while the increased accumulation of neutrophils in sEH-deficient skin could be attributed to the increase in LTB4 levels, both 12,13-EpOME and LTB4 contribute to neutrophil activation. Our observations identify a protective role of the sEH in the skin and should be taken into account when designing future clinical trials with sEH inhibitors.
Correlative dynamic imaging of cellular landmarks, such as nuclei and nucleoli, cell membranes, nuclear envelope and lipid droplets is critical for systems cell biology and drug discovery, but challenging to achieve with molecular labels. Virtual staining of label-free images with deep neural networks is an emerging solution for correlative dynamic imaging. Multiplexed imaging of cellular landmarks from scattered light and subsequent demultiplexing with virtual staining leaves the light spectrum for imaging additional molecular reporters, photomanipulation, or other tasks. Current approaches for virtual staining of landmark organelles are fragile in the presence of nuisance variations in imaging, culture conditions, and cell types. We report training protocols for virtual staining of nuclei and membranes robust to variations in imaging parameters, cell states, and cell types. We describe a flexible and scalable convolutional architecture, UNeXt2, for supervised training and self-supervised pre-training. The strategies we report here enable robust virtual staining of nuclei and cell membranes in multiple cell types, including human cell lines, neuromasts of zebrafish and stem cell (iPSC)-derived neurons, across a range of imaging conditions. We assess the models by comparing the intensity, segmentations, and application-specific measurements obtained from virtually stained and experimentally stained nuclei and cell membranes. The models rescue missing labels, non-uniform expression of labels, and photobleaching. We share three pre-trained models (VSCyto3D, VSNeuromast, and VSCyto2D) and a PyTorch-based pipeline (VisCy) for training, inference, and deployment that leverages current community standards for image data and metadata.
Hidradenitis suppurativa ist eine multifaktoriell-bedingte chronisch entzündliche Hauterkrankung, die durch eine Okklusion der Talgdrüseneinheit des Haarfollikels entsteht. Aus der anschließend mit Entzündung einhergehenden Ruptur des Haarfollikels entwickeln sich entzündliche Knoten, Abszesse und Fistelgänge. (39–41) In der weiteren Progression der Erkrankung kommt es zur Störung der Hautarchitektur und fibrotischen Narbenbildungen. (52) Durch Untersuchungen des entzündlichen Infiltrates konnte bereits die Beteiligung einer Reihe von Immunzellen und Entzündungsmediatoren identifiziert werden. Hierzu zählen Makrophagen, neutrophile Granulozyten, Dendritische Zellen, Lymphozyten, IL-1β sowie TNF-α. (41,45,46,51,53) Da die genaue Pathophysiologie der Hidradenitis suppurativa bislang unzureichend aufgeklärt ist, gibt es aktuell keine kausale Therapiemöglichkeit für die Betroffenen. (52) Die Wahl der Therapie wird anhand der Bewertung des Schweregrades nach Hurley getroffen. (25) Obwohl meisten Patientinnen und Patienten von der milden bis mittelschweren Form der Hidradenitis suppurativa (Hurley I und Hurley II) betroffen sind (98), werden die meisten Arzneimittel für die Behandlung von Hurley II und Hurley III von den Leitlinien empfohlen. Zu den empfohlenen Medikamenten gehören u. a. Rifampicin, meist in Kombination mit Clindamycin, sowie der TNF-α-Inhibitor Adalimumab (18,85), welche effektiv und systemisch wirken. Durch die entstehenden Nebenwirkungen wäre die Behandlung der milden bis mittelschweren Hidradenitis suppurativa mit diesen Medikamenten allerdings unverhältnismäßig. Um jedoch den im Verlauf der Krankheit entstehenden Hautdestruktionen vorbeugen zu können, müssten die Medikamente möglichst früh eingesetzt werden. (228) Vor diesem Hintergrund sollte in Kooperation mit dem Institut für Pharmazeutische Technologie der Goethe Universität Frankfurt eine Rifampicin-Nanoformulierung zur Behandlung milder bis mittelschwerer Hidradenitis suppurativa entwickelt und im Labor der dermatologischen Klinik präklinisch validiert werden.
Daher wurde im ersten Teil der vorliegenden Arbeit ein Epidermismodell aus der Haut betroffener Patientinnen und Patienten generiert, um die Rifampicin-Nanoformulierung validieren zu können. Dieses wies eine mehrschichtige Epidermis mit allen wichtigen Differenzierungsmarkern ähnlich der läsionalen Hidradenitis suppurativa auf und schüttete die proinflammatorischen Zytokine IL-1β und TNF-α aus. Als weiteres Modell wurden ex vivo Explantate aus läsionaler Hidradenitis suppurativa Haut etabliert. Für die Bewertung der Validität der Explantatkulturen wurde die Morphologie und Integrität der Epidermis mittels Hämatoxylin-Eosin sowie der Proliferationsmarker Ki-67 näher beleuchtet. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden Untersuchungen für die Festlegung eines Konzentrationsbereichs, unter Verwendung von Rifampicin in DMSO gelöst als in vitro Behandlung, durchgeführt.
Hierbei wurde gezeigt, dass die eingesetzten Konzentrationen keine negativen Effekte bezüglich Proliferationsfähigkeit der Keratinozyten oder Apoptoseinduktion ausüben. Die Behandlung von nicht entzündlichen Epidermismodellen sowie Explantatkulturen mit der Rifampicin-Nanoformulierung mit einem Wirkstoffgehalt von 0,3 % führte ebenfalls zu keinen Proliferationsverlusten, induzierte keine Apoptose oder Zytotoxizität und hatte keinen Einfluss auf die Differenzierung der Keratinozyten. Im letzten Teil der Arbeit sollte die Wirksamkeit der Rifampicin-Nanoformulierung näher beleuchtet werden. Als Antibiotikum inhibiert Rifampicin die DNA-abhängige RNA-Polymerase von Bakterien (107,108), weshalb es bei der Behandlung der Tuberkulose eingesetzt wird. (111–113) Die Hidradenitis suppurativa ist aber primär keine Infektionskrankheit, sondern eine von Bakterien getriggerte, entzündliche Erkrankung. (19,52,82) Aus diesem Grund ist der positive Effekt der systemischen Rifampicintherapie vermutlich vielmehr auf eine antiphlogistische Wirkung zurückzuführen. Diese Überlegung wird durch mehrere Artikel gestützt, die zeigten, dass Rifampicin die Ausschüttung von IL-1β und TNF-α in unterschiedlichen in vitro und in vivo Modellen hemmt. (89–91,96,97) Die anschließenden Untersuchungen zur Wirksamkeit einer in vitro Rifampicinbehandlung bestätigten die antientzündliche Wirkung in den Explantatkulturen indem es die Sekretion von IL-1β, IL-6, IL-8, IL-10 und TNF-α verminderte. Ebenso senkte die Rifampicin-Nanoformulierung die Ausschüttung von IL-1β in den ex vivo Explantaten, was somit die in der klinischen Praxis beobachteten antiinflammatorischen Wirkung von Rifampicin belegt. Des Weiteren stellte sich in Untersuchungen heraus, dass Rifampicin zu einer reduzierten Zahl CD4(+)-T-Zellen führte, aber auf die CD3(+)-T-Zellen keine Auswirkungen hatte, was auf eine Veränderung des T-Zell Phänotyps hinweist.
Aufgrund der vorliegenden Ergebnisse zur Validierung der Rifampicin-Nanoformulierung, spricht nichts gegen die Testung der Rifampicin-Nanoformulierung in einem individuellen Heilversuch am Menschen.
Highlights
• Cryo-EM structures of the yeast low-affinity phosphate importer ScPho90
• Complementary structures reveal insights into the substrate translocation mechanism
• Comparisons with homologous transporters highlight the conserved transport mechanism
• Regulation by the SPX domain is discussed
Summary
Phosphate homeostasis is essential for all living organisms. Low-affinity phosphate transporters are involved in phosphate import and regulation in a range of eukaryotic organisms. We have determined the structures of the Saccharomyces cerevisiae phosphate importer Pho90 by electron cryomicroscopy in two complementary states at 2.3 and 3.1 Å resolution. The symmetrical, outward-open structure in the presence of phosphate indicates bound substrate ions in the binding pocket. In the absence of phosphate, Pho90 assumes an asymmetric structure with one monomer facing inward and one monomer facing outward, providing insights into the transport mechanism. The Pho90 transport domain binds phosphate ions on one side of the membrane, then flips to the other side where the substrate is released. Together with functional experiments, these complementary structures illustrate the transport mechanism of eukaryotic low-affinity phosphate transporters.
Inorganic phosphate is one of the most abundant and essential nutrients in living organisms. It plays an indispensable role in energy metabolism and serves as a building block for major cellular components such as the backbones of DNA and RNA, headgroups of phospholipids and in posttranslational modifcations of many proteins. Disturbances in cellular phosphate homeostasis have a detrimental effect on the viability of cells. There- fore, both the import and export of phosphate is strictly regulated in eukaryotic cells. In the eukaryotic model organism Saccharomyces cerevisiae, the uptake of phosphate is carried out either by transporters with high affinity or by transporters with low affinity, depending on the cytosolic phosphate concentration. While structures are available for homologues of the high-affinity transporters, no structures of low-affinity transporters have been solved so far. Interestingly, only the low-affinity transporters have a regulatory SPX domain, which is found in various proteins involved in phosphate homeostasis.
In this work, structures of Pho90 from Saccharomyces cerevisiae, a low-affinity phosphate transporter, were solved by cryo-EM, providing insights into its transport mechanism. The dimeric structure resembles the structures of proteins of the divalent anion symporter superfamily (DASS) and of mammalian transporters of the solute carrier 13 (SLC13) family. The transmembrane domain of each protomer consists of 13 helical elements and can be subdivided into scaffold and transport domains. The structure of ScPho90 in the presence of phosphate shows the phosphate binding site within the transporter domain in an outward-open conformation with a bound phosphate ion and two sodium ions. In the absence of phosphate, an asymmetric dimer structure was determined, with one protomer adopting an inward-open conformation. While the dimer contact and the scaffold domain are identical in both conformations, the transport domain is rotated by about 30° and shifted by 11 Å towards the cytoplasmic side, leading to the accessibility of the binding pocket from the cytoplasm. Based on these findings and by comparison with known structures, a phosphate transport mechanism is proposed in the present work that involves substrate binding on the extracellular side, conformational change by a rigid-body motion of the transport domain, in an "elevator-like" motion, and substrate release into the cytoplasm. The regulatory SPX domain is not well resolved in the ScPho90 structures, so that no direct conclusions were drawn about its regulatory mechanism. The findings provide new insights into the function and mechanism of eukaryotic low-affinity phosphate transporters.
While eukaryotic cells express various phosphate import proteins, most eukaryotes have only a single highly conserved and essential phosphate exporter. These exporters show no sequence homology to other transporters of known structure, but also possess a regulatory SPX domain. In this work, the structural basis for eukaryotic phosphate export is investigated by elucidating the structures of the homologous phosphate exporters Syg1 from Saccharomyces cerevisiae and Xpr1 from Homo sapiens, using cryo-EM. The structures of ScSyg1 and HsXpr1 show a conserved homodimeric structure and the transmembrane part of each protomer consists of 10 TM helices. Helix TM1 establishes the dimer contact by means of a glycine zipper motif, which is a known oligomerization motif. Helices TM2-5 form a hydrophobic pocket that has density for a lipid molecule. Whether the lipid binding into the hydrophobic pocket has an allosteric effect on the phosphate export activity or only serves protein stabilization is not known. Helices TM5-10 form a six-helix bundle, which constitutes a putative phosphate translocation pathway in its center. This bundle is formed by the protein sequence annotated as EXS domain.
The respective phosphate translocation pathways of ScSyg1 and HsXpr1 show structural differences. While the translocation pathway in HsXpr1 is accessible from the cytoplasm, in ScSyg1 it is closed by a large loop of the SPX domain. Interestingly, this loop is not conserved in higher eukaryotes and is therefore not present in HsXpr1. Another difference are distinct conformations of helix TM9. In ScSyg1, TM9 adopts a kinked conformation, which results in the translocation pathway being open to the extracellular side. In contrast, TM9 adopts a straight conformation in HsXpr1, resulting in the placement of a highly conserved tryptophane residue in the middle of the translocation pathway. As a result, the translocation pathway in HsXpr1 is closed to the extracellular side.
Stimulated emission depletion (STED) microscopy is a super-resolution technique that surpasses the diffraction limit and has contributed to the study of dynamic processes in living cells. However, high laser intensities induce fluorophore photobleaching and sample phototoxicity, limiting the number of fluorescence images obtainable from a living cell. Here, we address these challenges by using ultra-low irradiation intensities and a neural network for image restoration, enabling extensive imaging of single living cells. The endoplasmic reticulum (ER) was chosen as the target structure due to its dynamic nature over short and long timescales. The reduced irradiation intensity combined with denoising permitted continuous ER dynamics observation in living cells for up to 7 hours with a temporal resolution of seconds. This allowed for quantitative analysis of ER structural features over short (seconds) and long (hours) timescales within the same cell, and enabled fast 3D live-cell STED microscopy. Overall, the combination of ultra-low irradiation with image restoration enables comprehensive analysis of organelle dynamics over extended periods in living cells.
ABC transporters are found in all organisms and almost every cellular compartment. They mediate the transport of various solutes across membranes, energized by ATP binding and hydrolysis. Dysfunctions can result in severe diseases, such as cystic fibrosis or antibiotic resistance. In type IV ABC transporters, each of the two nucleotide-binding domains is connected to a transmembrane domain by two coupling helices, which are part of cytosolic loops. Although there are many structural snapshots of different conformations, the interdomain communication is still enigmatic. Therefore, we analyzed the function of three conserved, charged residues in the intra-cytosolic loop 1 of the human homodimeric, lysosomal peptide transporter TAPL. Substitution of D278 in coupling helix 1 by alanine interrupted peptide transport by impeding ATP hydrolysis. Alanine substitution of R288 and D292, both localized next to the coupling helix 1 extending to transmembrane helix 3, reduced peptide transport but increased basal ATPase activity. Surprisingly, the ATPase activity of the R288A variant dropped in a peptide-dependent manner while ATPase activity of wildtype and D292A was unaffected. Interestingly, R288A and D292A mutants did not differentiate between ATP and GTP in respect of hydrolysis. However, in contrast to wildtype TAPL, only ATP energized peptide transport. In sum, D278 seems to be involved in bidirectional interdomain communication mediated by network of polar interactions while the two residues in the cytosolic extension of TMH3 are involved in regulation of ATP hydrolysis, most likely by stabilization of the outward facing conformation.
Dynamic imaging of landmark organelles, such as nuclei, cell membrane, nuclear envelope, and lipid droplets enables image-based phenotyping of functional states of cells. Multispectral fluorescent imaging of landmark organelles requires labor-intensive labeling, limits throughput, and compromises cell health. Virtual staining of label-free images with deep neural networks is an emerging solution for this problem. Multiplexed imaging of cellular landmarks from scattered light and subsequent demultiplexing with virtual staining saves the light spectrum for imaging additional molecular reporters, photomanipulation, or other tasks. Published approaches for virtual staining of landmark organelles are fragile in the presence of nuisance variations in imaging, culture conditions, and cell types. This paper reports model training protocols for virtual staining of nuclei and membranes robust to cell types, cell states, and imaging parameters. We developed a flexible and scalable convolutional architecture, named UNeXt2, for supervised training and self-supervised pre-training. The strategies we report here enable robust virtual staining of nuclei and cell membranes in multiple cell types, including neuromasts of zebrafish, across a range of imaging conditions. We assess the models by comparing the intensity, segmentations, and application-specific measurements obtained from virtually stained and experimentally stained nuclei and membranes. The models rescue the missing label, non-uniform expression of labels, and photobleaching. We share three pre-trained models, named VSCyto3D, VSCyto2D, and VSNeuromast, as well as VisCy, a PyTorch-based pipeline for training, inference, and deployment that leverages the modern OME-Zarr format.
Dynamic imaging of landmark organelles, such as nuclei, cell membrane, nuclear envelope, and lipid droplets enables image-based phenotyping of functional states of cells. Multispectral fluorescent imaging of landmark organelles requires labor-intensive labeling, limits throughput, and compromises cell health. Virtual staining of label-free images with deep neural networks is an emerging solution for this problem. Multiplexed imaging of cellular landmarks from scattered light and subsequent demultiplexing with virtual staining saves the light spectrum for imaging additional molecular reporters, photomanipulation, or other tasks. Published approaches for virtual staining of landmark organelles are fragile in the presence of nuisance variations in imaging, culture conditions, and cell types. This paper reports model training protocols for virtual staining of nuclei and membranes robust to label-free imaging parameters, cell states, and cell types. We developed a flexible and scalable convolutional architecture, named UNeXt2, for supervised training and self-supervised pre-training. The strategies we report here enable robust virtual staining of nuclei and cell membranes in multiple cell types, including neuromasts of zebrafish, across a range of imaging conditions. We assess the models by comparing the intensity, segmentations, and application-specific measurements obtained from virtually stained and experimentally stained nuclei and membranes. The models rescue the missing label, non-uniform expression of labels, and photobleaching. We share three pre-trained models, named VSCyto3D, VSCyto2D, and VSNeuromast, as well as VisCy, a PyTorch-based pipeline for training, inference, and deployment that leverages the modern OME-Zarr format.
Ziel dieser Arbeit ist die Identifikation des Einflusses klassischer Labormaterialien und alternativer Experimentiermaterialien auf fachdidaktische Anforderungen an ein gelungenes Experiment im Chemieunterricht. Dabei umfassen alternative Experimentiermaterialien sowohl Materialien aus der alltäglichen Lebenswelt von Schülerinnen und Schülern als auch Materialien aus dem Bereich der Medizintechnik, die anstelle von Materialien des gängigen Laborbetriebs im Chemieunterricht eingesetzt werden. Um den Einfluss des Experimentiermaterials auf entsprechende Anforderungen untersuchen zu können, wurden im Rahmen eines Mixed-Method-Designs zwei aufeinander aufbauende Studien durchgeführt. Bei Studie I handelt es sich um eine qualitative Interviewstudie unter N = 13 Chemielehrkräften, mit denen vor dem theoretischen Hintergrund fachdidaktischer Anforderungen an ein gelungenes Schulexperiment problemorientierte, leit-fadengestützte Interviews zu Vor- und Nachteilen beim Einsatz alternativer Experimentiermaterialien und klassischer Labormaterialien im Chemieunterricht geführt wurden. Anhand des gewonnenen Interviewmaterials wurden anschließend zunächst Eigenschaften identifiziert, in denen sich beide Materialpools voneinander unterscheiden, um davon ausgehend ein Kategoriensystem aufstellen zu können, das in Form einer Matrix den Einfluss dieser Materialeigenschaften auf organisatorische, experimentelle und affektive Anforderungen an ein Schulexperiment im Chemieunterricht darstellt. Dabei konnte in Bezug auf organisatorische Anforderungen insbesondere ein Einfluss des Experimentiermaterials auf zeitliche und finanzielle Rahmenbedingungen sowie auf Anforderungen zur Sicherheit beim Experimentieren im Chemieunterricht festgestellt werden. Ergebnisse zum Einfluss des Experimentiermaterials auf affektive und experimentelle Anforderungen an ein Schulexperiment wurden wiederum genutzt, um anschließend Hypothesen zum Einfluss des Experimentiermaterials auf entsprechende Anforderungen an gelungene Experimente im Chemieunterricht zu generieren, dabei an gelungene Schülerexperimente im Speziellen. Diese Hypothesen wurden in einer zweiten Studie quantitativ getestet. Innerhalb eines experimentellen Untersuchungsdesigns führten dazu insgesamt N = 293 Schülerinnen und Schüler eines von insgesamt fünf betrachteten Schülerexperimenten mit jeweils klassischem Labormaterial oder in einer jeweiligen Variante aus alternativem Experimentiermaterial durch. Im Anschluss beurteilten N = 237 Schülerinnen und Schüler im Rahmen einer Fragebogenerhebung ihre subjektive Wahrnehmung der Experimentiersituation bezüglich der Variablen Grad der Herausforderung, Beobachtbarkeit, Autonomieerleben, Anspannung/ Druck, Kompetenzerleben und Interesse/ Vergnügen. Mit Ausnahme des Kompetenzerlebens und der Beobachtbarkeit konnte zu allen betrachteten Variablen ein signifikanter Einfluss des Experimentiermaterials festgestellt werden. Um diese Ergebnisse der Hypothesentests näher beschreiben und differenzierter erläutern zu können, beantworteten die 237 Schülerinnen und Schüler zusätzlich offene Fragen zu den von ihnen verwendeten Experimentiermaterialien; mit N = 56 weiteren Schülerinnen und Schülern wurden aus diesem Grund außerdem leitfadengestützte Gruppeninterviews geführt. Um folglich auch aus Schülerperspektive möglichst allgemeingültige Einflüsse beider Materialpools auf fachdidaktische Anforderungen an ein gelungenes Schulexperiment zusammenfassen zu können, werden die Ergebnisse dieser qualitativen Datenerhebung ebenfalls in Form einer entsprechenden Matrix dargestellt und dabei von den konkret durchgeführten Experimenten abstrahiert. Neben dem bereits genannten Einfluss des Experimentiermaterials auf den von Schülerinnen und Schülern wahrgenommenen Grad der Herausforderung, das wahrgenommene Autonomieerleben, die/ den wahrgenommene/n Anspannung/ Druck beim Experimentieren sowie das wahrgenommene Interesse/ Vergnügen an der Experimentiersituation konnte dadurch insbesondere ein Materialeinfluss auf die Durchschaubarkeit eines Versuchsaufbaus und deren einzelner Bestandteile sowie auf die wahrgenommene Authentizität einer Experimentiersituation identifiziert werden. Dadurch zeigt die Gesamtuntersuchung auf theoretischer Ebene die Bedeutsamkeit des konkreten Experimentiermaterials als Qualitätsmerkmal des Chemieunterrichts und gibt Lehrkräften auf unterrichtspraktischer Ebene einen Überblick zu Potentialen und Grenzen alternativer Experimentiermaterialien im Vergleich zu etabliertem klassischem Labormaterial.
Movement of the Rieske domain of the iron–sulfur protein is essential for intramolecular electron transfer within complex III2 (CIII2) of the respiratory chain as it bridges a gap in the cofactor chain towards the electron acceptor cytochrome c. We present cryo-EM structures of CIII2 from Yarrowia lipolytica at resolutions up to 2.0 Å under different conditions, with different redox states of the cofactors of the high-potential chain. All possible permutations of three primary positions were observed, indicating that the two halves of the dimeric complex act independently. Addition of the substrate analogue decylubiquinone to CIII2 with a reduced high-potential chain increased the occupancy of the Qo site. The extent of Rieske domain interactions through hydrogen bonds to the cytochrome b and cytochrome c1 subunits varied depending on the redox state and substrate. In the absence of quinols, the reduced Rieske domain interacted more closely with cytochrome b and cytochrome c1 than in the oxidized state. Upon addition of the inhibitor antimycin A, the heterogeneity of the cd1-helix and ef-loop increased, which may be indicative of a long-range effect on the Rieske domain.
The human growth factor receptor MET is a receptor tyrosine kinase involved in cell proliferation, migration, and survival. MET is also hijacked by the intracellular pathogen Listeria monocytogenes. Its invasion protein, internalin B (InlB), binds to MET and promotes the formation of a signaling dimer that triggers the internalization of the pathogen. Here, we use a combination of structural biology, modeling, molecular dynamics simulations, and in situ single-molecule Förster resonance energy transfer (smFRET) experiments to elucidate the early events in MET activation by Listeria. Simulations show that InlB binding stabilizes MET in a conformation that promotes dimer formation. smFRET identifies the organization of the in situ signaling dimer. Further MD simulations of the dimer model are in quantitative agreement with smFRET. We accurately describe the structural dynamics underpinning an important cellular event and introduce a powerful methodological pipeline applicable to studying the activation of other plasma membrane receptors.
The family of scaffold attachment factor B (SAFB) proteins comprises three members and was first identified as binders of the nuclear matrix/scaffold. Over the past two decades, SAFBs were shown to act in DNA repair, mRNA/(l)ncRNA processing and as part of protein complexes with chromatin-modifying enzymes. SAFB proteins are approximately 100 kDa-sized dual nucleic acid-binding proteins with dedicated domains in an otherwise largely unstructured context, but whether and how they discriminate DNA and RNA binding has remained enigmatic. We here provide the SAFB2 DNA- and RNA-binding SAP and RRM domains in their functional boundaries and use solution NMR spectroscopy to ascribe DNA- and RNA-binding functions. We give insight into their target nucleic acid preferences and map the interfaces with respective nucleic acids on sparse data-derived SAP and RRM domain structures. Further, we provide evidence that the SAP domain exhibits intra-domain dynamics and a potential tendency to dimerize, which may expand its specifically targeted DNA sequence range. Our data provide a first molecular basis of and a starting point towards deciphering DNA- and RNA-binding functions of SAFB2 on the molecular level and serve a basis for understanding its localization to specific regions of chromatin and its involvement in the processing of specific RNA species.
Cryo-electron tomography (cryo-ET) is a powerful method to elucidate subcellular architecture and to structurally analyse biomolecules in situ by subtomogram averaging (STA). Specimen thickness is a key factor affecting cryo-ET data quality. Cells that are too thick for transmission imaging can be thinned by cryo-focused-ion-beam (cryo-FIB) milling. However, optimal specimen thickness for cryo-ET on lamellae has not been systematically investigated. Furthermore, the ions used to ablate material can cause damage in the lamellae, thereby reducing STA resolution. Here, we systematically benchmark the resolution depending on lamella thickness and the depth of the particles within the sample. Up to ca. 180 nm, lamella thickness does not negatively impact resolution. This shows that there is no need to generate very thin lamellae and thickness can be chosen such that it captures major cellular features. Furthermore, we show that gallium-ion-induced damage extends to depths of up to 30 nm from either lamella surface.
Light-driven sodium pumps (NaRs) are unique ion-transporting microbial rhodopsins. The major group of NaRs is characterized by an NDQ motif and has two aspartic acid residues in the central region essential for sodium transport. Here we identified a new subgroup of the NDQ rhodopsins bearing an additional glutamic acid residue in the close vicinity to the retinal Schiff base. We thoroughly characterized a member of this subgroup, namely the protein ErNaR from Erythrobacter sp. HL-111 and showed that the additional glutamic acid results in almost complete loss of pH sensitivity for sodium-pumping activity, which is in contrast to previously studied NaRs. ErNaR is capable of transporting sodium efficiently even at acidic pH levels. X-ray crystallography and single particle cryo-electron microscopy reveal that the additional glutamic acid residue mediates the connection between the other two Schiff base counterions and strongly interacts with the aspartic acid of the characteristic NDQ motif. Hence, it reduces its pKa. Our findings shed light on a new subgroup of NaRs and might serve as a basis for their rational optimization for optogenetics.
Classical molecular dynamics (MD) simulations provide unmatched spatial and time resolution of protein structure and function. However, accuracy of MD simulations often depends on the quality of force field parameters and the time scale of sampling. Another limitation of conventional MD simulations is that the protonation states of titratable amino acid residues remain fixed during simulations, even though protonation state changes coupled to conformational dynamics are central to protein function. Due to the uncertainty in selecting protonation states, classical MD simulations are sometimes performed with all amino acids modeled in their standard charged states at pH 7. Here we performed and analyzed classical MD simulations on high-resolution cryo-EM structures of two membrane proteins that transfer protons by catalyzing protonation/deprotonation reactions. In simulations performed with amino acids modeled in their standard protonation state the structure diverges far from its starting conformation. In comparison, MD simulations performed with pre-determined protonation states of amino acid residues reproduce the structural conformation, protein hydration, and protein-water and protein-protein interactions of the structure much better. The results suggest it is crucial to perform basic protonation state calculations, especially on structures where protonation changes play an important functional role, prior to launching any MD simulations. Furthermore, the combined approach of protonation state prediction and MD simulations can provide valuable information on the charge states of amino acids in the cryo-EM sample. Even though accurate prediction of protonation states currently remains a challenge, we introduce an approach of combining pKa prediction with cryo-EM density map analysis that helps in improving not only the protonation state predictions, but also the atomic modeling of density data.
All-optical closed-loop voltage clamp for precise control of muscles and neurons in live animals
(2023)
Excitable cells can be stimulated or inhibited by optogenetics. Since optogenetic actuation regimes are often static, neurons and circuits can quickly adapt, allowing perturbation, but not true control. Hence, we established an optogenetic voltage-clamp (OVC). The voltage-indicator QuasAr2 provides information for fast, closed-loop optical feedback to the bidirectional optogenetic actuator BiPOLES. Voltage-dependent fluorescence is held within tight margins, thus clamping the cell to distinct potentials. We established the OVC in muscles and neurons of Caenorhabditis elegans, and transferred it to rat hippocampal neurons in slice culture. Fluorescence signals were calibrated to electrically measured potentials, and wavelengths to currents, enabling to determine optical I/V-relationships. The OVC reports on homeostatically altered cellular physiology in mutants and on Ca2+-channel properties, and can dynamically clamp spiking in C. elegans. Combining non-invasive imaging with control capabilities of electrophysiology, the OVC facilitates high-throughput, contact-less electrophysiology in individual cells and paves the way for true optogenetic control in behaving animals.
Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Synthese und Untersuchung funktioneller Materialien für die Modifizierung von Grenz- und Oberflächen. Einen wichtigen Einfluss auf die Bildung der untersuchten, hochgeordneten Strukturen hat das Konzept der Selbstanordnung, dessen Grundlage schwache Wechselwirkungen sind. Ihre Ausbildung erfordert das Vorliegen geeigneter, funktioneller Gruppen in den Präkursoren und damit die Nutzung der vielfältigen Möglichkeiten der chemischen Synthese zur Bereitstellung maßgeschneidert funktionalisierter Moleküle. Den fünf Projekten dieser Arbeit gemeinsam ist daher die Synthese und Untersuchung für den jeweiligen Anwendungszweck geeigneter, dipolarer Präkursor-Moleküle, die zur Ausbildung funktioneller Koordinationspolymere (CPs) bzw. Metall-organischer Gerüstverbindungen (MOFs) und selbstanordnender Monolagen (SAMs) genutzt werden können. In Zusammenarbeit mit Kooperationspartnern wurden auf dieser Grundlage Untersuchungen zur Anwendbarkeit der erhaltenen Materialien in der Sensorik und zur Oberflächenfunktionalisierung durchgeführt.
Im ersten Projekt dieser Dissertation erfolgte die Untersuchung der Bildungs- und Phasenumwandlungsreaktionen von zehn verschiedenen Kupfer-Terephthalat Koordinationspolymeren. Neben bereits bekannten Koordinationspolymeren konnten so auch drei bisher literaturunbekannte CPs hergestellt und ihre Strukturen durch Kooperationspartner gelöst bzw. Strukturvorschläge gemacht werden. Die Identifikation und Auseinandersetzung mit strukturstabilisierenden Wechselwirkungen schließen dieses Projekt ab und bilden die Grundlage für die Untersuchung der Synthese und Stabilität abgeleiteter, komplexerer Koordinationspolymere.
Im Fokus des zweiten Projekts steht 𝛽-Cu2(bdc)(OH)2, ein Kupfer-Terephthalat Koordinationspolymer, dessen Kristallstruktur zuvor nicht bekannt war, im vorliegenden Projekt aber durch Kooperationspartner auf Basis des Röntgenpulverdiffraktogramms des Materials gelöst werden konnte. Der Vergleich der analytischen Daten von 𝛽-Cu2(bdc)(OH)2 mit der Literatur zeigte gute Übereinstimmungen u. a. der Diffraktogramme und IR-Spektren mit dem in der Literatur als SURMOF-2 bezeichneten, oberflächengebundenen Schichtmaterial. Aufgrunddessen kann davon ausgegangen werden, dass es sich bei SURMOF-2 um 𝛽-Cu2(bdc)(OH)2 handelt, und folglich dessen Kristallstrukturlösung die beiden bisher in der Literatur vorhandenen Strukturvorschläge für SURMOF-2 ersetzt.
Im Rahmen des dritten Projekts sollten für die Sensorik anwendbare, MOF-basierte Dünnschichtsysteme hergestellt werden. Das Sensorkonzept, das auf der Änderung des dielektrischen Verhaltens der MOFs bei Einlagerung dipolarer Analytmoleküle beruht, erfordert den Einsatz dipolarer Liganden in den entsprechenden Koordinationsnetzwerken. Hierfür wurden mehrere teilweise dipolare pillar-Liganden synthetisiert und diese für den Aufbau von Kupfer(II)terephthalat-basierten pillared-layer MOFs eingesetzt. Im Rahmen des Projekts konnten so auf Grundlage der Erkenntnisse aus Projekt 1 und in Zusammenarbeit mit Kooperationspartnern neue pillared-layer MOFs hergestellt und ihre Kristallstrukturen gelöst werden. Die abschließend durch Kooperationspartner erfolgte Abscheidung dünner, oberflächengebundener Schichten dieser MOFs und erste Untersuchungen hinsichtlich ihrer Eignung für die geplante Sensorikanwendung runden das Projekt ab.
Im vierten Projekt sollte eine geeignete, in situ abspaltbare Schutzgruppe für die Thiolgruppe etabliert und ihr Einfluss auf die Bildung von Terphenylthiolat-SAMs untersucht werden. Diese Voraussetzung erfüllt die im Rahmen dieser Arbeit am Beispiel von CH3-, F- und CF3-terminierten Terphenylthiolen etablierte 3,4-Dimethoxybenzyl-Gruppe, die sich durch den Zusatz von Trifluoressigsäure in der Abscheidungslösung in situ abspalten lässt. Zum Vergleich wurden von Kooperationspartner Monolagen aus den entsprechenden freien Thiolen abgeschieden und untersucht. Schichtdicken, Packungsdichten, Kippwinkel und Elementarzellen von Monolagen aus freien und geschützten Terphenylthiolen zeigen gute Übereinstimmungen. Im Gegensatz zu anderen, ebenfalls in situ abspaltbaren Gruppen hat die Anwesenheit der 3,4-Dimethoxybenzyl-Gruppe folglich keinen negativen Einfluss auf die Struktur und Qualität der gebildeten Monolagen.
In Fortführung des vorangegangenen Projekts wurde im abschließenden Projekt in Zusammenarbeit mit Kooperationspartnern der Einfluss verschiedener Kopfgruppen (H-, CH3-, F-, CF3- und SF5-) und der Länge des aromatischen Rückgrats (Phenyl-, Biphenyl- und Terphenyl-) auf die Ladungstransporteigenschaften der entsprechenden SAMs untersucht. Mit Ausnahme einiger Benzolthiole, lieferten alle betrachteten Präkursoren hochgeordnete, dicht gepackte Schichten aus aufrecht angeordneten Molekülen. Wie erwartet korreliert die Austrittsarbeit der modifizierten Oberflächen mit dem Dipolmoment der jeweiligen Kopfgruppe, wobei der Effekt der SF5-Gruppe mit einer erzielten Austrittsarbeit von annähernd 6 eV besonders hervorzuheben ist. Den Erwartungen entsprechend, sinkt die elektrische Stromdichte bei gleichbleibender Kopfgruppe mit steigender Moleküllänge. Die Stromdichte ist außerdem von der Kopfgruppe abhängig und nimmt von CH3- über H-, CF3- und SF5- bis hin zu F- ab, korreliert aber folglich nicht mit der Austrittsarbeit oder dem Dipolmoment.
Vertebrate life depends on renal function to filter excess fluid and remove low-molecular-weight waste products. An essential component of the kidney filtration barrier is the slit diaphragm (SD), a specialized cell-cell junction between podocytes. Although the constituents of the SD are largely known, its molecular organization remains elusive. Here, we use super-resolution correlative light and electron microscopy to quantify a linear rate of reduction in albumin concentration across the filtration barrier. Next, we use cryo-electron tomography of vitreous lamellae from high-pressure frozen native glomeruli to analyze the molecular architecture of the SD. The resulting densities resemble a fishnet pattern. Fitting of Nephrin and Neph1, the main constituents of the SD, results in a complex interaction pattern with multiple contact sites between the molecules. Using molecular dynamics flexible fitting, we construct a blueprint of the SD, where we describe all interactions. Our architectural understanding of the SD reconciles previous findings and provides a mechanistic framework for the development of novel therapies to treat kidney dysfunction.
Vertebrate life depends on renal function to filter excess fluid and remove low-molecular-weight waste products. An essential component of the kidney filtration barrier is the slit diaphragm (SD), a specialized cell-cell junction between podocytes. Although the constituents of the SD are largely known, its molecular organization remains elusive. Here, we use super-resolution correlative light and electron microscopy to quantify a linear rate of reduction in albumin concentration across the filtration barrier under no-flow conditions. Next, we use cryo-electron tomography of vitreous lamellae from high-pressure frozen native glomeruli to analyze the molecular architecture of the SD. The resulting densities resemble a fishnet pattern. Fitting of Nephrin and Neph1, the main constituents of the SD, results in a complex interaction pattern with multiple contact sites between the molecules. Using molecular dynamics simulations, we construct a blueprint of the SD that explains its molecular architecture. Our architectural understanding of the SD reconciles previous findings and provides a mechanistic framework for the development of novel therapies to treat kidney dysfunction.
The EMT-transcription factor ZEB1 has been intensively studied in solid cancers, where it is expressed at the invasive front and in cancer-associated fibroblasts (CAFs). In tumour cells, ZEB1 has been involved in multiple steps of cancer progression including stemness, metastasis and therapy resistance, yet its role in the tumour-microenvironment is largely unknown. Here, the role of Zeb1 in CAFs was investigated using mouse models reflecting different tumour stages in immunocompetent fibroblast specific Zeb1 KO mice. Fibroblast-specific depletion of Zeb1 accelerated tumour growth in the inflammation driven AOM/DSS tumour initiation model, reduced tumour growth and invasion in the sporadic AOM/P53 model and reduced liver metastasis in a progressed orthotopic transplantation model. Immunohistochemical and single cell RNA-sequencing analysis showed that Zeb1 ablation resulted in attenuated expression of the myofibroblast marker aSMA and reduced ECM deposition, indicating a shift among fibroblast subpopulations. Modulation of CAFs was furthermore associated with increased inflammatory signaling in fibroblasts resulting in immune infiltration into primary tumours and exaggerated inflammatory signaling in T cells, B cells and macrophages. These changes in the tumour microenvironment were associated with increased efficacy of immune checkpoint inhibition therapy. In summary, Zeb1 expression in CAFs was identified as a potential target to block immunosuppression and metastatic dissemination in colon cancer.
A sustainable strategy for O-trifluoromethylation of electron-deficient phenols by combining electrochemical synthesis with flow technology is presented. The reaction is optimized by screening experiments to establish a fast and efficient flow protocol. Simultaneous anodic oxidation of Langlois reagent and the phenols in a micro flow cell leads to direct preparation of trifluoromethyl ethers in yields up to 90%. This one-step protocol is tolerant of several functional groups, shows good regioselectivity and works without any chemical oxidants and catalysts by using electrical current as an inexpensive and sustainable reagent.
HER2 belongs to the ErbB sub-family of receptor tyrosine kinases and regulates cellular proliferation and growth. Different from other ErbB receptors, HER2 has no known ligand. Activation occurs through heterodimerization with other ErbB receptors and their cognate ligands. This suggests several possible activation paths of HER2 with ligand-specific, differential response, which so far remained unexplored. Using single-molecule tracking and the diffusion profile of HER2 as a proxy for activity, we measured the activation strength and temporal profile in live cells. We found that HER2 is strongly activated by EGFR-targeting ligands EGF and TGFα, yet with a distinguishable temporal fingerprint. The HER4-targeting ligands EREG and NRGβ1 showed weaker activation of HER2, a preference for EREG, and a delayed response to NRGβ1. Our results indicate a selective ligand response of HER2 that may serve as a regulatory element. Our experimental approach is easily transferable to other membrane receptors targeted by multiple ligands.
The title compound, di-μ3-chlorido-tetra-μ2-chlorido-tetrakis(diethyl ether-κO)bis(1,1-dimethylethyl)tetramagnesium, [Mg4(C4H9)2Cl6(C4H10O)4], features an Mg4Cl6 open-cube cluster. The two four-coordinate Mg2+ ions show an almost tetrahedral coordination, whereas the two six-coordinate Mg2+ ions have their ligands in an octahedral environment. The Mg—Cl bond lengths differ depending on the coordination number (2 or 3) of the bridging μ-Cl− ligands. There are few comparable structures deposited in the Cambridge Structural Database.
HER2 belongs to the ErbB sub-family of receptor tyrosine kinases and regulates cellular proliferation and growth. Different from other ErbB receptors, HER2 has no known ligand. Activation occurs through heterodimerization with other ErbB receptors and their cognate ligands. This suggests several possible activation paths of HER2 with ligand-specific, differential response, which has so far remained unexplored. Using single-molecule tracking and the diffusion profile of HER2 as a proxy for activity, we measured the activation strength and temporal profile in live cells. We found that HER2 is strongly activated by EGFR-targeting ligands EGF and TGFα, yet with a distinguishable temporal fingerprint. The HER4-targeting ligands EREG and NRGβ1 showed weaker activation of HER2, a preference for EREG, and a delayed response to NRGβ1. Our results indicate a selective ligand response of HER2 that may serve as a regulatory element. Our experimental approach is easily transferable to other membrane receptors targeted by multiple ligands.
The TOM complex is the main entry point for precursor proteins into mitochondria. Precursor proteins containing targeting sequences are recognized by the TOM complex and imported into the mitochondria. We have determined the structure of the TOM core complex from Neurospora crassa by single-particle cryoEM at 3.3 Å resolution, showing its interaction with a bound presequence at 4 Å resolution, and of the TOM holo complex including the Tom20 receptor at 6-7 Å resolution. TOM is a transmembrane complex consisting of two β-barrels, three receptor subunits and three short transmembrane subunits. Tom20 has a transmembrane helix and a receptor domain on the cytoplasmic side. We propose that Tom20 acts as a dynamic gatekeeper, guiding precursor proteins into the pores of the TOM complex. We analyze the interactions of Tom20 with other TOM subunits, present insights into the structure of the TOM holo complex, and suggest a translocation mechanism.
This thesis investigates the structure of the translocase of the outer membrane (TOM) complex in mitochondria, focusing on the TOM holo complex through single-particle electron cryo-microscopy (cryoEM) complemented by mass spectrometry and computational structure prediction. Mitochondria, crucial for energy production in eukaryotic cells, import most of their proteins from the cytoplasm. These proteins enter through the TOM complex, which in its core form consists of a membrane-embedded homodimer of Tom40 pores, two Tom22 cytoplasmic receptors, and six small TOM stabilizing subunits (Tom7, Tom6, and Tom5). The holo complex includes two additional subunits, Tom70 and Tom20, whose stoichiometry and positioning are less understood due to their easy dissociation during isolation of the complex. CryoEM analysis revealed the high-resolution structure of the Neurospora crassa TOM core complex at 3.3 Å, containing all core subunits, and the presence of a central phospholipid causing the Tom40 dimer to tilt to 20°. Furthermore, a 4 Å resolution map indicated the binding of a precursor protein as it transitions through the translocation barrel. Finally, at 6-7 Å resolution, the structure of the TOM holo complex highlighted Tom20's flexibility as it interacts with the core complex, emphasizing its role in protein translocation. This work provides significant insights into the architecture and functioning of the TOM complex, contributing to the understanding of mitochondrial protein import mechanisms.
Optimierung der Synthese eines neuen photolabil geschützten Nitroxid-Spin-Labels für RNA und DNA
(2023)
Im Rahmen dieser Arbeit konnte, ausgehend von den günstigen Ausgangsverbindungen Desoxyadenosin und Phthalsäureanhydrid, ein neues photolabil geschütztes Nukleotid 1 und sein Dummypartner 2 synthetisiert werden. Positiv zu bemerken ist, dass einige Schritte im Vergleich zu ähnlichen literaturbekannten Reaktionen in Einfachheit, Reinheit oder Ausbeute verbessert wurden. So konnte die Ausbeute der wichtigen Umwandlung des Amins 46 zum Iodid 47 durch den Ersatz des vorherigen DCM/DIM Gemisches durch reines DIM von 15 % auf akzeptable 50 % erhöht werden, was nicht nur Zeit, sondern auch zukünftige Chemikalienmengen einspart. Nicht nur hierbei, sondern auch bei der Nitrierung zu 61 oder auch der Oxidierung zu 63 war es von äußerster Wichtigkeit eine korrekte Temperaturkontrolle durchzuführen, da es sonst zu hohen Ausbeuteverlusten durch ungewollte Nebenreaktionen kommen konnte. Eine sehr interessante Beobachtung war die Kontrolle der Suzuki Miyaura-Kreuzkupplung durch die Anwendung verschieden starker Basen. Während schwache Basen wie KOAc nur zur Miyaura-Borilierung führten, begünstigten starke Basen wie K3PO4 die Suzuki Miyaura-Kreuzkupplung. Die Zusammenführung des Zucker Bausteins 36 und des Isoindolin-Bausteins 37 funktionierte sehr gut, sodass das Nukleotid 1 durch die Schützung der exozyklischen Amingruppe und Phosphorylierung des 3´-OH dargestellt werden konnte.
Die Synthese der 14mer DNA bzw. RNA Sequenzen mit den neuen Nukleotiden 1 und 2 funktionierten mit zufriedenstellenden Ausbeuten, nur die Abspaltung der Pac-Gruppe benötigte etwas harschere Bedingungen von 50 °C in 32 % Ammoniak über Nacht. Die photolabile Schutzgruppe in Strang (V) mDNA-Tetramethyl konnte nun abgespalten und das Nitroxid an Luft reoxidiert werden. Anhand von EPR-Spektren und einer HPLC Analyse ergab sich jedoch eine Abspalteffizienz von nur 70 %. Dies bedeutet, dass für künftige PELDOR Messungen eine Aufreinigung des Spaltgemisches zur Isolierung des Radikal-Strangs von Nöten ist.
Anhand des Schmelzpunkts der verschiedenen Duplexe wurde anschließend die mögliche Anwendung des Nukleotids weiter analysiert. Hierbei stellte sich heraus, dass der Benzolring sowohl in 2 als auch in 1 eine erhebliche Destabilisierung des Duplex erzeugte. Somit ist das neue photolabil geschützte Nukleotid als EPR Sonde in der Mitte von Sequenzen nur bedingt geeignet. Zukünftige Experimente könnten das neue Spin Label nicht in der Mitte, sondern an den Enden der Sequenzen ähnlich anderer Arbeiten[92,94,164] einbauen, wo die Destabilisierung eine geringere Auswirkung hat, oder die Sequenz für eine bessere Stabilisierung verlängern.[164] Bei ausreichenden Duplexstabilitäten könnten hiermit dann PELDOR Messungen durchgeführt werden. Ähnlich starre, sterisch anspruchsvolle Nukleotide zeigten auch ähnliche Schmelzpunkte für ihre Duplexe[120], dennoch wurden sie für weitere Markierungsexperimente verwendet. Hierbei handelte es sich jedoch nicht um EPR Sonden, sondern um Fluoreszenzmarker. Da auch das neue Spin-Label 1 ein großes π-System besitzt, könnte eine komplett neue Herangehensweise die Anwendung als Fluoreszenzmarker sein. Genaue Absorptionsmessungen müssten noch durchgeführt werden, jedoch zeigte das Spin Label sehr stark fluoreszierende Eigenschaften unter der UV-Lampe während der Säulenchromatographie. Hierbei würde die Synthese um einiges kürzer ausfallen, da das EPR-aktive Nitroxid nicht mehr benötigt wird und geschützt werden muss, was Zeit und Chemikalien spart.
Zusammenfassend wurde über eine 22-stufige Synthese ein neues photolabil geschütztes Spin-Label synthetisiert, in ein 14mer integriert, erfolgreich entschützt und mittels EPR-Spektroskopie vermessen. Schmelzpunktmessungen zeigten jedoch eine große Destabilisierung und deuten darauf hin, dass 1 und Nukleotide mit ähnlich Benzolringen nur eingeschränkt als EPR-aktive Nukleotide geeignet sind.
Long non-coding RNAs are a very versatile class of molecules that can have important roles in regulating a cells function, including regulating other genes on the transcriptional level. One of these mechanisms is that RNA can directly interact with DNA thereby recruiting additional components such as proteins to these sites via an RNA:dsDNA triplex formation. We genetically deleted the triplex forming sequence (FendrrBox) from the lncRNA Fendrr in mice and found that this FendrrBox is partially required for Fendrr function in vivo. We found that the loss of the triplex forming site in developing lungs causes a dysregulation of gene programs associated with lung fibrosis. A set of these genes contain a triplex site directly at their promoter and are expressed in lung fibroblasts. We biophysically confirmed the formation of an RNA:dsDNA triplex with target promoters in vitro. We found that Fendrr with the Wnt signalling pathway regulates these genes, implicating that Fendrr synergizes with Wnt signalling in lung fibrosis.
This dissertation constitutes a series of successive research papers, starting with the characterization of various optogenetic tools up to the establishment of purely optical electrophysiology in living animals.
Optogenetics has revolutionized neurobiology as it allows stimulation of excitable cells with exceptionally high spatiotemporal resolution. To cope with the increasing complexity of research issues and accompanying demands on experimental design, the broadening of the optogenetic toolbox is indispensable. Therefore, one goal was to establish a wide variety of novel rhodopsin-based actuators and characterize them, among others, with respect to their spectral properties, kinetics, and efficacy using behavioral experiments in Caenorhabditis elegans. During these studies, the applicability of highly potent de- and hyperpolarizers with adapted spectral properties, altered ion specificity, strongly slowed off-kinetics, and inverted functionality was successfully demonstrated. Inhibitory anion channelrhodopsins (ACRs) stood out, filling the gap of long-sought equivalent hyperpolarizing tools, and could be convincingly applied in a tandem configuration combined with the red-shifted depolarizer Chrimson for bidirectional stimulation (Bidirectional Pair of Opsins for Light-induced Excitation and Silencing, BiPOLES). A parallel study aimed to compare various rhodopsin-based genetically encoded voltage indicators (GEVIs) in the worm: In addition to electrochromic FRET-based GEVIs that use lower excitation intensity, QuasAr2 was particularly convincing in terms of voltage sensitivity and photostability in C. elegans. However, classical optogenetic approaches are quite static and only allow perturbation of neural activity. Therefore, QuasAr2 and BiPOLES were combined in a closed-loop feedback control system to implement the first proof-of-concept all-optical voltage clamp to date, termed the optogenetic voltage clamp (OVC). Here, an I-controller generates feedback of light wavelengths to bidirectionally stimulate BiPOLES and keep QuasAr’s fluorescence at a desired level. The OVC was established in body wall muscles and various types of neurons in C. elegans and transferred to rat hippocampal slice culture. In the worm, it allowed to assess altered cellular physiology of mutants and Ca2+-channel characteristics as well as dynamical clamping of distinct action potentials and associated behavior.
Ultimately, the optogenetic actuators and sensors implemented in the course of this cumulative work enabled to synergistically combine the advantages of imaging- and electrode-based techniques, thus providing the basis for noninvasive, optical electrophysiology in behaving animals.
Life and biological resilience rely on the execution of precise gene expression profiles. A key mechanism to ensure cellular homeostasis is the regulation of protein synthesis. Recent studies have unveiled an intrinsic regulatory capacity of ribosomes, previously considered mere executors of mRNA translation. Neurons in particular finely regulate protein synthesis, at both global and local levels. This sustains their complex morphology and allows them to rapidly transmit, integrate, and respond to external stimuli. In this thesis, I investigated the neuronal ribosome and how subcellular environments and physiological perturbations shape it, by profiling its molecular composition, functional interconnections, and cellular distribution.
First, I used genetic engineering, biochemical purification, and mass spectrometry, to characterize in an unbiased manner the translation machinery specifically from excitatory and inhibitory neurons of the mouse cortex. I found that neuronal ribosomes commonly interact with RNA-binding proteins, components of the cytoskeleton, and proteins associated with the endoplasmic reticulum and vesicles. In line with the requirement for local protein synthesis in the distal parts of neurons, we observed that neuronal ribosomes preferentially interact with proteins involved in cellular transport. Remarkably, I observed a strong association between ribosomes and pre-synaptic vesicles, which suggests a potential regulatory interaction between local translation and neuronal activity.
Intriguingly, I and others have observed mRNAs encoding for core ribosomal proteins (RPs) among the genes most enriched in neuronal processes. This observation challenges two historical assumptions of ribosome biology: (1) new RPs are incorporated only into newly forming ribosomes, and (2) this incorporation occurs only in the nucleus and perinuclear region. In my PhD, I aimed to directly test these two assumptions and if proven wrong ask whether and why neurons would localize RP mRNAs far from their known assembly site.
Employing a combination of metabolic labeling and highly sensitive mass spectrometry techniques, I discovered that a subset of RPs rapidly and dynamically binds on and off mature ribosomes. Strikingly, this incorporation does not depend on the supply of new ribosomes from the nucleus. Therefore, my data refuted the assumption that ribosomes are built and degraded as a unit and revealed a more dynamic view of these machines, which can actively exchange core components. In particular, I found that the association of certain exchanging RPs is influenced by location (e.g., cell body versus neurites) and cellular state (e.g., post-oxidative stress). Neurons may use this mechanism to repair and/or specialize their protein synthesis machinery in a rapid and context-dependent manner.
Finally, I asked whether some steps of ribosome biogenesis could also take place in distal processes. Although most steps of ribosome assembly occur within the nucleus, the final stages of maturation are known to occur in the cytosol. By combining several imaging and biochemical approaches, I found that cytosolic (but not nuclear) pre-ribosomal particles are present in neuronal processes. Through the incorporation of new RPs into these immature particles, neurons may be able to locally “turn on” previously incompetent ribosomes. This may enable regions near synapses to enhance and customize their translational capacity, independently of the central pool of ribosomes from the cell body. Indeed, I observed that synaptic plasticity induces a maturation of cytosolic pre-ribosomes.
In summary, this thesis shows how neuronal ribosomes can sense cellular states, respond by adjusting their core composition, and in doing so influence the local capacity for protein synthesis. By overturning long-held assumptions in ribosome biology, this work highlights new molecular mechanisms of gene expression and enriches our understanding of the rapid and dynamic strategies cells employ to operate, thrive, and adaptively respond to environmental changes.
Cell-free (CF) synthesis with highly productive E. coli lysates is a convenient method to produce labeled proteins for NMR studies. Despite reduced metabolic activity in CF lysates, a certain scrambling of supplied isotope labels is still notable. Most problematic are conversions of 15N labels of the amino acids L-Asp, L-Asn, L-Gln, L-Glu and L-Ala, resulting in ambiguous NMR signals as well as in label dilution. Specific inhibitor cocktails suppress most undesired conversion reactions, while limited availability and potential side effects on CF system productivity need to be considered. As alternative route to address NMR label conversion in CF systems, we describe the generation of optimized E. coli lysates with reduced amino acid scrambling activity. Our strategy is based on the proteome blueprint of standardized CF S30 lysates of the E. coli strain A19. Identified lysate enzymes with suspected amino acid scrambling activity were eliminated by engineering corresponding single and cumulative chromosomal mutations in A19. CF lysates prepared from the mutants were analyzed for their CF protein synthesis efficiency and for residual scrambling activity. The A19 derivative “Stablelabel” containing the cumulative mutations asnA, ansA/B, glnA, aspC and ilvE yielded the most useful CF S30 lysates. We demonstrate the optimized NMR spectral complexity of selectively labeled proteins CF synthesized in “Stablelabel” lysates. By taking advantage of ilvE deletion in "Stablelabel", we further exemplify a new strategy for methyl group specific labeling of membrane proteins with the proton pump proteorhodopsin.
Die Verwendung von photolabilen Schutzgruppen zur nicht-invasiven Kontrolle von Systemen birgt ein großes Potential für verschiedenste Anwendungsgebiete, die von der Erforschung und Regulation biologischer Prozesse, über den Einsatz in medizinischer Therapie bis hin zur Verwendung als molekulare Datenspeicher reichen. Für diese Umsetzung benötigt es allerdings eine breite Auswahl an entsprechenden PPGs und das Wissen über ihre Reaktionsmechanismen. Im Allgemeinen lässt sich die Konzeptionierung von PPGs in drei Prozesse einteilen, beginnend bei dem Design und der Synthese einer neuen PPG. Bei diesem Schritt liegt der Fokus auf ein oder zwei besonderen Eigenschaften, wie beispielsweise einer Absorptionswellenlänge in einem bestimmten Spektralbereich oder einer hohen Uncaging-Quantenausbeute. Im zweiten Schritt folgt die Untersuchung der PPG bezüglich spektroskopischer und mechanistischer Eigenschaften und ggf. anschließender Optimierung auf synthetischer Ebene. Die so gewonnenen Informationen sind dann hilfreich bei dem letzten Schritt, bei dem es um den Einsatz der PPG in einem entsprechenden System geht. Hierbei müssen die verwendeten PPGs genau auf das Zielsystem abgestimmt sein, dazu zählen verschiedenste Parameter wie Anregungswellenlänge, Extinktionskoeffizient, Art und Struktur der Photoprodukte sowie Uncaging-Effizienz und Geschwindigkeit.
In der vorliegenden Arbeit wurde über die drei vorgestellten Projekte mittels spektroskopischer Methoden zu allen drei genannten Stadien zur Konzeptionierung von PPGs ein Beitrag geleistet. Dazu zählt die Entwicklung der CBT-basierten PPGs, die Untersuchung der Struktur-Wirkungsbeziehung von (DMA)(2)F-PPGs und die Etablierung einer wellenlängenselektiven An-/Aus-Funktionalität eines Antibiotikums. In enger interdisziplinärer Zusammenarbeit zwischen theoretischen, synthetischen und biologischen Teilgebieten konnte jedes Projekt innerhalb der jeweiligen Entwicklungsstufe erfolgreich abgeschlossen werden.
Mithilfe des relativ neuen Ansatzes, bei dem durch quantenmechanische Berechnungen der vertikalen Anregungsenergie von der kationischen Spezies einer PPG-Grundstruktur eine Aussage über ihre Qualität postuliert werden kann, konnte ausgehend von der Fluoren-Grundstruktur eine neue Klasse von PPGs gefunden werden. Dabei erwies sich die CBT-Struktur mit den Schwefelatomen an der para-Position als besonders geeignet. Insbesondere konnte die Grundstruktur durch die (OMePh)2-Substitution, welche in einer signifikanten bathochromen Verschiebung des Absorptionsmaximums resultierte, optimiert werden. Die Untersuchung der Ultrakurzzeit-Dynamik beider p-CBT Strukturen gab Aufschluss über die unterschiedlichen photochemischen Eigenschaften als PPG.
Für die Stoffklasse der Dimethylamino-Fluorene wurde ein wichtiger Unterschied zwischen den einfach- und zweifach-substituierten Derivaten aufgedeckt, der entscheidend für einen signifikanten Uncaging-Effizienzunterschied ist. Dabei stellt sich die Stabilität des symmetrisch-substituierten Fluorenyl-Kations als der wichtigste Faktor bezüglich der Uncaging-Quantenausbeuten heraus. Beide Schutzgruppen sind in der Lage photoinduziert eine AG freizusetzen, wobei der Reaktionsmechanismus über die kationische Spezies (DMA)(2)F + abläuft. Der Unterschied hierbei liegt in der Lebensdauer der beiden Kationen, die im Falle der symmetrischen PPG stark lösungsmittelabhängig ist und bis zu mehreren Stunden betragen kann, was bis dato das langlebigste Kation dieser Molekülklasse darstellt. Für die zukünftige Optimierung dieser PPG-Klasse ist die Erkenntnis über die Gründe für die Stabilität des Kations von großem Vorteil. Der stabilisierende Faktor ist zum einen die zweite Dimethylamino-Gruppe der symmetrischen Verbindung, welche durch die Erweiterung der Mesomerie zur besseren Verteilung der positiven Ladung im Molekül führt. Zum anderen spielt das Lösungsmittel eine entscheidende Rolle. Dabei bieten protische, polare Medien eine zusätzliche Stabilisierung, die notwendig für die Langlebigkeit des Kations ist. Die Lebensdauer des Kations war zudem durch eine zweite Bestrahlungswellenlänge kontrollierbar. Ausgehend vom Kation konnte eine reversible Nebenreaktion in protischen Lösungsmitteln identifiziert werden, die einen Austausch der AG durch das Lösungsmittel darstellt.
Zusätzlich konnte die kleine Stoffklasse der bisher bekannten Photobasen durch die Verbindung (DMA)2F-OH erweitert werden. Genauer betrachtet handelt es sich dabei um eine photoinduzierte Hydroxidfreisetzung, wodurch je nach eingesetzter Konzentration ein pH-Sprung von bis zu drei Einheiten erreicht werden konnte. Dabei stellt sich die Lebensdauer des pH-Sprungs als ein entscheidender Parameter für Photobasen dar, welcher sich für die hier untersuchte Verbindung aufgrund der besonderen Stabilität des entsprechenden Kations, im Vergleich zu einigen der bereits bekannten Verbindungen, als besonders langlebig herausgestellt hat. Ein weiterer Vorteil des Einsatzes von (DMA)2F-OH als Photobase ist die Möglichkeit den pH-Sprung durch zwei verschiedene Wellenlängen sowohl zeitlich als auch örtlich zu kontrollieren, indem die Verbindung zwischen den zwei Spezies (DMA)2F-OH und (DMA)2F + geschaltet werden kann.
Im Hinblick auf die Anwendungen von PPGs zur verbesserten zeitlichen und örtlichen Kontrolle biologischer Zielsysteme ist im Rahmen dieser Arbeit das Prinzip vom wellenlängenselektiven Uncaging zweier PPGs an einem Molekül (two-PPG-one-molecule, TPOM) etabliert worden. Das Zielmolekül war hier das Antibiotikum Puromycin, welches durch seine Fähigkeit an das Ribosom zu binden, die Proteinbiosynthese inhibieren kann. Dabei wurden zwei verschiedene PPGs gefunden, die sowohl aufeinander als auch auf das Biomolekül selbst abgestimmt sind. Im Ausgangszustand sind beide PPGs am Puromycin angebracht, wodurch es in seiner biologischen Wirkung inaktiv ist. Befindet sich das doppelt geschützte Puromycin in der ROI, so kann es durch die Bestrahlung mit einer bestimmten Wellenlänge infolge des ersten Uncaging-Schritts aktiviert werden. Da biologische Systeme nicht statisch sind, können aktivierte Moleküle stets von der gewünschten ROI nach außen gelangen, wodurch der Anspruch der räumlichen Kontrolle nicht erfüllt wird. In diesem Fall kann durch die TPOM-Umsetzung die zweite Bestrahlungswellenlänge auf den entsprechenden Bereich angewendet werden, wodurch das Uncaging der zweiten PPG initiiert und folglich das Puromycin deaktiviert wird. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass die Deaktivierungswellenlänge auch in der Lage ist beide PPGs zu entfernen, wodurch eine vollständige Inaktivierung des Puromycins außerhalb der ROI garantiert werden kann.
Ist die Proteinbiosynthese längerfristig blockiert, führt das schließlich zum Zelltod. Ein großes Anwendungsgebiet dieses Antibiotikums sind die Neurowissenschaften. Aufgrund der Tatsache, dass Puromycin keine Unterscheidung zwischen eukaryotischen und prokaryotischen Zellen macht, findet es keine Anwendung in der Medizin. Eine zeitliche und örtliche Kontrolle seiner Wirkung könnte den Anwendungsbereich dieses Antibiotikums evtl. ausweiten. Das wohl naheliegendste wäre der Einsatz bei Tumorzellen, deren Behandlung durch Zytostatika auf den gesamten Körper wirken und dadurch viele schwere Nebenwirkungen verursachen.
Wie bereits weiter oben beschrieben muss für jedes Biomolekül und das entsprechende Wirkzentrum die Auswahl des passenden PPG-Paares einzeln abgestimmt werden. Dennoch lässt sich anhand des hier etablierten Systems ein Konzept für die erfolgreiche Umsetzung zukünftiger TPOM-Systeme an anderen biomolekularen Wirkstoffen zusammenfassend formulieren.
* Der erste Schritt sollte die Betrachtung des Wirkzentrums des zu modifizierenden Biomoleküls sein: Welche funktionelle Gruppe bzw. Gruppen sind entscheidend für die Bindetasche oder –stelle? Dieser Bereich des Biomoleküls soll im Zuge des Uncagings entweder blockiert oder abgespalten werden. In der unmittelbaren Nähe muss die PPG1 angebracht werden.
* Bei der Wahl von PPG1 ist das wichtigste Kriterium, dass das Biomolekül mit enthaltener Schutzgruppe in seiner Wirkung unbeeinträchtigt bleibt. Dies schränkt die Auswahl beträchtlich ein. Eine mögliche Umsetzung wäre die Anbringung einer Nitro-Gruppe falls vorhanden an einen Benzolring, welcher sich im Fall eines großen Biomoleküls in der Nähe der wichtigen funktionellen Stelle befindet.
* Die zweite PPG (PPG2), deren photoinduzierte Abspaltung zur Aktivierung des Wirkstoffs führen soll, kann strukturell frei gewählt werden. Das Auswahlkriterium hierbei ist das Absorptionsspektrum. Hierbei sollte das Absorptionsmaximum rotverschoben zur PPG1 sein, um eine unerwünschte Abspaltung zu vermeiden. Außerdem darf keine signifikante Absorption von PPG2 bei der Uncaging-Wellenlänge von PPG1 vorhanden sein.
* Beide PPGs sollten eine ähnliche Uncaging-Quantenausbeute vorweisen, um im Deaktivierungsschritt der doppelt geschützten Verbindung durch das höher energetische Licht keine Bevorzugung einer einzelnen Schutzgruppe zu riskieren.
Anhand der erarbeiteten Herangehensweise können weitere Wirkstoffe oder Biomoleküle hin zu einer An- / Aus-Funktionalität modifiziert werden. Mit der Umsetzung des TPOM-Konzepts kann eine Verbesserung der örtlichen und zeitlichen Kontrolle der Aktivität eines Antibiotikums erreicht werden. Für die Anwendung in biologischer Umgebung ist diese präzische Kontrolle essentiell, um unerwünschte Nebenwirkungen angesundem Gewebe zu verhindern.
A B-factor for NOEs?
(2022)
Nuclear Overhauser effects (NOEs) are influenced by motion. Here, we derive exact, analytical results for a model of isotropic, harmonic fluctuations of atom positions that corresponds to the one underlying crystallographic B-factors. The model includes steric repulsion and yields closed-form expressions for the expected value of general invertible functions of the distance between two atoms, with the special case r-6 for NOEs. We discuss the implications for the definition of an NOE-based B-factor in solution NMR.
Synthesis and crystal structure of 2-(2-hydroxyphenyl)-1,3-bis(4-methoxybenzyl)-1,3-diazinan-5-ol
(2022)
The redetermined structure of 2-(2-hydroxyphenyl)-1,3-bis(4-methoxybenzyl)-1,3-diazinan-5-ol, C26H30N2O4, at 173 K has orthorhombic (Pbca) symmetry. It was previously described by Bolte et al. [ Private Communication (refcode EWICEV). CCDC, Cambridge, England]. The title compound resulted from the condensation reaction between 1,3-bis{[(4-methoxyphenyl)methyl]amino}propan-2-ol and 2-hydroxybenzaldehyde in CH3OH. The structure exhibits disorder. One of the 4-methoxybenzyl groups, the hydroxy group bonded to the 1,3-diazinan ring, and the methyl group of the methoxy residue are disordered over two orientations, with occupancies of 0.807 (3)/0.193 (3), 0.642 (5)/0.358 (5), and 0.82 (4)/0.18 (4), respectively. The dihedral angles between the mean planes of the central 1,3-diazinan-5-ol and the 4-methoxyphenyl rings (both occupancy components of the disordered ring) are 88.65 (13), 85.79 (14) and 83.4 (7)°. The crystal packing is sustained by C—H...O and O—H...π interactions, giving rise to infinite chains running along the b-axis direction.
The title compound, C8H16N4·2C11H16O, was synthesized from the corresponding sterically crowded phenol by treatment with the aminal cage polyamine. Single-crystal X-ray diffraction structural analysis revealed the three-molecule aggregate to crystallize in the monoclinic space group P2/c with one half of a 1,3,6,8-tetraaztricyclo[4.4.1.13,8]dodecane (TATD) molecule and one 2-tert-butyl-4-methylphenol molecule per asymmetric unit. The crystal structure features intermolecular O—H...N and C—H...O hydrogen bonds, as well as intermolecular C—H...π interactions.
Das wachsende Verständnis für das fein abgestimmte Zusammenspiel aus Struktur und Funktion von Nukleinsäuren resultiert aus unzähligen Forschungsprojekten. Forschende stehen dabei vor der Herausforderung, dass die zu untersuchenden Oligonukleotide sowohl modifiziert als auch in ausreichender Menge und Reinheit dargestellt werden müssen. Die chemische Festphasensynthese ist ein bewährtes Mittel zur Synthese hochmodifizierter DNA und RNA. Allerdings werden Oligonukleotide mit zunehmender Länge unzugänglicher, da die einzelnen Kupplungsreaktionen nicht quantitativ ablaufen, was zu schwer abtrennbaren Abbruchsequenzen führt. Hinzu kommt, dass während der chemischen Synthese harsche Reaktionsbedingungen nötig sind, denen die gewünschten Modifikationen standhalten müssen. (Chemo-) enzymatische Methoden können diese Hürden überwinden und somit den Zugang zu biologisch interessanten, längeren modifizierten Sequenzen ermöglichen. Jedoch erfolgt der enzymatische Einbau von Modifikationen ohne aufwendige Optimierung lediglich statistisch verteilt. Um weitere Erfolge im Bereich der Strukturaufklärung zu erzielen, werden somit Synthesemethoden benötigt, die sich zum positionsspezifischen Einbau von Modifikationen eignen und gleichzeitig den Zugang zu längeren Oligonukleotiden ermöglichen. Zur Untersuchung der Zusammenhänge zwischen Struktur und Funktion haben sich in den letzten Jahren lichtadressierbare Verbindungen als gefragte Modifikationen erwiesen. Der Einsatz von Licht als mildes, nicht-invasives Auslösesignal stellt besonders im biologischen Kontext eine interessante Herangehensweise dar. Um hochwertige Aussagen über das Verhalten von Oligonukleotiden in komplexer biologischer Umgebung machen zu können, muss durch die gezielte Platzierung lichtaktivierbarer Verbindungen ein effizientes AN/AUS-Verhältnis geschaffen werden. Der Einbau photolabiler Schutzgruppen erlaubt eine vorübergehende Beeinflussung der Oligonukleotidstruktur, die durch Abspaltung der Schutzgruppe irreversibel (re-) aktiviert werden kann. Im Gegensatz dazu ermöglicht der Einbau von Photoschaltern eine reversible Adressierbarkeit durch Isomerisierungsprozesse. Die Synthese komplexer gezielt-markierter Oligonukleotide erfolgt zumeist chemisch und ist daher längenlimitiert.
Ziel dieser Doktorarbeit war es, beide Fragestellungen zu vereinen und eine chemo-enzymatische Methode zur RNA-Synthese zu untersuchen, die zum einen die positionsspezifische Modifizierung mit lichtaktivierbaren Einheiten erlaubt und darüber hinaus die Längenlimitierung der chemischen Festphasensynthese überkommt. Im Zentrum der Methode stehen drei enzymatische Reaktionsschritte zum Einbau von photolabil- und photoschaltbar-modifizierten Nukleosid-3‘,5‘-Bisphosphaten: I) eine 3‘-Verlängerung, in der die modifizierten Bisphosphate mit T4 RNA Ligase 1 mit dem 3‘-Ende einer RNA verknüpft werden; II) die Dephosphorylierung des 3‘-Phosphats mit Shrimp Alkaline Phophatase und III) die Verknüpfung der 3‘-terminal modifizierten RNA mit einem zweiten 5‘-phosphorylierten RNA-Fragment, wodurch eine Gesamtsequenz mit gezielt platzierter Modifikation entsteht (Abb. I).
Im ersten Teilprojekt wurden in kollaborativer Arbeit zunächst benötigte photolabile NPE- und photoschaltbare Azobenzol-C-Nukleosid-3‘,5‘-Bisphosphate synthetisiert und grundlegende Bedingungen der enzymatischen Reaktionen erarbeitet. Hierbei konnte der enzymatische Syntheseansatz erfolgreich in Lösung umgesetzt und der chemo-enzymatische Einbau aller synthetisierten Bausteine nachgewiesen werden. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen wurde die Methode in eigenständigen Arbeiten weiterverfolgt, um den multiplen Einbau NPE-modifizierter Nukleosid-3‘,5‘-Bisphosphate in direkter Nachbarschaft sowie deren Einbau in DNA/RNA-Mixmere mit Phosphodiester- oder Phosphorthioatrückgrat zu untersuchen. Es konnte gezeigt werden, dass die verwendeten Enzyme neben lichtaktivierbaren Modifikationen zusätzliche Anpassungen der Phosphateinheit sowie unterschiedliche Ribosebausteine in Kombination tolerieren. Da exogene RNA schnell von Exonukleasen abgebaut und somit unwirksam wird, werden zahlreiche stabilisierende Anpassungen an synthetischen RNAs vorgenommen. Zu den häufigsten zählen Phosphorthioate und Modifikationen der Ribose. Mit der erfolgreichen Modifikation der chimären Oligonukleotide eröffnet die erarbeitete Methode einen wichtigen Zugang zu therapeutisch interessanten Oligonukleotiden. Ein weiterer wichtiger Schritt in Richtung biologisch relevanter Anwendungsmöglichkeiten konnte mit der Synthese, Charakterisierung und Umsetzung eines DEACM-geschützten Uridin-3‘,5‘-Bisphosphates (pUDEACMp) errungen werden. Im Vergleich zur verwendeten NPE-Schutzgruppe ist das Absorptionsspektrum der DEACM-Schutzgruppe bathochrom-verschoben, was eine Abspaltung mit Wellenlängen > 400 nm erlaubt. Dadurch können Zellschäden vermieden und Oligonukleotide mit NPE- und DEACM-Modifikation wellenlängenselektiv angesprochen werden...
Mitochondria are important for cellular health and their dysfunction is linked to a variety of diseases, especially neurodegeneration. Thus, the renewal and degradation of dysfunctional mitochondria is crucial for the well-being of organisms. The selective digestion of damaged mitochondria via the lysosome (mitophagy), is the main pathway to do so.
In my dissertational work, I investigated the connection between protein misfolding, protein import into mitochondria and the degradation of mitochondria via mitophagy. Here, I present a new model for the initiation of mitophagy without collapse of the membrane potential. This model provides the link between protein import into mitochondria, stress signal transduction to the cytosol and the mitochondrial stress sensor PINK1. To comprehensively examine how mitophagy can be triggered, I performed a genome-wide CRISPR knockout screen utilizing the mitophagy reporter mitochondrial mKEIMA. Thereby, I observed numerous novel gene deletions that induce mitophagy. Prominently, I identified an accumulation of gene deletions of the protein import and of protein quality control factors. I validated several of those and examined HSPA9 (mitochondrial HSP70) and LONP1 (a mitochondrial matrix AAA protease) in more detail, regarding their effect on mitophagy and protein import. For this, I used an established fluorescence-based, mitochondrial-targeted EGFP, as well as a newly-developed pulsed-SILAC mass spectrometry approach (mePRODmt). Depletions of both genes resulted in reduced protein import and PINK1-dependent mitophagy. Strikingly, I did not observe any loss of mitochondrial membrane potential, which was hitherto believed to be essential for activation of PINK1-mediated mitophagy. Literature shows that certain mitochondrial stressors can also induce mitophagy without mitochondrial membrane depolarization, which I confirmed with my assays. Next, I characterized the impact of LONP1 and HSPA9 depletion, which are involved in proteostasis maintenance, and the mtHSP90 inhibitor GTPP on mitochondrial protein folding in more detail. GTPP treatment and LONP1 depletion both resulted in the accumulation of an insoluble protein fraction, as judged by proteomic analysis. This insoluble protein fraction enriched several components of the presequence translocase-associated motor PAM, including TIMM44. TIMM44 acts as a link between the translocon, the import pore of the inner mitochondrial membrane (TIM) complex and the PAM complex. Thus, I hypothesized that TIMM44 dissociates from the TIM complex upon protein folding stress, when it becomes part of the insoluble protein fraction. To validate this model, I measured the TIMM44 interactome upon proteostasis disturbance using proximity labeling. Indeed, interaction of TIMM44 with the import pore was almost completely abolished, explaining the loss of matrix-targeted import upon protein folding stress. From these findings, I reasoned that an import reduction mediated by the PAM complex would likely also inhibit the degradation of PINK1. Consistent with this hypothesis, I observed that mitophagy induced by HSPA9 or LONP1 deletion was prevented when PINK1 was genetically deleted. In comparison, non-processed PINK1 was stabilized on mitochondria in wild type cells when mitochondrial protein import was impaired. On this basis, I drew the conclusion that the loss of mitochondrial import was the stress signal, which leads to the stabilization of PINK1, as it could not be processed anymore via the inner mitochondrial membrane protease PARL. PINK1 auto-activates itself upon accumulation and signals to the cytosol that this mitochondrion is damaged. Mitophagy is subsequently initiated by the ubiquitin kinase activity of PINK1. As a result, the autophagy apparatus gets activated, damaged mitochondria are engulfed by a double membrane and removed via lysosomal digestion. This proposed model is, to the best of my knowledge, the first to provide an explanation for protein folding stress-induced and protein import inhibition-triggered mitophagy without mitochondrial depolarization. The model thus extends the PINK1/PARKIN-dependent mitophagy pathway to milder stresses and clears some of the open questions in the field. Furthermore, this work is also important, because protein misfolding stress and dysfunctional mitochondria are two hallmarks of neurodegeneration. In particular, mitochondrial protein import inhibition during Parkinson’s and Huntington disease might be driver of mitochondrial dysfunction. Hence, I hope and anticipate that the newly developed protein import method, mePRODmt, and the proposed model will be beneficial to further characterize underlying processes and to establish which factors prevent or drive these disorders on molecular level.
Structural and functional consequences of the H180A mutation of the light-driven sodium pump KR2
(2022)
Krokinobacter eikastus rhodopsin 2 (KR2) is a light-driven pentameric sodium pump. Its ability to translocate cations other than protons and to create an electrochemical potential makes it an attractive optogenetic tool. Tailoring its ion pumping characteristics by mutations is therefore of great interest. In addition, understanding the functional and structural consequences of certain mutations helps to derive a functional mechanism of ion selectivity and transfer of KR2. Based on solid-state NMR spectroscopy, we report an extensive chemical shift resonance assignment of KR2 within lipid bilayers. This data set was then used to probe site-resolved allosteric effects of sodium binding, which revealed multiple responsive sites including the Schiff base nitrogen and the NDQ motif. Based on this data set, the consequences of the H180A mutation are probed. The mutant is silenced in the presence of sodium while in its absence, proton pumping is observed. Our data reveal specific long-range effects along the sodium transfer pathway. These experiments are complemented by time-resolved optical spectroscopy. Our data suggest a model in which sodium uptake by the mutant can still take place, while sodium release and backflow control are disturbed.
In der vorliegenden Arbeit wurden selbstanordnende Monolagen (SAMs) entwickelt, welche als gassensitive Schichten auf Goldoberflächen mit kanzerogenem Benzol reversibel wechselwirken. Der Fokus lag dabei auf elektronenarmen Systemen und insbesondere auf hochfluorierten Aromaten. Insgesamt wurden 18 neuartige SAM-Präkursoren mit Substituenten, die starke Dipolmomente induzieren, hergestellt, die mit Hilfe von Thiolat- bzw. Selenolat-Ankergruppen an Goldoberflächen angebunden wurden. Die Charakterisierung dieser Schichten erfolgte mit diversen oberflächenanalytischen Methoden, wie Ellipsometrie und Infrarot-Reflexions-Absorptions-Spektroskopie (IRRAS). Für die Erforschung der Selektivität und Sensitivität der präparierten Monolagen wurden Austrittsarbeitsänderungen mit Hilfe einer KELVIN-Sonde gemessen und aus diesen Erkenntnissen systematische Veränderungen an den sensoraktiven Molekülen vorgenommen. So wurden der Fluorierungsgrad des aromatischen Systems, die Kettenlänge des Spacers sowie weitere vielversprechende Strukturmotive untersucht. Insbesondere hochfluoriere Derivate mit CF3-Substituenten zeigten die höchsten Sensitivitäten gegenüber Benzol. Weiterhin wurde ein neues Infrarot-Messprinzip entwickelt und etabliert, welches in situ Messungen während eines Überleitens gasförmiger Analyten ermöglichte. Diese Ergebnisse belegen eine Interaktion zwischen Analyten und Monolage.
Ein weiteres Projekt befasste sich mit elektronenarmen aromatischen Monolagen, die über Cystamin-Einheiten an Goldoberflächen angebunden wurden, sich aber in den dipolaren Kopfgruppen unterschieden. Dieses Vorgehen ermöglicht die Herstellung von SAMs gleicher Packungsdichten, sodass lediglich die unterschiedlichen Substituenten die elektronischen Eigenschaften beeinflussen. Die resultierenden Monolagen wurden mittels mit Rastertunnelmikroskopie, Ellipsometrie, IRRAS sowie Wasserkontaktwinkel-Goniometrie untersucht. Durch eine relativ einfache Veränderung der Kopfgruppe, wobei F3C , F3CS, H3C- sowie NC-Reste eingeführt wurden, war es möglich, die Austrittsarbeit einer Goldoberfläche in einem Bereich von 4.9 bis 5.6 eV einzustellen. Zusätzlich konnte ein gemischtes Disulfid synthetisiert werden, welches eine echte gemischte SAM auf der Goldoberfläche bildete. Dieses Konzept könnte in Zukunft eine noch präzisere Modifizierung der Austrittsarbeit zulassen, was die Entwicklung von effizienteren elektronischen Bauelementen auf Basis von organischen n Typ-Halbleitern ermöglicht.
Abschließend wurden teilfluorierte Benzonitril-Derivate mit Thiolat- bzw. Selenolat-Ankergruppen erforscht, welche als SAMs Informationen über den dynamischen Ladungstransport lieferten. Die Präkursoren unterscheiden sich lediglich im Fluorierungsmuster, welches das Dipolmoment der Gesamtstruktur beeinflusst. Die hergestellten Monolagen wurden mit einer Vielzahl oberflächenanalytischer Methoden (IRRAS, Ellipsometrie, Röntgenphotoelektronen- sowie Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie) charakterisiert, die alle die Bildung geordneter SAMs belegten und auf eine eher aufrechte Orientierung der Moleküle auf der Oberfläche hindeuteten. Die Bestimmung der Elektronentransfer-Zeiten mit Hilfe der sogenannten core-hole-clock-Methode zeigte überraschenderweise, dass durch eine Änderung des Substitutionsmusters der Fluoratome der Elektronenübergang nicht beeinflusst werden. Dementsprechend hat das Dipolmoment innerhalb des molekularen Gerüsts keinen signifikanten Einfluss auf die Elektronentransfer-Dynamik.
Targeted protein degradation is a drug modality represented by compounds that recruit a target to an E3 ubiquitin ligase to promote target ubiquitination and proteasomal degradation. Historically, the field distinguishes monovalent degraders from bifunctional degraders (PROTACs) that connect target and ligase via separate binding ligands joined via a linker1–4. Here, we elucidate the mechanism of action of a PROTAC-like degrader of the transcriptional coactivator BRD4, composed of a BRD4 ligand linked to a ligand for the E3 ligase CRL4DCAF15. Using orthogonal CRISPR/Cas9 screens we identify the degrader activity is independent of DCAF15, and relies on a different CRL4 substrate receptor, DCAF16. We demonstrate an intrinsic affinity between BRD4 and DCAF16, which is dependent on the tandem bromodomains of BRD4 and further increased by the degrader without physically engaging DCAF16 in isolation. Structural characterization of the resulting ternary complex reveals both BRD4 bromodomains are bivalently engaged in cis by the degrader and are bound to DCAF16 through several interfacial BRD4-DCAF16 and degrader-DCAF16 contacts. Our findings demonstrate that intramolecularly bridging domains can confer glue-type stabilization of intrinsic target-E3 interactions, and we propose this as a general strategy to modulate the surface topology of target proteins to nucleate co-opting of E3 ligases or other cellular effector proteins for effective proximity-based pharmacology.
HER2 belongs to the ErbB sub-family of receptor tyrosine kinases and regulates cellular proliferation and growth. Different from other ErbB receptors, HER2 has no known ligand. Activation occurs through heterodimerization with other ErbB receptors and their cognate ligands. This suggests several possible activation paths of HER2 with ligand-specific, differential response, which so far remained unexplored. Using single-molecule tracking and the diffusion profile of HER2 as a proxy for activity, we measured the activation strength and temporal profile in live cells. We found that HER2 is strongly activated by EGFR-targeting ligands EGF and TGFα, yet with a distinguishable temporal fingerprint. The HER4-targeting ligands EREG and NRGβ1 showed weaker activation of HER2, a preference for EREG and a delayed response to NRGβ1. Our results indicate a selective ligand response of HER2 that may serve as a regulatory element. Our experimental approach is easily transferable to other membrane receptors targeted by multiple ligands.
Highlights
HER2 exhibits heterogeneous motion in the plasma membrane
The fraction of immobile HER2 correlates with phosphorylation levels
Diffusion properties serve as proxies for HER2 activation
HER2 exhibits ligand-specific activation strength and temporal profiles
Highlights
• USP32 deubiquitinates the Ragulator complex subunit LAMTOR1 at lysine (K) 20
• LAMTOR1 K20 ubiquitination impairs its binding to the vacuolar H+-ATPase
• USP32 knockout reduces mTORC1 activity and elevates autophagic flux
• Depletion of USP32 in Caenorhabditis elegans inhibits mTOR and induces autophagy
Summary
The endosomal-lysosomal system is a series of organelles in the endocytic pathway that executes trafficking and degradation of proteins and lipids and mediates the internalization of nutrients and growth factors to ensure cell survival, growth, and differentiation. Here, we reveal regulatory, non-proteolytic ubiquitin signals in this complex system that are controlled by the enigmatic deubiquitinase USP32. Knockout (KO) of USP32 in primary hTERT-RPE1 cells results among others in hyperubiquitination of the Ragulator complex subunit LAMTOR1. Accumulation of LAMTOR1 ubiquitination impairs its interaction with the vacuolar H+-ATPase, reduces Ragulator function, and ultimately limits mTORC1 recruitment. Consistently, in USP32 KO cells, less mTOR kinase localizes to lysosomes, mTORC1 activity is decreased, and autophagy is induced. Furthermore, we demonstrate that depletion of USP32 homolog CYK-3 in Caenorhabditis elegans results in mTOR inhibition and autophagy induction. In summary, we identify a control mechanism of the mTORC1 activation cascade at lysosomes via USP32-regulated LAMTOR1 ubiquitination.