Refine
Year of publication
- 2023 (5) (remove)
Document Type
- Doctoral Thesis (5)
Language
- English (5)
Has Fulltext
- yes (5)
Is part of the Bibliography
- no (5)
Keywords
- C. elegans (1)
- adenylyl cyclases (1)
- cyclic nucleotide-gated channels (1)
- guanylyl cyclases (1)
- optogenetics (1)
- rhodopsin (1)
- synaptic transmission (1)
- synaptic vesicle recycling (1)
Institute
In the past decade, the optogenetic toolbox for the manipulation of ion currents and cNMP levels in Caenorhabditis elegans (C. elegans) expanded. However, the implemented tools for cAMP generation were soluble enzymes (euPAC, bPAC, IlaC22 k27 and PaaC) and thus they do not precisely mimic physiological cAMP signalling occurring in microdomains in close proximity to the plasma membrane. Here, cAMP is predominantly generated by membrane-bound adenylyl cyclases, that are located in microdomains together with G protein-coupled receptors (GPCRs), protein kinase A (PKA) and their targets, enabling spatially and temporal regulation of cAMP signalling. For this reason, one aim of this study was to develop and implement membrane bound photoactivatable adenylyl cyclases for the manipulation of cAMP mediated signalling in close proximity to the plasma membrane. For this purpose, the guanylyl cyclase domains of the Blastocladiella and Catenaria Cyclase Opsins (CyclOps) were mutated to adenylyl cyclases either by introducing the mutations E497K and C566D (abbreviated as (A-2x)) or by the mutations E497K, H564D, and C566T (abbreviated as (A-3x)).
To determine the nucleotide specificity switch from GTP to ATP and the extent of light-dependent cAMP generation, the engineered enzymes were expressed in body wall muscle cells of C. elegans and in vitro cNMP measurements using C. elegans extracts were performed. Here, the highest levels of light induced cAMP generation during sustained stimulation (0.5 mW/mm2; 470 nm, 15 min) were detected for the variants BeCyclOp(A-2x), YFP-BeCyclOp(A-2x), and YFP-CaCyclOp(A-2x) (39, 57, 40 nM, respectively), though they did not reach the extent produced by the soluble bPAC (142 nM). In contrast, low magnitudes of generated cAMP were measured for the versions BeCyclOp(A-3x) and CaCyclOp(A-2x) (8 and 7 nM, respectively). Importantly, no obvious residual cGMP and basal activity was ascertained for any of the engineered enzymes.
To assess their potential to trigger and modulate cAMP mediated cholinergic neurotransmission, and to evaluate the influence of cytosolic and membrane proximal optogenetic cAMP generation, the enzymes were expressed in cholinergic motor neurons and compared to the implemented soluble bPAC via locomotion behaviour analysis on solid and in liquid media. Photoactivation of BeCyclOp(A-2x), YFP-BeCyclOp(A-2x), and YFP-CaCyclOp(A-2x) caused similarly enhanced or even more potent behavioural changes (swimming and crawling) as bPAC, whereas a more rapidly decaying response was observed for the bPAC evoked effects. Moreover, an increased diversity of the behavioural output was detected for cytosolic cAMP production by bPAC, i.e. increased bending angles and a decreased body length.
Confocal fluorescence microscopy was performed to examine the expression levels of YFP-tagged enzymes in cholinergic neurons, whereas both YFP-CyclOp(A-2x)s were expressed at similar levels, but 1.4-fold lower relative to the soluble bPAC-YFP. To compare the amount of light-dependent cAMP generation bPAC and BeCyclOp(A-2x) at light conditions that match the conditions of the behavioural experiments (30 s), cAMP measurements using C. elegans extracts were performed, whereas BeCyclOp(A-2x) depicted a 4-fold lower amount of optogenetic cAMP production than the soluble bPAC.
In sum, local (membrane proximal) cAMP generation by the membrane-bound photoactivatable adenylyl cyclases may more specifically activate cAMP dependent neurotransmission of cholinergic motor neurons than cytosolic cAMP generation, i.e. an increased mobilization and priming/docking of synaptic vesicles and an increased filling of the synaptic vesicles with the neurotransmitter acetylcholine and thus an increase in locomotion behaviour.
The optogenetic toolbox for the manipulation of cGMP mediated signalling in C. elegans consisted of the natural membrane-bound BeCyclOp and the artificial soluble bPGC. The latter generates cGMP with low efficiency and slow kinetics (~0.2 cGMP s-1), whereas BeCyclOp enables the production of much larger amounts of cGMP (L/D = 5000) at a high turnover rate (~17 cGMP s-1). Thus, one aim of this thesis was to implement a tool with features in between those of BeCyclOp and bPGC. Several orthologous CyclOps were assessed by Gao et al., 2015 for light-regulated cGMP production by in vitro assays based on the measurement of the cNMP content from CyclOp containing oocyte membranes. Here, CaCyclOp showed the highest ratio of light versus dark activity (L/D = 230) after BeCyclOp, and thus was selected for characterization in C. elegans...
Die Kernspinresonanz(NMR)-Spektroskopie ist ein leistungsstarkes analytisches Werkzeug. Allerdings ist ihre Empfindlichkeit aufgrund geringer Wechselwirkungs-energie zwischen den Kernspins und dem externen Magnetfeld begrenzt. Die dynamische Kernpolarisation (DNP) erhöht DNP die Empfindlichkeit der NMR, indem sie die Polarisation von ungepaarten Elektronenspins auf die benachbarten Kernspins überträgt. In den letzten Jahrzehnten hat die DNP bei hohen Magnetfeldern erneut an Aufmerksamkeit gewonnen, bedingt durch die Verfügbarkeit leistungsstarker Gyrotron-Mikrowellen(mw)-Quellen. Jedoch wurde die Anwendung von DNP für Flüssigkeiten im Vergleich zu Festkörperproben bei niedrigen Temperaturen (≈100 K) weit weniger erforscht. Zwei Gründe können dafür hauptsächlich benennt werden. Bei hohen Magnetfeldern (entsprechend hohen mw-Frequenzen) wird die mw-Strahlung sehr stark von Flüssigkeiten absorbiert, was zu einer starken Erwärmung führt. Darüber hinaus sind die Translations- und Rotationsdynamik der Radikale und Target-Molekülen nicht schnell genug, um Spectraldichten bei den hohen mw-Frequenzen zu erzeugen, die für eine Overhauser-Effekt (OE) DNP Verstärkung benötigt werden. In dieser Arbeit wird gezeigt, Flüssigzustands-DNP bei hohen Magnetfeldern, insbesondere bei 9,4 T, mit hocheffizienten DNP-Probenköpfen möglich ist.
Der von skalaren Hyperfein-Wechselwirkung (hfWW) angetriebene OE ist für Flüssigzustands-DNP-Forschungen von besonderem Interesse, da der von der Theorie vorhergesagte Mechanismus auch bei hohen Magnetfeldern noch effizient ist. In der vorliegenden Arbeit wurde eine Methode zur Vorabprüfung potenzieller DNP-Kandidaten durch Messungen ihrer paramagnetischen NMR-Verschiebungen vorgeschlagen und untersucht. Wir beobachtete signifikante 13C-skalare OE DNP-Verstärkungen bis zu 50 bei den ausgewählten kleinen Biomolekülen, einschließlich Imidazol, Indol, verschiedene Aminosäuren und Kohlenhydraten. Das Lösungssystem wurde auch von organischen Lösungsmitteln auf Wasser erweitert.
Im Kontext von dipolarer OE DNP haben wir den Beitrag der Rotation des Radikals neben der Translationsbewegung zwischen Radikal und Target-Molekül zur OE DNP-Effizienz systematisch untersucht, indem wir verschiedene Nitroxidderivate mit unterschiedlichen Ringgeometrien und Substituenten verwendet haben. Mithilfe eines Models, das eine 'out-sphere' Translationsbewegung und eine 'inner-sphere' Rotationsbewegung des Radikal-Lösungsmittel-Komplexes enthält, konnte unsere Beobachtungen quantitativ simuliert werden. Außerdem wurde ein anderes Model untersucht, das eine Translationsbewegung mit der Rotation von Radikalen, bei denen das ungepaarte Elektron nicht im Zentrum sitzt, kombiniert.
Eine weitere neue Entdeckung in der DNP bei hohen Magnetfeldern waren der beobachtete SE (Solid-Effekt) an Lipidmolekülen mit BDPA-Radikal oberhalb der Lipidphasen-übergangstemperatur. Die neue Anwendung von SE DNP bietet einen alternativen Mechanismus zur OE DNP in Flüssigkeiten bei hohen Magnetfeldern und könnte möglicherweise auf Makromoleküle mit relativ langsamer Rotationsbewegung angewendet werden.
Wir haben zusätzliche Untersuchungen an den Lipiddoppelschichten mit Nitroxid-radikale durchgeführt, basierend auf dem beobachteten 1H DNP-Verstärkungen in einer viskosen Lipidumgebung bei 9,4 T . Durch Messung des Feldprofils wurden DNP-Verstärkungen durch OE und SE in Abhängigkeit ihrer relativen Verschiebungen von der Elektronen-Larmor-Frequenz bestimmt. Die individuelle OE DNP-Effizienzen für Protonen des Wassers, der Lipid-Cholin-Kopfgruppen oder der Lipid-Acylketten wurde bestimmt. Dadurch wird ein quantitativer Vergleich mit MD-Simulationen ermöglicht. Obwohl die von der MD-Simulationen vorhergesagten DNP Kopplungsfaktoren noch deutliche Abweichungen von den experimentellen Beobachtungen aufweisen, wird die schnelle Dynamik nahe der Elektronen-Larmor-Frequenz, die für einen erfolgreichen OE DNP Transfer erforderlich ist, von den MD-Simulationen gut erfasst.
In der Arbeit wurden auch zwei unterschiedliche Dreifachresonanz-DNP-Experimente durchgeführt. Zum einen wurde 13C OE DNP unter 1H-Entkopplung in wässriger Natriumpyruvatlösung, und zum anderen 13C-NMR von Glycin, verstärkt durch SE DNP an 1H zusammen mit einem 1H-13C INEPT-Polarisationstransfer, im Rahmen dieser Doktorarbeit durchgeführt.
G-protein-coupled receptors (GPCRs) from the largest family of receptors in the human body. They contain seven transmembrane helices. There are roughly 800-900 GPCR genes expressed in humans encoded by 4-5% of the human genome. These receptors are the most important signal transducers and play a crucial role in cell physiology and pathology, by using various extracellular stimuli to start complex intracellular signaling. GPCRs interact with a wide variety of stimuli from small molecules (photons, ions, amines) to large molecules (peptides, small proteins), and trigger downstream cascade effects by interacting with G-proteins, GPCR kinases, and ß-arrestin. Because of their crucial roles in many cellular functions, GPCRs are the most important drug targets for the pharmaceutical industry. Approximately 30% of the clinically approved drugs available in the market are against GPCRs. In this work achieved successful expression and purification of GPCRs from class-C and class-A families. Combined with biochemical experiments, DNP-ssNMR, and molecular simulation helped to decipher the mechanism of crosstalk between the allosteric modulator, and the orthosteric binding sites of the peptide receptor. The main findings and major highlights of this dissertation are outlined in the following paragraphs.
The calcium-sensing receptor (CaSR) belongs to the GPCR class-C family and contains a large extracellular domain. This receptor regulates Ca2+ homeostasis in blood and its absorption in the kidney and bone. To understand the molecular and structural mechanisms of these receptors their cDNAs were cloned into the pPICZ and pOET1 vectors to express them in Pichia pastoris and in Sf9 insect cells respectively. The CaSR was successfully expressed heterologously in Pichia pastoris and in the insect cell with high yield. The purified receptor purified in LMNG shows no aggregation in a monomeric state. Further optimization was performed to use it for cryo-EM sample preparation and structure determination. In 2nd part of the thesis, different mini G (mini Gs, mini Gi, mini Gqs, and mini Gsi) DNA constructs were made and expressed in E. coli. It's challenging to obtain active GPCR structures due to the instability of G-protein or G-protein-bound receptors. In this work, all mini-G proteins and chimera mini-G-protein-maltose binding protein (MBP) were cloned and expressed in E. coli and purified with a His-trap column with high purity.
In the last part of the thesis, to decipher the mechanism of allosteric modulation of orthosteric binding sites in the bradykinin receptor was produced and characterized in insect cells. Angiotensin I converting enzyme inhibitors (ACEIs), are very important drugs and are widely used for the treatment of hypertension, congestive heart failure, and diabetic neuropathy. These drugs target primarily the catalytic zinc center of the ACE. It has been shown that enalaprilat, a well-known ACEI, binds to a proposed zinc-binding site on hB1R and even directly activates the receptor. To obtain information on the influence of ACEIs on the receptor-peptide complex, and to have a better understanding of the molecular mechanism and structural plasticity of the bradykinin receptor and PAM, we used the three commercially available ACEIs captopril, enalaprilat, and lisinopril for our studies. An important result of this thesis is that though enalaprilat, captopril, and lisinopril all have similar functional properties in humans, each one regulates the orthosteric binding site of hB1R in a unique way. These findings provide atomic insights into the allosteric modulation of the bradykinin receptor. This study along with the effects of ACEI on the binding sites of receptors also deciphers the effects of the Zn2+ as well as the crosstalk between zinc binding sites and ACEI compounds. The binding of allosteric modulators induces distinct endogenous binding, which might aid in creating new possibilities in the pharmaceutical field.
Synaptic transmission is a fundamental process that involves the transfer of information from a presynaptic neuron to a target cell through the release of neurotransmitters. The SV cycle is a complex series of events that enables the recycling of SVs, allowing for the sustained release of neurotransmitters. This process is mediated by a variety of proteins and enzymes, and its regulation is critical for maintaining proper synaptic function. Despite extensive research efforts, many aspects of the SV cycle and the underlying synaptic proteins remain poorly understood, highlighting the need for continued investigation into this important process. During this work, multiple aspects of synaptic transmission were studied by performing
behavioural, pharmacological, optogenetic, electrophysiological and ultrastructural assays on Caenorhabditis elegans. First, the role of two proteins (ERP-1 and RIMB-1) were analysed in the synaptic vesicle cycle. Second, a new optogenetic tool, the pOpsicle assay was described, which enables the direct visualization of synaptic vesicle (SV) release.
Activity-dependent bulk endocytosis (ADBE) enables the endocytosis of SV membrane and proteins in a fast manner during intense stimulation, resulting in bulk endosomes (also so-called large vesicles, LVs). Recycling proteins can be characterized by its site of action, whether they act at the plasma membrane (participating at the LV formation), or at the LV membrane (participating at the SV formation). ERP-1 (the C. elegans ortholog of Endophilin B) was recently identified as a possible SV recycling factor, its contribution to synaptic transmission has not been analysed before. During this project the function and possible cooperation of three proteins, ERP-1, UNC-57 (the C. elegans ortholog of Endophilin A) and CHC-1 (the C. elegans ortholog clathrin heavy chain) were studied, with a special emphasis of the site of action. It has been confirmed that these proteins participate together in synaptic vesicle recycling. Endophilins (ERP-1 and UNC-57) act both at the PM and the LV level, but while UNC-57 has been identified as the main player, ERP-1 rather has a minor role and acts as a back-up protein. CHC-1 functions the LV level in the first place, but it can compensate for the loss of UNC-57 and acts as a back-up protein at the PM.
RIM-binding protein is an evolutionarily conserved active zone protein, which interacts directly with RIM and N, P/Q, as well as L-type Ca2+ channels. RIM-BP and RIM have redundant functions in different model organisms including C. elegans, however, while the loss of UNC-10 (the C. elegans ortholog of RIM) led to drastic behavioural defects, the loss of RIMB-1 (the C. elegans ortholog of RIM-BP) led only to mild phenotypes. During this work the synaptic function of RIMB-1 and its interaction with UNC-10 and UNC-2 (C. elegans ortholog of the CaV2 1 subunit) were extensively investigated. It has been shown that RIMB-1 contributes to the precise localization of VGCCs in cooperation with UNC-10. Furthermore, it has been demonstrated, that RIMB-1 plays different roles in cholinergic and GABAergic neurons, thus it contributes to maintain a proper excitation/inhibition balance.
There are numerous available assays, which enable the indirect analysis of synaptic transmission, however, a tool, that enables the direct visualization of SV release, is highly desired. pOpsicle is a method which combines the optogenetic stimulation of cholinergic neurons with real-time visualization of SV release. A pH-sensitive fluorescence protein, pHuji, was inserted into the second intravesicular loop of the synaptic vesicle membrane protein, synaptogyrin (SNG-1). The fluorescence of pHuji is quenched inside the vesicles, but once they are released, the pH increases and pHuji can be detected. pOpsicle enables not only the direct visualization of SV exo-, and endocytosis events, but also the identification of putative SV recycling proteins.
Die Zahl der gramnegativen Bakterien auf der WHO-Liste der Antibiotikaresistenzen hat in den letzten Jahrzehnten erheblich zugenommen. Schätzungen zufolge wird die Antibiotikaresistenz bis 2050 tödlicher sein als Krebs. Die äußere Membran gramnegativer Bakterien ist aufgrund ihres wichtigsten Strukturbestandteils, des Lipopolysaccharids (LPS), sehr anpassungsfähig an Umweltveränderungen. Das LPS macht gramnegative Bakterien von Natur aus resistent gegen viele Antibiotika und führt somit zu Antibiotikaresistenz. Der bakterielle ATP-bindende Kassettentransporter (ABC-Transporter) MsbA spielt eine entscheidende Rolle bei der Regulierung der bakteriellen Außenmembran, indem er das Kern-LPS durch ATP-Hydrolyse über die Innenmembran von gramnegativen Bakterien flockt. Darüber hinaus fungiert diese Floppase als Efflux-Pumpe, indem sie Medikamente durch die innere Membran transportiert, was sie zu einem interessanten Ziel für Medikamente macht. Vor kurzem wurden zwei verschiedene Klassen von MsbA-Inhibitoren entdeckt: (1) Tetrahydrobenzothiophene (TBT), die den LPS-Transport aufheben, und (2) Chinolinderivate, die sowohl die ATP-Hydrolyse als auch die LPS-Translokation blockieren. Darüber hinaus hat die Bestimmung der 3D-Struktur von MsbA durch Rontgen- und Kryo-EM mehrere interessante Zustände der Floppase ergeben. Die Kernspinresonanzspektroskopie ist eine hervorragende biophysikalische Methode zur Ergänzung der vorhandenen 3D-Strukturdaten. Insbesondere ermöglicht die Festkörper-NMR die Untersuchung von Membranproteinen in einer nativen Umgebung (z. B. in einer Lipiddoppelschicht). In der Vergangenheit hat unser Labor mithilfe der Festkörper-NMR einige detaillierte Mechanismen von MsbA aufgedeckt. Trotz der zahlreichen Fortschritte bei der Untersuchung der ABC-Transporterprotein-Superfamilie ist der spezifische Prozess der Substrattranslokation von MsbA noch immer unbekannt. Es wird angenommen, dass dieser Translokationsprozess über die Kopplungshelices (CHs) erfolgt, die sich zwischen der Transmembranregion (TMD) und der Nukleotidbindungsdomäne (NBD) befinden. Nukleotid-Bindungsdomäne (NBD). Zu diesem Zweck wird dem Zusammenspiel zwischen der TMD und der NBD über die CHs besondere Aufmerksamkeit gewidmet, mit dem Ziel, den Prozess der Substrattranslokation mithilfe von funktionellen Assays und Festkörper-NMR zu verstehen. Bei letzterem wurden spezifische Reporter in die CHs eingeführt, um Konformationsänderungen in 2D-spektroskopischen Daten zu verfolgen. Darüber hinaus wurde zeitaufgelöste NMR eingesetzt, um die Auswirkungen verschiedener Substrate in der TMD während der ATP-Hydrolyse in der NBD sichtbar zu machen. Die einzigartigen Reporter in den CHs haben Konformationsänderungen in bestimmten katalytischen Zuständen gezeigt. Darüber hinaus scheinen verschiedene Substrate die Kinetik der ATP-Hydrolyse zu beeinflussen. Die Ergebnisse zeigten, dass einige Substrate einen bevorzugten katalytischen Zustand innerhalb des ATP-Hydrolyse Zyklus aufweisen, der möglicherweise einen gekoppelten oder ungekoppelten Kinasemechanismus hat. Diese Ergebnisse könnten verschiedene Einblicke in die molekulare Struktur potenzieller neuer Antibiotika liefern.