Study of the interactions of IL-2 and -15 receptors on human T lymphoma cells

A membránfehérjékből felépülő sejtfelszíni struktúrák változatos térbeli és időbeli szerkezettel rendelkeznek, több hierarchikus szinten szerveződnek. Az immunfolyamatokban fontos szereppel rendelkező interleukin-2 és -15 citokin receptorok és az MHC I és II molekulák közös klaszterekben fejeződnek ki T sejtek membránjában. Kíváncsiak voltunk arra, hogy a legmagasabb expressziójú komponens, az MHC I hogyan befolyásolja a klaszter elemeinek aggregációját és dinamikáját. Ezért az MHC I expresszióját siRNS-sel csendesítettük. Szuperfelfodású képek analízisével kimutattuk, hogy az MHC I molekulák klasztermérete azok expressziós szintjének a függvénye. Az IL-2Rα és IL-15Rα alegységek klaszterizációját, valamint az IL-2/15Rβ és IL-2Rα közötti átlagos távolságot az MHC I csendesítése nem befolyásolta. Molekuláris fényességek analízisével kimutattuk, hogy a kisméretű MHC I komplexekben a homoaggregáció mértéke csökkent az expressziós szint csökkentésével. FCS mérések segítségével megállapítottuk, hogy az MHC I molekulák mobilitása következetesen nagyobb a kölcsönható fehérjék által alkotott aggregátum méretének csökkentésével. Az IL-2/15Rα alegységek mobilitása is megnőtt az MHC I számának a csökkentésével. Az MHC I és az IL-2Rα/IL-15Rα stabil kölcsönhatása következtében a géncsendesítés után megmaradó MHC I molekulák az IL-2Rα/IL-15Rα alegységek mellett maradtak. A receptorok lipid tutajokban való akkumulációjára nem volt hatással a géncsendesítés. Értekezésem további részében az IL-2 jelútvonalban is szerepet játszó c-Jun és a c-Fos heterodimer transzkripciós faktorok konformációját és dinamikus sajátságait vizsgáltam meg. A dimerek konformációjának vizsgálatához a C-végükön elhelyezkedő fluoreszcens fehérjék között FRET méréseket végeztünk, a DNS-kötődés vizsgálatát fluoreszcencia keresztkorrelációs spektroszkópiás (FCCS) analízis segítségével végeztük el. Megállapítottuk, hogy DNS-hez kötött dimer transzkripciós faktorok aránya csökkent, ha a c-Fos C-terminális végét megrövidítettük, tehát a C terminális régiónak funkciója van a DNS-hez való kötődésben. A FRET adatok alapján számolt átlagos távolságok ismeretében a molekuláris dinamikai szimulációkból számolt lehetséges konformációk körét jelentősen szűkíteni lehetett. Az értekezés utolsó részében egy újraprogramozható mérőeszköz (FPGA) biofizikai mérésekben való lehetséges alkalmazását, illetve validálását mutattam be fluoreszcencia (kereszt)korrelációs mérésekben. Az eszközzel, valamint a kereskedelmi forgalomban kapható korrelátorral meghatározott korrelációs függvények paraméterbecslését nemlineáris illesztéssel végeztem el, a paraméterek a két eszközön közel azonosak voltak. Az eszköz segítségével megbecsülhető a molekulakomplexekben levő fehérjék asszociált hányada és mobilitása, lehetővé téve pontosabb biofizikai modellek felállítását.Membrane proteins form dynamic clusters at different hierarchical levels. MHC I and II glycoproteins and interleukin-2 and -15 receptors, which are all important players in immunological processes, form supramolecular clusters in lipid rafts of T cells. The role of the highly expressed MHC glycoproteins in these complexes has not been elucidated, we were interested in finding the effect of gene silencing of MHC I glycoproteins on the dynamics and clustering of MHC I and IL-2Rα/IL-15Rα. The expression level of MHC I was reduced using anti-β2m siRNA. Combination of superresolution microscopy with image analysis methods showed that the diameter of MHC I superclusters significantly reduced, whereas those of IL-2Rα/IL-15Rα hardly changed upon gene silencing. Fluorescence correlation spectroscopy-based brightness analysis revealed that the molecular level of homoaggregation of MHC I molecules was reduced by decreasing their expression level. The mobility of IL-2Rα, IL-15Rα and MHC I increased significantly upon knockdown of MHC I, corroborating the general size decrease of protein aggregates. MHC I molecules retracted to a smaller total area, but remained in the vicinity of interleukin receptors. The interaction between IL-2Rα and IL-2/15Rβ subunits did not change significantly, suggesting that the interactions holding these subunits together were not dependent on the presence of MHC I. Our colocalization analyses suggested that the enrichment of IL-2Rα/IL-15Rα in lipid rafts was not affected by removing MHC I molecules. In the second part of the dissertation the dynamics and conformation of heterodimer-forming c-Jun and c-Fos transcription factors, which are part of the signaling pathway of IL-2, were analyzed. The conformation of the dimers was analyzed by FRET measurements between the fluorescently labeled C-termini of Jun and Fos proteins. Two-color cross-correlation analysis was used to assess co-mobility and DNA binding of the constructs. The data showed that the fraction of DNA-bound dimers decreased if we truncated the C-terminus of c-Fos, suggesting that the C-terminal end may play a role in the stabilization of the DNA-binding of the transcription factors. The average distances of the C-termini derived from our FRET measurements allowed us to narrow down the range of possible conformations of the Fos-Jun dimer predicted by molecular dynamic simulations. Finally, an application of a reprogrammable hardware device (FPGA) in biophysical measurements, and its validation were presented in fluorescence (cross)correlation experiments. The correlation functions calculated by our commercial correlator and the FPGA correlator overlapped perfectly and yielded practically identical fit parameters. By using this hardware, the associated fraction of diffusing molecules and their co-mobility can be quantified, allowing the establishment of more precise biophysical models.N