Quantitative photoactivated localization microscopy reveals the oligomeric state of the tumor necrosis factor receptor 1

Die Plasmamembran eukaryotischer Zellen dient als Barriere zwischen dem Inneren einer Zelle und ihrer Umgebung. Eine wichtige Aufgabe von Proteinen, die sich in der Plasmamembran befinden, besteht in der Erkennung der Umgebung, der Übermittlung dieser Informationen über die Plasmamembran in das Innere einer Zelle und der Einleitung einer zellulären Antwort. Membranrezeptoren binden Liganden, was zu ihrer Aktivierung und der Rekrutierung von intrazellulären Proteinen führt. Funktionelle Signalkomplexe werden gebildet und leiten einen Informationstransfer durch die Zellmembran ein, so dass die Expression bestimmter Gene stimuliert oder unterdrückt wird. Eine Störung der Signalinitiierung und -übertragung tritt bei vielen Krankheiten auf, so dass Membranproteine ein wichtiges Ziel in der Medikamentenentwicklung sind. In dieser Arbeit wird die Fragestellung bearbeitet, wie der Tumornekrosefaktor-Rezeptor 1 (TNFR1) in funktionelle Komplexe in der Plasmamembran einer intakten Zelle organisiert ist. TNFR1 besitzt vier cysteinreiche Domänen (CRDs) in seiner extrazellulären Region. Die erste und von der Plasmamembran am weitesten entfernte CRD ist die Pre-Ligand Assembly Domain (PLAD). Kristallstrukturen zeigten, dass sich in einem TNFR1-Dimer zwei PLAD in unmittelbarer Nähe befinden. Crosslinking-Experimente berichteten über mehrere oligomere Zustände von TNFR1; die Ergebnisse unterschieden sich nach Art und Konzentration des Crosslinkers. In der nativen Umgebung einer intakten Zelle wurde der oligomere Zustand von TNFR1 bisher nicht bestimmt. Der kanonische Ligand für TNFR1 ist der Tumornekrosefaktor alpha (TNF), ein Homotrimer, welches in löslicher oder membrangebundener Form vorliegt. Nach der Bindung von TNF an TNFR1 bilden sich Rezeptortrimere. Diese Proteinkomplexe rekrutieren intrazellulär Proteine und bilden einen funktionellen Membrankomplex, der intrazelluläre Signalkaskaden aktiviert. Die kanonische Signalweiterleitung erfolgt durch den nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B-cells (NF-B), welcher Zellteilung oder Entzündung induziert. TNFR1 kann auch andere Signalwege wie beispielsweise Apoptose durch einen zytosolischen Komplex und die Procaspase-8, oder Nekroptose durch das Nekrosom und die mixed lineage kinase domain-like (MLKL)-Domäne einleiten. Die Dysregulation von TNFR1 ist bei einer Vielzahl von Krankheiten zu finden. Erhöhte TNFR1-Expressiosraten treten bei acquired immune deficiency syndrome (AIDS), multipler Sklerose und verschiedenen Krebsarten auf. In einem zweiten Projekt wurde in Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Michael Lanzer (Heidelberg, Germany) der Expressionsgrad des Proteins VAR2CSA in membranassoziierten knobs bestimmt, welche in Erythrozyten vorkommen, die mit dem Parasiten Plasmodium falciparum infizierten wurden. VAR2CSA gehört zur Proteinfamilie des Plasmodium falciparum erythrocyte membrane protein 1 (pfEMP1). Nach einer Infektion wird VAR2CSA zur Wirtszellmembran transportiert und in knobs eingelagert. Patienten, die Sichelzellenanämie-Erythrozyten (HbAS) aufweisen, sind im Gegensatz zu Patienten mit gesunden Erythrozyten (HbAA) immun gegen Malaria. Während die beiden Erythrozytentypen eine unterschiedliche Morphologie der knobs aufweisen, blieb ihre Zusammensetzung in Bezug auf VAR2CSA bisher ungeklärt. Das Verständnis der Proteinfunktion erfordert eine Beschreibung der molekularen Organisation funktioneller Einheiten in der zellulären Umgebung. Hierfür ist die Fluoreszenzmikroskopie eine geeignete Methode, da sie eine gezielte Markierung von Zielproteinen ermöglicht. Die hohe Sensitivität ermöglicht die Visualisierung einzelner Proteine. Eine Einschränkung in der konventionellen Fluoreszenzmikroskopie ist die Auflösungsgrenze. Strukturelle Elemente, die kleiner als etwa die halbe Anregungswellenlänge sind (für die meisten Anwendungen 200 bis 300 nm) können nicht aufgelöst werden. Die Entwicklung der hochauflösenden Fluoreszenzmikroskopie ermöglichte es, diese Auflösungsgrenze zu umgehen und eine räumliche Auflösung von wenigen Nanometern zu erreichen, was die Visualisierung und Charakterisierung einzelner Proteinkomplexe ermöglichte. Eine Art der hochauflösenden Fluoreszenzmikroskopie ist die single-molecule localization microscopy (SMLM), die auf der Detektion einzelner Fluorophore, einer genauen Bestimmung ihrer Position (Lokalisation) und der Erzeugung eines rekonstruierten Bildes unterhalb der optischen Auflösungsgrenze basiert. Da die meisten Proben in der Fluoreszenzmikroskopie eine zu hohe räumliche Dichte an Fluorophoren aufweisen, um den Nachweis von einzelnen Fluorophoren zu ermöglichen, werden Verfahren zur Kontrolle der Emission von Fluorophoren eingesetzt. Eine Möglichkeit ist der Einsatz von Fluorophoren, die optisch zwischen einem nicht-fluoreszierenden und einem fluoreszierenden Zustand geschaltet werden können, z.B. photoschaltbare fluoreszierende Proteine in photoactivated localization microscopy (PALM) oder organische Farbstoffe in (direct) stochastic optical reconstruction microscopy ((d)STORM). SMLM erreicht eine räumliche Auflösung von 20 nm, was in den meisten Fällen ausreicht, um einzelne Proteinkomplexe in einer Zelle aufzulösen. Diese räumliche Auflösung ist jedoch nicht ausreichend, um Untereinheiten innerhalb eines Proteinkomplexes zu visualisieren. Zu diesem Zweck wurde SMLM erweitert und die verfügbare kinetische Information genutzt, die bei der Detektion einzelner Fluorophore ausgelesen wird. Viele Fluorophore weisen metastabile Dunkelzustände auf, die eine Lebensdauer von bis zu Sekunden aufweisen. Diese Übergänge erscheinen als "Blinken" der Fluoreszenzemission. In Kombination mit kinetischen Modellen kann aus der Anzahl an Blink-Ereignissen die Anzahl der Fluorophore ermittelt werden. Angewendet auf hochaufgelöste Proteinkomplexe kann die Auflösungsgrenze von hochauflösender Mikroskopie umgangen werden, und die Anzahl der Protein-Untereinheiten in einem hochaufgelösten Proteincluster ermittelt werden. Hierzu wird beispielsweise das photoschaltbare fluoreszierende Protein mEos2 an ein Zielprotein funsioniert (quantitative PALM (qPALM)). ..