Single molecule microscopy on Store-Operated Calcium channels
Description
Store-Operated Calcium Entry is essential for many signaling processes in non-excitable cells. The best studied Store-Operated Calcium current is the Calcium-Release-Activated-Calcium (CRAC) current in T-cells and mast cells, with Orai1 representing the essential pore forming subunit. Functional CRAC channels in store-depleted cells are composed of four Orai1 subunits. However, the stoichiometric composition in resting cells is still discussed controversially: both a tetrameric and a dimeric stoichiometry of resting-state Orai1 have been reported for immobilized or immobile Orai1 proteins. The aim of this thesis was to design a more versatile approach that allows reliable determination of the subunit stoichiometry of mobile Orai1 channels. The motive for this approach is that mobile sub-fractions of the entire Orai1 population provide the cleanest pool of data, devoid of contributions e.g. from immobile Orai1 clusters or Orai1-loaded vesicles attached to the plasma membrane. Moreover, resting-state Orai1 is predominantly mobile, and mobility appears critical for the lateral redistribution which occurs upon store depletion. The method per se is based on single molecule fluorescence microscopy and brightness analysis. Orai1 proteins were fused to a monomeric variant of Green Fluorescent Protein (mGFP) and over-expressed in a human cell line (T24). The 1:1 labeling stoichiometry allows using the brightness of individual Orai1-mGFP channels as a direct measure of the pore stoichiometry. Due to over-expression a potential mixing with endogenous Orai1 can be neglected. However, over-expression of Orai1-mGFP results in channel densities that are too high to allow for resolving single channels using diffraction limited optical microscopy. In order to overcome this challenge, I developed an experimental strategy that allows reduction of the density of actively fluorescent Orai1-mGFP channels without altering the labeling stoichiometry. In order to reduce the surface density a sharply defined region of the sample is completely photobleached in a short time period. During the passage of a well adjusted recovery time mobile Orai1 channels enter the observation area by lateral diffusion. The illumination protocol was optimized with respect to the photo-physical characteristics of mGFP. Individual trajectories of single Orai1-mGFP channels were recorded using alternating imaging and photobleaching pulses. As a consequence, each trajectory consists of bright and dim segments, corresponding to higher and lower numbers of colocalized active label, respectively. The recorded single molecule trajectories were analyzed using global brightness distribution fitting. Several distinct models were compared and thoroughly tested using different statistical assays. The obtained results indicate a tetrameric resting-state subunit stoichiometry of Orai1 in mammalian cells. (author)
Availability note (English)
Available from JKU University Library, Altenberger Strasse 69, 4040 Linz (AT)Abstract (German)
Speicher-gesteuerter Calcium Einstrom (Store-Operated Calcium Entry, SOCE) ist notwendig fuer viele Signalisierungsprozesse in elektrisch nicht-erregbaren Zellen. Der am besten charakterisierte SOCE-Strom ist der Calcium-Freisetzungs-aktivierte Calcium Einstrom in T-Zellen und Mastzellen (Calcium-Release-Activated Calcium current, CRAC). Das Protein Orai1 stellt hierbei die eigentliche Poren-formende Untereinheit dar. Funktionelle CRAC Kanaele in Speicher-entleerten Zellen bestehen aus vier Orai1 Untereinheiten. Die Stoechiometrie in ruhenden Zellen ist allerdings umstritten. Fuer immobilisierte beziehungsweise immobile Orai1 Proteine im Ruhezustand wurden sowohl eine tetramere als auch eine dimere Stoechiometrie beschrieben. Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer vielseitigeren Methode zur zuverlaessigen Bestimmung der Untereinheiten-Stoechiometrie von mobilen Orai1 Kanaelen. Die Motivation dahinter war die ueberlegung, dass mobile Sub-Fraktionen der gesamten Orai1 Population die verlaesslichste Datenquelle darstellen. Diese sind frei von potentiellen Einfluessen durch immobile Orai1 Anhaeufungen oder Orai1-beladende Vesikel, welche sich in der Naehe der Plasmamembran befinden. Ein weiteres Argument ist die Tatsache, dass Orai1 Proteine im ruhenden Zustand vorwiegend mobil sind. Freie Beweglichkeit der Orai1 Kanaele scheint kritisch zu sein fuer die notwendige laterale Umverteilung, welche nach Entleerung der intrazellulaeren Calcium-Speicher auftritt. Die hier angewandte Methode basiert auf Einzelmolekuel-Fluoreszenzmikroskopie und Helligkeiten-Analyse. Orai1 wurde mit einer monomeren Variante des Gruen Fluoreszierenden Proteins (mGFP) fusioniert und in einer humanen Zellinie (T24) ueberexprimiert. Bedingt durch die 1:1 Stoechiometrie der Fluoreszenz-Markierung kann die Helligkeit individueller Orai1-mGFP Kanaele als direktes Mass der Untereinheiten-Stoechiometrie verwendet werden. Aufgrund der verwendeten ueberexpression von Orai1-mGFP ist eine moegliche Vermischung mit unmarkierten endogenen Orai1 Untereinheiten vernachlaessigbar. Ьeberexpression von Orai1-mGFP resultiert in Oberflaechenkonzentrationen, welche zu hoch sind, um individuelle Kanaele mittels Beugungs-limitierter optischer Mikroskopie aufloesen zu koennen. Um dieses Problem zu umgehen, wurde eine experimentelle Vorgehensweise entwickelt, welche eine Reduktion der Dichte von aktiv fluoreszierenden Orai1-mGFP Kanaelen ermoeglicht ohne die Stoechiometrie der Fluoreszenz-Markierung zu veraendern. Hierfuer wird ein scharf definierter Bereich in der Probe in kurzer Zeit total gebleicht. Waehrend einer geeignet angepassten Erholungsphase diffundieren einzelne mobile Orai1 Kanaele in den Auslesebereich. Das Belichtungsprotokoll wurde entsprechend der photo-physikalischen Charakteristiken von mGFP optimiert. Individuelle Trajektorien von einzelnen Orai1 Kanaelen wurden unter kombinierter Verwendung von Belichtungs- und Bleichpulsen aufgenommen. Daher bestehen die erhaltenen Trajektorien aus jeweils einem Segment mit hellen und einem Segment mit schwaecheren Signalen, was jeweils einer hohen beziehungsweise geringen Anzahl von aktiven kolokalisierten mGFPs entspricht. Die Trajektorien wurden mittels Helligkeits-Verteilungsfunktionen global gefittet. Verschiedene moegliche Modelle wurden verglichen und mittels statistischer Pruefmethoden getestet. Die erhaltenen Ergebnisse zeigen, dass Orai1 Kanaele in nicht aktivierten Zellen eine tetramere Untereinheiten-Stoechiometrie haben. (author)Additional details
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 65 p.
INIS
- Country of Publication
- Austria
- Country of Input or Organization
- Austria
- INIS RN
- 44014756
- Subject category
- S75: CONDENSED MATTER PHYSICS, SUPERCONDUCTIVITY AND SUPERFLUIDITY;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis, Non-conventional Literature
- Descriptors DEI
- CALCIUM; DIFFRACTION; DIFFUSION; FLUORESCENCE; MAST CELLS; MOLECULES; OPTICAL MICROSCOPY; PROTEINS; STOICHIOMETRY; TRAJECTORIES
- Descriptors DEC
- ALKALINE EARTH METALS; ANIMAL CELLS; COHERENT SCATTERING; CONNECTIVE TISSUE CELLS; ELEMENTS; EMISSION; LUMINESCENCE; METALS; MICROSCOPY; ORGANIC COMPOUNDS; PHOTON EMISSION; SCATTERING; SOMATIC CELLS