Characterization of nanostructures in the live cell plasma membrane utilizing advanced single molecule fluorescence techniques
Description
Unrevealing the detailed structure of the cellular plasma membrane at a nanoscopic length scale is the key for understanding the regulation of various signaling pathways or interaction mechanism. Hypotheses postulate the existence of nanoscopic lipid platforms in the cell membrane which are termed lipid- or membrane rafts. Based on biochemical studies, rafts are believed to play a crucial role in many signaling processes. However, there is currently not much information on their size, shape, stability, surface density, composition and heterogeneity. In this thesis I present an ultra-sensitive fluorescence based method which allows for the first time the direct imaging of single mobile rafts in the live cell plasma membrane. The method senses rafts by their property to assemble a characteristic set of fluorescent marker-proteins or lipids on a time-scale of seconds. A special photobleaching protocol was developed and used to reduce the surface density of labeled mobile rafts down to the level of well-isolated diffraction-limited spots, without altering the single spot brightness. The statistical distribution of probe molecules per raft was determined by single molecule brightness analysis. For demonstration, I used the consensus markers Bodipy-GM1, a fluorescent lipid analogue, and glycosylphosphatidyl-inositol-anchored monomeric GFP. For both markers I found cholesterol-dependent association in the plasma membrane of living CHO and Jurkat T cells in the resting state, indicating the presence of mobile, stable rafts hosting these probes. I further characterized these structures by taking cell-to-cell variations under consideration. By comparing Bodipy-GM1 with mGFP-GPI homo-association upon temperature variation, two different states - a non-equilibrated and an equilibrated state - could be identified. I conclude that rafts are loaded non-randomly; the characteristic load is maintained during its lifetime in the plasma membrane of a non-activated cell. Beside these lipid-lipid or protein-lipid interactions, protein-protein interactions play of mayor role for the regulation of cell metabolism and function. In this thesis I further characterized the interaction between human CD4, the major co-receptor in T cell activation, and human Lck, the protein tyrosine kinase essential for early T cell signaling using an ultra-sensitive fluorescence-based method. Interaction dynamics were studied in detail by performing photobleaching experiments and single molecule brightness analysis. This enabled a combined mobility and stoichiometry analysis of Lck-molecules interacting with the captured CD4 protein. In the last part of my thesis I present a single molecule fluorescence study using a variant of an oxidized phospholipid - which is known to induce apoptosis - to probe the structure of the cellular plasmamembrane. The cells were illuminated using a recently introduced technique which utilizes a highly inclined and laminated optical sheet (HILO) to reduce background signal arising from intracellular fluorophores or from cellular autofluorescence. Our data demonstrate the relevance of plasma membrane properties for uptake of oxidized phospholipids, and indicate a novel indirect mechanism for the control of endocytosis. (author)
Availability note (English)
Available from JKU University Library, Altenberger Strasse 69, 4040 Linz (AT)Abstract (German)
Um Interaktionsmechanismen und verschiedenste Signalisierungswege zellulaerer Ablaeufe vollstaendig verstehen zu koennen, ist eine genau Kenntnis der zellulaeren Plasmamembran auf nanoskopischer Laengenskala erforderlich. Hypothesen dazu postulieren die Existenz nanoskopischer Lipidplattformen, die als Lipid- oder Membran- Floeße, im englischen rafts, bezeichnet werden. Basierend auf biochemischen Studien wird diesen rafts eine wichtige Rolle in Signalisierungsprozessen zugeschrieben. Es sind jedoch kaum Informationen ueber deren Groeße, Form, Oberflaechendichte, Zusammensetzung oder Heterogenitaet verfuegbar. In dieser Arbeit stelle ich eine ultra-sensitive Methode vor, die auf Fluoreszenzmessungen beruht und erstmals die direkt Beobachtung von einzelnen, mobilen rafts in der Membran einer lebenden Zelle erlaubt. Die Methode detektiert rafts ueber deren Eigenschaft, eine charakteristische Gruppe fluoreszierender Proteine oder Lipide auf einer Zeitskala von mehreren Sekunden zusammenzuhalten. Eine speziell entwickeltes Bleichprotokoll erlaubt die Oberflaechendichte markierter, mobiler rafts so weit zu reduzieren, bis diese als einzelne, aufloesungslimitierte Signale detektiert werden koennen, ohne dabei ihre Helligkeit zu verfaelschen. Die statistische Verteilung der Sondenmolekuele pro Lipid-raft wurde mit Hilfe einer Helligkeitsanalyse der Einzelmolekuelsignale bestimmt. Experimente an lebenden Zellen wurden mit Bodipy-GM1, einem fluoreszierenden Lipid, und einem glycosylphosphatidyl-inositol-verankerten monomerischen GFP (mGFP-GPI) durchgefuehrt. Fuer beide Molekuele, die in der Literatur als raft-Marker beschrieben werden, konnte ich eine Cholesterol-abhaengige Assoziation in der Plasmamembran lebender CHO und Jurkat T Zellen nachweisen. Diese stellt ein eindeutiges Indiz fuer das Vorhandensein von mobilen, stabilen rafts, die diese Molekuele aufnehmen koennen, dar. In weiterer Folge charakterisierte ich diese Strukturen unter Beruecksichtigung von Zell-zu-Zell Variationen. Durch Vergleich von Bodipy-GM1 mit mGFP-GPI Selbst-Assoziation bei verschiedenen Temperaturen konnte ich zwei unterschiedliche Zustaende - einen nicht-equilibrierten und einen equilibrierten Zustand - identifizieren. Dies erlaubt die Schlussfolgerung, dass rafts nicht zufaellig beladen werden und ihre charakteristische Beladung waehrend ihrer Lebenszeit auf der Plasmamembran einer nicht aktivierten Zelle aufrechterhalten wird. Neben Lipid-Lipid oder Protein-Lipid Interaktionen spielen Protein-Protein Interaktionen eine wichtige Rolle fuer die Regulierung zellulaerer Funktionen. In dieser Arbeit untersuchte ich mit ultra-sensitiver Fluoreszenzmikroskopie die Interaktion zwischen humanem CD4, einem bedeutenden Co-Rezeptor bei der T-Zell-Aktivierung, und humanem Lck, einer Protein-Tyrosine Kinase, die eine wichtige Rolle bei fruehzeitigen T-Zell Signalisierungsprozessen spielt. Unter Heranziehung von Bleichexperimenten in Kombination mit Helligkeitsanalysen einzelner Molekuele konnten verschiedene Parameter der Interaktions-Dynamik einzelner Lck-Molekuele mit immobilisiertem CD4 bestimmt werden. Im letzten Teil meiner Dissertation beschaeftige ich mich mit einer Einzelmolekuelstudie oxidierter Phospholipide, die fuer die Induzierung des programmierten Zelltots verantwortlich sind. Jedoch ist noch nicht viel ueber die Aufnahmemechanismen, die ueber die zellulaere Plasmamembran erfolgen, bekannt. Fuer die Belichtung der Zellen wurde eine neu entwickelte Technik eingesetzt. Diese macht sich ein stark geneigtes Lichtblatt zur Anregung der Farbstoffe zu Nutze, um Hintergrundsignale - hervorgerufen durch intrazellulaere Fluorophore oder zellulaere Autofluoreszenz - zu unterdruecken. Unsere Daten konnten die Relevanz der Plasmamembran fuer die Aufnahme der oxidierten Lipide aufzeigen und deuten auf einen neuartigen Mechanismus zur Kontrolle der Endozytose hin. (author)Additional details
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 135 p.
INIS
- Country of Publication
- Austria
- Country of Input or Organization
- Austria
- INIS RN
- 42100570
- Subject category
- S77: NANOSCIENCE AND NANOTECHNOLOGY;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis, Non-conventional Literature
- Descriptors DEI
- APOPTOSIS; CELL MEMBRANES; CHOLESTEROL; FLUORESCENCE; INOSITOLS; METABOLISM; MOLECULES; NANOSTRUCTURES; OPTICAL MICROSCOPY; PHOSPHOLIPIDS; RECEPTORS; STOICHIOMETRY; TYROSINE
- Descriptors DEC
- AMINO ACIDS; CARBOHYDRATES; CARBOXYLIC ACIDS; CELL CONSTITUENTS; EMISSION; ESTERS; HYDROXY ACIDS; HYDROXY COMPOUNDS; LIPIDS; LUMINESCENCE; MEMBRANE PROTEINS; MEMBRANES; MICROSCOPY; MONOSACCHARIDES; ORGANIC ACIDS; ORGANIC COMPOUNDS; ORGANIC PHOSPHORUS COMPOUNDS; PHOTON EMISSION; PROTEINS; SACCHARIDES; STEROIDS; STEROLS