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Structure Formation and Self-Organization in the Early Secretory Pathway

Kühnle, Jens

German Title: Strukturbildung und Selbstorganisation im frühen sekretorischen Pfad

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Abstract

Im Rahmen dieser Dissertation werden di ffusionsgetriebene Struktur und Selbstorganisationprozesse im frühen sekretorischen Pfad von biologischen Zellen untersucht. Dies umfasst Prozesse im Endoplasmatischen Retikulum (ER), dem Golgi Apparat (GA) und deren Transporteinheiten. Mesoskopische Simulationsmethoden werden angewandt um Phänomene auf unterschiedlichen Längenskalen zu untersuchen. Auf der Mikrometerskala werden Selbsorganisationeigenschaften des GA untersucht und dessen erstaunliche Eigenschaft sich nach vollständigem Abbau wieder zu regenerieren. Desweiteren besitzen unterschiedliche Organismen eine große Bandbreite an GA Phänotypen. Sowohl die dynamische Regeneration als auch die Diversität an Phänotypen können in einem einfachen Modell durch Unterschiede in der Fusions- und Transportmaschinerie erklärt werden. Auf der Nanometerskala wird die Bildung von Transportvesikeln durch COPI Hüllenproteine untersucht. Zuerst wird die von ARFGAP verursachte Ablösung der COPI Hülle untersucht. Insbesondere zeigt sich, dass eine krümmungsabhängige ARFGAP-induzierte Ablösung der COPI Hülle für die Vesikelbildung vorteilhaft sein könnte. Anschließend wird ein Reaktions-Diffusions Modell hergeleitet, das sich mit der Bildung von COPI Domänen beschäftigt. Im Wesentlichen können diese Domänen durch Lipid-Protein Wechselwirkungen entstehen, d.h. bestimmte Proteine bevorzugen spezielle Lipidumgebungen und verändern gleichzeitig ihr Lipidmilieu.

Translation of abstract (English)

In this thesis di ffusion-driven structure formation and self-organization processes in the early secretory pathway of living cells are studied. In particular, this study is concerned with the endoplasmatic reticulum (ER), the Golgi apparatus (GA), and traffic intermediates in between. Mesoscopic simulation techniques are applied in order to study phenomena on di fferent length scales. On the micron scale self-organization properties of the (GA) and its remarkable ability to rebuild after complete disassembly are investigated. Moreover, in di fferent organisms a wide range of GA phenotypes can be found. On the basis of the presented model, the dynamical structure as well as various phenotypes can be explained as a result of changes in the fusion and transport machinery. On the nanometer level, formation of vesicles via COPI coat proteins is investigated. First, the dissociation process of the COPI coat induced by ARFGAP is studied. In particular, a curvature-sensitive detachment mechanism might be benefi cial for vesicle formation. Second, a reaction-di ffusion model is derived from existing biological data. It is shown how COPI domains can form efficiently via lipid-protein interactions, i.e. a preferential localization of proteins to specifi c lipid environments and a protein-mediated change of the lipid milieu.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Hausmann, Prof. Dr. Michael
Date of thesis defense: 1 June 2011
Date Deposited: 08 Jun 2011 10:25
Date: 2011
Faculties / Institutes: Service facilities > Bioquant
Subjects: 530 Physics
Uncontrolled Keywords: Selbstorganisation , Strukturbildung , Intrazellulärer Transportself-organisation , structure formation , intracellular transport
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