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On the spatial organization of cell organelles and diffusion of proteins in organelle membranes

Malchus, Nina Isabelle

German Title: Über die räumliche Organisation der Zellorganellen und die Diffusion von Proteinen in Organellmembranen

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Abstract

In the first part of this thesis, we study the diffusive motion of the (un)folded transmembrane protein VSVG in the endoplasmic reticulum (ER). Unfolded VSVG interacts with the ER’s quality control machinery. These interactions are probed by Fluorescence Correlation Spectroscopy in vivo. We find that both, folded and unfolded VSVG show anomalous diffusion, however, the unfolded protein has a significantly stronger anomaly. Our experimental data and accompanying simulations suggest that parts of the quality control oligomerize unfolded VSVG, leading to a more anomalous/obstructed diffusion. The difference in anomaly subsides when unfolded VSVG is in a complex with its chaperone calnexin. Hence, calnexin dissolves the oligomers and thus prevents ER poisoning. The second part of this work is dedicated to the influence of cell’s shape on its internal organization. We find that organelle positions show large variations in ensembles of equally shaped cells, hence challenging the idea of a ”standard cell”. However, depending on cell geometry and symmetry, the centrosome shows a preferential direction of displacement from the cell center. Simulations that include pushing forces of microtubules on the centrosome and the repulsion of the nucleus by the cell membrane explain this localization.

Translation of abstract (German)

Im ersten Teil dieser Arbeit untersuchen wir die Diffusion des (un)gefalteten Transmembranproteins VSVG im Endoplasmatischen Retikulum (ER) lebender Zellen. Ungefaltetes VSVG wechselwirkt mit der Qualitätskontrollmaschinerie des ERs. Mit Hilfe der Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie untersuchen wir diese Interaktionen in vivo. Wir finden, dass sowohl gefaltetes als auch ungefaltetes VSVG anomal diffundiert, die ungefaltete Form zeigt jedoch eine signifikant stärkere Anomalie. Die experimentellen Daten und begleitende Simulationen lassen darauf schließen, dass Teile der Qualitätskontrollmaschinerie ungefaltetes VSVG oligomerisieren und so zu einer stärker anomalen/behinderten Diffusion führen. Die Differenz in der Anomalie verschwindet wenn ungefaltetes VSVG einen Komplex mit dem Chaperon Calnexin bildet. Folglich löst Calnexin Oligomere auf und verhindert so eine Vergiftung des ERs. Der zweite Teil der Arbeit widmet sich dem Einfluss der Zellform auf die innere Zellorganisation. Unsere Daten zeigen, dass die Positionen der Organellen in einem Zellensemble gleicher Geometrie stark variieren und so der Idee einer ”Standardzelle” widersprechen. Abhängig von der Symmetrie der Zellgeometrie zeigt das Zentrosom allerdings eine bevorzugte Verschiebungsrichtung relativ zum Zellmittelpunkt. Simulationen der durch Mikrotubuli ausgeübten Schubkräfte auf das Zentrosom und der Abstoßung des Zellkerns durch die Zellmembran erklären die Positionierung.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Hausmann, Prof. Dr. Michael
Date of thesis defense: 27 October 2011
Date Deposited: 04 Nov 2011 13:14
Date: 2011
Faculties / Institutes: Service facilities > Bioquant
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Anomale Diffusion, Membranproteine
Uncontrolled Keywords: Zellorganisationanomalous diffusion , membrane proteins , cell organization
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