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Bibliographic Metadata

Title
The role of the actin cytoskeleton in pathogen propulsion and leukocyte motility
Additional Titles
Die Rolle des Aktinzytoskeletts in Virusinfektion und Zellmigration
AuthorMüller, Jan
Thesis advisorSmall, John-Victor
Published2016
Description216 Blatt
Institutional NoteMedizinische Universität Wien, Diss., 2016
Annotation
Arbeit an der Bibliothek noch nicht eingelangt - Daten nicht geprüft
Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers
Date of SubmissionSeptember 2016
LanguageEnglish
Document typeDissertation (PhD)
Keywords (DE)Aktin / Baculovirus / Zellmigration
Keywords (EN)actin / baculovirus / cell migration
URNurn:nbn:at:at-ubmuw:1-10671 Persistent Identifier (URN)
Restriction-Information
 The work is publicly available
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The role of the actin cytoskeleton in pathogen propulsion and leukocyte motility [14.06 mb]
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Abstract (German)

Das Aktin Zytoskelett kontrolliert Zellform und -fortbewegung, indem es die Plasmamembran verändert. Es reguliert intrazellulären Transport durch Bewegen von Vesikeln und sogar Pathogenen und ist von entscheidender Bedeutung für Zellteilung und -polarität. Einige Pathogene haben im Laufe der Evolution die Fähigkeit erworben, das Aktin Zytoskelett ihrer Wirte zu für ihre Zwecke zu nützen, um sich an der Spitze von sogenannten actin comet tails durch das Zytoplasma transportieren zu lassen. Einige von anderen Arbeitsgruppen durchgeführte Studien zeigten den erstaunlichen Grad der Kontrolle dieser Bakterien und Viren über das Wirtszytoskelett. Allerdings ist unser Verständnis dieses Prozesses durch den Mangel an Daten über die Struktur der einzelnen Aktinfilmante in den actin comet tails noch eingeschränkt. Eine wichtige, ungeklärte Frage in diesem Forschungsfeld lautet daher: Wie sind die einzelnen Aktinfilamente letztendlich zu den bemerkenswerten comet tails, die wir in infizierten Zellen beobachten, organisiert?

Ein anderes Beispiel eines Aktin-basierten, selbstbewegten Systems sind epitheliale Keratinozyten. Aufgrund der unkomplizierten Herstellung und der extrem stereotypischen Gestalt und Bewegung wurden Fischkeratinozyten von vielen Forschungsgruppen bearbeitet, um fundamentale Fragen der Zellmigration zu beforschen. Grundlegende Modelle zur Aktinpolymerisation und Myosinaktivität während der Zellmigration wurden durch Experimente an Fischkeratinozyten ermöglicht. Diese Arbeiten brachten unser Verständnis dieses universellen Vorgangs entscheidend voran. Doch trotz all dieser Bemühungen ist immer noch unklar, wie tausende von Aktinfilamenten - jedes nur 7nm im Durchmesser - koordiniert werden, um eine Membran von 60m Breite nach vorne zu drücken. Wie kann die Zelle diese riesige Anzahl an Komponenten in Echtzeit kontrollieren? Wie kann sie flexibel auf Änderungen des Substrats oder auf Hindernisse reagieren?

Während meiner Forschungstätigkeit für die vorliegende Doktorarbeit versuchte ich diese Fragen zu beantworten. Mein Ziel war es, die Struktur und Funktion des Aktin Zytoskeletts bei der Arbeit in verschiedenen Situationen zu untersuchen. Dafür setzte ich eine Kombination von Techniken ein, insbesondere einen sogenannten in vitro motility assay, sowie Licht- und Elektronenmikroskopie.

Im Zuge meiner Arbeit an Baculovirus actin comet tails konnte ich die ersten Bilder der einzelnen Aktinfilamente in einem Pathogen-induzierten actin comet tail aufnehmen. Ich konnte zeigen, dass nur vier Aktinfilamente zur gleichen Zeit den Virus nach vorne drücken und wie die Aktinfilamente durch Verzweigungen in Gruppen organisiert sind. Aufbauend auf diesen neuen Daten, konnten wir das erste Modell eines Aktin-bewegten Pathogens vorlegen und ältere, rein theoretische Modelle falsifizieren. Diese Ergebnisse wurden in einem Forschungsartikel in der Fachzeitschrift PLoS Biology veröffentlicht.

Meine Arbeit an Fischkeratinozyten erbrachte Hinweise auf einen bis dahin unbekannten Feedbackmechanismus, der die Wandspannung der Membran mit der Aktinfilamentdichte verbindet. Aufbauend auf früheren Arbeiten konnte ich die Plasmamembran als entscheidenden Faktor in der Aktinregulation identifizieren. Nur indem die Zelle die Membranspannung ihrer Plasmamembran, die innerhalb von Sekundenbruchteilen über die gesamte Zelle äquilibriert, zur Informationsübertragung nutzt, kann sie die große Menge ihrer Aktinfilamente regulieren. Darüber hinaus konnte ich durch Experimente mit Elektronentomographie den Regulationsmechanismus der Zelle aufklären, mit dem sie die Menge ihrer Aktinfilamente den vorherrschenden Bedingungen anpasst. Dieser Mechanismus erklärt sich rein aus der Geometrie des Aktinnetzwerks, bedarf keiner zusätzlichen Regulation durch Signaltransduktion und könnte sich als grundlegend wichtig für verschiedene Prozesse wie Zellmigration und Vesikeltransport erweisen.

Abstract (English)

The actin cytoskeleton controls cell shape and movement by deforming the plasma membrane, regulates intracellular traffic by transporting vesicles and even pathogens and is of crucial importance in cell division and polarity. Several pathogens have evolved to subvert the host actin network and harness its machinery to propel themselves through the cytoplasm at the tip of so-called actin comet tails. Several studies showed the exquisite control bacteria and viruses have achieved over the actin cytoskeleton of their host. However, our understanding was hampered by the lack of structural data at the single filament level of comet tails. An important, unresolved question in this field is therefore: How are actin filaments organized into the striking comet tails we can observe in infected cells?

Another example of an actin-based, motile system is the epithelial keratocytes. Due to its simple preparation and its extremely stereotypical shape and movement, fish keratocytes have been studied by various research groups focusing on very basic questions of cell migration. Seminal models of actin polymerization and myosin activity during cell migration were gleaned from experiments with fish keratocytes, advancing our understanding of this universal process. Even with all these research efforts, it is still unclear how exactly the thousands of actin filaments, each 7nm in diameter, are coordinated to push a leading edge of about 60m length. How can the cell regulate such an astonishing amount of components in real time? How does it react flexibly to changes in substrate or obstacles?

During my doctoral thesis work I tried to answer these questions. I aimed at elucidating the structure and function of the actin cytoskeleton at work in various contexts. I aimed to provide new insights into the above processes using a unique combination of in vitro assays, live cell imaging and high resolution, state-of-the-art electron tomography.

During my work on baculovirus actin comet tails I could present the first ever images of a pathogen-induced comet tail at the filament level. Previous, theoretical models of pathogen propulsion were rendered invalid by these studies and we presented the first viable mathematical model of actin-mediated propulsion based on our seminal structural data. We could show that only as little as four filaments at a time are in contact with the virus particle and how they are organized into subsets linked by branch junctions. These results were published in a research article in the peer-reviewed journal PLoS Biology.

My work on keratocytes provided evidence of a previously unknown feedback mechanism connecting membrane tension and actin density at the leading edge. Building on ideas stemming from previous studies we identified the plasma membrane as a key regulator of actin dynamics. Only by employing membrane tension, which equilibrates within fractions of a second across the whole cell, to relay information is it possible for the cell to regulate its extensive network of actin filaments. On top of that my electron tomography results provided the regulatory mechanism employed by the cell to tune its leading edge density to the prevailing load. This response arises from the geometry of the network itself, does not invoke any signaling and could be of profound importance in many actin dependent processes like migration and vesicle transport. The results were compiled into a manuscript, which is currently under revision at a peer-reviewed journal.

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