Influence of viral fusion peptides, cellular solutes and cholesterol on the structure of lipid membranes
Creators: name: Surmeier, Göran
Publisher: name: Technische Universität Dortmund
Year: 2020
Subjects: subject: Viral fusion peptides
subject: Membranes
subject: Hydrostatic pressure
subject: Monoolein
subject: TMAO
subject: Cholesterol
subject: SAXS
subject: XRR
subject: GID
subject: Langmuir monolayers
subject: 530
subject: Phospholipidmembran
subject: Hydrostatischer Druck
subject: Cholesterin
subject: Membranfusion
subject: Fusionspeptid
subject: Röntgen-Kleinwinkelstreuung

description: Lipid membranes are crucial components of living cells. They constitute the outer shell and separate intracellular compartments and organelles. To regulate the mass transfer between the separated regions, they undergo remodeling processes like fusion and budding. In the framework of this thesis, it was examined how viral fusion peptides, cellular solutes and cholesterol modulate the behavior of lipid structures. In a small angle X-ray scattering study on monoolein mesophases, it was explored how additives affect the diffusion of water between the interior of lipid structures and the excess water region after a pressure-induced lamellar-to-cubic phase transition. Cells of living organisms that are exposed to high hydrostatic and osmotic pressures usually contain trimethylamine-N-oxide (TMAO) in characteristic ratios to urea to prevent denaturation of proteins at extreme conditions. In this work, it was explored how the presence of these osmolytes affects membrane remodeling. Furthermore, the polymer polyethylene glycol was used to study the influence of molecular crowding in the packed cellular environment on membrane processes. It was found that urea and TMAO have counteracting effects on the equilibration dynamics of cubic monoolein phases and that molecular crowding can accelerate the dehydration of lipid structures. Another focus of this work was the investigation of fusogenic peptides of viral envelope proteins. Enveloped viruses enter cells via a protein-mediated membrane fusion process. Based on the observation of the influence of fusogenic peptides on cubic monoolein structures and the study of their adsorption and penetration behavior at phospholipid Langmuir monolayers with X-ray reflectometry and grazing incidence X-ray diffraction, their interaction mechanisms with membranes were characterized. A further segment of the thesis deals with the influence of cholesterol on the structure of phospholipid membranes at high hydrostatic pressure. The behavior of solid-supported model systems was compared to vesicles. It was found that low concentrations of cholesterol cause a pronounced negative compressibility perpendicular to the membrane surface. In contrast, membranes that incorporated a high amount of cholesterol were unresponsive to pressure resulting in a high stability of multilayers with a high cholesterol content on a solid substrate.
description: Lipidmembranen sind ein essenzieller Bestandteil biologischer Zellen. Sie grenzen das Zellinnere von der Umgebung ab und unterteilen es in Kompartimente und Organellen. Um den Massenaustausch zwischen separierten Bereichen zu regulieren, durchlaufen sie strukturelle Umwandlungsprozesse wie Fusion und Knospung. Im Zuge dieser Arbeit wurde untersucht, wie virale Fusionspeptide, im Cytosol gelöste Stoffe und Cholesterin das Verhalten von Lipidstrukturen beeinflussen. In einem Röntgenkleinwinkelstreuexperiment an Monooleinmesophasen wurde analysiert, wie sich verschiedene Substanzen auf die Diffusion von Wasser zwischen dem Inneren und Äußeren von Lipidstrukturen nach druckinduzierter lamellar zu kubisch Phasenumwandlung auswirken. Zellen lebender Organismen, die hohen hydrostatischen und osmotischen Drücken ausgesetzt sind, enthalten häufig Trimethylamin-N-oxid (TMAO) in charakteristischen Mengenverhältnissen zu Harnstoff, um das Denaturieren von Proteinen bei extremen Bedingungen zu verhindern. Mithilfe des Experiments wurde untersucht, wie sich diese Osmolyte auf die Reorganisation von Membranen auswirken. Darüber hinaus wurde mit dem Polymer Polyethylenglycol der mit einer Vielzahl von Osmolyten und Makromolekülen gefüllte zelluläre Raum imitiert, um den Einfluss dieses dicht gedrängten Umfelds auf Membranprozesse zu beleuchten. Es konnte gezeigt werden, dass Urea und TMAO einen gegensätzlichen Effekt auf die Equilibrierungsdynamik kubischer Monooleinphasen haben und dass Umgebungsmoleküle die Dehydration von Lipidstrukturen beschleunigen können. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit war die Untersuchung fusogener Peptide von viralen Hüllproteinen. Behüllte Viren dringen über einen Protein-vermittelten Membranfusionsprozess in Zellen ein. Durch die Beobachtung des Einflusses fusogener Peptide auf kubische Monooleinstrukturen und die Untersuchung ihres Adsorptions- und Eindringverhalten an Phospholipid Langmuirfilmen mittels Röntgenreflektometrie und Röntgendiffraktion unter streifendem Einfall konnten ihre Wechselwirkungsmechanismen mit Membranen charakterisiert werden. Ein weiterer Teil der Arbeit widmet sich dem Einfluss von Cholesterin auf die Struktur von Phospholipidmembranen unter hohen hydrostatischen Drücken. Dabei wird das Verhalten substratgebundener Modelsysteme mit dem von Vesikeln verglichen. Es wurde festgestellt, dass geringe Konzentrationen von Cholesterin zu einer ausgeprägten negativen Kompressibilität senkrecht zur Membranoberfläche führen, während sich die Struktur von Membranen mit einem hohen Cholesteringehalt bei Druckbelastung kaum ändert. Dies bewirkte eine hohe Stabilität von substratgebundenen Mehrschichtsystemen mit hohem Cholesteringehalt.