Marianne Erika Grafe

• Nuclear lamins are nucleus-specific intermediate filaments forming a network located at the inner nuclear membrane of the nuclear envelope. They form the nuclear lamina together with proteins of the inner nuclear membrane regulating nuclear shape and gene expression, among others. The amoebozoan Dictyostelium NE81 protein is a suitable candidate for an evolutionary conserved lamin protein in this non-metazoan organism. It shares the domain organization of metazoan lamins and is fulfilling major lamin functions in Dictyostelium. Moreover, field-emission scanning electron microscopy (feSEM) images of NE81 expressed on Xenopus oocytes nuclei revealed filamentous structures with an overall appearance highly reminiscent to that of metazoan Xenopus lamin B2. For the classification as a lamin-like or a bona fide lamin protein, a better understanding of the supramolecular NE81 structure was necessary. Yet, NE81 carrying a large N-terminal GFP-tag turned out as unsuitable source for protein isolation and characterization; GFP-NE81 expressed inNuclear lamins are nucleus-specific intermediate filaments forming a network located at the inner nuclear membrane of the nuclear envelope. They form the nuclear lamina together with proteins of the inner nuclear membrane regulating nuclear shape and gene expression, among others. The amoebozoan Dictyostelium NE81 protein is a suitable candidate for an evolutionary conserved lamin protein in this non-metazoan organism. It shares the domain organization of metazoan lamins and is fulfilling major lamin functions in Dictyostelium. Moreover, field-emission scanning electron microscopy (feSEM) images of NE81 expressed on Xenopus oocytes nuclei revealed filamentous structures with an overall appearance highly reminiscent to that of metazoan Xenopus lamin B2. For the classification as a lamin-like or a bona fide lamin protein, a better understanding of the supramolecular NE81 structure was necessary. Yet, NE81 carrying a large N-terminal GFP-tag turned out as unsuitable source for protein isolation and characterization; GFP-NE81 expressed in Dictyostelium NE81 knock-out cells exhibited an abnormal distribution, which is an indicator for an inaccurate assembly of GFP-tagged NE81. Hence, a shorter 8×HisMyc construct was the tag of choice to investi-gate formation and structure of NE81 assemblies. One strategy was the structural analysis of NE81 in situ at the outer nuclear membrane in Dictyostelium cells; NE81 without a func-tional nuclear localization signal (NLS) forms assemblies at the outer face of the nucleus. Ultrastructural feSEM pictures of NE81ΔNLS nuclei showed a few filaments of the expected size but no repetitive filamentous structures. The former strategy should also be established for metazoan lamins in order to facilitate their structural analysis. However, heterologously expressed Xenopus and C. elegans lamins showed no uniform localization at the outer nucle-ar envelope of Dictyostelium and hence, no further ultrastructural analysis was undertaken. For in vitro assembly experiments a Dictyostelium mutant was generated, expressing NE81 without the NLS and the membrane-anchoring isoprenylation site (HisMyc-NE81ΔNLSΔCLIM). The cytosolic NE81 clusters were soluble at high ionic strength and were purified from Dictyostelium extracts using Ni-NTA Agarose. Widefield immunofluorescence microscopy, super-resolution light microscopy and electron microscopy images of purified NE81 showed its capability to form filamentous structures at low ionic strength, as described previously for metazoan lamins. Introduction of a phosphomimetic point mutation (S122E) into the CDK1-consensus sequence of NE81 led to disassembled NE81 protein in vivo, which could be reversibly stimulated to form supramolecular assemblies by blue light exposure. The results of this work reveal that NE81 has to be considered a bona fide lamin, since it is able to form filamentous assemblies. Furthermore, they highlight Dictyostelium as a non-mammalian model organism with a well-characterized nuclear envelope containing all rele-vant protein components known in animal cells.…
• Lamine sind Proteine an der inneren Kernhülle und bilden zusammen mit verbundenen Proteinen die nukleäre Lamina. Dieses Netzwerk sorgt für die Stabilität des Zellkerns und unterstützt die Organisation des Zell-Zytoskeletts. Zusätzlich sind Lamine und ihre verbundenen Proteine in viele Prozesse wie Genregulation und Zelldifferenzierung involviert. Bis 2012 war der Stand der Forschung, dass nur bei mehrzelligen Organismen eine nukleäre Lamina zu finden ist. NE81 ist das erste lamin-ähnliche Protein, das in einem nicht-mehrzelligen Organismus (Dictyostelium discoideum) entdeckt wurde. Es hat viele Eigenschaften und Strukturmerkmale mit Laminen gemeinsam. Dazu zählt der dreiteilige Aufbau des Proteins, eine Phosphorylierungsstelle für ein Zellzyklus-abhängiges Enzym, ein Kernlokalisationssignal, wodurch das Protein in den Kern transportiert wird, sowie eine C-terminale Sequenz zur Verankerung des Proteins in der Kernhülle. In dieser Arbeit wurden verschiedene Methoden zur vereinfachten Untersuchung von Laminstrukturen getestet, um zuLamine sind Proteine an der inneren Kernhülle und bilden zusammen mit verbundenen Proteinen die nukleäre Lamina. Dieses Netzwerk sorgt für die Stabilität des Zellkerns und unterstützt die Organisation des Zell-Zytoskeletts. Zusätzlich sind Lamine und ihre verbundenen Proteine in viele Prozesse wie Genregulation und Zelldifferenzierung involviert. Bis 2012 war der Stand der Forschung, dass nur bei mehrzelligen Organismen eine nukleäre Lamina zu finden ist. NE81 ist das erste lamin-ähnliche Protein, das in einem nicht-mehrzelligen Organismus (Dictyostelium discoideum) entdeckt wurde. Es hat viele Eigenschaften und Strukturmerkmale mit Laminen gemeinsam. Dazu zählt der dreiteilige Aufbau des Proteins, eine Phosphorylierungsstelle für ein Zellzyklus-abhängiges Enzym, ein Kernlokalisationssignal, wodurch das Protein in den Kern transportiert wird, sowie eine C-terminale Sequenz zur Verankerung des Proteins in der Kernhülle. In dieser Arbeit wurden verschiedene Methoden zur vereinfachten Untersuchung von Laminstrukturen getestet, um zu zeigen, dass sich NE81 wie bereits bekannte Lamin-Proteine verhält und supramolekulare Netzwerke aus Laminfilamenten bildet. Zur Analyse der Struktur supramolekularer Anordnungen wurde das Protein durch Entfernen des Kernlokalisationssignals auf der äußeren Kernhülle von Dictyostelium gebildet. Die anschließende Untersuchung der Oberfläche der Kerne mit einem Rasterelektronenmikroskop zeigte, dass NE81 Strukturen in der Größe von Laminen bildet, allerdings nicht in regelmäßigen filamentösen Anordnungen. Um die Entstehung der Laminfilamente zu untersuchen, wurde lösliches NE81 aus Dictyostelium aufgereinigt und mit verschiedenen mikroskopischen Methoden untersucht. Dabei wurde festgestellt, dass NE81 unter Niedrigsalz-Bedingungen dünne, fadenförmige Strukturen und Netzwerke ausbildet, die denen von Säugetier-Laminen sehr ähnlich sind. Die Mutation der Phosphorylierungsstelle von NE81 zu einer imitierenden dauerhaften Phosphorylierung von NE81 in der Zelle, zeigte zunächst ein gelöstes Protein, das überraschenderweise unter Blaulichtbestrahlung der Zelle wieder lamin-ähnliche Anordnungen formte. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass NE81 echte Laminstrukturen ausbilden kann und hebt Dictyostelium als Nicht-Säugetier-Modellorganismus mit einer gut charakterisierten Kernhülle, mit allen relevanten, aus tierischen Zellen bekannten Proteinen, hervor.…