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Mechanismen und Kinetik von Exocytose und Endocytose in Pflanzen- und in Hefezellen

Bandmann, Vera :
Mechanismen und Kinetik von Exocytose und Endocytose in Pflanzen- und in Hefezellen.
Tuprints, Darmstadt, Deutschland
[Ph.D. Thesis], (2011)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Mechanismen und Kinetik von Exocytose und Endocytose in Pflanzen- und in Hefezellen
Language: German
Abstract:

Endocytose und Exocytose sind für viele zelluläre Prozesse wie Proteintransport, Membran-Recycling, Signalweiterleitung, Sekretion und Aufnahme von Stoffen essentiell. Eine Methode um das Fusionieren und Abschnüren einzelner Vesikel, direkt zu verfolgen, ist die Messung der Membrankapazität. Um diese Methode für eine umfassende Analyse von Exo- und Endocytose in Pflanzen zu nutzen, wurden Tabak-BY-2 Zellen als Modellsystem für die Kapazitätsmessung etabliert. Unter nicht stimulierten Bedingungen zeigten diese Messungen spontane Aufwärts- und Abwärtsschritte in der Membrankapazität, die der Fusion und der Abschnürung von Vesikeln entsprachen. Die Stufen in der Kapazität konnten entsprechend ihrer Kinetik in vier Gruppen eingeteilt werden: i) transiente Fusion von Vesikeln, ii) transientes Abschnüren von Vesikeln, iii) permanente Fusion und iv) permanentes Abschnüren. Zusätzlich wurden in manchen Messungen transientes Flickern von Vesikeln beobachten und komplexere exocytotische Schritte von mehreren Vesikeln beobachtet. Durch diese besonderen Formen der Vesikelfusion kann wahrscheinlich die Sekretionseffizienz gesteigert werden. In mikroskopischen Analysen konnte der Zeitraum ermittelt werden, in dem BY-2 Protoplasten in der Lage sind, ihre Zellwand neu zu bilden. Im gleichen Zeitraum wurde eine hohe Frequenz von transienter Vesikelfusion gemessen. Transiente Vesikelfusion könnte daher der Sekretion von neuem Zellwandmaterial dienen. In allen Messungen wurden entweder keine oder viele Ereignisse gemessen, was darauf hindeutet, dass sich die endo- und exocytotische Aktivität in BY-2 Zellen auf spezielle hot spots in der Plasmamembran beschränkt. Außerdem weisen die Messungen an Protoplasten unter hypoosmotischen Bedingungen darauf hin, dass die Vesikel, die zur Oberflächenvergrößerung benötigt werden, in speziellen Bereichen mit der Plasmamembran fusionieren. Um die Aufnahme von Hexose in BY-2 Zellen zu untersuchen, wurden fluoreszenzmikroskopische Analysen mit Membrankapazitätsmessungen kombiniert. Diese Versuche zeigten, dass Glukose über Glukose-stimulierte, Clathrin-unabhängige Endocytose aufgenommen wird. Diese Form der Clathrin-unabhängigen fluid phase Endocytose konnte hier zum ersten Mal in Pflanzen nachgewiesen werden. Sie stellt wahrscheinlich einen Endocytoseweg dar, der von genereller physiologischer Bedeutung ist und der Aufnahme von gelösten Stoffen aus dem extrazellulären Raum dient. Die Durchführung von Membrankapazitätsmessungen an Hefe-Protoplasten ergaben die gleichen vier Gruppen von Exo- und Endocytose, die auch in BY-2 Protoplasten gemessen wurden. Dies zeigt, dass die Technik der Membrankapazitätsmessung erfolgreich an Hefe-Protoplasten angewendet werden kann und macht Hefezellen damit zu einem weiteren, vielversprechenden Modellsystem, in dem Endo- und Exocytose von einzelnen Vesikeln mit Hilfe der Membrankapazitätsmessung analysiert werden kann.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Endocytosis and Exocytosis are essential for many cellular processes such as protein transport, membrane recycling, cell signalling, secretion and uptake of external solutes. A method to directly observe endo- and exocytosis on the level of single vesicles is provided by membrane capacitance measurements. To make use of this method for the comprehensive investigation of vesicle fusion and fission in plants, tobacco BY-2 cells were established as a model system for capacitance measurements. Under non-stimulated conditions these measurements revealed spontaneous upward and downward steps in membrane capacitance reflecting vesicle fusion and fission, which could be grouped into four different categories according to their different kinetics: i) transient fusion of exocytotic vesicles, ii) transient fission of endocytotic vesicle, iii) permanent fusion and iv) permanent fission. In some recordings additional sequences of transient flickering activity and complex multi-vesicular exocytosis were observed which can contribute to an increase in efficiency of secretory product release. Comparison of microscopic analysis of the time course of cell wall rebuilding and frequency of transient exocytotic events revealed that transient vesicle fusion may account for secretion of new cell wall material. In all capacitance measurements either none or several discrete changes in the capacitance were recorded which points to hot spots of exo- and endocytotic activity in the plasma membrane of BY-2 cells. Furthermore, analysis of fusion and fission during hypoosmotically induced swelling of protoplasts indicates that special sides for the incorporation of membrane material during surface area increase under hypoosmotic conditions may exist. To investigate the uptake of hexose into BY-2 cells capacitance measurements were combined with fluorescent microscopy analysis. The studies demonstrate that glucose is internalized by clathrin-independent endocytosis which is induced by hexose. This is the first direct evidence for clathrin-independent fluid phase endocytosis in plants which may represent a general mechanism for the uptake of external solutes. Membrane capacitance measurements on yeast protoplasts revealed the same kinetic groups of vesicle fusion and fission as observed on BY-2 protoplasts. This illustrates that the technique can successfully be applied on yeast protoplasts and makes yeast another promising model system to study the mechanisms of vesicle fusion and fission by capacitance recordings.English
Place of Publication: Darmstadt, Deutschland
Publisher: Tuprints
Collation: IV, 109
Uncontrolled Keywords: Endocytose, Exocytose, Kapazitätsmessung, Vesikel,
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
endocytosis, exocytosis, capacitance measurements, vesicle, transport, fusion, fission, clathrin-independentEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
Divisions: Biology > Botany > Plant Membrane Biophysics
Biology > Botany > Membrane Dynamics
Biology > Botany > Plant Cell Biology
Date Deposited: 28 Nov 2011 09:54
Last Modified: 07 Dec 2012 12:01
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-28094
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Homann, PD Dr. Ulrike and Thiel, Prof. Dr. Gerhard
Refereed: 11 November 2011
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2809
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