In Vitro and In Vivo Applications of Fluorescence Cross-Correlation Spectroscopy

Fluorescence correlation spectroscopy (FCS) analyzes the fluctuations in the fluorescence intensity, which is emitted from a tiny excition volume, to obtain information about the concentration, the mobility, and the molecular interactions of labeled molecules. The more advanced fluorescence cross-correlation spectroscopy (FCCS) increases the precision in the determination of fl ow velocities and binding constants compared to standard FCS. The miniaturization in biomedical and chemical engineering has been developing rapidly, propelled by the vision of a fully functional laboratory on a single chip and its use in human therapeutics, for example, as implanted drug delivery system. A key requirement to fulfill this vision is the ability to handle small fl uid volumes. Handling liquids using the electrohydrodynamical principle circumvents many of the disadvantages of other systems. The complex flow pattern in the active region of such a pump could not be resolved by common tracking techniques. In this thesis, two-focus FCCS (2f-FCCS) was used to map the flow pro file inside a micropump. The high precision of 2f-FCCS in the determination of fl ow measurements even with small fluorescent particles allowed the measurement of the flow velocities induced by electrohydrodynamic forces acting on the solvent, while excluding the effects of dielectrophoretic forces acting on larger particles. Analysis of the fl ow data indicates a fl ow pattern that consists of two vortices of different size and opposite direction of rotation. The flow pattern derived by 2f-FCCS explains the observed complex particle trajectories in the force field and the accumulation of particles in well-de fined regions above the microelectrode array. In the second part of this thesis, the mechanism of RNA interference (RNAi) was studied by dual-color FCCS in vivo. RNAi is an evolutionary conserved gene silencing mechanism, which uses short double-stranded RNA molecules, called short interfering RNAs (siRNAs), as effector molecules. Due to its speci city and simplicity, RNAi yields a great potential for a widespread therapeutic use. To broaden the therapeutic applications, the in vivo stability of siRNAs has to be improved by chemical modi cations, but some of these modi fications inhibit the gene silencing mechanism. The presented FCCS assays are very well suited to investigate the individual assembly steps of RNAi machinery with very high specifi city and sensitivity in real time and to study the cleavage activity of the activated RNAi machinery. A direct correlation between activity of the RNAi machinery and the results from the FCCS measurements could be shown. The in fluence of several chemical modi cations on the assembly and activity of the RNAi machinery was investigated with these assays.Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie (FCS) analysiert die Fluktuationen im Fluoreszenzsignal eines kleinen angeregten Volumens, um Informationen über die Konzentration, die Bewegung und die Interaktionen der markierten Moleküle zu erhalten. Die Fluoreszenz-Kreuzkorrelations-Spektroskopie (FCCS) erhöht die Genauigkeit bei der Messung von Fließgeschwindigkeiten und Bindungskonstanten im Vergleich zur Standard-FCS. Die Miniaturisierung der Biomedizin und Chemie hat sich rapide entwickelt, angetrieben von der Vision eines kompletten Labors auf einem Chip und dem Einsatz dieses in der medizinischen Therapie, zum Beispiel als implantierter Medikamentenspender. Ein Schlüsselelement zur Erfüllung dieser Vision ist der Transport von kleinsten Flüssigkeitsmengen in diesen miniaturisierten Systemen. Der Transport von Flüssigkeiten mittels des elektrohydrodynamischen Prinzips umgeht viele Nachteile von anderen Systemen, allerdings zeigt eine solche Pumpe ein kompliziertes Strömungsbild in der aktiven Region, welches sich mit herkömmlichen Methoden wie Teilchenverfolgung nicht vermessen ließ. Hier wurde Zwei-Fokus-FCCS (2f-FCCS) genutzt, um das Strömungsbild in der Pumpe zu vermessen. Die hohe Genauigkeit der 2f-FCCS bei der Bestimmung von Fließgeschwindigkeiten auch mit kleinen fluoreszierenden Teilchen ermöglichte die Messung der Fließgeschwindigkeiten, aufgrund der auf das Lösungsmittel wirkenden elektrohydrodynamischen Kräfte, unter Ausschluss der auf größere Teilchen wirkenden dielektrophoretischen Kräfte. Die Analyse der Daten ergab, dass das Strömungsbild aus zwei entgegengesetzt rotierenden unterschiedlich großen Wirbeln besteht. Dieses Strömungsbild erklärt die komplizierten Teilchenbewegungsbahnen und die Anreicherung der Teilchen in klar abgegrenzten Bereichen über den Mikroelektroden. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde der RNAi-Mechanismus in lebenden Zellen mittels Zwei-Farben-FCCS untersucht. RNA Interferenz (RNAi) ist ein evolutionär erhaltener Geninaktivierungsmechanismus, der kurze doppelsträngige RNA Moleküle, so genannte kurze interferierende RNAs (siRNAs), als Effektormoleküle nutzt. Die Spezifi tät und Einfachheit der RNAi hat ihr ein weites Feld in der medikamentösen Therapie geöffnet. Zur Erweiterung dieses Feldes ist es nötig die Stabilität der siRNAs im Körper mittels chemischer Modi fikationen zu erhöhen. Einige dieser Modifikationen hemmen aber den RNAi-Mechanismus. Die hier vorgestellten FCCS Experimente sind sehr gut geeignet, um die einzelnen Schritte des Zusammenbaus der RNAi Maschinerie mit hoher Empfi ndlichkeit und Spezi fität in Echtzeit zu untersuchen und die Aktivität der RNAi Maschinerie zu studieren. Es konnte ein Zusammenhang zwischen der Aktivität der RNAi Maschinerie und den Ergebnissen der FCCS Messungen hergestellt werden. Der Einfluss von verschiedenen chemischen Modikationen auf den Zusammenbau und die Aktivität der RNAi Maschinerie wurde mit diesen neuartigen Methoden untersucht

In Vitro and In Vivo Applications of Fluorescence Cross-Correlation Spectroscopy

Fluorescence correlation spectroscopy (FCS) analyzes the fluctuations in the fluorescence intensity, which is emitted from a tiny excition volume, to obtain information about the concentration, the mobility, and the molecular interactions of labeled molecules. The more advanced fluorescence cross-correlation spectroscopy (FCCS) increases the precision in the determination of fl ow velocities and binding constants compared to standard FCS. The miniaturization in biomedical and chemical engineering has been developing rapidly, propelled by the vision of a fully functional laboratory on a single chip and its use in human therapeutics, for example, as implanted drug delivery system. A key requirement to fulfill this vision is the ability to handle small fl uid volumes. Handling liquids using the electrohydrodynamical principle circumvents many of the disadvantages of other systems. The complex flow pattern in the active region of such a pump could not be resolved by common tracking techniques. In this thesis, two-focus FCCS (2f-FCCS) was used to map the flow pro file inside a micropump. The high precision of 2f-FCCS in the determination of fl ow measurements even with small fluorescent particles allowed the measurement of the flow velocities induced by electrohydrodynamic forces acting on the solvent, while excluding the effects of dielectrophoretic forces acting on larger particles. Analysis of the fl ow data indicates a fl ow pattern that consists of two vortices of different size and opposite direction of rotation. The flow pattern derived by 2f-FCCS explains the observed complex particle trajectories in the force field and the accumulation of particles in well-de fined regions above the microelectrode array. In the second part of this thesis, the mechanism of RNA interference (RNAi) was studied by dual-color FCCS in vivo. RNAi is an evolutionary conserved gene silencing mechanism, which uses short double-stranded RNA molecules, called short interfering RNAs (siRNAs), as effector molecules. Due to its speci city and simplicity, RNAi yields a great potential for a widespread therapeutic use. To broaden the therapeutic applications, the in vivo stability of siRNAs has to be improved by chemical modi cations, but some of these modi fications inhibit the gene silencing mechanism. The presented FCCS assays are very well suited to investigate the individual assembly steps of RNAi machinery with very high specifi city and sensitivity in real time and to study the cleavage activity of the activated RNAi machinery. A direct correlation between activity of the RNAi machinery and the results from the FCCS measurements could be shown. The in fluence of several chemical modi cations on the assembly and activity of the RNAi machinery was investigated with these assays.Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie (FCS) analysiert die Fluktuationen im Fluoreszenzsignal eines kleinen angeregten Volumens, um Informationen über die Konzentration, die Bewegung und die Interaktionen der markierten Moleküle zu erhalten. Die Fluoreszenz-Kreuzkorrelations-Spektroskopie (FCCS) erhöht die Genauigkeit bei der Messung von Fließgeschwindigkeiten und Bindungskonstanten im Vergleich zur Standard-FCS. Die Miniaturisierung der Biomedizin und Chemie hat sich rapide entwickelt, angetrieben von der Vision eines kompletten Labors auf einem Chip und dem Einsatz dieses in der medizinischen Therapie, zum Beispiel als implantierter Medikamentenspender. Ein Schlüsselelement zur Erfüllung dieser Vision ist der Transport von kleinsten Flüssigkeitsmengen in diesen miniaturisierten Systemen. Der Transport von Flüssigkeiten mittels des elektrohydrodynamischen Prinzips umgeht viele Nachteile von anderen Systemen, allerdings zeigt eine solche Pumpe ein kompliziertes Strömungsbild in der aktiven Region, welches sich mit herkömmlichen Methoden wie Teilchenverfolgung nicht vermessen ließ. Hier wurde Zwei-Fokus-FCCS (2f-FCCS) genutzt, um das Strömungsbild in der Pumpe zu vermessen. Die hohe Genauigkeit der 2f-FCCS bei der Bestimmung von Fließgeschwindigkeiten auch mit kleinen fluoreszierenden Teilchen ermöglichte die Messung der Fließgeschwindigkeiten, aufgrund der auf das Lösungsmittel wirkenden elektrohydrodynamischen Kräfte, unter Ausschluss der auf größere Teilchen wirkenden dielektrophoretischen Kräfte. Die Analyse der Daten ergab, dass das Strömungsbild aus zwei entgegengesetzt rotierenden unterschiedlich großen Wirbeln besteht. Dieses Strömungsbild erklärt die komplizierten Teilchenbewegungsbahnen und die Anreicherung der Teilchen in klar abgegrenzten Bereichen über den Mikroelektroden. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde der RNAi-Mechanismus in lebenden Zellen mittels Zwei-Farben-FCCS untersucht. RNA Interferenz (RNAi) ist ein evolutionär erhaltener Geninaktivierungsmechanismus, der kurze doppelsträngige RNA Moleküle, so genannte kurze interferierende RNAs (siRNAs), als Effektormoleküle nutzt. Die Spezifi tät und Einfachheit der RNAi hat ihr ein weites Feld in der medikamentösen Therapie geöffnet. Zur Erweiterung dieses Feldes ist es nötig die Stabilität der siRNAs im Körper mittels chemischer Modi fikationen zu erhöhen. Einige dieser Modifikationen hemmen aber den RNAi-Mechanismus. Die hier vorgestellten FCCS Experimente sind sehr gut geeignet, um die einzelnen Schritte des Zusammenbaus der RNAi Maschinerie mit hoher Empfi ndlichkeit und Spezi fität in Echtzeit zu untersuchen und die Aktivität der RNAi Maschinerie zu studieren. Es konnte ein Zusammenhang zwischen der Aktivität der RNAi Maschinerie und den Ergebnissen der FCCS Messungen hergestellt werden. Der Einfluss von verschiedenen chemischen Modikationen auf den Zusammenbau und die Aktivität der RNAi Maschinerie wurde mit diesen neuartigen Methoden untersucht

Altered spatio-temporal dynamics of RNase H2 complex assembly at replication and repair sites in Aicardi-Goutières syndrome.

Ribonuclease H2 plays an essential role for genome stability as it removes ribonucleotides misincorporated into genomic DNA by replicative polymerases and resolves RNA/DNA hybrids. Biallelic mutations in the genes encoding the three RNase H2 subunits cause Aicardi-Goutières syndrome (AGS), an early-onset inflammatory encephalopathy that phenotypically overlaps with the autoimmune disorder systemic lupus erythematosus. Here we studied the intracellular dynamics of RNase H2 in living cells during DNA replication and in response to DNA damage using confocal time-lapse imaging and fluorescence cross-correlation spectroscopy. We demonstrate that the RNase H2 complex is assembled in the cytosol and imported into the nucleus in an RNase H2B-dependent manner. RNase H2 is not only recruited to DNA replication foci, but also to sites of PCNA-dependent DNA repair. By fluorescence recovery after photobleaching, we demonstrate a high mobility and fast exchange of RNase H2 at sites of DNA repair and replication. We provide evidence that recruitment of RNase H2 is not only PCNA-dependent, mediated by an interaction of the B subunit with PCNA, but also PCNA-independent mediated via the catalytic domain of the A subunit. We found that AGS-associated mutations alter complex formation, recruitment efficiency and exchange kinetics at sites of DNA replication and repair suggesting that impaired ribonucleotide removal contributes to AGS pathogenesis

Single-stranded nucleic acids promote SAMHD1 complex formation

SAM domain and HD domain-containing protein 1 (SAMHD1) is a dGTP-dependent triphosphohydrolase that degrades deoxyribonucleoside triphosphates (dNTPs) thereby limiting the intracellular dNTP pool. Mutations in SAMHD1 cause Aicardi–Goutieres syndrome (AGS), an inflammatory encephalopathy that mimics congenital viral infection and that phenotypically overlaps with the autoimmune disease systemic lupus erythematosus. Both disorders are characterized by activation of the antiviral cytokine interferon-α initiated by immune recognition of self nucleic acids. Here we provide first direct evidence that SAMHD1 associates with endogenous nucleic acids in situ. Using fluorescence cross-correlation spectroscopy, we demonstrate that SAMHD1 specifically interacts with ssRNA and ssDNA and establish that nucleic acid-binding and formation of SAMHD1 complexes are mutually dependent. Interaction with nucleic acids and complex formation do not require the SAM domain, but are dependent on the HD domain and the C-terminal region of SAMHD1. We finally demonstrate that mutations associated with AGS exhibit both impaired nucleic acid-binding and complex formation implicating that interaction with nucleic acids is an integral aspect of SAMHD1 function.Instituto de Física de Líquidos y Sistemas Biológico

Single-stranded nucleic acids promote SAMHD1 complex formation

SAM domain and HD domain-containing protein 1 (SAMHD1) is a dGTP-dependent triphosphohydrolase that degrades deoxyribonucleoside triphosphates (dNTPs) thereby limiting the intracellular dNTP pool. Mutations in SAMHD1 cause Aicardi–Goutières syndrome (AGS), an inflammatory encephalopathy that mimics congenital viral infection and that phenotypically overlaps with the autoimmune disease systemic lupus erythematosus. Both disorders are characterized by activation of the antiviral cytokine interferon-α initiated by immune recognition of self nucleic acids. Here we provide first direct evidence that SAMHD1 associates with endogenous nucleic acids in situ. Using fluorescence cross-correlation spectroscopy, we demonstrate that SAMHD1 specifically interacts with ssRNA and ssDNA and establish that nucleic acid-binding and formation of SAMHD1 complexes are mutually dependent. Interaction with nucleic acids and complex formation do not require the SAM domain, but are dependent on the HD domain and the C-terminal region of SAMHD1. We finally demonstrate that mutations associated with AGS exhibit both impaired nucleic acid-binding and complex formation implicating that interaction with nucleic acids is an integral aspect of SAMHD1 function.Fil: Tuengler, Victoria. Technische Universität Dresden; Alemania. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Wolfgang, Staroske. Technische Universität Dresden; AlemaniaFil: Kind, Barbara. Technische Universität Dresden; AlemaniaFil: Dobrick, Manuela. Technische Universität Dresden; AlemaniaFil: Kretschmer, Stefanie. Technische Universität Dresden; AlemaniaFil: Schmidt, Franziska. Technische Universität Dresden; AlemaniaFil: Krug, Claudia. Technische Universität Dresden; AlemaniaFil: Lorenz, Mike. Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics; AlemaniaFil: Chara, Osvaldo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Física de Líquidos y Sistemas Biológicos. Universidad Nacional de La Plata. Facultad de Ciencias Exactas. Instituto de Física de Líquidos y Sistemas Biológicos; Argentina. Technische Universität Dresden; AlemaniaFil: Schwille, Petra. Max Planck Institute Of Biochemistry; AlemaniaFil: Lee-Kirsch, Min Ae. Technische Universität Dresden; Alemani

RPA and Rad51 constitute a cell intrinsic mechanism to protect the cytosol from self DNA.

Immune recognition of cytosolic DNA represents a central antiviral defence mechanism. Within the host, short single-stranded DNA (ssDNA) continuously arises during the repair of DNA damage induced by endogenous and environmental genotoxic stress. Here we show that short ssDNA traverses the nuclear membrane, but is drawn into the nucleus by binding to the DNA replication and repair factors RPA and Rad51. Knockdown of RPA and Rad51 enhances cytosolic leakage of ssDNA resulting in cGAS-dependent type I IFN activation. Mutations in the exonuclease TREX1 cause type I IFN-dependent autoinflammation and autoimmunity. We demonstrate that TREX1 is anchored within the outer nuclear membrane to ensure immediate degradation of ssDNA leaking into the cytosol. In TREX1-deficient fibroblasts, accumulating ssDNA causes exhaustion of RPA and Rad51 resulting in replication stress and activation of p53 and type I IFN. Thus, the ssDNA-binding capacity of RPA and Rad51 constitutes a cell intrinsic mechanism to protect the cytosol from self DNA

SAMHD1 prevents autoimmunity by maintaining genome stability

OBJECTIVES The HIV restriction factor, SAMHD1 (SAM domain and HD domain-containing protein 1), is a triphosphohydrolase that degrades deoxyribonucleoside triphosphates (dNTPs). Mutations in SAMHD1 cause Aicardi-Goutières syndrome (AGS), an inflammatory disorder that shares phenotypic similarity with systemic lupus erythematosus, including activation of antiviral type 1 interferon (IFN). To further define the pathomechanisms underlying autoimmunity in AGS due to SAMHD1 mutations, we investigated the physiological properties of SAMHD1. METHODS Primary patient fibroblasts were examined for dNTP levels, proliferation, senescence, cell cycle progression and DNA damage. Genome-wide transcriptional profiles were generated by RNA sequencing. Interaction of SAMHD1 with cyclin A was assessed by coimmunoprecipitation and fluorescence cross-correlation spectroscopy. Cell cycle-dependent phosphorylation of SAMHD1 was examined in synchronised HeLa cells and using recombinant SAMHD1. SAMHD1 was knocked down by RNA interference. RESULTS We show that increased dNTP pools due to SAMHD1 deficiency cause genome instability in fibroblasts of patients with AGS. Constitutive DNA damage signalling is associated with cell cycle delay, cellular senescence, and upregulation of IFN-stimulated genes. SAMHD1 is phosphorylated by cyclin A/cyclin-dependent kinase 1 in a cell cycle-dependent manner, and its level fluctuates during the cell cycle, with the lowest levels observed in G1/S phase. Knockdown of SAMHD1 by RNA interference recapitulates activation of DNA damage signalling and type 1 IFN activation. CONCLUSIONS SAMHD1 is required for genome integrity by maintaining balanced dNTP pools. dNTP imbalances due to SAMHD1 deficiency cause DNA damage, leading to intrinsic activation of IFN signalling. These findings establish a novel link between DNA damage signalling and innate immune activation in the pathogenesis of autoimmunity