Integrated study of adaptor protein 2 interaction interfaces in bioinspired membrane-based systems

Abstract

Endocytosis plays a central role in many essential processes for the cell life, including uptake of nutrients, cell signalingand membrane trafficking.Dysfunctional endocytic processes are linked to some physiopathological conditions like Alzheimer’s disease, cancerand viral infections. Clathrin-mediated endocytosis(CME)is the main endocytic pathway for the incorporation of a wide variety of molecules.Although many aspects of CME are well understood, some questions still need to be addressed and further explored.This research aimedto provide insight into the early steps of CME pathways, particularly, the sorting and cargo selection, and anchoring of adaptor protein 2 (AP2) into the membrane.To achieve this a simplistic approach was implemented, where the system was reducedinto its most fundamental components: PIP2-enriched membranes, AP2 and cargo molecules (TGN38 and CD4). To fully characterize the system a multi-technique based-approach comprising solid-state NMR and surface-sensitive techniques is proposed.In this work, different membrane biomimetic systemswereproduced and characterized by ellipsometry, small-angle neutron scattering (SANS)and quartz crystal microbalance with dissipation monitoring (QCM-D).The viscoelastic contributions of the incorporation of the different anchoring points intothesupported lipid bilayer(SLB)weremonitored by QCM-Dand shown tender effects for PIP2, while more pronounced effects were observed for the incorporation of cargo molecules.New results presented in thisworkrevealed that AP2 could bindintoSLBsfunctionalized withcargo molecules, both TGN38 and CD4,in the absence of PIP2 lipids. These observations suggest that AP2 might have different binding mechanismsaccording to the anchoring points available at the surface of the membrane.

A endocitose desempenha umpapel central em muitos processos essenciais para a vida celular, incluindo a captação de nutrientes, sinalização celular e transporte membranar. Processos endocíticos disfuncionais estão associados a condições fisiopatológicas como a doença de Alzheimer, cancro e infeções virais. A endocitose mediada pela clatrina (CME) é a principal via endocítica para a incorporação de uma vasta gama de moléculas. Embora muitos aspetos da CME sejam bem compreendidos e estudados, algumas questões ainda precisam de ser abordadas e exploradasem maior detalhe. Este trabalho teve como objetivo estudar as etapas iniciais da CME, particularmente a triagem e seleção das moléculas carga, e a ancoragem da proteína adaptadora 2 (AP2) na membranaplasmática. Neste sentido, foi implementada uma abordagem simplista onde o sistema foi reduzido aos seus componentes fundamentais: membrana lipídicas enriquecidas em PIP2, AP2 e moléculas carga (TGN38 e CD4).Para caracterizar completamente este sistema, é proposta uma abordagem baseada em várias técnicas, queinclui RMN de estado sólido e técnicas sensíveis a superfícies. Neste trabalho, diferentes sistemas miméticos de biomembranas foram produzidos e caracterizados por elipsometria, dispersão de neutrões a pequeno ângulo (SANS) e microbalança de cristal de quartzo com monitorização da dissipação (QCM-D). As contribuições viscoelásticas da incorporação dos vários pontos de ancoragem na bicamada lipídica suportada (SLB) foram monitorizadas porQCM-D e mostraram efeitos reduzidos para PIP2, enquanto que os efeitos observados para a incorporação das moléculas carga foram bastante mais pronunciados.Os resultados apresentados nesta dissertação revelaram que a proteína AP2 se consegue ligar a SLBs funcionalizadas com moléculas carga, tanto TGN38 como CD4, na ausência de lípidos PIP2.Estas observações sugerem que AP2 pode ter diferentes mecanismos de ancoragemde acordo com os pontos de ligação disponíveis nasuperfície da membrana