Membrane organization and dynamics of glycosphingolipid nanodomains

Abstract

Gangliosidy jsou glykospfingolipidy umístěné ve vnější vrstvě buněčné membrány, které hrají klíčovou roli v procesech jako je mezibuněčná komunikace, signalizace a rozpoznávání proteinů vázajících se na membránu. Jejich funkce je provázána s uspořádáním do nanoskopických raftů známých jako nanodomény. Molekulární uspořádání a mechanismy, které stojí za jejich nanoskopickou segregací, však zůstávají nejasné. Tato práce se zabývá především rolí, kterou hrají gangliosidové sacharidové hlavičky při tvorbě nanodomén a popisem jejich vlastností inovativními mikroskopickými metodami. Pomocí MC-FRET (Försterova rezonančního přenosu energie s Monte Carlo simulacemi) a simulacemi molekulární dynamiky (MD) jsme zkoumali tendenci gangliosidů tvořit nanodoménya identifikovali skupiny molekul, které se na tomto porcesu podílejí. Ke studiu dynamických parametrů nanodomén, jsme využili superresoluční mikroskopickou metodu STED-FCS (redukce fluorescence stimulovanou emisí s fluorescenční korelační spektroskopií)a vyvinuli novou kvantitativní metodu interpretace STED-FCS difuzních plotů. Tento proces nám umožnil získat detailní charakteristiku dynamické difuze lipidů nacházejících se uvnitř i vně nanodmén. Celkově tato práce identifikuje klíčové sacharidové složky, které podporují segregaci gangliosidů do nanodomén, a zavádí...

Gangliosides, glycosphingolipids located in the outer leaflet of cellular membranes, play essential roles in cell communication, signaling, and serving as receptors for membrane- binding proteins. Their functionality is linked to their ability to self-assemble into nanoscopic lipid domains, often referred to as lipid rafts. However, the molecular mechanisms driving this nanoscopic segregation remain unclear. This thesis investigates the role of ganglioside sugar headgroups in ganglioside nanodomain formation and characterizes their properties using novel microscopy techniques. By combining MC-FRET (Förster resonance energy transfer analyzed with Monte Carlo simulations) and molecular dynamics (MD) simulations, we explored the tendency of gangliosides to self-assemble into nanodomains, identifying key molecular groups involved in this process. To analyze domain dynamics, we employed a super-resolution microscopy technique, STED FCS (Stimulated Emission Depletion Fluorescence Correlation Spectroscopy), and developed a new quantitative method for interpreting STED-FCS diffusion law plots. This approach allows for extraction of detailed, dynamic diffusion characteristics of lipids both inside and outside nanodomains, providing a more physiologically accurate representation of membrane heterogeneity. Overall,...