Phosphatidylcholine is organized in long-lived plasmalemmal platforms

Abstract

All living cells are enclosed by a membrane that is mainly made up of proteins and lipids. The lateral organization of these constituents is a subject in current research. It has been discussed since two decades whether lipids are able to form stable assemblies, domains or platforms in the plasma membrane.<br /> A major issue in this field is the visualization of lipid structures. The lipid phosphatidylcholine (PC) is one of the most common lipids in the plasma membrane. Recently, PC was visualized in membranes via a non-invasive metabolic labeling followed by fluorescent labeling. In the present work, the arrangement of this lipid within the plasma membrane was studied using a combination of this elegant, noninvasive labeling and a variety of modern fluorescent microscopy techniques. Both whole cells as well as cell body free plasma membrane preparations, so-called “membrane sheets”, were used for the analyses. It was demonstrated that PC is not only homogenously found within the plasma membrane, but also organized into locally restricted lipid platforms. The PC domains were characterized by determining their size and calculating the enrichment factor of the lipid in these spots in comparison to their homogenous surrounding. Furthermore, it could be demonstrated that although these PC-enriched structures were not fluctuating in their number of molecules, they exchanged lipids with their surroundings. <br /> Based on this study and together with acquired results from collaborators, a model was developed that broadens the current view of the organization of PC within the plasma membrane. PC platforms have been calculated to have a diameter of 120 nm, consist of about 20,000 lipids and PC comprises 50 % of the platform. So far, lipid platforms on the plasma membrane could not be visualized and characterized. Hence, this work is of essential importance for the cell biological field validating the existence of lipid platforms.

Lebende Zellen sind umhüllt von einer Zellmembran, welche aus Proteinen und Lipiden besteht. Die laterale Organisation dieser Bausteine innerhalb der Zellmembran ist Gegenstand aktueller Forschung. So wird z.B. seit zwei Dekaden diskutiert ob Lipide stabile Assemblate, Domänen oder Plattformen in der Zellmembran bilden können. <br /> Ein grundsätzliches Problem bei der Aufklärung dieser Fragen besteht in der Visualisierung von Lipidstrukturen. Das Lipid Phosphatidylcholin (PC) gehört zu den verbreitesten Lipiden in Zellmembranen. Seit kurzem besteht die Möglichkeit, PC nach nicht-invasiver metabolischer Markierung gefolgt von Fluoreszenzmarkierung in Membranen sichtbar zu machen. <br /> In der vorliegenden Arbeit wurde eine Kombination dieser eleganten, nicht invasiven Markierung und verschiedene moderne Methoden aus der Mikroskopie angewendet, um die Verteilung des Lipides innerhalb der Plasmamembran zu untersuchen. Für die Analysen wurden sowohl ganze Zellen als auch zellkörperfreie Plasmamembranpräparationen, sogenannte „Membrane Sheets“ untersucht. Es konnte nicht nur wie erwartet eine homogene Verteilung von PC innerhalb der Plasmamembran beobachtet werden, sondern es wurden auch lokal begrenzte PC-Plattformen entdeckt. Die PC-Domänen wurden charakterisiert durch Vermessung ihrer Größe und der Berechnung des Anreicherungsfaktors vom Lipid gegenüber der homogenen Membranumgebung. Ferner konnte auch gezeigt werden, dass obwohl diese PC-Domänen im Mittel nicht in der Molekülanzahl fluktuieren dennoch Lipide mit ihrer Umgebung austauschen. <br /> Anhand von den erhobenen Ergebnissen und den erarbeiteten Resultaten aus Kollaborationen wurde ein Modell entwickelt, welches einen konzeptionellen Rahmen für die Organisation von PC innerhalb der Plasmamembran liefert. Das Modell suggeriert, dass PC 15 Lipidplattfomen einen Durchmesser von 120 nm besitzen und aus rund 20000 PC-Molekülen bestehen, wobei PC 50 % der Plattformoberfläche bedeckt. Die Ergebnisse dieser Arbeit sind aus zellbiologischem Standpunkt weitreichend bedeutend, da bis jetzt keine Lipidplattformen innerhalb von Zellmembranen auf diesem Niveau charakterisiert werden konnten. Somit kann zu der oben genannten Diskussion ein essentieller Beitrag geliefert werden, indem bestätigt wird, dass Lipidplattformen existieren.