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Mariam Brenneis

• Im Rahmen dieser Arbeit wurden ausgewählte 5’- und 3’-untranslatierte Regionen (UTRs) von mRNAs aus H. volcanii bestimmt. Dieses Datenset wurde verwendet um (1) haloarchaeale UTRs zu charakterisieren, (2) Konsensuselemente für die Transkrikptionsinitiation und -termination zu verifizieren und (3) den Einfluss haloarchaealer UTRs auf die Initiation und Regulation der Translation zu untersuchen. Es konnte gezeigt werden, dass alle untersuchten Transkripte nichtprozessierte 3’-UTRs mit einer durchschnittlichen Länge von 45 Nukleotiden besitzen. Darüber hinaus konnte ein putatives Transkriptionsterminationssignal bestehend aus einem pentaU-Motiv mit vorausgehender Haarnadelstruktur identifiziert werden. Die Analysen der Regionen stromaufwärts der experimentell bestimmten Transkriptionsstarts führten zur Identifizierung dreier konservierter Promotor Elemente: Der TATA-Box, dem BRE-Element und einem neuen Element an Position -10/-11. Überraschenderweise bestand die TATA-Box nur aus vier konservierten Nukleotiden. Die Untersuchung der UTRs ergab, dass die größte Anteil der haloarchaealen Transkripte keine 5’-UTR besitzt. Falls eine 5’-UTR vorhanden ist, besitzen unerwarteterweise nur 15% der 5’-UTRs aus H. volcanii eine Shine-Dalgarno-Sequenz (SD-Sequenz). Es konnte jedoch gezeigt werden, dass verschiedene native und artifizielle 5’-UTRs ohne SD-Sequenz sehr effizient in vivo translatiert werden. Außerdem hat die Sekundärstruktur der 5’-UTR und die Position struktureller Elemente offenbar einen entscheidenden Einfluss auf die Translatierbarkeit von Transkripten. Die Insertion von Strukturelementen nahe des Startkodons führte zu einer vollkommenen Repression der Translation, während die proximale Insertion des Motivs an das 5’-Ende der 5’-UTR keinen Einfluss auf die Translationsseffizienz hatte. Zusammenfassend kann sowohl der eukaryotische Scanning-Mechanismus als auch die bakterielle Initiation der Translation über die SD-Sequenz für haloarchaeale Transkripte mit 5’-UTR ohne SD-Sequenz ausgeschlossen werden. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen bilden die Grundlage für weitere Untersuchungen zur Identifizierung eines entsprechenden dritten Mechanismus zur Initiation der Translation in H. volcanii. Eine aktuelle Studie zur globalen Analyse der Translationsregulation zeigte, dass der Anteil translational regulierter Gene in H. volcanii genauso hoch ist wie bei Eukaryoten (Lange et al., 2007). Um die Rolle haloarchaealer UTRs bei der Regulation der Translation zu charakterisieren, wurden die UTRs zweier ausgewählter translationsregulierter Gene untersucht. Es stellte sich heraus, dass nur die Anwesenheit beider UTRs, 5’- und 3’-UTR, zu einer Wachstumsphasen-abhängigen Regulation der Translation führt. Dabei hat die 3’-UTR allein keinen Einfluss auf die Translationseffizienz, während die 5’-UTR die Translationseffizienz in beiden Wachstumsphasen reduziert. Es zeigte sich außerdem, dass die 3’-UTR für die „Richtung“ der Regulation auf Translationsebene verantwortlich ist und putative Strukturelemente möglicherweise in den Regulationsmechanismus involviert sind. Zusammengefasst ergibt sich folgendes Modell der Translationsregulation in H. volcanii: Strukturierte 5’-UTRs führen zu einer Herabsetzung der konstitutiven Translationseffizienz. Dies kann differentiell durch regulatorische Faktoren kompensiert werden, welche spezifische Elemente der 3’-UTR binden. Sowohl natürliche als auch artifizielle Aptamere und allosterische Ribozyme stellen effektive Werkzeuge zur exogen kontrollierten Genexpression dar. Daher wurde die Anwendbarkeit eines Tetracyclin-induzierbaren Aptamers und eines konstitutiven Hammerhead-Ribozyms in H. volcanii untersucht. Es stellte sich allerdings heraus, dass das Aptamer bereits ohne Tetracyclin starke inhibitorische Sekundärstrukturen ausbildet. Als Alternative wurden Reportergenfusionen mit einem selbstspaltenden Hammerhead-Ribozym konstruiert. Die selbstspaltende Aktivität des Hammerhead-Ribozyms in H. volcanii konnte erfolgreich in vivo demonstriert werden, was die Grundlage zur Entwicklung konditionaler Expressionssysteme basierend auf dem Hammerhead-Ribozym in H. volcanii bildet.
• The 5’-ends and 3’-ends of transcripts of Haloferax volcanii have been determined. They were used to characterize the lengths of 5’-UTRs and 3’-UTRs and to deduce consensus sequence-elements for transcription and translation. Furthermore, the influence of selected 5’-UTRs and 3’-UTRs on transcript stability and translational efficiency in vivo was characterized using a newly established reporter gene system, gene fusions, and real-time PCR. Consensus sequences for basal promoter elements could be refined and a novel element was discovered. A consensus motif probably important for transcriptional termination was established. All transcripts analyzed had a 3’-UTR (average size 45 nt), and their 3’-ends were not posttranscriptionally modified. Experimental data revealed that the majority of haloarchaeal transcripts are leaderless, indicating that this is the predominant mode for translation initiation in haloarchaea. Surprisingly, the 5’-UTRs of most leadered transcripts did not contain a Shine-Dalgarno (SD) sequence. Seven different leadered transcripts devoid of a SD sequence were efficiently translated in vivo, including artificial 5’-UTRs of random sequences. Thus, an interaction of the 5’-UTRs of these leadered transcripts with the 16S rRNA could be excluded. Preliminary data indicate that a eukaryotic like scanning mechanism can also be excluded for transcripts with 5’-UTR without SD-Sequence. Moreover, the roles of 5’- and 3’-UTRs in translational control were analyzed using a reporter gene system. 5’-UTRs or 3’-UTRs alone are not sufficient to induce regulation, but the simultaneous presence of 5’- and 3’-UTRs transferred the translational control from the native transcript to the reporter transcript. This indicates that 5’- and 3’-UTRs have to interact in vivo. Mutagenesis of predicted structures in the 5’-UTRs as well as in the 3’-UTRs diminished translational regulation, underscoring that both are essential for the mechanism. A UTR swap experiment revealed that the direction of growth phase-dependent translational regulation is encoded in the 3’-UTR, not in the 5’-UTR. Aptamers and allosteric riboswitches are effective tools for controlled gene expression. Therefore the application of a tetracycline aptamer and a hammerhead ribozyme was tested for H. volcanii. Unfortunately the aptamer was already active even in absence of tetracycline. In contrast the self cleaving activity of the hammerhead ribozyme in H. volcanii could be demonstrated successfully in vivo, which provides the basis for the development of conditional expression systems for H. volcanii.