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Die Transkription vieler Gene wird über den Acetylierungsgrad der Histone reguliert. Entsprechend erweiterte die Entdeckung von Histondeacetylase-Inhibitoren das Verständnis um Transkriptions-Repressoren und ihre Rolle in der Pathogenese beträchtlich. Zur Zeit stehen die Modifikationen der Histondeacetylasen (HDACs) sowie die biologischen Rollen der verschiedenen HDAC-Isoenzyme im Zentrum intensiver Forschungsarbeiten.
In der vorliegenden Arbeit wurde anhand verschiedener Zelllinien und mit murinem Primärmaterial nachgewiesen, dass das gut verträgliche Antiepileptikum Valproinsäure (VPA) ein potenter HDAC-Inhibitor ist. Dies zeigt sich daran, dass VPA in vivo die durch HDACs vermittelte transkriptionelle Repression aufhebt und zur Akkumulation hyperacetylierter Histone führt. In vitro Enzymassays weisen darauf hin, dass VPA selbst und nicht ein hypothetischer Metabolit die Histondeacetylasen hemmt. Darüber hinaus wurde mit Bindungs- und Kompetitionsstudien festgestellt, dass eine Interaktion von VPA mit dem katalytischen Zentrum der HDACs stattfindet.
Weitere Analysen zeigten, dass VPA bevorzugt Klasse I HDACs hemmt. Durch dieses Merkmal einer erhöhten Spezifität bei gleichzeitig guter Bioverfügbarkeit definiert VPA eine neue Klasse von HDAC-Inhibitoren. Hieraus ergeben sich Hinweise auf strukturelle Anforderungen, die ein HDAC-Inhibitor erfüllen muß, um spezifischer und weniger toxisch als konventionelle Chemotherapeutika zu wirken. Außerdem eröffnete das neu entdeckte pharmakologische Wirkungsspektrum von VPA auf HDACs Erkenntnisse um zusätzliche therapeutische Einsatzmöglichkeiten dieses etablierten Arzneimittels. Bereits jetzt wird VPA in klinischen Studien an Patienten mit Krebs verabreicht.
HDAC-Inhibitoren gelten als potentielle Medikamente für die Therapie maligner Neoplasien. Deshalb besteht großes Interesse an den molekularen Mechanismen, mit denen Substanzen dieser Wirkstoffklasse das Wachstum transformierter Zellen in vitro und in vivo hemmen. In den humanen Melanomzelllinien SK-Mel-37 und Mz-Mel-19 bewirken klinisch relevante VPA-Dosen eine zeit- und dosisabhängige Akkumulation von Zellzyklusinhibitoren und hyperacetylierten Histonen, morphologische Veränderungen und eine verringerte Proliferationsrate. Die verminderte Proliferation wird von einem veränderten Zellzyklusprofil und Apoptose unter Beteiligung sowohl der extrinsisch als auch der intrinsisch bedingten Caspase-Kaskade begleitet. Dies manifestiert sich in der Spaltung der Caspasen 3, 8 und 9, einer Schädigung der Mitochondrien, der apoptotischen PARP-Spaltung, einem Abbau der genomischen DNA und einer Inaktivierung des GFP-Proteins.
Diese Analysen in Melanomzellen sprechen dafür, dass die weitgehend selektive Wirkung von VPA auf Klasse I HDACs der Mechanismus ist, mit dem diese Substanz das Wachstum bestimmter Tumorzellen hemmt. Durch Genexpressions-Analysen konnten außerdem neue Modelle zum Einfluss von VPA auf solide Tumoren postuliert werden. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Expression und Induzierbarkeit der Zellzyklusregulatoren p21WAF/CIP1 und p27Kip1 und des latent cytoplasmatischen Transkriptionsfaktors Stat1 Biomarker für die Sensitivität von Melanomzellen gegenüber HDAC-Inhibitoren sind. Im Einklang hiermit wird die proapoptotische Wirkung von VPA durch das Cytokin Interferon α und den S-Phase-Inhibitor Hydroxyharnstoff deutlich gesteigert. Diese Ergebnisse sprechen für den Einsatz von VPA in tierexperimentellen und klinischen Studien.
Aufgrund der Schlüsselrolle der HDACs für die physiologische und aberrante Genexpression ist es wichtig, die Mechanismen ihrer Regulation zu kennen. In der vorliegenden Arbeit wurde anhand zahlreicher kultivierter Zelllinien und mittels eines Mausmodells gezeigt, dass therapeutisch einsetzbare VPA-Dosen neben der Hemmung enzymatischer Aktivität auch zu einer isoenzymspezifischen Verringerung der Klasse I Histondeacetylase HDAC2 führen. Als Ursache hierfür konnten eine verstärkte Poly-Ubiquitinylierung und ein proteasomaler Abbau ermittelt werden. Gleichzeitig wurden die Beteiligung etlicher Proteasen und eine veränderte Synthese oder Prozessierung der HDAC2-mRNA als Mechanismen ausgeschlossen.
Expressionsanalysen identifizierten die E2 Ubiquitinkonjugase Ubc8 als von HDAC-Inhibitoren induziertes Gen. Mittels transienter Überexpression („Gain-of-Function“) und siRNA-Experimenten („Loss-of-Function“) konnte dieses Gen als limitierender Faktor des HDAC2-Umsatzes in vivo erkannt werden. Weiterhin wurde gezeigt, dass die E3 Ubiquitinligase RLIM spezifisch mit HDAC2 interagiert. Die Expression von RLIM beziehungsweise seine enzymatische Funktion beeinflusst die HDAC2-Konzentration in vivo. Hierbei kann VPA klar von dem HDACInhibitor Trichostatin A (TSA) abgegrenzt werden. Dieser hemmt ein breites Spektrum an HDACs und induziert Ubc8, führt aber gleichzeitig zu einem proteasomal vermittelten Abbau des RLIM-Proteins. Analysen mit überexprimiertem RLIM zeigten, dass TSA aufgrund dieses Mechanismus nicht in der Lage ist, den Abbau von HDAC2 zu induzieren. Somit ist im Rahmen dieser Arbeit die Ubiquitinylierungs-Maschinerie für HDAC2 charakterisiert worden. Hierdurch sind neue Aspekte zum Zusammenspiel zwischen dem Ubiquitin-Proteasom-System und der Transkriptionsrepression nachgewiesen worden.
Isoenzymspezifische HDAC-Inhibitoren können zur Aufklärung der Funktion einzelner Histondeacetylasen beitragen, insbesondere wenn Knock-Out-Studien zu aufwendig oder aufgrund embryonaler Letalität nicht durchführbar sind. Die Wichtigkeit dieser Analysen wird gerade bei HDAC2 deutlich, da diese Histondeacetylase in vielen soliden und hämatologischen Tumoren überexprimiert ist, und ihre Deregulation möglicherweise zur Krebsentstehung beiträgt. Die in der vorliegenden Arbeit identifizierte Regulation dieses HDAC-Isoenzyms könnte Hinweise auf den Ablauf eines malignen Transformationsprozesses geben. Darüber hinaus zeigt der nachgewiesene Regulationsmechanismus Erfordernisse und potentielle Zielstrukturen einer pharmakologischen Intervention auf. Schließlich könnten die Selektivität von VPA für Klasse I HDACs zusammen mit der Spezifität für HDAC2 die Gründe für die geringen Nebenwirkungen der VPA-Behandlung bei gleichzeitigem Auftreten antitumoraler Effekte sein.
Der Typ 1 Diabetes mellitus (IDDM) ist eine multifaktorielle Erkrankung deren Risiko zu 50-60% von genetischen Faktoren vermittelt werden, wobei dem HLA-System auf Chromosom 6 (IDDM1) eine Schlüsselrolle zugesprochen wird. Innerhalb dieser Genregion befinden sich die beiden solitären retroviralen "long terminal repeats" (LTRs) DQ-LTR3 und DQ-LTR13. Sie können theoretisch mit Hilfe ihrer regulatorischen Elemente die Expression benachbarter funktioneller Gene beeinflussen. Im Rahmen der Fragestellung nach einer möglichen Funktion retroviraler LTRs im Kontext des Typ 1 Diabetes mellitus ist das unmittelbar benachbarte DQB1 Gen ein Kandidatengen von besonderer Bedeutung. Im Rahmen einer Familienassoziationsstudie wurde DQ-LTR13 als potentieller genetischer Risikomarker charakterisiert und es konnte gezeigt werden, daß die Haplotypen DQ8/LTR13+ und DQ2/LTR13- signifikant häufiger transmittiert werden als bei einer zufälligen Vererbung erwartet. Gleichzeitig unterscheidet sich ihr Segregationsmuster signifikant von dem der Haplotypen DQ8/LTR13- und DQ2/LTR13+. Das Kopplungsungleichgewicht zwischen DQ-LTR3 und DQ-LTR13 ist so ausgeprägt, daß sie zwar präferentiell aber nicht ausschließlich zusammen auf einem Haplotypen vorkommen. Die Wahrscheinlichkeit einer Erkrankung an IDDM in Zusammenhang mit einem der beiden Risikohaplotypen DQ8/LTR13+ bzw DQ2/LTR13- liegt bei 76% bzw. 68%. Aufgrund dieser Ergebnisse ist DQ-LTR13 insgesamt als unabhängiger genetischer Risikomarker für Typ 1 Diabetes mellitus zu bewerten, zusätzlich zu den bekannten Risikohaplotypen DQ8 und DQ2 und unabhängig von DQ-LTR3. Im Rahmen funktioneller Analysen unter Verwendung eines Reportergen-Assays konnte nach Transfektion diverser EBV-transformierter lymphoblastoider B-Zellen für keine der beiden LTRs die Fähigkeit nachgewiesen werden, als eigenständiger Promotor auf die Expression des Reportergens Luciferase zu wirken. Diese Fähigkeit konnte auch nicht durch die Gabe von Hydrocortison bzw. ß-Estradiol induziert werden. DQ-LTR13 ist jedoch in vitro in der Lage, abhängig von transkriptioneller Orientierung und Position, über den Promotor des DQB1 Gens verstärkend auf die Expression des Luciferase-Gens zu wirken. Dieser Effekt ist darüber hinaus, bezüglich der beiden Risikoallele DQB1*0302 und DQB1*0201, differentiell ausgeprägt. Eine Verifizierung des beobachteten Effekts in vivo war im Rahmen der vorliegenden Doktorarbeit leider nicht möglich.
Die Neubildung von Aromasubstanzen durch Carotinoidabbau ist eine der vielen Veränderungen der Weine während der Flaschenlagerung. In gealterten Weinen entstehen aromawirksame Kohlenwasserstoffe, C13-Komponenten, u.a. TDN aus den Carotinoidsubstanzen der Weinbeeren. TDN, das natürlich in Pflanzenprodukten vorhanden ist, liefert einen wichtigen Beitrag zum typischen Kerosin-ähnlichen Charakter in Flaschen gealterter Rieslingweine. Als TDN-Precursoren sind oft die Carotinoide Lutein und ß-Carotin vorgeschlagen worden. Die TDN-Bildung wird von mehreren Faktoren beeinflusst. Außer vom Carotinoidgehalt in den Beeren bzw. Mosten, auch von den Traubensorten und -klonen, den verwendeten Hefen und auch durch die Jahrgänge. Andere Aspekte, wie das Vorhandensein von Luteinestern, die Verhältnisse der Carotinoide untereinander, weinbauliche Maßnahmen, wie Entblätterungen, sowie die Gesamtsäure bzw. die pH-Werte der Traubenmaischen, die die TDN-Bildung beeinflussen könnten, wurden ebenfalls mit einbezogen. Die TDN-Bildung während des Weinherstellungsprozesses sowie die TDN-Entwicklung bei der Alterung und dem damit verbundenen Carotinoid-Abbauprozess wurde in dieser Arbeit durch Modellversuche zu klären versucht. Während der Studien wurden Traubenbeeren, Moste und Jahrgangsweine der Sorte Riesling und anderer weißer Sorten verwendet. Der Einfluss von Mikroorganismen auf den TDN-Gehalt wurde durch Verwendung von 9 Hefestämmen (Saccharomyces spp.) und auch bei Spontangärung untersucht. Die Extraktionen der Carotinoide aus Trauben, Mosten und Weinen wurden unter verschiedenen Bedingungen durchgeführt. Eine neue Methode musste wegen des hohen Wasser-, Zucker- und Säuregehalt des Mostes und Weines sowie der gärenden Moste verschiedener Dichten entwickelt werden. Für die Analysen der Carotinoide sowie die deren Luteinestern wurden verschiedene HPLC-Verfahren eingesetzt. Als stationäre Phase dienten Säulen LiChroCART 250-4 HPLC Cartridge LiChrospher 100 RP18 (5µm), RP18 125-4 M LiChroCART, sowie eine 250x4,6 mm (5µm) Hypersil Elite C18. Die Säulentemperatur lag bei 28°C. Die Trennungen wurden mit verschiedenen mobilen Phasen durchgeführt. Mit dem Einsatz des Dioden-Array-Detektor wurden verschiedene Wellenlänge zur Messung der einzelnen Carotinoide verwendet. Lutein wurde bei 450(±4) nm bestimmt, während Zeaxanthin, ß-Apo-8'-Carotinal, ß-Carotin und Chlorophyll-b bei 460(±6) nm und Chlorophyll-a bei 440(±4) nm, gemessen wurden. Außerdem wurden auch typische Wellenlängen wie 473(±6) nm für ß-Apo-8'-Carotinal und 662(±4) nm für Chlorophyll-a eingesetzt. Die TDN-Konzentrationen der Proben wurden durch Gaschromatographie/ Massenspektrometrie analysiert. Die mögliche TDN-Bildung unter Berücksichtigung des Carotinoidabbaus wurde außer in Jungweinen auch in Blankweinen nach Zugabe von Reinsubstanzen bzw. Beerenextrakten beobachtet. In den trüben Jungweinen veränderten sich die Mengen aller Farbstoffe während der Gärung. Die bedeutendsten Veränderungen der Carotinoid-Inhaltstoffe fanden nach dem Erreichen der Maximum-Werte der gebundenen ß-Glucosidaseaktivität der Hefen statt. Die größere Aktivität bei Kellertemperatur, die ebenfalls von der Populationszahl abhängt, verursachte auch die größeren Veränderungen des Carotinoidgehaltes. Es wird festgestellt, dass nach der Gärung nur noch die Hälfte der Konzentrationen der Carotinoide und Chlorophylle übrig geblieben ist und die Bildung von TDN bereits während der Gärung stattgefunden hat. Es wurde gezeigt, dass der Lutein- bzw. der TDN-Gehalt in Jungweinen mit der Glucosidaseaktivität der verwendeten Hefen korreliert werden kann. Dass der Zusammenhang zwischen dem Lutein in Mosten und den TDN-Konzentrationen in den Weinen bei den Rieslingklonen deutlicher ist als bei den anderen Sorten, zeigt dass Lutein ein TDN-Precursor ist. Die Verhältnisse von Lutein zu ß-Carotin ist in den Rieslingtraubenbeeren größer als in den Beeren der anderen "Weißen-Sorten". Die TDN-Bildung in Weinen, die aus den Mosten mit niedrigeren pH-Werten gewonnen wurden, war höher als solche aus Mosten mit höherem pH-Wert. Bei den Weinen aus Trauben der entblätterter Rebstocke zeigten höhere TDN-Gehalt, weil solche weinbauliche Maßnahmen die Konzentrationen der gelöster Carotinoide in den Trauben und folgend auch in den Jungweinen erhöht. Lutein, ß-Carotin und Zeaxanthin sind die Carotinoid-Hauptprecursor bei der TDN-Bildung. Beim prozentualen Vergleich deren Verluste während der Gärung und Lagerung ist der bei Lutein bzw. Zeaxanthin grösser als der bei ß-Carotin. Dabei sind die Mengen maßigen Verluste von ß-Carotin höher als bei Lutein und Zeaxanthin. Als TDN-Precursor sind die Carotinoide Lutein bzw. Zeaxanthin labiler als ß-Carotin. Zeaxanthin wurde nur in sehr geringen Mengen in der Traubenbeeren gefunden. Die Reinsubstanzen Lutein bzw. ß-Carotin zeigten auch deutlich ihren Precursor-Charakter in Hinblick auf die potentielle TDN-Bildung. Durch Säurehydrolyse der Reinsubstanzen bei 50oC zeigte es sich, dass normales TDN, TDN+2 und TDN+4 in D2O (2H2O) aus Lutein gebildet wurde. Aus ß-Carotin wurde nur wenig TDN erzeugt.
Der metasomale Lichtsinn des Skorpions : eine immunhistologische und feinstrukturelle Untersuchung
(2003)
Extraretinale Photorezeption im Bauchmark des Skorpions war seit mehr als 30 Jahren aus elektrophysiologischen und verhaltensbiologischen Untersuchungen bekannt. Von den zugehörigen Sinneszellen waren aber weder ihre Struktur und Lage noch ihre neuronale Verschaltung bekannt. Mit immunhistologischen und feinstrukturellen Untersuchungen konnten in dieser Arbeit in den letzten Abdominalganglien des Skorpions Paruroctonus mesaensis Zellgruppen identifiziert werden, die vermutlich das strukturelle Korrelat dieser extraretinalen Photorezeption, des metasomalen Lichtsinns (ML), sind. In meiner Arbeit konnten folgende Befunde erhoben werden: Immunhistologische Erkenntnisse: - In den metasomalen Ganglien des Skorpions gibt es wenige Zellen, die immunhistologisch mit Antikörpern gegen Proteine der Phototransduktionskaskade (Opsin, Transducin und Arrestin) reagieren. - Der metasomale Lichtsinn ist kein geschlossenes Sinnesorgan sondern ist aus mehreren Zellclustern mit jeweils etwa 5-7 spindelförmigen kleinen Zellen zusammengesetzt. - Diese ML-Zellgruppen sind bilateralsymmetrisch auf der Ventralseite der Ganglien jeweils an den Übergängen in die Konnektive angeordnet. - Die Zellen sind - wie alle Invertebraten-Photorezeptoren - histaminerg. Ihre kurzen afferenten Axone enden ipsilateral im gleichen Ganglion auf ebenfalls histaminergen Inteneuronen, die bis in das Unterschlundganglion reichen. Feinstrukturelle Erkenntnisse: - Nach den bisherigen Untersuchungen haben alle ML-Zellen die gleiche Feinstruktur. Das Cytoplasma ist sehr reichhaltig mit Mitochondrien und rauhem endoplasmatischen Retikulum gefüllt, was erkennen lässt, dass diese Zellen hochaktiv sind. Sie haben kein Schirmpigment. - Sie besitzen einen länglichen, häufig gelappten Zellkern mit viel Heterochromatin. - Besonders charakteristisch für die ML-Zellen sind Lysosomen, die rhabdomere Abbauprodukte beinhalten. Diese Abbauprodukte verändern sich in Abhängigkeit vom Licht und unter der Kontrolle der inneren Uhr. Es lassen sich die für Arthropodenaugen charakteristischen Abbaustufen für diese exogenen und endogenen Abbauvorgänge feststellen. - An der apikalen Seite der potentiellen Photorezeptorzellen befinden sich lange rhabdomere Mikrovilli, die sich unregelmäßig um eine Lakune winden. Gemeinsam mit Nachbarzellen bilden diese Mikrovilli eine Haube, die von einer Kapsel umschlossen wird. - Das andere Zellende setzt sich in ein kurzes Axon fort. - Efferente Fasern innervieren die afferenten Endigungen der Rezeptorzellen nahe an ihren Terminalen. - Als Besonderheit ist in den ML-Zellen eine einzelne intrazelluläre Cilie zu finden. Sie ist meist zwischen dem Zellkern und einem Golgi-Apparat lokalisiert. Eine potentielle Funktion des Metasomalen Lichtsinns im Skorpion wird insbesondere im Zusammenhang mit der Perzeption natürlicher Zeitgeberreize durch den retinalen und extraretinalen Photorezeptorkomplex.
In der vorliegenden Arbeit wurden die Glukoneogenese und der Glyoxylat-Zyklus in den humanpathogenen Hefen Candida albicans und Candida glabrata untersucht und Komponenten dieser Stoffwechselwege charakterisiert. Durch Aktivitätsmessungen konnten Homologe der Enzyme von Glukoneogenese und Glyoxylat-Zyklus in C. glabrata nachgewiesen werden, und gezeigt werden, dass ihre Aktivität einer kohlenstoffquellen-abhängigen Regulation unterliegt. Die Gene der Enzyme des Glyoxylat-Zyklus wurden mittels funktioneller Komplementation in S. cerevisiae isoliert. In S. cerevisiae unterliegen die Enzyme aus C. glabrata derselben Regulation wie die nativen Enzyme aus S. cerevisiae, was darauf hindeutet, dass die aus S. cerevisiae bekannte Regulationskaskade zumindest teilweise in C. glabrata konserviert ist. In C. glabrata konnten ferner Homologe der Transkriptionsaktivatoren Cat8p und Sip4p identifiziert werden. Beide Proteine werden nur bei Wachstum auf nichtfermentierbaren Kohlenstoffquellen gebildet und sind dann im Zellkern lokalisiert. CgCat8p und CgSip4p sind in der Lage, in einem heterologen System die Expression der Gene des Glyoxylat-Zyklus von C. glabrata kohlenstoffabhängig zu aktivieren. Im Vergleich zu ihren S. cerevisiae Homologen, unter denen Cat8p den Hauptregulator darstellt, waren beide Proteine im gleichen Maße in der Lage, ihre Zielgene zu aktivieren. Dies deutet daraufhin, dass die Regulation der Glukoneogenese und des Glyoxylat-Zyklus in C. glabrata redundanter organisiert ist als in S. cerevisiae. Auch in C. albicans konnte ein Cat8p-Homolog identifiziert werden. Das CaCat8p ist in der Lage, in einem heterologen System die Expression der Gene der Glukoneogenese und des Glyoxylat-Zyklus von C. albicans kohlenstoffabhängig zu aktivieren. Die Cat8p-vermittelte Aktivierung erfolgt dabei zumindest teilweise über Sequenzen, die einen ähnlichen Konsensus aufweisen wie die UAS/CSRE des ScCat8p. Eine Deletion von CaCAT8 in C. albicans zeigt aber keinen sichtbaren Phänotyp, was auf die Existenz eines weiteren Aktivators hindeutet. Die Stoffwechselwege der Glukoneogenese und des Glyoxylat-Zyklus sind innerhalb der Hefen konserviert. Auffällig ist allerdings dass die humanpathogenen Hefen C. albicans und C. glabrata im Vergleich zu S. cerevisiae mehrere fast gleichberechtigte Aktivatoren dieser Stoffwechselwege besitzen. Das unterstreicht die Bedeutung, die diese Stoffwechselwege für diese Hefen haben.
Winterroggen (Secale cereale L.) erwirbt durch längerfristiges Wachsen bei tiefen Temperaturen eine Anpassung an Kälte und Frost und entwickelt eine erhöhte Toleranz gegenüber kälte-induzierter Photoinhibierung. Diese Anpassung wird als Kältehärtung bezeichnet. Die erworbene Toleranz gegenüber kälteinduzierter Photoinhibierung geht nach drei Tagen Enthärtung bei einer Temperatur von 220C wieder verloren. Die Zielsetzung der Promotion war es, nach differentiell exprimierten Genen zu suchen, die nicht als Antwort auf kurzzeitigen Kältestreß hochreguliert werden, sondern Gene zu isolieren die im Zuge länger einwirkender Kälte in Winterroggenblättern verstärkt exprimiert werden. Werden die mRNAs aus kältegehärteten (CHL) mit den mRNAs aus enthärteten Roggenblättern (DHL) verglichen, so können Gene isoliert werden, die in CHL stärker exprimiert werden. Diese differentiell exprimierten Gene können, da sie nach Enthärtung deutlich seltener exprimiert werden, eine limitierende Funktion bei Kältehärtung einnehmen. Um diese Gene isolieren zu können wurden zwei molekularbiologische Methoden, "Suppression Subtractive Hybridisation"-PCR und "Differential Display"-PCR angewendet. Mit diesen Methoden konnten insgesamt zwölf verschiedene cDNA-Fragmente differentiell exprimierter Gene isoliert werden. Im Vergleich mit DHL sind in CHL die Transkriptmengen für neun cDNA-Fragmente isolierter Gene erhöht. Auch die Transkriptmenge des Chloroplasten-kodierte Gens für LSU ist in CHL bei einem Vergleich mit DHL gesteigert. Die isolierten cDNA-Fragmente von differentiell exprimierten Genen kodieren für Proteine aus den verschiedensten Teilbereichen des pflanzlichen Stoffwechsels und sind nachfolgend aufgelistet. Photosynthesestoffwechsel: SSU und LSU (kleine und große Untereinheit von RubisCO), LHCIIb (Lichtsammelkomplex IIb), Fructose-1,6-bisphosphatase, Transketolase, Genexpression: RNA-bindendes Protein, Transkriptionselongationsfaktor, Nucleotidstoffwechsel: UMP Synthase, Antioxidativ wirkendes Enzym: PMSR (Peptid-Methioninsulfoxidreduktase) Es konnten cDNA-Fragmente dreier bekannter Gene und eines unbekannten Gens (Klon 5C, zeigte Homologie zu einer Sequenz aus Oryza sativa) isoliert werden, deren Expression in DHL spezifisch erhöht ist. Energiestoffwechsel: H+ATPase, Pathogenabwehr/ programmierter Zelltod: Llsl Gen (lethal leaf spot Gen 1), Proteinstoffwechsel: Disulfidisomerase Neben der Analyse der Expression auf RNA-Ebene wurden Untersuchungen zur Expression auf Proteinebene vorgenommen. Western Blut Analysen zeigten, daß die geringeren Transkriptmengen von rbcS und rbcL in DHL und NHL nicht mit einem parallelen Rückgang der Proteinmengen von SSU und LSU korrelieren. Die Proteinmengen an SSU und LSU in CHL, DHL und NHL weisen keine allzu großen Unterschiede auf Sowohl die Transkiptmenge des Gens Lhcb als auch die Menge des LHCIIb-Proteins war in enthärteten Winterrogenblättern in Vergleich zu gehärteten Winterroggenblättern vermindert. Auch für das antioxidativ wirkende Enzym PMSR (Peptid-Methionin-Sulfoxid-Reduktase) konnten in CHL höhere Transkriptmengen als in DHL und in NHL nachgewiesen werden. PMSR ist ein ubiquitär verbreitetes Enzym, das eine nachgewiesene wichtige Funktion bei der Abwehr von reaktiven Sauerstoffformen (ROS) ausübt. Den bislang untersuchten antioxidativen Schutz-Systemen konnte bei der Kältehärtung keine begrenzende Funktion zugeschrieben werden. Ein Schwerpunkt der Promotion lag deshalb auf der Untersuchung vom ScPMSR als antioxidativ wirkendes Enzym im Zusammenhang mit Kältehärtung. Die Transkriptmenge an ScPMSR erhöht sich nach dem längerfristigen Einwirken von Kälte. Zur Durchführung von Immunoblot Analysen mußte zunächst ein Antikörper gegen ScPMSR hergestellt werden. Mittels eines aus einer cDNA-Bank isolierten cDNA-Klons von ScPMSR wurde rekombinantes ScPMSR-Protein in E. coli Zellen produziert und nach der Reinigung zur Herstellung spezifischer Antiseren eingesetzt. Bei dem in dieser Arbeit isolierten ScPMSR handelt es sich um ein cytoplasmatisches Isoenzym. In Western Blot Analysen mit dem ScPMSR-Antikörper konnte in Gesamtproteinextrakten aus CI-IL, DHL und NHL die ScPMSR-Proteinbande (23kDa) nachgewiesen werden. In CHL und in NHL die in niedrige Temperaturen umgesetzt wurden liegt noch eine zusätzliche Proteinbande einer Größe von 68kDa vor. Werden CHL in 220C umgesetzt wird diese Bande innerhalb von 48h deutlich schwächer. Im Gegensatz dazu verstärkt sich die 68kDa-Proteinbande kontinuierlich, wenn NHL bis zu 48h in tiefe Temperaturen gestellt werden. Die Gesamtmengen an PMSR-Protein (23 kDa + 68kDa) zeigen nicht allzu große Unterschiede bei CHL, DHL und NHL und korrelieren damit nicht mit der geringeren Transkriptmenge an PMSR in DHL und NHL. Rechnerisch könnte es sich bei dem bei Kälte gebildeten 68kDa großen Proteinaggregat um ein PMSR-Trimer handeln. Dieses Aggregat konnte allerdings in vitro durch die stark denaturierend wirkenden Stoffe Guanidinhydrochlorid und SDS nicht in nachweisbare Untereinheiten aufgelöst werden. Bei dem bei Kälte gebildeten Proteinaggregat könnte es sich um die enzymatisch aktive Form eines PMSR-Trimers handeln, das bei Kälte der Abwehr von ROS dient. Insgesamt deuten die Resultate darauf hin, daß ScPMSR bei der Kältehärtung von S. cereale von Bedeutung ist. Aufgrund der geringer Substratspezifität kann PMSR bei Kälte als weitgefächertes Reparaturenzym fungieren. Nicht zuletzt wird der zyklische Oxidations- und Reduktionsprozeß von Methionin und Methioninseitenketten auch als "sink" für ROS angesehen. Es bedarf jedoch zusätzlicher Untersuchungen, um die Rolle von ScPMSR bei Kältehärtung von Secale cereale als antioxidativ wirkendes Enzym weiter definieren zu können.
Die halophilen Archaea Haloferax volcanii und Halobacterium salinarum haben sich aufgrund ihrer metabolischen Vielseitigkeit und der Verfügbarkeit vieler molekulargenetischer und biochemischer Techniken zu archaealen Modellorganismen für die Untersuchung zellulärer Prozesse entwickelt. In den vergangenen Jahren wurden eine Vielzahl prokaryaler Genome sequenziert, es zeigte sich jedoch, dass ca. 30% aller Gene keine Funktion zugeordnet werden kann. Die funktionelle Genomforschung zielt darauf, durch parallele genomweite Untersuchung der Genexpression die Funktion der Transkripte bzw. der Proteine aufzuklären. In der vorliegenden Arbeit wurden für beide halophilen Archaea genomweite Genexpressionsanalysen unter Verwendung der DNA-Mikroarray- Technologie etabliert. Aufgrund der derzeit nicht vorhandenen Genomsequenz wurde für die Untersuchung der Genexpression von H. volcanii der erste und bisher einzig beschriebene genomweite shotgun-DNA-Mikroarray konstruiert. Dazu wurde zunächst eine Genombibliothek mit einer durchschnittlichen Fragmentgröße von 1,5 kb hergestellt. Die Genombibliothek wurde anschließend in eine PCR-Produkt-Bibliothek umgewandelt, die dazu genutzt wurde, in einem hochdichten Raster zwei DNA-Mikroarrays herzustellen, einen 960-Sonden DNA-Mikroarray zur Etablierung und Optimierung der Methode und einen 2880-Sonden DNA-Mikroarray, der einer einfachen Genomabdeckung entspricht. Für den Vergleich der Genexpression nach einer Änderung der Kohlenstoffquelle wurden Zellen von H. volcanii einem Wechsel von Wachstum mit Aminosäuren zu Wachstum mit Glukose als alleiniger Kohlenstoff-Quelle unterzogen. Die Transkriptomänderungen vom Wechsel der Kohlenstoff-Quelle bis zum erneuten Beginn des exponentiellen Wachstums wurden zu fünf Zeitpunkten mit dem 2880-Sonden DNA-Mikroarray analysiert. Es wurden fünf verschiedene Klassen kinetisch gleichregulierter Gene gefunden, die entweder induziert, reprimiert oder transient induziert waren. Insgesamt wurden ca. 10% aller Gene zu mindestens einem Zeitpunkt mehr als 2,5 fach reguliert. Für Gene aller fünf Klassen wurden die Ergebnisse durch Northern-Analysen verifiziert. Die Identität der regulierten Gene wurde durch Sequenzierung der PCR-Produkte von beiden Enden ermittelt. Es wurde ein breites Spektrum an Genen identifiziert, deren Genprodukte für unterschiedliche funktionelle Kategorien wie Stoffwechselenzyme, ABC-Transporter, regulatorische Proteine und hypothetische Proteine usw. kodieren. Viele gleichregulierte Gene kodieren für Proteine gemeinsamer Funktion. Erwartete wie auch unerwartete Ergebnisse erlaubten Vorhersagen über den zentralen Metabolismus, die Transportkapazität und der zellulären Organisation bei Wachstum von H. volcanii auf Aminosäuren bzw. Glukose. Die Mikroarray-Analysen stehen im Einklang mit der Wachstumsrate und dem Ribosomengehalt von H. volcanii bei Wachstum auf den alternativen Kohlenstoffquellen. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass ein shotgun-DNA-Mikroarray mit einfacher Genomabdeckung die Charakterisierung der Regulation metabolischer Prozesse sowie die funktionelle Charakterisierung von Proteinen bzw. Proteinkomplexen erlaubt. Für Halobacterium salinarum, dessen Genomsequenz bekannt ist, wurde ein genomweiter genspezifischer DNA-Mikroarray konstruiert. Hierzu wurde jeder ORF des Genoms unter Verwendung von ORF-spezifischen Oligonukleotiden mittels PCR amplifiziert. Zur Etablierung dieses Systems wurden zunächst mit einem 200-Sonden DNA-Mikroarray exemplarisch Genexpressionsanalysen für zwei verschiedene Wachstumsbedingungen durchgeführt. Bei anaeroben Wachstum von H. salinarum durch fermentativen Argininabbau wurden im Vergleich zu aeroben Wachstum die für die Argininfermentation essentiellen Gene induziert. Dagegen wurden charakteristische Gene des aeroben Stoffwechsels reprimiert. Zur Untersuchung des Zellzyklusses von H. salinarum wurde der genomweite genspezifische DNAMikroarray verwendet. Um erstmals genomweit die zellzyklusspezifische Genexpression eines Archaeons zu analysieren, wurden Zellen von H. salinarum durch eine reversible Zellzyklusblockade mit Aphidicolin, einem DNA-Polymerase Inhibitor, synchronisiert. Vorläufige Transkriptomstudien mit einer synchron wachsenden H. salinarum-Kultur deuten an, dass die Transkription der Mehrzahl der Gene im Verlauf des Zellzyklusses nicht reguliert wird. Die Untersuchungen dieser Arbeit bilden die Grundlage für genomweite funktionelle Charakterisierungen haloarchaealer Genexpression und Regulationsprozesse.
Die Komplexität des durch 2-Aminoacetophenon (AAP) ausgelösten "Untypischen Alterungstones" (UTA) in Weinen wurde im Zusammenhang mit pflanzenbaulichen und mikrobiologischen Einflussfaktoren diskutiert. Neben einem Überblick über den Stand der Forschung wurde der Wirkzusammenhang zwischen Pflanzen- und Mikroorganismenstress verdeutlicht. Indol-3-essigsäure (IAA) gilt als wesentliche Vorstufe für die Bildung von AAP. Die Funktion und Wirkung des Pflanzenhormons IAA wurde vorgestellt, um die Bildung und den Stoffwechsel in der Pflanze in Verbindung mit der Metabolisierung durch Mikroorganismen zu diskutieren. Die mögliche Bedeutung des Elicitors Jasmonsäure konnte gezeigt werden. Um die Faktoren der typischen Weinentwicklung von denen der atypischen zu trennen, wurden zunächst die Einflüsse verschiedener Rebsorten, Rebsortenklone und der Gärungsbedingungen als substratdeterminierende Faktoren für die Hefen durch Mikrovinifikationen und Modellgärungen auf wertbestimmende Inhaltsstoffe untersucht. Die Zusammenhänge zwischen Umwelt- und Substrateinflüssen einerseits und dem Auftreten des UTA andrerseits wurden untersucht. Zum Schutz der Pflanze vor UV-B-Strahlung wurde ein Absorber in die Laubwand bzw. Traubenzone versprüht. Der Einfluss kurzwelliger energieintensiver Strahlung (UV-B) auf die Bildung fehltonrelevanter Verbindungen wie AAP und Skatol wurde festgestellt. Die in Verbindung mit dem UTA stehenden Substanzen AAP und Skatol konnten durch UV-B-Schutzmassnahmen sowie einer Blattdüngung und einer Argininsupplementierung des Mostes reduziert werden. Die Bildung wertbestimmender Inhaltsstoffe während der Weinbereitung steht im engen Zusammenhang mit pflanzenbaulichen und mikrobiologischen Parametern. Der Wirkungs-zusammenhang zwischen Pflanzen- und Mikroorganismenstress und seine Auswirkungen auf die Bildung von dem "UTA" zuzurechnenden unerwünschten Aromasubstanzen wurde aufgezeigt. Ein Stress-Organismus-Reaktions-Modell für Pflanzen zur Beschreibung von Stressreaktionen auf Umwelteinflüsse und ein Erklärungsansatz des "UTA" wurde erstellt. Vor dem Hintergrund der Beobachtungen wurde eine Stressdefinition für Mikroorganismen entwickelt.
Die Regulation des Zellzyklus wird durch Phosphorylierung und Dephosphorylierung gesteuert. Schlüsselenzyme sind dabei die Cdk/Cyclin-Komplexe. Für den Eintritt und das Durchlaufen der Mitose von besonderer Bedeutung ist die Polo-like Kinase 1 (Plk1). Zur Aufklärung Mitose-spezifischer Signalwege wurden in dieser Arbeit neue Interaktionspartner der Plk1 gesucht. Die Bedeutung dieser Interaktionen für Zellzyklus und Mitose sollten näher charakterisiert werden. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, daß Plk1 direkt mit humanem Cyclin B1, der regulatorischen Untereinheit des M-phase-promoting-factors (MPF), interagiert. Dabei konnte festgestellt werden, daß Plk1 in der Lage ist, Cyclin B1 innerhalb dessen cytoplasmic retention signals (CRS) am Ser-133 zu phosphorylieren. Ferner konnte gezeigt werden, daß die Phosphorylierung der CRS in einer synergistischen Weise durch Plk1 und MAPK (Erk2) stattfindet. Vorphosphorylierung der CRS durch MAPK an Ser-126 und Ser-128 führt nicht nur zu einer 3-4 fach stärkeren Phosphorylierung durch Plk1, sondern auch zur Entstehung neuer Phosphorylierungs-Stellen für Plk1. Die hier aufgeführten Daten zeigen, daß durch synergistische Phosphorylierung der CRS, an der Plk1 beteiligt ist, der rapide nukleäre Import des Cyclin B1/Cdk1-Komplexes in der Prophase gesteuert wird. Dieser rapide Import in den Kern ist Voraussetzung für die Auflösung der Kernmembran in der Prometaphase. Damit konnte gezeigt werden, daß Plk1 dazu beiträgt, den MPF in den Kern (zu seinen Substraten) zu bringen, um früh-mitotische Ereignisse zu induzieren. Mitotische Kinasen (wie MPF, aber auch MAPK) phosphorylieren ihre Substrate oft an Ser/Thr-Pro-Motiven. Sind diese Motive phosphoryliert (pSer/Thr-Pro), so können sie von Pin1, einer Peptidyl-Prolyl-cis/trans-Isomerase isomerisiert werden. In dieser Arbeit wurde gezeigt, daß Plk1 mit Pin1 interagiert. Dabei bindet Plk1 an die Protein-Interaktionsdomäne (WW-Domäne) von Pin1, ist aber gleichzeitig in der Lage, Pin1 innerhalb seiner katalytischen Domäne (PPIase Domäne) zu phosphorylieren. Es konnte gezeigt werden, daß das Ser-65 in Pin1 eine Phosphorylierungs-Stelle für Plk1 darstellt. Da bekannt war, daß Vortäuschung einer Phosphorylierung an Ser-16 oder Ser-67 die Pin1-Aktivität hemmt, wurde ein ähnlicher Effekt für Ser-65 erwartet. Jedoch führte die Vortäuschung der Phosphorylierung an Ser-65 nicht zu einer Reduktion der PPIase-Aktivität von Pin1. In dieser Arbeit konnte erstmals gezeigt werden, daß Pin1 über das Proteasom abgebaut wird. Die Vortäuschung der Ser-65-Phosphorylierung führt zur Stabilisierung des Pin1-Proteins. Damit ist Plk1 das erste bekannte Enzym, welches Pin1 durch Phosphorylierung stabilisiert.
Durch Integration beziehungsweise Deletion einzelner oder mehrerer Gene der Carotinoidbiosynthese wurden Cyanobakterien-Transformanten mit einem vom Wildtyp abweichenden Carotinoidgehalt oder einer veränderten Carotinoidzusammensetzung hergestellt. Anhand dieser Transformanten wurden die Auswirkungen der geänderten Carotinoidkomposition auf die Photosyntheseleistung und besonders auf den Schutz der Photosynthese vor Schädigungen durch Starklicht untersucht. Die Integration des Zeaxanthin Epoxidase-Gens aus Gentiana lutea in das Genom von Synechococcus PCC 7942 PIM8 führte zu einer Transformante Synechococcus PCC 7942 PIM8 pFP1ZE in der erstmalig die am Xanthophyllzyklus der höheren Pflanzen beteiligten Carotinoidepoxide Violaxanthin und Antheraxanthin gebildet wurden. Diese beiden zusätzlich gebildeten Carotinoidepoxide hatten keine Auswirkungen auf die Photosyntheseleistung und die Quantenausbeute von Synechococcus PCC 7942 PIM8 pFPlZE unter Schwachlichtbedingungen. Allerdings ging in dieser Transformante die maximale Photosyntheseleistung nach Inkubation im Starklicht deutlich stärker zurück als in der Kontroll-Transformante. Diese erhöhte Sensitivität gegenüber Starklicht korreliert mit dem signifikant niedrigeren Zeaxanthingehalt dieser Transformante. Die wichtige Schutzfunktion von Zeaxanthin vor Starklichtschädigungen des Photosyntheseapparates wurde durch Experimente mit Synechocystis PCC 6803 bestätigt. Es wurden durch Inaktivierung des Ketolase-Gens, des b-Carotin Hydroxylase-Gens bzw. beider Gene zusammen, Mutanten hergestellt. die entweder kein Echinenon, kein Zeaxanthin oder keines der beiden Carotinoide synthetisieren konnten. Darüber hinaus wurde in den b-Carotin Hydroxylase-defizienten Mutanten ein nicht hydroxyliertes Myxoxanthophyllderivat anstelle von Myxoxanthophyll gebildet. In den Zeaxanthin defizienten Synechocystis Mutanten ist die Photosynthese nach Inkubation in Starklicht deutlich stärker inhibiert als im Wildtyp und der Mutante ohne Echinenon. Besonders empfindlich gegenüber Starklicht erwiesen sich die Kulturen ohne Zeaxanthin und Myxoxanthophyll, wenn in Gegenwart von Methylenblau oder Methylviologen verstärkt 1O2 bzw. O2.-, H2O2 und OH. generiert wurden, In diesen Mutanten war ein drastisch erhöhter Chlorophyll- und Carotinoidabbau messbar. Um den verstärkten Abbau an Carotinoiden unter Starklichtbedingungen zu kompensieren, muss die Carotinoidbiosynthese unter diesen Bedingungen erhöht werden. In Hemmstoffversuchen konnte nachgewiesen werden, dass die Bildung von Phytoen, dem ersten Carotinoid im Syntheseweg, unter Starklichtbedingungen erhöht ist. Messungen der Transkriptmenge aller Carotinoidgene aus Synechococcus zeigten, dass die Gene der Phytoen Synthase (crtB), der Phytoen Desaturase (crtP), z-Carotin Desaturase (crtQb) sowie der b-Carotin Hydroxylase (crtR) im Starklicht hochreguliert werden. Die Gene der Lycopin lsomerase (crtH) und der Lycopin Zyklase (crtL) werden nicht auf Ebene der Transkription reguliert. Während die Erhöhung der Transkriptmenge von crtR bereits nach 15 min erfolgt und somit bereits nach 60 min eine deutlich gesteigerte Umwandlung von b-Carotin in das antioxidativ wirksamere Zeaxanthin nachgewiesen wurde, erfolgt ein Anstieg der Transkriptmenge der Gene crtB, crtP und crtQb erst nach ca. 60 min und führt damit erst wesentlich später zu einer generellen Steigerung der Carotinoidbiosynthese, um den verstärkten Carotinoidabbau im Starklicht zu kompensieren. lnkubationen von Synechococcus in Gegenwart von Substanzen, die den Redoxzustand der photosynthetischen Elektronentransportkette oder des Thioredoxinsystems modulieren, zeigten, dass nicht Licht direkt der auslösende Reiz für die Hochregulation der Carotinoidsynthese im Starklicht ist. Ein funktionierender photosynthetischer Elektronentransport ist für eine Hochregulation der Carotinoidbiosynthese erforderlich. Weder die Reduktion des Plastochinonpools noch die der zellulären Thioldisulfid-Gruppen erwiesen sich als Signal, dass in Synechococcus PCC 7942 zur Hochregulation der Carotinoidbiosynthese im Starklicht führt. Möglicherweise ist der Redoxzustand des Cytochromb6/f-Komplexes oder eine der unter Starklichtbedingungen verstärkt gebildeten ROS, wie z. B. O2- oder OH, der Reiz, der eine Steigerung der Carotinoidbiosynthese auslöst.