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Die allogene Stammzelltransplantation (SZT) nach Hochdosischemotherapie ist oft die einzige Therapieoption für pädiatrische Patienten, die an einer Hochrisikoleukämie erkrankt sind. Bei Patienten mit einer sehr schlechten Prognose und ohne Aussicht auf einen passenden Spender werden auch haploidente SZT durchgeführt, bei der meist die Eltern als Spender dienen. Aufgrund der HLA-(Human Leukocyte Antigen) Inkompatibilität zwischen Spender und Empfänger birgt die haploidente SZT jedoch einerseits das hohe Risiko einer Abstoßung des Transplantats sowie andererseits die Gefahr einer lebensbedrohlichen Spender-gegen-Wirt Reaktion (Graft-versus-Host Disease, GvHD). Das Risiko für die Entstehung einer GvHD kann durch die selektive Anreicherung von CD34 positiven Stammzellen deutlich verringert werden. Dabei werden unter anderem immunkompetente T-Zellen entfernt, die maßgeblich an der Entstehung einer GvHD beteiligt sind. Diese Zellen spielen aber auch bei der Immunrekonstitution und der Reaktivität gegen residuale leukämische Blasten (Graft-versus-Leukemia (GvL) Effekt) nach SZT eine wichtige Rolle. Aufgrund dessen ist die SZT mit CD34-selektionierten Präparaten häufig mit schweren Infektionen und einer erhöhten Rezidivrate verbunden. Des Weiteren wächst das Transplantat deutlich schlechter an. Immuntherapeutische Ansätze mit Spenderlymphozyten-Infusionen (Donor Lymphocyte Infusion - DLI) können das Anwachsen des Transplantates und den GvL-Effekt fördern, steigern jedoch gleichzeitig das Risiko einer GvHD. Um die Entstehung einer GvHD zu kontrollieren, ohne dabei auf den Nutzen einer DLI verzichten zu müssen, wurde bereits vor über 10 Jahren ein aussichtsreicher Ansatz entwickelt. Hierbei werden Spender-T-Zellen vor der Infusion in den Patienten genetisch so modifiziert, dass sie ein Selbstmordgen („suicide gene“) exprimieren. Im Falle einer aufkeimenden GvHD ermöglicht die Aktivierung des Suizidmechanismus eine gezielte Eliminierung der alloreaktiven Spender-T-Zellen. Das zurzeit am häufigsten verwendete Selbstmordgen leitet sich von der Thymidinkinase (TK) des Herpes Simplex Virus (HSV) ab. In einer Reihe von klinischen Studien mit erwachsenen Patienten konnte nach allogener SZT die prinzipielle Wirksamkeit dieses Sicherheitskonzeptes bereits gezeigt werden. Im Verlauf der klinischen Anwendung wurde allerdings eine Reihe von Nachteilen festgestellt. So führte zum Beispiel die Immunogenität der HSV-TK in immunkompetenten Patienten zur Abstoßung der modifizierten T-Zellen. Des Weiteren zeigte sich eine mangelnde Effizienz hinsichtlich des Abtötens der T-Zellen. Außerdem ist die für die T-Zell-Eliminierung benötigte Menge an Ganciclovir (10 mg/kg Körpergewicht pro Tag) stammzelltoxisch, wodurch die Immunrekonstitution nach SZT deutlich vermindert sein kann. Ferner wurde beobachtet, dass die ex vivo modifizierten und expandierten T-Zellen in ihrer biologischen Funktionalität deutlich eingeschränkt waren. Um den immuntherapeutischen Ansatz der DLI vor allem hinsichtlich der Sicherheit weiter zu verbessern, wurden in den vergangenen Jahren verschiedene Suizidstrategien entwickelt und die Bedingungen der ex vivo Modifikation optimiert. Eine aussichtsreiche Suizidstrategie verwendet das B-Zell-Oberflächenantigen CD20 in Kombination mit einem bereits für die Klinik zugelassenen, monoklonalen anti-CD20 Antikörper (Rituximab). Im Gegensatz zu TK-modifizierten Zellen, deren Beseitigung in vivo mehrere Tage in Anspruch nimmt, können CD20 positive B-Zellen innerhalb weniger Stunden eliminiert werden. Der tatsächliche Wirkmechanismus von Rituximab in vivo ist bisher noch nicht vollständig aufgeklärt, allerdings konnte in vitro bereits gezeigt werden, dass die Eliminierung CD20 positiver Zellen mittels eines komplement-abhängigen (CDC) und/oder eines antikörperabhängigen Zelltodes (ADCC) erfolgt. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung und Optimierung eines CD20-abhängigen Suizid-Vektorsystems für die effiziente Transduktion von primären T-Zellen und deren selektive Eliminierung mittels Rituximab. Dazu mussten verschiedene Teilziele erreicht werden: (1) Da nur genetisch modifizierte T-Zellen, die in vivo abgeschaltet werden können, infundiert werden dürfen, ist eine ex vivo Anreicherung der CD20 positiven Zellen zwingend erforderlich. Dementsprechend sollte untersucht werden, inwieweit sich CD20 als Oberflächenmarker für eine MACS- (Magnetic Associated Cell Sorting) basierte Aufreinigung eignet und gegebenenfalls alternative Ansätze geprüft werden. (2) Weiterführend sollte ein Transduktionsprotokoll etabliert werden, welches hohe Transduktionseffizienzen ermöglicht und die Funktionalität der genetisch modifizierten T-Zellen weitestgehend erhält. (3) Bezüglich der Wirksamkeit des CD20-Rituximab-Systems liegen bisher nur veröffentlichte in vitro Daten vor. Daher sollte die Effektivität des neu entwickelten Suizidsystems in einem GvHD-ähnlichen Mausmodell in vivo charakterisiert werden. Zu Beginn dieser Arbeit wurde ein gammaretroviraler Vektor verwendet, welcher die Wildtypsequenz des CD20 Gens unter der Kontrolle eines vom Myeloproliferativen Sarcoma Virus (MPSV) abgeleiteten LTR (long terminal repeat) exprimiert (M71CD20). Mit diesem Vektor konnten mit Hilfe einer 3-Plasmid-Transfektion von 293T-Zellen lediglich Virusüberstände mit einem sehr niedrigen Titer hergestellt werden (<1 x 105/ml). Demzufolge war es zwar möglich die humane T-Zelllinie HuT 78 durch eine RetroNectin-assistierte Transduktion genetisch zu modifizieren, primäre T-Zellen hingegen konnten gar nicht transduziert werden. Aufgrund der schwachen Expression von CD20 an der Zelloberfläche zeigten die transduzierten HuT 78 Zellen nur eine geringe Empfindlichkeit gegenüber der Rituximab-vermittelten Lyse. Unter Verwendung von humanem Serum als Komplementquelle konnte eine maximale Lyse von 20% erreicht werden. Zusätzlich war die immunomagnetische Aufreinigung der CD20 positiven Zellen mit Hilfe des anti-CD20 MACS Systems durch eine geringe Ausbeute (<1%) und einen niedrigen Reinheitsgrad (<90%) geprägt. Um die Suizidgenstrategie für eine potentielle klinische Anwendung weiterzuentwickeln, wurde eine Codon-Optimierung des CD20 Transgens vorgenommen (CD20op). Die Optimierung zielte darauf ab, selten verwendete Basentripletts (Codons) innerhalb der CD20 cDNA mit von Säugetierzellen häufig genutzten zu ersetzen und somit die Translationsrate zu steigern. Ferner wurde der GC-Gehalt auf 60% erhöht und einige RNA-Instabilitätsmotive entfernt, um die Stabilität der mRNA zu verbessern. Aufgrund dieser Optimierungen wurde ein 35-facher Anstieg des Virustiters beobachtet. Dies ermöglichte die Transduktion von HuT 78 Zellen mittels einer standardmäßig durchgeführten Zentrifugationsmethode. Durchflusszytometrische Analysen zeigten, dass die Oberflächenexpression der Codon-optimierten CD20 Variante im Vergleich zur Wildtypsequenz um ein Dreifaches gesteigert werden konnte. Die verbesserte Oberflächenexpression erhöhte die Rituximab-vermittelte Lyse deutlich. In vitro konnten so bis zu 80% der transduzierten HuT 78 Zellen eliminiert werden. Die geringe Ausbeute der immunomagnetischen anti-CD20-Selektion konnte allerdings nicht verbessert werden. Weiterführend wurde daher im Rahmen dieser Arbeit der CD20op Vektor mit einem zweiten Oberflächenmarker kombiniert, um eine effiziente Anreicherung der genetisch modifizierten Zellen zu gewährleisten. Da im klinischen Maßstab bereits ein System zur Aufreinigung von Stammzellen über den Oberflächenmarker CD34 etabliert ist, wurde eine C-terminal verkürzte Variante des CD34 Moleküls (tCD34) als Selektionsmarker gewählt. Für eine optimale Koexpression von CD20op und tCD34 wurde eine Fusionskassette unter Verwendung des 2A-Elementes des Thosea asigna Virus generiert (T2A). Dieses Element ermöglicht die effiziente Expression beider Transgene von einem Vektor. Im Verlauf der Translation kommt es innerhalb des T2A-Elementes zu einem ribosomalen Sprung und folglich zur Generierung von zwei voneinander unabhängigen Proteinen. Mit dem neu klonierten bicistronischen Vektor M71CD20opT2AtCD34 konnten gute Virustiter im Bereich von 2,3 ± 0,9 x 106/ml erzielt werden. Dies ermöglichte die Transduktion von HuT 78 Zellen durch Zentrifugation. Mittels Durchflusszytometrie und protein-biochemischer Methoden konnte gezeigt werden, dass CD20op und tCD34 korrekt in der Zelllinie exprimiert wurden. Die Anreicherung von CD20op/tCD34 positiven HuT 78 Zellen mit Hilfe immunomagnetischer anti-CD34-Selektion resultierte in einer deutlich verbesserten Ausbeute; ebenso konnte eine Reinheit von über 98% erreicht werden. In vergleichenden Analysen wurde gezeigt, dass die CD20op/tCD34 transduzierten Zellen eine ähnliche Sensitivität gegenüber Rituximab aufwiesen wie Zellen, die mit dem monocistronischen M71CD20op Vektor transduziert wurden. Nachdem die Effizienz des bicistronischen Vektors in der humanen T-Zelllinie HuT 78 nachgewiesen werden konnte, wurden weiterführende Versuche mit humanen primären T-Zellen initiiert. Für die genetische Modifikation von primären T-Zellen mit gammaretroviralen Vektoren ist die Aktivierung und eine damit einhergehende Proliferation der T-Zellen zwingend erforderlich. Deswegen wurden zunächst die Aktivierungs- und Kulturbedingungen für eine optimale Transduktion der T-Zellen bestimmt. In dieser Arbeit wurden die T-Zellen ausschließlich mit anti-CD3/anti-CD28 Antikörpern stimuliert, die auf paramagnetischen Partikeln immobilisiert wurden und dadurch eine dreidimensionale Aktivierung ermöglichten. Diese Art der Stimulation wird bereits in klinischen Studien verwendet und sollte im Gegensatz zu löslichen Antikörpern die biologische Funktionalität der T-Zellen weitestgehend erhalten. Primäre T-Zellen wurden mittels RetroNectin-beschichteter Platten an zwei aufeinander folgenden Tagen transduziert, dabei konnte eine durchschnittliche Transduktionseffizienz von 65% erzielt werden. Die korrekte Expression von CD20op und tCD34 konnte, wie bereits für HuT 78 Zellen beschrieben, ebenfalls in primären T-Zellen nachgewiesen werden. Mittels immunomagnetischer anti-CD34 Selektion von CD20op/tCD34 positiven primären T-Zellen wurde eine sehr gute Anreicherung mit 98%iger Reinheit und einer Ausbeute von 45% erreicht. Unter Verwendung von humanen natürlichen Killerzellen konnte eine Sensitivität der genetisch modifizierten Zellen gegenüber Rituximab-vermittelter zellulärer Toxizität (ADCC) nachgewiesen werden. Da die Funktionalität der T-Zellen aufgrund der benötigten Aktivierung und der Expansion ex vivo beeinträchtigt sein kann, wurden im Rahmen dieser Doktorarbeit die T-Zellen phänotypisch und funktionell genauer charakterisiert. Es konnte durchflusszytometrisch gezeigt werden, dass die Mehrheit der naiven T-Zellen aufgrund der anti-CD3/anti-CD28 Aktivierung einen „central memory“ Phänotyp erworben hatte, welcher durch die Expression des „Homing“-Oberflächenmarkers CD62L (L-Selectin) und den Verlust des Markers CD45RA gekennzeichnet war. Es ist bekannt, dass dieser T-Zell-Phänotyp ein hohes alloreaktives Potential sowie eine lange Lebensdauer in vivo aufweist. Da für eine effektive Immunantwort CD4 positive Helferzellen und CD8 positive zytotoxische T-Zellen essentiell sind, wurde im Rahmen dieser Arbeit die Transduktionseffizienz in beiden Subpopulationen bestimmt. CD4 positive und CD8 positive T-Zellen ließen sich gleichermaßen gut transduzieren und es konnte demonstriert werden, dass ein physiologisches CD4/CD8 Verhältnis von 1-2 erhalten blieb. Im Vergleich dazu wurde in veröffentlichten Studien häufig eine verstärkte Transduktion von CD8 positiven T-Zellen verzeichnet, was zu einer Verschiebung des CD4/CD8 Verhältnisses und somit zu einer beeinträchtigten Immunantwort führte. Des Weiteren wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit in vergleichenden Analysen das alloreaktive Potential der genetisch modifizierten Zellen bestimmt. Zur Charakterisierung der Alloreaktivität wurde eine „Mixed Lymphocyte Reaction“ (MLR) verwendet. Hierfür wurden die T-Zellen mit CFSE (Carboxy-Fluorescein Succinimidyl Ester) gefärbt und mit bestrahlten, allogenen mononukleären Zellen aus peripherem Blut (PBMCs) kultiviert. Das Maß der Alloreaktivität ließ sich durch die Verringerung des CFSE Signals bestimmen. In einer Reihe von Experimenten konnte gezeigt werden, dass der prozentuale Anteil an alloreaktiven, transduzierten T-Zellen vergleichbar zu frisch isolierten T-Zellen war. Auch wenn ein geringeres Proliferationspotential der genetisch modifizierten T-Zellen festgestellt wurde, deutet dieses Ergebnis dennoch auf einen teilweisen Erhalt der T-Zell-Funktionalität hin. Im letzten Drittel der vorliegenden Arbeit wurde neben der Langzeitexpression von CD20op und tCD34 ebenfalls die Effizienz des CD20op-Rituximab-Systems in vivo untersucht. Hierfür wurde ein Rag-1 defizientes Mausmodell verwendet. Aufgrund der vorliegenden Lymphopenie ermöglichte dieses Modell ein gutes Anwachsen der Spenderlymphozyten. Reife murine T-Zellen wurden an zwei aufeinander folgenden Tagen mit dem gammaretroviralen Vektor M71CD20opT2AtCD34 transduziert und vor der Transplantation mittels immunomagnetischer anti-CD34 Selektion angereichert (Reinheit: 98%). Fünf Wochen nach Transplantation wurde ein Teil der Mäuse mit 150 μg Rituximab pro Maus i.v. behandelt, als Negativkontrolle wurde Mäusen ein monoklonaler anti-HER2/neu Antikörper (Herceptin) gespritzt, der in diesem Zusammenhang nicht relevant war. Das Behandlungsschema wurde in zwei darauf folgenden Wochen wiederholt. Jeweils zwei Tage nach der Antikörperinjektion wurde der Anteil an transduzierten Spenderzellen im peripheren Blut durchflusszytometrisch bestimmt. Bereits nach der ersten Rituximab-Injektion konnte eine 95%ige Depletion der genetisch modifizierten T-Zellen gezeigt werden. Die beiden nachfolgenden Injektionen beeinflussten den Anteil der modifizierten T-Zellen im peripheren Blut nur noch geringfügig. In Herceptin behandelten Mäusen blieb der Anteil an genetisch modifizierten Zellen konstant. Am Ende der Untersuchungen (Woche 17) wurde in Rituximab behandelten Mäusen nur noch ein minimaler Prozentsatz an modifizierten Zellen nachgewiesen, welche durch eine geringe Oberflächenexpression von CD20op und tCD34 charakterisiert waren. Abschließend konnte die effektive Eliminierung der T-Zellen aus der Milz und den Lymphknoten sowohl durchflusszytometrisch als auch per quantitativer PCR nachgewiesen werden. Die erfolgreiche Depletion der T-Zellen wurde im weiteren Verlauf der Arbeit durch eine Zeitkinetik nach Rituximab Gabe genauer untersucht. Bereits zwei Stunden nach der Injektion des Antikörpers konnte im peripheren Blut nur noch ein kleiner Anteil an genetisch modifizierten Zellen nachgewiesen werden. Dieses Ergebnis entspricht Daten aus klinischen Studien mit Rituximab und verdeutlicht das Sicherheitspotential des CD20-Rituximab-Systems, geprägt durch eine schnelle und effiziente Eliminierung von reaktiven T-Zellen. Der adaptive Transfer von Spender T-Zellen führte in den Empfängertieren zur Entwicklung einer massiven Kolitis, die durch Gewichtsabnahme und Durchfall charakterisiert war. In dieser Arbeit konnte dies durch die Rituximab-vermittelte Eliminierung der reaktiven Zellen verhindert werden; Rituximab behandelte Mäuse zeigten keine Kolitissymptome, wohingegen Herceptin behandelte Tiere stetig an Gewicht verloren. Diese Gewichtsabnahme konnte zu einem späteren Zeitpunkt auch in der Herceptin Gruppe nach Behandlung mit Rituximab gestoppt werden. Außerdem wurde daraufhin in diesen Tieren eine schnelle Gewichtszunahme von bis 34% beobachtet. Die erfolgreiche Depletion der CD20op/tCD34 positiven T-Zellen stellte in den Rag-1 defizienten Empfängertieren vorübergehend erneut eine Lymphopenie her. Dabei kam es aber auch zur Expansion nichttransduzierter T-Zellen, welche mit einem Anteil von 2% im CD34-selektionierten T-Zell-Transplantat vertreten waren. Da diese T-Zellen nicht durch Rituximab eliminiert werden konnten, entwickelten die Empfängertiere unweigerlich Kolitissymptome. Mittels quantitativer PCR wurde anschließend nachgewiesen, dass es sich bei den in vivo expandierten Zellen zum Großteil um nicht-transduzierte T-Zellen handelte, da keine proviralen Integrationen nachgewiesen werden konnten. Das in dieser Arbeit verwendete Mausmodell lieferte wichtige Informationen hinsichtlich der Langzeitexpression der beiden Transgene sowie der Effizienz des CD20-Rituximab-Suizidsystems. Auch wenn die in dem verwendeten Modell induzierte Kolitis als Äquivalent einer GvHD angesehen werden kann, sollte die Effizienz des entwickelten Systems in einem klassischen bzw. haploidenten GvHD Modell verifiziert werden. Darauf aufbauend könnten dann prä-klinische Studien zur Effektivität und Sicherheit des optimierten Suizidansatzes initiiert werden. Zusammenfassend bietet das neue, in dieser Arbeit stufenweise optimierte CD20-Rituximab-System eine vielversprechende Alternative zu dem HSV-TK System. Im Hinblick auf die derzeitigen Entwicklungen bezüglich der Funktionalität der genetisch modifizierten Zellen und der schnellen Beseitigung durch Rituximab wäre die Weiterentwicklung des CD20op/tCD34 Ansatzes zur effektiven Kontrolle einer GvHD nach DLI im Rahmen einer allogenen Stammzelltransplantation wünschenswert.
Introduction: The involvement of platelets in various diseases has been increasingly recognized in the recent decades. This contribution is believed to involve platelet secretion and formation of reactive microparticles. Platelets contain two functionally important forms of vesicles, alpha and dense granules, which are secreted upon activation of platelets. Alpha granules incorporate larger molecules such as adhesive proteins, e.g. P-selectin, vWF and fibrinogen; chemokines like PF4 and RANTES and growth hormones like VEGF and PDGF are among the most important proteins attributed to the involvement of platelets in pathological conditions. In contrast, dense granules contain small molecules like ADP, ATP, serotonin and histamine, and they are more rapidly and completely secreted than alpha granules. Like in all secreting cells, regulated exocytosis in platelets is mediated by “zippering” of three different classes of SNARE proteins. The subtypes of these proteins found to be involved in platelet secretion are SNAP-23, syntaxin-2 and -4 and VAMP-3 and -8. Apart from SNARE proteins, other conserved proteins influencing exocytosis by e.g. acting on SNARE proteins have been described, one of the most important ones being Munc13. Platelets contribute to the progression of atherosclerosis by local deposition of inflammatory mediators like PF4, RANTES and CD40L, which leads to enhanced leukocyte recruitment and plaque formation. In 1865, Armand Trousseau first described the correlation between cancer and thrombotic events. Since the 1960s, an increasing number of studies have found an involvement of platelets also in the progression of cancer, especially in the formation of metastases. Platelets bind to circulating tumor cells and may shield them from NK cell attacks and shear stress. Platelets may also facilitate the interaction of tumor cells with other cell types and the vessel wall. Lastly, they may secrete molecules that influence the tumor cell phenotype and invasiveness.
Aims of this study: We sought to generate and describe genetically modified mouse lines with defective platelet secretion and to employ these mouse lines in murine models of atherosclerosis and tumor progression to study the role of platelet secretion under pathological in vivo conditions.
Results: Clostridial toxins cleave members of the SNARE protein family and can thus completely block exocytosis of neuronal and other cells. We generated three transgenic mouse lines expressing tetanus, botulinum-E or -C light chains and two transgenic mouse lines with dominant-negative mutations of SNAP-23 under the control of the platelet-specific PF4 promotor. None of these constructs was able to interfere with platelet secretion despite expression of the transgene. A functional null mutant of the only Munc13 isoform expressed in platelets, Munc13-4, showed complete lack of dense granule secretion, measured by ATP release, while alpha granule release as determined by PF4 and vWF secretion, was unaltered. Morphology, composition and adhesion of these platelets were also normal. Aggregation in response to U46619 and collagen and formation of large aggregates in flow chamber assays was attenuated. Munc13-4-deficient mice showed a severe defect in bleeding time and no formation of stable aggregates in FeCl3 thrombosis model. In response to B16 melanoma and LLC1 carcinoma cells, Munc13-4 KO platelets also showed complete abrogation of dense granule secretion, whereas alpha granule secretion and binding of platelets to tumor cells was unchanged. Interestingly, wild-type platelets, but not Munc13-4 KO platelets, enhanced transmigration of B16 and LLC1 cells through an endothelial cell layer. Exogenous ATP was able to mimic the effect of wild-type platelets and the ATP-degrading enzyme apyrase blocked platelet-mediated tumor cell transmigration. Platelets incubated with tumor cells secreted large amounts of ATP. Murine endothelial cells showed perturbed adherens junctions identified by irregular VE-cadherin staining and gap formation when incubated with supernatants from tumor cell-activated platelets as well as increased permeability under the same conditions. Addition of apyrase preserved normal endothelial morphology and function. In vivo, primary tumor growth and weight was comparable in wild-type and Munc13-4 KO mice upon B16 or LLC1 flank injection but formation of lung metastases was strongly reduced. Number, but not size of metastases was also reduced upon i.v. injection of B16 and LLC1 cells. We found P2Y2 and P2X4 receptors to be the most abundantly expressed endothelial metabotropic and ionotropic ATP receptors, respectively. Neither knock-down nor inhibition of P2X4 in endothelial cells influenced platelet-mediated transendothelial migration of B16 cells, but knock-down of P2Y2, for which no specific antagonist is available, strongly reduced plateletdependent tumor cell transmigration. When B16 melanoma cells were injected i.v. shortly after FITC-dextran (70 kDa) into wild-type mice, prominent leakage of FITC-dextran was observed three hours post-injection at extraluminal sites in the lung. In contrast, leakage into the lung parenchyma was at basal levels in Munc13-4 KO and P2Y2 KO mice after B16 cell injection. Marginal vascular leakage in Munc13-4 KO mice lacking platelet ATP secretion and in P2Y2 KO mice lacking the main endothelial ATP receptor correlated with strongly reduced extravasation of CFSE-labeled B16 melanoma cells 6 hours post-injection in these mice. Consistently, P2Y2 KO mice showed strongly reduced formation of metastases in the lung after i.v. injection of B16 or LLC1 tumor cells. Bone marrow-transplanted LDLR KO mice reconstituted with Munc13-4-deficient or wildtype bone marrow and subjected to 16 weeks of high fat diet showed no significant difference in atherosclerotic plaque formation in the aorta.
Discussion: We hereby provide a thorough analysis of a mouse line with an exclusive defect in platelet dense granule secretion, thus representing a unique genetic tool to study the role of dense granule secretion in various contexts without interfering with other platelet functions. We also provide evidence how extravasation of circulating tumor cells is facilitated by tumor cell-induced ATP release from platelets. This ATP release destabilizes endothelial barriers and facilitates tumor cell extravasation and formation of metastases in the target organ. Since metastasis is the leading cause of cancer death, pharmacological interference with endothelial P2Y2 receptor function may represent a promising therapeutic strategy.
The haloarchaeon Haloferax volcanii was shown to contain 145 intergenic and 45 antisense sRNAs. In a comprehensive approach to unravel various biological roles of haloarchaeal sRNAs in vivo, 27 sRNA genes were selected and deletion mutants were generated. The phenotypes of these mutants were compared to that of the parent strain under ten different conditions, i.e. growth on four different carbon sources, growth at three different salt concentrations, and application of four different stress conditions. In addition, cell morphologies in exponential and stationary phase were observed. Furthermore, swarming of 17 mutants was analyzed. 24 of the 27 mutants exhibited a difference from the parent strain under at least one condition, revealing that haloarchaeal sRNAs are involved in metabolic regulation, growth under extreme conditions, regulation of morphology and behavior, and stress adaptation. Notably, 7 deletion mutants showed a gain of function phenotype, which has not yet been described for any other prokaryotic sRNA gene deletion mutant. Comparison of the transcriptomes of one sRNA gene deletion mutant and the parent strain led to the identification of differentially expressed genes. Genes for flagellins and chemotaxis were up-regulated in the mutant, in accordance with its gain of function swarming phenotype. While the deletion mutant analysis underscored that haloarchaeal sRNAs are involved in many biological functions, the degree of conservation is extremely low. Only 3 of the 27 genes are conserved in more than 10 haloarchaeal species. 22 of the 27 genes are confined to H. volcanii, indicating a fast evolution of haloarchaeal sRNA genes.
Eine Reihe kurzer synthetischer Peptide, die auf verschiedenen Ebenen während des mehrstufigen Infektions-Prozesses HIV-1 hemmen konnten, wurden in unserer Gruppe über Phage-Display identifiziert. Diese Peptide hatten allerdings nur geringe Affinitäten zu gp120 und eine kurze Halbwertszeit. In der vorliegenden Arbeit wurden diese und andere HIV-1 „Entry“ hemmende Peptide über gentechnische Methoden in eukaryotischen Zellen exprimiert, um ihre Stabilität und antivirale Aktivität zu verbessern. Durch die angeknüpfte Multimerisierungsdomäne C4bp sind die therapeutischen Peptide groß genug, um von Zellen sekretiert zu werden. Die eukaryotisch sekretierten Multimere sind posttranslational modifiziert, besitzen eine höhere Stabilität und die Anzahl der funktionellen Valenzen ist erhöht. Außerdem bietet das System die Möglichkeit, auch Heteromultimere mit verschiedenen Teilstrukturen in einem Molekül zu kombinieren. Wir konnten zeigen, dass sich das C4bp-System zur Expression des Fusions-Inhibitorischen C46-Peptids in löslicher multimerer Form eignete, welches in monomerer Form nicht vollständig durch ER und den Golgi-Apparat geleitet und sekretiert werden konnte. Außerdem hatte multimeres C46 eine deutlich höhere Plasma-Halbwertszeit und wies eine höhere antivirale Aktivität gegenüber dem monomeren Peptid auf (Dervillez et al. 2006). In dieser Arbeit standen die hoch konservierten CD4i-Epitope von gp120, welche an die HIV Corezeptoren binden, als Target für die HIV-Inhibition im Mittelpunkt. Verschiedene Peptidliganden für diese Epitope, wie die zweite extrazelluläre Schleife und der N-Terminus des CCR5-Rezeptors, die sulfatierte CDR3-Domäne des E51-Antikörpers, sowie durch Phage Display gezielt selektionierte Peptide wurden in den C4bp-Expressionsvektor kloniert und nach Transfektion in 293T-Zellen als lösliche Multimere vom Überstand aufgereinigt und funktionell analysiert. Die Multimere waren sowohl in Protein-Protein-Interaktionsstudien als auch bei in vitro HIV-1 Neutralisationsversuchen funktionell aktiv. In den meisten Hemmversuchen war die HIV-1 Inhibition multimerer Peptide mindestens vergleichbar mit dem Fusionsinhibitor T20. Insbesondere im Hinblick auf eine in vivo Applikation ist zudem die verlängerte Halbwertszeit der Multimere im Plasma von Vorteil, da dadurch möglicherweise die Anzahl der Injektionen verringert werden könnte.
Genetic analysis of salt adaptation in Methanosarcina mazei Gö1 : the role of abl, ota and otb genes
(2008)
1. M. mazei ist ein halotolerantes methanogenes Archäon und akkumuliert kompatible Solute als längerfristige Anpassung an erhöhte Osmolarität in der Umgebung. Bei intermediären Salzkonzentrationen (~ 400 mM NaCl) wird vorzugsweise α-Glutamat gebildet und bei höheren Salzkonzentrationen (~ 800 mM NaCl) wird Nε-Acetyl-ß-Lysin zusätzlich zu Alpha-Glutamat synthetisiert. 2. Eine Analyse der intrazellulären Solutezusammensetzung mittels NMR ergab, dass M. mazei Glycin-Betain als Osmolyt akkumulieren kann. Für die Aufnahme von Glycin-Betain konnten zwei putative Glycin-Betain-Transporter in M. mazei identifiziert werden, Ota und Otb. Ota steht für „osmoprotectant transporter A“ und Otb für „osmoprotectant transporter B“. Das Genom von M. mazei wurde, nachdem es vollstänidg sequenziert war, nach Genen durchsucht, die eine Rolle bei der Aufnhame von Glycin-Betain oder anderen kompabtiblen Solute spielen könnten. Dafür wurde die Sequenz eines Substratbindeproteins eines bekannten bakteriellen Glycin-Betain-Transporters, opuAC aus B. subtillis als Referenzsequenz verwendet. Hierbei konnte ein Homolog, otaC, in M. mazei identifiziert werden. otaC ist Teil eines Genclusters, welches für einen ABC-Transporter kodiert. otb wurde bei einer genomweiten Expressionsanalyse zur Salzadaptation von M. mazei identifiziert. Es wurden Gene eines putativen ABC-Transporters identifiziert, die unter Hochsalzbedingungen leicht induziert waren. Es stellte sich heraus, dass es sich hierbei um einen zweiten putativen Glycin-Betain-Transporter handelte. Otb gehört auch zur Familie der ABC-Transporter. Vergleichsanalysen zeigten, dass die beiden Transporter keine große Ähnlichkeit zueinander aufweisen. Die Funktion und Rolle der beiden ABC-Transporter, vor allem von Otb, war zu Beginn dieser Arbeit unklar. 3. Bei Analysen des intrazellulären Solutepools im Wildtyp von M. mazei stellte sich heraus, dass in Anwesenheit von Glycin-Betain die Konzentration von Glutamat und NE- Acetyl-ß-Lysin verringert war. Bei 400 mM NaCl reduzierte Glycin-Betain die Glutamat- Konzentration um 16% und bei 800 mM NaCl um 29%. Besonders deutlich zeigte sich der Einfluß von Glycin-Betain bei der Akkumulation von NE-Acetyl-ß-Lysin. Bei 400 mM NaCl reduzierte Glycin-Betain die Konzentration an NE-Acetyl-ß-Lysin um 60% und bei 800 mM NaCl um 50%. Der Einfluß von Glycin-Betain konnte auf verschiedenen Ebenen in M. mazei beobachten werden. Es konnte gezeigt werden, dass die relative Transkriptimenge von ota unter Hochsalzbedingungen zunimmt. Glycin-Betain reduzierte die Transkription von ota bei verschiedenen Salzkonzentrationen. Die relative Transkriptmenge an mRNA von ota wurde mittels quantitativer real-time PCR (qRT-PCR) quantifiziert und war bis zu 52% reduziert in Zellen, die in Gegenwart von Glycin-Betain gewachsen waren. Die Transkriptmenge von otb war unter den gleichen Bedingungen nicht beeinflusst und zeigte generell keine Zunahme mit der Salinität des Mediums. Des Weiteren konnte ein Effekt von Glycin-Betain auf Ebene der Transportaktivität von Ota gezeigt werden. Hier zeigte sich, dass Zellen, die bei 400 mM NaCl in Gegenwart von Glycin-Betain gezogen waren, eine geringere Transportaktivität aufweisen, als Zellen, die bei 400 mM NaCl ohne Glycin-Betain gewachsen waren. Die Transportaktivität war um 90% geringer. Es muss jedoch berücksichtigt werden, dass es sich bei den Zellen, die ohne Glycin-Betain gewachsen waren, um eine Nettoaufnahme von Glycin-Betain handelte. Im Gegensatz dazu, ist davon auszugehen, dass Zellen, die in Gegenwart von Glycin-Betain gewachsen waren, eine Austaschreaktion zwischen bereits vorhandenem intrazellulärem und extrazellulär angebotenem Glycin-Betain vornehmen. [Die dem letzten Punkt zugrundeliegenden Daten wurden von Silke Schmidt im Rahmen einer Diplomarbeit erhoben, die von mir mitbetreut wurde. Aus Gründen der vollständigen Darstellung des Projektverlaufes werden diese Daten mitaufgeführt.] 4. Zur weiteren Klärung der Rolle und Funktion der beiden putativen Glycin-Betain- Transporter Ota und Otb war es Ziel, Mutantenstudien durchzuführen. Eine Vorraussetzung für die Generierung von Mutanten ist, dass der Organismus auf Agarplatten wächst und Einzelkolonien von einer einzelnen Zelle ausgehend bildet. Dies ist ein wichtiger Punkt bei Methanosarcina spp., die Zellpakete, sogenannte Sarcinen bilden. Deshalb wurde zunächst nach den optimalsten Plattierungsbedingungen gesucht, unter denen M. mazei keine Sarcinen bildet und die Plattierungseffizienz am höchsten war. Die Plattierungseffizienz betrug im Durchschnitt 54%. Für das Einbringen von DNA in die Zellen wurde eine Liposomen-vermittelte Transformation getestet. Ein ähnliches Vorgehen war bereits für Methanosarcina acetivorans beschrieben, konnte bislang aber noch nicht erfolgreich für M. mazei Gö1 und andere Stämme von M. mazei angwendet werden. Erste Schritte zur Anpassung des Transformations-Protokolles beinhalteten das Testen von DOTAP verschiedener Hersteller, sowie die Konzentration an eingesetzter DNA. Das jeweilige Zielgen/Zieloperon, welches deletiert werden sollte, wurde durch eine pac-Kassette ersetzt. Diese kodiert für eine Puromycin-Transacetylase und verleiht dem Organismus Puromycin- Resistenz. Die pac-Kassette wurde von umgebenden Bereichen des Ziellocus flankiert und integrierte mit Hilfe dieser flankierenden Bereiche über doppelt-homologe Rekombination in das Genom. 5. Mit dem oben beschriebenen Verfahren wurden ota::pac- und otb::pac-Mutanten erzeugt und über Southern-Blot Analyse verifiziert. Eine erste Charakterisierung der Mutanten mittels qRT-PCR zeigte, dass auf mRNA-Ebene keine Transkripte von ota in M. mazei ota::pac oder otb in M. mazei otb::pac nachweisbar waren. Zusätzlich konnte auf Proteinebene das Substratbindeprotein OtaC in M. mazei ota::pac und OtbC in M. mazei otb::pac nicht über einen Antikörper gegen das jeweilige Substratbindeprotein nachgewiesen, was die erfolgreiche Deletion bestätigte. Erste phänotypische Charakterisierungen zeigten, dass das Wachstum von M. mazei ota::pac und M. mazei otb::pac unter Hochsalzbedingungen nicht beeinträchtigt und vergleichbar mit dem des Wildtyps war. Auch bei kälteren Wachstumstemperaturen von 22°C wuchsen die Mutanten ohne Phänotyp. 6. Radioaktive Transportstudien mit M. mazei otb::pac zeigten, dass diese Mutante, die noch ein funktionelles Ota besitzt, [14C]Glycin-Betain aufnehmen kann. Es stellte sich heraus, dass diese Mutante eine höhere Transportrate für Glycin-Betain aufwies, als der Wildtyp. Die Aufnahmerate war um einen Faktor 2 höher als beim Wildtyp. Zusätzlich konnten qRT-PCR Analysen zeigen, dass die relative Transkriptmenge an ota in der otb::pac-Mutante um einen Faktor 2 höher war, als im Wildtyp. Umgekehrt konnte dieser Effekt nicht beobachtet werden, d.h. eine erhöhte Transkriptmenge an otb in M. mazei ota::pac. Auf Proteinebene konnte beobachtet werden, dass die intrazelluläre Konzentration an OtaC in der Mutatne leicht höher war als im Wildtyp. Jedoch stellte sich heraus, dass die intrazelluläre Glycin-Betain-Konzentration bei 400 mM NaCl in der Mutante nicht erhöht war verglichen mit Wildtyp, sondern die Konzentrationen gleich waren. Bei höheren Salzkonzentrationen (800 mM NaCl) zeigte sich jedoch ein anderes Bild: die intrazelluläre Glycin-Betain-Konzentration war in der Mutante um 60% erhöht. Dies könnte auf die erhöhte Transportaktivität von M. mazei otb::pac zurückzuführen sein. Die Konzentration anderer kompatibler Solute wie Glutamat und NE-Acetyl-ß-Lysin waren in diesen Zellen bis zu 48% reduziert. In vorherigen Studien konnte gezeigt werden, dass heterolog überproduziertes Ota von M. mazei in E. coli MKH13, eine E. coli-Mutante, die keine Glycin-Betain-Transporter mehr besitzt, die Aufnahme von Glycin-Betain wieder herstellen konnte [die Daten von ota in E. coli MKH13 wurden in der bereits oben erwähnten Diplomarbeit von Silke Schmidt erhoben]. Zur Klärung der Funktion von Otb wurde der gleiche Versuch mit otb in E. coli MKH13 durchgeführt. Jedoch konnte eine heterologe Produktion von Otb aus M. mazei die Aufnahme von Glycin-Betain in E. coli MKH13 nicht wieder herstellen. Hierbei wurde über Western-Blot Analyse sichergestellt, dass Otb tatsächlich in der Membran vorhanden war. Auch Transportstudien mit der Mutante M. mazei ota::pac zeigten, dass diese Mutante kein [14C]Glycin-Betain mehr aufnehmen konnte. Es konnte auch keine Akkumulation von Glycin-Betain mittels NMR in dieser Mutante gemessen werden. Des Weiteren zeigte sich, dass die intrazellulären Konzentrationen an Glutamat und Nε-Acetyl-ß-Lysin bei 400 mM und 800 mM NaCl in der Mutante unbeeinflusst von der Glycin-Betain-Konzentration im Medium waren. Weitere Transportstudien mit M. mazei ota::pac zur Aufnahme von [14C]Cholin zeigten, dass dieses Molekül weder vom Wildtyp, noch von der Mutante aufgenommen wurde. Dieses Ergebnis wurde durch Messung des Solutepools mittels NMR bestätigt. Somit kann ausgeschlossen werden, dass Otb unter den gemessenen Bedingungen weder ein Glycin- Betain-Transporter noch ein Cholin-Transporter in M. mazei ist. Diese Beobachtungen belegen eindeutig, dass Ota der einzige funktionelle Glycin-Betain-Transporter in M. mazei ist, während die Rolle von Otb bislang noch ungeklärt ist. 7. Nε-Acetyl-ß-Lysin, das dominante kompatible Solut in M. mazei bei 800 mM NaCl, wird durch die Enzyme AblA, einer Lysin-2,3-Aminomutase und AblB, einer ß-Lysin- Acetyltransferase synthetisiert. In dieser Arbeit wurde eine Δabl::pac-Mutante generiert, um die Fragen zu klären, ob die beiden Enzyme vom postulierten abl-Operon kodiert werden und wenn ja, welchen Phänotyp eine Nε-Acetyl-ß-Lysin-freier-Mutante bei Salzstress zeigt. NMR-Analysen zeigten, dass in der abl::pac-Mutante kein Nε-Acetyl-ß-Lysin mehr nachweisbar war. Dies belegt, dass die Gene ablA und ablB und deren Genprodukte für die Synthese von NE-Acetyl-ß-Lysin in M. mazei essentiell sind. Unter Hochsalzbedingungen ist das Wachstum von M. mazei abl::pac im Vergleich zum Wildtyp deutlich verlangsamt. Dieses Ergebnis war unerwartet, da eine abl::pac-Mutante von Methanococcus maripaludis unter Hochsalzbedingungen nicht mehr wachsen konnte. Unter Niedrigsalz und bei intermediären Salzkonzentration war das Wachstum von M. mazei abl::pac nicht eingeschränkt und verhielt sich wie der Wildtyp. In Gegenwart von Glycin-Betain akkumulierte die abl::pac-Mutante von M. mazei unter Hochsalzbedingungen 2,4 mal mehr Glycin-Betain als der Wildtyp, um das Defizit im Solutepool auszugleichen und Wachstum bei Hochsalz zu ermöglichen. Dadurch war sie in der Lage, wieder wie der Wildtyp zu wachsen. 8. Der Verlust von NE-Acetyl-ß-Lysin wurde unter Hochsalzbedingungen durch erhöhte Konzentrationen an Glutamat und einem neuen kompatiblen Solut kompensiert. NMRAnalysen zeigten, dass es sich hierbei um Alanin handelte. Bis jetzt wurde die Verwendung von Alanin als kompatibles Solut noch nie beschrieben. Um sicherzustellen, dass Alanin als kompatibles Solut in M. mazei abl::pac dient, wurde die Konzentration bei verschiedenen Salzkonzentrationen gemessen. Die Konzentration an Alanin nahm mit steigender Salzkonzentration zu. Bei 800 mM NaCl war die Konzentration 12 fach erhöht verglichen mit der Konzentration bei 400 mM NaCl. Außerdem redzierte Glycin-Betain die Alanin- Konzentration bei 800 mM NaCl um 58%. Transportexperimente zeigten, dass M. mazei kein Alanin aus dem Medium aufnehmen kann. 9. Erste Analysen möglicher Synthesewege für Alanin zeigten, dass die Alanin- Dehydrogenase nicht auf Transkriptebene unter Hochsalzbedingungen induziert war und somit keine Rolle in der Synthese von Alanin als kompatibles Solut spielen dürfte. Es könnten jedoch Aminotransferasen eine Rolle bei der Biosynthese von Alanin spielen. Des Weiteren sind die Enzyme, die für die Synthese von Glutamat als kompatibles Solut verantwortlich sind, unbekannt. Dies gilt für alle bis jetzt untersuchten Organismen, die Glutamat als kompatibles Solut nutzen. In dieser Arbeit wurde versucht, mit Hilfe der abl::pac-Mutante, die erhöhte Glutamat-Mengen zum Osmoschutz produziert, der Frage nachzugehen, welche Gene/Enzyme eine Rolle spielen könnten bei der Synthese von Glutamat als kompatibles Solut. Dazu wurden unter Hochsalzbedingungen die Transkriptmengen verschiedener Genen, die an der Glutamat-Synthese beteiligt sein könnten, in der Mutante und im Wildtyp untersucht. Hierbei zeigte sich, dass mehrere Gene verschiedener Enzyme unter Hochsalzbedingungen in der Mutante leicht induziert waren. Eines dieser Enzyme ist die Glutaminsynthetase. Dieses Enzym ist für die Umsetzung von Glutamat zu Glutamin unter Verbrauch von ATP verantwortlich. M. mazei besitzt zwei Gene, die für eine putative Gluaminsynthetase kodieren. In M. mazei abl::pac ist unter Hochsalzbedingungen das Gen glnA2 im Vergleich zum Wildtyp (4,03 ± 1,14) leicht induziert (7,63 ± 2,2). Des weiteren konnte in der Mutante eine leichte Induktion von gltB1, gltB2 und gltB3 unter Hochsalz beobachtet werden. Diese Gene kodieren für die einzelnen Domänen einer Glutamatsynthase. Diese ersten Analysen geben einen Hinweis darauf, dass die Synthese von Glutamat als kompatibles Solut über eine gekoppelte Reaktion der Glutaminsynthetase und der Glutamatsynthase verlaufen könnte.
Fungal organisms, including the most common human pathogens Candida spp., are commensal organisms that are widely present as part of the human flora. Fungal infections are, most frequently, local infections that do not compromise the life of patients. However, mycotic diseases can be life-threatening if they become systemic infections. Systemic fungal infections have risen over the last three decades in parallel to the increased immune-compromised population as a consequence of diseases (e.g. HIV/AIDS) or therapeutic interventions that affect the immune system (e.g. chemotherapy for cancer treatment and immunosuppressors used for patients with organ transplants). This has resulted in the demand of new antifungal drugs that can eradicate the new infections caused by these opportunistic fungal pathogens. However, most of the current compounds have poor pharmaceutical properties such as narrow spectrum of activity, susceptibility to be extruded by efflux pumps or lack of specificity, which make them not suitable for human clinical applications. The treatment of fungal and parasitic infections has been traditionally difficult because the infective organisms are eukaryotic cells that share most of the pathways and enzymes with human cells. To avoid side effects and to develop a targeted therapy, the research has traditionally been centered on the very few enzymes and pathways existing in the infectious organism but absent in humans. Until now, antifungal therapeutic options are limited and are almost dominated by azole class of sterol biosynthesis inhibitors affecting the synthesis of ergosterol, a major constituent of the fungal cell membrane. Because human cells do not have a cell wall, the development of effective and safe antifungal agents has also been directed to enzymes required for the synthesis of the cell wall. Alternatively, it is theoretically possible to target enzymes that are present in fungal organisms and in humans, when: 1) sufficient selectivity can be achieved, and 2) inhibition of the fungal enzyme is lethal to the fungus but does not produce major side effects to humans. In this line, it would be ideal to evaluate the development of selective inhibitors of enzymes which are already known to be drug targets, like protein kinases.
Abstract
Natural plant populations often harbour substantial heritable variation in DNA methylation. However, a thorough understanding of the genetic and environmental drivers of this epigenetic variation requires large-scale and high-resolution data, which currently exist only for a few model species. Here, we studied 207 lines of the annual weed Thlaspi arvense (field pennycress), collected across a large latitudinal gradient in Europe and propagated in a common environment. By screening for variation in DNA sequence and DNA methylation using whole-genome (bisulfite) sequencing, we found significant epigenetic population structure across Europe. Average levels of DNA methylation were strongly context-dependent, with highest DNA methylation in CG context, particularly in transposable elements and in intergenic regions. Residual DNA methylation variation within all contexts was associated with genetic variants, which often co-localized with annotated methylation machinery genes but also with new candidates. Variation in DNA methylation was also significantly associated with climate of origin, with methylation levels being higher in warmer regions and lower in more variable climates. Finally, we used variance decomposition to assess genetic versus environmental associations with differentially methylation regions (DMRs). We found that while genetic variation was generally the strongest predictor of DMRs, the strength of environmental associations increased from CG to CHG and CHH, with climate-of-origin as the strongest predictor in about one third of the CHH DMRs. In summary, our data show that natural epigenetic variation in Thlaspi arvense is significantly associated with both DNA sequence and environment of origin, and that the relative importance of the two factors strongly depends on the sequence context of DNA methylation. T. arvense is an emerging biofuel and winter cover crop; our results may hence be relevant for breeding efforts and agricultural practices in the context of rapidly changing environmental conditions.
Author Summary: Variation within species is an important level of biodiversity, and it is key for future adaptation. Besides variation in DNA sequence, plants also harbour heritable variation in DNA methylation, and we want to understand the evolutionary significance of this epigenetic variation, in particular how much of it is under genetic control, and how much is associated with the environment. We addressed these questions in a high-resolution molecular analysis of 207 lines of the common plant field pennycress (Thlaspi arvense), which we collected across Europe, propagated under standardized conditions, and sequenced for their genetic and epigenetic variation. We found large geographic variation in DNA methylation, associated with both DNA sequence and climate of origin. Genetic variation was generally the stronger predictor of DNA methylation variation, but the strength of environmental association varied between different sequence contexts. Climate-of-origin was the strongest predictor in about one third of the differentially methylated regions in the CHH context, which suggests that epigenetic variation may play a role in the short-term climate adaptation of pennycress. As pennycress is currently being domesticated as a new biofuel and winter cover crop, our results may be relevant also for agriculture, particularly in changing environments.
Abstract
Natural plant populations often harbour substantial heritable variation in DNA methylation. However, a thorough understanding of the genetic and environmental drivers of this epigenetic variation requires large-scale and high-resolution data, which currently exist only for a few model species. Here, we studied 207 lines of the annual weed Thlaspi arvense (field pennycress), collected across a large latitudinal gradient in Europe and propagated in a common environment. By screening for variation in DNA sequence and DNA methylation using whole-genome (bisulfite) sequencing, we found significant epigenetic population structure across Europe. Average levels of DNA methylation were strongly context-dependent, with highest DNA methylation in CG context, particularly in transposable elements and in intergenic regions. Residual DNA methylation variation within all contexts was associated with genetic variants, which often co-localized with annotated methylation machinery genes but also with new candidates. Variation in DNA methylation was also significantly associated with climate of origin, with methylation levels being lower in colder regions and in more variable climates. Finally, we used variance decomposition to assess genetic versus environmental associations with differentially methylated regions (DMRs). We found that while genetic variation was generally the strongest predictor of DMRs, the strength of environmental associations increased from CG to CHG and CHH, with climate-of-origin as the strongest predictor in about one third of the CHH DMRs. In summary, our data show that natural epigenetic variation in Thlaspi arvense is significantly associated with both DNA sequence and environment of origin, and that the relative importance of the two factors strongly depends on the sequence context of DNA methylation. T. arvense is an emerging biofuel and winter cover crop; our results may hence be relevant for breeding efforts and agricultural practices in the context of rapidly changing environmental conditions.
Author summary
Variation within species is an important level of biodiversity, and it is key for future adaptation. Besides variation in DNA sequence, plants also harbour heritable variation in DNA methylation, and we want to understand the evolutionary significance of this epigenetic variation, in particular how much of it is under genetic control, and how much is associated with the environment. We addressed these questions in a high-resolution molecular analysis of 207 lines of the common plant field pennycress (Thlaspi arvense), which we collected across Europe, propagated under standardized conditions, and sequenced for their genetic and epigenetic variation. We found large geographic variation in DNA methylation, associated with both DNA sequence and climate of origin. Genetic variation was generally the stronger predictor of DNA methylation variation, but the strength of environmental association varied between different sequence contexts. Climate-of-origin was the strongest predictor in about one third of the differentially methylated regions in the CHH context, which suggests that epigenetic variation may play a role in the short-term climate adaptation of pennycress. As pennycress is currently being domesticated as a new biofuel and winter cover crop, our results may be relevant also for agriculture, particularly in changing environments.
In order to form an organ, cells need to take up specialized functions and tasks. Cellular specialization is guided by an interplay of chemical signals and physical forces, where one influences the other. One aspect in cellular identity is its shape, which e.g. defines how susceptible the cell may be to intercellular signaling or in which section of the cell cycle it is and therefore can tell us about its current state. Shape changes are introduced by motor proteins that are controlled and activated in a locally confined manner. For my thesis, I was interested to understand better how cellular shape and geometry impacts downstream cell and organ development. What happens if a cell cant transition to a specific shape? How does it affect tissue structure? How does it affect further development?
One regulator of motor proteins like non-muscle myosin is Shroom3, which recently has been been shown to be expressed and involved in the development of the zebrafish lateral line organ (1 ). Development of the lateral line occurs through a migrating cluster of initially about 150 cells, the posterior lateral line primordium (pLLP), which migrates from the anterior (head) to the posterior (tail) while depositing cell clusters in a regular pattern. Literature on development of the lateral line suggests that in order for a cell cluster to be deposited from the pLLP, rosette formation is a key requirement. Therefore our expectation from the shroom3 mutant was that the number of clusters deposited was significantly reduced. To our surprise, when we first inspected the end of migration lateral line phenotype we found many individuals with a significant increase in cell clusters deposited.
This made us re-think the role of Shroom3 during rosette assembly and the processes its involved in.
To study the effects of Shroom3 on lateral line development, a mutant line was generated and crossed with various transgenic lines which express fluorescently labeled proteins that locate to organelles such as the plasmamembrane or the nucleus. Following, the mutant with its fluorescent labels was microscopically imaged under different conditions to quantify and analyze various cell-morphometric features. Even though the zebrafish is a popular model organism and its perfectly suited for developmental biology and advanced microscopy, there were no methods that would allow for a standardized and more automated pipeline of data acquisition and processing.
Therefore, in order to accurately quantify the morphogenic processes Shroom3 is involved in, I developed a new toolset that significantly improved and facilitated my research. The toolset consists of (1) a new sample mounting method that is based on a 3D agarose gel that increases the number of embryos that can be mounted and imaged at once and speeds up the imaging process significantly (2) for subseqent image analysis I developed four programs that automate the process and therefore make the results much more reproducible and the analysis much more efficient. The first program is used for end of migration analyses, to deduce the pattern, count and size of Lateral Line cell clusters. The second is used not for end of migration, but for migration analyses (on timelapse recordings). Besides this it also prepares the images for more advanced downstream migration analyses and allows to analyse fluorescence signal on a second channel. The third program is used to analyse the pLLP only at high spatial resolution and to deduce the cell count, 3D cell morphometrics (like the volume) and cell orientation. The fourth program finally is used downstream of the second and third program and is capable of detecting and comparing them with the look of wildtype rosettes.
Here I show that in absence of Shroom3 rosette formation in the migrating pLLP is destabilized leading to facilitated cell cluster deposition and I show how this might be related to traction forces due to a possible interdependence of pLLP acceleration and speed of migration. Furthermore I show that apical constriction and rosette formation is not blocked in Shroom3 deficient embryos, but that larger rosettes are fragmented into many smaller ones. Finally, I give an outlook on how the absense of Shroom3 and hence the absense of morphological changes may deregulate gene transcription by elevating the levels Atoh1a, a transcription factor necessary for hair cell development.
My results and methodology demonstrate the importance of morphology in guiding developmental processes and how rather small morphological changes on the cellular level can impact further development significantly. My work also shows how powerful modern genetics, imaging and image analysis are and how diverse they are in terms of range of questions they are capable of answering. The methods and tools I developed prepare the ground for at least three quarters of the analyses I carried out and together with the documentation and data I provide, they are highly reproducible. In that regard I am especially happy that one of my developments, an improved sample preparation method, is already used by many different labs all over the world helping them to make their results more reproducible.
Genetic and genomic tools have provided researchers with the opportunity to address fundamental questions regarding the reintroduction of species into their historical range with greater precision than ever before. Reintroduction has been employed as a conservation method to return locally extinct species to their native range for decades. However, it remains unknown how genetic factors may impact population establishment and persistence at the population and metapopulation level in the short- and long-term. Genetic methods are capable of producing datasets from many individuals, even when only low quality DNA can be collected. These methods offer an avenue to investigate unanswered questions in reintroduction biology, which is vital to provide evidence based management strategies for future projects. The Eurasian lynx (Lynx lynx) and European wildcat (Felis silvestris) are elusive carnivores native to Eurasia and have been the subject of multiple reintroduction attempts into their native range. During the 19th and 20th century, the Eurasian lynx was extirpated from West and Central Europe due to increasing habitat fragmentation and persecution. Similarly, the European wildcat was the subject of human persecution, residing in a few refugia in West and Central Europe. After legal protection in the 1950s, subsequent reintroduction projects of both species began in the 1970s and 1980s and continue to the present. Despite this large focus on species conservation, little attention has been given to the consequences these reintroductions have on the genetic composition of the reintroduced populations and if the populations have a chance of persisting in the long term. These species have not yet benefited from the large range of genetic and genomic techniques currently available to non-model organisms, leaving many fundamental aspects of their reintroduction poorly understood. In my dissertation, I investigate demography, population structure, genetic diversity and inbreeding at the population and metapopulation level in both species. In the introduction, which lays the foundation for the subsequent chapters of this PHD, I provide background on reintroduction, its role in conservation and the genetic consequences on populations, especially populations of apex and mesocarnivores. In Publication I, I investigated the reemergence of the European wildcat in a low mountain region in Germany using fine-scale spatial analysis. I found that the reintroduced population has persisted and merged with an expanding natural population. The reintroduced population showed no genetic differentiation from the natural population suggesting there is a good chance this population has retained sufficient genetic diversity despite reintroduction. In Publication II, I tracked population development and genetic diversity over 15 years in a reintroduced lynx population to determine the genetic ramifications on a temporal scale. I found slow genetic erosion after a period of outbreeding, which fits in line with other reintroduced taxa sharing similar demographic histories. I also found the number of genetic founders to be a fraction of the total released individuals, indicating that reintroduced populations of elusive carnivores may have fewer founder individuals than previously thought. In Publication III, I sampled all surviving lynx reintroductions in West and Central Europe as well as 11 natural populations to compare levels of genetic diversity and inbreeding across the species distribution. I found that all reintroduced populations have lower genetic variability and higher inbreeding than natural populations, which urgently requires further translocations to mitigate possible negative consequences. These translocations could stem from other reintroduced populations or from surrounding natural populations. The results contribute to a growing body of evidence indicating that inbreeding is likely to be more prevalent in wild populations than previously understood. Finally, in the discussion I explore how genetic methods can be applied to post-reintroduction monitoring of felid species to illuminate questions relating to genetic composition after release. The methods employed in these studies and in future work will be highly dependent on the research questions posed. Additionally, I investigate the drivers of the observed genetic patterns including founder size, source population, environmental factors, and population growth. I found that genetic diversity loss patterns across these two felid species are not clearly defined, however, management actions can be taken to mitigate the negative effects of reintroductions. These management actions include further translocation, introducing a sufficient number of released individuals and situating reintroductions adjacent to natural populations. All of these actions can minimize genetic drift and inbreeding, two factors which negatively impact small populations. This thesis further supports mounting evidence that genetic considerations should be assessed before releasing individuals, which allows for incorporation of scientific evidence into the planning process thereby increasing the overall success of reintroduction projects. Ultimately, the resources developed during this dissertation provide a solid baseline and foundation for future work regarding the consequences of reintroductions. This is especially important as an increasing number of species are at risk of extinction and reintroductions of both the European wildcat and Eurasian lynx, as well as many others, are planned in the coming years.
The existence of all living organisms depends on their multidimensional adjustment to the conditions of the environment in which they live. Organisms must constantly deal with not only abiotic stress factors (such as water availability or extreme temperatures), but also with various biotic interactions (the competition between different organisms, both intraspecific and interspecies). When there is a consensus between an organism and the environment it means that this organism is well adjusted and increases its probability of survival.
Symbiotic organisms possess the ability to establish an intimate interaction with another species (symbiont) that provides benefits for survival. Organisms that are involved in obligate symbiosis may adapt to a new environment by switching to another symbiotic partner that is locally better adapted; or by reshuffling symbiont communities present in the holobiont. This ability potentially gives them the opportunity to flexibly react to changing environmental conditions.
In this thesis I studied the genetic diversity and geographic distribution of symbiont lineages in a lichen symbiosis to better understand environmental adaptation in symbiotic systems. Lichens are symbiotic associations of photobionts (one or several green-algal species or cyanobacteria), filamentous mycobionts (lichen-forming fungi) and co-inhabiting symbiotic microorganisms (lichen-associated bacteria, endolichenic fungi, and basidiomycete yeast). The coccoid green algae of the genus Trebouxia are the most common and the most studied lichen photobionts. However, the lack of formal Trebouxia taxonomy impedes our understanding of this photobiont diversity.
Different species of mycobionts may share the same photobionts and a single species of mycobiont may associate with multiple, genetically different photobionts. Interactions among symbionts are not random and are constrained by evolutionary and environmental processes. The ability to associate with specific symbiotic partner is considered as a lichen strategy to facilitate adaptation to the constantly changing environments.
The objectives of this thesis were to 1. Elucidate the intraspecific diversity of fungal and algal symbionts in the lichen Umbilicaria pustulata, given a range-wide (Europe-wide) sampling; 2. Evaluate species delimitation in trebouxioid photobionts based on molecular data, and 3. Quantify the climatic niches of photobiont lineages within U. pustulata, to establish whether the association with particular photobionts may modify the range and ecological niche of this lichen.
The main findings of this thesis are:
1. The genetic diversity within trebouxoid photobiont of U. pustulata is higher than within the mycobiont. The most variable photobiont loci are nrITS rDNA, psbJ-L, and COX2. RbcL is the least variable photobiont locus. The most variable mycobiont loci are MCM7 and TSR1. This study shows a lack of genetic variability in the mycobiont loci EF1, nrITS rDNA, RPB1, and RPB2.
2. U. pustulata shows a low level of selectivity and is associated with numerous (most likely six) putative algal species. All photobiont haplotypes found in U. pustulata are shared between other lichen-forming fungi species, showing different patterns of species-to-species and species-to-community interactions.
3. The geographic distribution of U. pustulata symbionts associations is strongly connected to changes in the climatic niches. The mycobiont-photobiont interactions change along latitudinal temperature gradients (cold-adapted hotspot) and in Mediterranean climate zones (warm-adapted hotspot). U. pustulata broadens its distribution range by switching between photobionts that posses specific environmental preferences.
Overall, this thesis contributes to the understanding of the symbiont diversity, fungal-algal association patterns and local adaptation linked to symbiont-mediated niche expansion in lichens. While identifying intraspecific diversity of both lichen symbionts is a key predisposition to understand symbiont interactions, population dynamics or co-evolution, my comparative study of the sequence-based molecular markers is relevant to reveal cryptic diversity in other lichen-forming fungi and their photobionts.
The determination of species boundaries in lichen symbionts is essential for the study of selectivity and specificity, co-distribution, and co-evolution. Whereas the phylogenetic relationships of Trebouxiophyceae are poorly understood, the application of a novel multifaceted approach based on phylogenetic relationships, coalescence methods and morphological traits presented in this thesis is a promising tool to address species boundaries within this heterogeneous genus.
This thesis provides evidence for symbiont-mediated niche expansion in lichens and highlights the preferential photobiont association from a niche-modeling perspective. My results shed light on symbiont polymorphism and partner switching as potential mechanisms of environmental adaptation in the lichen symbiosis. The spatial genetic pattern found in U. pustulata symbionts supports the concept of ecological fitting and is consistent with patterns found in other lichen studies. Results presented here relate also to findings in different symbiotic systems, like reef-building corals, where different latitudinal patterns and symbiont switching has been reported as an adaptive response to severe bleaching events. Furthermore, this study is timely in light of global warming, because the identification of interaction hotspots among symbionts helps to understand how lichens or other symbiotic organisms adjust to the ongoing climate change. This knowledge will, in turn, facilitate the proper conservation of the most vulnerable lichen populations. My doctoral thesis provides a conceptual framework for analyzing symbiont diversity, interaction patterns, and symbiont-mediated niche expansion that could be applied to other types of lichen species as well as other organisms involved in facultative or obligate symbiosis.
Lichens are present in most land ecosystems, frequently occupying habitats where few other organisms are able to survive. Their contribution to the ecosystems in terms of biomass and ground cover increases with latitude and altitude, being, together with bryophytes, the most conspicuous component of alpine and polar landscapes. Whereas some polar lichens have reduced distributions and are restricted to high latitudes, most of them have very wide distributional ranges, which oven extend over several climatic regions. Many of them are common to Polar Regions of both hemispheres, a distributional pattern that has been denominated as bipolar, antitropical or amphitropical. Bipolar distributions are not exclusive to lichens, but common to many groups of organisms. The bipolar element in lichens is exceptional as it includes a large number of species, while in most other land organisms it includes genera or families but very seldom species.
In this dissertation I use the bipolar lichen Cetraria aculeata to give a first insight into the phylogeography of this biogeographic element in lichens. I discuss how and when the disjunct distribution of C. aculeata came to be, and try to partial out the roles that historical and ecological processes played in shaping its distribution.
Sampling was designed to cover a wide geographic extension. The main e"ort was made to collect in boreal, temperate and tropical mountain ranges in North and South America, as well to include Mediterranean populations in which specimens with deviant morphologies are observed.
I found that Cetraria aculeata forms a genetically congruent taxon. Although whether it should include C. muricata remains unsolved, I excluded all specimens identified as the latter from our analyses. Thee populations of both algal and fungal symbionts have a strong geographic structure. The study of the lichen fungus suggested that the species originated in the Eurasian continent and later expanded to acquire its current distribution during the Pleistocene. The results showed that all American populations originated from an ancestral population, more similar to the extant Arctic populations than to the Mediterranean ones.
The comparison between the structure of fungal and algal populations showed a high degree of coherence between them. However, the similarity in photobiont use between Arctic and Antarctic populations suggests that photobiont use responds not only to a history of codispersal in vegetative propagula, but it is also a result of a selective process related to climate. Since this climatic pattern of similarity is also found in the community of Alphaproteobacteria associated with C. aculeata, we concluded that lichens might be able to accommodate or to respond to different environmental conditions by selectively associating with different symbiotic partners.
Lastly, we found the Mediterranean populations of C. aculeata to be genetically differentiated in algal and fungal symbionts from the rest of the populations. While we found no grounds to believe that the overgrown morphs encountered in the region are due to the association with different algal lineages, I believe that a switch in photobiont use might be responsible for the pattern of genetic isolation encountered. Furthermore, I suggest that the Mediterranean and bipolar C. aculeata could be two different species, since both are ecologically, genetically and at least in part morphologically divergent.
Earliella scabrosa is a pantropical species of Polyporales (Basidiomycota) and well-studied concerning its morphology and taxonomy. However, its pantropical intraspecific genetic diversity and population differentiation is unknown. We initiated this study to better understand the genetic variation within E. scabrosa and to test if cryptic species are present. Sequences of three DNA regions, the nuclear ribosomal internal transcribed spacer (ITS), the large subunit ribosomal DNA (LSU), and the translation elongation factor (EF1α) were analysed for 66 samples from 15 geographical locations. We found a high level of genetic diversity (haplotype diversity, Hd = 0.88) and low nucleotide diversity (π = 0.006) across the known geographical range of E. scabrosa based on ITS sequences. The analysis of molecular variance (AMOVA) indicates that the genetic variability is mainly found among geographical populations. The results of Mantel tests confirmed that the genetic distance among populations of E. scabrosa is positively correlated with the geographical distance, which indicates that geographical isolation is an important factor for the observed genetic differentiation. Based on phylogenetic analyses of combined dataset ITS-LSU-EF1α, the low intraspecific divergences (0–0.3%), and the Automated Barcode Gap Discovery (ABGD) analysis, E. scabrosa can be considered as a single species with five different geographical populations. Each population might be in the process of allopatric divergence and in the long-term they may evolve and become distinct species.
Genetic engineering of baker’s and wine yeasts using formaldehyde hyperresistance-mediating plasmids
(1997)
Yeast multi-copy vectors carrying the for maldehyde-resistance marker gene SFA have proved to be a valuable tool for research on industrially used strains of Saccharomyces cerevisiae. The genetics of these strains is often poorly understood, and for various reasons it is not possible to simply subject these strains to protocols of genetic engineering that have been established for laboratory strains of S. cerevisiae. We tested our vectors and protocols using 10 randomly picked baker’s and wine yeasts all of which could be transformed by a simple protocol with vectors conferring hyperresistance to formaldehyde. The application of formaldehyde as a selecting agent also offers the advantage of its biodegradation to CO2 during fermentation, i.e., the selecting agent will be consumed and therefore its removal during down-stream processing is not necessary. Thus, this vector provides an expression system which is simple to apply and inexpensive to use. Key words: · Yeast · Transformation · Hyperresistance to formaldehyde
Genetic engineering of Saccharomyces cerevisiae for improved cytosolic isobutanol biosynthesis
(2021)
The finite nature of fossil resources and the environmental problems caused by their excessive usage requires alternative approaches. The transformation from a fossil based economy to one based on renewable biomass is called a “bioeconomy”. To substitute fossil resources, various microorganisms have already been modified for the biosynthesis of valuable chemicals from biomass. However, the development of such efficient microorganisms at an industrial scale, remains a major challenge. The most prominent and robust microorganism for industrial production is the yeast Saccharomyces cerevisiae, which is known to produce ethanol that is used as renewable biofuel. However, S. cerevisiae is also naturally able to produce isobutanol in small amounts. Isobutanol is favoured as a biofuel compared to ethanol due to its higher octane number and lower hygroscopicity, which makes it more suitable for application in conventional combustion engines. In S. cerevisiae, the biosynthesis of isobutanol is permitted by the combination of mitochondrial valine synthesis (catalysed by Ilv2, Ilv5 and Ilv3) and its cytosolic degradation (catalysed by Aro10 and Adh2). The different compartmentalisation of the two pathways limit isobutanol biosynthesis. Thus, Brat et al. (2012) were able to increase the isobutanol yield up to 15 mg/gGlc by cytosolic re localisation of the enzymes Ilv2Δ54, Ilv5Δ48 and Ilv3Δ19 (cyt-ILV), with simultaneous deletion of ilv2. This corresponds to approximately 3.7% of the theoretical yield of 410 mg/gGlc, implying existing limitations in isobutanol biosynthesis, which have been investigated in this work.
For yet unknown reasons, isobutanol was only produced by S. cerevisiae in a valine free medium, according to Brat et al. (2012). This work shows that this can be attributed to the catalytic activity of Ilv2Δ54, which acted as growth inhibitor to S. cerevisiae. By this logic, a negative selection on the ILV2∆54 gene was exerted, which made the ilv2 deletion and simultaneous valine exclusion necessary to maintain the functional expression of toxic ILV2∆54. Furthermore, it was shown that valine exclusion is not mandatory due to the feedback regulation of Ilv2, permitted by Ilv6. Rather, increased isobutanol yield was observed when cytosolic Ilv6∆61 was expressed in the valine free medium, which is explained by the enhanced regulation of Ilv2Δ54 by Ilv6∆61 when BCAA are absent. Isobutanol biosynthesis is neither redox nor NAD(P)H co factor balanced. It was seen that co factor imbalance could be mitigated by the expression of an NADH oxidase (NOX), but not by expression of the NADH dependent ilvC6E6, since the latter showed low in vivo activity. Furthermore, it was seen that NAD(H) imbalance did already limit isobutanol biosynthesis, but the NADP(H) imbalance did not. Another limitation of cytosolic isobutanol biosynthesis is the secretion of the intermediate 2‑dihydroxyisovalerate, which then no longer is taken up by S. cerevisiae, causing a reduced isobutanol yield. This is attributed to insufficient Ilv3∆19 activity, due to poor iron sulphur cluster apo protein maturation. Therefore, it was aimed to replace Ilv3∆19 by heterologous dihydroxyacid dehydratases. Even though some of the enzymes were functionally expressed, none showed better in vivo activity than Ilv3∆19. Therefore, the Ilv3∆19 apo protein maturation was improved. This was achieved by the genomic deletion of fra2 or pim1 as well as by the cytosolic expression of Grx5∆29.
In addition to the isobutanol pathway, S. cerevisiae was optimised for isobutanol biosynthesis by rational and evolutionary engineering. For this purpose, the genes which are necessary for isobutanol production were integrated into the ilv2 locus, and the resulting strain was evolved in a medium containing the toxic amino acid analogue norvaline. Evolved single colonies were isolated, which presented improved growth and increased isobutanol yields (0.59 mg/gGlc) in a valine free medium, as compared to the initial strain. This is explained by a gene dosage effect which occurred during the evolutionary engineering experiment. In collaboration with Dr. Wess, the genes ilv2, bdh1/2, leu4/9, ecm31, ilv1, adh1, gpd1/2 and ald6 were cumulatively deleted in CEN.PK113 7D to block competing metabolic pathways. The resulting strain JWY23 achieved isobutanol yields up to 67.3 mg/gGlc, when expressing the cyt ILV enzymes from a multi copy vector. The most promising approaches of this work, namely the deletion of fra2 and the expression of Grx5∆29, Ilv6∆61, and NOX, were confirmed in this JWY23 strain. The highest isobutanol yield from this work was observed at 72 mg/gGlc for Ilv6∆61 and cyt ILV enzymes expressing JWY23, which corresponds to 17.6% of the theoretical isobutanol yield.
Isobutyric acid (IBA) is a by product of isobutanol biosynthesis, but it is also considered a valuable platform chemical. Therefore, the approaches that improved isobutanol biosynthesis were applied to the biosynthesis of IBA in S. cerevisiae. The highest IBA yield of 9.8 mg/gGlc was observed in a valine free medium by expression of cyt ILV enzymes, NOX and Ald6 in JWY04 (CEN.PK113 7D Δilv2; Δbdh1; Δbdh2; Δleu4; Δleu9; Δecm31; Δilv1). This corresponded to an 8.9 fold increase compared with the control and is, to our best knowledge, the highest IBA yield reported to date for S. cerevisiae.
The baker’s yeast Saccharomyces cerevisiae is a valuable and increasingly important microorganism for industrial applications (Hong and Nielsen, 2012). Its robustness concerning process conditions like low pH, osmotic and mechanical stress as well as toxic compounds is an advantage. Moreover, S. cerevisiae is ‘generally regarded as safe’ (GRAS). The model organism has been studied intensively. The collected data, including genomic, proteomic and metabolic information, can be used to genetically modify and improve its metabolism. Fatty acids and fatty acid derivatives have wide applications as biofuels, biomaterials, and other biochemicals. Several studies have been dealing with the overproduction of fatty acids and derivatives thereof in S. cerevisiae. The fatty acid biosynthesis starting with acetyl-CoA requires two enzymes, the acetyl-CoA carboxylase (Acc1p) and the fatty acid synthase complex (FAS), to produce acyl-CoA esters with predominantly 16 to 18 carbon atoms chain length (Lynen et al., 1980). For the synthesis of monounsaturated fatty acids in S. cerevisiae the ER bound acyl-CoA desaturase, Ole1p is essential (Tamura et al., 1976; Certik and Shimizu, 1999).
Using S. cerevisiae, the first section of this work dealt with the heterologous characterization of potential ω1-desaturases. Due to the fact that unsaturated fatty compounds can be modified further by hydrosilylations, hydrovinylations, oxidations to epoxides, acids, aldehydes, ketones or metathesis reactions, the interest in ω1-fatty acids is tremendous (Behr and Gomes, 2010). With the intention to find enzymes in fungi, that have a terminal desaturase activity a search in different genome databases was performed. The sequences of Pex-Desat3 and Obr-TerDes were used as reference sequences. The analysed proteins from Schizophyllum commune (EFI94599.1), Schizosaccharomyces octosporus (EPX72095.1), Wallemia mellicola (EIM20316.1), Wallemia ichthyophaga (EOR00207.1) and Agaricus bisporus var. bisporus (EKV44635.1), however, finally turned out to be Δ9 desaturases. A fungal desaturase with ω1-activity could not be found. The Δ9 desaturase SCD1 from Mus musculus was crystallized by Bai et al. (2015) and the information for specific amino acids responsible for the substrate specificity or enzyme activity were allocated. In combination with sequence and enzyme activity data form ChDes1 from Calanus hyperboreus, Desat2 from Drosophila melanogaster, Pex-Desat3 from Planotortrix excessana and Obr-TerDes from Operophtera brumata single amino acid exchanges were performed in the Δ9 desaturase Ole1p from S. cerevisiae. For all mutants, only fatty acids (C16 - C18) with a double bond between carbon C9 and C10 could be found. This indicates, that all inserted amino acid exchanges do not affect the substrate specificity or the position of the introduced double bond.
In the second section the focus was in the development of a production system for fatty acids in S. cerevisiae with regard to the previously established procedures by metabolic engineering. The combination of cytosolic malate dehydrogenase (MDH3), cytosolic malate enzyme (MAE1) and a citrate- α-ketoglutarate- carrier (YHM2) should improve the availability of acetyl-CoA in the cytosol, which is an important precursor for the fatty acid biosynthesis. If the major pathway (acetyl-CoA carboxylase and fatty acid synthase) was already optimized by high expression levels than no positive effect on increased fatty acid synthesis was detectable. Only non-optimized strains, with the additional overexpression of ATP-citrate lyase and cytosolic malate dehydrogenase, lead to a 41 % (20 mg/g dcw) improvement of fatty acid synthesis. In order to increase the fatty acid content further, the additional overexpression of DGA1 and TGL3 was performed. Hence, the highest amount of fatty acids could be observed with the strain S. cerevisiae WRY1ΔFAA1ΔFAA4 (2.5 g/L ± 0.8 g/L). The additional elimination of acyl-CoA synthetase Fat1p did not improve the yield.
It was recently reported, that chain length control of the fatty acid synthesis of bacterial FAS can be changed by rational engineering (Gajewski et al., 2017a). The knowledge about bacterial FAS was transferred in this work to S. cerevisiae FAS. Mutating up to five amino acids in the FAS complex enabled S. cerevisiae to produce medium chain fatty acids (C6 - C12). Further improvement was done by metabolic pathway engineering (promoter of alcohol dehydrogenase II from S. cerevisiae (pADH2), deletion of acyl-CoA synthetase FAA2) and optimization of fermentation conditions (YEPD-bacto medium buffered with potassium phosphate). The production of medium chain fatty acids resulted in the highest yield of 464 mg/L (C6 to C12 fatty acids). Furthermore, strains were created specifically overproducing hexanoic acid (158 mg/L) and octanoic acid (301 mg/L). The characterization of transferases, which could be responsible for the de-esterification of CoA-bound fatty acids, was analysed in an additional approach. It could be shown, that the genes EHT1, EEB1 and MGL2 have an influence on the MCFA yield in the supernatant. Generally speaking, the data from the single and double deletion strains suggest that Eeb1p has a selective hydrolytic activity for hexanoic acid-CoA ester, while Eht1p shows selective hydrolytic activity for octanoic acid-CoA ester, which is in line with Saerens et al. (2006).
Genetic signatures of adaptation revealed from transcriptome sequencing of Arctic and red foxes
(2015)
Background: The genus Vulpes (true foxes) comprises numerous species that inhabit a wide range of habitats and climatic conditions, including one species, the Arctic fox (Vulpes lagopus) which is adapted to the arctic region. A close relative to the Arctic fox, the red fox (Vulpes vulpes), occurs in subarctic to subtropical habitats. To study the genetic basis of their adaptations to different environments, transcriptome sequences from two Arctic foxes and one red fox individual were generated and analyzed for signatures of positive selection. In addition, the data allowed for a phylogenetic analysis and divergence time estimate between the two fox species.
Results: The de novo assembly of reads resulted in more than 160,000 contigs/transcripts per individual. Approximately 17,000 homologous genes were identified using human and the non-redundant databases. Positive selection analyses revealed several genes involved in various metabolic and molecular processes such as energy metabolism, cardiac gene regulation, apoptosis and blood coagulation to be under positive selection in foxes. Branch site tests identified four genes to be under positive selection in the Arctic fox transcriptome, two of which are fat metabolism genes. In the red fox transcriptome eight genes are under positive selection, including molecular process genes, notably genes involved in ATP metabolism. Analysis of the three transcriptomes and five Sanger re-sequenced genes in additional individuals identified a lower genetic variability within Arctic foxes compared to red foxes, which is consistent with distribution range differences and demographic responses to past climatic fluctuations. A phylogenomic analysis estimated that the Arctic and red fox lineages diverged about three million years ago.
Conclusions: Transcriptome data are an economic way to generate genomic resources for evolutionary studies. Despite not representing an entire genome, this transcriptome analysis identified numerous genes that are relevant to arctic adaptation in foxes. Similar to polar bears, fat metabolism seems to play a central role in adaptation of Arctic foxes to the cold climate, as has been identified in the polar bear, another arctic specialist.
Thermoanaerobacter kivui ist ein thermophiles acetogenes Bakterium, das chemolithoautotroph auf CO2 unter Verwendung von molekularem H2 als Elektronendonor wächst und Acetat als Produkt über den Wood-Ljungdahl-Weg (WLP) bildet. Im WLP werden 2 Mol CO2 reduziert, um ein Mol Acetyl-CoA zu bilden. Erste Studien wurden durchgeführt, um die Physiologie von T. kivui zu verstehen. T. kivui wächst autotroph auf H2 + CO2 und nach Adaptation auch auf CO oder Syngas. T. kivui wächst ebenfalls auch in Minimalmedium ohne weitere Zugabe von Vitaminen, was es zu einem Biokatalysator mit hohem Potenzial für die Produktion von Chemikalien mit hohem Mehrwert macht. Heterotroph wächst T. kivui auf Glucose, Fructose, Mannose, Pyruvat oder Formiat. Kürzlich wurde beschrieben, dass T. kivui in der Lage ist, auf dem Zuckeralkohol Mannitol in Gegenwart und Abwesenheit von HCO3- (oder externem CO2) zu wachsen. Allerdings war das Wachstum in Abwesenheit von externem CO2 deutlich verlangsamt. Daher wurde in dieser Studie getestet, ob eine Zugabe von externem Formiat das "fehlende" CO2 kompensieren kann. In Kombination mit Formiat wurde das Wachstum auf Mannitol in CO2 und HCO3- freien definierten Medien bis zu einer maximalen OD600 von 2,34 und mit einer Verdopplungszeit von 2,0 ± 0,0 stimuliert, was dem Wachstumsverhalten auf Mannitol in Anwesenheit von CO2/HCO3- entsprach. In Abwesenheit von Formiat (oder CO2) erreichte T. kivui nur eine endgültige optische Dichte von bis zu 0,7 mit einer verlängerten Verdoppelungszeit von 5,2 ± 0,2 Stunden. Dieses Experiment zeigte die höhe metabolische Flexibilität von T. kivui durch die Nutzung von Formiat als Elektronenakzeptor, wenn kein oder nur wenig CO2 vorhanden ist.
Genomanalysen ergaben, dass T. kivui ein Trehalose- und Maltose-Transportsystem-Permeaseprotein (MalF) besitzt. Darüber hinaus verfügt T. kivui über Trehalose- und Maltosehydrolase-Gene, die als Kojibiose-Phosphorylase annotiert sind. Obwohl in der Originalveröffentlichung beschrieben wurde, dass der Organismus nicht auf Maltose oder Trehalose wachsen kann, konnte T. kivui im Laufe dieser Arbeit an das Wachstum auf Maltose und Trehalose adaptiert werden. Nach dem Transfer von einer Glukose-Vorkultur auf ein Medium mit 25 mM Maltose oder 25 mM Trehalose als alleinige C-Quelle wurde kein Wachstum erzielt. Bei Verwendung der gleichen Vorkultur in einem Medium mit höherer Konzentration (50 mM) Maltose oder Trehalose, begannen die Zellen zu wachsen. Bei Verwendung dieser adaptierten kulturen als Vorkultur wuchsen die Zellen in Gegenwart von in 25 mM Maltose oder Trehalose bis zu einer maximalen OD600 von 1,12 bzw. 0,73. Die Adaptation hing mit der Tatsache zusammen, dass der Organismus eine höhere Konzentration benötigt, um sich an diese Kohlenstoffquellen zu gewöhnen. Durch diese Daten wird das heterotrophe Potenzial von T. kivui erhöht.
Um die Bedeutung der wasserstoffabhängigen Kohlendioxidreduktase (HDCR) während des Wachstums auf Formiat oder auf H2 + CO2 im Stoffwechsel von T. kivui zu verstehen, wurden Studien auf molekularer Ebene durchgeführt. Die HDCR nutzt H2 direkt für die Reduktion von CO2 zu Formiat im ersten Schritt des Wood-Ljungdahl-Wegs (WLP). Um die Rolle der HDCR in dieser Reaktion zu untersuchen, wurde das hdcr-Gencluster mit Hilfe des kürzlich entwickelten Mutagenesytems für T. kivui deletiert. In Wachstumstudien konnte anschliessend gezeigt werden, dass die ߡhdcr-Deletionsmutante nicht mehr auf Formiat oder H2 + CO2 als alleiniger Kohlenstoffquelle wachsen konnte. Nach Komplementation der Mutante mit dem hdcr-Gene in cis wuchsen die Kulture wieder auf Formiat oder H2 + CO2. Diese Experimente zeigten, dass die HDCR für das Wachstum auf H2 + CO2 oder Formiat essentiell ist. Interessanterweise konnte in der ߡhdcr-Mutante ebenfalls ein verändertes Wachstum auf Glukose als alleiniger C-Quelle festgestellt werden. Die T. kivui ߡhdcr-Mutante wuchs nur bis zu einer OD600 von 0,2, während der Wildtyp und der hdcr-komplementierte Stamm bis zu einer OD600 von 2,64 bzw. 2,4 wuchsen. Damit wurde bewiesen, dass die HDCR auch für die vollständige Glukoseoxidation in T. kivui erforderlich ist. Durch die Zugabe von Formiat wurde das Wachstum vollständig wiederhergestellt, ähnlich wie beim Wildtyp. Dies belegt wieder die Nutzung Formiat als terminalen Elektronenakzeptor. Auch auf Mannitol oder Pyruvat konnte die Mutanten nur in Gegenwart von Formiat wachsen. Der Substratverbrauch und die Produktbildung der T. kivui ߡhdcr-Mutante wurden in einem Zellsuspensionsexperiment untersucht. Die Zellen verbrauchten Formiat nur in Gegenwart von Glukose und produzierten Acetat mit einem Acetat/Substrat-Verhältnis von etwas mehr als 3,0, während die Acetatproduktion nur 12 mM betrug, wenn Glukose als alleiniges Substrat verwendet wurde. Diese Ergebnisse zeigen eine enge Kopplung der Oxidation von Multikohlenstoffsubstraten an den WLP.
T. kivui ist eines der wenigen Acetogenen, die CO als einzige Kohlenstoff- und Energiequelle nutzen können. ...
Stechmücken (Dipteren: Culicidae) sind weltweit mit über 3500 Arten und mit Ausnahme der arktischen Regionen ubiquitär vertreten. Die medizinische Relevanz dieser Tiergruppe, begründet durch die hämatophage Lebensweise der Weibchen, erschloss sich bereits Ende des 19. Jh. und hat bis heute Bestand. Jedes Jahr sterben rund 600.000 Menschen an den Folgen der Malaria und fast 100 Mio. Menschen infizieren sich mit dem Denguefieber. Zwar beziehen sich diese Zahlen fast ausschließlich auf die Entwicklungsländer, aber im Zuge des Klimawandels und des immer stärkeren Welthandels kommt es auch in Europa und den USA immer wieder zu Ausbrüchen vorher nicht relevanter Krankheiten. So hat sich das West-Nil- Virus seit 1999 in Nordamerika rasant verbreitet. Im Jahr 2013 gab es dort rund 2500 Fälle, von denen 119 zum Tod führten. In Europa traten hingegen Krankheiten wie das Chikungunyafieber (Italien 2007) oder das Denguefieber (Frankreich 2010/2013) auf. Die Gründe für diese Ausbrüche sind vor allem in der Einschleppung neuer Vektorspezies und Krankheitserreger sowie in den veränderten Wirtspräferenzen einheimischer Stechmückenarten zu suchen. Das Wissen um das Vektorpotential der in Deutschland heimischen Stechmücken konnte vor allem durch die seit 2009 initiierten Monitoring-Programme stetig erweitert werden. Auch die Veränderung der heimischen Fauna durch invasive Arten wie Ochlerotatus japonicus japonicus oder Aedes albopictus wird intensiv erforscht. Dennoch ist hinsichtlich der Biologie, Ökologie sowie Genetik vieler Arten noch immer wenig bekannt.
Die vorliegende Dissertation, welche auf Basis von vier (ISI-) Einzelpublikationen kumulativ angefertigt wurde, beschäftigte sich mit der Analyse der genetischen Variabilität sowie der Zoogeographie der untersuchten Arten und der Etablierung einer schnellen und kostengünstigen Methode zur Artdiagnostik. Besonderes Augenmerk wurde bei den Analysen auf die beiden heimischen Arten Culex pipiens und Culex torrentium sowie die invasive Art Ochlerotatus japonicus japonicus gelegt. Ziel war es, die noch bestehenden Wissenslücken zu füllen, um zukünftige Monitoring-Programme besser koordinieren sowie Analysen zur Vektorkompetenz und Genetik dieser Arten gezielter durchführen zu können.
Es konnte gezeigt werden, dass Cx. pipiens und Cx. torrentium deutliche Unterschiede in ihren Populationsstrukturen aufwiesen welche auf verschiedene evolutive Prozesse hindeuten. Die geringere genetische Variabilität in Cx. pipiens lässt auf positive Selektion durch z.B. Insektizidresistenz im Zuge durchgeführter Bekämpfungsmaßnahmen oder die Infektion mit Wolbachien schließen. Die analysierte Populationsstruktur von Cx. torrentium spricht hingegen für eine geringe Ausbreitung, wodurch der genetische Austausch reduziert wurde und so die untersuchten Populationen genetisch stärker voneinander abwichen. Des Weiteren ließen die Analysen des Cytochrom c Oxidase Untereinheit 1-Fragmentes (cox1) Rückschlüsse auf die Zoogeographie dieser Arten in Deutschland zu - wobei beide Arten über das Untersuchungsgebiet verteilt waren, Cx. torrentium jedoch in den neuen Bundesländern weniger häufig nachgewiesen wurde als in den alten und eine geringere gefangene Individuenzahl aufwies. Basierend auf der ökologischen Nischenmodellierung konnten potentiell neue Verbreitungsgebiete für die Art Ochlerotatus japonicus japonicus identifiziert werden. Als klimatisch besonders günstig zeigten sich dabei Südhessen, das Saarland sowie nördliche Teile Nordrhein-Westfalens. Mit Hilfe der etablierten Methode der direct-PCR wird in Zukunft eine schnellere und kostengünstigere Identifizierung von Stechmücken erfolgen können, welche aufgrund bestimmungsrelevanter Merkmale nicht mehr morphologisch zu identifizieren sind.
Um das Wissen über die Stechmücken in Deutschland fortlaufend zu intensivieren, ist sowohl das Weiterführen der Monitoring-Programme als auch die molekularbiologische Aufarbeitung der Proben nötig. Durch die Anwendung neuer Techniken und weiterer molekularer Marker wird es möglich sein, weitere Krankheitserreger sowie genetische Besonderheiten der heimischen Stechmückenfauna nachzuweisen. Aber auch die Überwachung invasiver Stechmückenarten durch die Modellierung potentieller Verbreitungsgebiete und die Anwendung molekularbiologischer Analysemethoden zum Detektieren der Arten und möglicher Krankheitserreger wird ein wichtiger Bestandteil der weiteren Forschung sein.