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Get3 in Arabidopsis
(2021)
Der guided entry of tail-anchored proteins (GET) Biogenese-Weg vermittelt den Transport und die Insertion von tail-anchor (TA) Proteinen in die Doppellipidschicht des Endoplasmatischen Retikulums (ER). TA Proteine sind dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Transmembran Domäne (TMD) in den letzten 50 Aminosäuren ihrer Sequenz beherbergen. Diese TMD enthält die notwendigen Informationen, mit denen die Proteine an ihren jeweiligen subzellulären Zielort transportiert werden können. TA Proteine erfüllen eine Vielzahl von essentiellen biologischen Prozessen, sie fungieren zum Beispiel als Rezeptoren, sind maßgeblich an der Fusion von Vesikeln beteiligt sowie an der Initiation von Apoptose. Durch ihren modularen Aufbau können TA Proteine nicht mit dem Signalerkennungspartikel interagieren und müssen deshalb posttranslational zum ER geleitet werden. Im Modellorganismus Bäckerhefe (Saccharomyces cerevisiae) ist der GET Biogenese-Weg am besten beschrieben und läuft wie folgt ab: Nach der Termination der Translation bindet das Protein SgtA das TA Protein und händigt es über den Adapter-Komplex, bestehend aus Get4 und Get5, an die zytosolische ATPase Get3 aus. Get3 ist der zentrale Zielsteuerungsfaktor des GET Biogenese-Weges. Sobald sich ein Komplex aus Zeilsteuerungsfaktor und TA Protein gebildet hat, wird dieses zur Membran des ERs überführt. Dort wird das TA Protein an den Rezeptorkomplex bestehend aus Get1 und Get2 übergeben, welcher anschließend die Insertion des TA Proteins in die Doppellipidschicht des ERs initiiert.
Get3 hat im zellulären Kontext noch eine weitere Funktion. Unter oxidativem Stress oder Energie depletierenden Bedingungen wird Get3 zu spezifischen Foci rekrutiert, an denen sich noch weitere durch Stress -induzierbare Proteine, wie z.B. die der Familie der Hitze Stress Proteine (HSPs) versammeln. Analysen haben gezeigt, dass Get3 unter den oben genannten Bedingungen, Konformationsänderungen durchläuft und dann als ATP unabhängige Holdase fungiert. Diese kann die exponierten, hydrophoben Anteile von Proteinen binden, um dadurch die Proteostasis aufrechtzuhalten.
Durch die Bedeutsamkeit der TA Proteinen ist die zentrale ATPase Get3 in allen Domänen des Lebens hochgradig konserviert. Phylogenetische Analysen ergaben, dass sich Get3 im Allgemeinen in eine „A“ Gruppe sowie eine „BC“ Gruppe aufspaltet. Im Modellorganismus Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand) wurden drei Orthologe zu Get3 identifiziert. Eins davon gehört zu der „A“ Gruppe und befindet sich im Zytoplasma. Die anderen zwei Orthologe befinden sich in den Organellen endo-symbiotischen Ursprungs und gehören der „BC“ Gruppe an. Untersuchungen an verschiedenen Deletionsmutanten in A. thaliana haben gezeigt, dass die Mutationen einzelner GET Komponenten zu einer signifikanten Verkürzung der Haarwurzeln führen, obwohl der restliche Habitus der Pflanze unverändert bleibt. Diesbezüglich wurde SYP123 als einziges TA Proteine identifiziert, dessen Abundanz durch die Deletion von GET Komponenten beeinflusst werden kann. Von den anderen beiden Orthologen organellären Ursprungs ist, abgesehen von ihrer Lokalisation nichts weiter bekannt
Vier Orthologe Gruppen in Pflanzen
Da bislang nicht mehr als zehn Pflanzenarten für phylogenetische Analysen herangezogen wurden, wurden in dieser Arbeit die taxonomischen Beziehungen von Get3 zu einander in 50 Spezies der Viridiplantae auf Basis der Orthologie sowie Homologie untersucht. Dies führte zur Identifizierung einer zytolischen (AtGet3a), einer plastidären (AtGet3b), einer mitochondriellen (AtGet3c) sowie einer Monokotyledone spezifischen Gruppe (SBGet3). Die Lokalisation der ersten drei Gruppen wurde in selektierten Pflanzen, sowohl homolog als auch heterolog, der unterschiedlichen Spezies mittels saGFP untersucht, und es konnte gezeigt werden, dass mehrere Get3 Orthologe mit unterschiedlichen subzellulären Lokalisationen eine unter Pflanze häufig auftretende Eigenschaft ist. Das Weitern konnte gezeigt werden, dass manche Komponenten des Präzielsteuerungskomplexes (SgtA und Get4) sowie des Rezeptorkomplexes (Get1) in fast allen der 50 untersuchten Pflanzenarten vorhanden sind. Dies weist auf eine Konservierung des gesamten GET Biogenese-Weges in Pflanzen hin.
Get3a in Arabidopsis thaliana
Da die molekulare Zusammensetzung des Präzielsteuerungskomplexes für AtGet3a in A. thaliana nicht bekannt ist, habe ich Co-Immunpräzipitationen mit Zellextrakten aus weißer Zellkultur und einen von mir selbst aufgereinigten Antikörper gegen AtGet3a durchgeführt. Nach anschließender Gelelektrophorese und einer Anfärbung mit Coomassie Brilliant Blue ließ sich ein reproduzierbares Muster aus Proteinbanden erkennen, welche ausgeschnitten und mittels LC-MS/MS analysiert wurden. Dadurch wurde ein putativer Kandidat für Get5 identifiziert sowie eine Assoziation mit Chaperonen und proteasomalen Untereinheiten.
Um die Zielsteuerungseffizienz und Topologie von ER-Membranproteinen zu analysieren habe ich (i) die rekombinante Synthese eines Modell-TA Proteins mit glykosylierbarem opsin bovine glycosylation Tag (OPG) etabliert sowie (ii) eine Methode etabliert um in isolierten Protoplasten die Richtigkeit der Insertion zu überprüfen. Mit Hilfe dieser Methoden können nun verschiedene Mutanten auf ihre Insertions-Wirksamkeit untersucht werden. Desweitern können durch Mutationsanalysen die notwendigen physikochemischen Eigenschaften für die Erkennung des Substrates ermittelt werden.
Eine weit verbreitete Methode im GET Feld ist die tail-anchor translocation (TAT). Bei dieser Methode werden isolierte mikrosomale Fraktionen des rauen ERs mit rekombinanten Komplexen bestehend aus Zielsteuerungsfaktor und TA Protein inkubiert. Durch einen rekombinanten OPG, der im Lumen des ERs post-translational modifiziert werden kann, ist die Beobachtung einer zeitabhängigen Kinetik der Glykosylierung möglich. Dieses System wurde bislang nur für Komponenten aus Säugern oder Hefen benutzt, aber noch nie mit einem System auf pflanzlicher Basis. Um dies zu verwirklichen, habe ich die rekombinante Proteinexpression soweit optimiert, dass der Großteil des synthetisierten Proteins sich im löslichen Anteil des Lysats statt in den Inclusion Bodies befand. Mittels dieser Optimierung konnte ich die Ko-Expression von Zielsteuerungsfaktor mit TA Protein als löslichen Komplex etablieren. Ergänzend zu den löslichen Komplexen habe ich eine geeignete Methode etabliert um mittels Saccharosegradienten mikrosomale Fraktionen aufzutrennen in denen AtGet3a angereichert ist. Leider müssen noch die Parameter der Reaktion optimiert werden, aber die Akquirierung alle nötigen Bestandteile ist etabliert.
Using walls to navigate the room: egocentric representations of borders for spatial navigation
(2021)
Spatial navigation forms one of the core components of an animal’s behavioural repertoire. Good navigational skills boost survival by allowing one to avoid predators, to search successfully for food in an unpredictable world, and to be able to find a mating partner. As a consequence, the brain has dedicated many of its resources to the processing of spatial information. Decades of seminal work has revealed how the brain is able to form detailed representations of one’s current position, and use an internal cognitive map of the environment to traverse the local space. However, what is much less understood is how neural computations of position depend on distance information of salient external locations such as landmarks, and how these distal places are encoded in the brain.
The work in this thesis explores the role of one brain region in particular, the retrosplenial cortex (RSC), as a key area to implement distance computations in relation to distal landmarks. Previous research has shown that damage to the RSC results in losses of spatial memory and navigation ability, but its exact role in spatial cognition remains unclear. Initial electrophysiological recordings of single cells in the RSC during free exploration behaviour of the animal resulted in the discovery of a new population of neurons that robustly encode distance information towards nearby walls throughout the environment. Activity of these border cells was characterized by high firing rates near all boundaries of the arena that were available to the animal, and sensory manipulation experiments revealed that this activity persisted in the absence of direct visual or somatosensory detection of the wall.
It quickly became apparent that border cell activity was not only modulated by the distance to walls, but was contingent on the direction the animal was facing relative to the boundary. Approximately 40% of neurons displayed significant selectivity to the direction of walls, mostly in the hemifield contra-lateral to the recorded hemisphere, such that a neuron in left RSC is active whenever a wall occupies proximal space on the right side of the animal. Using a cue-rotation paradigm, experiments initially showed that this egocentric direction information was invariant to the physical rotation of the arena. Yet this rotation elicited a corresponding shift in the preferred direction of local head-direction cells, as well as a rotation in the firing fields of spatially-tuned cells in RSC. As a consequence, position and direction encoding in RSC must be bound together, rotating in unison during the environmental manipulations, as information about allocentric boundary locations is integrated with head-direction signals to form egocentric border representations.
It is known that the RSC forms many anatomical connections with other parts of the brain that encode spatial information, like the hippocampus and para-hippocampal areas. The next step was to establish the circuit mechanisms in place for RSC neurons to generate their activity in respect to the distance and direction of walls. A series of inactivation experiments revealed how RSC activity is inter-dependent with one of its communication partners, the medial entorhinal cortex (MEC). Together they form a wider functional network that encodes precise spatial information of borders, with information flowing from the MEC to RSC but not vice versa. While the conjunction between distance and heading direction relative to the outer walls was the main driver of neural activity in RSC, border cells displayed further behavioural correlates related to movement trajectories. Spiking activity in either hemisphere tended to precede turning behaviour on a short time-scale in a way that border cells in the right RSC anticipated right-way turns ~300 ms into the future.
The interpretation of these results is that the RSC’s primary role in spatial cognition is not necessarily on the early sensory processing stage as suggested by previous studies. Instead, it is involved in computations related to the generation of motion plans, using spatial information that is processed in other brain areas to plan and execute future actions. One potential function of the RSC’s role in this process could be to act correctly in relation to the nearby perimeter, such that border cells in one hemisphere are involved in the encoding of walls in the contralateral hemifield, after which the animal makes an ipsilateral turn to avoid collision. Together this supports the idea that the MEC→RSC pathway links the encoding of space and position in the hippocampal system with the brain’s motor action systems, allowing animals to use walls as prominent landmarks to navigate the room.
The main aim of this thesis work was to elucidate the catalytic mechanism of several enzyme complexes on the basis of their three-dimensional structure. All investigated enzyme complexes occur in the anaerobic energy metabolism and have an essential function by the challenging degradation of aromatic compounds and the flavin-based electron bifurcation (FBEB)/confurcation, an energy-coupling mechanism. More specifically, I studied the phthaloyl-CoA decarboxylase of Thauera chlorobenzoica (Pcd) involved in phthalate ester decomposition, the FBEB protein complexes lactate dehydrogenase/electron-transfer flavoprotein (Ldh/EtfAB) of Acetobacterium woodii, the heterodisulfide-related subunit HdrA of the sulfur- oxidizing bacteria Hyphomicrobium denitrificans (sHdrA). In addition, I contributed to the structure determination of the caffeyl-CoA reductase- EtfAB complex of A. woodii and the naphthoyl-CoA reductase of the sulfate-respiring enrichment culture N47 (mentioned in the Appendix E and F).
Despite all advancements in cancer research and clinical practice, cancer remains a life- threatening disease with an increasing incidence. According to a 2018 WHO forecast, cancer incidence will double to approximately 37 million new cancer cases by 2040. Today, clinical management of cancer is based on a "one-fits-all" strategy. Most cancers are still treated by surgical therapy followed by adjuvant or neoadjuvant chemotherapy based on rather strict guidelines (S3 guidelines in Europe) which are based on studies of large cohorts of patients with the same tumor entity. While this approach has led to substantial increases in progression-free survival and overall patient survival, most patients do not benefit from the administered treatment regimen. One reason for this is intra-tumor heterogeneity, which results from clonal evolution between cancer cells and their environment. This means that cancer patients may respond differently to a particular drug due to the different mutation patterns of their tumor cells. Therefore, patients should be screened in advance for reliable cancer biomarkers that definitively predict whether they will respond to a particular therapy. This would increase the probability of a successful treatment.
Colorectal cancer (CRC) is the third most diagnosed cancer and the second leading cause of cancer deaths worldwide. The main cause of death in CRC is a metastatic disease, which is presented in 20 % of patients and eventually develops in more than 30 % of early-stage patients. Despite the significant increase (to more than 30 months) in median survival with the development of cytotoxic agents and the introduction of targeted therapy, the progression-free survival in the first-line setting has remained largely unchanged over the past decade.
The heterogeneity in CRC is characterized by alterations in multiple signaling pathways that affect cellular functions such as cell proliferation or apoptosis. Commonly affected signaling pathways include the mitogen-activated protein kinase (MAPK)- and the transforming growth factor-β/bone morphogenetic protein (TGF-β/BMP)-pathway. Alterations in the TGF-β/BMP pathway, due to mutations in the SMAD4 gene (mothers against decapentaplegic homolog 4), are associated with different drug response and promote resistance to chemotherapy. In addition, they are associated with a higher recurrence rate.
SMAD4 is one of the most common cancer driver genes, and mutations occur in up to 15 % of CRC cases. Therefore, there is an urgent need for therapeutic agents that can specifically target SMAD4-mutated tumors.
The aim of the present study was the identification of the clinical relevance of the SMAD4 gene and the investigation of its suitability as a potential biomarker in CRC.
For this purpose, I investigated sibling patient-derived organoids (PDOs) derived from different regions of a chemo-naïve CRC tumor. PDOs are 3D cell cultures that reliably recapitulate the architecture of the tissue of origin, as well as preserve the genomic background and intra-tumor heterogeneity. The sibling PDOs (R1R361H and R4wt) shared the most common CRC mutations, such as KRASG12D (kirsten rat sarcoma), PIK3CAH1047R (phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate 3-kinase, catalytic subunit alpha), and TP53C242F (tumor protein 53), but differed in a SMAD4R361H mutation and showed a different drug response. The single nucleotide variant R361H of the SMAD4 gene is among the most common pathogenic alterations in various cancers, including CRC.
The sibling PDOs showed significant differences in response to the MEK-inhibitors cobimetinib, trametinib, and selumetinib. MEK-inhibitors are antineoplastic agents that inhibit the function of MEK1 and MEK2, preventing phosphorylation of transcription factors, which leads to inhibition of tumor cell proliferation. MEK-inhibitors are approved for the treatment of malignant melanoma. Currently, they are in phase-III clinical trials for the treatment of patients with metastatic CRC.
To investigate whether SMAD4R361H is responsible for sensitivity to MEK-inhibitors, Iestablished three syngeneic PDOs harboring a SMAD4R361H mutation using the CRISPR/Cas9 genome editing system. All CRISPR-PDOs were significantly more sensitive to the MEK-inhibitors, compared to R4wt. I have shown that the SMAD4R361H mutation is responsible for sensitivity to MEK inhibition in CRC models and may be a predictive biomarker.
To test this hypothesis, I examined 62 CRC PDO models and treated them with the MEK-inhibitors cobimetinib, trametinib, and selumetinib. All models that had a pathogenic mutation or deletion in the SMAD4 gene (15 %) were sensitive to cobimetinib, 10 % of models were sensitive to trametinib, and 8 % were sensitive to selumetinib.
I performed transcriptome (RNA sequencing) and proteome analyses using the DigiWest® method to investigate the mechanism underlying MEK-inhibitor sensitivity.
DigiWest® is a Luminex® bead-based analysis that allows the simultaneous analysis of over 100 (phospho-)proteins. The transcriptome and proteome data support the observation that MEK inhibition primarily affects SMAD4R361H PDOs. Furthermore, I have shown that activation of the BMP signaling pathway in organoids with wild-type SMAD4 appears to be responsible for resistance to MEK-inhibitors. Thus, a genetic alteration in the BMP signaling pathway, beyond SMAD4, could lead to sensitivity to MEK-inhibitors.
I identified four genes involved in the TGF-β/BMP signaling pathway that are frequently mutated in CRC and grouped them into the so-called SFAB-signature (SMAD4, FBXW7 (F-box/WD repeat-containing protein 7), ARID1A (AT-rich interactive domain-containing protein 1A), or BMPR2 (Bone morphogenetic protein receptor type II). Clinical data show that approximately 36 % of CRC patients have at least one pathogenic mutation in these genes.
I tested all 62 CRC PDO models and found a significant positive prediction for sensitivity to cobimetinib (95 %) and selumetinib (70 %) for the SFAB-signature. Trametinib and the newly approved MEK-inhibitor binimetinib showed a similar trend. Therefore, the SFAB-signature has high predictive power for response to MEK-inhibitors and could be used as a predictive biomarker panel.
The current clinically used biomarkers for CRC are based on the mutation status of driver genes KRAS and BRAF, which are present in up to 50 % and 10 % of CRC, respectively. Investigation of molecular alterations in CRC revealed that mutations in the KRAS gene, which is downstream of EGFR (epidermal growth factor receptor) in the MAPK-pathway, interfere with an anti-EGFR-antibody therapy (e.g., cetuximab). Therefore, cetuximab is only relevant for RAS wild-type tumors. However, approximately 40 % of patients with RAS wild-type status do not respond to this treatment.
About 53 % of CRC PDO models carry a pathogenic RAS mutation, about 10 % harbor a pathogenic BRAF mutation. Both, the RAS and RAF status alone as well as the combination of RAS and RAF status with SFAB-signature did not provide a better prediction of sensitivity to MEK inhibition.
Eine große Gruppe von Aptameren sind die Guanosintriphosphat (GTP) Aptamere. Diese zeigt sehr eindrücklich, wie RNA unterschiedliche Strategien nutzt, um denselben Liganden zu erkennen. Die komplette Struktur des GTP Klasse II Aptamers wird in der ersten Publikation gezeigt. Interessanterweise zeichnet die Struktur ein stabil protoniertes Adenine unterhalb der GTP-Bindestelle aus. Dieses wurde durch eine Kombination aus weiterführenden NMR- und ITC-Experimente untersucht und charakterisiert. Es zeigte sich, dass die protonierte Base einen pKs-Wert hat, der weit von der Neutralität verschoben ist. Die Protonierung ist auch noch bei sehr basischen Puffern stabil.
Eine Art der funktionellen Protonierung wird von den zyklischen di-Nukleotiden (CDN) bindenden Riboswitches genutzt, um zwei CDN mit ähnlicher Affinität zu binden. c-di-GMP Riboswitches wurden als regulatorische Einheit beschrieben und deren Kristallstruktur aufgeklärt. Mutationsexperimente führten dazu, dass bei einer G-zu-A Mutation an der Gα-Bindestelle die Selektivität des Riboswitches verändert wurde. Die Mutante bindet sowohl c-di-GMP als auch cGAMP mit ähnlichen Bindungsaffinitäten. Riboswitche, die cGAMP binden wurden auch in der bakteriellen Genomen gefunden. Hierbei ist die Promiskuität unterschiedlich stark ausgeprägt. Die Untersuchung des Bindungsmodus und der damit verbundenen Promiskuität ist in der zweiten Publikation beschrieben. Hier wurde gezeigt, dass die Riboswitche beide Liganden nur binden können, wenn zur Bindung von c-di-GMP das Ligand bindende A protoniert vorliegt. Auch diese Protonierung konnte mit weiterführenden NMR- und ITC-Experimenten charakterisiert werden. Die Untersuchungen einer solch großen RNA sind mit NMR Spektroskopie herausfordernd. Hierbei wurde ausgenutzt, dass die Kristallstruktur bereits bekannt war, welche allerdings die Protonierung nicht zeigte. Auch diese Protonierung zeigt einen pKs-Wert, der weit von der Neutralität verschoben ist und außerdem bei unterschiedlichen pH stabil ist.
In den beiden untersuchten Beispielen wurden zwei verschiedene Arten von Protonierung gezeigt: eine strukturelle und eine funktionelle. Das GTP Klasse II Aptamer benutzt die Protonierung als strukturelle Basis für die Basis der Ligandenbindungsstelle. Hierbei werden durch die Protonierung des Adenines mehr nutzbare Wasserstoffbrücken ausgebildet und damit die Tertiärstruktur stabilisiert. Im Unterschied dazu nutzen die promiskuitiven CDN Ribsowicthes die Protonierung, um verschiedene Liganden binden zu können und es kommt damit zu einer Verschiebung der Funktionalität. Der regulatorische Nutzen dafür ist allerdings noch unbekannt.
Auch bei den SAM Riboswitches wurde ein promiskuitiver Vertreter beschrieben. SAM Riboswitches gehören zu den am längsten bekannten Klassen der Riboswitches. Bis heute sind hier die meisten unterschiedlichen Klassen bekannt. SAM wird häufig als Donor für funktionelle Gruppen benutzt, besonders häufig als Methlygruppendonor für die Methylierung einer Reihe unterschiedlicher Substrate (z.B. DNA, Proteine, Metabolite etc.). Bei dieser Reaktion entsteht SAH als Nebenprodukt. Zusätzlich ist SAH zelltoxisch, da es affin an Methyltransferasen bindet und damit diese essenzielle Reaktion inhibiert. Eine enge Kontrolle der SAH-Konzentration ist daher kritisch. SAM bindende Riboswitches haben zu SAM eine bis zu 1000-fach höhere Bindungsaffinität im Vergleich zu SAH. Die Beschreibung eines translationalen OFF-Riboswitches, der SAM und SAH mit ähnlicher Affinität bindet, ist daher überraschend. Zumal seine Genassoziation fast ausschließlich zu SAM Synthetasen ist, deren Regulation durch SAH wenig sinnvoll erscheint. Um ein besseres Verständnis für die Funktion des SAM/SAH Riboswitches zu erhalten, wurde seine 3D-Struktur mittels NMR-Spektroskopie aufgeklärt, wie in der vierten Publikation beschrieben. Dafür mussten zunächst alle Resonanzen der Sequenz und dem Liganden zugeordnet werden, wie in der dritten Publikation beschrieben. Dabei wurde als Ligand SAH gewählt, da dieser chemisch stabiler und damit für die teils tagelangen NMR-Messungen besser geeignet ist. Zusätzlich wurden Mutanten bzw. verwandte Liganden mittels ITC Experimente auf ihre Bindungseigenschaften untersucht, um die Bedeutung der Linkerlänge, einzelner Basenpaare und funktionelle Gruppen des Liganden zu untersuchen. Bei anderen bekannten SAM Riboswitches umschließt die RNA den Liganden fast komplett. Dabei wird zum einem das Sulfoniumion spezifisch durch die Carboxylgruppen verschiedener Uracil-Nukleotide erkennt und koordiniert. Außerdem bildet sich eine Bindetasche aus, die genug Platz für die stabile Bindung der Methylgruppe hat. Beim SAH Riboswitch wird die Selektivität für SAH dadurch erreicht, dass die Bindetasche sterisch keinen Platz für die Methylgruppe von SAM bereitstellt.
Zusammenfassend wurden in dieser Arbeit drei verschiedene Ligand bindende RNA-Strukturen untersucht, die alle sehr unterschiedliche Strategien zur Bindung der Liganden nutzen. Obwohl Portionierungen bei Aptameren und Riboswitches selten beschrieben wurden, haben sie eine maßgebliche Funktion in den beiden zuerst untersuchten Strukturen. Obwohl bisher im Hinblick auf alle bekannten RNA Strukturen eher selten beschrieben, gibt es doch neben den genannten zwei, einige Beispiele für strukturelle oder funktionelle Protonierungen. Auch in Hinblick auf zukünftige bzw. Verbesserung bestehender RNA-Strukturvorhersage-Programme ähnlich wie sie für Proteine schon lange nutzt werden, müssen protonierte Nukleobasen ernsthaft in Betracht gezogen werden. Außerdem konnte gezeigt werden, dass zwei der untersuchten Riboswitches zwei Liganden mit ähnlicher Affinität binden. Die genutzte Strategie ist hierbei unterschiedlich. Während bei den promiskuitiven CDN Riboswitches der regulatorische Nutzen noch unbekannt ist, konnte für den SAM/SAH Ribsowitch gezeigt werden, dass SAH nur zufällig aufgrund der wahrscheinlich sehr niedrigen intrazellulären Konzentration gebunden wird und dieser daher wahrscheinlich später in der evolutionären Entwicklung entstanden ist. Riboswitches halten es weiterhin spannend.
In Zeiten der globalen Klimaerwärmung und des Klimawandels werden Strategien zur Vermeidung, Reduzierung oder Wiederverwertung von CO2-Emissionen sowie die Abkehr von fossilen Energieträgern immer wichtiger. Aus diesem Grund finden Technologien zur Bindung, Speicherung und Wiederverwertung von CO2 immer größere Aufmerksamkeit und diverse chemische als auch biologische Ansätze werden verfolgt. Eine dieser Möglichkeiten umfasst die Reduktion von CO2 mit Hilfe von molekularem Wasserstoff. Im Prozess der direkten Hydrogenierung von CO2 zu Ameisensäure bzw. Formiat wird nicht nur CO2 gebunden, sondern ebenfalls H2 in flüssiger Form gespeichert. Die Ameisensäure weist gegenüber dem hochflüchtigen Wasserstoffgas verschiedene Vorteile auf und zählt zu der Gruppe der flüssigen, organischen Wasserstoffspeicherverbindungen. Daneben ist das Einsatzgebiet von Ameisensäure als Ausgangstoff für Chemikalien oder als mikrobielle Kohlenstoffquelle sehr vielseitig und die Verbindung erfreut sich zunehmenden Interesses.
Die Natur hält biologische Katalysatoren (Enzyme) für die Reduktion von CO2 bereit. Die Gruppe der obligat anaeroben, acetogenen Bakterien verwendet so genannte Formiatdehydrogenasen als CO2-Reduktasen, um CO2 im Wood-Ljungdahl-Weg (WLP) der Bakterien fixieren zu können. Diese Enzyme katalysieren die reversible 2-Elektronen Reduktion von CO2 zu Ameisensäure. Kürzlich konnte aus den beiden Vertretern A. woodii (mesophil) und T. kivui (thermophil) ein neuartiger, cytoplasmatischer Enzymkomplex isoliert werden. Dieser Enzymkomplex koppelt die Reduktion von CO2 direkt an die Oxidation von H2 und wird deshalb als Wasserstoff-abhängige CO2-Reduktase bezeichnet (engl. hydrogen-dependent CO2 reductase, HDCR). Die HDCR katalysiert dabei die reversible Hydrogenierung von CO2 zu Formiat mit annähernd gleicher Kinetik und gleichen Umsatzraten. Die bei der CO2 Reduktion erreichten Umsatzraten übertrafen dabei bisherige chemische als auch biologische Katalysatoren um mehre Größenordnungen.
Im Hinblick auf die besonderen katalytischen Eigenschaften der HDCRs wurde in dieser Arbeit die biotechnologische Anwendbarkeit der Enzyme als Biokatalysatoren zur Speicherung und Sequestrierung von H2 und CO2 in Form von Ameisensäure untersucht. Im Speziellen wurde ein HDCR-basiertes Ganz-Zell-System für das thermophile Bakterium T. kivui entwickelt. Um eine Ganz-Zell basierte Umwandlung von H2 und CO2 zu Formiat zu gewährleisten, wurde zuvor die Weiterverwertung des Formiats zu Acetat im WLP gestoppt. Durch eine Reduktion des zellulären ATP-Gehalts konnte eine weitere Prozessierung des aus der HDCR-Reaktion gebildeten Formiats im Zellstoffwechsel des Bakteriums unterbunden werden. Die Formiatbildung aus H2 und CO2 wurde in Zellsuspensionen von T. kivui untersucht und charakterisiert. Hier zeigten T. kivui Zellen die höchste spezifische Formiatbildungsrate, die bis dato in der Literatur genannt wurde. Ebenfalls wurde in dieser Arbeit die Umwandlung von Synthesegas (H2 + CO2 und CO) und CO zu Formiat geprüft. Bioenergetisch entkoppelte und auf CO-adaptierte T. kivui Zellen konnten in der Tat Synthesegas exklusiv zu Formiat umsetzen. Um die CO-Verwertung zu Acetat und Formiat im Stoffwechsel der Rnf- (A. woodii) und Ech-Acetogenen (T. kivui) verstehen zu können, wurden Mutanten von Δhdcr, ΔcooS, ΔhydBA, Δrnf and Δech2 von A. woodii und T. kivui zur Hilfe genommen. In beiden Organismen war die CO-basierte Formiatbildung vom Vorhandensein eines funktionalen HDCR-Enzymkomplexes abhängig.
Für eine mögliche biotechnologische Anwendung wurde die Maßstabsvergrößerung des Ganz-Zell-Systems angestrebt und hin zum Bioreaktormaßstab mit kontrollierten Prozessbedingungen skaliert. Diese Arbeit demonstriert die effiziente Umwandlung von H2 und CO2 zu Formiat und vice versa unter Verwendung eines Rührkesselreaktors. Der Prozess zeigte eine Effizienz von 100% für die Umwandlung von CO2 zu Formiat und spezifische Raten von 48.3 mmol g-1 h-1 wurden von A. woodii Zellen erreicht. Die spezifische H2-Produktionsrate (qH2) aus der Ameisensäureoxidation betrug 27.6 mmol g-1 h-1 und mehr als 2.12 M Ameisensäure konnte über einen Zeitraum von 195 h oxidiert werden. Wichtige Parameter der Enzymkatalyse wie Wechselzahl (engl. turnover frequency, TOF) und katalytische Produktivität (engl. turnover number, TON) wurden ebenfalls im Versuch bestimmt. Basierend auf dem generierten Prozessverständnis und der effizienten Reversibilität der katalysierten Reaktionen wurde abschließend ein Ganz-Zell-basierter Bioreaktoraufbau gewählt, der die vielfache Speicherung und Freisetzung von H2 in einem einzigen Rührkesselreaktor und unter Verwendung des gleichen Katalysators ermöglicht. Über eine Prozesszeit von 2 Wochen und 15 CO2 Reduktions-/Formiat Oxidations-Zyklen konnte so im Mittel 330 mM Formiat produziert und oxidiert werden.
Zusammenfassend thematisiert diese Arbeit die biotechnologische Anwendbarkeit eines Ganz-Zell-Systems zur Speicherung und Sequestrierung von H2 und CO2 in Form von Formiat und vice versa. Die katalytische Aktivität der betrachteten Organismen fußt dabei auf der Aktivität eines neuartigen Enzymkomplexes, der erstmals in der Gruppe der acetogenen Bakterien entdeckt wurde. Der als Wasserstoff-abhängige CO2-Reduktase bezeichnete Enzymkomplex könnte die zukünftige Konzipierung Enzym-inspirierter und effizienter chemischer Katalysatoren vorantreiben. Auch der Einsatz des Enzyms/der Zellen in so genannten Hydrogelen oder die Etablierung elektrochemischer Prozesse sind vorstellbar. Diese Arbeit stellt somit eine Basis für mögliche zukünftige Anwendungen des etablierten Ganz-Zell-Systems von A. woodii und T. kivui im Bereich der Wasserstoffökonomie dar.
Sleep is one of the fundamental requirements of all animals from nematodes to humans. It appears in different formats with shared features such as reduced muscle activities and reduced responsiveness to the environment. Despite the long history of sleep research, why a brain must be taken offline for a large portion of each day remains unknown. Moreover, sleep research focused on mammals and birds reveals two stages, rapid-eye-movement (REM) and slow-wave (SW) sleep, alternating during sleep. Whether these two stages of sleep exist in other vertebrates, particularly reptiles, is debated, as is the evolution of sleep in general.
Recordings from the brain of a lizard, the Australian bearded dragon Pogona vitticeps, indicate the presence of two electrophysiological states and provides a better picture of their sleep. Local field potential (LFP) signals, head velocity, eye movements, and heart rate during sleep match the pattern of REM and SW sleep in mammals. The SW and REM sleep patterns that we observed in lizards oscillated continuously for 6 to 10 hours with a period of 80-100 seconds when the ambient temperature was ~27°C. Lizard SW dynamics closely resemble those observed in rodent hippocampal CA1, yet originated from a brain area, the dorsal ventricular ridge (DVR), that does not correspond anatomically or transcriptomically to the mammalian hippocampus. This finding pushes back the probable evolution of these dynamics to the emergence of amniotes, at least 300 million years ago.
Unlike mammals and birds, REM and SW sleep in lizards occupy an almost equal amount of time during sleep. The clock-like alternation between these two sleep states was found initially by measuring the power modulation of two frequency bands, delta and beta. I recorded the full-band LFP and found an infra-slow oscillation (ISO) in the frequency range between 5 and 20 milli-Hz during sleep. The magnitude of ISO increased during sleep and decreased during both wakefulness and arousal during sleep. The up- and down-states of ISO were synchronized with the sleep state alternating rhythm but with a significant time lag dependent on the locations of the recording electrodes. Multi-site LFP recordings indicated that this ISO is a putative propagation wave sweeping extremely slowly, 30-67 µm/sec, from the posterior-dorsal pole to the anterior-ventral pole of the DVR.
Previous studies in other animals showed that brainstem areas such as the locus coeruleus, laterodorsal tegmentum, and periaqueductal gray are involved in sleep states regulation. It is sadly impossible to carry out in vivo recordings in the lizard brainstem without severely affecting them and their quality of life. I thus carried out ex vivo recordings in both DVR and brainstem. Pharmacological stimulation of the brainstem could reversibly silence one distinct EEG pattern characteristic of SW sleep, the sharp-wave and ripple complex, in DVR. An ISO could be recorded simultaneously in both DVR and brainstem. From data collected in both intact and split ex vivo brains, I concluded that there are independent ISO generators in at least two areas, the brainstem and the telencephalon. Their signals may normally be synchronized by long-range connections. The DVR ISO leads the brainstem ISO by ~29 sec. Optogenetic stimulation of brainstem neurons was able to disrupt the ISO in DVR reversibly.
In conclusion, the lizard brain offers a relatively simple model system to study sleep. Despite a diversity of results in different lizard species, my results revealed a number of new findings. Relevant for sleep research in general: 1) REM and SW sleep exist in a reptile. Since they also exist in birds and mammals, they probably existed in their common amniote ancestor, if not earlier. 2) REM and SW occupy equal amounts of time during sleep (50% duty cycle), a unique feature among all described sleep electrophysiological patterns, suggesting the possible existence of a simple central pattern generator of sleep, possibly ancestral. 3) I discovered the existence, in the local field potential, of an infra slow oscillation with extremely slow propagation, locked to the SW-REM alternating rhythm. The causes and mechanisms of this ISO remain to be understood. To my knowledge, the correlation between sleep states and a slow rhythm has only been reported in human scalp EEG recordings so far.
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.
In recent years, several neuronal differentiation protocols were published that circumvent the requirement of embryoid body (EB) formation under serum-deprivation and simplified medium conditions. But a neuronal default model to establish an approach that works efficiently for all pluripotent cells and neuronal precursors is still lacking. Whether such a default neural mechanism exist and how this is implemented across a broad spectrum of cell source, is addressed in several studies and still controversially discussed. It was proposed that the default neuronal fate is initiated in the absence of extrinsic signals and is achieved by eliminating extracellular inhibitors of neuroectodermal fate and suppressing cell-cell signalling through limited cell density. Previous studies reported that ESC and ECC grown at low density and in absence of exogenous factors or feeder layers die within 24 h but acquire a neural identity as indicated by expression of the neural marker Nestin. Thus, this application is not suitable for generating neural cultures. Furthermore, it was reported that P19 cells survive and express neuroectodermal marker genes in serum-free DMEM/F12 medium containing transferrin, insulin, and selenite, although no neurites were identified.
Based on this background, in this study, a novel approach to induce neuronal differentiation in vitro was developed that implements a nutrient-poor environment, which, in contrast to previous studies, ensures the survival of neuronally differentiated cells over a long period of time and allows normal formation of neurites. Neither the formation of free-floating aggregates nor supplementation of growth factors or known inducers was required to establish a reliable neuronal differentiation protocol. A simple medium, consisting of DMEM/F12+N2 that was highly diluted in salt solution, was sufficient to drive a fast neuronal differentiation in monolayer cultures. Serum deprivation and strong dilution of DMEM/F12+N2 medium cause a nutrient-poor environment in which the influence of growth factors and inducers is minimized. This medium creates a metabolically defined environment that is presumably free of extrinsic signals that prevent the decision of neuronal fate. Analysis of the medium components discovered no actual inducer. Hence, it was suggested that the metabolic composition of the medium exclusively covers specific cell requirements of neurons, therefore ensures their survival, and drives the switch from pluripotent cells to neurons. The self-developed method was established by usage of the murine embryonal carcinoma cell line P19 and could be transferred to murine ESC. Consequently, the method could provide a feasible protocol for a generally valid neuronal default model.
The established protocol provides several advantages such as the possibility to generate stable pure neuronal cultures by a fast, simple, and highly reproducible one-step induction under defined medium conditions with a minimum of exogen effectors. The method is characterised by clear and steady medium conditions that makes the investigation of specific cell requirements during differentiation accessible. It is therefore expected to be a useful tool to investigate the molecular basis of neuronal differentiation as well as for high throughput screenings. The phenotype of mature postmitotic neurons was arising within one week and cultures were shown to stay stable at least for three weeks. The neuronal identity was confirmed by expression of neuronal markers through immunofluorescence staining and mass spectrometry analysis. Furthermore, increased levels of axon markers were detected in early neuronal differentiation and functionality of the synapses of the P19-derived neurons was ascertained by detection of calcium activity. Axonal laser ablation, immediately followed by fast regrowth of connections in the neuronal network, revealed a strong regeneration potential under the given conditions. Furthermore, the generated neurons showed a morphologically distinct phenotype and the formation of neural rosettes. Immunofluorescence staining demonstrated the generation of pure and homogeneous neuronal cultures, free of glial cells.
Retinoic acid (RA) plays an essential role in cell signalling during embryogenesis and efficiently induces neuronal differentiation in vitro in a concentration dependent manner. Neither retinol nor retinoic acid was included in any of the components of the self-prepared medium in this work. However, I observed, dependence on RARβ- and/or RARγ-regulated RA signalling in serum-free monolayer cultures. Nevertheless, neuronal differentiation in serum-free monolayer cultures was assumed to be RARα-independent because (i) RARα was slightly downregulated after neuronal induction, (ii) the truncated RARα of the RAC65 mutant had no effect on induction efficiency, and (iii) a pan-RAR inhibitor suppressed neuronal differentiation. In contrast to serum-free monolayer cultures, the truncated RARα prevented neuronal differentiation by application of the conventional protocol where cells are grown in free floating cell aggregates in serum-containing medium. Proteome analysis of P19 cells, treated by the self-developed differentiation protocol over five days showed increased levels of cellular RA binding proteins that mediate the cellular RA transport and are involved in canonical as well as non-canonical RA signalling.
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This work comprises the investigation of four different biosynthesis gene clusters from Xenorhabdus. Xenorhabdus is an entomopathogenic bacterium that lives in mutualistic symbiosis with its Steinernema nematode host and together they infect and kill insect larvae. Xenorhabdus is well known for the production of so-called specialised metabolites and many of these compounds are synthesised by non-ribosomal peptide synthetases (NRPSs) or NRPS-polyketide synthase (PKS)-hybrids. These enzymes are organised in a modular manner and produce structurally very diverse molecules, often with the help of modifying domains and tailoring enzymes. In general, the genes involved in the biosynthesis are organised in so-called biosynthetic gene clusters (BGCs) in the genome of the producing strain. Exchanging the native promoter with an inducible promoter, e.g. PBAD, allows the targeted activation of the BGC and in turn the analysis of the biosynthesis product via LC-MS analysis.
The first BGC investigated in this work is responsible for the biosynthesis of xenofuranones. Based on gene deletions, this work shows that the NRPS-like enzyme XfsA produces a carboxylated furanone intermediate which is subsequently decarboxylated by XfsB to yield xenofuranone B. The next step in xenofuranone biosynthesis is the O-methylation of xenofuranone B to yield xenofuranone A. A comparative proteomics approach allowed the identification of four methyltransferase candidates and subsequent gene deletions confirmed one of the candidates to be responsible for methylation of xenofuranone B. The proteome analysis was based on the comparison of X. szentirmaii WT and X. szentirmaii Δhfq because distinct levels of the methylated xenofuranone A were observed when the xfs BGC was activated in either WT or Δhfq strain. Hfq is a global transcriptional regulator whose deletion is associated with the down regulation of natural product biosynthesis in Xenorhabdus. The strong PBAD activation of the xfs BGC also allowed the detection of two novel xenofuranone derivatives which arise from incorporation of one 4-hydroxyphenylpyruvic acid as first or second building block, respectively.
PBAD based activation of the second BGC addressed in this work lead to the detection of a novel metabolite and compound purification allowed NMR-based structure elucidation. The molecule exhibits two pyrrolizidine moieties and was named pyrrolizwilline (pyrrolizidine + twin (German: “Zwilling”)). The BGC comprises seven genes and single gene deletions as well as heterologous expression in E. coli and NRPS engineering were conducted to investigate the biosynthesis. The first two genes xhpA and xhpB encode a bimodular NRPS and a monooxygenase which synthesise a pyrrolizixenamide-like structure, similar to PxaA and PxaB in pyrrolizixenamide biosynthesis. It is suggested that the acyl side chain incorporated by XhpA is removed by the α,β-hydrolase XhpG. The keto function is then reduced by two subsequent two electron reductions catalysed by XhpC and XhpD. One of these two reduced pyrrolizidine units most likely is extended with glyoxalate prior to non-enzymatic dimerisation with the second pyrrolizidine moiety. To finally yield pyrrolizwilline, L-valine is incorporated, probably by the free-standing condensation domain XhpF.
The third BGC investigated is responsible for the production of a tripeptide composed of β-D-homoserine, α-hydroxyglycine and L-valine and is referred to as glyoxpeptide. This work demonstrates that the previously observed glyoxpeptide derivative is derived from glycerol present in the culture medium. Furthermore, this work shows that the monooxygenase domain, which is found in an unusual position between motifs A8 and A9 within the adenylation domain, is responsible for the α-hydroxylation of glycine. It is suggested that the α-hydroxylation of glycine renders the tripeptide prone to hydrolysis via hemiacetal formation. Hence, the XgsC_MonoOx domain might be an interesting candidate for further NRPS engineering.
The fourth BGC addressed is responsible for the production of xildivalines and this work describes two additional derivatives which are detected only when the promoter is exchanged and activated in the X. hominickii WT strain but not in X. hominickii Δhfq. Deletion of the methyltransferase encoding gene xisE results in the production of non-methylated xildivalines. It remains to be determined when the N-methylation of L-valine takes place. It is discussed that the methyltransferase could act on the NRPS released product but also during the assembly. The peptide deformylase is not involved in the proposed biosynthesis as xildivaline production is detected in a ΔxisD strain. The PKS XisB features two adjacent, so-called tandem T domains. The inactivation of the first or the second T domain by point mutation causes decreased production titres of detected xildivalines in the respective mutant strain when compared to the wild type.