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Lipopolysaccharide (LPS) is a major glycolipid component in the outer leaflet of the outer membrane of Gram-negative bacteria and known as endotoxin exhibited by the lipid A moiety, which serves as a membrane anchor. The effective permeability barrier properties of the outer membrane contributed by the presence of LPS in the extracellular layer of the outer membrane confer Gram-negative bacteria a high resistance against hydrophobic compounds such as antibiotics, bile salts and detergents to survive in harsh environments. The biogenesis of LPS is well studied in Escherichia coli (herewith E. coli) and the LPS transport (Lpt) is carried out by a transenvelope complex composed of seven essential proteins (LptABCDEFG), which are located in the three compartments of the cell such as the outer membrane, the inner membrane and the periplasm. The Lpt system also exists in Anabaena sp. PCC 7120 (herewith Anabaena sp.), however, homologues of LptC and LptE are still missing. BLAST search failed to identify a homologue of LptC, in contrast, the secondary structure analysis using the Pfam database based on the existing ecLptC secondary structure identified one open reading frame All0231 as the putative Anabaena sp. homologue of LptC, which is designated anaLptC. Despite the low sequence similarity, the secondary structure alignment between anaLptC and ecLptC using the HHpred server showed that both proteins share high secondary structural similarities. The genotypic analysis of the insertion mutant anaLptC did not identify a fully segregated genome and its phenotypic analysis revealed that it was sensitive against chemicals, suggesting that the analptC gene is essential for the growth of Anabaena sp. and involved in the outer membrane biogenesis. This is further supported by the observation of the small cell phenotype in the anaLptC mutant via transmission electron microscopy. Moreover, physical interactions between the anaLptC periplasmic domain with anaLptA as well as with anaLptF were established, indicating that the anaLptC periplasmic domain is correctly folded and alone functional and that the transmembrane helix is not required for the interaction with anaLptA and anaLptF. Furthermore, the reduction of the O-antigen containing LPS was observed in the insertion mutant anaLptC and the dissociation constant Kd of the anaLptC periplasmic domain for ecLPS was determined.The three-dimensional structure of the periplasmic domain of anaLptC was solved by X-ray crystallography with a resolution of 2.8 Å. The structural superposition between the ecLptC crystal structure (PDB number 3my2) and the crystal structure of anaLptC periplasmic domain obtained by this study showed the similarity in the folding of the two proteins with a Cα r.m.s.d value of about 1 Å and confirmed that the length of anaLptC is more than two times longer than that of ecLptC. The structural comparison also revealed that both structures share the typical β-jellyroll fold and conserved amino acids, which were shown in ecLptC to bind to LPS in vivo and found in anaLptC. Overall, these data strongly suggest that anaLptC is involved in the transport of LPS and support the model whereby the bridge spanning the inner membrane and the outer membrane would be assembled via interactions of the structurally conserved β-jellyroll domains shared by five (LptACDFG) out of seven Lpt proteins.
Die Spinozerebelläre Ataxie Typ 2 (SCA2) ist eine autosomal dominant vererbte neurodegenerative Krankheit, welche durch die Expansion des Trinukleotids Cytosin-Adenin-Guanin von ~22/23 auf >32 im Ataxin-2 Gen (ATXN2) verursacht wird. Dieses Trinukleotid codiert für die Aminosäure Glutamin weshalb SCA2 auch zu den Polyglutaminerkrankungen zählt. Zu dieser Gruppe zählen außerdem fünf weitere SCA-Subtypen sowie drei weitere neurodegenerative Erkrankungen, darunter die Huntington-Krankheit.
SCA2 wurde 1971 zum ersten Mal von Wadia und Swami beschrieben und unterscheidet sich von den anderen SCAs aufgrund der typischen Störung der sakkadischen Augenbewegungen. Weitere klinische Symptome von SCA2 sind Ataxie, Tremor, Dysmetrie, Dysarthrie, Hyporeflexie und Dysdiadochokinese. Die Symptome gehen auf einen neuronalen Verlust insbesondere im Cerebellum, aber auch in anderen Hirnregionen wie zum Beispiel dem Hirnstamm zurück.
Atxn2 wird in weiten Teilen des Zentralnervensystems aber auch in vielen nicht-neuronalen Geweben exprimiert. Es handelt sich um ein überwiegend cytoplasmatisch lokalisiertes Protein, welches im Gegensatz zu vielen anderen SCA-Proteinen cytoplasmatische und nur selten nukleäre Aggregate bildet. Die exakte Funktion von Atxn2 ist bisher unklar, es wurde allerdings mehrfach gezeigt, dass es in die mRNA Translation involviert ist aufgrund seiner Interaktion mit dem PolyA-bindenden Protein PABPC1.
Eine Expansion des Trinukleotids in Ataxin-2 kann nicht nur zu SCA2 führen, sondern stellt bei Wiederholungen zwischen 27 und 32 CAGs auch ein erhöhtes Risiko für eine Erkrankung an Amyotropher Lateralsklerose (ALS) und anderen neurodegenerativen Krankheiten dar. Eine Interaktion zwischen ATXN2 und dem ALS-verursachenden TDP43 (Tardbp) wurde bereits zahlreich beforscht, da Aggregate von ATXN2 in Motoneuronen des Rückenmarks von ALS-Patienten und aggregiertes TDP43 in SCA2-Neuronen beobachtet wurden.
Generell sind die Mechanismen, die zur Pathologie von SCA2 und ALS führen, noch weitgehend unklar. Ziel dieser Arbeit war es daher auf der einen Seite einen Einblick in den Pathomechanismus von SCA2 zu erhalten, indem mögliche oder bereits bekannte Interaktoren in etablierten Atxn2-Mausmodellen untersucht wurden. Auf der anderen Seite wurden zwei neue Mausmodelle charakterisiert, um ihre Eignung für die Erforschung von ALS und SCA2 zu prüfen.
Für den ersten Teil der Arbeit dienten Daten aus mehreren Transkriptomstudien von Atxn2-Knock-Out (KO) und Atxn2-CAG42-Knock-In (KIN) Mäusen als Grundlage. Konnten die Daten mit einer unabhängigen Methode bestätigt werden, folgten weitere Untersuchungen auf mRNA und Proteinebene sowie unter zusätzlicher Verwendung von Zellkultur und Patientenmaterial. Dadurch konnten neue Interaktionspartner von ATXN2 identifiziert und bereits bekannte in diesen Mausmodellen bestätigt werden.
So wurde zum Beispiel eine Interaktion von ATXN2 mit der E3-Ubiquitin-Protein-Ligasekomponente FBXW8 gezeigt und deren Beteiligung am Abbau von expandiertem ATXN2. Außerdem wurde eine Interaktion von FBXW8 mit dem bereits bekannten ATXN2-degradierenden Protein PARK2 gezeigt. Eine Hochregulierung des Fbxw8 Transkripts wurde sowohl im Atxn2-CAG42-KIN-Mausmodell als auch in SCA2-Patientenfibroblasten gefunden, während Park2 in keinem der Modelle signifikant veränderte Transkriptspiegel aufwies. Diese Daten belegen die Relevanz von Fbxw8 für den Abbau von moderat-expandiertem Atxn2 und begründen weitere Studien zur genauen Funktion dieses Proteins im Pathomechanismus von Atxn2.
Des Weiteren wurden diverse Kalziumhomöostasefaktoren untersucht, welche eine konsistente Herunterregulierung der Transkripte in beiden Mausmodellen aufwiesen. Auf Proteinebene zeigten sich jedoch Unterschiede zwischen den Modellen. Diese Daten belegen, dass zwar ähnliche Transkriptveränderungen im KIN- und KO-Modell auftreten, diesen aber vermutlich verschiedene Mechanismen zugrunde liegen. Welche Mechanismen dies genau sind bleibt zu klären, es ist jedoch wahrscheinlich, dass im KIN-Modell die Aggregatbildung sowie in beiden Modellen die Beteiligung von ATXN2 an der Translationregulation eine Rolle spielen. Die Ergebnisse dieser Studie unterstreichen die Relevanz des Ca2+ Signalwegs für die Entwicklung von SCA2.
Der zweite Teil der Arbeit beinhaltet die Charakterisierung einer ATXN2/TDP43 Doppelmutante auf Verhaltensebene sowie die gründliche Evaluierung des Phänotyps einer vollkommen neuen SCA2 Mausmutante. Während in der Doppelmutante trotz doppelter Genmutation nur ein sehr schwacher Phänotyp auf Verhaltensebene festgestellt werden konnte und bis zu einem Alter von 12 Monaten keine Potenzierung der Mutationen zu beobachten war, zeigte die Atxn2-CAG100-KIN Maus signifikante und früh auftretende Pathologie. Neben einer verminderten Überlebensrate, einem Gewichtsverlust und diversen motorischen Störungen, konnten auch Aggregate des mutierten Proteins in diversen Hirnregionen identifiziert werden. Der Atxn2-CAG100-KIN Phänotyp spiegelt die humanen Symptome daher recht gut wider, weshalb diese Mausmutante ein wertvolles Modell für die weitere SCA2-Forschung darstellt.
Zusammengefasst zeigt diese Arbeit die Bedeutung des ATXN2-Interaktors FBXW8 im SCA2-Mausmodell als auch im Patientenmaterial. Sie betont die Relevanz des Atxn2-KO-Modells in Bezug auf Störungen der Kalziumhomöostase und dokumentiert die Alters- und Gewebespezifität dieser Veränderungen. Außerdem beinhaltet sie die vorläufige Beschreibung eines kombinierten Atxn2/TDP43-Mausmodells und schließlich die ausführliche Charakterisierung eines vollkommen neuen und äußerst wertvollen SCA2-Mausmodells.
This work deals with the characterization of three different type II polyketide synthase systems (PKS II) from the Gram-negative bacteria Xenorhabdus and Photorhabdus.
Particular attention was paid to a biochemically underexplored class of aryl polyene (APE) pigments. Bioinformatic analysis of enzymes involved in the biosynthesis and the in vitro reconstruction proved that the synthesis of APEs involves an unusual fatty acid-like elongation mechanism. Furthermore, the discovery of unexpected protein-protein interactions provided new insights into the multienzyme complex formation of this unusual PKS II system. Through collaboration with the groups from Prof. Michael Groll and junior Prof. Nina Morgner, two protein complexes were structurally solved and several native protein multimerization events were identified and allowed us to suggest a possible protein-interaction network. The results are summarized in publication ‘An Uncommon Type II PKS Catalyzes Biosynthesis of Aryl Polyene Pigments’ (first author; J. Am. Chem. Soc.).
In addition to in vitro-analysis, in vivo-studies were used to investigate the APE compound produced by X. doucetiae in more detail. The activation of the silent biosynthetic gene cluster (BGC) led to the detection of the APE compound in the homologous host. Further combination of homologous expression and targeted deletions of the APE BGC revealed an APE-lipid-like structure. MS-based analyses and purification of intermediates allowed us to deduce structural building blocks of the APE-lipid, which is composed of an APE structural core, a glucosamine residue and an unusual long-chain fatty acid with unusual conjugated double bonds and a phosphoethanolamine head group. In combination with the above stated in vitro-data, we assumed a plausible biosynthetic mechanism of the APE-lipid. The results are summarized in the section ‘Additional Results: Tracing the Full-length APE’.
The biosynthesis of isopropylstilbene (IPS) has already been well-studied by the Bode laboratory and the group of Prof. Ikuro Abe. Studies with Photorhabdus laumondii TT01 by the Bode group revealed the distributed locations and functions of the genes involved in biosynthesis, which originate from two pathways. Particularly, the Bode group first demonstrated that an unusual ketosynthase/cyclase (StlD) catalyzes the condensation of 5-phenyl-2,4-pentadienoyl-ACP and isovaleryl-beta-ketoacyl-ACP via a Michael addition. Such a pathway for stilbene formation is distinct from those widespread in plants. The Abe group solved the structure and biochemical mechanism of StlD and further investigated the aromatization reaction of the aromatase StlC. However, the generation of the required cinnamoyl-precursor 5-phenyl-2,4-pentadienoyl-ACP as a Michael acceptor for this cyclization reaction remained elusive. In this work, we were able to reconstitute the synthesis of the Michael acceptor in vitro, by the action of enzymes from the fatty acid biosynthesis. With the knowledge about the crucial cross-talk from primary and specialized metabolism, we further determined the minimal endowment for stilbene production in a heterologous host. Here, the discovered AasS enzyme StlB is responsible for the generation of cinnamoyl-ACP and among others, plFabH plays a key role as gatekeeper enzyme for further processing. With this information in hand, we were able to obtain IPS production in E. coli. These results are presented in the manuscript ‘Biosynthesis of the Multifunctional Isopropylstilbene in Photorhabdus laumondii Involves Cross-talk Between Specialized and Primary Metabolism’ (co-first author, manuscript).
The biosynthesis of the orange-to-red-pigmented anthraquinones (AQs) is the best-studied type II PKS system according to preliminary results. While several investigations by Brachmann et al. discovered the BGC and the overall product spectrum of the main AQ-256 and its methylated derivatives, data of Quiqin Zhou (Bode group) performed biochemical in vitro analysis paired with in vivo heterologous expression of the ant-genes antA-I. This led to the identification of shunt products that indicated an AQ-scaffold derived from an octaketide intermediate that gets shortened to a heptaketide by the hydrolase AntI, resulting in the main anthraquinone AQ-256. This PKS-shortening mechanism was further confirmed by the protein crystal structure of AntI by the Groll group (publication, minor contributions, co-author, Chem Sci. ‘Molecular Mechanism of Polyketide Shortening in Anthraquinone Biosynthesis of Photorhabdus luminescens’). Further substrate analysis of the P. luminescens AQ-producer and mutants revealed an inhibitory effect of cinnamic acid against the hydrolase AntI. Cinnamic acid might therefore be involved in regulation of AQ biosynthesis (‘Anthraquinone Production is Influenced by Cinnamic Acid’, first author, manuscript).
Biochemical analysis from Quiqin Zhou with the minimal PKS of the AQ-synthase further revealed the exclusive activation of the AQ-ACP by the PPTase AntB. The PPTase is insoluble alone but gets stabilized by the CoA-ligase, most likely inactive, working as a chaperone. Thus, the minimal PKS endowment to produce the octaketide scaffold compromises, besides the ACP, the KS:CLF heterodimer and the MCAT, the co-occurrence of the PPTase AntB and the CoA-ligase AntG. For the first time, X-ray crystallography depicted a minimal PKS in action, by obtaining the structural data of native complexes from an ACP:KS:CLF, the KS:CLF alone and an ACP:MCAT in their non-active and active forms. It was possible to confirm a KS-bound hexaketide, which was built upon heterologous expression of the KS:CLF. Mutagenesis with amino-acids proposed to be involved in protein-protein interactions in the ACP:KS:CLF complex revealed some interesting protein-interaction sites. Additionally, an induced-fit mechanism of the MCAT with the ACP during the malonylation reaction confirmed a monodirectional transfer reaction (‘Structural Snapshots of the Minimal PKS System Responsible for Octaketide Biosynthesis’ co-author, manuscript under review).
Heat stress transcription factors (Hsfs) have an essential role in heat stress response (HSR) and thermotolerance by controlling the expression of hundreds of genes including heat shock proteins (Hsps) with molecular chaperone functions. Hsf family in plants shows a striking multiplicity, with more than 20 members in many species. In Solanum lycopersicum HsfA1a was reported to act as the master regulator of the onset of HSR and therefore is essential for basal thermotolerance. Evidence for this was provided by the analysis of HsfA1a co-suppression (A1CS) transgenic plants, which exhibited hypersensitivity upon exposure to heat stress (HS) due to the inability of the plants to induce the expression of many HS-genes including HsfA2, HsfB1 and several Hsps. Completion of tomato genome sequencing allowed the completion of the Hsf inventory, which is consisted of 27 members, including another three HsfA1 genes, namely HsfA1b, HsfA1c and HsfA1e.
Consequently, the suppression effect of the short interference RNA in A1CS lin e was re-evaluated for all HsfA1 genes. We found that expression of all HsfA1 proteins was suppressed in A1CS protoplasts. This result suggested that the model of single master regulator needs to be re-examined.
Expression analysis revealed that HsfA1a is constitutively expressed in different tissues and in response to HS, while HsfA1c and HsfA1e are minimally expressed in general, and show an induction during fruit ripening and a weak upregulation in late HSR. Instead HsfA1b shows preferential expression in specific tissues and is strongly and rapidly induced in response to HS. At the protein level HsfA1b and HsfA1e are rapidly degraded while HsfA1a and HsfA1c show a higher stability. In addition, HsfA1a and HsfA1c show a nucleocytosolic distribution, while HsfA1b and HsfA1e a strong nuclear retention.
A major property of a master regulator in HSR is thought to be its ability to cause a strong transactivation of a wide range of genes required for the initial activation of protective mechanisms. GUS reporter assays as well as analysis of transcript levels of several endogenous transcripts in protoplasts transiently expressing HsfA1 proteins revealed that HsfA1a can stimulate the transcription of many genes, while the other Hsfs have weaker activity and only on limited set of target genes. The low activity of HsfA1c and HsfA1e can be attributed to the lower DNA capacity of the two factors as judged by a GUS reporter repressor assay.
HsfA1a has been shown to have synergistic activity with the stress induced HsfA2 and HsfB1. The formation of such complexes is considered as important for stimulation of transcription and long term stress adaptation. All HsfA1 members show synergistic activity with HsfA2, while only HsfA1a act as co-activator of HsfB1 and HsfA7. Interestingly, HsfA1b shows an exceptional synergistic activity with HsfA3, suggesting that different Hsf complexes might regulate different HS-related gene networks. Altogether these results suggest that HsfA1a has unique characteristics within HsfA1 subfamily. This result is interesting considering the very high sequencing similarity among HsfA1s, and particularly among HsfA1a and HsfA1c.
To understand the molecular basis of this discrepancy, a series of domain swapping mutants between HsfA1a and HsfA1c were generated. Oligomerization domain and C-terminal swaps did not affect the basal activity or co-activity of the proteins. Remarkably, an HsfA1a mutant harbouring the N-terminus of HsfA1c shows reduced activity and co-activity, while the reciprocal HsfA1c with the N-terminus of HsfA1a cause a gain of activity and enhanced DNA binding capacity.
Sequence analysis of the DBD of HsfA1 proteins revealed a divergence in the highly conserved C-terminus of the turn of β3-β4 sheet. As the vast majority of HsfA1 proteins, HsfA1a at this position comprises an Arg residue (R107), while HsfA1c a Leu and HsfA1e a Cys. An HsfA1a-R107L mutant has reduced DNA binding capacity and consequently activity. Therefore, the results presented here point to the essential function of this amino acid residue for DNA binding function. Interestingly, the mutation did not affect the activity of the protein on Hsp70-1, suggesting that the functionality of the DBD and consequently the transcription factor on different promoters with variable heat stress element number and architecture is dependent on structural peculiarities of the DBD.
In conclusion, the unique properties including expression pattern, transcriptional activities, stability, DBD-peculiarities are likely responsible for the dominant function of HsfA1a as a master regulator of HSR in tomato. Instead, other HsfA1-members are only participating in HSR or developmental regulations by regulating a specific set of genes. Furthermore, HsfA1b and HsfA1e are likely function as stress primers in specific tissues while HsfA1c as a co-regulator in mild HSR. Thereby, tomato subclass A1 presents another example of function diversity not only within the Hsf family but also within the Hsf-subfamily of closely related members. The diversification based on DBD peculiarities is likely to occur in potato as well. Therefore this might have eliminated the functional redundancy observed in other species such as Arabidopsis thaliana but has probably allowed the more refined regulation of Hsf networks possibly under different stress regimes, tissues and cell types.
Characterizing the hologenome of Lasallia pustulata and tracing genomic footprints of lichenization
(2017)
The lichen symbiosis – consisting of fungal mycobionts and photoautotroph photobionts (green algae or cyanobacteria) – is globally successful. It covers an estimated 6% of the global surface with habitats ranging from deserts to the arctic. This success is reflected in the diversity of the mycobionts, with around 21% of all fungal species participating in lichen symbioses that can be facultative or obligate. Lichenization is furthermore evolutionary old, with fossil evidence for lichens reaching back 415 million years. For an individual fungal lineage, the Lecanoromycetes, the lichenization happened around 300 million years ago. This longstanding symbiotic relationship and the diversity of observed symbiotic dependency make them promising models to study the genomic consequences that follow the establishment of symbioses. Despite this, only little is known about the genomic effects of lichenization and extreme symbiotic dependency. To fill this gap we sequenced the hologenome of the lichen Lasallia pustulata, where the mycobiont could so far not been cultivated, suggesting that it might be more dependent on its symbionts.
As the poor culturability of lichen symbionts renders their genomes inaccessible to standard sequencing practices, we evaluated the extent to which different metagenome sequencing- and de novo assembly-strategies can be used to sequence and reconstruct the genomes of the individual symbionts. We find that the abundances of individual genomes present in the L. pustulata hologenome vary substantially, with the mycobiont being most abundant. Using in silico generated data sets and real Illumina sequencing data for L. pustulata we observe that the skewed abundances prevent a contiguous assembly of the underrepresented genomes when using only short-read sequencing. We conclude that short-read sequencing can offer first insights into lichen hologenomes. The fragmentation of the reconstructions hinders downstream analyses into the genomic consequences of lichenization though, as these are focused on identifying the gain and loss of genes.
We thus demonstrate a hybrid genome assembly strategy that is based on both short- and long-read sequencing. We show that this strategy is capable of creating highly contiguous genome reconstructions, not only for the L. pustulata mycobiont but also its photobiont Trebouxia sp., along with substantial amounts of the bacterial microbiome. A subsequent analysis of the microbiome of L. pustulata – performed over nine different samples collected in Germany and Italy – showed a stable taxonomic composition across the geographic range. We find that Acidobacteriaceae, which are known to thrive in nutrient poor habitats, are the dominant taxa. These would make them well adapted for the co-habitation with L. pustulata, which largely grows on rocks. Whether the Acidobacteriaceae are functionally involved in the lichen symbiosis is unclear so far.
As further comparative genomic studies rely on comprehensive genome annotations, we evaluate the completeness and fidelity of the gene annotations for the mycobiont L. pustulata as well as four further Lecanoromycetes. This reveals that un- and mis-annotated genes impact all evaluated genomes, with artificially joined genes and unannotated genes having the largest impact. In addition to these factors we find that the sequence composition – especially G/C-rich inverted repeats – lead to sequencing errors that interfere with the gene prediction. We minimize the effects of these artifacts through a rigorous curation.
Given the extremely sparse taxon sampling of available green alga genomes, we focus our search for the genomic footprints of lichenization on the mycobionts. We compare the genomes of the Lecanoromycetes to their closest relatives, the Eurotiomycetes and Dothideomycetes. This reveals that the last common ancestor of the Lecanoromycetes has lost around 10% of its genes after they split from the non-lichenized ancestor they share with the Eurotiomycetes. These losses are furthermore enriched, showing an excessive loss of genes involved with the degradation of polysaccharides. The loss of these genes fits a change from an ancestral saprotrophic lifestyle that depends on degrading complex plant matter, to the symbiotic lifestyle that relies on simpler nutrients provided by the photobionts. While the last common ancestor of the Lecanoromycetes additionally gained around 400 genes these could so far not be further characterized due to a lack of functionally annotated reference data.
As the mycobiont L. pustulata could so far not been grown in axenic culture, we initially expected to find an extensive genomic remodeling compared to the other mycobionts that easily grow in culture. We do not find evidence for this. Analyzing both the contraction of gene families and the loss of genes, we observe that L. pustulata and Umbilicaria muehlenbergii – its close relative that is easily grown in culture – share most of these. Furthermore, L. pustulata does not show an excessive loss of evolutionary old and well-conserved genes. These effects are mirrored on the functional level, as neither gene family contractions nor gene losses show a functional enrichment. This is partially due to the lack of functional reference data, analogous to the genes gained in the Lecanoromycetes, rendering their characterization hard. Thus, further studies on the genomic consequences of lichenization and differences in symbiotic dependence will have to be conducted, including larger taxon sets. This will be even more important for the photobionts, as the Chlorophyta are even more sparsely sampled today, hindering an effective functional and evolutionary study.
Die oxygene Photosynthese bildet den Grundpfeiler des heutigen Ökosystems unseres Planeten. Neben den gut untersuchten Landpflanzen bilden Mikroalgen eine äußerst bedeutende Organismengruppe der phototrophen Lebewesen. Zu den Mikroalgen zählen die Diatomeen, welche sich beispielsweise durch eine Silikatschale und spezielle Lichtsammelkomplexe auszeichnen und für einen Großteil der marinen Primärproduktion verantwortlich sind. Die stoffwechselphysiologischen Grundlagen des ökologischen Erfolgs der Kieselalgen sind bislang noch unzureichend erforscht. Ein Vertreter der zentrischen Diatomeen, Cyclotella, wurde bereits zur Jahrtausendwende zur biochemischen Charakterisierung der Diatomeen Photosynthese verwendet (Eppard und Rhiel, 1998; Eppard und Rhiel, 2000), das Genom des Organismus aber erst vor kurzem sequenziert (Traller et al., 2016). Die Sequenzierung des Genoms konnte einige Gene für Lichtsammelproteine identifizieren, die Homologie zu den LhcSR-Proteinen aus C. reinhardtii aufweisen, welche nachweislich eine photoprotektive Funktion besitzen (Peers et al., 2009). Diese sogenannten Lhcx-Proteine der Diatomeen sind in den zwei Gruppen der Kieselalgen, den zentrischen und pennaten Diatomeen zu finden, unterscheiden sich aber in ihren jeweiligen Lhcx-Kandidaten. So können in der pennaten Diatomee P. tricornutum vier lhcx-Gene ausgemacht werden, während die zentrische Kieselalge T. pseudonana sechs lhcx-Gene besitzt und C. cryptica vier verschiedene lhcx-Kandidaten genomisch aufweist (Armbrust et al., 2004; Bowler et al., 2008; Traller et al., 2016). Die beschriebenen Diatomeen weisen alle eine Homologie im Lhcx1 auf, während sich die übrigen Lhcx-Kandidaten zwischen pennaten und zentrischen Diatomeen unterscheiden. Ein zwischen T. pseudonana und C. cryptica konserviertes Lhcx ist das Lhcx6_1, welches 2011 das erste Mal massenspektrometrisch an Photosystemen von T. pseudonana nachgewiesen wurde (Grouneva et al., 2011) und in weiteren Massenspektrometrie-gestützten Untersuchungen in beiden zentrischen Diatomeen an Photosynthese-Komplexen gefunden werden konnte (Gundermann et al., 2019; Calvaruso et al., 2020). Die Funktion des Lhcx6_1 ist bislang unklar.
Diese Arbeit konnte das Lhcx6_1 aus C. meneghiniana charakterisieren und Antikörper-gestützt genauer lokalisieren, eine nicht dynamische Phosphorylierung der Thylakoidmembran-Proteine der zentrischen Diatomee nachweisen und die molekularbiologische Zugänglichkeit des Organismus optimieren. qRT-PCR gestützte Expressions-Analysen konnten eine unerwartete Expression des lhcx6_1-Gens aufdecken. Dieses weist, im Vergleich zum Lhcx1, keine Starklicht induzierte Expression auf. Die Expression des Gens konnte nach wenigen Stunden Schwachlicht als maximal bestimmt werden, während sie im Starklicht abnimmt. Das Muster der Genexpression glich im Schwachlicht eher der des lhcf1-Gens. Die Sequenzierung des lhcx6_1 aus C. meneghiniana identifizierte eine verlängerte N-terminale Sequenz des Proteins, welche Homologie zu den minoren Antennen aus A. thaliana besitzt und Teil des reifen Proteins ist. Mittels eines C-terminalen Epitops wurde ein Antikörper gegen das Lhcx6_1 entworfen, welcher das Protein in C. meneghiniana spezifisch nachweisen kann. Die Isolation von Thylakoidmembranen der zentrischen Diatomee und weitergehende Aufreinigung mittels Saccharosedichtegradienten und lpBN-PAGE konnten die Lokalisation des Lhcx6_1 eingrenzen. Das Protein zeigt dabei keine Unterschiede in seiner Lokalisation nach Inkubation in Schwach-, Stark- und Fernrot-Licht und ist vorrangig mit Photosystem I assoziiert. In geringerer Menge konnte es zudem an Photosystem II nachgewiesen werden, während der immunologische Nachweis in Lichtsammelkomplexen (FCPs) minimale Mengen erbrachte. Ferner konnte eine Phosphorylierung des Lhcx6_1 an Threonin-Resten nachgewiesen werden, während die meisten anderen Thylakoidmembran-Proteine mittels Phospho-Serin Antikörper detektiert werden konnten. Weder die Phosphorylierung des Lhcx6_1, noch der anderen Thylakoidmembran-Proteine, zeigt eine dynamische Regulation, im Stile einer state-transition ähnlichen Kinase auf. Die Qualität des Umgebungslichts führte zu keinerlei Unterschieden in Phosphorylierungsmustern. Weiterführende Untersuchungen der Lhcx6_1-Phosphorylierung mittels Phos-tag PAGE identifizieren eine unphosphorylierte und eine einfach phosphorylierte Form des Proteins. Dabei kann an PSI ausschließlich die phosphorylierte Version des Lhcx6_1 gefunden werden. Im Zuge der Arbeit konnte zudem erstmalig die Elektroporation und Konjugation für C. meneghiniana als Transformations-Methoden etabliert werden, während das Protokoll für die biolistische Transformation optimiert wurde. Die Elektroporation erbrachte die höchste Transformationseffizienz. Molekularbiologische Unterfangen eines Lhcx6_1-Knockdowns mittels Antisense-RNA erzielten zunächst, aufgrund der starken Gegenregulation der Diatomee, keinen Erfolg...
Im Rahmen dieser Arbeit wurden sRNAs des halophilen Archaeons Haloferax volcanii hinsichtlich ihrer biologischen und ihrer regulatorischen Funktion charakterisiert.
Um einen Überblick über die biologischen Funktionen archaealer sRNAs zu erhalten, wurde eine umfassende phänotypische Charakterisierung von 27 sRNA-Deletionsmutanten im Vergleich zum Wildtyp ausgewertet. Im Zuge dieser phänotypischen Charakterisierungen wurden zehn verschiedene Wachstumsbedingungen, morphologische Unterschiede und Veränderungen in der Zellmotilität untersucht. Hierbei zeigten nahezu alle Deletionsmutanten unter mindestens einer der getesteten Bedingungen phänotypische Unterschiede. Durch den Verlust von sRNAs wurden sowohl sogenannte Gain-of-function als auch Loss-of-function Phänotypen beobachtet. Haloarchaeale sRNAs spielen eine wichtige Rolle beim Wachstum mit verschiedenen Salzkonzentrationen, mit verschiedenen Kohlenstoffquellen und beim Schwärmverhalten, sind jedoch weniger in die Adaptation an diverse Stressbedingungen involviert.
Zur näheren Charakterisierung der regulatorischen Funktion archaealer sRNAs wurden sRNA362, sRNAhtsf468 und sRNA479 mittels molekulargenetischer Methoden wie Northern Blot-Analyse und DNA-Mikroarray sowie bioinformatischer in silico-Analyse untersucht. Das Expressionslevel von sRNA362 konnte bestimmt und potentielle Zielgene für sRNAhtsf468 und sRNA479 identifiziert werden.
Eine vorangegangene Studie zeigte den Einfluss von sRNA30 unter Hitzestress und führte zur Identifikation differentiell produzierter Proteine in Abwesenheit der sRNA. In dieser Arbeit wurde mittels Northern Blot-Analysen die Expression der sRNA30 charakterisiert. Das Wachstum in An- und Abwesenheit von sRNA30 wurde bei 42°C und 51°C phänotypisch charakterisiert und der regulatorische Einfluss der sRNA auf die mRNA differentiell regulierter Proteine durch Northern Blot-Analyse überprüft. Eine Transkriptomanalyse mittels DNA-Mikroarray nach Hitzeschock-Induktion führte zur Identifikation differentiell regulierter Gene involviert in Transportprozesse, Metabolismus, Transkriptionsregulation und die Expression anderer sRNAs. Die differentielle Regulation des Proteoms nach Hitzeschockinduktion in An- und Abwesenheit von sRNA30 konnte bestätigt werden.
Desweiteren wurde in dieser Arbeit sRNA132 und deren phosphatabhängige Regulation der Ziel-mRNA HVO_A0477-80 näher charakterisiert. Eine Induktionskinetik nach Phosphatentzug bestätigte die Bedeutung von sRNA132 für die verstärkte Expression des Operons HVO_A0477-80 unter Phosphatmangel-Bedingungen und verwies auf die Existenz weiterer Regulationsmechanismen. Während vor und nach Phosphatentzug kein Unterschied bezüglich der Zellmorphologie von Wildtyp und Deletionsmutante zu erkennen war, führte das Wachstum mit einem starken Phosphatüberschuss von 5 mM zu einer Zellverlängerung der Deletionsmutante. Die Kompetition der nativen 3‘-UTR des Operons HVO_A0477-80 mit einer Vektor-kodierten artifiziellen 3‘-UTR legt eine Regulation über die Bindung von sRNA132 an die 3‘-UTR nahe. Der Transkriptomvergleich nach Phosphatentzug in An- und Abwesenheit von sRNA132 führte zur Identifikation des Phosphoregulons der sRNA. Zu diesem Phosphoregulon gehören unter anderem zwei Glycerinphosphat-Dehydrogenasen, Transkriptionsregulatoren, eine Polyphosphatkinase und eine Glycerolphosphodiesterase. Zudem waren die Transkriptlevel der beiden ABC-Transporter HVO_A0477-80 und HVO_2375-8 für anorganisches Phosphat und des Transporters HVO_B0292-5 für Glycerinaldehyd-3-Phosphat in Abwesenheit der sRNA verringert. Die beiden ABC-Transportsysteme für anorganisches Phosphat wurden im Rahmen dieser Arbeit deletiert und weiter charakterisiert. Es konnte gezeigt werden, dass das ABC-Transportsystem HVO_2375-8 bei geringen Phosphatkonzentrationen leicht induziert wird und das Transkriptlevel in Anwesenheit von sRNA132 erhöht ist. Wachstumsversuche der jeweiligen Deletionsmutante in direkter Konkurrenz mit dem Wildtyp zeigten, dass keiner der beiden ABC-Transporter den anderen vollständig ersetzen kann und der Wildtyp mit beiden intakten ABC-Transportern unter phosphatlimitierenden Bedingungen einen Wachstumsvorteil besitzt. In silico-Analysen der Promotorbereiche von sRNA und ABC-Transporter legen zudem die Existenz von P-Boxen nahe.
Der erste Teil der vorliegenden Arbeit beinhaltet die funktionelle Analyse von fünf Oberflächenproteinen von B. recurrentis die die Fähigkeit besitzen, die Aktivierung von humanen Komplement zu inhibieren und Borrelien vor Bakteriolyse zu schützen. Im zweiten Teil der Arbeit wurden zwei immunologische Testverfahren mit hoher Sensitivität sowie Spezifität entwickelt und mit zahlreichen Patientenseren evaluiert. Die entwickelten Tests könnten in Zukunft als zuverlässige Instrumente für eine gesicherte Diagnose von LRF eingesetzt werden.
Eine Sequenzanalyse führte zur Identifizierung eines neuen Proteinclusters, welches die fünf untersuchten Komplement-inhibierenden Proteine als „Cluster of Complement-targeting and Host-interacting Proteins“ oder „Chi-Gencluster“, zusammenfasst. Diese Oberflächenproteine wurden als ChiA, ChiB, ChiC, ChiD und ChiE bezeichnet. Weiterführende Sequenzanalysen ergaben, dass das Chi-Gencluster extrem hoch konserviert ist und sowohl in den ersten B. recurrentis-Isolaten aus den 1990er Jahren als auch in B. recurrentis-Stämmen nachgewiesen werden konnte, die 2015 aus Patienten isoliert wurden.
Durch funktionelle Analysen konnte gezeigt werden, dass alle fünf Chi-Proteine in der Lage sind den alternativen und terminalen Komplementweg zu inhibieren. Ebenfalls konnte für die Proteine ChiB, ChiD sowie ChiE nachgewiesen werden, dass die Interaktion mit der Komplementkomponente C5 dosisabhängig verläuft.
Die strukturelle Aufklärung des Proteins ChiB ermöglichte es Aminosäuren zu identifizieren, von denen angenommen wurde, dass sie für die Interaktion mit Komplement eine Rolle spielen könnten. Durch in vitro Mutagenese konnten insgesamt fünf verschiedene Varianten von ChiB generiert werden, die jedoch keine Veränderungen in ihrem Komplement-inhibierenden Potential gegenüber dem unveränderten ChiB-Protein aufwiesen. Weder in der Inhibition des alternativen oder des terminalen Komplementweges, noch in der Interaktion mit den untersuchten Komplementkomponenten C3b, C5 und C9.
Weiter konnte gezeigt werden, dass die lytische Aktivität von Humanserum durch Vorinkubation mit ChiB, ChiC, ChiD und ChiE drastisch reduziert werden konnte, sodass Serum-sensible Borrelienzellen in Gegenwart von Komplement überlebten. „Gain-of-function“ B. garinii-Transformanten, welche mit dem entsprechendem Chi-kodierenden Gen transformiert wurden, bestätigten die mit den gereinigten Proteinen erhobenen Ergebnisse.So konnte nachgewiesen werden, dass ChiB-, ChiC- oder ChiD-produzierende „Gain-of-function“ B. garinii Transformanten, nicht jedoch ChiE- produzierende Zellen, in der Lage waren einen Serum-resistenten Phänotypen auszubilden. Für Transformanten, die zwei-, drei- oder vier Chi-Proteine in verschiedenen Kombinationen gleichzeitig produzierten, konnte allerdings die Fähigkeit in Gegenwart von Humanserum zu überleben nicht bestätigt werden.
Molekulare Analysen mit verschiedenen RF-Borrelienstämmen führten zum Nachweis, dass die fünf Chi-kodierenden Gene bei allen Isolaten vorhanden sind und unter in vitro Bedingungen exprimiert werden. Im Gegensatz zu B. recurrentis PAbJ, ließ sich das HcpA kodierende Gen in B. duttonii LAI nicht nachweisen, jedoch alle dem Chi-Cluster zugehörigen Gene. Bei B. duttoni V fehlte das gesamte Chi-Cluster sowie die für CihC- und HcpA-kodierenden Gene. Durch eine Western Blot-Analyse konnte mit spezifischen Antikörpern bestätigt werden, dass die Proteine CihC, HcpA und ChiB in B. recurrentis A17 unter in vitro Bedingungen produziert wurden.
Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit wurden durch die Analyse der IgM- und IgG-Immunreaktivitäten der LRF-Patientenseren zwei Proteine identifiziert, CihC und GlpQ, die als potenzielle Antigene für die Serodiagnostik des LRF evaluiert wurden. Eine initiale Evaluierung des IgM Lineblot-Immmunoassays zeigte jedoch nur eine geringe Sensitivität für die beiden Antigene, während der IgG Lineblot-Immunoassay eine sehr hohe Sensitivität aufwies. Der ELISA hingegen zeigte bei einer Kombination beider Antigene sehr gute Sensitivitäten und Spezifitäten. Um die starke Hintergrundfärbung bei den Lineblot-Immunoassays, welche eine korrekte Bewertung der Reaktivitäten gegenüber CihC erheblich erschwerten, zu minimieren, wurde ein „Epitop-Mapping“ durchgeführt, um immunogene Regionen innerhalb des CihC-Proteins zu lokalisieren. Eine zweite Evaluierung mit dem immunreaktiven N-terminalen CihC-Fragment CihC-N führte zu einer deutlichen Verbesserung der IgG Lineblot-Immunoassays mit einer Sensitivität von 100 % und einer starken Reduktion der Hintergrundfärbung. Zusätzlich konnte die Sensitivität der IgM-ELISA deutlich verbessert werden. Die Verwendung von CihC-N führte beim IgG-ELISA zur Herabsetzung des Cut-off-Wertes und zu einer besseren Unterscheidung zwischen den positiven LRF-Seren und den verwendeten Kontrollseren. Im Rahmen dieser Arbeit konnten somit zwei serologische in vitro Diagnostika entwickelt werden, die als zuverlässige Point-of-Care-Diagnostik in klinischen Studien eingesetzt werden könnten. Zur Steigerung der Sensitivität des IgM-Lineblot-Immunoassays sollten allerdings weiterführende Untersuchungen mit weiteren immunreaktiven Antigenen, wie z.B. den Vmp-Proteinen von B. recurrentis, angestrebt werden.
Seit Jahrzehnten finden Kunststoffe aufgrund ihrer vorteilhaften Materialeigenschaften wie z. B. Formbarkeit und im Vergleich zu Glas oder Metall geringe Kosten und leichtes Gewicht, vermehrt Anwendung in allen Bereichen des täglichen Lebens. Einhergehend gelangen Kunststoffe zunehmend in die Umwelt, und reichern sich dort an. Besondere Aufmerksamkeit erfahren Partikel im Größenbereich von 1-1000 µm, sogenanntes Mikroplastik (MP), welches entweder direkt eingetragen wird oder in der Umwelt durch Fragmentierung größerer Plastikteile entsteht. Lange Zeit fokussierte sich die MP Forschung vorrangig auf aquatische Ökosysteme, obwohl Schätzungen davon ausgehen, dass die Kunststoffeinträge in terrestrischen Ökosystemen um ein Vielfaches höher sind. Besonders relevante Eintragspfade sind neben der unsachgemäßen Entsorgung von Abfällen, die landwirtschaftliche Klärschlamm- und Kompostdüngung und der zunehmende Einsatz von Mulchfolien, sowie der im Straßenverkehr generierte Reifenabrieb.
Für eine Abschätzung und Bewertung der MP-Belastung in Böden sind analytische Messungen von MP in Umweltproben essenziell, derzeit jedoch kaum existent, da MP im Boden partikulär und heterogen verteilt vorliegt und deshalb nur schwierig zu detektieren ist. Die für viele Analyseverfahren notwendige Isolation der Kunststoffpartikel, sowie die für repräsentative Messungen erforderliche Aufbereitung großer Probenvolumina stellen besondere analytische Herausforderungen mit großem Kosten- und Zeitaufwand dar. Chromatografische Verfahren finden wenig Anwendung, bieten aber vorteilhafte Voraussetzungen als Screeningverfahren für die Untersuchung von Böden, da sie nicht zwangsweise eine Partikelisolation verlangen, und zudem als Ergebnis einen Massegehalt liefern.
Diese Dissertation zeigt drei Anwendungen Chromatografie basierter Analyseverfahren zur Charakterisierung von MP im Boden. Erstmalig wurde die Thermo-Extraktion-Desorption-Gaschromatografie-Massenspektrometrie (TED-GC/MS) für die Analytik von Reifenabrieb in realen Umweltproben angewandt bei minimaler Probenaufbereitung. Dafür wurde ein Straßenrandboden umfangreich beprobt und analysiert, und es konnte neben der Eignung der analytischen Methode auch eine repräsentative Probenahmestrategie und räumliche Verteilungsmuster von Reifenabrieb im Boden demonstriert werden.
Der zweite Forschungsschwerpunkt lag auf der Methodenentwicklung und validierung eines neuartigen chemischen Extraktionsverfahrens für die Bestimmung von Polyestern in Bodenproben. Das Verfahren basiert auf der hydrolytischen Spaltung von Polyestern in ihre Monomere, deren flüssigchromatografische Abtrennung von Matrixbestandteilen und der Detektion mittels UV-Absorption. Das Verfahren verlangt neben der Extraktion keine weiteren Probenaufbereitungsschritte, ist für unterschiedliche Umweltmatrizes geeignet und ist damit z. B. prädestiniert für den Nachweis von Polyesterfasern auf gedüngten landwirtschaftlichen Flächen.
MP ist nicht nur aufgrund seiner Persistenz problematisch, sondern auch, weil es hydrophobe organische Schadstoffe aus dem Umweltmedium anreichern und transportieren kann. Maßgeblich für das Sorptionsverhalten sind die Materialeigenschaften des zugrunde liegenden Kunststoffes, welche Änderungen durch Alterungsprozessen unterliegen. Der Zusammenhang zwischen Materialalterung und Sorptionsverhalten wurde in früheren Studien kontrovers diskutiert und ist der dritte Teil dieser Arbeit. In einem Sorptionsexperiment konnte mittels Headspace-Gaschromatografie mit Flammenionisations-Detektion die Aufnahme von Aromaten an den Kunststoffen Polypropylen und Polystyrol quantifiziert werden. Die Kunststoffe wurden materialwissenschaftlich charakterisiert, teilweise künstlich gealtert und die daraus resultierende Änderungen der Materialeigenschaften sowie einhergehenden Änderungen des Sorptionsverhaltens erfasst. Dadurch war es möglich den Einfluss einzelner Materialeigenschaften auf das Sorptionsverhalten zu bewerten, Rückschlüsse auf zugrunde liegende Sorptionsmechanismen zu treffen und zu zeigen, dass in vorliegendem Experiment die Polymeralterung bei MP nicht zu einer erhöhten Schadstoffsorption führte.
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.