Biologische Hochschulschriften (Goethe-Universität; nur lokal zugänglich)
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Die Bedeutung von Zelltod-Prozessen während der Alterung des filamentösen Ascomyzeten Podospora anserina
(2011)
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Diana Brust
- Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen führten zu folgenden Ergebnissen:
1. In-silico Analysen von putativen Apoptose-Faktoren im Genom von P. anserina
Es konnten mehrere Gene, die in einer Apoptose-Maschinerie involviert sein könnten, im Genom von P. anserina identifiziert werden. Diese Homologen wurden in zwei Ka-tegorien unterteilt: (i) die nicht-mitochondrialen Proteine PaMCA1, PaMCA2 und PaPARP und (ii) die Homologen des Apoptose-induzierenden Faktors AIF.
2. Einfluss der Metacaspase-Aktivität auf programmierte Zelltodprozesse
Mithilfe von Aktivitätsmessungen konnte eine Arginin-spezifische Aktivität der Meta-caspasen nachgewiesen werden. Diese Metacaspase-Aktivität nimmt in seneszenten Kulturen und nach H2O2-Behandlung signifikant zu. Diese Ergebnisse unterstützen die Hypothese eines programmierten, ROS-induzierten Zelltods im letzten Entwicklungs-stadium des Alternsmodell P. anserina.
3. Die Rolle von AIF-Homologen in der Entwicklung von P. anserina
GFP-Fusionsproteine identifizierten eine mitochondriale Lokalisation der AIF-Homologen PaAIF2, PaAMID2 und PaPRG3. Desweiteren konnte eine altersabhängige PaAIF2-Translokation von den Mitochondrien zum Zellkern gezeigt werden, ähnlich der Apoptose-induzierenden Translokation von humanem AIF. Die Deletion von PaAif2 und PaAmid2 führte zu einer signifikanten Resistenz gegenüber oxidativem Stress und zu einer Verlängerung der Lebensspanne. Diese Befunde weisen auf einen ROS-induzierten, AIF-vermittelten Zelltod hin, der an der Lebensspannen-Kontrolle von P. anserina beteiligt ist.
4. Die Funktion des Proteins PaCYPD bei Seneszenz und programmiertem Zelltod
Membranpotential-Messungen konnten einen Rückgang des mitochondrialen Memb-ranpotentials von 21 % bei den PaCYPD-Überexpressionsstämmen nachweisen. Durch die Behandlung mit dem spezifischen PaCYPD-Inhibitor CSA konnte das Membranpo-tential wieder normalisiert werden. Zusammen mit dem detektierten Verlust von
7 Zusammenfassung
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Cytochrom c in den Mitochondrien der Überexpressionsstämme wird durch diese Studi-en die Vermutung einer PaCYPD-abhängigen Öffnung der mPTP untermauert. Die Pa-PaCypD-Deletion führte zu einer signifikanten Resistenz gegenüber mitochondrial-abhängigem, oxidativem Stress und gegenüber verschiedenen Apoptose-Induktoren. Die Überexpression von PaCypD hingegen führte zu einem beschleunigten Alterungspro-zess (Präseneszenz), einem verschlechterten Resistenzverhalten gegenüber Stress- und Apoptose-Induktoren und zu einer massiven Verkürzung der Lebensspanne. Die Le-bensspanne konnte aber durch die Behandlung mit CSA wieder auf Wildtyp-Niveau verbessert werden. Dies weist auf einen PaCYPD-vermittelte Zelltod hin. Interessan-terweise konnte durch das Wachstum auf CSA-haltigem Medium auch die Lebensspanne des Wildtyps verlängert werden. Um die hier nachgewiesene, lebensver-längernde Wirkung von CSA zu verifizieren, könnte diese Studie leicht auf andere Modellorganismen übertragen werden.
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Strukturelle Organisation und Mobilisierung des Primaten-spezifischen Non-LTR-Retrotransposons SVA
(2011)
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Julija Raiz
- SVA-Elemente repraesentieren die juengste Familie der Non-LTR-Retrotransposons,
welche das humane Genom fortwaehrend modifizieren. SVA-Elemente zeichnen sich
durch ihre Organisation aus zusammengesetzten repetitiven Elementen aus. Um
Rueckschluesse auf den Assemblierungsprozess, der zur gegenwaertigen Organisation der
SVA-Elemente fuehrte, und ueber transkriptionelle Regulation dieser Elemente zu ziehen,
wurden Unterschiede in der Struktur der 116 SVA-Elemente, die auf humanem
Chromosom 19 lokalisiert sind, detailliert untersucht.
SVA-Elemente konnten in sieben unterschiedliche Strukturvarianten eingeteilt werden,
einschliesslich neuer Varianten wie SVA2, 3`-verkuerzte Elemente und Elemente mit 5`-
flankierenden Transduktionen. Ich habe auch eine extrem erfolgreiche human-spezifische
5`-Transduktionsgruppe identifiziert, SVA_F1, die trotz ihres jungen evolutionaeren Alters
ca. 32% aller Mitglieder der SVA-Subfamilie SVA_F umfasst. Die transkriptionelle
Kontrolle einer retrotransponierten und 5`-verkuerzten SVA_F-Kopie durch den Promotor
des MAST2-Gens diente als urspruengliches Source-Element dieser umfangreichen 5`-
Transduktionsgruppe, die mindestens 84 Elemente einschliesst. Die zusaetzlichen 5`-
sowie 3`-Transduktionsereignisse der vollstaendigen Alu-Sequenzen bei Mitgliedern der
SVA_F1-Transduktionsgruppe 4 weisen auf ihre wichtige Rolle in der erfolgreichen
Expansion im humanen Genom hin. Diese nachtraeglich erworbenen Alu-Sequenzen
machen SVA_F1-Familienmitglieder offensichtlich zum besseren Substrat fuer die Trans-
Mobilisierung durch die L1-Proteinmaschinerie. Die unterschiedlichen konsekutiven 5`-
Tansduktionsereignisse der SVA_F1-Familienmitglieder deuten auf transkriptionelle
Kontrolle ihrer Source-Elemente durch eine Vielzahl externer zellulaerer Promotoren hin,
die im Laufe der Evolution in Keimzellen aktiv waren. Ausserdem zeigt die Existenz von
5`-Transduktionen, dass SVA-Elemente sich die 5`-flankierenden Sequenzen aneignen
koennen. Die Daten zeigen auch, dass SVA-vermittelte 5-Tansduktionsereignisse
alternatives RNA-Spleissen an putativen Spleissstellen involvieren. Aus der EST-
Datenbankanalyse ist ersichtlich, dass Mitglieder der SVA_F1-Subfamilie auch
gegenwaertig transkribiert werden.
SVA-Elemente sind hoch aktiv im humanen Genom, aber der Mechanismus ihrer
Retrotransposition wurde bislang nicht aufgeklaert. Vorangehende Analysen genomischer
SVA-Kopien liessen auf eine L1-vermittelte Mobilisierung schliessen; allerdings wurde
der experimentelle Beweis dieser Hypothese bislang nicht geliefert. Mit Hilfe der
Zellkultur-basierten Trans-Mobilisierungsassays wurde in dieser Arbeit zum ersten Mal
experimentell bewiesen, dass SVA-Elemente tatsaechlich durch die L1-kodierten Proteine
in trans mobilisiert werden. Zu diesem Zweck wurden HeLa-Zellen mit einem
vollstaendigen oder mit einem 5`-verkuerzten SVA-Retrotranspositionsreporterkonstrukt
sowie mit einem L1-Expressionsplasmid bzw. Leervektor kotransfiziert und dann die
jeweiligen Raten der SVA-Retrotransposition anhand Neo-resistenter Kolonien, die
mindestens ein de novo-Retrotranspositionsereignis widerspiegeln, bestimmt. Die
Experimente zeigen, dass die Entstehung der Neo-resistenten Kolonien von der
Koexpression L1-kodierter Proteine abhaengig ist. Ich konnte auch zeigen, dass das
vollstaendige SVA-Testkonstrukt - im Gegensatz zum 5`-verkuerzten SVA-Konstrukt -
mit einer signifikant hoeheren Retrotranspositionsrate als die Kontrollkonstrukte, die zur
Generierung der prozessierten Pseudogenformation eingesetzt wurden, trans-mobilisiert
wird. Die Ergebnisse der Trans-Mobilisierungsassays belegen, dass SVA-Elemente ein
bevorzugtes Substrat fuer die L1-Proteinmaschinerie darstellen, und ihre 5`-Region
einschliesslich der Alu-homologen Sequenz fuer die hohe Retrotranspositionsrate essentiell
ist. Die elf analysierten SVA de novo-Integrationsereignisse weisen Merkmale der L1-
vermittelten Retrotransposition auf, wie Poly(A)-Enden, L1-EN-spezifische Konsensus-
Zielsequenz (NNAUNA), Zielsequenz-Verdoppelungen (TSDs), Mikrohomologien und
zusaetzliche Guanosin-Nukleotide am 5`-UEbergang.
Zusammenfassend demonstrieren die Ergebnisse dieser Studien, dass ein signifikanter Teil
der Mitglieder der human-spezifischen SVA-Subfamilie aus transkriptioneller Kontrolle
ihrer Source-Elemente durch externe Promotoren hervorgeht. Durch die in dieser Arbeit
durchgefuehrten in silico-Analysen wurde auch gezeigt, dass SVA-vermittelte 5`-
Transduktionsereignisse zur strukturellen Vielfalt der SVA-Elemente fuehren, und eine
neue Art von genomischen Umstrukturierungen darstellen, die zur Plastizitaet des
humanen Genoms beitragen. Ausserdem bestaetigen die Ergebnisse der Trans-
Mobilisierungsassays die Hypothese, dass SVA-Elemente tatsaechlich durch die L1-
kodierte Proteinmaschinerie trans-mobilisiert werden. Dabei sind Module am 5`-Ende der
SVA-Elemente fuer diesen Prozess hoechst relevant.
Die Ergebnisse der Dualen-Luciferase-Reportergen-Assays unterstuetzen die Hypothese,
dass innerhalb der SINE-R-Sequenz von SVA H19_27 cis-aktive Elemente vorhanden
sind, die auf aehnliche Weise wie die cis-aktiven Elemente innerhalb der 5`LTR von
HERV-K reguliert werden.
Ausserdem wurde in dieser Arbeit die Existenz interner reguatorischer Sequenzen
innerhalb der SVA-Sequenz bestaetigt. Mit Hilfe der Dualen-Luciferase-Reportergen-
Assays konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass SVA-Elemente cis-aktive Elemente
enthalten, die hauptsaechlich in der SINE-R-Region lokalisiert sind. Diese cis-aktiven
Elemente werden auf aehnliche Weise wie die cis-aktiven Elemente innerhalb der 5`LTR
von HERV-K reguliert. Die starke transkriptionelle Aktivitaet des vollstaendigen SVA-
Testelements und des L1RP-Promotors in den Teratokarzinom-Zelllinien bekraeftigen die
Annahme, dass haeufige SVA-Mobilisierung in Keimzellen durch die gleichzeitig
hochregulierte SVA- und L1-Transkription bedingt sein koennte.
Es konnte gezeigt werden, dass SVA-Elemente cis-aktive Elemente enthalten, die
hauptsaechlich in der SINE-R-Region lokalisiert sind, und auf aehnliche Weise wie die cis-
aktiven Elemente innerhalb der 5`LTR von HERV-K reguliert werden. Die starke
transkriptionelle Aktivitaet des vollstaendigen SVA-Testelements und des L1RP-Promotors
in Teratokarzinom-Zelllinien bestaetigen die Annahme, dass haeufige SVA-
Retrotransposition in Keimzellen durch die gleichzeitig hochregulierte SVA- und L1-
Transkription bedingt sein koennte.
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Die Rolle des Epstein-Barr-Virus bei der Entstehung des Burkitt-Lymphoms : virale microRNA-Expression und Erkennung viraler Genprodukte durch das angeborene Immunsystem
(2012)
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Sebastian Grömminger
- Das Burkitt Lymphom ist ein aggressives B-Zelllymphom, das in tropischen Regionen Afrikas und in Neu Guinea endemisch auftritt und vor allem bei Kindern vorkommt. Die sporadische Form des Burkitt Lymphoms tritt weltweit in geringerer Häufigkeit auf und betrifft alle Altersschichten. In nahezu allen endemischen Fällen ist das Epstein-Barr Virus in den Tumorzellen nachweisbar, jedoch nur in ca. 20 % der sporadischen Fälle. Der Beitrag von EBV zur Entstehung EBV-positiver Burkitt Lymphome ist seit über 50 Jahren EBV-Forschung ungeklärt. Im Jahr 2004 wurden im Genom des Epstein-Barr Virus eine Reihe von microRNAs entdeckt, die potentiell für die Pathogenese des EBV-positiven Burkitt Lymphoms relevant sein könnten. Da die Expression der viralen microRNAs seither für das Burkitt Lymphom nur unvollständig beschrieben worden sind, wurden sie in dieser Arbeit systematisch analysiert und dadurch ein vollständiges Expressionsprofil erstellt. Es konnte dabei keine Unterscheidung zwischen endemischen und sporadischen Fällen erreicht werden, jedoch wurden hierbei erstmals Fälle identifiziert, die trotz nachgewiesener EBV-Assoziation keine viralen microRNAs enthielten. Neben den viralen microRNAs könnten im Burkitt Lymphom auch die zellulären microRNAs für die Tumorentstehung von Bedeutung sein. Deshalb wurde in dieser Arbeit auch die Expression der zellulären microRNAs aus Burkitt Lymphom-Biopsien charakterisiert. Durch hierarchisches „Clustering“ bildeten sich drei Gruppen, die hauptsächlich durch An- und Abwesenheit von zwei microRNAs (miR21 und miR92a) definiert wurden, denen onkogenes Potential zugeschrieben wird. Die Expressionsmuster der einzelnen Gruppen weisen auf zelluläre Mechanismen der Pathogenese des Burkitt Lymphoms hin.
Die genetische Charakteristik des Burkitt Lymphoms ist eine Chromosomentranslokation, welche das Protoonkogen c MYC unter die Kontrolle von regulatorischen Elementen der Immunglobulingene bringt. Durch die somit erhöhte Transkription von c-MYC entfaltet das Genprodukt sein onkogenes Potential. Mutationen im offenen Leserahmen können dieses Potential zusätzlich verstärken. Da c MYC ein pleiotroper Transkriptionsfaktor ist und somit auf eine ganze Reihe zellulärer Prozesse Einfluss hat, bewirkt die Translokation massive Veränderungen in der Zelle. Vorangegangene Untersuchungen der Arbeitsgruppe zeigten, dass die antivirale Interferonantwort durch hohe c MYC-Expression unterdrückt wird. Diese Beobachtung liefert eine mögliche Erklärung für die Immunevasion von Burkitt Lymphom-Zellen, trotz Anwesenheit des EBV-Genoms. In Zelllinien, die aus Burkitt Lymphom-Biopsien generiert wurden, konnte gezeigt werden, dass EBV eine Interferoninduktion auslöst, die durch c-MYC unterdrückt wird. In dieser Arbeit konnte auch gezeigt werden, dass Epstein-Barr-virale Nukleinsäureprodukte durch den zytosolischen Rezeptor RIG-I Interferon induzieren, dieser aber durch die hohe c-MYC-Expression transkriptionell gehemmt wird. Neben RIG-I wurden weitere Rezeptoren und Mediatoren der Interferoninduktionskaskade identifiziert, die ebenfalls transkriptionell von c-MYC unterdrückt werden. Diese Ergebnisse stützen die Hypothese, dass c-MYC durch Unterdrückung der angeborenen Immunität die Immunevasion von Burkitt Lymphom-Zellen ermöglicht.
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Das humane endogene Retrovirus-K: Grundlagenforschung und Nutzen als Tumor-assoziiertes Antigen
(2011)
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Benjamin Kraus
- Fast die Hälfte des humanen Genoms besteht aus Retroelementen, die während der evolutiven Entwicklung des Menschen im Genom fixiert wurden. Im Wesentlichen kann man diese Retroelemente in DNA-Transposons, LINEs, SINEs und humane endogene Retroviren unterteilen, dabei nehmen die humanen endogenen Retroviren (HERV) 8% des humanen Genoms ein. Bei einer Unterfamilie, der HERV-K Familie, sind bis heute alle offenen Leserahmen erhalten geblieben. Nach heutigem Erkenntnisstand wird eine Expression dieser Elemente in somatischen Zellen jedoch strikt unterdrückt, denn eine Expression von Retroelementen könnte zu Insertionsmutagenesen führen und letztlich dem Organismus erheblichen Schaden zufügen.
Im Gegensatz dazu wird eine reaktivierte Expression von HERV-K häufig in einigen Tumorarten beobachtet: allen voran Keimzelltumore, Melanome und Brustkrebs. Außerdem können in Patienten, die an solchen Tumoren erkranken, häufig HERV-K spezifische Antikörper und mitunter auch gegen HERV-K-gerichtete T-Zellen nachgewiesen werden. Die strikte Unterdrückung der HERV-K Expression in gesunden, somatischen und eine reaktivierte Expression in entarteten Zellen machen HERV-K Proteine daher zu idealen Tumor-assoziierten Antigenen.
Auf Grundlage dieser Untersuchungen wurden, in dieser Arbeit, zwei potentielle Tumorvakzine, basierend auf dem hoch attenuierten Modifizierten Vacciniavirus Ankara (MVA) hergestellt. Durch homologe Rekombination wurde ein HERV-K gag-pro-pol transgenes MVAHKcon und ein HERV-K env transgenes MVAHKEnv hergestellt und charakterisiert. Darüber hinaus wurden die rekombinanten Viren in einem neu etablierten, syngenen Maus-Tumor-Modell untersucht. MVAHKcon immunisierte Mäuse zeigten eine starke humorale Immunantwort und waren in der Lage subkutane, HERV-K Gag positive Tumore fast vollständig zu eliminieren. MVAHKEnv immunisierte Mäuse zeigten dagegen eine moderate humorale Immunantwort und eine starke T-Zellantwort. Nach therapeutischer Immunisierung mit MVAHKEnv konnte im Mausmodell eine signifikante Reduktion an HERV-K Env positiven Lungenmetasten beobachtet werden. Außerdem konnte durch eine prophylaktische Immunisierung mit MVAHKEnv ein vollständiger Schutz der Mäuse vor der Ansiedlung HERV-K Env-exprimierender Tumore erreicht werden. Die hier vorgestellten HERV-K rekombinanten MVA könnten daher der erste Schritt zu einer Immuntherapie gegen reaktivierte Retroelemente in malignen Tumoren darstellen.
MVAHKcon infizierte Zellen produzieren und sekretieren große Mengen HERV-K Virus-ähnlicher Partikel (VLP) somit konnten auch grundlegende Fragestellungen der HERV-K Biologie geklärt
Zusammenfassung
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werden. Durch die Kombination massenspektrometrischer Analysen und N-terminaler Sequenzierungen konnten, die noch nicht bekannten Schnittstellen der retroviralen Protease im HERV-K Gag Protein identifiziert werden. Zudem wurde eine späte Domäne von HERV-K identifiziert und darüber hinaus Wechselwirkungen von HERV-K VLPs mit zellulären Restriktionsfaktoren wie APOBEC3G und CD317 studiert.
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Die Stellung des Darwinismus zur mechanistischen und vitalistischen Weltanschauung : Antrittsvorlesung, gehalten an der Universität Frankfurt a. M.
(1915)
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Otto Steche
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Untersuchungen zur Struktur und Wirkungsweise von Toxinen aus den Giften der Kegel- (Conidae) und Schraubenschnecken (Terebridae) und deren molekularbiologische Grundlagen
(2012)
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Yvonne Kendel
- Sowohl die Gifte der Kegel- (Conidae) als auch die der Schraubenschnecken (Terebridae) enthalten eine Vielzahl pharmakologisch aktiver Peptide. Vor allem die Conopeptide bzw. Conotoxine aus den Giften der Kegelschnecken werden aufgrund ihrer Selektivität für Ionenkanäle und Rezeptoren seit langem als Werkzeuge in der neuropharmakologischen Forschung eingesetzt. Hier rücken gerade neuronale nikotinische Acetylcholinrezeptoren immer mehr in den Fokus der medizinischen Forschung, da sie vermutlich an der Entwicklung neurodegenerativer Erkrankungen wie Alzheimer, Parkinson, Demenz, Schizophrenie und Epilepsie beteiligt sind. Ziel dieser Dissertation war es daher, neue Inhibitoren in den Giften Kegelschnecken (Conidae) und der Schraubenschnecken (Terebridae) für nikotinische Acetylcholinrezeptoren, vor allem der neuronalen Subtypen, zu identifizieren. Es erfolgte die:
1. Identifizierung neuer αD-Conotoxine
Aus den Giften von Conus capitaneus und C. mustelinus konnten zwei native αDConotoxine (αD-CAP und αD-MUS) isoliert und charakterisiert werden. Beide Toxine sind Homodimere mit Molekulargewichten von 11 kDa und inhibieren nikotinische ACh-Rezeptoren. Sie blockieren die Subtypen α7>α3β2>α4β2, wobei sich αD-MUS als potenter als αD-CAP erweist (IC50-Werte von αD-MUS: α7 0,12 nM, α3β2 1,08 nM, α4β2 4,5 nM; IC50-Werte von αD-CAP α7 0,25 nM, α3β2 2,8 nM, α4β2 28,6 nM). Hingegen haben die αD-Conotoxine auf die Rezeptorsubtypen α3β4, α4β4 und α1β1γδ keinen hemmenden Einfluss. Zusätzlich konnten drei weitere αD-Conotoxine mit Hilfe der cDNA von C. vexillum und C. betulinus identifiziert werden. Eine Besonderheit hierbei war, dass innerhalb der Familie der αD-Conotoxine zwei unterschiedliche Signalsequenzen vorkommen und somit diese Sequenzen nicht stark konserviert sind.
2. Charakterisierung des α-Conotoxins SI aus dem Gift von C. striatus
Im Gift der Kegelschnecke Conus striatus wurde ein Peptid mit inhibierender Wirkung an α7-Rezeptoren nachgewiesen. Molekulare Masse (1.352,5 Da) und Aminosäuresequenz entsprachen dem α-Conotoxin SI, das als Antagonist muskulärer nACh-Rezeptoren bekannt ist. Da die Ergebnisse mehrere Jahre zurück lagen und bisher keine Analysen im Oozytenexpressions-System durchgeführt wurden, wurdeeine mögliche Aktivität sowohl an neuronalen als auch an muskulären nACh-Rezeptoren vermutet. Voltage Clamp-Messungen bestätigten die spezifische Wirkung am Muskeltyp, wodurch die Aktivität am α7-Rezeptorsubtyp einem anderen Conopeptid, zugewiesen werden muss, das als Beiprodukt isoliert wurde.
3. Identifizierung neuer Conotoxine der A-Superfamilie Mit molekularbiologischen Methoden unter Nutzung von cDNA-Bibliotheken gelang es, 27 Conotoxine (17 neue und 10 bekannte) aus der A-Superfamilie zu identifizieren: drei α- und zwei κA-Conotoxine aus Conus striatus, zwei α-Conotoxine aus C. betulinus, zwei α- und zwei κA-Conotoxine aus C. carinatus, drei α-Conotoxine aus C. catus, drei α- und zwei κA-Conotoxine aus C. circumcisus, ein α-Conotoxin aus. C. geographus, zwei aus C. imperialis, jeweils eines aus C. lividus, C. quercinus, C. sponsalis sowie zwei aus C. terebra Die Vielzahl der identifizierten α-Conotoxine belegt die hohe Diversität dieser Toxine in den Giften der Kegelschecken. Anhand von Vergleichen mit bereits bekannten Toxinen werden die möglichen Wirkungsweisen einiger neuer α-Conotoxine diskutiert. Für einen Teil der α-Conotoxine wurden 3D-Strukturmodelle erstellt, die Einblicke in die Bindung der Toxine an den Rezeptor geben können.
4. Untersuchung der Gifte der Terebridae
Die inhibierende Aktivität einiger Gifte (Terebra consobrina, T. argus, Myurella affinis, Acus felina, A. chlorata, A. maculata und Hastulopsis pertusa) an nACh-Rezeptoren (α7, α3β2, α4β2, α3β4, α4β4 und α1β1γδ) wurde erstmals nachgewiesen. An Kalium- und Natriumkanälen zeigten die Giftextrakte keine Wirkung. Die Giftextrakte von Myurella affinis und Acus maculata waren am potentesten und blockierten alle untersuchten nACh-Rezeptoren. Dies ist besonders ungewöhnlich, da diese Terebriden-Arten nach der Literatur (Puillandre & Holford, 2010) keinen Giftapparat besitzen sollen. Eine weitere Auffälligkeit aller Terebriden-Giftextrakte war neben der Selektivität für a7-Rezeptorsubtypen, eine hohe Aktivität gegenüber α4-enthaltenden Rezeptoren. In den Giften und mit Hilfe von cDNA-Bibliotheken von Kegelschnecken konnte eine Vielzahl neuer Inhibitoren für neuronale nikotinische Acetylcholinrezeptoren identifiziert werden. Sie zeigen ein breites Wirkungsspektrum, das die unterschiedlichsten nAChRSubtypen einschließt, was ihre Verwendung als pharmaklogische Werkzeuge begrenzt. Hingegen zeigen die Gifte der Schraubenschnecken ein Selektivitätsspektrum, das die Analyse ihrer Peptide als vielversprechend erscheinen lässt.
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Untersuchung der Ribosomen-Biogenese der Hefe Saccharomyces cerevisiae: Funktion der Klasse I Methyltransferase Rrp8
(2012)
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Christian Peifer
- In dieser Arbeit wurde die physiologische Funktion der Klasse I Methyltransferase Rrp8 bei der Ribosomen-Biogenese der Hefe Saccharomyces cerevisiae untersucht. Ziel war es, die Bedeutung des Proteins für die rRNA-Prozessierungsschritte besser zu verstehen und das Substratmolekül zu identifizieren, das durch die katalytische Aktivität von Rrp8p modifiziert wird.
In einer rrp8-ΔC Mutante, bei der die für die C-terminale Methyltransferase-Domäne codierende Sequenz deletiert vorlag, konnte eine leichte Mengenreduktion der 40S Untereinheit gefunden werden, was für eine Beteiligung von Rrp8p an der Biogenese der kleinen Untereinheit sprach. Unter Anwendung eines artifiziellen Tetrazyklin-Aptamer-Systems, das die Regulation der Expression eines spezifischen Gens erlaubt, wurde eine bereits vorher bekannte synthetische Interaktion mit der essentiellen 90SKomponente Nep1p bestätigt. Mit Hilfe dieses Expressionssystems konnte auch für eine reduzierte Expression von Nop14p, einem Interaktionspartner des Nep1-Proteins, eine synthetisch kranke Beziehung mit rrp8-ΔC festgestellt werden. Zusammen mit der Untersuchung des Sedimentationsverhaltens eines markierten Rrp8-Proteins und bekannten Daten aus der Literatur wiesen die genetischen Analysen darauf hin, dass Rrp8p neben dem Einfluss auf späte Reifungsschritte des 90S prä-Ribosoms auch für die frühen Reifungsschritte der 60S Untereinheit wichtig ist. Weitere Interaktionen mit Faktoren, die an der Translation beteiligt sind (TIF4631, DOM34) und die Messung der Translationsaktivität zeigten, dass der Ausfall von Rrp8p nicht nur die Biogenese verzögert, sondern gleichfalls die Funktionsfähigkeit des Ribosoms beeinflusst.
Die in dieser Arbeit durchgeführte phänotypische Analyse einer rrp8-ΔC tc-GAR1 Doppelmutante unterstützte die Vermutung, dass Rrp8p auch frühe Reifungsschritte der 60S Untereinheit beeinflusst. Mit einem in vitro Experiment konnte die Bindung von SAM an Rrp8p gezeigt werden und RP-HPLC Analysen der 25S rRNA verdeutlichten, dass Rrp8p neben dem Einfluss auf die Prozessierungsstelle A2 für die m1A645 Modifikation in Helix 25.1 verantwortlich ist. Die phänotypische Untersuchung einer von P. Kötter und S. Lamberth angefertigten rRNA Mutante (A645U) zeigte, dass die Sequenzveränderung innerhalb der Helix 25.1 der 25S rRNA, die zugleich zum Verlust der Modifikation führt, eine deutliche Auswirkung auf das Zellwachstum und auf das Polysomenprofil hat. Ähnliche Polysomenprofile wurden in den Mutanten rrp8-G209R und rrp8-G209A beobachtet, die ein punktmutiertes Rrp8-Protein exprimieren. Eine reduzierte SAM-Bindungsaktivität des mutierten Proteins führte ebenfalls zu einer reduzierten Menge an m1A645 modifizierter 25S rRNA. Eine im Unterschied zur rrp8-ΔC Mutante auftretende Reduktion der 60S Untereinheit in den Punktmutanten spricht für einen bisher noch unbekannten Einfluss von Rrp8p auf die Biogenese der 60S Untereinheit.
In Zusammenarbeit mit S. Sharma durchgeführte 2D-DIGE Experimente und quantitative Messungen von Transkriptmengen zeigten, dass im Vergleich zu einem Wildtyp-Stamm in einer rrp8-ΔC Mutante einige glykolytische Enzyme in geringerem Maße exprimiert werden, was in Zusammenhang mit einer in höheren Eukaryoten bekannten nukleolären Stressantwort gebracht werden kann. Dies verdeutlicht die komplexe Wechselwirkung zwischen der Ribosomenfunktion und dem Energiemetabolismus.
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Biochemische und funktionelle Analyse des synaptischen Vesikelproteins SV31
(2012)
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Jörn Barth
- Im Rahmen dieser Arbeit konnte die Bindeeigenschaft des synaptischen Vesikelproteins SV31 zu den divalenten Metallionen Zn2+, Ni2+ sowie Cu2+ nachgewiesen und reproduziert werden. Die Bindung an Zn2+ wurde dabei sowohl in vitro an der Sepharosesäule als auch in vivo in NGF-differenzierten PC12-Zellen bestätigt (3.2.1 - 3.2.3). In einer Kollaboration mit dem Max-Planck-Institut für Biophysik wurde des Weiteren eine mögliche Zinktransportfunktion von SV31 untersucht. Dafür wurde die Ladungstranslokation durch myc-SV31-enthaltene CHO-Zellmembranen nach Zinkzugabe gemessen (3.2.5). Weiterhin konnte durch subzelluläre Fraktionierung von PC12-Zellen ein Verteilungsmuster des neuen Proteins in Mikrosomen unterschiedlicher Dichte dokumentiert werden. Durch die andauernde Expression von SV31-RFP in stabil transfizierten PC12-Zellen kommt es außerdem zur Beeinflussung des Expressionsmusters zahlreicher Markerproteine und damit einhergehend zu einer Dichteverschiebung somatischer Organellen (3.3.1 - 3.3.3). Kolokalisationsstudien von SV31 mit Markerproteinen zahlreicher Zellorganellen ergaben partielle Fluoreszenzüberlagerungen mit synaptischen Vesikelproteinen sowie eine Anreicherung von SV31 in Nähe der Plasmamembran. In diesem Zusammenhang zeigt sich ebenfalls eine Übereinstimmung der Lokalisation von SV31 mit den SNAREProteinen SNAP25 und Syntaxin1A (3.4.1 - 3.4.3). Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit erweitern nicht nur das Wissen um die funktionellen Eigenschaften von SV31, sie geben auch Anlass zum Nachdenken über mögliche Interaktionspartner des neuen Vesikelproteins. Die Fähigkeit zur Zinkbindung und -akkumulation auf präsynaptischer Seite rückt SV31, im Hinblick auf neurodegenerative Erkrankungen wie Alzheimer und Parkinson, auch in einen medizinisch relevanten Kontext. Durch Deduktion der hier aufgezeigten Ergebnisse entsteht ein erweitertes Verständnis der Relevanz von SV31 als funktionelle, zinkbindende Einheit im Rahmen der synaptischen Transmission.
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Phykologie - Blütezeiten und Ruhepausen einer Wissenschaft im Nebenamt (Fallbeispiel Grünalgen)
(2002)
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Dieter Mollenhauer
- Phykologie (Algenforschung) ist der Öffentlichkeit dem Namen nach und als wissenschaftliche Disziplin kaum geläufig. Innerhalb der Botanik (Biologie) besteht die Algenkunde gleichsam "implizit" als eine Vielfalt von Entwicklungssträngen, die selten gebündelt sind, vielmehr leicht immer wieder abreißen können, denen sich aber immer wieder auch neue Stränge hinzugesellen. Die Phykologie erforscht, im Gegensatz etwa zum Studium der Blütenpflanzen, nur wenige aus dem Alltagsleben vertraute Gewächse. Ihre Untersuchungsobjekte wurden (und werden immer noch) erst nach und nach entdeckt, weshalb sich die Vorstellung, was eine Alge ist, ständig wandelt. Viele sind ohne Mikroskop gar nicht wahrzunehmen. Forschungsgegenstand und Forschungsaufgabe bilden durch ihre fortwährende Umgestaltung die Leitgedanken der Botanik und Biologie überhaupt ab, wobei die Beziehung reziprok ist. Eine lebhafte Fluktuation von ausübenden Personen und Paradigmata ist ebenso charakteristisch für die Phykologie wie eine ausgeprägte Inter- bzw. Transdisziplinarität und ein hohes aktives internes Innovationspotential. Am Beispiel der traditionellen, heute so nicht mehr bestehenden, »Chlorophyta« wird untersucht, wie diese Sippe zunächst für makroskopisch sichtbare Meeresalgen etabliert wurde. Dann wurden ihr schrittweise verschiedene binnenländische Formenkreise von Algen zugeordnet, bis hin zu den grünen Phytoflagellaten. In der jüngsten Entwicklungsphase haben sich die "grünen Algen" als heterogener Komplex mehrerer voneinander unabhängiger Entwicklungslinien erwiesen, die bis auf eine über das Niveau der Algen nicht hinausgekommen sind, wohl aber zum Landleben fähige Vertreter haben. Als Wurzelbereich der echten Landpflanzen erwies sich überraschend ein kleiner Verwandtschaftsbereich der Algenklasse der Charophyceae.
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Proteinproduktion und Strukturuntersuchungen von Natrium/Protonen-Austauschern
(2006)
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Matthias Appel
- Natrium/Protonen-Austauscher sind integrale Proteine biologischer Membranen und aufgrund ihrer funktionalen Abhängigkeit von einem elektrochemischen Gradienten der Klasse der Sekundärtransporter zugeordnet. Sie spielen eine essentielle Rolle sowohl in der Adaption von Bakterien an eine saline, alkalische Umgebung, als auch in der Regulation des intrazellulären pH- und Natriumhaushalts in Eukaryonten. Aufgrund der medizinischen Relevanz, unter anderem im Rahmen in der Behandlung des Herzinfarkts, besteht großes Interesse an der Struktur und den biochemischen Charakteristika des im Menschen ubiquitär vorkommenden Natrium/Protonen-Austauschers NHE1. Die heterologe und funktional aktive Produktion eukaryontischer Membranproteine stellt jedoch immer noch eine enorme Herausforderung dar, bei der sich das auf dem Semliki Forest Virus basierende Expressionssystem als gut geeignet erwiesen hat. Da die Überexpression von NHE1 mittels verschiedener eukaryontischer Expressionssysteme bisher kein kristallisationsfähiges Material liefern konnte, sollte in dieser Arbeit die heterologe Gewinnung von NHE1 mit dem Semliki Forest Virus Expressionssystem ermöglicht werden. Das Semliki Forest Virus Expressionssystem wurde auf Basis eines Vektorkonstrukts mit GFP zur späteren Übertragung der Parameter auf die Produktion von NHE1 etabliert. Konstrukte von NHE1 mit N- und C-terminalem Affinitäts-Tag wurden erfolgreich kloniert und zur Infektion von BHK-21 Zellkulturen eingesetzt. Dabei konnte beobachtet werden, dass der N-Terminus abgespalten wird und wahrscheinlich als Signalpeptid zum Einbau in die Membran dient. Das Protein wurde im Endoplasmatischen Retikulum lokalisiert, wo die Glykosylierung zum Transport in die Plasmamembran unterbleibt, was auf eine Interferenz mit der Virusinfektion zurückgeführt wurde. Eine Infektion der Zellen mit dem Semliki Forest Virus hat neben einem bereits bekannten massiven Anstieg des intrazellulären Natriumgehalts eine starke Alkalinisierung des Zytoplasma zur Folge. Ähnliches ist bisher über die Infektion von Zellen mit dem Poliovirus bekannt und stellt dort ein Schlüsselelement in der Sicherstellung der viralen Replikation dar, was auch für das Semliki Forest Virus zu gelten scheint. Die Expression von NHE1 konnte im 8 Liter-Maßstab optimiert und sowohl die Präparation als auch die Solubilisierung mit verschiedenen Detergenzien erfolgreich eingeführt werden. NHE1 erfährt jedoch bereits in vivo einen erheblichen proteolytischen Abbau, der sich während der Membranpräparation und Aufreinigung fortsetzt und zu einer Fragmentierung führt, die trotz des Einsatzes unterschiedlicher Kultivierungszeiten, Detergenzien, Additive oder Proteaseinhibitoren in vivo als auch in vitro nicht in einem Maße reduziert werden konnte, welches zur Gewinnung von kristallisationsfähigem Material erforderlich gewesen wäre. Es muss empfohlen werden einen in vivo Ansatz zu etablieren, um die proteolytische Degradation zu unterdrücken. Da die Virusreplikation nicht erforderlich ist, wäre Bafilomycin als Inhibitor der V-Typ ATPase geeignet, um die intrazelluläre Alkalinisierung und somit wahrscheinlich den Abbau von NHE1 zu verhindern. Ebenso erscheint der Einsatz von MG-132 zur spezifischen Inhibierung des Proteasoms Erfolg versprechend, was aber wegen hoher Kosten praktisch kaum in Frage kommt. Da man trotz individuell gelagerter Unterschiede zwischen den einzelnen Natrium/Protonen-Austauschern von einem ähnlichen Prinzip in Regulation und Transport ausgeht, wurden Strukturuntersuchungen mit Hilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie am bakteriellen Natrium/Protonen-Antiporter NhaA aus Escherichia coli durchgeführt, um die strukturelle Basis der pH-Wahrnehmung und die Translokation von Natrium in das Periplasma besser zu verstehen. Die vorliegende Röntgen- und EM-Struktur repräsentieren den inaktiven Zustand, weshalb der eigentliche Ablauf des Transportvorgangs bisher biochemisch herzuleiten war, da bislang keine Kristalle im aktiven Zustand gezüchtet werden konnten. Durch die in situ Inkubation von 2D-Kristallen konnten aktive Zustände des Proteins direkt auf dem EM-Netz induziert und kryo-elektronenmikroskopisch festgehalten werden. Einzelne Datensätzen wiesen Reflexe bis zu 5 Å auf. Aus den angefertigten Projektionsdichte- und Differenzkarten ergaben sich pH- und Natrium-abhängige Konformationsänderungen. Die Röntgenstruktur wurde mit Hilfe des Molekularen Ersatzes in die EM-Struktur eingepasst und diente der Zuordnung und Interpretation der beobachteten Zustände als Basis. Die pH-abhängige Konformationsänderung wurde einem mit der funktional wichtigen Helix 9 assoziierten Bereich zugeordnet, welcher durch die Röntgenstruktur nicht definiert ist und wahrscheinlich die fehlenden Aminosäuren des regulatorisch relevanten N-Terminus enthält. Die beobachtete Konformationsänderung stellt das Entstehen einer besser geordneten Struktur dar und geht mit der pH-regulierten Aktivierung von NhaA zwischen pH 6 und 7 einher, weshalb dieser Bereich des Proteins zumindest als Bestandteil des sogenannten pH-Sensors betrachtet werden kann. Nach der vollständigen Aktivierung durch den pH-Wert, welche der folgenden Natrium-abhängigen Konformationsänderung vorauslaufen muss, konnte beobachtet werden, dass die Präsenz von Natrium im Rahmen der Ionentranslokation eine Bewegung des periplasmatischen Teils von Helix 4 induziert. Es wäre interessant, eine tiefergehende und genauere Charakterisierung der beobachteten Konformationsänderungen durch die Erstellung einer dreidimensionalen EM-Dichtekarte zu ermöglichen. Des Weiteren hat die eingehendere Untersuchung des röntgenkristallographischen Monomers nach der Einpassung in das physiologisch vorliegende Dimer der EM-Struktur sowohl eine für Membranproteine neuartige „Joint β-Sheet“ Dimerisierungsdomäne im Periplasma, als auch eine Verzahnung von Helix 7 und 9 an der Monomer-Monomer-Grenze aufgezeigt. Diesen Charakteristika kommt wahrscheinlich eine tragende Rolle in der Dimerisierung von NhaA zu, was durch weitere Untersuchungen im Rahmen einer Mutagenesestudie unter Einbeziehung der periplasmatischen β-Haarnadelstrukturen überprüft werden sollte.
