Biologische Hochschulschriften (Goethe-Universität; nur lokal zugänglich)
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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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Production ecology of tropical rain forests in southwestern Cambodia : I. Plant biomass
(1969)
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Kazuo Hozumi
Kyoji Yoda
Shohei Kokawa
Tatuo Kira
- Summary:
1) Three types of forest, evergreen seasonal forest, heath forest and Melaleuca swamp forest, were distinguished and studied in the vicinity of Cheko in southwestern Cambodia, where moist tropical climate with a pronounced dry season in three winter months prevails.
2) These three forest types respectively occupied deep latosol derived from sandstone, very sandy soil around the swamp forest, and deep deposit of silica sand with underground hardpan in shallow valleys.
3) Total plant biomass was estimated by the allometric method based on some 140 sample trees (DBH24.5 cm) which were felled in four sample plots (two 50 mX50 m plots in the evergreen seasonal forest, and each one 20 m x 50 m plot in the other two types). Biomass of ground vegetation was estimated separately by similar technique and clipping.
4) The biomass of evergreen seasonal forest was estimated as follows. Stem 215 ton/ha, branch 99 ton/ha, root 61 ton/ha, leaf 7.3 ton/ha, leaf area index 7.4 ha/ha, density of trees over 4.5 cm DBH 1,280/ha, relative basal area of Whole stand 3.19 o/oo.
5) The biomass of heath forest was as follows. Stem 111 ton/ha, branch 35 ton/ha·, root 19 ton/ha, leaf 7.7 ton/ha, leaf area index 7.1 ha/ha, tree density 2,570/ha, relative basal area 2.3 o/oo.
6) The biomass of M elaleuca swamp forest was as follows. Stem 7.4 ton/ha, branch 3.9 ton/ha, root 2.6 ton/ha, leaf 0.79 ton/ha, leaf area index 0.37, undergrowth of sedge 2.57 ton/ha, tree density 200/ha, relative basal area of trees 0.35 o/oo.
7) It was found that the biomass of small trees (4.5 cm>DBH>1 cm) and ground vegetation (4.5 cm <= DBH) was so unevenly distributed over the forest floor that a few hundred square meters of sample area would be needed for estimating them at a moderate level of statistical reliability.
8) The estimated biomass of the evergreen seasonal forest was compared with the data hitherto obtained in moist tropical forests of Cote d'Ivoire and Thailand. The forest of Cheko was found to have the biomass equivalent to other rain forests, but to be characterized by a specific DBH-tree height curve, a rather small leaf area index and a high value of leaf area/leaf weight ratio.
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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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Der Vitamin-D-Rezeptor als Konvergenzpunkt Butyrat-induzierter Zelldifferenzierung
(2002)
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Tanja Gaschott
- Einleitung: Die kurzkettige Fettsäure Butyrat, die im Gastrointestinaltrakt durch bakterielle Fermentation aus nicht resorbierten Ballaststoffen und komplexen Kohlenhydraten der Nahrung gebildet wird, konnte in zahlreichen in vitro-Untersuchungen ihre chemopräventiven Eigenschaften demonstrieren. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die molekularen Mechanismen der Butyrat-induzierten Differenzierung und Wachstumshemmung von Kolonkarzinomzellen näher zu charakterisieren. Methodik: Die Versuche wurden an den kolorektalen Karzinomzelllinien Caco-2 und SW620 durchgeführt, die unter Standardbedingungen kultiviert wurden. Für einen Teil der Experimente wurden zusätzlich die Pankreaskarzinomzelllinien MiaPaca-2 und Capan-1 verwendet. Zytotoxische Effekte wurden durch Messung des Enzyms Laktatdehydrogenase im Überstand ausgeschlossen. Die Zellzahl wurde mittels Kristallviolettfärbung und die Proliferation über den Einbau von 5-Bromo-2‘-deoxyuridin (BrdU) während der DNA-Synthese bestimmt. Die Zelldifferenzierung wurde anhand der Aktivität des Enzyms alkalische Phosphatase quantifiziert. Rezeptorbindungsstudien mit [3H]1,25-Dihydroxyvitamin D3 wurden zur Ermittlung der Vitamin D Rezeptor- (VDR-) Bindungsaktivität durchgeführt, die Menge an VDR mRNA wurde über PCR quantifiziert. Die Proteine wurden mittels Western Blot und die Zellzyklusdistribution mit Hilfe eines Durchflusszytometers analysiert. Ergebnisse: Butyrat [3 mmol/L] sowie sein Prodrug Tributyrin, in 3-fach niedrigerer Konzentration eingesetzt ([1 mmol/L]), hemmten das Wachstum der Pankreaskarzinom-zelllinien MiaPaca-2 und Capan-1 ähnlich effektiv. Auch die apoptose- und differenzierungsfördernden Wirkungen von Butyrat und Tributyrin waren vergleichbar. In der Kolonkarzinomzelllinie Caco-2 erwies sich Butyrat in der Wachstumshemmung und Differenzierungsinduktion als etwas stärker wirksam. 1,25-Dihydroxyvitamin D3 (1,25-(OH)2D3) [10-6 mol/L] besaß in der Zelllinie Caco-2 ebenfalls proliferationshemmende und differenzierungsinduzierende Eigenschaften, die allerdings nur mäßig ausgeprägt waren. Die Kombination aus Butyrat und 1,25-(OH)2D3 wies in etwa eine additive antiproliferative Wirkung auf, wohingegen die Zelldifferenzierung synergistisch verstärkt wurde. Der potenzierende Effekt auf die Differenzierung ließ sich in der Pankreaskarzinomzelllinie Capan-1 bestätigen. Rezeptorbindungsstudien in Caco-2 Zellen ergaben, dass Tributyrin die spezifische Bindung von 1,25-(OH)2D3 an seinen Rezeptor erhöhte, ohne die Affinität des Liganden zu seinem Rezeptor zu beeinflussen. Auf RNA- und Proteinebene ließ sich eine zeit- und dosisabhängige Steigerung der VDR-Expression durch Tributyrin oder Butyrat in den Kolonkarzinomzelllinien Caco-2 und SW620 beobachten. Andere kurzkettige Fettsäuren ähnlicher Struktur beeinflussten hingegen die VDR-Expression in Caco-2 Zellen nur geringfügig oder gar nicht. Die Butyrat-induzierte Differenzierung von Caco-2, SW620 und Capan-1 Zellen ließ sich durch die Kombination mit dem VDR-Antagonisten ZK 191732 [10-5 mol/L] aufheben. Auch der durch die 48-stündige Butyrat-Behandlung von Caco-2 und SW620 Zellen verursachte G0/G1-Zellzyklusstop verschwand vollständig nach Koinkubation mit ZK 191732. Die genauere Untersuchung des molekularen Mechanismus, der dem Butyrat-induzierten Zellzyklusstop zugrundelag, erbrachte eine verminderte Expression der zellzyklusregulierenden Proteine Cyclin D1, E und A sowie der cyclinabhängigen Kinasen cdk2, 4 und 6 durch Butyrat. Weiterhin verstärkte Butyrat die Expression der cdk-Inhibitoren p21Waf1/Cip1 und p27Kip1. Die Butyat-induzierten Veränderungen in den Proteinmengen von p21Waf1/Cip1, cdk6 und Cyclin A ließen sich durch die Kombination mit 1,25-(OH)2D3 synergistisch verstärken und durch die Koinkubation mit ZK 191732 aufheben. Im Gegensatz hierzu wurden die durch Butyrat verursachten Änderungen in der Expression von p27Kip1, cdk2, cdk4, Cyclin D1 und Cyclin E weder durch 1,25-(OH)2D3 verstärkt noch durch den VDR-Antagonisten vermindert. Schlussfolgerung: Die Ergebnisse demonstrieren, dass Butyrat, das natürlicherweise durch die Nahrung im Darmlumen präsent ist, eine Reihe zellulärer Prozesse in Kolonkarzinomzellen beeinflusst, die schließlich in einer Proliferationshemmung, Differenzierung und Apoptose der Zellen resultieren. An der Regulation dieser Prozesse durch Butyrat ist der VDR zumindest teilweise beteiligt. Dies erklärt die synergistische Wirkung der Kombination aus Butyrat und 1,25-(OH)2D3 auf die Zelldifferenzierung, den Zellzyklusstop sowie auf die Expression verschiedener zellzyklusregulatorischer Proteine in Karzinomzellen. Die vorliegenden Daten weisen darauf hin, dass Butyrat, als Prodrug in Form von Tributyrin verabreicht, von pharmakologischem Interesse hinsichtlich der Chemoprävention oder -therapie des Kolonkarzinoms sein könnte.
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Untersuchungen zur Bioanalytik und zum Metabolismus des Kokainpyrolyseprodukts Anhydroecgoninmethylester
(2003)
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Anabel Fandiño
- Das Rauchen von Kokain („Crack“) hat sich in den letzten Jahren weltweit verbreitet und Crack hat eine wichtige Stellung in der Gruppe der harten Drogen eingenommen. Der inhalative Konsum unterscheidet sich von den anderen Formen der Kokain-Aufnahme durch seine schnelle und intensive Wirkung sowie durch einen sehr starken, unkontrollierten Drang zum erneuten Konsum. Schwere gesundheitliche Schäden sind die Folge sowie auch soziale Isolierung und zwischenmenschliche Konflikte. Da zur Finanzierung der Crack-Sucht häufig Straftaten begangen werden, sind diese Fälle forensisch von besonderem Interesse. Im Gegensatz zum nasalen oder intravenösen Konsum entsteht ausschließlich beim Rauchen das Pyrolyseprodukt Anhydroecgoninmethylester (AEME), welches deshalb als Marker für einen Crack-Konsum angesehen wird. Die toxikologischen Aspekte dieser Substanz sind nicht ausreichend untersucht, um dessen toxikologisches Potential abschätzen zu können. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit sollten analytische Methoden entwickelt und der Metabolismus von AEME untersucht werden, um Daten an authentischen Proben von Kokainkonsumenten erheben zu können.
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Regulation of the catalytic subunits of NADPH oxidase Nox1 and NOX4 in rat mesangial cells
(2005)
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Miriam Pleskova
- The generation of O2- by NADPH oxidaes was mainly attributed to immune cells that kill invading bacteria or cancer cells. But importantly, in the past several years, several homologs of the catalytic subunit gp91phox (Nox2) of the phagocytic NADPH oxidase have been identified in non-immune cells and tissues. Superoxide production derived from NADPH oxidaes has been shown to play a role not only in host defense but also in defined signaling cascades mediating growth and apoptosis. The aim of this work was to study the expression and the regulation of the”new” Nox isoforms in rat renal mesangial cells (MC). In particular the following results were achieved. 1) mRNA’s for both Nox1 and Nox4 were detected by RT-PCR. 2) Nox1 mRNA levels were increased upon exposure to basic fibroblast growth factor (bFGF), platelet-derived growth factor (PDGF) and fetal calf serum (FCS) in a time- and dose-dependent manner. Exposure of MC to bFGF and FCS increased also basal production of reactive oxygen species (ROS) by MC. By contrast, Nox4 mRNA levels were not significantly affected by bFGF treatment, but were markedly down-regulated by PDGF and FCS. 3) To study the regulation of Nox1 on the protein level, an anti-Nox1 antibody was generated and characterized using affinity chromatography. Up-regulation of Nox1 expression by growth factors was confirmed also on the protein level. 4) Based on the already known cDNA sequence for Nox1, the transcriptional start site was determined by the “gene RACE” technique. 2547 bp of the genomic sequence of the 5´-flanking region of the Nox1 gene were cloned and sequenced using the „Genome-Walking“ method. To study the regulation of Nox1 transcription functional Nox1 promoter/luciferase fusions were be established. MC were transiently transfected with different promoter/luciferase constructs and stimulated with growth factors. By measuring luciferase activity it was determined that growth factors induced the Nox1 transcription and that the Nox1 core promoter is sufficient for the activation. 5) By measurement of superoxide radicals and analysis of Nox1 mRNA expression by quantitative RT-PCR (TaqMan) as well as protein level by Western blotting it could be shown that treatment of MC with NO donors inhibited the expression of Nox1 in a time- and dose-dependent manner. Moreover, using activators and inhibitors of the soluble guanylyl cyclase (sGC) it could be shown, that the activation of sGC mediates the effect of NO on Nox1 expression. However, NO had no inhibitory effect on Nox1 promoter activity. Experiments with the inhibitor of transcription, actinomycin D, suggest that NO-mediated regulation of Nox1 is triggered probably via post-transcriptional mechanisms. Nox4 is regulated on the mRNA levels in a similar manner as Nox1. 6) To analyze the sub-cellular localization of the Nox isoforms, coding sequences for Nox1 and Nox4 were fused together with green fluorescent protein into the pEGFP-N1 demonstrated that both isoforms are localized predominantly in the plasma membrane, but also in the perinuclear region and cytoplasm. However, the localization of Nox1 in the plasma membrane was more pronounced. 7) In addition to Nox1 and Nox4, mRNA of the newly identified NOXA1 that is a homolog of the p67phox subunit of NADPH oxidase was detected in MC by RT-PCR.
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Charakterisierung der Tyrosinphosphorylierung der NO-sensitiven Guanylat-Cyclase und des Interaktionspartners AGAP1
(2005)
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Sylke Pioch
- Die NO-sensitive Guanylat-Cyclase (GC), der wichtigste physiologische Rezeptor für Stickstoffmonoxid (NO), ist an der Produktion des sekundären Botenstoffes cGMP beteiligt. Die GC ist ein obligates Heterodimer bestehend aus je einer alpha- und einer beta-Untereinheit, wobei die alphabeta-Isoform am häufigsten vorkommt. Die Bindung von NO an die prosthetische Häm-Gruppe der beta-Untereinheit führt zur Aktivierung des Enzyms. Das dabei gebildete cGMP bindet an Effektorproteine wie Proteinkinase G, Phosphodiesterasen und Ionenkanäle und vermittelt dadurch seine zellulären Effekte. Der Mechanismus der NO-induzierten Aktivierung der GC ist weitgehend bekannt; hingegen ist bisher nur wenig über alternative Regulationsmodi der GC wie zum Beispiel Phosphorylierung, Protein-Protein-Interaktion oder Translokation bekannt. Aufgabe der vorliegenden Arbeit war es daher, die Phosphorylierung der GC durch Tyrosinkinasen der Src-Familie sowie den GC-Interaktionspartner AGAP1 zu untersuchen. Die Tyrosinphosphorylierung der GC konnte in Gegenwart von Protein-Tyrosinphosphatase-Inhibitoren wie Pervanadat erstmals in endogenen Zellen wie Thrombozyten und vaskulären glatten Muskelzellen nachgewiesen werden. Untersuchungen mit dem Inhibitor SU6656 zeigten, dass Kinasen der Src-Familie an der Pervanadat-induzierten Phosphorylierung beteiligt sind. In Überexpressionssystemen wurde die GC durch Src und Fyn phosphoryliert, wobei Src hier deutlich effektiver war. Zudem kann Src die beta-Untereinheit der GC in vitro direkt phosphorylieren. Die Verwendung von Kinase-knockout-Zellen zeigte, dass neben Src auch andere Kinasen die GC-Phosphorylierung vermitteln können. Src interagiert mit dem Holoenzym der GC, wenn der Tyrosinrest 192 der beta-Untereinheit phosphoryliert ist. Hierbei bindet Src über seine SH2-Domäne an die GC. Mit der GC assoziiertes Src kann mindestens einen weiteren Tyrosinrest der beta-Untereinheit phosphorylieren. Ferner weisen einige Resultate auf eine zweite Bindungsstelle hin, die unabhängig von Tyrosin-192 und der SH2-Domäne ist. Experimente zur Lokalisation deuten auf eine möglicherweise durch Src vermittelte Translokation der Guanylat-Cyclase zur Plasmamembran hin. Ein weiterer Teil dieser Arbeit befasste sich mit AGAP1, einem etablierten Interaktionspartner der GC. AGAP1 ist am endosomalen Vesikeltransport beteiligt, indem es die Aktivität von Arf-GTPasen Phospholipid-abhängig stimulieren kann. In dieser Arbeit zeigte sich, dass AGAP1 über seinen N-Terminus sowie einen oder mehrere Segmente des C-Terminus dimerisiert. Außerdem kann AGAP1 über seine Pleckstrin-Homologie-Domäne an Phosphatidylinositol- Monophosphate und Phosphatidylinositol 3,4-bisphosphat binden. Zusammenfassend betrachtet zeigt diese Arbeit neue potentielle Regulationsmechanismen der NO-sensitiven Guanylat-Cyclase durch Tyrosinphosphorylierung und durch die Interaktion mit der Tyrosinkinase Src und dem Multidomänen-Protein AGAP1 auf. Hierbei wird deutlich, dass der NO/cGMP-Signalweg, die Tyrosinphosphorylierungs-Kaskaden und der Vesikeltransport regulatorisch ineinander greifen.
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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.
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Biochemische Charakterisierung einer cyanobakteriellen ß-Carotin-Monoketolase und ihre funktionelle Expression in höheren Pflanzen
(2006)
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Tanja Gerjets
- In der vorliegenden Arbeit konnte die β-Carotin-Ketolase aus dem Cyanobakterium Synechocystis PCC 6803 nach heterologer Expression in E. coli gereinigt und enzymatisch charakterisiert werden. Die Funktion der β-Carotin-Ketolase wurde in vivo durch Komplementierung von β- Carotin-produzierenden E. coli-Transformanten überprüft. Die β-Carotin-Ketolase agierte hier auch als Diketolase und synthetisierte sowohl Echinenon als auch Canthaxanthin. Untersuchungen der Substratspezifität der β-Carotin-Ketolase in vivo und in vitro ergaben, daß nur Carotinoide erkannt werden, die einen β-Iononring ohne Hydroxygruppe in Position C3 aufwiesen. So wurden die Carotinoide β-Carotin, Echinenon, β-Cryptoxanthin und α-Carotin als Substrate erkannt und zu Echinenon, Canthaxanthin, 3’-Hydroxyechinenon und 4-Keto-α-Carotin umgesetzt. Zeaxanthin, 3’-Hydroxyechinenon, 4-Ketozeaxanthin sind keine Substrate der β-Carotin-Ketolase. Die β-Carotin-Ketolase kann einen ε-Iononring, wie in α-Carotin, nicht modifizieren. Die β-Carotin-Ketolase mit einer apparenten Molmasse von 61 kDa wurde durch pPQE30crtO und pPEU30crtO als rekombinantes Polypeptid mit sechs N-terminalen Histidinen in E. coli heterolog exprimiert. Die kinetischen Parameter der β-Carotin-Ketolase konnten in in vitro-Enzymaktivitätstests bestimmt werden. Der KM-Wert für das Substrat β-Carotin lag bei 41,6 μM und der dazugehörende Vmax-Wert bei 1,318 μmol mg-1 h-1. Für das Substrat Echinenon wurde ein KM-Wert von 35,3 μM und ein Vmax-Wert von 0,339 μmol mg-1 h-1 ermittelt. Die Spezifität der β-Carotin-Ketolase war für β-Carotin dreimal höher als für Echinenon. Es konnte keine Kofaktorabhängigkeit nachgewiesen werden, aber eine starke Abhängigkeit der β-Carotin-Ketolase von molekularem Sauerstoff. Die Zugabe des Detergenz Nonidet P-40 in in vitro-Enzymaktivitätstests erhöhte die enzymatische Aktivität der β-Carotin-Ketolase deutlich. Durch die Metallionen-Affinitätschromatographie konnte das Enzym annährend zur Homogenität (93%) unter Erhalt seiner enzymatischen Aktivität gereinigt werden. Dabei blieb die enzymatische Aktivität der β-Carotin-Ketolase nicht nur erhalten, sondern steigerte sich im Vergleich zur Aktivität in der cytosolischen Fraktion um den Faktor 4,5. Die funktionelle Expression der β-Carotin-Ketolase in höheren Pflanzen Nicotiana tabacum, N. tabacum CrtZ Linie U3, N. glauca und Solanum tuberosum Baltica 47-18 erfolgte unter der Kontrolle des konstitutiven CaMV 35S-Promotors. Außer in der Transformante N. glauca CrtO schien die Integration der Ketolase in das Genom der Pflanzen und die Expression von CrtO die Fitness der Transformanten, gemessen am Chlorophyllgehalt und der photosynthetischen Effizienz, nicht negativ beeinflußt zu haben. Der Gesamtcarotinoidgehalt in den Blättern von N. tabacum CrtO und N. tabacum CrtZ Linie U3 CrtO änderte sich trotz der Integration des crtO-Gens kaum im Vergleich zu den Wildtypen. In Blättern von S. tuberosum Baltica 47-18 CrtO konnte eine leichte Erhöhung des Gesamtcarotinoidgehaltes beobachtet werden. Dagegen kann es in Blättern von N. glauca CrtO zu einer Verdoppelung des Carotinoidgehaltes bei gleichzeitig halbiertem Chlorophyllgehalt. In den Blättern akkumulierten Ketocarotinoide mit Anteilen von 5% in N. tabacum CrtO, 12% in S. tuberosum Baltica 47-18 CrtO, 18% in N. tabacum CrtZ Linie U3 CrtO und 16-33% in N. glauca CrtO. Die Anteile der synthetisierten Ketocarotinoide setzten sich in den Blättern von N. tabacum CrtO und N. tabacum CrtZ Linie U3 CrtO aus Echinenon, 3’-Hydroxyechinenon und Ketolutein zusammen, während in Blättern von N. glauca CrtO und S. tuberosum Baltica 47-18 CrtO Echinenon, 3’-Hydroxyechinenon und 4-Ketozeaxanthin enthalten waren. In Nektarien von N. tabacum CrtO und N. tabacum CrtZ Linie U3 CrtO wurde der Gesamtcarotinoidgehalt verdoppelt bis verdreifacht im Vergleich zu den Nektarien des entsprechenden Wildtyps. Es akkumulierten Echinenon, 3’-Hydroxyechinenon, 4-Ketozeaxanthin und Ketolutein. Dabei enthielten die Nektarien von N. tabacum CrtZ Linie U3 CrtO die meisten Ketocarotinoide. Die Nektarien von N. glauca CrtO enthielten deutlich weniger Ketocarotinoidanteile, obwohl der Gesamtcarotinoidgehalt fast dreimal so hoch ist wie in N. tabacum CrtO und N. tabacum CrtZ Linie U3 CrtO. Es akkumulierten nur Echinenon, 3’-Hydroxyechinenon und Ketolutein. Die anderen Blütenorgane von N. glauca CrtO wiesen deutlich höhere Anteile an Ketocarotinoiden auf, zeigten aber wie die Nektarien gegenüber dem Wildtyp keine deutlichen Unterschiede im Gesamtcarotinoidgehalt. Für die Synthese von Astaxanthin war eine Interaktion zwischen der β-Carotin-Hydroxylase und der β-Carotin-Ketolase von entscheidender Bedeutung. Die Akkumulation von „Intermediaten“ der Astaxanthin-Biosynthese in N. tabacum CrtO, N. tabacum CrtZ Linie U3 CrtO und N. glauca CrtO wies auf eine erfolgreiche Interaktion hin. Einzig in den Knollen der CrtO-Transformanten von S. tuberosum Baltica 47-18 konnte Astaxanthin mit einem Anteil von 2% am Gesamtcarotinoidgehalt nachgewiesen werden. Die Nektarien N. tabacum CrtZ Linie U3 CrtO erwiesen sich neben den Knollen als am besten für die Produktion von ketolierten und hydroxylierten Carotinoiden. Die Transformation von N. glauca mit einem Gen der Carotinoidbiosynthese wurde in der vorliegenden Arbeit erstmals durchgeführt, zeigte aber nicht die erwartete Produktion größerer Mengen an Ketocarotinoiden in Kronblättern. Außerdem ist es in der vorliegenden Arbeit erstmals gelungen, in der Kartoffelknolle durch die Einführung einer cyanobakteriellen β-Carotin-Ketolase die Biosynthese von Ketocarotinoiden zu etablieren, um das für die Ernährung wichtige Ketocarotinoid Astaxanthin zu akkumulieren.
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Die Rolle der Zink-Finger-Transkriptionsfaktoren Gata2 und Gata3 in der Entwicklung sympathischer Nervenzellen
(2006)
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Konstantina Tsarovina
- Das sympathische Nervensystem entsteht aus Vorläuferzellen der Neuralleiste, die an die dorsalen Aorta gelangen und dort die primären sympathischen Ganglien bilden. Der Entwicklungsverlauf dieser Zellen hängt von den Signalen ab, welche sie während ihrer Wanderung empfangen. Die Differenzierung der Vorläuferzellen wird an der dorsalen Aorta angeregt. Als Signalmoleküle dienen die BMPs, die von der dorsalen Aorta gebildet und sezerniert werden. Die BMPs induzieren in den Vorläuferzellen die Expression der Transkriptionsfaktoren Mash1, Phox2b, Hand2 und Phox2a, die notwendig für den weiteren Differenzierungsprozess sind. Diese Transkriptionsfaktoren steuern direkt oder indirekt die Expression der terminalen Differenzierungsgene TH, DBH, SCG10 und NF160. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, dass die Zink-Finger-Transkriptionsfaktoren Gata2 und Gata3 ebenfalls eine essentielle Funktion in der Entwicklung sympathischer Neurone ausüben. Im Huhnembryo wird, im Gegensatz zur Situation in der Maus, in den sympathischen Vorläuferzellen nur Gata2 exprimiert. Gata2 wird nach den Transkriptionsfaktoren Mash1, Phox2b, Hand2 und Phox2a, jedoch vor den noradrenergen Markergenen TH und DBH exprimiert. Die Expression von Gata2 ist BMP-abhängig, wie durch BMPÜberexpression und BMP-Funktionsblockierung gezeigt wird. Die Überexpression von Mash1, Phox2b und Hand2 in Vorläuferzellen führt zur Expression von Gata2. In der Phox2b-Nullmutante sind Gata2 und Gata3 nicht exprimiert. Damit ist Gata2/3 unterhalb von Mash1, Phox2b und Hand2 in der BMP-induzieren Signalkaskade einzuordnen. Die Funktionsblockierung von Gata2 im Huhnembryo und die Eliminierung des Gata3-Gens in der Maus ergaben eine starke Reduktion in der Größe der sympathischen Ganglien. Zusätzlich war die Expression des noradrenergen Markergens TH stark reduziert. Die Überexpression von Gata2 in Neuralleistenvorläuferzellen führt vorwiegend zur Entstehung von Neuronen, die keine autonomen Eigenschaften aufweisen und TH-, Phox2b- und Mash1-negativ sind. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass Gata2 im Huhn und Gata3 in der Maus Mitglieder des regulatorischen Netzwerks von Transkriptionsfaktoren sind, das essentiell für die Entwicklung sympathischer Neurone ist. Die Funktion der Gata-Faktoren in der noradrenergen Differenzierung autonomer sympathischer Neurone scheint jedoch von der Interaktion mit Koregulatoren abhängig zu sein, die in sympathischen Vorläuferzellen vorhanden sind. In Vorläuferzellen, welche diese Kofaktoren nicht erhalten, induziert Gata2 nahezu ausschließlich nicht-adrenerge Neurone. Gata2 könnte mit Phox2a/b und Hand2 interagieren, oder mit anderen unbekannten Faktoren die in den sympathischen Vorläuferzellen exprimiert sind. Die Entwicklung sympathischer und parasympathischer Neurone wird von BMPs sowie von den Transkriptionsfaktoren Mash1 und Phox2b gesteuert. Der Differenzierungsprozess in sympathischen und parasympathischen Ganglien führt zu unterschiedlichen Transmitterphänotypen. Sympathische Ganglien bestehen vorwiegend aus noradrenergen, parasympathische Ganglien dagegen aus cholinergen Neuronen. Hand2 wird in sympathischen Neuronen und nicht in parasympathischen Ziliarneuronen exprimiert und gilt als Transkriptionsfaktor der den noradrenergen Transmitterphänotyp spezifiziert. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, dass auch die Transkriptionsfaktoren Gata2/3 nicht in parasympathischen Ziliarganglien exprimiert werden. Die Expressionsanalysen an mehreren parasympathischen Ganglien zeigte jedoch, dass die Expression von Gata2/3- nicht vollständig mit der noradrenergen Genexpression korreliert. Die Analyse der Gata2/3- Expression im Locus ceoruleus, dem wichtigsten noradrenergen Zentrum im Gehirn ergab, dass Gata2 und Gata3 im LC des Huhnembryos nicht exprimiert werden. Die Expression von Gata2/3 hängt somit nicht zwingend mit den noradrenergen Phänotyp zusammen. Die selektive Funktion von Gata2/3 in der Entwicklung peripherer noradrenerger Neurone zeigt zudem, dass der noradrenerge Phänotyp in den peripheren und zentralen Neuronen unterschiedlich reguliert wird.
