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Iron uptake is an essential process in all Gram-negative bacteria including cyanobacteria and therefore different transport systems evolved during evolution. In cyanobacteria, however, the iron demand is higher than in proteobacteria due to the function of iron as cofactor in e.g. photosynthesis and nitrogen fixation. Most of the transport systems depend on outer membrane localized TonB-dependent transporters (TBDTs), a periplasma-facing TonB protein and a plasma membrane localized machinery (ExbBD). So far, iron chelators (siderophores), oligosaccharides and polypeptides have been identified as substrates of TBDTs. However, in proteobacteria TonB-dependent outer membrane transporter represent a well-explored subject whereas for cyanobacteria almost nothing is known about possible TonB-dependent uptake systems for iron or other substrates. The heterocyst-forming filamentous cyanobacterium Anabaena sp. PCC 7120 is known to secrete the siderophore schizokinen, but its transport system has remained unidentified. For Anabaena sp. PCC 7120 22 genes were identified as putative TBDTs covering almost all known TBDT subclasses. This is a high number of TBDTs compared to other cyanobacteria. The expression of the 22 putative TBDTs individually depends on the presence of iron, copper or nitrogen. The atypical dependence of TBDT gene expression on different nutrition points to a yet unknown regulatory mechanism. In addition, the hypothesis of the absence of TonB in Anabaena sp. PCC 7120 was clarified by the identification of an according sequence, all5036. Inspection of the genome of Anabaena sp. PCC 7120 shows that only one gene encoding a putative TonB-dependent iron transporter, namely alr0397, is positioned close to genes encoding enzymes involved in the biosynthesis of a hydroxamate siderophore. The expression of alr0397 was elevated under iron-limited conditions. Inactivation of this gene caused a moderate phenotype of iron starvation in the mutant cells. The characterization of the mutant strain showed that Alr0397 is a TonB-dependent schizokinen transporter (SchT) of the outer membrane and that alr0397 expression and schizokinen production are regulated by the iron homeostasis of the cell. Additional two genes of Anabaena sp. PCC 7120 involved in this process were identified. SchE encoded by all4025 is a putative cytoplasmic membrane-localized transporter involved in TolC-dependent siderophore secretion. The mutation of schE resulted in an enhanced sensitivity to high metal concentrations and in drastically reduction of secretion of hydroxamate-type siderophores. IacT coded by all4026 is a predicted outer membrane-localized TonB-dependent iron transporter. Inactivation of iacT resulted in reduced sensitivity to elevated iron and copper levels, whereas decoupling the expression from putative regulation by exchange of the promoter resulted in sensitization against tested metals. Further analysis showed that iron and copper effects are synergistic because decrease of iron induced a significant decrease of copper levels in the iacT insertion mutant but an increase of those levels in Anabaena sp. PCC 7120 where expression of all4026 is under the trc-promoter. In consequence, the results unravel a link between iron and copper homeostasis.
Plastids are complex plant organelles fulfilling essential physiological functions, such as photosynthesis and amino acid metabolism. The majority of proteins required for these functions are encoded in the nuclear genome and synthesized on cytosolic ribosomes as precursors, which are subsequently translocated across the outer and inner membrane of the organelle. Their targeting to the organelle is ensured by a so called transit peptide, which is specifically recognized by GTP-dependent receptors Toc159 and Toc34 at the cytosolic side of outer envelope. They cooperatively regulate the insertion of the precursor protein into the channel protein Toc75, thereby initiating the translocation process. Toc34 is regarded as the primary receptor, while Toc159 probably provides the driving force for the insertion. Precursor transfer is achieved by the physical interaction between both receptors in the GTP loaded state. One translocon unit, also called the Toc core complex, is formed by four molecules Toc34, four molecules Toc75 and one molecule Toc159. In the GDP-loaded state, Toc34 preferably forms homodimers, whose physiological function was investigated in the presented study. It could be shown that the dissociation of GDP and therefore the nucleotide exchange are inhibited by the homodimeric state of Toc34. Dissociation of the homodimer is induced by the recognition of a precursor protein, which renders the binding of GTP and subsequent interaction with Toc159 possible. Thus, the homodimeric conformation could reflect an inactive state of the translocon, preventing GTP consumption in the absence of a precursor protein. Both homodimerization as well as heterodimerization of the receptor are regulated by phosphorylation, which could be demonstrated by in vitro and in vivo approaches using atToc33 from Arabidopsis thaliana as a model system. Since the phosphorylated form of Toc34 cannot be assembled with the Toc core complex, it can be concluded that the interactions between GTPase domains not only regulate the transfer of precursor proteins, but also warrant the integrity of the translocon.
The biogenesis and function of photosynthetically active chloroplasts relies on the import of thousands of nuclear encoded proteins via the coordinated actions of two multiprotein translocon machineries in the outer and inner envelope membrane. Trafficking of preproteins across the soluble compartment of InterMembrane Space (IMS) is currently envisioned to be facilitated by an IMS complex composed of outer envelope proteins Toc64 and Toc12, a soluble IMS component, Tic22 and an IMS-localized Hsp70. Among them, currently Tic22 is the only component that stands undisputed in terms of its existence. Having two closely related homologs in A. thaliana, their biochemical and functional characterization was still lacking. A critical analysis of Tic22 knockout mutants displayed growth phenotype reminiscent of ppi1, the mutant of Toc33. However, both the genes have similar expression patterns with no clear preference for photosynthetic or nonphotosynthetic tissues, which explained the absence of a detectable phenotype in single mutants. In addition, transgenic complementation study with either of the homolog affirmed the identical localization of both proteins in the IMS which characterizes the two homologs as functionally redundant. Based on the pale-yellow phenotype exhibited by the double mutant plants, an attempt to analyze the import capacity of a stromal substrate in the double mutant revealed threefold reduction when compared to wild-type acknowledging the essential role of Tic22 in the import mechanism. Initially, Tic22 was identified together with another protein, Tic20, which has been heavily discussed as a protein conducting channel in the inner membrane. Despite being characterized, in A. thaliana, two out of four homologs of Tic20 are differentially localized with one being additionally localized in mitochondria and the other, exclusively residing in the thylakoids.
According to in silico analysis, for all the Tic20 proteins, a four-helix transmembrane topology was predicted. Accordingly, its topology was mapped by employing the recently established selfassembling GFP-based in vivo experiments. Astonishingly, the expression of one of the inner envelope localized Tic20 homolog enforces inner membrane proliferation affecting the shape and organization of the membrane. Therefore this study focuses on analyzing the effects of high envelope protein concentrations on membrane structures, which together with the existing results, an imbalance in the lipid to protein ratio and a possible role of signaling pathway regulating membrane biogenesis is discussed.
Ribosome biogenesis is best understood in the yeast Saccharomyces cerevisiae. In human or mammalian ribosome biogenesis, it has been shown that basic principles are conserved to yeast, but additional features have been reported. Our understanding about the interplay between proteins and RNA in human ribosome biogenesis is far from complete.
The present study focused on the analysis of the human ribosome biogenesis co-factors PWP2, EMG1 and Exportin 5 (XPO5) to understand the degree of conservation of ribosome biogenesis. The proteins were characterized in respect to their localization and interaction partners. For the early 90S co-factor, PWP2, it was possible to pull down and identify the human UTP-B complex with MALDI mass spectrometry. Besides the orthologues of the members of this complex known in yeast (TBL3, WDR3, WDR36, UTP6, UTP18), the human UTP-B complex is not only conserved from yeast to humans, but contains also additional components, like the DEAD-box RNA helicase DDX21, which lacks a yeast orthologue. DDX21 was localized to the nucleus, assembled to the native UTP-B complex and co-precipitated also with other UTP-B complex members, presumably extending the functions of this complex in ribosome biogenesis.
This phenomenon was also observed for the 90S co-factor EMG1, an RNA methyltransferase, whose mutant form causes the Bowen-Conradi syndrome, if aspartic acid is mutated to glycine at position 86. This study revealed that the mutant, EMG1-D86G, clearly lost its nucleolar localization and co-precipitated to histones for unknown reasons.
A participation of the nuclear export receptor XPO5 in human ribosome biogenesis was shown in this study. Pulldown analysis, sucrose density gradients and UV crosslinking and analysis of cDNAs of XPO5 revealed the involvement of XPO5 in pre-60S subunit maturation. Moreover, besides the known pre-miRNAs and tRNAs as substrates for nuclear export, XPO5 crosslinked to snoRNAs. XPO5 was further demonstrated to interact with the miRNA Let-7a, which has an important regulatory function for MYC, a transcription factor required for ribosome biogenesis.
All results support a role of these proteins in human ribosome biogenesis and therefore it seems that the biogenesis of ribosomes in human cells requires additional components, like DDX21 and XPO5.
Generally speaking, protein import into mitochondria and chloroplasts is a post-translational process during which the precursor proteins destined for mitochondria or chloroplasts are translated with cytosolic ribosomes and targeted. The previous results showed that the isolated chloroplasts can import in vitro synthesized proteins and the absence of ribosomes in the immediate area around chloroplasts in electron microscopy (EM) images. However, none of the EM images were recorded in the presence of a translation elongation inhibitor. Also, the observation showed that ribosomes stably bind to purified liver mitochondria in vitro, and the first indication of chloroplast localization of mRNAs encoding plastid proteins in Chlamydomonas rheinhardtii, which challenge the post-translational import and support the co-translational process. Therefore, in this study, the association of the ribosomes to the isolated chloroplasts were analyzed, a binding assay was established and showed that naked ribosomes are not considerably bound to chloroplasts. Additionally, mRNA localize in close vicinity to mitochondria also challenged post-translation protein import. Global analysis of transcripts bound to mitochondria in yeast or human revealed that around half of the transcripts of mitochondrial proteins displayed a high mitochondrial localization. The observed association of mRNAs with chloroplast fractions and the in vivo analysis of the distribution of mRNAs was used as base to formulate the hypothesis that mRNA can bind to chloroplast surface. Therefore, in this study, the mRNA binding assay was established and revealed that mRNAs coding for the mitochondrial cytochrome c oxidase copper chaperone COX17 showed unspecific binding to the chloroplasts. The mRNA coding for chloroplast outer envelope transport protein OEP24 and mRNA coding for the essential nuclear protein 1 (ENP1) showed specific binding, and OEP24 has a 3-fold higher affinity than ENP1 mRNA. Moreover, the BY2-L (Nicotiana tabacum non-green cell culture) could confer the highest enhancement of OEP24 mRNA binding efficiency than the COX17 and ENP1 mRNA and the preparation of the BY2-L was optimized. Afterwards, the feasibility to fix the interaction between mRNA and the proteins on the surface of chloroplasts was confirmed. OEP24 mRNA showed more efficiency in the UV-crosslinking. Following, the pull-down with antisense locked nucleic acid (LNA)/DNA oligonucleotides was established which could be used for the further investigation of the proteins involved in the mRNA binding to the chloroplasts.
The translocation of nuclear-encoded precursor proteins into chloroplasts is a highly ordered process involving the action of several components to regulate this molecular ensemble. Not only GTP hydrolysis and GDP release but also the phosphorylation of TOC GTPases is a widely discussed mechanism to regulate protein import. The receptor component (Toc34) and its isoform of A. thaliana (atToc33) were found to be regulated by phosphorylation. Although the phosphorylation of Toc33 is already known for several years, several questions regarding the molecular components involved in the regulation of the phosphorylation process, precisely what is the protein kinase and where this kinase is initially localized, so far remained unclear.
This thesis aimed at the defining of the phosphorylation status of TOC GTPases in monomeric and/or dimeric states, the identification of the nature of Toc33-PK (protein kinase), and in the same context it aimed at gaining first insights into the physiological significance of Toc33 phosphorylation. To this end, (I) An in vitro and in vivo system for investigating of TOC GTPases Phosphorylation (in monomeric or dimeric state) was developed. Since no information is available about the phosphorylation status of the Toc159 isoforms, the second receptor of the TOC complex, it was interesting to investigate whether these isoforms undergo phosphorylation or not. The results indicated that atToc159 isoforms are able to be phosphorylated by the kinase activity in purified outer envelope membranes (OEMs) of pea, but not atToc132. Moreover, an artificial dimer of psToc34 based on the interaction of a C-terminally fused leucine zipper was not phosphorylated. This result reflected the inability of the OEM kinase to phosphorylate the dimers of TOC GTPases. Also, In vivo labeling of atToc33 was developed and occurred in a dose-dependent manner. Therefore, this results evidenced that in vitro phosphorylation of atToc33 (both endogenous wild type and recombinant expressed proteins) is not artificial labeling but represents a physiological relevance. CD (circular dichroism) measurements revealed that recombinant GTPase domain of atToc33 is preferentially phosphorylated in its folded state. Therefore, it could be suggested that folding of atToc33rec is a prerequisite for its phosphorylation and the phosphorylation event occurs as a posttranslational modification most likely after insertion of Toc33 (Toc34) into the OE of chloroplasts.
Secondly, (II) Isolation and identification of Toc33-PK from OEMs of chloroplasts was performed. Four independent strategies were developed to identify the Toc33-protein kinase: UV-induced and chemically-based crosslinking, different applied chromatographic techniques, identification of PK-Toc33 interaction by means of HDN-PAGE (histidine- and deoxycholate-based native PAGE), and finally mass spectrometric approaches were performed on fractions including the potential kinase activity. UV-induced crosslinking procedure was developed and resulted in covalent bonding of nine proteins to [a-32P] ATP, while chemically-based one was not significant. The applied chromatographic and HDN-PAGE approaches, including mass spectrometry, have revealed the identification of 13 protein kinases. Of these identified kinases, phototropin2 (Phot2, AT5G58140), leucine-rich repeat PK (LRR-PK, AT4G28650.1), and receptor-like transmembrane PK (RLK, AT5G56040.2) were selected as the most promising candidates (ca. kinase type and one transmembrane helix for membrane localization).
(III) The physiological significance of Toc33 phosphoryation was shown to link this process with the environmental changes (especially, the light conditions). Identification of chloroplast OE-located PKs performed by nLC-MALDI-MS/MS resulted in the detection of Phot2. Furthermore, the subcellular localization of Phot2 in OEM of chloroplasts was confirmed by immunoblotting experiments using a-Phot2 antibody. The kinase activity of Phot2 towards TOC GTPases was characterized and revealed that fused GST-KD (kinase domain) protein able to specifically phosphorylate atToc33rec, but not atToc159rec. Also, endogenous atPhot2 was upregulated and heavily detected in the ppi1-S181A plant line (where serine to alanine exchange was performed to abolish the phosphorylation of atToc33). Hence, we suggested that certain signal cascades may directly or indirectly link Toc33 receptor phosphorylation, protein levels of Phot2 (as promising PK candidate), and irradiation conditions (as an inducing signal of the subsequent phosphorylation events). Light-dependent phosphorylation of Toc33 was shown either after de-etiolation conditions or after high light intensities of blue light was performed. Therefore, phosphorylation of Toc33 might be identified as an external regulatory signal to regulate preproteins import into chloroplasts in response to environmental conditions (e.g. light changes) or as a signal of chloroplast biogenesis.
Die Studien im Rahmen dieser Arbeit wurden am Modellorganismus Anabaena sp. PCC 7120 (Anabaena) durchgeführt, einem filamentösen Süßwasser-Cyanobakterium. Cyanobakterien sind photosynthetische, Gram-negative Organismen. Sie besitzen eine das Zytosol begrenzende Plasmamembran und eine Äußere Membran. TonB-abhängige Transporter (TBDTs) und Porine der Äußeren Membran bewerkstelligen und regulieren die Aufnahme von Nährstoffen. Typischerweise wenig abundante Substrate für den TBDT-vermittelten, aktiven Transport sind beispielsweise eisenhaltige Siderophore oder VitaminB12. Kleinere gelöste und abundante Stoffe wie Salze oder andere Ionen gelangen hingegen passiv durch Porine in das Periplasma.
In Anabaena wurden neun putative Porine identifiziert. Sieben hiervon wiesen eine porinspezifische Domänenstruktur auf (Alr0834, Alr2231, All4499, Alr4550, Alr4741, All5191 und All7614), und wurden im Rahmen dieser Arbeit näher betrachtet. Die Expression dieser sieben Gene wurde vergleichend untersucht, nachdem der Wildtyp in Standardmedium oder in Medium indem jeweils Mangan, Eisen, Kupfer oder Zink fehlte angezogen wurde. Außerdem wurde das Wachstum der einzelnen Porinmutanten im Vergleich zum Wildtyp auf Festmedium mit hohen Konzentrationen von Salzen, Antibiotika oder anderen Stoffen analysiert. Hierbei konnten den einzelnen Mutanten teilweise spezifische phänotypische Eigenschaften zugeschrieben werden. Zusammengefasst kann anhand der Analysenergebnisse vermutet werden, dass Alr4550 eine besondere Rolle in der Wahrung der Zellhüllenstabilität oder -integrität spielt, wohingegen das Fehlen von Alr5191 auf unbekannte Weise die Fixierung von Stickstoff zu erschweren scheint. Die alr2231-Mutante zeigte eine Resistenz gegenüber hohen Zinkkonzentrationen, was die Vermutung zulässt, dass Zink ein Substrat von Alr2231 darstellt. Für weitere Porine kann ebenfalls ein Zusammenhang zum Transport von Kupfer oder Mangan vermutet werden.
Neben Porinen wurden ebenfalls TonB-ähnliche Proteine in Anabaena untersucht. TonB ist ein plasmamembranständiges Protein, das in Komplex mit ExbB und ExbD die Energie für Transportprozesse über die Äußere Membran bereitstellt. Hierfür bindet TonB C-terminal an TBDTs und induziert dort Strukturänderungen, welche den Substratimport ins Periplasma ermöglichen. Als Energiequelle wird der Protonengradient genutzt, der über die Plasmamembran besteht. In Anabaena wurden vier putative TonB Proteine identifiziert, die sich jeweils in Länge und Domänenstruktur unterscheiden. Im Rahmen dieser Arbeit konnte durch Substrattransport-Experimente und Wachstumsanalysen gezeigt werden, dass TonB3 an der Aufnahme zweier Siderophore (Schizokinen und dem Xenosiderophor Ferrichrom) beteiligt ist, da die entsprechende Mutante sich als unfähig erwies diese zu als Eisenquelle nutzbar zu machen. Daneben wies TonB3 weitere Merkmale auf, die auch TonB-Proteinen anderer Organismen zugeschrieben wurden (Wachstumsdefizit der Mutante unter Eisenmangel, eisenabhängiges Expressionsprofil). Interessanterweise zeigte sich, dass das Siderophor Ferrichrom ebenfalls nicht als Eisenquelle für die tonB4-Mutante zur Verfügung stand, was zum Beispiel auf eine Beteiligung von TonB4 an dessen Transport hinweisen könnte.
TonB1, welches sich durch ein inkomplettes TBDT-Interaktionsmotiv auszeichnet, und TonB2 konnte keine Beteiligung am Siderophoretransport zugeschrieben werden, jedoch zeigten Mutanten der einzelnen Gene spezifische phänotypische Eigenschaften. Die tonB1-Mutante stach hervor durch ein vergleichsweise stark verzögertes Wachstum unter diazotrophen Bedingungen. Es konnte gezeigt werden, dass sowohl die Nitrogenaseaktivität als auch die expression vermindert war im tonB1-Mutantenstamm. Außerdem zeigten die Heterozysten dieser Mutante, die auf die Stickstoffixierung spezialisierten Zellen, eine abnormale Morphologie. Da die Expression von tonB1 jedoch nach dem Überführen von Wildypzellen in stickstoffreies Medium nicht erhöht war, kann eine direkte Beteiligung von TonB1 an der Heterozystendifferenzierung als unwahrscheinlich betrachtet werden. Die Zelleinschnürungen zwischen Heterozysten und vegetativen Zellen waren in I-tonB1 weniger ausgeprägt als im Wildtyp, was durch eine Anfärbung der Zellwand mit einem Fluoreszenzmarker gezeigt werden konnte. Ebenfalls konnte anhand des fluoreszierenden Markers Calcein gezeigt werden, dass die molekulare Diffusionsgeschwindigkeit zwischen Heterozysten und vegetativen Zellen, und auch zwischen zwei benachbarten vegetativen Zellen, in der tonB1-Mutante erhöht ist. Deswegen kann hier vermutlich vermehrt die Nitrogenase schädigender Sauerstoff in Heterozysten eindringen. Die aufgezählten Ergebnisse deuten auf eine Funktion von SjdR im Aufbau der Septumsstrukturen hin, beispielsweise durch Regulation der Peptidoglykansynthese oder -verteilung, weswegen TonB1 umbenannt wurde in SjdR (Septal junction disc regulator).
Die Untersuchung der tonB2-Mutante zeigte bei dieser eine veränderte Pigmentierung, eine vermehrte Lipopolysaccharidproduktion und Filamentaggregation sowie eine erhöhte Resistenz gegenüber bestimmten Antibiotika oder Detergenzien. Letzteres könnte auf die ebenfalls in der tonB2-Mutante beobachtete verringerte Porinexpression zurückgeführt werden. Es wurde außerdem eine vermehrte Anreicherung von Kupfer und Molybdän in der Mutante gemessen, was ein Grund für die Veränderte Pigmentierung sein könnte und ebenfalls die Porinexpression beeinflussen könnte. Insgesamt scheint sich das Fehlen von TonB2 auf die Integrität der Äußeren Membran auszuwirken. Daher kann für TonB2, eine Funktion in Anlehnung an das Tol-system vermutet werden.
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.
Eukaryotische Zellen sind durch, aus Lipiddoppelschichten bestehenden, Membranen in Kompartimente mit unterschiedlichen Funktionen eingeteilt. Um einen Transport von Molekülen über die Membranen hinweg zu gewährleisten, werden Kanälen und Transporter benötigt. Eine Familie von Transportern sind die ATP-binding cassette (ABC) Transporter, die in allen Lebewesen, von Bakterien bis zum Menschen, vorkommen. Ein Mitglied dieser Familie ist der transporter associated with antigen processing-like (TAPL oder ABCB9). TAPL ist ein lysosomaler Polypeptidtransporter der per ATP-Hydrolyse Peptide von 6 – 59 Aminosäuren Länge vom Zytosol in das Lumen der Lysosomen transportiert. Hierbei kann TAPL, das ein Homodimer ist, in zwei funktionale Domänen geteilt werden. Der Teil des Komplexes, der für den Transport zuständig ist, wird als coreTAPL bezeichnet. Dieser beinhaltet die zytosolischen nucleotide binding domains (NBDs), die ATP binden und hydrolysieren können, und die Transmembrandomänen (TMDs), die Peptide binden und sie durch konformationelle Änderungen auf der anderen Membranseite freilassen. Die zweite Domäne ist eine N-terminale TMD, die als TMD0 bezeichnet wird. Dieser, aus vier Transmembranhelices (TMHs) bestehende Teil des Proteins, ist für die Lokalisation von TAPL in der lysosomalen Membran verantwortlich, sowie für die Interaktion mit den dort lokalisierten Membranproteinen LAMP-1 und LAMP-2. CoreTAPL ohne die TMD0s erreicht nicht die Lysosomen, sondern liegt in der Plasmamembran (PM) der Zelle vor. Die TMD0 hingegen benötigt coreTAPL nicht um korrekt in der lysosomalen Membran lokalisiert zu sein.
Die korrekte Lokalisation in der Zelle ist ein kritischer Punkt für ein Protein, um seine Funktion ausüben zu können. Die Transportprozesse vom Ort der Synthese des Proteins, dem Endoplasmatischem Reticulum (ER), zum Organell wo es seine Funktion ausüben soll, umfassen dutzende Proteine und Proteinkomplexe und ein komplexes Zusammenspiel zwischen Proteinen und den einzigartigen Lipidzusammensetzungen der Membranen verschiedener Organellen. Auf das Einfachste heruntergebrochen benötigt ein Transmembranprotein eine kurze Aminosäuresequenz auf der zytosolischen Seite, die Signalsequenz. Diese Sequenz wird von sogenannten Adapterproteinen erkannt, die wiederum andere Bestandteile der zellulären Maschinerie rekrutieren, die letztlich Vesikelbildung, Transport und Fusion mit der Zielorganelle vermitteln. Allerdings weisen nicht alle lysosomalen Transmembranproteine eine solche Signalsequenz auf, sondern besitzen unkonventionelle Zieldeterminanten, wie posttranslationale Modifikationen, oder sie interagieren mit anderen Proteinen, die wiederum die Interaktion mit den Adapterproteinen vermitteln.
Heat stress transcription factors (Hsfs) play essential role in heat stress response and thermotolerance by controlling the transcriptional activation of heat stress response (HSR) genes including molecular chaperones. Plant Hsf families show a striking multiplicity, with more than 20 members in the many plant species. Among Hsfs, HsfA1s act as the master regulators of heat stress (HS) response and HsfA2 becomes one of the most abundant Hsfs during HS. Using transgenic plans with suppressed expression of HsfA2 we have shown that this Hsf is involved in acquired thermotolerance of S. lycopersicum cv Moneymaker as HsfA2 is required for high expression and maintenance of increased levels of Hsps during repeated cycles of HS treatment.
Interestingly, HsfA2 undergoes temperature-dependent alternative splicing (AS) which results in the generation of seven transcript variants. Three of these transcripts (HsfA2-Iα-γ), generated due to alternative splicing of a second, newly identified intron encode for the full length protein involved in acquired thermotolerance. Another 3 transcripts (HsfA2-IIIα-γ) are generated due to alternative splicing in intron 1, leading in all cases to a premature termination codon and targeting of these transcripts for degradation via the non-sense mRNA decay mechanism (NMD).
Interestingly, excision of intron 2, results into the generation of a second previously unreported protein isoform, annotated as HsfA2-II. HsfA2-II shows similar transcriptional activity to the full-length protein HsfA2-I in the presence of HsfA1a but lacks the nuclear export signal (NES) required for nucleocytoplasmic shuttling which allows efficient nuclear retention and stimulation of transcription of HS-induced genes. Furthermore, stability assays showed that HsfA2-II exhibits lower protein stability compared to HsfA2-I.
The presence of a second intron and the generation of a second protein isoform we identified in other Solanaceae species as well. Remarkably, we observed major differences in the splicing efficiency of HsfA2 intron 2 among different tomato species. Several wild tomato accessions exhibit higher splicing efficiency that favors the generation of HsfA2-II, while in these species the splice variant HsfA2-Iγ is absent. This natural variation in splicing efficiency specifically occurring at temperatures around 37.5oC is associated with the presence of 3 intronic polymorphisms. In the case of wild species these polymorphisms seemingly restrict the binding of RS2Z36, identified as a putative splicing silencer for HsfA2 intron 2.
Tomato accessions with the polymorphic “wild” HsfA2 show enhanced thermotolerance against a direct severe heat stress incident due to the stronger increase of Hsps and other stress induced genes. Introgression of the “wild” S. pennellii HsfA2 locus into the cultivar M82, resulted in enhanced seedling thermotolerance highlighting the potential use of the polymorphic HsfA2 for breeding.
We conclude that alterations in the splicing efficiency of HsfA2 have contributed to the adaption of tomato species to different environments and these differences might be directly related to natural variation in their thermotolerance.
Heat stress transcription factors (Hsfs) are required for transcriptional changes during heat stress (HS) thereby playing a crucial role in the heat stress response (HSR). The target genes of Hsfs include heat shock proteins (Hsps), other Hsfs and genes involved in protection of the cell from irreversible damages due to exposure to elevated temperatures. Among 27 Hsfs in Solanum lycopersicum, HsfA1a, HsfA2 and HsfB1 constitute a functional triad which regulates important aspects of the HSR. HsfA1a is constitutively expressed and described as the master regulator of stress response and thermotolerance. Activation of HsfA1a under elevated temperatures leads to the induction of HsfA2 and HsfB1 which further stimulate the transcription of HS-responsive genes by forming highly active complexes with HsfA1a. Despite the well-established role of these three Hsfs in tomato HSR, information about functional relevance of other Hsfs is currently missing.
The heat stress inducible HsfA7 belongs alongside with HsfA2 to a phylogenetically distinct clade. Thereby the two proteins share high homology and a functional redundancy has been assumed. However, HsfA7 function and contribution to stress responses have not been investigated into detail in any plant species.
Tomato HsfA7 protein accumulates already at moderately elevated temperatures (~35°C) while HsfA2 becomes dominant at higher temperatures (>40°C). HsfA7 pre-mRNA undergoes complex and temperature-dependent alternative splicing resulting in several transcripts that encode for three protein isoforms. HsfA7-I contains a functional nuclear export signal (NES) and shows nucleocytoplasmic shuttling while HsfA7-II and HsfA7-III have a truncated NES which leads to the strong nuclear retention of the protein. Differences in the nucleocytoplasmic equilibrium have a major impact on the stability of protein isoforms, as nuclear retention is associated with increased protein turnover. Consequently, HsfA7-I shows a higher stability and can be detected even after 24 hours of stress attenuation, while HsfA7-II is rapidly degraded. The degradation of these factors is mediated by the ubiquitin-proteasome pathway.
HsfA7 can physically interact with HsfA1a and HsfA3 and form co-activator (“superactivator”) complexes with a very high transcriptional activity as shown on different HS-inducible promoters. In order for the complex to be successfully transferred to the nucleus and confer its activity it needs a functional nuclear localization signal (NLS) of HsfA7. In contrast, the activator (AHA) motif of HsfA7 is not essential for its co-activator function. Interestingly, while interaction of HsfA7 with either HsfA3 or HsfA1a stabilizes HsfA7 isoforms, concomitantly this leads to an increased turnover of HsfA1a and HsfA3. In contrast, HsfA2 has a stabilizing effect on the master regulator HsfA1a.
Thus, HsfA7 knockout mutants generated by CRISPR/Cas9 gene editing, show increased HsfA1a levels and a stronger induction of HS-related genes at 35°C compared to wild-type plants and HsfA2 knockout mutants. Consequently, HsfA7 knockout seedlings exhibit increased thermotolerance as shown by the enhanced hypocotyl elongation under a prolonged mild stress treatment at 35°C. In summary, these results highlight the importance of HsfA7 in regulation of cellular responses at elevated temperatures. Under moderately elevated temperatures, the accumulation of HsfA7 and its subsequent interaction with HsfA1a, leads to increased turnover of the latter, thereby ensuring a milder transcriptional activation of temperature-responsive genes like Hsps. In turn, in response to further elevated temperatures, HsfA2 becomes the dominant stress-induced Hsf. HsfA2 forms co-activator complexes with HsfA1a which in contrast to HsfA7, allows the stabilization of the master regulator, leading to the stronger expression of HS-responsive genes required for survival. Thereby, this study uncovers a new regulatory mechanism, where the temperature-dependent competitive interaction of HsfA2 and HsfA7 with HsfA1a control the fate of the master regulator and consequently the activity of temperature-responsive networks.
Die letzten Jahrzehnte brachten einen enormen Zuwachs des Wissens und Verständnisses über die molekularen Prozesse des Lebens.Möglich wurde dieser Zuwachs durch die Entwicklung diverser Methoden, mit denen beispielsweise gezielt die Konzentration einzelner Stoffe gemessen werden kann oder gar alle anwesenden Metaboliten eines biologischen Systems erfasst werden können. Die großflächige Anwendung dieser Methoden führte zur Ansammlung vieler unterschiedlicher -om-Daten, wie zum Beispiel Metabolom-, Proteom- oder Transkriptoms-Datensätzen. Die Systembiologie greift auf solche Daten zurück, um mathematische Modelle biologischer Systeme zu erstellen, und ermöglicht so ein Studium biologischer Systeme auch außerhalb des Labors.
Für größere biologische Systeme stehen jedoch meistens nicht alle Informationen über Stoffkonzentrationen oder Reaktionsgeschwindigkeiten zur Verfügung, um eine quantitative Modellierung, also die Beschreibung von Änderungsraten kontinuierlicher Variablen, durchführen zu können. In einem solchen Fall wird auf Methoden der qualitativen Modellierung zurückgegriffen. Eine dieser Methoden sind die Petrinetze (PN), welche in den 1960er Jahren von Carl Adam Petri entwickelt wurden, um nebenläufige Prozesse im technischen Umfeld zu beschreiben. Seit Anfang der 1990er Jahre finden PN auch Anwendung in der Systembiologie, um zum Beispiel metabolische Systeme oder Signaltransduktionswege zu modellieren. Einer der Vorteile dieser Methode ist zudem, dass Modelle als qualitative Beschreibung des Systems begonnen werden können und im Laufe der Zeit um quantitative Beschreibungen ergänzt werden können.
Zur Modellierung und Analyse von PN existieren bereits viele Anwendungen. Da das Konzept der PN jedoch ursprünglich nicht für die Systembiologie entwickelt wurde und meist im technischen Bereich verwendet wird, existierten kaum Anwendungen, die für den Einsatz in der Systembiologie entwickelt wurden. Daher ist auch die Durchführung der für die Systembiologie entwickelten Analysemethoden für PN nicht mit diesen Anwendungen möglich. Die Motivation des ersten Teiles dieser Arbeit war daher, eine Anwendung zu schaffen, die speziell für die PN-Modellierung und Analyse in der Systembiologie gedacht ist, also in ihren Analysemethoden und ihrer Terminologie sich an den Bedürfnissen der Systembiologie orientiert. Zudem sollte die Anwendung den Anwender bei der Auswertung der Resultate der Analysemethoden visuell unterstützen, indem diese direkt visuell im Kontext des PN gesetzt werden. Da bei komplexeren PN die Resultate der Analysemethoden in ihrer Zahl drastisch anwachsen, wird eine solche Auswertung dieser notwendig. Aus dieser Motivation heraus entstand die Anwendung MonaLisa, dessen Implementierung und Funktionen im ersten Teil der vorliegenden Arbeit beschrieben werden. Neben den klassischen Analysemethoden für PN, wie den Transitions- und Platz-Invarianten, mit denen grundlegende funktionale Module innerhalb eines PN gefunden werden können, wurden weitere, meist durch die Systembiologie entwickelte, Analysemethoden implementiert. Dazu zählen zum Beispiel die Minimal Cut Sets, die Maximal Common Transitions Sets oder Knock-out-Analysen. Mit MonaLisa ist aber auch die Simulation des dynamischen Verhaltens des modellierten biologischen Systems möglich. Hierzu stehen sowohl deterministische als auch stochastische Verfahren, beispielsweise der Algorithmus von Gillespie zur Simulation chemischer Systeme, zur Verfügung. Für alle zur Verfügung gestellten Analysemethoden wird ebenfalls eine visuelle Repräsentation ihrer Resultate bereitgestellt. Im Falle der Invarianten werden deren Elemente beispielsweise in der Visualisierung des PN eingefärbt. Die Resultate der Simulationen oder der topologischen Analyse können durch verschiedene Graphen ausgewertet werden. Um eine Schnittstelle zu anderen Anwendungen zu schaffen, wurde für MonaLisa eine Unterstützung einiger gängiger Dateiformate der Systembiologie geschaffen, so z.B. für SBML und KGML.
Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der topologischen Analyse eines Datensatzes von 2641 Gesamtgenom Modellen aus der path2models-Datenbank. Diese Modelle wurden automatisiert aus dem vorhandenen Wissen der KEGG- und der MetaCyc-Datenbank erstellt. Die Analyse der topologischen Eigenschaften eines Graphen ermöglicht es, grundlegende Aussagen über die globalen Eigenschaften des modellierten Systems und dessen Entstehungsprozesses zu treffen. Daher ist eine solche Analyse oft der erste Schritt für das Verständnis eines komplexen biologischen Systems. Für die Analyse der Knotengrade aller Reaktionen und Metaboliten dieser Modelle wurden sie in einem ersten Schritt in PN transformiert. Die topologischen Eigenschaften von metabolischen Systemen werden in der Literatur schon sehr gut beschrieben, wobei die Untersuchungen meist auf einem Netzwerk der Metaboliten oder der Reaktionen basieren. Durch die Verwendung von PN wird es möglich, die topologischen Eigenschaften von Metaboliten und Reaktionen in einem gemeinsamen Netzwerk zu untersuchen. Die Motivation hinter diesen Untersuchungen war, zu überprüfen, ob die schon beschriebenen Eigenschaften auch für eine Darstellung als PN zutreffen und welche neuen Eigenschaften gefunden werden können. Untersucht wurden der Knotengrad und der Clusterkoeffizient der Modelle. Es wird gezeigt, dass einige wenige Metaboliten mit sehr hohem Knotengrad für eine ganze Reihe von Effekten verantwortlich sind, wie beispielsweise dass die Verteilung des Knotengrades und des Clusterkoeffizienten, im Bezug auf Metaboliten, skalenfrei sind und dass sie für die Vernetzung der Nachbarschaft von Reaktionen verantwortlich sind. Weiter wird gezeigt, dass die Größe eines Modelles Einfluss auf dessen topologische Eigenschaften hat. So steigt die Vernetzung der Nachbarschaft eines Metaboliten, je mehr Metaboliten in einem biologischen System vorhanden sind, gleiches gilt für den durchschnittlichen Knotengrad der Metaboliten.
In vitro investigation of genes identified by genome-wide association studies of Parkinson's disease
(2014)
In the interest of understanding the development of a multicellular organism, subcellular events must be seen in the context of the entire three-dimensional tissue. In addition, events that occur within a short period of time can be of great importance for the relatively long developmental process of the organ. Thus, it is required to capture subcellular events in a larger spatio-temporal scale context, which has been up to now a technical challenge. In developmental biology, light microscopy has always been an important tool. The dilemma of light microscopy, in particular fluorescence microscopy, is that molecules receive high light intensities that might change the conformation of molecules, which can have signaling or toxic effects. In Light Sheet-based Fluorescence Microscopy (LSFM), the energy required for a single recording is reduced by several orders of magnitude compared to other fluorescence microscopy techniques. During the last ten years, LSFM has emerged as a preferred tool to capture all cells during embryogenesis of the zebrafish Danio rerio, the fruit fly Drosophila melanogaster or recently the red flour beetle Tribolium castaneum for a period of several days. The motivation of this work was to gain new insights in developmental related processes of plant organs. The aim of this work was to establish a protocol for imaging plant growth over a long period of time using LSFM and perform comprehensive analyses at the cellular level. Plants have to cope with a variety of environmental conditions, therefore the conditions inside the microscope chamber had to be brought under control. The sample preparation methods and the standardized conditions at a physiological level allowed the study of gravity response, day-night rhythms, organ shape development as well as the intracellular dynamic events of the cytoskeleton and endosomal compartments in an unprecedented manner. Several of these projects were successfully published in collaborations with Prof. Jozef Šamaj (Palacký University Olomouc, Czech Republic), Prof. Niko Geldner (University of Lausanne, Switzerland), Prof. Malcom Bennett (University of Nottingham, UK) and Dr. Jürgen Kleine-Vehn (University of Natural Resources and Life Sciences, Austria). The main part of my work focused on the formation of lateral roots in Arabidopsis thaliana and was conducted in close collaboration with Dr. Alexis Maizel (University of Heidelberg, Germany). Previously, most experiments that describe lateral root formation have been performed on a small number of cells and for short periods of time. Capturing the complete process of lateral roots is an ambitious goal, because first, the primordium of a lateral root is located deep inside the primary root and imaging quality is impaired due to scattering of the overlaying tissue. Second, the process takes about 48 h, i.e. the plant has to be kept healthy for the whole period. Third, the amount of excitation light required for the spatio-temporal might have phototoxic effects that lead to a stop of growth at least in conventional microscopic techniques. In Arabidopsis embryogenesis, the sequence of cell divisions is relatively invariant. However, whether lateral root organogenesis follows particular cell division patterns has been unknown. The complete process of lateral root formation was captured from the first cell division until after the emergence from the main root. Images of a nuclei marker and a plasmamembrane marker were recorded every 5 min for a time period of up to 64 h. The positions and cell divisions of all cells were tracked manually. In collaboration with Alexander Schmitz (Goethe University Frankfurt am Main, Germany) and Dr. Jens Fangerau (University of Heidelberg, Germany), comprehensive analyses of the data were performed. A lateral root forms from initially 8-15 founder cells, arranged in a patch of 5-8 parallel files. The occurrence of new cell layers by periclinal divisions, as well as the sequence of layer generation was conserved and resembles the sequence suggested by Malamy and Benfey in 1997. Besides this stereotyped occurrence of periclinal divisions, radial divisions were found to appear stochastically, following no particular pattern. A large variability was also found in the contribution of founder cells and cell files to the final lateral root. In summary, the results suggest that a stereotyped pattern of cell divisions at particular developmental stages and a dynamically adapted control of cell divisions exist in parallel. Both properties allow a controlled but flexible development of the organ according to variations in cell topology and mechanical properties of the surrounding tissue. This work shows that LSFM, the sample preparation methods and controlled environmental conditions allow to capture and analyse the development of plants over several days at high resolution in an unprecedented manner.
Mathematical modeling of Arabidopsis thaliana with focus on network decomposition and reduction
(2014)
Systems biology has become an important research field during the last decade. It focusses on the understanding of the systems which emit the measured data. An important part of this research field is the network analysis, investigating biological networks. An essential point of the inspection of these network models is their validation, i.e., the successful comparison of predicted properties to measured data. Here especially Petri nets have shown their usefulness as modeling technique, coming with sound analysis methods and an intuitive representation of biological network data.
A very important tool for network validation is the analysis of the Transition-invariants (TI), which represent possible steady-state pathways, and the investigation of the liveness property. The computational complexity of the determination of both, TI and liveness property, often hamper their investigation.
To investigate this issue, a metabolic network model is created. It describes the core metabolism of Arabidopsis thaliana, and it is solely based on data from the literature. The model is too complex to determine the TI and the liveness property.
Several strategies are followed to enable an analysis and validation of the network. A network decomposition is utilized in two different ways: manually, motivated by idea to preserve the integrity of biological pathways, and automatically, motivated by the idea to minimize the number of crossing edges. As a decomposition may not be preserving important properties like the coveredness, a network reduction approach is suggested, which is mathematically proven to conserve these important properties. To deal with the large amount of data coming from the TI analysis, new organizational structures are proposed. The liveness property is investigated by reducing the complexity of the calculation method and adapting it to biological networks.
The results obtained by these approaches suggest a valid network model. In conclusion, the proposed approaches and strategies can be used in combination to allow the validation and analysis of highly complex biological networks.
Microsporidia are a group of parasites that infect a wide range of species, many of which play important roles in agriculture and human disease. At least 14 microsporidian species have been confirmed to cause potentially lifethreatening infectious diseases in both immunocompromised and immunocompetent humans. Approximately 1,400 species of microsporidia have been described. Depending on their host and habitat they are classified into three groups, the aquasporidia, the terresporidia and the marinosporidia.
Microsporidia were originally classified as fungi by Naegeli (1857). However, their lack of typical eukaryotic components – such as mitochondria, Golgi bodies or peroxisomes – suggested to place the microsporidia together with other amitochondriate protists within the Archezoa kingdom. This "microsporidia-early" hypothesis was further supported by molecular phylogenies inferred from individual genes. Despite this evidence, the placement of microsporidia as an early branching eukaryote remained a topic for debate. The phylogeny of microsporidia is prone to suffer from biases in their reconstruction. The high evolutionary rate of microsporidian proteins tends to place these proteins together with other fast evolving lineages, a phenomenon known as long-branch attraction. In 1996, the first molecular phylogenetic studies placed the microsporidia inside the fungi.
Subsequently, several further studies located the microsporidia at different positions inside the fungal clade. Since then, microsporidia have been considered as members of the Ascomycota, Zygomycota, Cryptomycota, or as a sister group to the Ascomycota and Basidiomycota, or even as the sister group of all fungi.
The difficulties in determining the evolutionary origin of microsporidia are not only caused by their lack of several cellular components but also by their reduced genomes and metabolism. Being obligate intracellular parasites, microsporidia successfully reduced their genome sizes, down to the range of bacteria. As the smallest eukaryotic genome described so far, the genome of Encephalitozoon intestinalis is just 2.3 Mbp, about half the size of the one of Escherichia coli. Due to their low number of protein coding genes (less than 4,000), microsporidia are thought to retain only genes essential for their survival and development. Furthermore, several key metabolic pathways are missing in the microsporidia, such as the citric acid cycle, oxidative phosphorylation, or the de novo biosynthesis of nucleotides. As a result they are in an obligatory dependence on many primary metabolites from the hosts. However, the presence of hsp70 protein suggests a more complex genome of the microsporidian ancestor. Consequently, the small microsporidian genomes and the reduced metabolism would be consequences of a secondary loss process that molded the contemporary microsporidia from a functionally more complex ancestral species. However, it remains unclear whether the last common ancestor (LCA) of the microsporidia was already reduced, or whether the genome compaction was lineage-specific and started from a more complex LCA.
We investigated the evolutionary history of the contemporary microsporidia through the reconstruction and analysis of their LCA. As a first step in our analysis, we have developed and implemented a software facilitating an intuitive data analysis of the large presence absence-patterns resulting from the tracing of microsporidian proteins in gene sets of many different species. These so called phylogenetic profiles can now be dynamically visualized and explored with PhyloProfile. The software allows the integration of other additional information layers into the phylogenetic profile, such as the similarity of feature architecture (FAS) between the protein under study and its orthologs. The FAS score can be displayed along the presence-absence pattern, which can help to identify orthologs that have likely diverged in function. PhyloProfile closes the methodological gap that existed between tools to generate large phylogenetic profiles to delineate the evolutionary history and the contemporary distribution of large – and ultimately complete – gene sets, and the more function-oriented analysis of individual protein. In the next step we tackled the problem of how to transfer functional annotation from one protein to another. We have developed HamFAS that integrates a targeted ortholog search based on the HaMStR algorithm with a weighted assessment of feature architecture similarities (FAS) between orthologs. In brief, for a seed protein we identify orthologs in reference species in which proteins have been functionally annotated based on manually curated assignments to KEGG Ortholog (KO) groups. The FAS scores between the orthologs and seed proteins are calculated. Subsequently, we compute pairwise FAS scores for all reference proteins within a KO group. A group's mean FAS score serves then as cutoff that must be exceeded to warrant transfer of its KO identifier to the seed. A benchmark using a manually curated yeast protein set showed that HamFAS yields the best precision (98.5%) when compared with two state-of-the-art annotation tools, KAAS and BlastKOALA. Furthermore, HamFAS achieves a higher sensitivity. On average HamFAS annotates almost 50% more proteins than KAAS or BlastKOALA.
With this extended bioinformatics toolbox at hand, we aimed at reconstructing the evolutionary history of the microsporidia. We generated a robust phylogeny of microsporidia using a phylogenomics approach. As a data basis, we identified a set of microsporidian proteins encoded by 80 core genes with one-to-one orthologs. A maximum likelihood analysis of this data
with 48 fungi and additionally in 13 species from more distantly related such as animals and plants combined in a supermatrix strongly supported the hypothesis that microsporidia form the sister group of the fungi. We confirmed that the data explains this microsporidia-fungi relationship significantly better than any other of the previously proposed phylogenetic hypotheses.
On the basis of this phylogeny, and of the phylogenetic profiles of microsporidian proteins, we then focused on reconstructing the dynamics microsporidian genome evolution. Between 2% of the proteins in the compact microsporidia Encephalitozoon intestinalis and up to 49% of the proteins of Edhazardia aedis are private for individual microsporidian species. A comparison of the sequence characteristics of these proteins to that of proteins with orthologs in other microsporidian species revealed individual differences. Yet, without further evidences it remains unclear whether these private genes are indeed lineage-specific innovations contributing to the adaptation of each microsporidium to its host, or whether these are artifacts introduced in the process of gene annotation. A total of 14,410 microsporidian proteins could then be grouped into 1605 orthologous groups that can be traced back to the last common ancestor of the microsporidia (LCA set). We found that 94% of the microsporidian LCA proteins could be tracked back to the last eukaryotic common ancestor. The high evolutionary age of these proteins, together with the resistance against gene loss in the microsporidia suggests that the corresponding functions are essential for eukaryotic life. Further 3% of the LCA proteins could be dated to the common ancestor microsporidia share with the fungi. Only 3% of the LCA proteins appear as microsporidia specific inventions. These proteins are potentially of importance for the evolutionary of the obligate parasitic lifestyle nowadays shared by all microsporidia.
The functional annotation and metabolic pathway analysis of the microsporidian LCA protein set gave us more insight into the adaptation of the microsporidia to their parasitic lifestyle and the origin of the microsporidian genome reduction. The presence of E1 and E3 components of the pyruvate dehydrogenase complex and the mitochondrial hsp70 protein support an ancestral presence of mitochondria in the ancestral microsporidia. In addition, several ancient proteins that complement gapped metabolic pathways were found in the microsporidian LCA. They suggested a more complex genome and metabolism in the LCA. However, our reconstruction of the metabolic network of the microsporidian LCA still lacks many main pathways. For example, the TCA cycle for effective energy production, and key enzymes that are required for in vivo synthesis of critical metabolites like purines and pyrimidines appear absent. We therefore find that the parasitic lifestyle and the genome reduction already occurred in the microsporidian LCA. This ancestral state was followed by further losses and gains during the evolution of each individual microsporidian lineage.
Alternative splicing (AS) is a co- or post-transcriptional process by which one gene gives rise to multiple isoforms. This ‘split and combine’ step multiplies eukaryotic proteome diversity several fold and is implicated in several diseases given its pervasive impact. Control of alternative splicing is brought about by cis-regulatory elements, such as RNA sequence and structure, which recruit trans-acting RNA-binding proteins (RBPs). Although several of these interactions are already described in detail, we lack a comprehensive understanding of the regulatory code that underlies a splicing decision.
Here, we have established a high-throughput screen to comprehensively identify and characterise cis-regulatory elements that control a specific splicing decision. A cancer-relevant splicing event in proto-oncogene RON was picked as a minigene prototype for initialising the screening approach. Then, we transfected a library of thousands of randomly mutagenised minigene variants as a pool into human cells, and subsequently quantified the spliced isoforms by RNA sequencing. Importantly, we used a barcode sequence to tag the minigene variants and thereby linked mutations to their corresponding spliced products. By using a linear regression-based modelling approach, we were able to determine the effects of single mutations on RON AS. In total, more than 700 mutations were found to significantly affect the splicing regulation of the RON alternative exon. In addition, mutation effects quantified from the screening approach correlate with RON alternative splicing in cancer patients. We discovered numerous previously unknown cis-regulatory elements in both introns and exons, and found that the RBP heterogeneous nuclear ribonucleoprotein H (HNRNPH) extensively regulates RON AS at multiple levels in both cell lines and cancer. Furthermore, the large number of RBPs involved in the process, point to a complex splicing regulatory network involved in the control of RON splicing. iCLIP and synergy analysis between mutations and HNRNPH knockdown data pinpointed the most relevant HNRNPH binding sites across RON. Finally, cooperative HNRNPH binding was shown to mediate a splicing switch of RON alternative exon. In summary, our results provide an unprecedented view on the complexity of splicing regulation of an alternative exon. The novel screening approach introduces a tool to study the relationship of RNA sequence variants along with trans-acting regulators to their impact on the splicing outcome, offering insights on alternative splicing regulation and the relevance of mutations in human disease.
Protein translocation across the chloroplast membrane is mediated by molecular machinery composed of protein complexes termed the TOC/TIC (the outer/inner envelope chloroplasts translocases). This translocation process is regulated by metabolic energy in form of GTP and ATP and is influenced by the lipid composition of the membrane. The ability to study the function of a single complex “TOC” in vitro using purified protein or purified chloroplast outer envelope vesicles has been instrumental for our understanding of the mechanism underlying this process.
Indeed, the TOC complex has been purified by previously established procedures. However its functional and structural analyses are impaired by the limited yield of purified protein. Therefore, protocols for native TOC complex purification are described here. The complex isolation is achieved by direct biochemical treatment of biological membrane hosting this complex or by tandem affinity purification of modified protein complex components from generated transgenic plants.
Furthermore, in this thesis, radioactive based in vitro import assays are described, namely those that allow monitoring translocation activity across the outer envelope of chloroplast. Based on the analysis of knock-out plants and isolated complexes it was previously suggested that lipid dependence of protein translocation might exist. Thus, the question was raised whether the lipid composition of the membrane has a direct influence on the behavior and functionality of the TOC translocon, or whether additional components of the chloroplast membrane account for the observed effect in vivo. To answer this question, a technique for vesicle fusion was developed. The principal aim was to explore the effect of an exchange of the lipid environment surrounding the complex translocon. This method helped to demonstrate that the SQDG and PI act stimulatory on the translocation across the outer envelope of chloroplast, whereas DGDG exhibits an inhibitory effect on TOC complex functionality.
Get3 in Arabidopsis
(2021)
Der guided entry of tail-anchored proteins (GET) Biogenese-Weg vermittelt den Transport und die Insertion von tail-anchor (TA) Proteinen in die Doppellipidschicht des Endoplasmatischen Retikulums (ER). TA Proteine sind dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Transmembran Domäne (TMD) in den letzten 50 Aminosäuren ihrer Sequenz beherbergen. Diese TMD enthält die notwendigen Informationen, mit denen die Proteine an ihren jeweiligen subzellulären Zielort transportiert werden können. TA Proteine erfüllen eine Vielzahl von essentiellen biologischen Prozessen, sie fungieren zum Beispiel als Rezeptoren, sind maßgeblich an der Fusion von Vesikeln beteiligt sowie an der Initiation von Apoptose. Durch ihren modularen Aufbau können TA Proteine nicht mit dem Signalerkennungspartikel interagieren und müssen deshalb posttranslational zum ER geleitet werden. Im Modellorganismus Bäckerhefe (Saccharomyces cerevisiae) ist der GET Biogenese-Weg am besten beschrieben und läuft wie folgt ab: Nach der Termination der Translation bindet das Protein SgtA das TA Protein und händigt es über den Adapter-Komplex, bestehend aus Get4 und Get5, an die zytosolische ATPase Get3 aus. Get3 ist der zentrale Zielsteuerungsfaktor des GET Biogenese-Weges. Sobald sich ein Komplex aus Zeilsteuerungsfaktor und TA Protein gebildet hat, wird dieses zur Membran des ERs überführt. Dort wird das TA Protein an den Rezeptorkomplex bestehend aus Get1 und Get2 übergeben, welcher anschließend die Insertion des TA Proteins in die Doppellipidschicht des ERs initiiert.
Get3 hat im zellulären Kontext noch eine weitere Funktion. Unter oxidativem Stress oder Energie depletierenden Bedingungen wird Get3 zu spezifischen Foci rekrutiert, an denen sich noch weitere durch Stress -induzierbare Proteine, wie z.B. die der Familie der Hitze Stress Proteine (HSPs) versammeln. Analysen haben gezeigt, dass Get3 unter den oben genannten Bedingungen, Konformationsänderungen durchläuft und dann als ATP unabhängige Holdase fungiert. Diese kann die exponierten, hydrophoben Anteile von Proteinen binden, um dadurch die Proteostasis aufrechtzuhalten.
Durch die Bedeutsamkeit der TA Proteinen ist die zentrale ATPase Get3 in allen Domänen des Lebens hochgradig konserviert. Phylogenetische Analysen ergaben, dass sich Get3 im Allgemeinen in eine „A“ Gruppe sowie eine „BC“ Gruppe aufspaltet. Im Modellorganismus Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand) wurden drei Orthologe zu Get3 identifiziert. Eins davon gehört zu der „A“ Gruppe und befindet sich im Zytoplasma. Die anderen zwei Orthologe befinden sich in den Organellen endo-symbiotischen Ursprungs und gehören der „BC“ Gruppe an. Untersuchungen an verschiedenen Deletionsmutanten in A. thaliana haben gezeigt, dass die Mutationen einzelner GET Komponenten zu einer signifikanten Verkürzung der Haarwurzeln führen, obwohl der restliche Habitus der Pflanze unverändert bleibt. Diesbezüglich wurde SYP123 als einziges TA Proteine identifiziert, dessen Abundanz durch die Deletion von GET Komponenten beeinflusst werden kann. Von den anderen beiden Orthologen organellären Ursprungs ist, abgesehen von ihrer Lokalisation nichts weiter bekannt
Vier Orthologe Gruppen in Pflanzen
Da bislang nicht mehr als zehn Pflanzenarten für phylogenetische Analysen herangezogen wurden, wurden in dieser Arbeit die taxonomischen Beziehungen von Get3 zu einander in 50 Spezies der Viridiplantae auf Basis der Orthologie sowie Homologie untersucht. Dies führte zur Identifizierung einer zytolischen (AtGet3a), einer plastidären (AtGet3b), einer mitochondriellen (AtGet3c) sowie einer Monokotyledone spezifischen Gruppe (SBGet3). Die Lokalisation der ersten drei Gruppen wurde in selektierten Pflanzen, sowohl homolog als auch heterolog, der unterschiedlichen Spezies mittels saGFP untersucht, und es konnte gezeigt werden, dass mehrere Get3 Orthologe mit unterschiedlichen subzellulären Lokalisationen eine unter Pflanze häufig auftretende Eigenschaft ist. Das Weitern konnte gezeigt werden, dass manche Komponenten des Präzielsteuerungskomplexes (SgtA und Get4) sowie des Rezeptorkomplexes (Get1) in fast allen der 50 untersuchten Pflanzenarten vorhanden sind. Dies weist auf eine Konservierung des gesamten GET Biogenese-Weges in Pflanzen hin.
Get3a in Arabidopsis thaliana
Da die molekulare Zusammensetzung des Präzielsteuerungskomplexes für AtGet3a in A. thaliana nicht bekannt ist, habe ich Co-Immunpräzipitationen mit Zellextrakten aus weißer Zellkultur und einen von mir selbst aufgereinigten Antikörper gegen AtGet3a durchgeführt. Nach anschließender Gelelektrophorese und einer Anfärbung mit Coomassie Brilliant Blue ließ sich ein reproduzierbares Muster aus Proteinbanden erkennen, welche ausgeschnitten und mittels LC-MS/MS analysiert wurden. Dadurch wurde ein putativer Kandidat für Get5 identifiziert sowie eine Assoziation mit Chaperonen und proteasomalen Untereinheiten.
Um die Zielsteuerungseffizienz und Topologie von ER-Membranproteinen zu analysieren habe ich (i) die rekombinante Synthese eines Modell-TA Proteins mit glykosylierbarem opsin bovine glycosylation Tag (OPG) etabliert sowie (ii) eine Methode etabliert um in isolierten Protoplasten die Richtigkeit der Insertion zu überprüfen. Mit Hilfe dieser Methoden können nun verschiedene Mutanten auf ihre Insertions-Wirksamkeit untersucht werden. Desweitern können durch Mutationsanalysen die notwendigen physikochemischen Eigenschaften für die Erkennung des Substrates ermittelt werden.
Eine weit verbreitete Methode im GET Feld ist die tail-anchor translocation (TAT). Bei dieser Methode werden isolierte mikrosomale Fraktionen des rauen ERs mit rekombinanten Komplexen bestehend aus Zielsteuerungsfaktor und TA Protein inkubiert. Durch einen rekombinanten OPG, der im Lumen des ERs post-translational modifiziert werden kann, ist die Beobachtung einer zeitabhängigen Kinetik der Glykosylierung möglich. Dieses System wurde bislang nur für Komponenten aus Säugern oder Hefen benutzt, aber noch nie mit einem System auf pflanzlicher Basis. Um dies zu verwirklichen, habe ich die rekombinante Proteinexpression soweit optimiert, dass der Großteil des synthetisierten Proteins sich im löslichen Anteil des Lysats statt in den Inclusion Bodies befand. Mittels dieser Optimierung konnte ich die Ko-Expression von Zielsteuerungsfaktor mit TA Protein als löslichen Komplex etablieren. Ergänzend zu den löslichen Komplexen habe ich eine geeignete Methode etabliert um mittels Saccharosegradienten mikrosomale Fraktionen aufzutrennen in denen AtGet3a angereichert ist. Leider müssen noch die Parameter der Reaktion optimiert werden, aber die Akquirierung alle nötigen Bestandteile ist etabliert.
The TolC protein of E. coli is a versatile OMF which is involved in secretion of antibiotics, heavy metal ions, secondary metabolites and proteins. These individual tasks are accomplished by a dynamic formation of different secretion complexes which comprising a plasma membrane transporter, a Membrane Fusion Protein and TolC as the outer membrane channel-tunnel. The TolC-like protein HgdD of the cyanobacterium Anabaena sp. PCC 7120 was previously described as an indispensable OMF involved in formation of the heterocyst-specific glycolipid layer which is needed to sustain the microoxic environment that allows nitrogen fixation in heterocysts of filamentous cyanobacteria. Here I show that HgdD is involved in macrolide antibiotic resistance and ethidium efflux, which is used as a model substrate for cytotoxic compounds and secondary metabolites. It can be shown that ethidium uptake is a passive and porin-dependent process, while multidrug efflux is performed together with the RND efflux pump All3143 (and the MFP All3144). In contrast to HgdD, All3143 can complement the function of its homologue AcrB in E. coli and was suggested to be named anaAcrB. Multidrug efflux is assisted by SmsA and SchE, two secondary transporters of the MFS-type, which facilitate the transport of cytoplasmatic ethidium to the periplasmic space prior to the All3143- and HgdD-dependent efflux. Moreover, it can be demonstrated that SchE and HgdD are involved in secretion of the metal ion-chelating siderophore schizokinin, which functions in iron(III) acquisition. However, a physical interaction of SchE and HgdD is unlikely since SchE does not possess an OMF interacting domain. In addition, both RND efflux pumps All3143 and Alr1656 are needed for the homeostasis of the photosystems during diazotrophic growth. Although a direct involvement in heterocyst development or metabolism cannot be discounted at this stage, it is speculated that both RND transporters are involved in detoxification of reactive nitrogen species, similar to the function of MexF and MdtF of P. aeruginosa and E. coli respectively. In addition to its function in multidrug efflux, HgdD has been shown to be involved in protein secretion. By comparative analysis of the Anabaena sp. wild type and hgdD mutant secretome it was possible to identify eight putative HgdD protein substrates. The localization of four proteins was exemplary demonstrated by secretome isolation and cell fractionation of hemagglutinin-tagged mutant strains. The absence of detectable protein in the hgdD mutant strain suggests a highly efficient secretion system which is quality controlled by proteolysis of mislocalized proteins.
Höhere Eukaryoten stellen ein Ensemble von Zellen dar, die in Kompartimente unterteilt sind. Somit sind intra- und interzelluläre Transportprozesse entscheidend für das Überleben dieser Zellverbände. In meiner Arbeit habe ich Evolution und Struktur von Translokationskomplexen untersucht, um einige Aspekte dieser komplexen Systeme zu untersuchen. Eingangs befassten wir uns mit Rezeptorsystemen am Beispiel des Proteintransports. Mittels phylogenetischer Analysen fanden wir heraus, dass Pex5 nicht der Urahn der anderen untersuchten 3-TPR-Domänen ist, obwohl Pex5 in allen eukaryotischen Organismen vorkommt. Ein Vergleich der 3-TPR-Domänen mit der restlichen Sequenz des Rezeptorproteins ergab, dass die 3-TPR-Domänen eine langsamere Evolutionsgeschwindigkeit aufweisen, was für eine Evolutionseinschränkung durch Interaktionspartner spricht. Sec72 ist möglicherweise aus einer TPR1 (Hop) Domäne entstanden und eine Funktion als Hsp70-erkennende Komponente des Sec-Komplexes für den post-translationalen Import kann daraus abgeleitet werden. „Recycling“ von 3-TPR-Domänen anderer Proteine konnten wir durch unsere phylogenetische Analyse auch für die zweite 3-TPR-Domäne von Tom34 nachweisen, die mit CYP40/FKBP51/52 clustert. Darüber hinaus war es uns möglich, die plastidär bzw. mitochondriell lokalisierten Formen von Toc64 phylogenetisch zu unterscheiden. Durch Erzeugung von Homologiemodellen konnten organellspezifische Aminosäuren strukturell eingeordnet werden. Dabei stellten wir fest, dass sich fast alle Positionen, die sich in der Aminosäurekomposition unterscheiden, auf der konvexen Seite der 3-TPR-Domäne befinden. Molekulardynamische Simulationen zeigten zudem deutliche Veränderung der Hauptbewegungen der 3-TPR-Domänen nach Komplexierung mit dem Hsp90-C-Terminus. Bei Bindung des Liganden werden intramolekulare Wasserstoffbrücken sowohl auf der konvexen als auch konkaven Seite der 3-TPR-Domäne „umgeschaltet“. Diese Erkenntnisse führen zu zwei Hypothesen: 1.) die Organellspezifität der Rezeptoren wird durch die Interaktion mit anderen Komplexpartnern garantiert und 2.) die Änderungen des Wasserstoffbrückennetzwerkes auf der konvexen Seite nach Hsp90-Bindung führen zur Ausbildung der Bindungsstelle für die andere Komplexkomponente. Beide Hypothesen erklären die experimentellen Beobachtungen bezüglich der Rezeptoren und warum keine phylogenetischen Hinweise für die Existenz von Vorstufenprotein-spezifischen Hsp70/90-Proteinen gefunden werden konnten. Nach dem Rezeptor haben wir uns mit dem Translokationsprozess befasst. Wir konnten phylogenetisch zeigen, dass sich Omp85 aus Proteobakterien im Vergleich zu Cyanobakterien und Eukaryoten insbesondere durch andersartige POTRA Domänen auszeichnet und fanden zwei konservierte Motive in der Porenregion. Zudem konnten wir im Heterokontophyten P. tricornutum ein vollständiges Omp85 identifizieren (bipartite Signalsequenz, 2 POTRAs, Pore mit langen Schleifen). Die Aminosäuresequenz weicht teils deutlich von den bekannten Omp85-Proteinen ab, was die Entdeckung erschwerte. Wir haben damit geklärt, dass auch im Translokationsapparat von komplexen Plastiden ein b-Fassprotein der Omp85 Familie die Kerneinheit bildet. Ebenfalls zu den Protein-transportierenden b-Fassproteinen gehört TolC, das aber im Gegensatz zu Omp85 auch andere Substanzen, wie zum Beispiel Siderophore transportiert. Alr2887 ist das einzige TolC-ähnliche Protein aus Anabaena sp. PCC7120. Vergleichende Phänotypuntersuchungen weisen auf eine Interaktion eines ABC-Transporters (DevBCA Operon) mit Alr2887 hin. Die Distanz zwischen äußerer Membran und Plasmamembran ist in Anabaena doppelt so groß wie in E. coli. Entsprechend fanden wir im Adapterprotein DevB eine stark verlängerte dimere Doppelwendel, die das von TolC gebildete a-Fass im Periplasma bis hin zum ABC-Transporter in der Plasmamembran theoretisch fortsetzen kann. Da verschiedenste in Anabaena existierende ABC-Transporter TolC als Abflusskanal benötigen, nehmen wir an, dass Alr2887 ein Rundumtalent in Bezug auf die zu transportierenden Substrate darstellt. Dieses ist auch aufgrund der basalen Einordnung im phylogenetischen Baum zu vermuten; es könnte somit auch in den „Multi-Drug-Efflux“ involviert sein. Nicht nur ABC-Transporter, auch TonB-abhängige Transporter stehen in funktionellem Zusammenhang mit TolC. Wir haben Aminosäuresequenzen von ~4600 TBDTs aus Gram-negativen Bakterien und Cyanobakterien zusammengetragen und nach ihrer paarweisen Ähnlichkeit geclustert. Anhand experimentell charakterisierter TBDTs mit bekannten Substraten und TBDTs mit vorhergesagten Substraten konnten wir sehr vielen Clustern ein Substrat zuordnen, das die in ihnen zusammengefassten TBDTs aller Wahrscheinlichkeit nach importieren. Wir konnten ferner feststellen, dass es noch eine Menge weiterer Cluster mit unbekannten Substratspezifitäten gibt und unsere Analysen stimulieren somit die Arbeiten an diesem System im Allgemeinen und in Cyanobakterien im Besonderen.
Die Chloroplastenbewegung ist eine der wichtigsten Anpassungen, die Pflanzen entwickelt haben, um eine effiziente Ausbeute an Lichtquanten für die Photosynthese zu gewährleisten. Auch wenn der genaue Mechanismus und die Signalwege, die diesen Prozess vermitteln, noch nicht vollständig verstanden sind, konnten einige an der Chloroplastenbewegung beteiligte Proteine (phot1, phot2, chup1, Aktin, Profilin) in den letzten Jahren identifiziert werden. Chup1, das an der äußeren Chloroplastenmembran verankerte Protein, wird als putativer Linker zwischen den Chloroplasten und dem Aktin-Zytoskelett gesehen. Durch die Interaktion mit Profilaktin reguliert chup1 die Aktin-Polymerisierung und somit auch die Chloroplastenbewegung. Die Analyse der intra- und intermolekularen Interaktionen von chup1, die in dieser Studie ermittelt wurden, deutet auf eine Homodimerisierung von chup1 durch die Coiled coil Domäne sowie auf eine Assoziation des N- mit dem C-terminalen Leuzin- Zipper hin. Neben diesen Interaktionen konnte für einen der vier putativen Interaktionspartner von chup1, der wall associated kinase 3, eine mögliche Funktion bei der Vermeidungsbewegung der Chloroplasten gezeigt werden. In Anbetracht dieser Interaktion und der postulierten Phosphorylierungsstellen in chup1, könnte eine Regulierung von chup1 durch Phosphorylierung erfolgen. Um die Funktionen von chup1 und phot2 besser zu verstehen, wurden die Pflanzen mit knock-out in diesen Gene genauer charakterisiert und die T-DNA Insertionslinien von chup1 und phot2 zeigen keine Reduzierung in der photosynthetischen Aktivität. Im Gegensatz dazu, bedingt der knock out von beiden Genen eine deutliche Verminderung der photosynthetischen Leistung. Infolge der fehlenden Chloroplastenbewegung im chup1phot2 Doppel knock out führt das möglicherweise zu einem verringerten Schutz der Photosynthese. Dies bestätigt weiter die Verbindung zwischen der durch phot2 induzierten Signalkaskade und der Aktin-Polymerisierung, die durch chup1 reguliert wird. Um den Einfluss von chup1, phot1 und phot2 auf die transkriptionelle Regulierung nach BL zu analysieren, wurde das globale Expressionsmuster nach BL-Behandlung untersucht. Bei der Analyse der Mutanten-Pflanzen mit einem Defekt in der Chloroplastenbewegung (chup1, phot1, phot2) konnte keine Beeinflussung der Regulierung der Genexpression in BL-gesteuerten Signalkaskaden durch diese Proteine beobachtet werden. Die Regulierung der Expression geschieht eher auf posttranskriptioneller Ebene und wird mit Hilfe von microRNA gesteuert.
Beta-Barrel-Membranproteine der Omp85-Familie besitzen essentielle Funktionen in der Lipidbiogenese und der Proteinintegration und -assemblierung in der äußeren Membran von Gram-negativen Bakterien. Auch in endosymbiotisch erworbenen Organellen der Eukaryoten übernahmen Vertreter dieser Proteinfamilie wichtige Rollen, wie bei der Translokation von Vorstufenproteinen durch die äußere Hüllmembran von Chloroplasten und der Assemblierung von Proteinkomplexen in der äußeren Hüllmembran von Mitochondrien. Eine phylogenetische Analyse der bekannten Vertreter dieser Proteinfamilie wies auf eine Aufspaltung der Omp85-Familie in zwei Hauptzweige hin. Während der Toc75-Zweig aus plastidären und cyanobakteriellen Omp85-Proteinen besteht, bilden mitochondrielle Proteine sowie die Omp85-Vertreter der Proteobakterien eine zweite Unterfamilie, den Sam50-Zweig. In dieser Arbeit wurden die elektrophysiologischen Eigenschaften von pro- und eukaryotischen Vertretern beider Unterfamilien verglichen. Zu diesem Zweck wurde ein elektrophysiologischer Messstand konstruiert, mit dem diese Kanalproteine mittels der Lipid-Bilayer-Technik untersucht werden konnten. Die Analyse der experimentellen Daten der verwendeten Omp85-Proteine zeigte deutliche Gemeinsamkeiten der gesamten Proteinfamilie hinsichtlich ihrer Kationenselektivität. Hingegen ergab ein Vergleich der Kanalleitwerte signifikante Unterschiede zwischen beiden Unterfamilien. So lagen die aus den Leitwerten berechneten Porendurchmesser bei den Mitgliedern des Toc75-Zweigs um das Zwei- bis Dreifache über den für die Vertreter des Sam50-Zweigs bestimmten Werten. Topologievorhersagen ergaben, dass die Mitglieder der Omp85-Familie aus zwei Domänen aufgebaut sind. Durch die Analyse der elektrophysiologischen Eigenschaften von Teilkonstrukten, die aufgrund dieser Vorhersagen erstellt wurden, konnte gezeigt werden, dass die C-terminale Domäne die Porenregion des beta-Barrel-Proteins bildet. Die elektrophysiologischen Eigenschaften der Omp85-Proteine werden allerdings durch die N-terminale Domäne moduliert. Aufgrund der in dieser Arbeit erzielten elektrophysiologischen Ergebnisse und unter Berücksichtigung der phylogenetischen Analyse der Omp85-Familie konnte eine Hypothese zur evolutionären Entwicklung dieser sehr alten Proteinfamilie aufgestellt werden.
Cyanobacteria belong to the most widely distributed microorganisms in the biosphere and contribute significantly to global primary production. Their metabolism is based on oxygenic photosynthesis and some cyanobacteria can fix elemental nitrogen. Obligate photosynthetic diazotrophs have a particularly high iron demand in comparison to heterotrophic bacteria. Nevertheless the understanding of iron acquisition in cyanobacteria is just beginning to emerge. Iron acquisition in bacteria comprises highly specific transport of siderophore-iron complexes over the outer membrane by TonB-dependent transporter (TBDT). The transport itself is active and energized by a multi-complex localized to the inner membrane termed the TonB-system (TonB-ExbB-ExbD). The siderophore-iron complexes are further transported into the cytosol by a binding protein dependent ABC-transporter. Cyanobacterial iron acquisition response has most extensively been studied in unicellular, non-siderophore synthesizing cyanobacteria in the genus Synechococcus and Synechocystis. Anabaena sp. PCC 7120, however, is a different model organism as it is a freshwater living, siderophore synthesizing and, truly multicellular microorganism. It can be assumed that siderophore synthesis and siderophore-dependent iron uptake are tightly coordinated processes, therefore Anabaena represents a different model organism as compared to non-siderophore producing cyanobacteria. Moreover the surprisingly abundant protein family of 22 putative TBDTs in Anabaena indicates a high complexity of TonB-dependent uptake systems. Sequence similarity analysis revealed 4 putative tonB encoding genes (alr0248, all3585, all5036, alr5329), 2 putative exbB-exbD encoding gene cluster (alr0643-alr0644, all5047-all5046), one single standing putative exbB encoding gene (alr4587) and several hypothetical binding-protein-dependent ATP binding cassette (ABC)-type transporter encoding genes (fhu-, fec- and fut-type transporter).
In this study the respond of the predeicted systems to iron-limiting conditions was analysed by qRT-PCR. The expression analysis revealed on the one hand an enhanced transcription of all5036 (tonB3), all5047-all5046 (exbB3-exbD3) and the fhu-like encoding genes (all0387-all0389) under iron-limitation and at the same time down-regulation of expression under enhanced iron concentrations. Summerizing the transcription profile of the tonB3- and the fhu-system showed an expression regulated by iron-availability. To further characterize the role of TonB3-, ExbB3- and the Fhu-system, mutants thereof were generated. None of the generated mutants, except for the exbB3 mutant, could be fully segregated, suggesting an essential character of the genes. Characterization of the mutants revealed enhanced expression of iron-starvatrion indicator genes (isiA, fhuA) and altered growth of the tonB3 mutant under iron-limiting conditions. The iron starvation phenotype was further strengthened by enhanced siderophore secretion in the tonB3, exbB3 and fhuC mutants. Taken as a whole the results strongly indicate involvement of the tonB3- and the fhu-system in siderophore-dependnet iron uptake in Anabaena.
Investigation of the tonB2 (all3585) mutant under iron and citric acid limitation resultated in altered growth of the mutant. However, growth could be restored by addition of iron chlorid. Therefore a connection of the TonB2 protein to iron uptake is implied and further supported by ressitance to toxic iron concentrations. Lastly, mutation of tonB1 (alr0248) reuslted in insensibility to toxic manganese and copper concentrations and macrolid antibiotics. The altered permeability of the outer membrane may be a result of decreased expression of seven putative porin encoding genes in the mutant. A possible role in transcriptional regulation of porin expression is discussed.
Morbus Parkinson (abgekürzt als PD vom Englischen Parkinson’s disease) ist nach Alzheimer die zweithäufigste neurodegenerative Erkrankung. Die Hauptmerkmale sind Rigidität und Bradykinesie, sowie Tremor und posturale Instabilität. Im Gehirn lässt sich bei Parkinsonpatienten post mortem ein Verlust an Neuronen in der Substantia nigra feststellen, was zu den ersten beiden Anzeichen führt. Zudem gibt es intrazelluläre Einschlüsse in den betroffenen Nervenzellen – Lewy-Körperchen genannt – die aus Alpha-Synuklein und anderen Proteinen wie Ubiquitin zusammengesetzt sind. Außerdem ist der Eisenmetabolismus in Gehirnen von Parkinsonpatienten gestört und man findet Eisen-Ablagerungen, vor allem im Mittelhirn. Die Ursachen für PD sind bislang nicht abschließend geklärt. Der Großteil der Fälle ist sporadischer Natur mit unbekannter Ursache und nur bei einem geringen Anteil liegt eine Mutation in einem einzelnen Gen zugrunde. Die häufigsten Mutationen tritt in den Genen für Alpha-Synuklein (SNCA), PINK1 und PARKIN auf.
Die Serin-Threonin-Kinase PINK1 und die E3-Ubiquitin-Protein-Ligase PARKIN sind zwei Proteine, die in Stresssituationen an der Mitochondrien-Außenmembran am Abbau von alten oder nicht richtig funktionierenden Mitochondrien beteiligt sind. Dieser Vorgang nennt sich Mitophagie.
Die dieser Arbeit zugrunde liegenden Publikationen gehen den Zusammenhängen zwischen mitochondrialen Fehlfunktionen und der Pathogenese von PD nach. Da die Krankheit meist erst im hohen Alter auftritt, davon größtenteils ohne direkte Ursache, liegt der Schluss nahe, dass neben genetischen Ursachen auch Umweltfaktoren eine größere Rolle spielen könnten. Um dies näher zu analysieren, wurden experimentell verschiedene Stressoren eingesetzt.
Insgesamt wurden folgende Aspekte untersucht:
I. Welche Auswirkungen hat das Fehlen von PINK1 auf die Zelle? Gibt es einen Biomarker, der mit höherem Alter immer stärker verändert ist?
II. Welchen Einfluss haben Umweltfaktoren wie veränderte Eisen-Exposition auf die Zelle und was verändert sich beim Fehlen von PINK1?
III. Wie können mitochondriale Fehlfunktionen präferentiell das Nervensystem betreffen, wenn es nicht um respiratorische Insuffizienz geht?
Die einzelnen Studien zeigten folgende Ergebnisse:
Torres-Odio/Key et al. 2017 widmete sich der Suche nach molekularen Biomarkern, wodurch PD präsymptomatisch erkannt und die Progression der Erkrankung eingeschätzt werden kann. Die Transkriptom-Analyse der Kleinhirne von Mäusen mit Pink1-/--Mutation in drei verschiedenen Altersstufen zeigte eindrücklich, dass nicht ein einzelner Faktor immer stärker verändert war, sondern, dass immer mehr Faktoren und daher auch eine steigende Zahl an
Signalwegen mit höherem Alter beteiligt waren. Diese Veränderungen betrafen inflammatorische Signalwege, insbesondere Faktoren, die mit der Erkennung und Verarbeitung von zellfremden Nukleinsäuren assoziiert sind. Aufgrund der evolutionären Herkunft von Mitochondrien als frühere Protobakterien haben mitochondriale Nukleinsäuren und Proteine zum Teil bakterielle Ähnlichkeiten, und könnten bei Fehlfunktionen ins Zytosol gelangen. Vor diesem Hintergrund lassen die Ergebnisse der Studie den Schluss zu, dass das angeborene Immunsystem in Neuronen durch eine PINK1-assoziierte mitochondriale Störung aktiviert wird.
In der Publikation Key et al. 2020 wurde Eisen als ein im täglichen Leben vorkommender Stressor eingesetzt und es wurden systematisch Faktoren des Eisenstoffwechsels bei hohen und niedrigen Eisenspiegeln im Zusammenhang mit Parkinson-Mutationen untersucht. Da Eisen für die Gesundheit von Mitochondrien eine große Rolle spielt und Eisen-Chelatoren als Therapie bei PD Patienten bereits diskutiert werden, haben die molekularen Befunde große Relevanz. Die Ergebnisse zeigen, dass unter niedrigen Eisenspiegeln Proteine reduziert waren, die am Nukleotid-Stoffwechsel beteiligt sind, sowie Faktoren, die Eisen-Schwefel-Cluster als Cofaktoren haben und wichtig für die Nukleotid-Qualitätskontrolle sind. Das Fehlen von Eisen führte zu einer Induktion von Pink1 und Prkn, was auf verstärkte Mitophagie hindeutet. Insgesamt konnte gezeigt werden, dass die mitochondriale Eisen-Schwefel-Cluster Biogenese und die post-transkriptionelle Eisenregulation entscheidend für die Pathogenese von PD, bzw. das gesunde Fortbestehen einer Zelle und letztlich auch eines Organismus sind.
In Key et al. 2019 wurde erstmalig das Gesamt-Ubiquitylom aus Gehirnen von gealterten Parkin-knockout (KO) Mäusen erhoben und analysiert, um Ubiquitylierungs-Substrate von PARKIN zu identifizieren. Hierbei zeigte sich eine veränderte Ubiquitylierung von mehreren Faktoren, die an der zellulären Calcium-Homöostase beteiligt sind. Weitere elektrophysiologische Experimente in Gehirnen von gealterten Parkin-/--KO Mäusen ergaben, dass in Nervenzellen im Locus coeruleus die Geschwindigkeit der spontanen Taktgeber erhöht, dass die langsame Nachhyperpolarisation reduziert und, dass die Dauer der Aktionspotentiale erniedrigt war, ohne Veränderung der Kaliumkanal-Ströme.
Insgesamt geht aus den drei Studien hervor, dass mitochondriale Fehlfunktionen bei dauerhaftem Bestehen weitreichende Folgen für die Gesundheit des Nervensystems haben können, denn auch kleine Veränderungen, seien es durch Mutationen oder Umweltfaktoren wie Eisen, können in einer so großen Lebensspanne wie der des Menschen über Krankheit oder Gesundheit entscheiden!
In times of a growing world population and the associated demand for high crop yield, the understanding and improvement of plant reproduction is of central importance. One key step of plant reproduction is the development of the male gametophyte, which is better known as pollen. In addition, the development of pollen was shown to be very sensitive to abiotic stresses, such as heat, which can cause crop damage and yield loss. To obtain new insights in the development and heat stress response of pollen, a combined transcriptome and proteome analysis was performed for three pollen developmental stages of non- and heat-stressed tomato plants.
The analysis of the transcriptomes of non-stressed pollen developmental stages enabled the determination of mRNAs accumulated in certain developmental stages. The functional analysis of these mRNAs led to the identification of protein families and functional processes that are important at different times of pollen development. A subsequent comparison of the transcriptomes of non- and heat-stressed pollen revealed a core set of 49 mRNAs, which are upregulated in all three developmental stages. The encoded proteins include among other things different heat stress transcription factors and heat shock proteins, which are known key players of the plant heat stress response.
Furthermore, 793 potential miRNAs could be identified in the transcriptome of non- and heat-stressed pollen. Interestingly, 38 out of the 793 miRNAs have already been identified in plants. For more than half of these miRNAs potential target mRNAs were identified and the interactions between miRNAs and mRNAs linked to the development and heat stress response of pollen. In total, 207 developmentally relevant interactions could be determined, out of which 34 have an effect on transcriptional-networks. In addition, 24 of the interactions contribute the heat stress response of pollen, whereby this mainly affects post-meiotic pollen.
An initial correlation of the proteome and transcriptome of the developmental stages revealed that transcriptome analyses are not sufficient to draw exact conclusions about the state of the proteome. A closer look on the relationship of the transcriptome and proteome during pollen development revealed two translational modes that are active during the development of pollen. One mode leads to a direct translation of mRNAs, while the second mode leads a delayed translation at a later point in time. Regarding the delayed translation, it could be shown that this is likely due to a short-term storage of mRNAs in so-called EPPs. The comparison of the proteome and transcriptome response to heat stress revealed that the proteome reacts much stronger and that the reaction is mainly independent from the transcriptome. Finally, the comparison of the proteome of non- and heat-stressed pollen provided first indications for changes in the ribosome composition in response to heat stress, as 57 ribosomal proteins are differentially regulated in at least one developmental stage.
Im Rahmen der vorliegenden Diplomarbeit wurde die Rolle der putativen mitochondrialen Kinase PINK1 untersucht. Die Mutationen in diesem Gen sind für die PARK6 Form von Morbus Parkinson ursächlich. Dies ist eine neurodegenerative Erkrankung, welche die Lebensqualität der Betroffenen weitgehend beeinträchtigt. Sie wird mit Dopamin-Ersatzmitteln und DBS (Deep Brain Stimulation) behandelt, beide nicht frei von Nebenwirkungen. Levodopa können bekannterweise zu schweren Fällen von Dyskinesie führen. Die Aufklärung der physiologischen Rolle von PINK1 würde den Wissenschaftlern auf dem Weg zur Früherkennung und anderen Therapiemöglichkeiten verhelfen. Die PARK6 Form der Parkinson Erkrankung wird derzeit anhand von verschiedenen Modellorganismen (M. musculus, D. melanogaster, D. rerio, C. elegans), sowie von verschiedenen Zellmodellen (HeLa, PC12, Fibroblasten aus PARK6 Patienten) untersucht. Als neuronale Zelllinie eignen sich die SH-SY5Y Zellen besonders gut für die Forschung an der durch den Verlust von dopaminergen Neuronen gekennzeichneten Parkinson-Erkrankung und sind diesbezüglich als ein relevantes Zellmodell breit akzeptiert (Xie et al.2010). In der vorliegenden Diplomarbeit wurden mit einem adenoviralen Konstrukt generierte PINK1 knockdown SH-SY5Y Zellen (M. Klinkenberg) als ein potentielles Zellmodell für die PARK6 Form von M. Parkinson analysiert. Als Kontrolle für die PINK1- abhängigen Effekte wurden NT (non target) Zellen herangezogen. Ausschlaggebend für die Wahl dieses Zellmodells war die Beobachtung, dass die PINK1 KD SH-SY5Y Zellen bei einer Reduktion des Serumgehaltes im Medium wesentlich langsamer wachsen als die NT Zellen (M. Jendrach). Die Serumdeprivation schien also der notwendige Stressfaktor zu sein, welcher zur Auslösung eines PINK1-abhängigen Phänotyps führen könnte. Daraus ergab sich die Frage, welche anderen PINK1-abhängigen Veränderungen unter Serumentzug zur Ausprägung kommen. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde zunächst die relative Genexpression der PINK1 KD SH-SY5Y Zellen in Bezug auf die NT Zellen untersucht. Es zeigte sich, dass der PINK1 KD bei reduziertem Serumgehalt zur Herunterregulation weiterer Parkinsonrelevanter Gene führt, deren Produkte an verschiedenen zellulären Prozessen beteiligt sind. Die Effekte traten nur bei stabil transfizierten Zellen auf und waren durch einen transienten PINK1 KD nicht reproduzierbar. Viele dieser Gene sind für die Aufrechterhaltung der mitochondrialen Homöostase bedeutsam und deshalb wurde die mitochondriale Funktion und Erscheinung in den PINK1 KD SH-SY5Y Zellen genauer erforscht. Im Gegensatz zu früheren Befunden (Mai et al. 2010) wurde eine Herunterregulation des für die mitochondriale Teilung zuständigen Fis1-Proteins ermittelt, darüber hinaus aber keine Änderung der mitochondrialen Morphologie auch nach induziertem Zellstress beobachtet (Dagda et al. 2009, Lutz et al. 2009). Ein Defizit in der mitochondrialen Atmung wurde festgestellt, nachdem die Zellen bei 1g/L Glucose kultiviert und für 24h auf ein Galaktose-haltiges Medium transferiert wurden. Außerdem wurde ähnlich zu Amo et. 2010 al eine leicht verminderte Energieladung der betreffenden Zellen gefunden. Keine Beeinträchtigung der mtDNA-Integrität oder der Überlebensrate bei H2O2-induziertem oxidativen Stress wurde beobachtet. Weiterhin wurde untersucht, inwiefern die in den PINK1 KD SH-SY5Y Zellen beobachteten Veränderungen in der Genexpression auf weitere Zellmodelle (PINK1 KD HeLa, kortikale Neurone aus PINK1 KO und PINK1 KO / A53T alpha Synuclein überexprimierenden Mäusen) übertragbar sind. Dabei wurden einige Gemeinsamkeiten zwischen den PINK1 KD SH-SY5Y Zellen und den PINK1 KO /A53T α Synuclein überexprimierenden kortikalen Neuronen ermittelt. Angesichts des Verlustes von dopaminergen Neuronen in M. Parkinson wäre es bedeutsam nachzuvollziehen, ob und wie die verminderte Expression Parkinson-relevanter Gene in diesen PINK1 KD Zellmodellen kompensiert wird, so dass die Zellen trotz der genetischen Einschränkung bei idealisierten in vitro Bedingungen gut überleben können. Hier ist es vorstellbar, dass zusätzlicher Zellstress die Gemeinsamkeiten zwischen den PINK1 KD SH-SY5Y Zellen und den PINK1 KO / A53T SNCA überexprimierenden Neuronen erweitern könnte. Diesbezüglich wäre es auch relevant zu erforschen, unter welchen Umständen die potentiellen Kompensationsmechanismen versagen, so dass das Zellüberleben nicht mehr gewährleistet wird. Im Licht des altersbedingten Ausbruchs der Symptome bei M. Parkinson würden diese neuen Erkenntnisse dazu beitragen, die möglichen auslösenden Faktoren zu erfassen und so ein tieferes Verständnis der molekularen Mechanismen dieser schwerwiegenden Erkrankung zu erhalten.
Mutational analysis of ribosomal DNA and maturation-scheme analysis of ribosomal RNA in A. thaliana
(2022)
Ribosome biogenesis is a fundamental cellular process beginning with long precursor rRNA transcription from multi-copies of repetitive 45S ribosomal DNAs. At the subunit level, the primary pre-rRNA transcript encapsuled in 90S protein-RNA complex undergoes decisive splitting in two chief ways for further maturation into large (LSU) and small (SSU) ribosomal subunit. The usage of specific rDNA copies from defined chromosomes and their selective role during growth and development have been a topic of interest owing to its contribution to specialized ribosome theory which proposes non-monolithic functions for ribosomes and thereby their mRNA translation potential. Dual-guide CRISPR/Cas9 mediated disruption of rDNA regions resulted in stable disruption of up to 2.5% and 5% of all rDNA copies in hetero- and homozygous (ploop KD) conditions, respectively. At the RNA level, the mutation excised a critical structural element, P-loop on the LSU 25S rRNA. Mutation caused a dosage dependent defect with homozygosity leading to severe developmental defects through vegetative and reproductive growth phases which is manifested in their proteome by means of disregulation through both increase and decrease of several gene ontological categories of proteins in mutants. Interestingly, the mutation on chromosome 4 triggered dosage compensation through rRNA expression from chromosome 2 further compounded by ectopic rRNA biogenesis defects. The mutated copies however are not incorporated in the translating ribosomes and as a direct or indirect consequence led to elevated basal autophagic levels in the mutants.
The primary 35S transcript is known to undergo two modes of initial cleavages at the pre-rRNA level that aid in their subsequent maturation. Root cell culture (RCC) studies shows that these cells contain a novel ITS2-first cleaved precursor even under control growth conditions, P-C2 adding a third maturation means for the 35S pre-rRNA. This maturation path is further known to be triggered under elevated growth temperature forming a novel adaptive response in Arabidopsis and two other crop plants, tomato, and rice. Taken together, the pulse-chase labeling analysis of control and stressed tissues uncovers the fine-tuned pre-rRNA schematics with crossovers between multiple maturation paths.
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 mitochondriale Innenmembran (IM) besteht aus zwei Subkompartimenten. Der
Cristae Membran (CM) und der inneren Grenzmembran (IBM), welche durch die runden und
schlitzartige Strukturen der Christa Junctions (CJs) verbunden werden Der MICOS-Komplex
ist an den CJs lokalisiert und besteht aus mindestens 6 Komponenten, Mic60, Mic27, Mic26,
Mic19, Mic12 und Mic10. Es ist bekannt, dass der MICOS-Komplex essentiell für die Stabilität der CJs ist. Die in dieser Arbeit gezeigten Ergebnisse, geben Aufschluss darüber, wie sich
einzelne MICOS-Komponenten auf die Stabilität von Cristae und CJs im Modellsystem Hefe (S
cerevisiae) auswirken. Zu Beginn dieser Arbeit war zum einen bekannt, dass die MICOSKomponente
Mic60 essentiell für die Bildung von CJs ist. Zum Anderen wurden im Vorfeld
dieser Arbeit Interaktionen von Mic60 mit Proteinen in der mitochondrialen Außenmembran,
vor allem Proteinkomplexe mit ȕ-barrel-Proteinen identifiziert. Diese Interaktionen werden
über den evolutionär, konservierten C-Terminus von Mic60 vermittelt.
ȕ-barrel Proteine besitzen eine charakteristische Peptidsequenz, die ȕ-Sequenz. Diese
dient nach dem Import der ȕ-barrel Proteine in die Mitochondrien als Signalpeptid für den
SAM-/TOB-Komplex, welcher daraufhin die Proteine in die Außenmembran insertiert. In
dieser Arbeit wurde ebenfalls eine ȕ-Sequenz im C-Terminus von Mic60 identifiziert, diese
zeigte einen Einfluss auf die Cristae-Stabilität. Zellen die eine Mic60-Variante mit einer
Deletion oder Punktmutation der ȕ- Domäne exprimieren, zeigten eine reduzierte Anzahl an
CJs. Auch das Verkürzen des C-Terminus von Mic60 hatte diesen Effekt auf die mitochondriale
Ultrastruktur. So konnte gezeigt werden, dass die ȕ-Domäne und die Integrität des C-Terminus
essentiell für die Stabilität von CJs sind.
Der Fokus dieser Arbeit lag in der Charakterisierung der MICOS-Komponenten Mic26
und Mic27. Es konnte bewiesen werden, dass beide Proteine genetisch mit der MICOSKernkomponente
Mic60 interagieren. Die Untersuchung der mitochondrialen Ultrastruktur von
Δmicβ6- und Δmicβ7-Zellen zeigte, dass eine Deletion vom Mic26 keinen Einfluss auf die
Organisation der mitochondrialen Innenmembran hat. Im Gegensatz dazu, ist im Vergleich zum
Wildtyp die Anzahl an CJs in Δmicβ7-Zellen um zwei Drittel reduziert. Auch die
Innenmembranoberfläche ist in diesen Zellen stark vergrößert. Die Untersuchung der
Morphologie der mitochondrialen Innenmembran in Zellen ohne Mic27 durch KryoElektronentomographie
isolierter Mitochondrien, veranschaulichte die Struktur der CJs in
diesen Zellen genauer. Es zeigten sich hier breitere CJs, und der Übergang von der
Cristaemembran in den Bereich der inneren Grenzmembran ist sehr flach und undefiniert. In
Wildtyp-Mitochondrien waren die CJs schmal und schlitzartig und haben einen scharfkantigen
Übergang von der Cristaemembran zur inneren Grenzmembran. Des Weiteren wies die
Cristaemembran in Δmicβ7-Zellen unregelmäßige zackige Strukturelemente auf, was auf eine
Anhäufung an Dimeren der F1FO-ATP Synthase hinweist.
Diese Beobachtungen in den Kryo-Tomogrammen, wurde durch Analysen des sich deutlich weniger höhere Oligomere und vermehrt Dimere. So kann aus diesen Befunden
geschlossen werden, dass Mic27 die Oligomere der F1FO-ATP Synthase stabilisiert.
Um zu untersuchen, wie der MICOS-Komplex mit der F1FO-ATP Synthase in
Verbindung steht, wurde mittels 2D-BNE-Analysen und einem Complexome Profiling die
Komplexierung der nativen Komplexe in Wildtyp- und Δmicβ7-Mitochondrien analysiert. Zum
einen konnte durch diese Untersuchungen gezeigt werden, dass Mic27 neben der F1FO-ATP
Synthase auch stabilisierend auf den MICOS-Komplex wirkt. Die Komplexe im
hochmolekularen Bereich der MICOS-Komponenten zerfielen in Δmicβ7-Zellen, was darauf
hinweist, dass die anderen MICOS-Komponenten hier nicht mehr assemblieren können. Mic10
war die einzige MICOS-Komponente die in Δmicβ7-Zellen noch stabile Komplexe im hohen
Massenbereich ausbildete. Mic10 findet sich zudem nicht nur in Klustern mit anderen MICOSKomponenten
sondern auch mit der F1FO-ATP Synthase.
Die Interaktion von Mic10 und der F1FO-ATP Synthase wurde auch biochemisch,
mittels chemischer Quervernetzern und Ko-Immunpräzipitationsexperimenten bestätigt. Dies
legt nahe, dass Mic10 die CJs mit hoher Wahrscheinlichkeit, durch die Verbindung mit der
F1FO-ATP Synthase, mit der Cristaemembran verbindet und so stabilisiert.
Aufgrund der Erkenntnisse dieser Arbeit konnte ein neuartiges Modell postuliert
werden. Die MICOS-Komponente Mic60 stabilisiert die CJs durch eine Interaktion seines CTerminus
mit Proteinen in der Außenmembran. Mic27 vermittelt über Mic10 die Interaktion
zur F1FO-ATP Synthase. Somit ist diese neu identifizierte Interaktion des MICOS-Komplex zur
F1FO-ATP Synthase essentiell für die Stabilität von CJs ist, indem es den MICOS-Komplex mit
den Oligomeren der F1FO-ATP Synthase verbindet.
Oligomerisierungszustands der F1FO-ATP Synthase in Δmicβ7-Zellen, bestätigt. Hier fanden
sich deutlich weniger höhere Oligomere und vermehrt Dimere. So kann aus diesen Befunden
geschlossen werden, dass Mic27 die Oligomere der F1FO-ATP Synthase stabilisiert.
Um zu untersuchen, wie der MICOS-Komplex mit der F1FO-ATP Synthase in
Verbindung steht, wurde mittels 2D-BNE-Analysen und einem Complexome Profiling die
Komplexierung der nativen Komplexe in Wildtyp- und Δmicβ7-Mitochondrien analysiert. Zum
einen konnte durch diese Untersuchungen gezeigt werden, dass Mic27 neben der F1FO-ATP
Synthase auch stabilisierend auf den MICOS-Komplex wirkt. Die Komplexe im
hochmolekularen Bereich der MICOS-Komponenten zerfielen in Δmicβ7-Zellen, was darauf
hinweist, dass die anderen MICOS-Komponenten hier nicht mehr assemblieren können. Mic10
war die einzige MICOS-Komponente die in Δmicβ7-Zellen noch stabile Komplexe im hohen
Massenbereich ausbildete. Mic10 findet sich zudem nicht nur in Klustern mit anderen MICOSKomponenten
sondern auch mit der F1FO-ATP Synthase.
Die Interaktion von Mic10 und der F1FO-ATP Synthase wurde auch biochemisch,
mittels chemischer Quervernetzern und Ko-Immunpräzipitationsexperimenten bestätigt. Dies
legt nahe, dass Mic10 die CJs mit hoher Wahrscheinlichkeit, durch die Verbindung mit der
F1FO-ATP Synthase, mit der Cristaemembran verbindet und so stabilisiert.
Aufgrund der Erkenntnisse dieser Arbeit konnte ein neuartiges Modell postuliert
werden. Die MICOS-Komponente Mic60 stabilisiert die CJs durch eine Interaktion seines CTerminus
mit Proteinen in der Außenmembran. Mic27 vermittelt über Mic10 die Interaktion
zur F1FO-ATP Synthase. Somit ist diese neu identifizierte Interaktion des MICOS-Komplex zur
F1FO-ATP Synthase essentiell für die Stabilität von CJs ist, indem es den MICOS-Komplex mit
den Oligomeren der F1FO-ATP Synthase verbindet.
Die mitochondriale Innenmembran (IM) besteht aus zwei Subkompartimenten. Der Cristae Membran (CM) und der inneren Grenzmembran (IBM), welche durch die runden und schlitzartige Strukturen der Christa Junctions (CJs) verbunden werden Der MICOS-Komplex ist an den CJs lokalisiert und besteht aus mindestens 6 Komponenten, Mic60, Mic27, Mic26, Mic19, Mic12 und Mic10. Es ist bekannt, dass der MICOS-Komplex essentiell für die Stabilität der CJs ist. Die in dieser Arbeit gezeigten Ergebnisse, geben Aufschluss darüber, wie sich einzelne MICOS-Komponenten auf die Stabilität von Cristae und CJs im Modellsystem Hefe (S cerevisiae) auswirken. Zu Beginn dieser Arbeit war zum einen bekannt, dass die MICOS-Komponente Mic60 essentiell für die Bildung von CJs ist. Zum Anderen wurden im Vorfeld dieser Arbeit Interaktionen von Mic60 mit Proteinen in der mitochondrialen Außenmembran, vor allem Proteinkomplexe mit β-barrel-Proteinen identifiziert. Diese Interaktionen werden über den evolutionär, konservierten C-Terminus von Mic60 vermittelt.
β-barrel Proteine besitzen eine charakteristische Peptidsequenz, die β-Sequenz. Diese dient nach dem Import der β-barrel Proteine in die Mitochondrien als Signalpeptid für den SAM-/TOB-Komplex, welcher daraufhin die Proteine in die Außenmembran insertiert. In dieser Arbeit wurde ebenfalls eine β-Sequenz im C-Terminus von Mic60 identifiziert, diese zeigte einen Einfluss auf die Cristae-Stabilität. Zellen die eine Mic60-Variante mit einer Deletion oder Punktmutation der β- Domäne exprimieren, zeigten eine reduzierte Anzahl an CJs. Auch das Verkürzen des C-Terminus von Mic60 hatte diesen Effekt auf die mitochondriale Ultrastruktur. So konnte gezeigt werden, dass die β-Domäne und die Integrität des C-Terminus essentiell für die Stabilität von CJs sind.
Der Fokus dieser Arbeit lag in der Charakterisierung der MICOS-Komponenten Mic26 und Mic27. Es konnte bewiesen werden, dass beide Proteine genetisch mit der MICOS-Kernkomponente Mic60 interagieren. Die Untersuchung der mitochondrialen Ultrastruktur von Δmic26- und Δmic27-Zellen zeigte, dass eine Deletion vom Mic26 keinen Einfluss auf die Organisation der mitochondrialen Innenmembran hat. Im Gegensatz dazu, ist im Vergleich zum Wildtyp die Anzahl an CJs in Δmic27-Zellen um zwei Drittel reduziert. Auch die Innenmembranoberfläche ist in diesen Zellen stark vergrößert. Die Untersuchung der Morphologie der mitochondrialen Innenmembran in Zellen ohne Mic27 durch Kryo-Elektronentomographie isolierter Mitochondrien, veranschaulichte die Struktur der CJs in diesen Zellen genauer. Es zeigten sich hier breitere CJs, und der Übergang von der Cristaemembran in den Bereich der inneren Grenzmembran ist sehr flach und undefiniert. In Wildtyp-Mitochondrien waren die CJs schmal und schlitzartig und haben einen scharfkantigen Übergang von der Cristaemembran zur inneren Grenzmembran. Des Weiteren wies die Cristaemembran in Δmic27-Zellen unregelmäßige zackige Strukturelemente auf, was auf eine Anhäufung an Dimeren der F1FO-ATP Synthase hinweist.
Diese Beobachtungen in den Kryo-Tomogrammen, wurde durch Analysen des Oligomerisierungszustands der F1FO-ATP Synthase in Δmic27-Zellen, bestätigt. Hier fanden sich deutlich weniger höhere Oligomere und vermehrt Dimere. So kann aus diesen Befunden geschlossen werden, dass Mic27 die Oligomere der F1FO-ATP Synthase stabilisiert.
Um zu untersuchen, wie der MICOS-Komplex mit der F1FO-ATP Synthase in Verbindung steht, wurde mittels 2D-BNE-Analysen und einem Complexome Profiling die Komplexierung der nativen Komplexe in Wildtyp- und Δmic27-Mitochondrien analysiert. Zum einen konnte durch diese Untersuchungen gezeigt werden, dass Mic27 neben der F1FO-ATP Synthase auch stabilisierend auf den MICOS-Komplex wirkt. Die Komplexe im hochmolekularen Bereich der MICOS-Komponenten zerfielen in Δmic27-Zellen, was darauf hinweist, dass die anderen MICOS-Komponenten hier nicht mehr assemblieren können. Mic10 war die einzige MICOS-Komponente die in Δmic27-Zellen noch stabile Komplexe im hohen Massenbereich ausbildete. Mic10 findet sich zudem nicht nur in Klustern mit anderen MICOS-Komponenten sondern auch mit der F1FO-ATP Synthase.
Die Interaktion von Mic10 und der F1FO-ATP Synthase wurde auch biochemisch, mittels chemischer Quervernetzern und Ko-Immunpräzipitationsexperimenten bestätigt. Dies legt nahe, dass Mic10 die CJs mit hoher Wahrscheinlichkeit, durch die Verbindung mit der F1FO-ATP Synthase, mit der Cristaemembran verbindet und so stabilisiert.
Aufgrund der Erkenntnisse dieser Arbeit konnte ein neuartiges Modell postuliert werden. Die MICOS-Komponente Mic60 stabilisiert die CJs durch eine Interaktion seines C-Terminus mit Proteinen in der Außenmembran. Mic27 vermittelt über Mic10 die Interaktion zur F1FO-ATP Synthase. Somit ist diese neu identifizierte Interaktion des MICOS-Komplex zur F1FO-ATP Synthase essentiell für die Stabilität von CJs ist, indem es den MICOS-Komplex mit den Oligomeren der F1FO-ATP Synthase verbindet.
Plastids are complex organelles that fulfil numerous essential cellular functions, such as
photosynthesis, amino acid and fatty acid synthesis. he majority of proteins required for
these functions are encoded in the nuclear genome and synthesised on cytosolic ribosomes as
precursors, which are posttranslationally transported to and imported into the organelle by
concerted actions of translocons in the outer and inner chloroplast membrane. For most
preproteins, targeting to the organelle is ensured by a specific import signal, a so called
transit peptide, which is specifically recognised by receptors at the chloroplastês surface. A transit peptide is generally defined as essential and sufficient for precursor targeting to and
translocation into chloroplasts, (however, an analysis of the ability of transit peptides to drive translocation of tightly folded passenger domain revealed that the transit peptide is not
always sufficient for the translocation event. A critical signal length requirement of amino
acids has been determined in vivo and in vitro. In the case of shorter transit peptide, the
succeeding portion of the mature domain provides an extension of an unfolded polypeptide
stretch required for successful translocation. The analysis of the unfolding mode of a folded
model passenger during translocation links the observed transit peptide length requirement
to the action of an energising unit present in the intermembrane space of chloroplasts.
The likely candidate for this energising unit space is putative imsHsp70, previously hypothesised to function in translocation of precursor proteins across the outer membrane. However, as the identity of this protein has up to now remained unknown, its existence has
been a matter of debate. The present study focuses on the isolation and characterisation of
imsHsp70 at the molecular level. Mass spectrometry analyses and in vivo localisation studies
demonstrate that while no specific imsHsp70 exists, multiple cytosolic Hsp70 isoforms are
targeted to the intermembrane space, but not to the stroma of chloroplasts. Thus, a so far unrecognised mode of dual targeting to chloroplasts and cytosol is most likely to ensure the
allocation of (sp s into the intermembrane space.
The production of ribosomes is a complicated multistep, that is susceptible to changes occurring within the cell and its environment. The process itself requires many proteins, known as ribosome biogenesis factors (RBFs) and many non-coding RNAs like the small nucleolar RNAs (snoRNAs). While RBFs are required for the accurate processing of the pre-rRNA into mature rRNAs, the snoRNAs act to coordinate and guide enzymes for post-transcriptional modifications, chiefly 2´-O-ribose methylation and pseudouridylation. While ribosome biogenesis is mostly described in human and yeast model eucaryotes, similar detailed studies in the model plant Arabidopsis thaliana are far less explored and understood. Furthermore, for many experimentally confirmed modification sites the according snoRNAs and for many pre-rRNA processing steps the responsible RBFs are missing. Therefore, it is expected that a high number of snoRNAs and RBFs are not identified till yet. For this reason, RNA-deep sequencing was performed in order to identify novel snoRNAs and MS analysis data of nucleoli and nuclei of A. thaliana from a former PhD student were used in order to find new proteins involved in pre-rRNA processing.
In here, it is shown that with RNA deep-sequencing still new snoRNAs and snRNAs can be identified and that detection of predicted snoRNAs can be fulfilled with a) antisense oligonucleotides tagged with fluorescence dyes and b) with radioactive labeled antisense probes. Furthermore, a secondary structure map of the 60S and 40S subunit highlighting the predicted and moreover verified modification sites in 5.8S, 25S and 18S rRNA was created. Especially, the correlation between the modification sites and the guiding snoRNA is highlighted further shedding light on overview about current pre-rRNA modification sites and corresponding guiding snoRNAs. The next chapter reveals the complex and multi-layered existence of the 5.8S rRNA and its numerous precursors. The mutant prp24 (also known as seap1) encoding AtPRP24, is recognized as factor being important for splicing as it is promoting the recruitment of the U4 and U6 snRNAs to the spliceosome. In here, it was found that AtPRP24 is involved in processing of 5.8S rRNA precursors, recognizable by precursors that are over accumulating in the mutant. Moreover, it could be shown for the first time that the plant-specific precursor 5´-5.8S is exported to the cytoplasm, where final cleavage steps of 5.8S rRNA takes place. In the prp24.2 mutant, this precursor is exported at an increased rate to the cytoplasm, where it can be detected in the actively translating ribosomes (polysomes). A lower sensitivity of the mutant seeds to cycloheximide (CHX) suggests that due to the extension at the 5´-end of 5.8S, the structure of the 60S subunit has altered CHX binding. In conclusion, this work highlights the importance and complexity of 5.8S rRNA and its precursors for ribosome biogenesis and displays new insights into pre-rRNA processing in A. thaliana.
Epithelial cells enable essential physiological functions, including absorption, morphogenesis, secretion, and transport. To execute these functions, epithelial cells often form three-dimensional shapes that include curved sheets of cells surrounding a pressurized fluid-filled lumen. These three-dimensional tissues (called domes) are essential for organ function, but when they are not working properly, developmental defects, inflammation, and cancer can ensue. Recently, it has been shown that the cells that form domes show active superelasticity on micropatterned plates.
We show here that the immortalized renal proximal tubule epithelial cell line, LLC-PK1, stereotypically forms tubules in 10 days. Tubule formation takes place in 4 stages. When cells are plated on a culture dish, they form a monolayer on the 1st day; on the 3rd day, three-dimensional structures are formed, called domes; and after the 4.5th day, these domes start fusing to begin the transition stage and transit to the tubule stage. At the end of the 10th day, differentiated, elongated, and matured tubes form (Figure 3.1). Therefore, tubule formation is a self-organized, stereotypic morphogenetic program under long-term, unperturbed tissue culture conditions.
We propose that tubulogenesis is a two-step process in proximal tubules by doming and wrapping. The process begins with dome formation, and as the cell layers come together in the transition stage at the edge of the dome, this leads to the formation of the lumen of the eventual tubule. We also found that F-actin provides the mechanical strength during the formation of these three-dimensional structures during tubule formation. To better understand this 4-step process on a molecular level, we performed proteomics of tubule formation to identify the different proteins that play a significant role in proximal tubule development. Importantly, we identified proximal tubule markers like synaptopondin, angiotensin 1-10, collectrin, polycystin 1, and polycystin 2. These proteins play an important role in renal tube formation and differentiation.
Cell division is carried out by highly conserved cyclin-CDK complexes, which phosphorylate various cellular components. Cyclin-CDKs act differently depending on the cell cycle phase and work cooperatively to create DNA replication and cytokinesis. Therefore, we identified that cyclin-B1, marker of proliferation Ki-67, the RAD51 recombinase, and proliferating cell nuclear antigen (PNCA) are upregulated in the monolayer stage, and the expression decreases as tubule formation takes place. The proximal tubule reabsorbs 60-65% of the glomerulus filtrate. Therefore, it requires a lot of energy generated by using the fatty acid oxidation (FAO) pathway. In our model, we found FAO expression is higher than that of the other metabolic pathways.
We found expression of an intricate protein network in mitochondria, which we interpret as a sign of mitochondrial homeostasis being vital for the FAO pathway to work. Furthermore, we also identified different types of transporters at each stage of proximal tubule formation, and we could recognize different cytoskeletal components playing a significant role in each stage of proximal tubule formation, for instance, at the monolayer stage, vimentin expression is high, and its expression is reduced as tubules form. Hence, this 2D system, at this step of characterization, seems suitable to use to study differential transport protein expression and how this might relate to physiological functions and syndromes.
Next, we inhibited different transporters using specific inhibitors and analyzed the effect on dome and tubule formation. We identified that Na+/K+ ATPase and vacuolar H+ ATPase play a significant role in the process of epithelial dynamics. Digoxin (a Na+/K+ ATPase inhibitor) treatment inhibits dome and tubule formation. Bafilomycin (a v-ATPase inhibitor) treatment demonstrated a delay in dome and tube formation. Therefore, this study shows that this 2D proximal tubule novel system can be used for screening of pharmacological leads in the context of specific aspects of kidney physiology.
Despite the recent success in growing kidney organoids, they are not well suited to investigate various pathophysiological conditions in vitro for several reasons: They grow in 3D and form a tissue that later needs to be dissected/cleared and stained to investigate pathophysiological changes. Moreover, organoids require complex and expensive protocols for generation and are challenging to use in screening approaches. Therefore, we set out to demonstrate feasibility for our 2D system using normal renal epithelial cells, which are the origin of various pathological conditions, to study pathophysiological conditions.
Due to their sessile nature, plants are constantly exposed to an everchanging environment. When these changes exceed certain limits, they can significantly impact plant growth and development, which, in case of crop plants, has consequences on food security. Exposure to high temperatures causes heat stress (HS), one of the most devastating stresses that plants can face. The survival and recovery from HS are dependent on the activation of the HS response (HSR), a collection of molecular mechanisms conferring HS tolerance by maintaining the cellular homeostasis. Stress responses follow a strictly orchestrated network of signal perception and -transduction, ultimately resulting in an adaptive cellular output. Thereby, the massive reshaping of the transcriptome plays a major part, in which heat stress transcription factors (HSFs) play the key role by inducing the expression of HS-responsive genes, including heat shock proteins and other transcription factors. Additionally, alternative splicing (AS), the selective usage of splice sites, contributes to the rapid adjustment of the transcriptome landscape by producing different mRNA variants from a single gene. Consequently, this results in the reduction of translatable transcripts by nonsense-mediated mRNA-decay or nuclear retention, but also enhances the proteome diversity by allowing the synthesis of protein isoforms with distinct functions. AS thereby modulates the activity of important regulatory factors like HSFA2 in Solanum lycopersicum (tomato). HSFA2 is the key factor of acquired thermotolerance (ATT), which enables the ability to survive a potentially lethal HS through pre-exposure to a preceding mild HS. Temperature-dependent AS leads to the synthesis of two HSFA2 protein variants, whereby inhibition of splicing ensures the synthesis of the stable isoform HSFA2-I that is required for ATT.
Transcriptome analysis of several plant species exposed to HS has highlighted the strong impact of high temperatures on the regulation of pre-mRNA splicing. Despite its importance, little is known about the molecular basis of the AS regulation in plants. Particularly for an economically important crop like tomato, understanding the regulation of HS-sensitive AS will contribute to the description of such an important regulatory mechanism but also might offer new insights for increasing HS resilience. Serine/arginine-rich proteins (SR proteins) are central regulators of constitutive and AS by modulating the splice site selection by the spliceosome. This study describes two members of the RS2Z subfamily of SR proteins in tomato, namely RS2Z35 and RS2Z36, which act as core regulators of AS under HS and consequently as central factors for thermotolerance. This study investigates the interaction of the two RS2Z proteins with the HSFA2 pre-mRNA and provides evidence for their function as splicing repressors in this particular AS event. Thereby, RS2Z proteins play an important role in the HSR by modulating the AS of the key factor of the ATT. Furthermore, based on global transcriptome analysis of knockout mutants of single or both RS2Z genes, it is demonstrated that RS2Z proteins are involved in the splicing of pre-mRNAs of almost 2000 genes. Moreover, RS2Z proteins act as splicing regulators and take part in a large portion of HS-induced AS events, thus playing a broader role in AS regulation. Furthermore, the HS-induced RS2Z36 is involved in basal thermotolerance (BTT), highlighting its importance for the basic HS resilience capacity of tomato. In addition, RNA sequencing demonstrates that RS2Z proteins–especially RS2Z36–regulate the expression of proteins involved in plant immunity. The study thereby provides experimental evidence for the important and essential role of SR proteins for plant thermotolerance and suggests the existence of RS2Z-mediated crossroads of different stress responses.
Many metabolic pathways of eukaryotes are carried out in form of interconnected pathways, which take place in organelles. The organelle membrane separates the reaction compartments from each other, making it a key feature of organelle existence in the cell. To maintain cellular homeostasis, organelle positioning in and transport through the cell as well as organelle interaction are important for the organisms. In plants, organellar movement of peroxisomes, Golgi stacks and mitochondria was shown to be mediated by the actin-myosin machinery. The molecular mechanisms are not elucidated, but working models comprise classical movement mechanisms of motor proteins pulling their cargo on cytoskeletal filaments. In contrast, many mechanisms of chloroplasts movement, which are regulated by blue and red light, are deciphered but follow a different molecular mechanism. Plastidal relatives of the chloroplast have long been disregarded by scientific research but carry out important metabolic reactions to maintain cellular homeostasis. The cellular transport and movement mechanisms of root plastids have not been described in detail until now. Additionally, all plastid subspecies can form tubular structures, called stromules. Those are thought to be involved in the organelle communication and metabolite exchange. Since they are very mobile structures, they influence the organellar dynamic of plastids. This work aimed for an in-detail description of the cellular movements of root plastids in the plant Arabidopsis thaliana to elucidate underlying mechanisms of their movement. Additionally, the dynamics of root plastid stromules were investigated, led by the questions, if and how stromules are involved in the mediation of plastidal movement and their overall dynamics. Plastidal movement in Arabidopsis thaliana was captured using light sheet-based fluorescence microscopy. 4D image data was automatically analyzed using the program Arivis Vision 4D with subsequent manual correction. Additionally to the 4D approach, a manual 3D analysis of plastid and stromule dynamics was performed. The results of the semiautomated analysis displayed heterologous distribution of the plastidal movement. Using a combination of the vector length of each motion event and the angle in relation to previous motion vectors, the proportions of different movement patterns were determined. Main fractions of the data showed undirected motion of plastids, whereas small proportions displayed directed movement with speed up to 8.5 µm/sec. Directed motion was shown to be carried out on defined routes in the cell. Salt stress did not affect plastidal motion, whereas drought stress lead to its reduction. Sucrose depletion led to a drastic decrease of plastidal movement. Additionally, stromule dynamics were investigated using the acquired image data. Stromules were observed in high frequency mainly at stationary plastids giving them the opportunity of dynamic interaction in their cellular surrounding. Stromules reached lengths of up to 60 µm. Additionally, they displayed a variety of movement patterns that contributed greatly to the overall plastid dynamics. Stromule related motion events were captured reaching up to 3.2 µm/sec. Similar to determined plastid dynamics, stromule motions were reduced during drought stress and sucrose depletion, but also were negatively influenced by salt stress. Those results strongly favor an actin-myosin mediated movement machinery mediating the plastidal and stromule movement. This stands in contrast to previous results describing the movement mechanisms of light induced chloroplast movement.
In an additional approach, the molecular mechanisms underlying stromule formation were analyzed. Previous results describe that stromule formation can be induced at isolated chloroplasts of the plant Nicotiana benthamiana by mixing it with concentrated cell extract. During this work, a variation of the described assay was established using the plant Pisum sativum. It was shown that an unknown protein factor presumably undergoing protein-lipid interaction is responsible for in vitro stromule formation. Using a combination of sucrose gradient centrifugation and anion exchange chromatography, the desired factor could be enriched, while the majority of unwanted proteins could be reduced drastically. A following LC-MS analysis revealed a selection of proteins with membrane interaction- and unknown functions that might be involved in in vitro stromule formation.
Sympathetic influences on articular cartilage regeneration capacity and osteoarthritis manifestation
(2021)
The pathogenesis of osteoarthritis (OA) involves articular cartilage, synovial tissue and subchondral bone and is therefore a disease of the whole joint. OA is characterized by progressive degradation of cartilage, synovial inflammation, osteophyte formation and subchondral bone sclerosis. Cartilage-surrounding tissues are innervated by tyrosine hydroxylase (TH)-positive sympathetic nerve fibers with the most important sympathetic neurotransmitter norepinephrine (NE) detected in the synovial fluid of OA patients. Furthermore, adrenergic receptors are expressed in different knee joint tissues. Most in vitro studies indicate a potential role of the β2-adrenergic receptor, which has been not investigated during OA pathogenesis in vivo. The role of the sympathetic nervous system (SNS) in OA progression has not yet been studied. Therefore, the objective of this study was to analyze how the SNS and NE influence the MSC dependent cartilage regeneration in vitro and the OA pathogenesis and manifestation in vivo.
In the first part of this study, the effect of NE on the chondrogenesis of sASC, which are known to play an important role in cartilage regeneration was analyzed in vitro. In the second part of this study, the role of the SNS was studied in vivo in mice that were sympathectomized chemically followed by surgically induced OA. The specific focus was on the β2-adrenergic receptor effects on OA pathogenesis, which were analyzed in β2-adrenergic receptor-deficient mice.
The in vitro experiments have shown that NE reduced the chondrogenic potential of sASCs by decreasing the expression of type II collagen and sGAG. NE mediated these effects mainly by the α2-AR signalling. Furthermore, NE treatment led to activation of the ERK1/2 signal pathway. These findings suggested that the sympathetic neurotransmitter NE might suppress the chondrogenic capacity of MSC and their dependent cartilage regeneration and may also play a role in OA progression and manifestation.
The in vivo study has shown that sympathectomy reduced synovial TH-positive nerve fibers in the synovium and the NE concentration in the spleen significantly. In WT mice, DMM leads to increased NE concentrations in the spleen compared to sham mice indicating an increased SNS activity after mechanical stress or inflammation due to DMM. Sympathectomy leads to less pronounced cartilage degeneration (OARSI score) after DMM compared to DMM in WT mice. Furthermore, the release of the type II collagen degradation fragment CTX-II was abolished in Syx DMM mice compared to WT DMM mice, suggesting that less SNS activity due to sympathectomy reduced the cartilage degeneration during OA pathogenesis. Similarly, sympathectomy decreased the synovitis score significantly after DMM compared to DMM in
WT mice. Synovitis in WT mice was accompanied by increased MMP-13 expression in the synovium after DMM, compared to Syx mice. Cartilage degeneration seemed to be driven mainly by the increased synovial inflammation accompanied by an increased MMP13 expression in synoviocytes and not in chondrocytes. The pathological changes in synovium and cartilage might also be linked to each other, as indicated by the moderate correlation between the synovial inflammation (synovitis score) and cartilage degeneration (OARSI score). Subchondral bone volume as well the thickness of the subchondral bone plate (SCBP) and calcified cartilage (CC) were increased in Syx mice compared to WT after DMM. The data on DMM induction in β2-AR deficient mice revealed that the β2-AR signaling is involved in cartilage degeneration and the aggravated subchondral bone changes as these mice had less pronounced cartilage degeneration compared to WT mice. While the cartilage degeneration was similar, the subchondral bone changes were more pronounced in β2-AR deficient mice compared to the Syx mice.
Overall, the SNS had differential effects in cartilage, synovium and subchondral bone. A reduced SNS activity by sympathectomy attenuated cartilage degeneration and synovitis but aggravated the OA specific subchondral bone changes. These findings provide new insights into the development of novel therapeutic strategies for OA by targeting the SNS in a tissue- specific manner.