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Operons wurden zuerst im Jahre 1961 beschrieben. Bis heute ist bekannt, dass die prokaryotischen Domänen Bacteria und Archaea Gene sowohl in monocistronischen als auch in bi- oder polycistronischen Transkripten exprimieren können. Häufig überlappen Gene sogar in ihren Sequenzen. Diese überlappenden Genpaare stehen nicht in Korrelation mit der Kompaktheit ihres Genoms. Das führt zu der Annahme, dass eine Art der Regulation vorliegt, welche weitere Proteine oder Gene nicht benötigt. Diese könnte eine gekoppelte Translation sein. Das bedeutet die Translation des stromabwärts-liegenden Gens ist abhängig von der Translation eines stromaufwärts-liegenden Gens. Diese Abhängigkeit kann zum Beispiel durch lang reichende Sekundärstrukturen entstehen, bei welchen Ribosomenbindestellen (RBS) des stromabwärts-liegenden Gens blockiert sind. Die de novo-Initiation am stromabwärts-liegenden Gen kann nur stattfinden, wenn das erste Gen translatiert wird und dabei die Sekundärstruktur an der RBS aufgeschmolzen wird. Für Genpaare in E. coli ist dieser Mechanismus gut untersucht. Ein anderes Beispiel für die Translationskopplung ist die Termination-Reinitiation, bei welcher ein Ribosom das erste Gen translatiert bis zum Stop-Codon, dort terminiert und direkt am stromabwärts-liegenden Start-Codon reinitiiert. Der Mechanismus via Termination-Reinitiation ist bis jetzt nur für eukaryontische Viren beschrieben worden. Im Gegensatz zu einer Kopplung über Sekundärstrukturen kommt es bei der Termination-Reinitiation am stromabwärts-liegenden Gen nicht zu einer de novo-Initiation sondern eine Reinitiation des Ribosoms findet statt. Diese Arbeit analysiert jene Art der Translationskopplung an Genen polycistronischer mRNAs in jeweils einem Modellorganismus als Vertreter der Archaea (Haloferax volcanii) und Bacteria (Escherichia coli). Hierfür wurden Reportergenvektoren erstellt, welche die überlappenden Genpaare an Reportergene fusionierten. Für diese Reportergene ist es möglich die Transkriptmenge zu quantifizieren sowie für die exprimierten Proteine Enzymassays durchgeführt werden können. Aus beiden Werten können Translationseffizienzen berechnet werden indem jeweils die Enzymaktivität pro Transkriptmenge ermittelt wird. Durch ein prämatures Stop-Codon in diesen Konstrukten ist es möglich zu unterscheiden ob es für die Translation des zweiten Gens essentiell ist, dass das Ribosom den Überlapp erreicht. Hiermit konnte für neun Genpaare in H. volcanii und vier Genpaare in E. coli gezeigt werden, dass eine Art der Kopplung stattfindet bei der es sich um eine Termination-Reinitiation handelt. Des Weiteren wurde analysiert, welche Auswirkungen intragene Shine-Dalgarno Sequenzen bei dem Event der Translationskopplung besitzen. Durch die Mutation solcher Motive und dem Vergleich der Translationseffizienzen der Konstrukte, mit und ohne einer SD Sequenz, wird für alle analysierten Genpaare beider Modellorganismen gezeigt, dass die SD Sequenz einen Einfluss auf diese Art der Kopplung hat. Zwischen den Genpaaren ist dieser Einfluss jedoch stark variabel. Weiterhin wurde der maximale Abstand zwischen zwei bicistronischen Genen untersucht, für welchen Translationskopplung via Termination-Reinitiation noch stattfinden kann. Hierfür wird durch site-directed mutagenesis jeweils ein prämatures Stop-Codon im stromaufwärts-liegenden Gen eingebracht, welches den intergenen Abstand zwischen den Genen in den jeweiligen Konstrukten vergrößert. Der Vergleich aller Konstrukte eines Genpaars zeigt in beiden Modellorganismen, dass die Termination-Reinitiation vom intergenen Abstand abhängig ist und die Translationseffizienz des stromabwärts-liegenden Reporters bereits ab 15 Nukleotiden Abstand abnimmt.
Eine weitere Fragestellung dieser Arbeit war es, den genauen Mechanismus der Termination-Reinitiation zu analysieren. Für Ribosomen gibt es an der mRNA nach der Termination der Translation zwei Möglichkeiten: Entweder als 70S Ribosom bestehen zu bleiben und ein weiteres Start-Codon auf der mRNA zu suchen oder in seine beiden Untereinheiten zu dissoziieren, während die 50S Untereinheit die mRNA verlässt und die 30S Untereinheit über Wechselwirkungen an der mRNA verbleiben kann. Um diesen Mechanismus auf molekularer Ebene zu untersuchen, wird ein Versuchsablauf vorgestellt. Dieser ermöglicht das Event bei der Termination-Reinitiation in vitro zu analysieren. Eine Unterscheidung von 30S oder 70S Ribosomen bei der Reinitiation der Translation des stromabwärts-liegenden Gens wird ermöglicht. Die Idee dabei basiert auf einem ribosome display, bei welchem Translationskomplexe am Ende der Translation nicht in ihre Bestandteile zerfallen können, da die eingesetzte mRNA kein Stop-Codon enthält Der genaue Versuchsablauf, die benötigten Bestandteile sowie proof-of-principal Versuche sind in der Arbeit dargestellt und mögliche Optimierungen werden diskutiert.
Genetic engineering of Saccharomyces cerevisiae for improved cytosolic isobutanol biosynthesis
(2021)
The finite nature of fossil resources and the environmental problems caused by their excessive usage requires alternative approaches. The transformation from a fossil based economy to one based on renewable biomass is called a “bioeconomy”. To substitute fossil resources, various microorganisms have already been modified for the biosynthesis of valuable chemicals from biomass. However, the development of such efficient microorganisms at an industrial scale, remains a major challenge. The most prominent and robust microorganism for industrial production is the yeast Saccharomyces cerevisiae, which is known to produce ethanol that is used as renewable biofuel. However, S. cerevisiae is also naturally able to produce isobutanol in small amounts. Isobutanol is favoured as a biofuel compared to ethanol due to its higher octane number and lower hygroscopicity, which makes it more suitable for application in conventional combustion engines. In S. cerevisiae, the biosynthesis of isobutanol is permitted by the combination of mitochondrial valine synthesis (catalysed by Ilv2, Ilv5 and Ilv3) and its cytosolic degradation (catalysed by Aro10 and Adh2). The different compartmentalisation of the two pathways limit isobutanol biosynthesis. Thus, Brat et al. (2012) were able to increase the isobutanol yield up to 15 mg/gGlc by cytosolic re localisation of the enzymes Ilv2Δ54, Ilv5Δ48 and Ilv3Δ19 (cyt-ILV), with simultaneous deletion of ilv2. This corresponds to approximately 3.7% of the theoretical yield of 410 mg/gGlc, implying existing limitations in isobutanol biosynthesis, which have been investigated in this work.
For yet unknown reasons, isobutanol was only produced by S. cerevisiae in a valine free medium, according to Brat et al. (2012). This work shows that this can be attributed to the catalytic activity of Ilv2Δ54, which acted as growth inhibitor to S. cerevisiae. By this logic, a negative selection on the ILV2∆54 gene was exerted, which made the ilv2 deletion and simultaneous valine exclusion necessary to maintain the functional expression of toxic ILV2∆54. Furthermore, it was shown that valine exclusion is not mandatory due to the feedback regulation of Ilv2, permitted by Ilv6. Rather, increased isobutanol yield was observed when cytosolic Ilv6∆61 was expressed in the valine free medium, which is explained by the enhanced regulation of Ilv2Δ54 by Ilv6∆61 when BCAA are absent. Isobutanol biosynthesis is neither redox nor NAD(P)H co factor balanced. It was seen that co factor imbalance could be mitigated by the expression of an NADH oxidase (NOX), but not by expression of the NADH dependent ilvC6E6, since the latter showed low in vivo activity. Furthermore, it was seen that NAD(H) imbalance did already limit isobutanol biosynthesis, but the NADP(H) imbalance did not. Another limitation of cytosolic isobutanol biosynthesis is the secretion of the intermediate 2‑dihydroxyisovalerate, which then no longer is taken up by S. cerevisiae, causing a reduced isobutanol yield. This is attributed to insufficient Ilv3∆19 activity, due to poor iron sulphur cluster apo protein maturation. Therefore, it was aimed to replace Ilv3∆19 by heterologous dihydroxyacid dehydratases. Even though some of the enzymes were functionally expressed, none showed better in vivo activity than Ilv3∆19. Therefore, the Ilv3∆19 apo protein maturation was improved. This was achieved by the genomic deletion of fra2 or pim1 as well as by the cytosolic expression of Grx5∆29.
In addition to the isobutanol pathway, S. cerevisiae was optimised for isobutanol biosynthesis by rational and evolutionary engineering. For this purpose, the genes which are necessary for isobutanol production were integrated into the ilv2 locus, and the resulting strain was evolved in a medium containing the toxic amino acid analogue norvaline. Evolved single colonies were isolated, which presented improved growth and increased isobutanol yields (0.59 mg/gGlc) in a valine free medium, as compared to the initial strain. This is explained by a gene dosage effect which occurred during the evolutionary engineering experiment. In collaboration with Dr. Wess, the genes ilv2, bdh1/2, leu4/9, ecm31, ilv1, adh1, gpd1/2 and ald6 were cumulatively deleted in CEN.PK113 7D to block competing metabolic pathways. The resulting strain JWY23 achieved isobutanol yields up to 67.3 mg/gGlc, when expressing the cyt ILV enzymes from a multi copy vector. The most promising approaches of this work, namely the deletion of fra2 and the expression of Grx5∆29, Ilv6∆61, and NOX, were confirmed in this JWY23 strain. The highest isobutanol yield from this work was observed at 72 mg/gGlc for Ilv6∆61 and cyt ILV enzymes expressing JWY23, which corresponds to 17.6% of the theoretical isobutanol yield.
Isobutyric acid (IBA) is a by product of isobutanol biosynthesis, but it is also considered a valuable platform chemical. Therefore, the approaches that improved isobutanol biosynthesis were applied to the biosynthesis of IBA in S. cerevisiae. The highest IBA yield of 9.8 mg/gGlc was observed in a valine free medium by expression of cyt ILV enzymes, NOX and Ald6 in JWY04 (CEN.PK113 7D Δilv2; Δbdh1; Δbdh2; Δleu4; Δleu9; Δecm31; Δilv1). This corresponded to an 8.9 fold increase compared with the control and is, to our best knowledge, the highest IBA yield reported to date for S. cerevisiae.
In allen drei Domänen des Lebens ist in der Translation die Initiation der geschwindigkeits-bestimmende Schritt. Die Effizienz der Translationsinitiation und ihre unterschiedliche Regula-tion ist von Translationsinitiationsfaktoren (IFs) abhängig. Bakterien enthalten nur drei IFs, während die Anzahl bei Archaeen (aIFs) und Eukaryoten (eIFs) deutlich höher ist.
Das Archaeon Haloferax volcanii beispielsweise besitzt 14 Gene, die für aIFs bzw. deren Untereinheiten kodieren. Eine Deletionsanalyse ergab, dass fünf aIFs essenziell und neun aIFs nicht essenziell sind. Um einen Einblick in die Funktions- und Interaktionsbereiche der aIFs in H. volcanii zu erhalten, wurden die aIFs mit einem His-Tag versehen und überexpri-miert. Die Überexpression erfolgte in der jeweiligen Deletionsmutante. Für essenzielle aIFs fand sie im Wildtyp statt. Durch Affinitätsaufreinigungen wurden die aIFs und ihre Bindungs-partner isoliert und mittels Massenspektrometrie (MS) identifiziert. Für den Ausschluss unspe-zifischer Proteine dienten zwei stringente Kontrollen als Referenz, das Reportergen Dihydro-folatreduktase (HVO_1279) mit His-Tag und das Expressionsplasmid ohne Gen.
Die ersten Arbeiten konzentrierten sich auf den heterotrimeren Faktor aIF2. Er bindet die Ini-tiator-tRNA und ist damit für die Bildung des Präinitiationskomplexes von zentraler Bedeu-tung. Der Faktor aIF2 besteht aus jeweils einer α-, β- und γ-Untereinheit. In H. volcanii existie-ren zwei Orthologe für aIF2β. Die Überexpressionen der α-, β1-, β2- und γ-Untereinheiten führten zur Co-Isolation der jeweils anderen Untereinheiten des aIF2 (α, β1/ β2, γ).
Die Strategie der Co-Affinitätsaufreinigung und MS wurde auf alle weiteren annotierten aIFs ausgedehnt, um mögliche Funktionen zu identifizieren und ein potenzielles Interaktionsnetz-werk der aIFs zu erstellen. Für alle aIFs konnte ein unterschiedliches Muster an co-gereinigten Proteinen festgestellt werden. Mitgereinigte Proteine waren aIFs, Proteine der Translation, Transkription, Replikation und ribosomale Proteine. Auch RNA-Polymerase-Untereinheiten (RNAPUs) konnten co-isoliert werden. Mit 13 der 14 aIFs konnten andere Ini-tiationsfaktoren co-gereinigt werden. Sechs aIFs konnten zu Beginn bei keinem weiteren Initi-ationsfaktor mitgereinigt werden. Einer dieser Faktoren war aIF2β-1, der jedoch in den Affini-tätsaufreinigungen mit nachfolgender FPLC von aIF2β-2 identifiziert werden konnte. Der Fak-tor aIF1 konnte nur in der stationären Phase von aIF2α mitgereinigt werden.
Die am häufigsten co-gereinigten Proteine waren aIF2Bδ-1 und aIF5B. Für aIF2Bδ-1 kam dies überraschend, da er bereits als Translationsinitiationsfaktor ausgeschlossen wurde. Mit dem Faktor aIF2Bδ-1 selbst konnten fünf aIFs co-gereinigt werden.
Da mit den aIFs auch RNAPUs co-gereinigt werden konnten, wurden sieben RNAPUs ebenfalls mit einem His-Tag versehen und überexprimiert. Auch mit den RNAPUs konnten aIFs, sowie weitere Proteine der Translation mitgereinigt werden.
Diese Umstände legen nahe, dass es möglicherweise eine engere Verbindung der Tran-skription und Translation in H. volcanii geben könnte, als bisher angenommen.
In der vorliegenden Arbeit wurde das Zinkfinger-µ-Protein HVO_2753 des halophilen Archaeons Haloferax volcanii hinsichtlich seiner biologischen Funktion und seiner Struktur charakterisiert.
Zinkfinger-µ-Proteine wurden bisher nur sehr wenig untersucht, während ihnen jedoch in den letzten Jahren steigendes Interesse entgegengebracht wird. Im Genom von H. volcanii sind mehr als 40 solcher Zinkfinger-µ-Proteine codiert. Von diesen besitzt mit HVO_2753 lediglich eines nicht nur zwei, sondern vier der charakteristischen C(P)XCG-Muster, was für die Anwesenheit von zwei Zinkfinger-Motiven spricht. Während Homologe von HVO_2753 in vielen Euryachaeota vorkommen und manche davon als Zink-Ribbon RNA-Bindeproteine annotiert sind, ist über ihre Funktion jedoch nichts bekannt. Zur Charakterisierung des Proteins wurde zunächst eine in frame-Deletionsmutante seines Gens erstellt und diese einer phänotypischen Charakterisierung unterzogen. Die Mutante wies, verglichen mit dem Wildtyp, keine Unterschiede im Wachstum in Komplexmedium oder in synthetischem Medium mit Glukose als Kohlenstoffquelle auf. Ein schweres Defizit konnte jedoch sowohl bei der Adhäsion und Biofilmbildung als auch der Schwärmfähigkeit der Deletionsmutante festgestellt werden. Während die Schwärmfähigkeit des Wildtyps durch plasmidische Expression von HVO_2753 in der Deletionsmutante teilweise wiederhergestellt werden konnte, war eine solche Komplementation bei der Biofilmbildung nicht möglich. Die Analyse der Relevanz ausgewählter Aminosäuren, wie beispielsweise das jeweils erste Cystein in jedem C(P)XCG-Muster zeigte, dass die Substitution jeder einzelnen der getesteten Aminosäuren einen Funktionsverlust des Proteins nach sich zieht. Die Untersuchung des HVO_2753-Transkripts mittels Northern Blot-Analyse bestätigte erste Hinweise aus vorangegangenen dRNA- und RNA-Seq-Studien, die eine Co-Transkription von HVO_2753 mit dem Nachbargen HVO_2752, das für den Translations-Elongationsfaktor aEF-1 beta codiert, aufzeigten. Daraufhin erfolgte eine Untersuchung des Ribosomenprofils, bei der keine Unterschiede zwischen der Deletionsmutante und der Überexpressionsmutante von HVO_2753 festgestellt werden konnten.
Eine Variante von HVO_2753 mit N-terminalem Hexahistidin-Tag wurde homolog überproduziert und aufgereinigt. Die Überproduktion und Aufreinigung wurden im Zuge dieser Arbeit weiter, speziell für HVO_2753, optimiert. So konnten große Mengen von HVO_2753n überproduziert und bei nativen Salzbedingungen mittels Nickel-Affinitätschromatographie und anschließender Größenausschlusschromatographie aufgereinigt werden. Eine massenspektrometrische Analyse bestätigte sowohl das Molekulargewicht als auch die Abwesenheit posttranslationaler Modifikationen. Die Untersuchung der Menge an gebundenem Zink im Protein erfolgte beim Zink-Assay mit Hilfe des hochsensitiven und hochspezifischen Fluorophors ZnAF-2F. Dabei konnte gezeigt werden, dass überraschenderweise lediglich ein Zink-Ion in HVO_2753 gebunden vorliegt.
Zur weiteren Funktionsaufklärung erfolgte eine Interaktionspartnersuche. Hierfür wurde HVO_2753 überproduziert, ein in vivo-Crosslink und anschließend eine native Aufreinung durchgeführt. Die massenspektrometrische Analyse ausgewählter Fraktionen nach der Größenausschlusschromatographie ergaben eine Vielzahl an möglichen Bindepartnern. Besonders häufig wurde hier die GalE family Epimerase/Dehydratase gefunden. Eine weitere Methode zur Suche nach Interaktionspartnern richtete sich auf RNAs. Hier konnten mittels eines eigens entwickelten Protokolls neben RNAs des Translationsapparates auch mehrfach die tRNA(Glu) gefunden werden.
Zusätzlich sollte die Transkriptomanalyse mittels RNA-Sequenzierung Unterschiede zwischen Wildtyp, Deletionsmutante und Komplementationsmutante aufzeigen. Hier wurden weitreichende Auswirkungen der Deletion von HVO_2753 gefunden. Zahlreiche Gene in mehreren Operons zur Motilität und Chemotaxis lagen in der Deletionsmutante stark herunterreguliert vor, während die Gene einiger Metallionen-Transporter und der Eisen(III)-Siderophor-Biosynthese hochreguliert vorlagen. In der Komplementationsmutante konnten nur von den letzteren Genen Transkriptlevel vergleichbar mit denen des Wildtyps wiedergefunden werden.
In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass das kleine Zinkfinger-Protein HVO_2753 eine essenzielle Rolle in der positiven Regulation der Motilität, Chemotaxis und der Adhäsion bzw. Biofilmbildung spielt. Gleichzeitig übt HVO_2753 eine negative Regulation auf den Metallionen-Transport und die Biosynthese des Eisen(III)-Siderophors aus.
Clonal hematopoiesis of indeterminate potential (CHIP) is caused by recurrent somatic mutations leading to clonal blood cell expansion. However, direct evidence of the fitness of CHIP-mutated human hematopoietic stem cells (HSCs) in blood reconstitution is lacking. Because myeloablative treatment and transplantation enforce stress on HSCs, we followed 81 patients with solid tumors or lymphoid diseases undergoing autologous stem cell transplantation (ASCT) for the development of CHIP. We found a high incidence of CHIP (22%) after ASCT with a high mean variant allele frequency (VAF) of 10.7%. Most mutations were already present in the graft, albeit at lower VAFs, demonstrating a selective reconstitution advantage of mutated HSCs after ASCT. Thus, CHIP-mutated stem and progenitor cells largely gain on clone size upon ASCT-related blood reconstitution, leading to an increased future risk of CHIP-associated complications. CHIP increase with age and is also associated with atherosclerosis and inflammation. Age and inflammation are the major risk factors for heart failure, yet the association of CHIP with chronic ischemic heart failure (CHF) in humans is unknown. Therefore, we analyzed bone marrow-derived mononuclear cells from 200 patients with CHF by NGS to detect the presence of CHIP and associated such with long-term prognosis in patients with CHF. Forty-seven mutations with a VAF of at least 2% were found in 18.5% of 200 patients with CHF. The mutations most commonly occurred in the genes DNMT3A and TET2. During a median follow-up of 4.4 years, a significantly worse clinical outcome for patients with either DNMT3A or TET2 mutations compared with non-CHIP carriers was notable. Importantly, there was a significant dose-response association between VAF and clinical outcome. Our data suggest that somatic mutations in hematopoietic cells, may be significantly associated with the progression and poor prognosis of CHF.