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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.
Parvulustat ist ein kleines Protein (8,2 kDA), das aus dem Bodenbakterium Streptomyces
parvulus sekretiert wird. Es ist ein saures Polypeptid mit einem isoelektrischen Punkt von 4,49
und inhibiert spezifisch α-Amylasen (Ki = 9 x 10-12).
In der vorliegenden Arbeit sollen neben der Isotopenmarkierung des Parvulustats PL-Mutanten
mittels PCR-Mutagenese und DNA Rekombinationstechnick hergestellt werden.
Zur Charakterisierung und Strukturbestimmung der Mutanten werden größere Mengen des
jeweiligen Proteins benötigt, wofür wiederum ein effektives Expressionssystem bereitstehen
muß. Ein Expressionssystem besteht aus einem Wirtsorganismus der seinen Protein-Biosynthese-
Apparat zur Verfügung stellt und einem Vektor (Plasmid) der das Zielgen trägt. Im Falle des
Parvulustats und seiner Mutanten bietet sich der gut charakterisierte Stamm Streptomyces
lividans TK 24 (Hopwood et al, 1985) als Wirtsorganismus an. Der Inhibitor wird in ihm als
Vorläuferprotein mit Signalpeptid als Transportsignal (Leader) gebildet. Da dieses Bakterium
keine äußere Membran besitzt, wird der Inhibitor direkt ins Kulturmedium ausgeschleust. Dabei
wird das Signalpeptid durch die Signalpeptidase abgespalten.
Das Strukturgen wird zuerst im Klonierungsplasmid pSH09 in E. coli vervielfältigt, bevor es mit
den Enzymen EcoRI und SpeI geschnitten wird, um in den Expressionsvektor pSH017 integriert
zu werden. Dieser Shuttlevektor trägt genauso die gewünschten Restriktionsschnittstellen, SpeI
und EcoRI, die die paßgenaue Ligation des rekombinanten Strukturgens mit den funktionellen
Elementen erlauben.
Nach erfolgtem Einbau des Zielgens in das neue Vektorkonstrukt kann dieser Expressionsvektor
leicht in den Wirtsorganismus eingebracht werden und sich dort vermehren. Nach Klonierung der
mutierten Parvulustatsgene in den Expressionsvektor werden die damit transformierten Zellen auf
R2YE-Platten aufgebracht und bei einer Temperatur zwischen 20 und 28°C je nach PL-Mutanten
inkubiert. Zur Selektion wird Thiostrepton verwendet. Nach Transformation und Vermehrung
geeigneter Wirtszellen wird das klonierte Gen transkribiert. Durch anschließende Translation der
gebildeten mRNA in der Wirtszelle entsteht das gewünschte Protein in großen Mengen. Zur
Überprüfung der Aktivität der einzelnen Mutanten steht der qualitative α-Amylase-Plattentest zur
Verfügung, wobei die aktiven Mutanten einen blauen Hemmhof bilden (siehe Abbildung 24). Der
blaue Jod-Stärke-Komplex weist, bei gleichzeitigem Vorhandensein von α-Amylase, auf nicht
abgebaute Stärke und damit indirekt auf die Produktion des α-Amylase-Inhibitors hin.
Da das Parvulustat von den Bakterien ins Medium abgegeben wird, besteht die Abtrennung der
Zellen durch Zentrifugation des Kulturmediums. Es folgen Ammoniumsulfatfällung des
Überstandes, Auftragung auf PAGE und präparative HPLC, nach der reines, einheitliches Protein
isoliert werden konnte.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden sRNAs des halophilen Archaeons Haloferax volcanii hinsichtlich ihrer biologischen und ihrer regulatorischen Funktion charakterisiert.
Um einen Überblick über die biologischen Funktionen archaealer sRNAs zu erhalten, wurde eine umfassende phänotypische Charakterisierung von 27 sRNA-Deletionsmutanten im Vergleich zum Wildtyp ausgewertet. Im Zuge dieser phänotypischen Charakterisierungen wurden zehn verschiedene Wachstumsbedingungen, morphologische Unterschiede und Veränderungen in der Zellmotilität untersucht. Hierbei zeigten nahezu alle Deletionsmutanten unter mindestens einer der getesteten Bedingungen phänotypische Unterschiede. Durch den Verlust von sRNAs wurden sowohl sogenannte Gain-of-function als auch Loss-of-function Phänotypen beobachtet. Haloarchaeale sRNAs spielen eine wichtige Rolle beim Wachstum mit verschiedenen Salzkonzentrationen, mit verschiedenen Kohlenstoffquellen und beim Schwärmverhalten, sind jedoch weniger in die Adaptation an diverse Stressbedingungen involviert.
Zur näheren Charakterisierung der regulatorischen Funktion archaealer sRNAs wurden sRNA362, sRNAhtsf468 und sRNA479 mittels molekulargenetischer Methoden wie Northern Blot-Analyse und DNA-Mikroarray sowie bioinformatischer in silico-Analyse untersucht. Das Expressionslevel von sRNA362 konnte bestimmt und potentielle Zielgene für sRNAhtsf468 und sRNA479 identifiziert werden.
Eine vorangegangene Studie zeigte den Einfluss von sRNA30 unter Hitzestress und führte zur Identifikation differentiell produzierter Proteine in Abwesenheit der sRNA. In dieser Arbeit wurde mittels Northern Blot-Analysen die Expression der sRNA30 charakterisiert. Das Wachstum in An- und Abwesenheit von sRNA30 wurde bei 42°C und 51°C phänotypisch charakterisiert und der regulatorische Einfluss der sRNA auf die mRNA differentiell regulierter Proteine durch Northern Blot-Analyse überprüft. Eine Transkriptomanalyse mittels DNA-Mikroarray nach Hitzeschock-Induktion führte zur Identifikation differentiell regulierter Gene involviert in Transportprozesse, Metabolismus, Transkriptionsregulation und die Expression anderer sRNAs. Die differentielle Regulation des Proteoms nach Hitzeschockinduktion in An- und Abwesenheit von sRNA30 konnte bestätigt werden.
Desweiteren wurde in dieser Arbeit sRNA132 und deren phosphatabhängige Regulation der Ziel-mRNA HVO_A0477-80 näher charakterisiert. Eine Induktionskinetik nach Phosphatentzug bestätigte die Bedeutung von sRNA132 für die verstärkte Expression des Operons HVO_A0477-80 unter Phosphatmangel-Bedingungen und verwies auf die Existenz weiterer Regulationsmechanismen. Während vor und nach Phosphatentzug kein Unterschied bezüglich der Zellmorphologie von Wildtyp und Deletionsmutante zu erkennen war, führte das Wachstum mit einem starken Phosphatüberschuss von 5 mM zu einer Zellverlängerung der Deletionsmutante. Die Kompetition der nativen 3‘-UTR des Operons HVO_A0477-80 mit einer Vektor-kodierten artifiziellen 3‘-UTR legt eine Regulation über die Bindung von sRNA132 an die 3‘-UTR nahe. Der Transkriptomvergleich nach Phosphatentzug in An- und Abwesenheit von sRNA132 führte zur Identifikation des Phosphoregulons der sRNA. Zu diesem Phosphoregulon gehören unter anderem zwei Glycerinphosphat-Dehydrogenasen, Transkriptionsregulatoren, eine Polyphosphatkinase und eine Glycerolphosphodiesterase. Zudem waren die Transkriptlevel der beiden ABC-Transporter HVO_A0477-80 und HVO_2375-8 für anorganisches Phosphat und des Transporters HVO_B0292-5 für Glycerinaldehyd-3-Phosphat in Abwesenheit der sRNA verringert. Die beiden ABC-Transportsysteme für anorganisches Phosphat wurden im Rahmen dieser Arbeit deletiert und weiter charakterisiert. Es konnte gezeigt werden, dass das ABC-Transportsystem HVO_2375-8 bei geringen Phosphatkonzentrationen leicht induziert wird und das Transkriptlevel in Anwesenheit von sRNA132 erhöht ist. Wachstumsversuche der jeweiligen Deletionsmutante in direkter Konkurrenz mit dem Wildtyp zeigten, dass keiner der beiden ABC-Transporter den anderen vollständig ersetzen kann und der Wildtyp mit beiden intakten ABC-Transportern unter phosphatlimitierenden Bedingungen einen Wachstumsvorteil besitzt. In silico-Analysen der Promotorbereiche von sRNA und ABC-Transporter legen zudem die Existenz von P-Boxen nahe.
Spinocerebellar ataxia type 2 (SCA2) is an autosomal dominant neurodegenerative movement disorder caused by expansion of CAG repeats in the ATXN2 gene beyond 33 units, while healthy individuals carry 22-23 repeats. First symptoms of SCA2 include uncoordinated movement, ataxic gait and slowing of the saccadic eye movements in line with the early pronounced atrophy of cerebellum, spinal cord and brainstem. Cerebellar Purkinje cells and spinal cord motor neurons are the most affected cells from ATXN2 expansions. Later on, patients manifest distal amyotrophy, problems in breathing and swallowing, depression and cognitive decline caused by widespread degeneration throughout the brain. The striking loss of mass in the brain, due to severe myelin fat atrophy, is accompanied by a similar reduction in the peripheral fat stores. After the devastating progression of disease, the severity and duration of which depends on the CAG repeat size, genetic background and environmental factors, patients succumb to SCA2 mostly because of respiratory failure at the terminal stage. Larger repeat sizes lead to an earlier manifestation of the disease and a more rapid progression. Aside from SCA2, intermediate-length and short pathogenic CAG expansions in ATXN2 between 26-39 repeats significantly increase the risk of developing other neurodegenerative disorders, such as amyotrophic lateral sclerosis (ALS), fronto-temporal lobar dementia (FTLD) or Parkinson plus tauopathies like progressive supranuclear palsy (PSP) in various cohorts across the world.
Ataxin-2 (ATXN2) is a ubiquitously expressed cytosolic protein most famous for its involvement in neurodegenerative disease caused by the expanded poly-glutamine (polyQ) domain corresponding to a genomic (CAG)n tract. This N-terminal polyQ domain has no known function, other than increasing the aggregation propensity of mutant ATXN2 and facilitating interaction with other polyQ containing proteins, leading to their sequestration. The progressive accumulation of ATXN2 into cytosolic foci, and also that of its interaction partners over time, underlies the molecular pathomechanism. Next to polyQ domain, ATXN2 also contains a Like-Sm domain (Lsm), an Lsm-associated domain (LsmAD), multiple proline-rich domains (PRD) and a Poly(A)-Binding-Protein (PABP)-interacting motif (PAM2).
Through its Lsm/LsmAD domains, ATXN2 directly binds to a large number of transcripts, regulating their quality and translation rate. In a similar fashion, through its direct interaction with PABP via PAM2 motif, ATXN2 indirectly modifies the fate of even larger number of transcripts and global translation. Several PRDs scattered across the protein help ATXN2 associate with growth factor receptors and other endocytosis factors, modulating nutrient uptake and downstream signaling.
ATXN2 is a stress response factor. Therefore, its involvement in nutrient uptake plays a crucial part in cell’s capability to overcome non-permissive conditions. Upon nutrient deprivation, oxidative stress, proteotoxicity, heat stress or Ca2+ imbalance, ATXN2 relocalizes into cytosolic ribonucleoprotein particles known as stress granules (SGs), together with PABP, several eukaryotic translation initiation factors, many other RNA-binding proteins (RBP) with their target transcripts and the small ribosomal subunit. Collectively, they modulate the stability of the trapped transcripts, favoring the maturation and translation of IRES-dependent stress response proteins instead, according to the specific need. Many RBPs interact either directly or in an RNA-dependent manner in the SGs, and due to the large number of ALS-causing mutations identified in them (such as TDP-43, FUS, TIA-1, hnRNPA2/B1), SGs became a hot topic in neuropathology. Acute SGs serve to halt translation and growth, and to spend energy only for survival until stress disappears. However, chronic SG assembly eventually activates apoptotis leading to cell death. While the polyQ expansions in ATXN2 enhance SG stability, reduce their dissociation rate after stress, and lead to aberrant post-translational modifications of other SG components like TDP-43, complete loss of ATXN2 delays SG formation and results in easily dissolvable foci.
Most of the stressors that induce SG formation eventually converge on energetic deficit. Therefore, it is logical that the ultimate task of SGs is to stop further growth when it cannot be afforded. In yeast, the molecular mechanism underlying this growth arrest was explained as sequestration of the master growth regulator complex, Target-of-Rapamycin Complex 1 (TORC1), into SGs in an ATXN2-dependent manner. The repressor effect of ATXN2 on mammalian TORC1 (mTORC1) and global protein translation had already been documented in earlier studies; complete loss of ATXN2 function in knock-out mouse (Atxn2-KO) resulted in mTORC1 hyperactivity and transcriptional upregulation of multiple ribosomal subunits indicating an increased need for these machines. ...
Nematophilic bacteria as a source of novel macrocyclised antimicrobial non-ribosomal peptides
(2020)
A solution to ineffective clinical antimicrobials is the discovery of new ones from under-explored sources such as macrocyclic non-ribosomal peptides (NRP) from nematophilic bacteria. In this dissertation an antimicrobial discovery process –from soil sample to inhibitory peptide– is demonstrated through investigations on six nematophilic bacteria: Xenorhabdus griffiniae XN45, X. griffiniae VH1, Xenorhabdus sp. nov. BG5, Xenorhabdus sp. nov. BMMCB, X. ishibashii and Photorhabdus temperata. To demonstrate the first step of bacterium isolation and species delineation, endosymbionts were isolated from Steinernema sp. strains BG5 and VH1 that were isolated directly from soil samples in Western Kenya. After genome sequencing and assembly of novel Xenorhabdus isolates VH1 and BG5, species delineation was done via three overall genome relatedness indices. VH1 was identified as X. griffiniae VH1, BG5 as Xenorhabdus sp. nov. BG5 and X. griffiniae BMMCB was emended to Xenorhabdus sp. nov. BMMCB. The nematode host of X. griffiniae XN45, Steinernema sp. scarpo was highlighted as a putative novel species. To demonstrate the second step of genome mining and macrocyclic non-ribosomal peptide structure elucidation, chemosynthesis and biosynthesis, the non-ribosomal peptide whose production is encoded by the ishA-B genes in X. ishibashii was investigated. Through a combination of refactoring the ishA-B operon by a promoter exchange mechanism, isotope labelling experiments, high resolution tandem mass spectrometry analysis, bioinformatic protein domain analysis and chemoinformatic comparisons of actual to hypothetical mass spectrometry spectra, the structures of Ishipeptides were elucidated and confirmed by chemical synthesis. Ishipeptide A was a branch cyclic depsidodecapeptide macrocyclised via an ester bond between serine and the terminal glutamate. It chemosynthesis route was via a late stage macrolactamation and linearised Ishipeptide B was synthesised via solid phase iterative synthesis. Ishipeptides were not N-terminally acylated despite being biosynthesised from the IshA protein that had a C-starter domain. It was highlighted that more than restoration of the histidine active site of this domain is required to restore N-terminal acylation activity.
To demonstrate the final step of determination of antimicrobial activity, minimum inhibitory concentrations of Ishipeptides and Photoditritide from Photorhabdus temperata against fungi and bacteria were determined. None were antifungal while only the macrocyclic compounds were inhibitory, with Ishipeptide A inhibitory to Gram-positive bacteria at 37 µM. The cationic Photoditritide, a cyclic hexapeptide macrocyclised via a lactam bond between homoarginine and tryptophan, was 12 times more inhibitory (3.0 µM), even more effective than a current clinical compound, Ampicillin (4.2 µM). For both, macrocyclisation was hypothesised to contribute to antimicrobial activity. Ultimately, this dissertation demonstrated not only nematophilic bacteria as a source of novel macrocyclic antimicrobial non-ribosomal peptides but also a process of antimicrobial discovery–from soil sample to inhibitory peptide– from these useful bacteria genera. This is significant for the fight against antimicrobial resistance.
Embryonale Stammzellen (ESCs) sind ein wichtiges Werkzeug zur Untersuchung der frühen embryonalen Entwicklung. ESCs können mit Hilfe neuer Technologien zur Modifikation von Genen (z.B. mit dem CRISPR/Cas9 System) genetisch manipuliert werden. Daraus resultierende „knockout“ ES Zelllinien können helfen, die physiologische Rolle von Proteinen während der Differenzierung zu verstehen.
Transkriptionsfaktoren, die schnell und spezifisch Signalwege regulieren, spielen während der Embryonalentwicklung und während der Differenzierung von ESCs in vielen verschiedenen Zelltypen eine essentielle Rolle. Der Transkriptionsregulator „Far Upstream Binding Protein 1“ (FUBP1) ist ein Protein, welches eine ganz bestimmte einzelsträngige DNA Sequenz, das „Far Upstream Sequenz Element“, erkennt, bindet, und dadurch Gene wie z.B c-myc oder p21 reguliert. Mit der Entwicklung zweier Fubp1 Genfallen Mausstämme (Fubp1 GT) sollte die Frage nach der physiologischen Funktion von FUBP1 beantwortet werden. Die homozygoten FUBP1-defizienten GT Embryonen sterben im Mutterleib ungefähr am Tag E15.5 der Embryonalentwicklung. Sie sind kleiner als Wildtypembryonen und zeigen ein anämisches Aussehen. Daher wurden diese Mausmodelle hinsichtlich der Hämatopoese untersucht, die zu diesem Zeitpunkt vor allem in der Leber stattfindet. Es konnte eine signifikante Reduktion der hämatopoetischen Stammzellen (HSCs) festgestellt werden und zusätzlich war die langfristige Repopulation der FUBP1-/--Stammzellen im Knochenmark in Transplantationsexperimenten reduziert.
In der vorliegenden Arbeit wurde die Rolle von FUBP1 in einem weiteren Stammzellsystem analysiert und gleichzeitig seine Bedeutung in anderen Zelltypen der frühen Embryonalentwicklung untersucht.
Die Quantifizierung der FUBP1 Expression in den ESCs und während der Differenzierung zu sogenannten `embryoid bodies` (EBs) zeigten eine starke Expression auf mRNA- und auf Proteinebene. Nach der erfolgreichen Optimierung der Differenzierung von murinen ESCs wurden Fubp1 „knockout“ (KO) ESC Klone mit Hilfe der CRISPR/Cas9 Technologie etabliert. Die molekularbiologische Analyse der ESCs zeigte eine signifikante Erhöhung der Oct4 mRNA-Expression, während Nanog und die Differenzierungsmarker Brachyury, Nestin und Sox17 unverändert und in vergleichbarer Menge zu den Kontrollen vorhanden waren. Während der Differenzierung der Fubp1 KO Klone zu EBs zeigte sich eine signifikante Reduktion mesodermaler Marker wie Flk-1, SnaiI, Snai2, Bmp4 und FgfR2. Mit Hilfe durchflusszytometrischer Analysen bestätigte sich die verzögerte Bildung mesodermaler Zellen (Brachyury- und Flk-1-exprimierender Zellen) in den Fubp1 KO Klonen der EBs an den Tagen 3, 4 und 5 nach Beginn der Differenzierung.
Die Anwendung einer Ko-Kultivierung auf OP9 Zellen zur Differenzierung der ESCs in hämatopoetische Linien sollte zeigen, ob der Fubp1 KO ESCs ein Defekt in der frühen Entwicklung hämatopoetischer Stammzellen zu beobachten ist. Erneut konnte am Tag 5 der ESC-Differenzierung in der OP9 Ko-Kultur eine signifikante Reduktion der mesodermalen (Flk-1+) Zellen festgestellt werden. Die weitere Differenzierung zu hämatopoetischen CD45+ Zellen zeigte jedoch keinen Unterschied im prozentualen Anteil CD45+ Zellen am Tag 12 der Differenzierung. Auch die gezielte Differenzierung zu erythroiden Zellen durch Zugabe des Zytokins EPO zum Medium zeigte keinen signifikanten Unterschied im Differenzierungsgrad der erythroiden Zellen zwischen Kontroll- und Fubp1 KO Klonen.
In weiteren Experimenten habe ich in dieser Arbeit die Expression von FUBP1 in WT Embryos an den Tagen E9.5 und E13.5 der Embryonalentwicklung untersucht. Hierbei zeigte sich in beiden Entwicklungsstadien eine immunhistochemische Anfärbung von FUBP1 in den meisten Zellen des Embryos. Die Annahme, dass die Abwesenheit von FUBP1 in der Embryonalentwicklung zu verstärkten apoptotischen Vorgängen führen könnte und gleichzeitig die massive Expansion von Zellen gestört sein könnte wurde mit Hilfe immunhistochemischer Färbung von „cleaved Caspase 3“ (Apoptosemarker) und „Ki-67“ (Proliferationsmarker) in den homozygoten Fubp1 GT Embryos an den Tagen E9.5 und E13.5 nicht bestätigt.
Die Ergebnisse dieser Arbeit lassen darauf schließen, dass die Regulation von Apoptose und Proliferation durch FUBP1 während der Embryonalentwicklung nicht die Hauptrolle von FUBP1 darstellt. Es zeigte sich jedoch, dass FUBP1 als Transkriptionsregulator wichtig für die mesodermale Differenzierung von ESCs ist. Zu beobachten war, dass es in den FUBP1-defizienten ESCs zu einer Verzögerung der mesodermalen Differenzierung kommt. Es konnte bereits gezeigt werden, dass FUBP1 essenziell für die Selbsterneuerung von HSCs ist. Dies macht deutlich, dass FUBP1 neben der Proliferation und Apoptose ein breiteres Spektrum an Signalwegen reguliert, die für Stammzellen und deren Differenzierung von Bedeutung sind.
Die Beobachtung, dass Tumorzellen häufig eine Abhängigkeit gegenüber einer einzelnen und treibenden Mutation entwickeln, obwohl sie zahlreiche Mutationen aufweisen, bildet die Grundlage der mittlerweile etablierten, zielgerichteten Tumortherapie (Weinstein, 2002). Mit der Identifikation verantwortlicher Signalwege sowie beteiligter Signalkomponenten, sind Ansatzpunkte für diese Therapieform geschaffen worden, die bereits zu einigen Erfolgen in der Leukämie-, Brustkrebs- oder Lungenkrebsbehandlung geführt haben (Druker et al., 2001; Slamon et al., 2001; Kwak et al., 2010) . In vielen Fällen stellt sich jedoch ein Rückfall aufgrund der Ausbildung von Resistenzen ein oder auch das Nichtanschlagen der Therapien wird beobachtet (Ramos & Bentires-Alj, 2015).
Verschiedenste Mechanismen kommen dabei in Frage, doch häufig werden kompensatorische Veränderungen in den Signalwegen beobachtet, die schließlich zur Umgehung der Inhibition führen (Holohan et al., 2013). Grundlage hierfür ist die Redundanz und Verknüpfung der Signalwege mit- und untereinander, die es der Zelle im Sinne der Homöostase ermöglichen sich flexibel an ihre Umgebung anzupassen (Rosell et al., 2013; Sun & Bernards, 2014) . Daher ist es von äußerster Wichtigkeit, die Mechanismen der Inhibition im Hinblick auf die Signalwege der Zellen genauer zu verstehen, und dabei nicht nur die direkten, sondern auch die indirekten Effekte der Inhibition zu analysieren. So lassen sich Rückschlüsse auf den Einsatz zielgerichteter Medikamenten ziehen, die in besseren Therapiekombinationen resultieren und dadurch die Entstehung von Resistenzen verhindern.
Eine Hyper-Aktivierung von STAT3 sowie das dadurch induzierte Genmuster sind als starkes onkogenes Signal identifiziert worden, und spielen darüber hinaus an der Vermittlung von Resistenzen gegenüber Tumortherapien eine entscheidende Rolle. Durch seine Rolle in diversen zellulären Prozessen, beeinflusst STAT3 die Proliferation und das Überleben von Tumorzellen, ihr migratorisches und invasives Verhalten sowie ihre Kommunikation mit Stroma- und Immunzellen. (Bromberg et al., 1999; Wake & Watson, 2015) Sehr selten ist die aberrante Aktivierung des Transkriptionsfaktors auf eigene Mutationen zurückzuführen, vielmehr sorgen Treiber überhalb für diese (Johnston & Grandis, 2011; Kucuk et al., 2015).
In der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene STAT3-Inhibitionen in unterschiedlichen Modellen verglichen um darüber Rückschlüsse auf Kriterien einer Therapie zu ziehen. In einem Gliommodell aus der Maus, dem eine v-SRC-Expression als Treiber zu Grunde liegt (Smilowitz et al., 2007), wurde eine indirekte, BMX-vermittelte STAT3-Inhibition mit einer zielgerichteten STAT3-Hemmung verglichen. BMX, die zur TEC-Kinase-Familie gehört, wird als STAT3-aktivierende Kinase beschrieben. In letzter Zeit wurde ihr Einfluss bei der Tumorentwicklung immer deutlicher (Dai et al., 2006; Hart et al., 2011; Holopainen et al., 2012). Unter anderem konnte in Glioblastom-Stammzellen eine BMX-vermittelte STAT3-Aktivierung als Treiber für die Selbsterneurungskapazität und das tumorigene Potential identifiziert werden (Guryanova et al., 2011). Mit dem Tyrosinkinase-Inhibitor Canertinib ist es gelungen, in den murinen Tu-2449-Gliomzellen eine BMX-vermittelte STAT3-Aktivierung nachzuweisen und zu inhibieren. Dies ist damit die erste Arbeit, in der Canertinib als BMX-Inhibitor in einem endogenen Zellsystem getestet wurde. Die einmalige Canertinib-Gabe resultierte in einem Zellzyklusarrest der G1-Phase und die Aufrechterhaltung der Inhibitorwirkung im Zelltod. Im Vergleich dazu konnte eine RNAivermittelte STAT3-Stilllegung nicht das Absterben dieser Zellen induzieren. Mit der Suche weiterer Zielstrukturen von Canertinib, die die Grundlage dieser unterschiedlichen Phänotypen bilden, konnte eine zusätzliche AKT-Inhibition identifiziert werden. Sehr wahrscheinlich wird die AKT-Inhibition ebenfalls durch BMX vermittelt, da keine Inhibition der ERBB-Familie bestätigt werden konnte. Um die Effekte weiter abzugleichen wurden Canertinib-Versuche mit einem humanen Brustkrebsmodell durchgeführt, das als Treiber eine Überexpression des EGFR aufweist.
In MDA-MB-468-Zellen, in denen keine BMX-Aktivierung vorliegt, resultierte eine Canertinib-Behandlung in der sehr prominenten Inhibition des ERK-Signalweges und in einer weniger ausgeprägten Verminderung der STAT3- und AKT-Aktivierung. Auch in diesen Zellen führte die Canertinib-Behandlung zum Zelltod. Diese Effekte werden sehr wahrscheinlich durch die Inhibition des EGFR induziert, da Canertinib als pan-ERBBInhibitor beschrieben ist (Slichenmyer et al., 2001; Djerf Severinsson et al., 2011) .
Resultate die früher in der Arbeitsgruppe gewonnen wurden, beweisen, dass eine Herunterregulation von STAT3 in der Brustkrebszelllinie MDA-MB-468 ausreicht um ein Absterben der Zellen zu induzieren (Groner et al., 2008).
Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass eine Canertinib-Behandlung über die Inhibition unterschiedlicher Signalwege den Zelltod in beiden Zelllinien induziert. Obwohl beide Zelllinien Treiber-vermitteltes, konstitutiv aktives STAT3 aufweisen, stellt nur in den Brustkrebszellen seine Inhibition eine ausreichende Therapiebedingung dar. Somit sind die Unterschiede zwischen den beiden Zelllinien essentiell für ein Überleben der Zellen nach einer STAT3-Inhibition. In Zukunft ist es wichtig, diese Unterschiede zu identifizieren um damit zu definieren, in welchen Patientengruppen eine STAT3-Inhibition zum Erfolg führt.
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.
ADAM15, which belongs to the family of the disintegrin and metalloproteinases, is a multi-domain transmembrane protein. A strongly upregulated expression of ADAM15 is found in inflamed synovial membranes from articular joints affected by osteoarthritis and especially rheumatoid arthritis (RA). During the chronic inflammatory process in RA the synovial membrane gets hyperplastic, resulting eventually in the formation of a pannus tissue, which can invade into the adjacent cartilage and bone thereby destroying their integrity. Previously, the expression of ADAM15 in fibroblasts of the RA synovial membrane was found to confer a significant anti-apoptotic response upon triggering of the Fas receptor, which resulted in the activation of two survival kinases, focal adhesion kinase (FAK) and Src. The Fas receptor, also named CD95, belongs to the death receptor family of the tumor necrosis factor receptors and stimulation of Fas/CD95 by its ligand FasL results in the execution of apoptotic cell death in synovial membranes of RA patients. However, the occurrence of apoptotic cell death in vivo in RA synovial tissues is considerably low despite the presence of FasL at high concentrations in the chronically inflamed joint. Accordingly, a general apoptosis resistance is a characteristic of RA-synovial fibroblasts that contributes considerably to the formation the hyperplastic aggressive pannus tissue. The objective of this study was to investigate the mechanisms underlying the capability of ADAM15 to transform FasL-mediated death- inducing signals into pro-survival activation of Src and FAK in rheumatoid arthritis fibroblasts (RASFs).
In the present study, the down-regulation of ADAM15 by RNA interference resulted in a significant increase of caspase 3/7 activity upon stimulation of the Fas receptor in RASFs. Likewise, chondrocytes expressing a deletion mutant of ADAM15 (ΔC), lacking the cytoplasmic domain, revealed increased caspase activities upon Fas ligation in comparison to cells transfected with full-length ADAM15, clearly demonstrating the importance of the cytoplasmic domain for an increased apoptosis resistance. Furthermore, activation of the Fas receptor triggered the phosphorylation of Src at Y416, which results in the active conformation of Src, as well as the phosphorylation of FAK at Y576/577 and Y861 – the target tyrosines phosphorylated by Src - in full-length ADAM15-transfected chondrocytes. However, cells transfected with ADAM15 mutant (ΔC) or with vector control did not exhibit any activation of Src and FAK upon Fas ligation. This suggested the presence of an as yet unknown protein interaction mediating the Fas triggered activation of the two kinases.
In order to identify this mechanism, the application of signal transduction inhibitors interfering with Calcium signaling either by inhibiting calmodulin with trifluoperazine (TFP) or the Calcium release-activated channel (CRAC/Orai1) with BTP-2 efficiently inhibited the phosphorylation of FAK and Src, revealing a role of calmodulin, the major Ca2+ sensor in cells, in ADAM15-dependent and Fas-elicited activation of the two survival kinases. Also, a direct Ca2+ -dependent binding of calmodulin to ADAM15 could be demonstrated by pull-down assays using calmodulin-conjugated sepharose and by protein binding assays using the recombinant cytoplasmic domain of ADAM15 and calmodulin.
Furthermore, it could be demonstrated in living synovial fibroblasts by double immunofluorescence stainings that triggering the Fas receptor by its ligand FasL or a Fas-activating antibody resulted in the recruitment of calmodulin to ADAM15 as well as to the Fas receptor in patch-like structures at the cell membrane. Simultaneously, Src associated with calmodulin was shown to become engaged in an ADAM15 complex, also containing cytoplasmic-bound FAK, by co-immunoprecipitations.
Additional studies were performed to analyze the efficacy of TFP and BTP-2 on apoptosis induction in synovial fibroblasts from 10 RA patients. Using caspase 3/7 and annexin V stainings for determining apoptosis, it could be shown that both inhibitors did not possess any apoptosis inducing capacity. However, when co-incubated with FasL both compounds synergistically enhanced apoptosis rates in the RASFs. Moreover, an additional silencing of ADAM15 revealed a further significant rise in apoptosis rates upon incubation with FasL/TFP or FasL/BTP-2, providing unequivocal evidence for an involvement of ADAM15 in facilitating apoptosis resistance in RASFs.
Taken together, these results demonstrate that ADAM15 provides a scaffold for the formation of calmodulin-dependent pro-survival signaling complexes upon CRAC/Orai1 coactivation by Fas ligation, which provides a new potential therapeutic target to break the apoptosis resistance in RASFs that critically contributes to joint destruction in RA.
The functional and molecular role of transglutaminase 2 in hematopoietic stem and progenitor cells
(2023)
Long-term repopulating hematopoietic stem cells (LT-HSCs) that reside in the bone marrow (BM) give rise to all blood cell types including erythrocytes, leukocytes and platelets. LT-HSCs are mainly quiescent during steady state hematopoiesis. LT-HSCs can process self-renewal to expand and maintain stemness, or commit to differentiation into short-term (ST) repopulating HSC and multipotent progenitors (MPPs). MPPs differentiate into oligopotent lineagerestricted progenitors which eventually produce all mature blood cell lineages, and thereby regenerate hematopoietic system.
Previous studies have shown in transcription profiles and quantitative PCR (qPCR) analysis that transglutaminase 2 (Tgm2) is one of the most upregulated genes in quiescent LT-HSCs in comparison to active HSCs, mobilized HSCs, ST-HSCs, MPPs, as well as leukemic stem cells (LSC). However, the reason why Tgm2 is strongly upregulated in dormant mouse LTHSCs and what the role of Tgm2 is in LT-HSCs has not been investigated yet.
Tgm2, encoded by the Tgm2 gene, is a multi-functional protein within the transglutaminase family. It has been found to be widely expressed inside and outside the cells. It consists of four domains and two functionally exclusive forms that are regulated by the Ca2+ and GTP concentration. Besides the most well-known transglutaminase enzymatic activity for transamidation, deamidation and crosslinking, Tgm2 acts also as a GTPase/ATPase, kinase, adhesion/scaffold protein, as well as disulfide isomerase. The role of Tgm2 in hematopoiesis remains elusive. Accordingly, the aim of this dissertation is to investigate the role of Tgm2 in murine hematopoiesis, especially in murine LT-HSCs.
Firstly, the expression of Tgm2 was analyzed in highly purified murine hematopoietic stem and progenitor cell (HSPC) populations. Low input label-free mass spectrometric proteomics and WES protein analysis confirmed the highly specific expression of Tgm2 in LT-HSCs at protein level. Already at the state of MPPs, Tgm2 protein was almost absent with further decline towards oligopotent progenitors. These results indicated Tgm2 as a specific protein marker for LT-HSCs, justifying the future generation of a fluorescent reporter mouse line based on endogenous Tgm2 tagging.
To delineate the functional and molecular role of Tgm2 in LT-HSCs, a conditional Tgm2 knockout mouse model was generated using the Mx1-Cre/loxP system, with the loxP sites flanking the coding exons of the catalytic domain of Tgm2. After PolyIC-mediated induction, a more than 95% knockout efficiency was observed in purified LT-HSCs and the protein expression of Tgm2 was confirmed to be vanished in the purified LT-HSCs from conditional Tgm2-KO mice. Conditional knockout mice are viable and show no aberrant organ functions.
In steady state condition, the distribution of mature blood cell lineages and immunophenotypically-defined HSPC populations within the BM, the mitochondrial potential of HSPCs reflected by the non-invasive cationic dye JC-1, as well as the cell cycle status of HSPCs mirrored by the intracellular Ki67 staining did not show any significant variations upon loss of Tgm2. However, the in vitro continuous observation of prospectivly isolated LT-HSCs by time-lapse microscopy-based cell tracking revealed a delayed entry into cell cycle with a two fold increased apoptosis rate after knocking out Tgm2, indicating Tgm2 expression might be essential for survival of LT-HSCs. Moreover, while the absence of Tgm2 in LT-HSCs did not influence differentiation and lineage choice in vitro, overexpression of Tgm2 in LT-HSCs resulted in an increase of the most immature subpopulation upon cultivation. All these features were not observed in Tgm2-deleted MPPs, suggesting Tgm2 playing a specific function at the level of LT-HSCs. Upon stress hematopoiesis, induced by the administration of 5-fluorouracil (5-FU), there was a trend towards delayed recovery of LT-HSCs lacking Tgm2. Although Tgm2 express specificly in LT-HSCs, two rounds of competitive BM serial transplantation displayed an equal overall engraftment and multi-lineage reconstitution of LT-HSCs from Tgm2-WT and Tgm2-KO mice in peripheral blood (PB), BM and spleens. Interestingly, LT-HSCs from Tgm2-KO mice reconstituted to more myeloid cells and fewer B cells in the first four weeks after primary transplantation, which disappeared at later time points.
Gene expression profiling and simultaneous single cell proteo-genomic profiling indicated that HSPCs and LT-HSCs from Tgm2-KO mice were transcriptionally more active. A heterogeneity of Tgm2 expression within Tgm2-WT LT-HSCs was revealed by single cell data. Commonly up-regulated genes in Tgm2-KO LT-HSCs and MPPs were significantly involved in regulation of transcription from RNA polymerase II promoter in response to stress, positive regulation of cell death as well as negative regulation of mitogen-activated protein kinase (MAPK) signaling pathways. In Tgm2-KO LT-HSCs, 136 up-regulated genes demonstrated an enrichment of genes involved in apoptosis, as well as negative regulation of MAPK signaling pathway.
Taken together, this dissertation shows that Tgm2 protein is highly specifically expressed in LT-HSCs, but not in subsequent progenitor populations. However, Tgm2 is not essential for differentiation and maturation of myeloid lineages, the proliferation and the long-term multilineage reconstitution potential of LT-HSCs after transplantation. Tgm2 might be involved in accurate stress response of LT-HSCs and the transition from LT-HSCs into MPPs, meaning that the absence of Tgm2 results in poor survival, myeloid bias upon transplantation, as well as slower recovery upon chemotherapeutic treatment.
Gravitropism is a fundamental process in plants that allows shoots to grow upward and roots to grow downward. Protein phosphorylation has been postulated to participate in the intricate signaling cascade of gravitropism. In order to elucidate the underlying mechanisms governing the gravitropic signaling and unearth novel protein constituents, an exhaustive investigation employing microgravity-induced phosphoproteomics was undertaken. The significantly phosphorylated proteins unraveled in this study can be effectively divided into two groups through clustering analysis. Furthermore, the elucidation of Gene Ontology (GO) enrichment analysis disclosed the conspicuous overrepresentation of these clustered phosphoproteins in cytoskeletal organization and in hormone-mediated responses intimately intertwined with the intricate phenomenon of gravitropism. Motif enrichment analysis unveiled the overrepresentation of [-pS-P-] and [-R-x-x-pS-] motifs. Notably, the [-pS-P-] motif has been suggested as the substrate for the Casein kinase II (CK II) and Cyclin-dependent kinase (CDK). Kinase-inhibitor assays confirmed the pivotal role played by CK II and CDK in root gravitropism. Mutant gravitropism assays validated the functional significance of identified phosphoproteins, with some mutants exhibiting altered bending kinetics using a custom-developed platform. The study also compared phosphoproteomics data from different platforms, revealing variations in the detected phosphopeptides and highlighting the impact of treatment differences. Furthermore, the involvement of TOR signaling in microgravity-induced phosphorylation changes was uncovered, expanding the understanding of plant gravitropism responses.
To fulfill the large-scale verification of interesting candidates from the phosphoproteomics study, a novel root and hypocotyl gravitropism phenotyping platform was developed. This platform integrated cost-effective hardware, including Raspberry Pi, a high-quality camera, an Arduino board, a rotation stage (obtained from Prof. Dr. Maik Böhmer), and programmable green light (modified by Sven Plath). In addition, through collaboration with a software developer, machine-learning-based software was developed for data analysis. This platform tested the gravitropic response of candidate mutants identified in the phosphoproteomics study. Furthermore, the capabilities of this platform were expanded to investigate tropisms in other species and organs. To find novel proteins that might act as partners of a key protein that is involved in gravitropism signaling, ALTERED RESPONSE TO GRAVITY 1 (ARG1), immunoprecipitation coupled with Mass Spectrometry (IP-MS) was performed and identified ARG1-LIKE1 (ARL1) as a potential interacting protein with ARG1. This interaction was further confirmed through in vivo pull-down assays and bimolecular fluorescence complementation assays. In addition, the interaction between ARG1 and HSP70-1 was also validated.
Overall, this thesis sheds light on the molecular components and signaling events involved in plant gravitropism. It contributes to existing knowledge and opens up new ways to investigate this fascinating area of plant biology.
Polyploidie in Prokaryoten
(2018)
Diese Arbeit teilt sich in drei Teile auf, die sich mit der Regulation der Polyploidie sowie mit der Genkonversion als evolutionären Vorteil von Polyploidie in Haloferax volcanii beschäftigen.
Im ersten Teil dieser Arbeit, wurde der Einfluss der DNA-Replikationsinitiatorproteine Orc1/Cdc6 auf das Ploidielevel untersucht. Hierbei konnte anhand von Deletionsmutanten zunächst gezeigt werden, dass lediglich drei der 16 Orc1/Cdc6-Proteine in H. volcanii essentiell sind. Bestimmung des Ploidielevels mittels qPCR-Analyse ergab, dass jedes der 12 untersuchten Orc1/Cdc6-Proteine das Ploidielevel mindestens eines Replikons beeinflusst und dementsprechend sowohl die mit einem Replikationsursprung assoziierten als auch die „verwaisten“ Orc1/Cdc6-Proteine eine Funktion haben. Die mit einem Replikationsursprung assoziierten Orc1/Cdc6-Proteine hatten hierbei keinen größeren Einfluss auf das Ploidielevel als die „verwaisten“. Zusätzlich konnte durch Wachstumsanalysen in Mikrotiterplatten gezeigt werden, dass die meisten Deletionsmutanten unter allen getesteten Bedingungen ein mit dem Wildtyp vergleichbares oder besseres Wachstum zeigen. Eine Deletionsmutante eines Orc1/Cdc6-Proteins hingegen zeigte nur verbessertes Wachstum bei Glukose als Kohlenstoffquelle, was ein Hinweis auf die Verwendung verschiedener Orc1/Cdc6-Proteine unter verschiedenen Bedingungen sein könnte. Zusätzlich wurden zwei mit dem Replikationsursprung assoziierte Orc1/Cdc6-Proteine überexprimiert und via ihres N-terminalen His-Tag im Western-Blot nachgewiesen, sodass diese nun für Co-Affinitätsaufreinigungen zur weiteren Charakterisierung des komplexen Zusammenspiels der Orc1/Cdc6-Proteine zur Verfügung stehen.
Im Rahme des zweiten Teils der Arbeit wurde der Einfluss der in der 5‘-Region der der Replikationsursprünge ori1 und ori2 kodierten Proteine auf Wachstum und die Kopienzahl des Hauptchromosoms bestimmt. Zunächst wurde die Expression der drei in Haloarchaea hoch-konservierten oap-Gene upstream von ori1 mittels Nothern-Blot untersucht und es konnte gezeigt werden, dass das oap-Operon tatsächlich als Operon abgelesen wird. Um alle Gene in den 5‘-Regionen von ori1 und ori2 genauer zu charakterisieren, wurden induzierbare Überexpressionsmutanten im Wildtyp-Hintergrund angefertigt. Es konnte mittels Wachstumsversuchen in Mikrotiterplatten gezeigt werden, dass bei Induktion von Beginn an die Überexpression der Hef-Helikase und des oapB-Proteins zu einem starken Wachstumsdefekt führen, die von oapC und HVO_1724 zu einem moderaten Wachstumsdefekt, wohingegen für die Überexpressionsmutante von oapA vergleichbares Wachstum zum Wildtyp und für die Überexpression der Rad25d-Helikase verbessertes Wachstum beobachtet werden konnte. Es konnte darüber hinaus gezeigt werden, dass sowohl die Deletion als auch die Überexpression der Helikasen keinen Einfluss auf das Ploidielevel hat; die Deletion von oapC führt jedoch zu einer Reduktion der Genomkopienzahl in exponentieller und stationärer Phase, was ein erster Hinweis darauf ist, dass das oap-Operon eine Rolle bei der Regulation des Ploidielevels spielen könnte.
Im dritten Teil der Arbeit wurde eine Methode entwickelt, um Genkonversion farblich sichtbar zu machen. Hierbei wurde sich H. volcaniis Carotinoidbiosynthese zu Nutze gemacht. Es wurden zwei verschiedene, auxotrophe Elternstämme mittels Protoplastenfusion verschmolzen, um eine heterozygote Tochterzelle zu erzeugen. Ein Genkonversionsereignis wurde durch einen roten Keil angezeigt, der aus einer weißen Kolonie wuchs und durch die erfolgreiche Reparatur des Carotinoidbiosynthesegens entstand. Es wurden insgesamt 8525 Klone ausgestrichen und 0,14 % der Kolonien zeigten eine entsprechende rote Färbung. Das Proof-of-Principle dieser Methode ist in damit in dieser Arbeit gelungen. Um die Genkonversion in den weißen Kolonien auf genetischer Ebene genauer zu untersuchen, wurde PCR verwendet. Es konnte gezeigt werden, dass in den Zellen aller 135 untersuchten Kolonien Genkonversion stattgefunden hatte und zwar so effizient, dass nur in seltenen Fällen Heterozygotie vorlag. Unter Selektionsdruck stehende Loci hatten in beiden untersuchten Fällen eine starke Präferenz in Richtung Homozygotie und Erhalt der Prototrophie. Für nicht unter Selektionsdruck stehende Loci konnte gezeigt werden, dass die Hälfte der untersuchten Kolonien dem Elternstamm 1 glich, während die andere Hälfte dem Elternstamm 2 glich. Auch hier waren die Zellen nur in seltenen Fällen homozygot.
Nematophilic bacteria as a source of novel macrocyclised antimicrobial non-ribosomal peptides
(2020)
A solution to ineffective clinical antimicrobials is the discovery of new ones from under-explored sources such as macrocyclic non-ribosomal peptides (NRP) from nematophilic bacteria. In this dissertation an antimicrobial discovery process –from soil sample to inhibitory peptide– is demonstrated through investigations on six nematophilic bacteria: Xenorhabdus griffiniae XN45, X. griffiniae VH1, Xenorhabdus sp. nov. BG5, Xenorhabdus sp. nov. BMMCB, X. ishibashii and Photorhabdus temperata. To demonstrate the first step of bacterium isolation and species delineation, endosymbionts were isolated from Steinernema sp. strains BG5 and VH1 that were isolated directly from soil samples in Western Kenya. After genome sequencing and assembly of novel Xenorhabdus isolates VH1 and BG5, species delineation was done via three overall genome relatedness indices. VH1 was identified as X. griffiniae VH1, BG5 as Xenorhabdus sp. nov. BG5 and X. griffiniae BMMCB was emended to Xenorhabdus sp. nov. BMMCB. The nematode host of X. griffiniae XN45, Steinernema sp. scarpo was highlighted as a putative novel species. To demonstrate the second step of genome mining and macrocyclic non-ribosomal peptide structure elucidation, chemosynthesis and biosynthesis, the non-ribosomal peptide whose production is encoded by the ishA-B genes in X. ishibashii was investigated. Through a combination of refactoring the ishA-B operon by a promoter exchange mechanism, isotope labelling experiments, high resolution tandem mass spectrometry analysis, bioinformatic protein domain analysis and chemoinformatic comparisons of actual to hypothetical mass spectrometry spectra, the structures of Ishipeptides were elucidated and confirmed by chemical synthesis. Ishipeptide A was a branch cyclic depsidodecapeptide macrocyclised via an ester bond between serine and the terminal glutamate. It chemosynthesis route was via a late stage macrolactamation and linearised Ishipeptide B was synthesised via solid phase iterative synthesis. Ishipeptides were not N-terminally acylated despite being biosynthesised from the IshA protein that had a C-starter domain. It was highlighted that more than restoration of the histidine active site of this domain is required to restore N-terminal acylation activity.
To demonstrate the final step of determination of antimicrobial activity, minimum inhibitory concentrations of Ishipeptides and Photoditritide from Photorhabdus temperata against fungi and bacteria were determined. None were antifungal while only the macrocyclic compounds were inhibitory, with Ishipeptide A inhibitory to Gram-positive bacteria at 37 µM. The cationic Photoditritide, a cyclic hexapeptide macrocyclised via a lactam bond between homoarginine and tryptophan, was 12 times more inhibitory (3.0 µM), even more effective than a current clinical compound, Ampicillin (4.2 µM). For both, macrocyclisation was hypothesised to contribute to antimicrobial activity. Ultimately, this dissertation demonstrated not only nematophilic bacteria as a source of novel macrocyclic antimicrobial non-ribosomal peptides but also a process of antimicrobial discovery–from soil sample to inhibitory peptide– from these useful bacteria genera. This is significant for the fight against antimicrobial resistance.
Life-attenuated measles virus (MV) vaccines have revealed their capacity to routinely induce life-long immunity against MV after just a single or two low-dose injections. Moreover, MV vaccines have been shown to be extensively safe and well tolerated, in general. Thus, MV is a prime candidate for a recombinant vaccine platform to protect also against other pathogens after vaccination. For this purpose, foreign genes can be inserted into additional transcription units (ATU) in recombinant MV genomes so that the encoded foreign proteins are co-expressed with MV proteins in infected cells. These so-called bivalent MV should protect against infection by MV or the pathogen, which the encoded foreign protein had been derived from. Bivalent MVs have already been shown to be effective vaccines against e.g. dengue virus or hepatitis B virus infections by inducing humoral and sometimes also cellular immune responses. In most of these studies, soluble or soluble versions of the pathogens' antigens were used for generation of bivalent MVs.
We hypothesized that the form of the antigen expressed by bivalent MVs is crucial for the potency and constitution of the induced immune responses. Therefore, three different forms of an antigen expressed by bivalent MVs were analyzed, here. The model antigen chosen for this purpose has been the envelope protein (Env) of SIVsmmPBj1.9. In its natural mature form, Env is composed of the surface unit gp120 and the transmembrane unit gp41, which stay non-covalently linked after proteolytic processing of the common precursor protein gp160. However, gp120 can be shed by infected cells or virus particles. Therefore, natural gp160 antigen was used as shedding form. Furthermore, stabilized covalently-linked gp160 variants and soluble gp140 variants were used in this thesis. These different antigen forms were inserted either behind the P or behind the H expression cassettes into the MV genome. The respective bivalent MVs were rescued and characterized. Expression of SIVsmmPBj1.9 Env variants by the bivalent MVs was confirmed by immuno blot and in situ immunoperoxidase assays. Replication curves of bivalent MV showed that growth of MVs expressing the different Env variants was slightly delayed by approximately 24 h compared to control viruses.
For immunization of transgenic, MV-susceptible IFNAR-/--CD46Ge mice, which are the current standard to analyze MV vaccines in a small animal model, an optimal dose of 1x105 TCID50 was determined. For the evaluation of humoral immune responses in transgenic mice, two ELISA systems for the detection of total α-MV and α-SIV antibodies and neutralization assays for detection of neutralizing antibodies against MV and SIV in sera of immunized mice were established. Mice immunized with any of the bivalent MVs showed significant humoral immune responses against MV comparable to those elicited by the parental MV vaccine strain without further genetic modifications. Mice immunized with MVvac2-gp140(P) expressing the soluble gp140 variant revealed highest α-SIV titers with a maximal OD of up to 0.4. Second highest levels of α-SIV antibodies were detected in mice that were immunized with the shedding variants or soluble Env in other positions. MVs expressing the stabilized variants induced only very low α-SIV antibody titers. Neutralizing antibodies directed against SIV could be detected in sera of mice immunized with MVs expressing the soluble or shedding variants, but not in sera of mice immunized with MVs expressing the stabilized variants. In sera of control mice immunized with PBS no antibodies could be detected, as expected. Thus, soluble and shedding antigens induced humoral immune responses, whereas stabilized antigens induced only weak humoral immune responses but no neutralizing antibodies. Analysis of cellular immune responses is still ongoing.
Besides Env, further SIV antigens could be tested for their potency to induce humoral as well as cellular immune responses.
Besides being used as a vaccine platform, recombinant MVs are evaluated as future agent for cancer therapy due to their significant inherent tumor-lytic, so-called oncolytic activity. Currently, the anti-tumoral activity of MV is analyzed in clinical phase I trials. MV strains with high fusion activity are used as oncolytic agents. The fusion protein F of MV strain NSe is highly fusogenic, in contrast to e.g. F of MVwt323, a clone of the pathogenic strain IC-B. Sequence analysis of these two proteins identified one coding nucleotide difference at aa 94 in the F2 domain: a valine (V) in FNSe and a methionine (M) in Fwt323. To evaluate impact of this difference, residues at aa 94 were exchanged. After transient-transfection of MV F and H expression plasmids in receptor-positive cells, V94 in the F2 subunit of FNSe or Fwt323 led to about 6-fold higher fusion activity compared to F proteins with M94. The co-expressed H protein (HNSe or Hwt323) did not influence fusion activity, indicating that the receptor (CD46 or SLAM) bound by H does not quantitatively affect the F proteins' activation. Analysis of F and H showed that formation and transport of MV glycoprotein complexes are not altered by substitution in aa 94 of FNSe or Fwt323.
Furthermore, recombinant MVNSe, MVNSe-F-M94, MVwt323, or MVwt323-F-V94 were rescued. Viral replication revealed slightly higher titers for recombinant MVs expressing M94 in F after 96 h of replication, compared to MVs expressing V94. MVs expressing V94 in F2 showed 2.5-fold higher fusion activity on CD46- and SLAM-positive Vero-hSLAM cells and 2-fold higher fusion activity on B95a cells expressing only SLAM compared to MVs expressing F with M94. Fusion activity of recombinant MVs can thus be modulated by substituting a single aa. V94 in the F protein results in highly fusion active MVs with possibly increased direct cytotoxicity in infected tumors, whereas M94 in F could be associated with decreased fusion activity for therapies, where higher virus titers are required.
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.
Das Zytolysin ClyA von Escherichia coli ist der Prototyp einer neuartigen Familie von porenbildenden, bakteriellen Zytolysinen, welche in verschiedenen Vertretern der Enterobacteriaceae vorkommen. Es handelt sich bei diesem Toxin um ein Protein von 34 kDa, das hämolytische und zytotoxische Aktivität aufweist und das in Zellmembranen stabile Poren einführt, indem es sich zu ringförmigen ClyA-Oligomeren zusammenlagert. Die vorliegende Dissertation sollte einen Beitrag zur funktionalen Charakterisierung des ClyA-Proteins von E. coli K12 liefern. Insbesondere sollte die Bedeutung der N-terminalen Region für den Sekretionsmechanismus, für die hämolytische und porenbildende Aktivität, für die Interaktion mit Zielmembranen und für die Fähigkeit zur Oligomerisierung des Proteins analysiert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden hierzu ClyA-Derivate mit spezifischen Mutationen innerhalb des N-terminalen Bereiches hergestellt und auf ihre Funktions-tüchtigkeit überprüft. Diese Untersuchungen gingen von den bestehenden Erkenntnissen aus, dass die Sekretion von ClyA über eine periplasmatische Zwischenstufe verläuft und keine N-terminale Prozessierung des Toxins erfolgt. Es wurde festgestellt, dass bereits kurze, sukzessive Deletionen innerhalb der beginnenden N-terminalen Region, wie die Deletion der Aminosäuren an Position zwei bis fünf (ClyA∆2-5) und sechs bis zehn (ClyA∆6-10), einen deutlich hemmenden Effekt auf den Transfer von ClyA über die zytoplasmatische Membran zur Folge hatte, welcher durch die Deletion der Aminosäuren an Position zwei bis zehn (ClyA∆2-10) weiter verstärkt wurde. Größere N-terminale Mutationen, wie die Deletionen der Aminosäuren an Position zwei bis fünfzehn (ClyA∆2-15) und zwei bis zwanzig (ClyA∆2-20) sowie interne Deletionen, die Aminosäuren jenseits von Aminosäureposition zehn betrafen (ClyA∆6-15, ClyA∆11-15, ClyA∆11-20, ClyA∆16-20), führten zur fast vollständigen Inhibierung (ClyA∆6-15) oder totalen Blockierung (ClyA∆11-15, ClyA∆11-20, ClyA∆16-20, ClyA∆2-20, ClyA∆2-15) des Transports von ClyA in den periplas-matischen Raum. Während die hämolytische Aktivität der ClyA-Mutanten ClyA∆2-5, ClyA∆6-10 und ClyA∆2-10 zwar abnahm, jedoch im Vergleich zu der des wildtypischen ClyA-Proteins noch verhältnismäßig hoch war, beeinflussten die weiteren Deletionen (ClyA∆6-15, ClyA∆11-15, ClyA∆11-20, ClyA∆16-20, ClyA∆2-15, ClyA∆2-20) die hämolytische Eigenschaft des Toxins ganz erheblich. So verursachten diese Mutationen eine massive Abnahme (ClyA∆6-15) bzw. einen kompletten Verlust (ClyA∆11-15, ClyA∆11-20, ClyA∆16-20, ClyA∆2-20, ClyA∆2-15) der zytolytischen Aktivität des ClyA-Proteins gegenüber Erythrozyten. Untersuchungen an künstlichen Lipidmembranen ergaben, dass die Deletion der Aminosäuren an Position zwei bis fünf, sechs bis zehn und zwei bis zehn die porenbildende Aktivität des ClyA-Proteins nur unwesentlich beeinträchtigt. Dagegen störte die Deletion der Aminosäuren an Position zwei bis fünfzehn und zwei bis zwanzig die porenbildende Eigenschaft von ClyA so tiefgreifend, dass keine (ClyA∆2-20) oder nur Transmembranporen mit extrem geringem Innendurchmesser (ClyA∆2-15) erzeugt wurden. Daneben spiegelten instabile Membranporen, die durch die ClyA-Mutanten ClyA∆6-15, ClyA∆11-15, ClyA∆11-20 und ClyA∆16-20 im künstlichen Lipid-Bilayer gebildet wurden, die negativen Auswirkungen dieser Mutationen auf die porenbildende Aktivität des Toxins wider. Die gesammelten Daten unterstreichen somit nicht nur die essentielle Bedeutung der N-terminalen Region des Zytolysins ClyA von E. coli K12 für den Transport in den periplasmatischen Raum, sondern auch für die hämolytische und porenbildende Eigenschaft des Toxins. Allerdings wurde die hämolytische und porenbildende Aktivität des ClyA-Proteins erst durch Mutationen ab Aminosäureposition zehn signifikant beeinträchtigt. Demgegenüber verdeutlichten Untersuchungen zum Bindungsverhalten an Zielzellen sowie Crosslinking-Experimente, dass die N-terminale Aminosäuresequenz von Position zwei bis zwanzig von ClyA weder für die Bindung an Erythrozyten noch für die Oligomerisierung des Toxins einen wesentlichen Faktor darstellt.
Die halophilen Archaea Haloferax volcanii und Halobacterium salinarum haben sich aufgrund ihrer metabolischen Vielseitigkeit und der Verfügbarkeit vieler molekulargenetischer und biochemischer Techniken zu archaealen Modellorganismen für die Untersuchung zellulärer Prozesse entwickelt. In den vergangenen Jahren wurden eine Vielzahl prokaryaler Genome sequenziert, es zeigte sich jedoch, dass ca. 30% aller Gene keine Funktion zugeordnet werden kann. Die funktionelle Genomforschung zielt darauf, durch parallele genomweite Untersuchung der Genexpression die Funktion der Transkripte bzw. der Proteine aufzuklären. In der vorliegenden Arbeit wurden für beide halophilen Archaea genomweite Genexpressionsanalysen unter Verwendung der DNA-Mikroarray- Technologie etabliert. Aufgrund der derzeit nicht vorhandenen Genomsequenz wurde für die Untersuchung der Genexpression von H. volcanii der erste und bisher einzig beschriebene genomweite shotgun-DNA-Mikroarray konstruiert. Dazu wurde zunächst eine Genombibliothek mit einer durchschnittlichen Fragmentgröße von 1,5 kb hergestellt. Die Genombibliothek wurde anschließend in eine PCR-Produkt-Bibliothek umgewandelt, die dazu genutzt wurde, in einem hochdichten Raster zwei DNA-Mikroarrays herzustellen, einen 960-Sonden DNA-Mikroarray zur Etablierung und Optimierung der Methode und einen 2880-Sonden DNA-Mikroarray, der einer einfachen Genomabdeckung entspricht. Für den Vergleich der Genexpression nach einer Änderung der Kohlenstoffquelle wurden Zellen von H. volcanii einem Wechsel von Wachstum mit Aminosäuren zu Wachstum mit Glukose als alleiniger Kohlenstoff-Quelle unterzogen. Die Transkriptomänderungen vom Wechsel der Kohlenstoff-Quelle bis zum erneuten Beginn des exponentiellen Wachstums wurden zu fünf Zeitpunkten mit dem 2880-Sonden DNA-Mikroarray analysiert. Es wurden fünf verschiedene Klassen kinetisch gleichregulierter Gene gefunden, die entweder induziert, reprimiert oder transient induziert waren. Insgesamt wurden ca. 10% aller Gene zu mindestens einem Zeitpunkt mehr als 2,5 fach reguliert. Für Gene aller fünf Klassen wurden die Ergebnisse durch Northern-Analysen verifiziert. Die Identität der regulierten Gene wurde durch Sequenzierung der PCR-Produkte von beiden Enden ermittelt. Es wurde ein breites Spektrum an Genen identifiziert, deren Genprodukte für unterschiedliche funktionelle Kategorien wie Stoffwechselenzyme, ABC-Transporter, regulatorische Proteine und hypothetische Proteine usw. kodieren. Viele gleichregulierte Gene kodieren für Proteine gemeinsamer Funktion. Erwartete wie auch unerwartete Ergebnisse erlaubten Vorhersagen über den zentralen Metabolismus, die Transportkapazität und der zellulären Organisation bei Wachstum von H. volcanii auf Aminosäuren bzw. Glukose. Die Mikroarray-Analysen stehen im Einklang mit der Wachstumsrate und dem Ribosomengehalt von H. volcanii bei Wachstum auf den alternativen Kohlenstoffquellen. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass ein shotgun-DNA-Mikroarray mit einfacher Genomabdeckung die Charakterisierung der Regulation metabolischer Prozesse sowie die funktionelle Charakterisierung von Proteinen bzw. Proteinkomplexen erlaubt. Für Halobacterium salinarum, dessen Genomsequenz bekannt ist, wurde ein genomweiter genspezifischer DNA-Mikroarray konstruiert. Hierzu wurde jeder ORF des Genoms unter Verwendung von ORF-spezifischen Oligonukleotiden mittels PCR amplifiziert. Zur Etablierung dieses Systems wurden zunächst mit einem 200-Sonden DNA-Mikroarray exemplarisch Genexpressionsanalysen für zwei verschiedene Wachstumsbedingungen durchgeführt. Bei anaeroben Wachstum von H. salinarum durch fermentativen Argininabbau wurden im Vergleich zu aeroben Wachstum die für die Argininfermentation essentiellen Gene induziert. Dagegen wurden charakteristische Gene des aeroben Stoffwechsels reprimiert. Zur Untersuchung des Zellzyklusses von H. salinarum wurde der genomweite genspezifische DNAMikroarray verwendet. Um erstmals genomweit die zellzyklusspezifische Genexpression eines Archaeons zu analysieren, wurden Zellen von H. salinarum durch eine reversible Zellzyklusblockade mit Aphidicolin, einem DNA-Polymerase Inhibitor, synchronisiert. Vorläufige Transkriptomstudien mit einer synchron wachsenden H. salinarum-Kultur deuten an, dass die Transkription der Mehrzahl der Gene im Verlauf des Zellzyklusses nicht reguliert wird. Die Untersuchungen dieser Arbeit bilden die Grundlage für genomweite funktionelle Charakterisierungen haloarchaealer Genexpression und Regulationsprozesse.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden die 5´- und 3´-Enden 23 ausgewählter Transkripte des halophilen Archaeons Halobacterium salinarum bestimmt. Die Daten wurden dazu verwendet, die Längen der untranslatierten Bereiche zu ermitteln, Konsensussequenzen für die Transkriptionsinitiation und -termination abzuleiten und die Rolle haloarchaealer UTRs bei der Translationsinitiation und -regulation zu untersuchen. Der experimentelle Ansatz wurde mit einer bioinformatischen Analyse des Genoms von H. salinarum vervollständigt. Dabei konnten die Konsensussequenzen der basalen Promotorelemente genauer definiert werden und ein neues Promotorelement konnte entdeckt werden. Weiterhin wurde ein Konsensusmotiv gefunden, welches wahrscheinlich für die Termination der Transkription wichtig ist. Alle 23 analysierten Transkripte hatten eine 3´-UTR mit einer durchschnittlichen Länge von 48 Nukleotiden und ihre 3´-Enden waren nicht posttranskriptionell modifiziert. Die experimentellen Ergebnisse und bioinformatischen Daten ergaben, dass die Mehrheit der haloarchaealen Transkripte keine 5´-UTR besitzt. Die meisten Transkripte mit 5´-UTRs enthielten unerwarteterweise keine Shine-Dalgarno (SD)-Sequenz. Die Analyse des H. salinarum Genoms machte deutlich, dass weniger als 10% aller Gene eine SD Sequenz vorrausgeht und dass sogar bei Genen, die distal im Operon liegen, meistens keine SD-Sequenz zu finden ist. Weiterhin wurde der Einfluss einer ausgewählten 5´-UTR ohne SD-Sequenz und einer 3´-UTR auf die Transkriptstabilität und die Translationseffizienz untersucht. Das Transkript mit 5´ UTR ohne SD-Sequenz wurde in H. salinarum effizient translatiert. In einer Studie an H. volcanii konnte das Gleiche für verschiedene 5´ UTRs ohne SD-Sequenz in Verbindung mit einem Reportergen gezeigt werden (Brenneis et al., 2007). An diesen Transkripten kann die Translation also nicht über den „bakteriellen“ Mechansimus durch Basenpaarung mit dem 3´-Ende der 16S rRNA initiiert werden. Im weiteren Verlauf der Arbeit wurde untersucht, ob es sich bei dem Mechanismus der Translationsinitiation an Transkripten mit 5´-UTR ohne SD-Sequenz um einen Scanning-Mechanismus wie bei Eukaryonten oder um einen neuen Mechanismus handelt. Für die Experimente wurde das zuvor erwähnte Reportergensystem aus H. volcanii verwendet. Neben AUG wurden GUG und UUG effizient als Startkodons an einem Transkript mit 5´-UTR genutzt, wohingegen AUG das einzige funktionierende Startkodon bei einem Transkript ohne 5´-UTR war. Verschiedene Deletionsversionen der 20 Nukleotide langen 5´-UTR wurden im Gegensatz zur kompletten 5´-UTR nur sehr ineffizient translatiert. Das Einfügen zusätzlicher AUGs stromaufwärts des natürlichen Startkodons hatte keinen Einfluss auf die Translationseffizienz am internen AUG. Ein zusätzliches AUG am 5´-Ende im gleichen Leseraster des natürlichen AUGs führte zur gleichzeitigen Nutzung beider Startkodons auf derselben mRNA. Eine stabile Haarnadelstruktur am 5´-Ende inhibierte die Translation nur am ersten AUG und hatte keinen Einfluss auf die Translationseffizienz am internen AUG. Zusammenfassend konnte durch die erhaltenen Ergebnisse ausgeschlossen werden, dass der Mechanismus der Translationsinitiation an Transkripten mit 5´-UTR ohne SD-Sequenz ein Scanning-Mechansimus wie bei Eukaryonten ist. Neben der Translationsinitiation an Transkripten ohne 5´-UTR und an Transkripten mit SD-Sequenz existiert also noch ein dritter, bis jetzt unbekannter Mechansimus zur Translationsinitiation in Haloarchaea. In initialen Versuchen zur genaueren Charakterisierung der drei verschiedenen Translationsinitiationsmechanismen, wurden Konstrukte hergestellt, bei denen alle drei verschiedenen Startkodons auf einer mRNA vorhanden sind. Es wurden erste Hinweise darauf gefunden, dass Stressbedingungen einen Einfluss auf die unterschiedlichen Initiationsmechansimen haben. Anders als erwartet führte die Mutation einer natürlichen SD-Sequenz nicht zu einer verminderten Translationseffizienz am entsprechenden Startkodon. Die Bestimmung des 5´-Endes eines Transkripts mit in silico vorhergesagter SD-Sequenz offenbarte, dass das Transkript keine 5´-UTR und somit auch keine SD-Sequenz besaß. Beide Ergebnisse machen deutlich, dass SD-Sequenzen eine noch viel geringere Rolle bei der haloarchaealen Translationsinitiation spielen, als anhand der Sequenz und UTR Analysen angenommen werden konnte.
Im Rahmen dieser Diplomarbeit konnte das Plasmid pB6 isoliert werden, das die MNNG-Hyperresistenz einer rng1-1-Mutante komplementierte. Das komplementierende Gen dieses Plasmids konnte jedoch weder über 17 Subklone noch über Komplementationsanalysen identifiziert werden. Die Sensibilität gegen „Congo red“ konnte als ein weiterer Phänotyp des Stammes Q2rng1 bestimmt werden. Es wurden im Zuge der Subklonierung des Plasmids pB6 pRS424-Derivate gefunden, die unabhängig vom genetischen Hintergrund des transformierten Stammes, heterogenes Wachstum verursachten. Zurückzuführen war dies auf die Überexpression des ORFs YLR112w alleine oder gemeinsam mit dem ORF YLR111w. Neben der bereits beschriebenen MNNG-Hyperresistenz durch die Überexpression von SNG1 in Wildtypen, GSH-Mutanten und Reparaturdefizienten Stämmen, konnte auch in dem bereits gegen MNNG hyperresistenten Stamm Q2rng1 eine Steigerung der Resistenz durch SNG1 gezeigt werden. Des weiteren wurden Anzeichen gefunden, dass die MethioninAuxotrophie des Stammes Q3 auf die Disruption des GSH1-Gens zurückzuführen war. Zudem konnte nachgewiesen werden, dass die funktionierende GSH-Synthese letal auf eine ero1-Delta-Mutante wirkte. Als Auslöser für die Cadmium-Sensibilität der Stämme Q3 und Q4 konnten die bekannten Mutationen dieser Stämme im GSH1- und im LWG1-Gen ausgeschlossen werden.
A promising strategy to reduce the dependency from fossil fuels is to use the yeast Saccharomyces cerevisiae to bioconvert renewable non-food feedstocks or waste streams, like lignocellulosic biomass, into bioethanol and other valuable molecule blocks. Lignocellulosic feedstocks contain glucose and significant fractions of the pentoses xylose and arabinose in varying proportions depending on the biomass type. S. cerevisiae is an efficient glucose consumer, but it cannot metabolize xylose and arabinose naturally. Therefore, extensive research using recombinant DNA techniques has been conducted to introduce and improve the biochemical pathways necessary to utilize these non-physiological substrates. However, any functional pathway capable of metabolizing D xylose and L arabinose in S. cerevisiae requires the transport of these sugars across the plasma membrane. The endogenous sugar transport system of S. cerevisiae can conduct a limited uptake of D-xylose and L-arabinose; this uptake enables only basal growth when the enzymatic pathways are provided. For this reason, the uptake of D xylose and L-arabinose has been recognized as a limiting step for the efficient utilization of these non-physiological substrates.
Gal2, a member of the major facilitator superfamily, is one of the most studied hexose transporters in S. cerevisiae. Although its expression is repressed in the presence of glucose, it also transports this sugar with high affinity when constitutively expressed. Recent efforts to engineer yeast strains for the utilization of plant biomass have unraveled the ability of Gal2 to transport non-physiological substrates like xylose and arabinose, among others. Improving Gal2 kinetic and substrate specificity, particularly for pentoses, has become a crucial target in strain engineering. The main goal of this study is to improve the utilization of xylose and arabinose by increasing the cell permeability of these non physiological substrates through the engineering of the galactose permease Gal2.
GAL2 gene expression depends on galactose, which acts as an inducer; nevertheless, even in the presence of galactose, glucose act as a strict repressor; consequently, GAL2 gene is usually placed under the control of a constitutive promoter. However, the presence of glucose additionally triggers the Gal2 degradation, which is mediated by the covalent attachment of the small 76 amino acid protein ubiquitin (Ub) to the targeted transporter; in a multi-step process called ubiquitination.
Ubiquitination of hexose permeases involves the activation of the Ub molecule by the E1 Ub-activating enzyme using ATP; then, the activated Ub is transferred to a specific Ub-conjugating enzyme E2, which donates the Ub indirectly through a specific HECT E3 enzyme (Rsp5) to a lysine residue of the substrate, with the aid of an adaptor protein which recognizes the target (Rsp5-adaptor). Ubiquitinated permeases are sent by membrane invagination to early endosomes, where they encounter ESCRTs (endosomal sorting complex required for transport). The targeted permeases are sorted in intralumenal vesicles (ILV) inside of the endosome, which after several cycles, turns into a multivesicular body (MVB) that subsequently fuses with the vacuole to expose the protein content of the ILVs to lumenal hydrolases for degradation.
Gal2 contains 30 lysine residues that may accept the ubiquitin molecule, which targets its degradation. It is known that mono-ubiquitination by Rsp5 on multiple lysine residues is necessary to internalize Gal2 (Horak & Wolf, 2001). However, the authors did not identify the specific lysine residues involved in the ubiquitination processes. This study screened several Gal2 variants where lysine residues were mutated or removed from the protein sequence to discover which lysine residues are likely involved in ubiquitination and consequent turnover of the transporter. The results of the screening showed that mutation of the N terminal lysine residues 27, 37, and 44 to arginine (Gal23KR) produced a functional transporter that, when fused with GFP (Gal23KR_GFP), showed an exclusive localization at the plasma membrane in cells growing in galactose or glucose as a sole carbon source (Tamayo Rojas et al., 2021b).
This study furthermore evaluated upstream signals caused by phosphorylation which triggers ubiquitination and consequent turnover of the targeted protein; using similar screening approaches to assess the stabilization of Gal2 by lysine residue modifications, it was possible to identify that N terminal serine residues 32, 35, 39, 48, 53, and 55 are likely involved in the internalization of Gal2, since a Gal2 construct where all these serines were mutated to alanine residues and tagged with GFP (Gal26SA_GFP) exhibited practically complete localization at the plasma membrane in cells growing in galactose or glucose as a sole carbon source (Tamayo Rojas et al., 2021b)...
In Europe, the sugar refinery is largely based on sugar beets. This route for obtaining household sugar results in a large amount of biomass waste, consisting mainly of the insoluble beet resi-dues, e.g., cell wall fragments. To a vast moiety this debris consists of the polymer pectin (up to 20% in the dry total solids). The structure of pectin is based on a backbone of D-galacturonic acid units (GalA), but also contains various other sugar monomers, predominantly L-arabinose, D-galactose, L-rhamnose and D-xylose. The amount of GalA adds up to a moiety of up to 70% with-in this sugar cocktail. So far, this debris is only fed to cattle or simply burnt. In nature, pectin is a common substrate for various organisms. The degradation of pectin-rich biomass is often per-formed by filamentous fungi like Hypocrea jecorina (also known as Trichoderma reesei) and As-pergillus niger, which evolved pectinases to degrade the pectin backbone and pathways to con-sume the monomer GalA as a sole carbon source. The fungal catabolism of pectin residues starts with the reduction of GalA to L-galactonate (GalOA) by a GalA-reductase. Even though filamen-tous fungi are native hosts of the GalA-catabolism and certain engineering approaches have al-ready been demonstrated, this class of organisms remains challenging with regard to bioreactor cultivation and tedious genetic accessibility. In contrast, the yeast S. cerevisiae is well known in fermentation processes and easily modified by a versatile set of genetic tools. So far, first ap-proaches have already been conducted to transfer the GalA utilization pathways into S. cerevisiae, but these approaches indicated limitations regarding GalA-uptake and redox cofac-tor replenishment due to the relatively high oxidative state of GalA compared to other sugars like glucose and galactose. Furthermore, the generally strongly increased demand for redox co-factors must be met by GalA reduction by finding new cofactor sources or redirecting reactions of the core metabolism.
This work aimed at the production of GalOA, which is the first intermediate of the fungal GalA catabolism. This compound shows an interesting range of potential applications, for instance as a food and cosmetic additive. To overcome the oxidized character of GalA, the presence of a more reduced co-substrate as a redox donor and as a carbon and energy source was required. To further enhance the reduction of GalA, modulation of the redox-cofactor supply and enzyme engineering were performed.
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.