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Die oxygene Photosynthese bildet den Grundpfeiler des heutigen Ökosystems unseres Planeten. Neben den gut untersuchten Landpflanzen bilden Mikroalgen eine äußerst bedeutende Organismengruppe der phototrophen Lebewesen. Zu den Mikroalgen zählen die Diatomeen, welche sich beispielsweise durch eine Silikatschale und spezielle Lichtsammelkomplexe auszeichnen und für einen Großteil der marinen Primärproduktion verantwortlich sind. Die stoffwechselphysiologischen Grundlagen des ökologischen Erfolgs der Kieselalgen sind bislang noch unzureichend erforscht. Ein Vertreter der zentrischen Diatomeen, Cyclotella, wurde bereits zur Jahrtausendwende zur biochemischen Charakterisierung der Diatomeen Photosynthese verwendet (Eppard und Rhiel, 1998; Eppard und Rhiel, 2000), das Genom des Organismus aber erst vor kurzem sequenziert (Traller et al., 2016). Die Sequenzierung des Genoms konnte einige Gene für Lichtsammelproteine identifizieren, die Homologie zu den LhcSR-Proteinen aus C. reinhardtii aufweisen, welche nachweislich eine photoprotektive Funktion besitzen (Peers et al., 2009). Diese sogenannten Lhcx-Proteine der Diatomeen sind in den zwei Gruppen der Kieselalgen, den zentrischen und pennaten Diatomeen zu finden, unterscheiden sich aber in ihren jeweiligen Lhcx-Kandidaten. So können in der pennaten Diatomee P. tricornutum vier lhcx-Gene ausgemacht werden, während die zentrische Kieselalge T. pseudonana sechs lhcx-Gene besitzt und C. cryptica vier verschiedene lhcx-Kandidaten genomisch aufweist (Armbrust et al., 2004; Bowler et al., 2008; Traller et al., 2016). Die beschriebenen Diatomeen weisen alle eine Homologie im Lhcx1 auf, während sich die übrigen Lhcx-Kandidaten zwischen pennaten und zentrischen Diatomeen unterscheiden. Ein zwischen T. pseudonana und C. cryptica konserviertes Lhcx ist das Lhcx6_1, welches 2011 das erste Mal massenspektrometrisch an Photosystemen von T. pseudonana nachgewiesen wurde (Grouneva et al., 2011) und in weiteren Massenspektrometrie-gestützten Untersuchungen in beiden zentrischen Diatomeen an Photosynthese-Komplexen gefunden werden konnte (Gundermann et al., 2019; Calvaruso et al., 2020). Die Funktion des Lhcx6_1 ist bislang unklar. Diese Arbeit konnte das Lhcx6_1 aus C. meneghiniana charakterisieren und Antikörper-gestützt genauer lokalisieren, eine nicht dynamische Phosphorylierung der Thylakoidmembran-Proteine der zentrischen Diatomee nachweisen und die molekularbiologische Zugänglichkeit des Organismus optimieren. qRT-PCR gestützte Expressions-Analysen konnten eine unerwartete Expression des lhcx6_1-Gens aufdecken. Dieses weist, im Vergleich zum Lhcx1, keine Starklicht induzierte Expression auf. Die Expression des Gens konnte nach wenigen Stunden Schwachlicht als maximal bestimmt werden, während sie im Starklicht abnimmt. Das Muster der Genexpression glich im Schwachlicht eher der des lhcf1-Gens. Die Sequenzierung des lhcx6_1 aus C. meneghiniana identifizierte eine verlängerte N-terminale Sequenz des Proteins, welche Homologie zu den minoren Antennen aus A. thaliana besitzt und Teil des reifen Proteins ist. Mittels eines C-terminalen Epitops wurde ein Antikörper gegen das Lhcx6_1 entworfen, welcher das Protein in C. meneghiniana spezifisch nachweisen kann. Die Isolation von Thylakoidmembranen der zentrischen Diatomee und weitergehende Aufreinigung mittels Saccharosedichtegradienten und lpBN-PAGE konnten die Lokalisation des Lhcx6_1 eingrenzen. Das Protein zeigt dabei keine Unterschiede in seiner Lokalisation nach Inkubation in Schwach-, Stark- und Fernrot-Licht und ist vorrangig mit Photosystem I assoziiert. In geringerer Menge konnte es zudem an Photosystem II nachgewiesen werden, während der immunologische Nachweis in Lichtsammelkomplexen (FCPs) minimale Mengen erbrachte. Ferner konnte eine Phosphorylierung des Lhcx6_1 an Threonin-Resten nachgewiesen werden, während die meisten anderen Thylakoidmembran-Proteine mittels Phospho-Serin Antikörper detektiert werden konnten. Weder die Phosphorylierung des Lhcx6_1, noch der anderen Thylakoidmembran-Proteine, zeigt eine dynamische Regulation, im Stile einer state-transition ähnlichen Kinase auf. Die Qualität des Umgebungslichts führte zu keinerlei Unterschieden in Phosphorylierungsmustern. Weiterführende Untersuchungen der Lhcx6_1-Phosphorylierung mittels Phos-tag PAGE identifizieren eine unphosphorylierte und eine einfach phosphorylierte Form des Proteins. Dabei kann an PSI ausschließlich die phosphorylierte Version des Lhcx6_1 gefunden werden. Im Zuge der Arbeit konnte zudem erstmalig die Elektroporation und Konjugation für C. meneghiniana als Transformations-Methoden etabliert werden, während das Protokoll für die biolistische Transformation optimiert wurde. Die Elektroporation erbrachte die höchste Transformationseffizienz. Molekularbiologische Unterfangen eines Lhcx6_1-Knockdowns mittels Antisense-RNA erzielten zunächst, aufgrund der starken Gegenregulation der Diatomee, keinen Erfolg...

Zika virus (ZIKV) is a member of the Flaviviridae family that received public attention and scientific interest after the outbreak in French Polynesia (2013-2014) and the epidemic in the Americas (2015-2016). Even though only 20% of infected people exhibit clinical manifestations and they are predominantly flu-like symptoms, these events unveiled neurological complications associated with ZIKV infection, such as the Guillain-Barré syndrome in adults and microcephaly in newborns. Lacking a preventive vaccine and a specific antiviral therapy against ZIKV allied to the fact that this pathogen is a re-emerging virus, uncovering and comprehending novel virus-host interactions is crucial to the identification of new antiviral targets and the development of innovative antiviral approaches. Previous research work uncovered that the Chinese hamster ovary (CHO) cells do not support ZIKV infection.459 As this cell line does not express endogenous epidermal growth factor receptor (EGFR), this study aimed to investigate whether EGFR and EGFR-dependent signaling are relevant for the ZIKV life cycle in vitro. In the first part of the study, viral infection was investigated in CHO cells and compared to A549 cells, a highly ZIKV permissive cell line. After performing binding and entry assays, ZIKV entry, but not the attachment, was significantly decreased in CHO cells in comparison to A549 cells. Additionally, in A549-EGFR KO cells, ZIKV entry was diminished relatively to the off-target control. These results show the clear impact that the absence of EGFR has on viral entry, implicating EGFR during this process. Even though EGFR overexpression in CHO cells could not render these cells permissive to ZIKV infection, as demonstrated by the lack of viral infection after electroporation with in vitro transcribed capped ZIKV-Renilla luciferase RNA, it was possible to rescue ZIKV entry. These findings suggest that there are additional elements, which are not expressed in CHO cells, required for viral replication. Furthermore, the impact of ZIKV infection on EGFR mRNA and protein levels as well as on the EGFR subcellular localization and distribution was evaluated. The relative number of EGFR specific transcripts continuously increased with ZIKV infection, whereas the EGFR protein level diminished at later times of infection. Moreover, changes in the subcellular localization of EGFR and its colocalization with the early endosomal marker EEA1 in ZIKV-infected cells revealed that ZIKV triggers EGFR internalization. The relevance of EGFR in the ZIKV entry process was further corroborated by the observation of EGFR internalization at 30 min post-infection (mpi) and to less extent at 60 mpi, which concurs with the expected time of ZIKV entry into the host cells. In the remaining part of the study, the influence of ZIKV infection in EGFR-dependent signaling as well as the contribution of EGFR and EGFR signaling for viral infection were studied. Activation of EGFR and the MAPK/ERK signaling cascade was detected as early as 5 mpi and ceased within 30 mpi in ZIKV-infected cells. Taking into account that EGFR internalization was observed at 30 mpi in infected cells, the activation of EGFR and ERK and subsequent dephosphorylation within this period go along with this previous observation. Vice-versa, inhibition of the activation of EGFR and the MAPK/ERK pathway declines ZIKV infection. On the one hand, inhibition of EGFR activation by Erlotinib affected ZIKV entry, as a consequence of impaired EGFR internalization. On the other hand, Raf and MEK inhibitors reduced ZIKV infection without disturbing viral replication or viral entry. These data suggest that the activation of the MAPK/ERK signaling cascade is necessary for a step of the viral life cycle before the onset of genome replication and morphogenesis and after viral entry. The importance of EGFR signaling was additionally investigated by the determination of EGFR half-life in ZIKV-infected cells upon EGF stimulation. While the EGFR half-life was similar in uninfected and Uganda-infected cells, a delay in EGFR degradation was observed in French Polynesia-infected cells. This observation might indicate an extended usurpation of the EGFR signaling since EGFR seems to still be active in the endosomes. Moreover, disruption of lipid rafts by MβCD, a cholesterol-depleting agent, hampered ZIKV entry. In uninfected cells, MβCD treatment led to the activation of EGFR, but at the same time prevented EGFR internalization, indicating that EGFR activation exclusively is not sufficient for an efficient ZIKV entry and further supporting the importance of EGFR internalization during the ZIKV entry process. Taken together, this study uncovers EGFR as a relevant host factor in the early stages of ZIKV infection, providing novel insights into the ZIKV entry process. Since numerous monoclonal antibodies and substances that target EGFR are licensed, repurposing these compounds might be a helpful tool for the establishment of an antiviral therapy in case of ZIKV re-emergence.

Chemical pollution is one of the main contributors to the degradation of lotic ecosystems and their biodiversity. Among chemicals driving lotic biodiversity decline are anthropogenic organic micropollutants (AOM), which affect the survival and functioning of freshwater organisms. Continuous exposure of freshwater organisms to AOM leads to adverse effects that sometimes cannot be traced with standard toxicity methods such as standard toxicity testing or biodiversity indices. Among these effects of AOM are selective or mutagenic effects that cause impaired species genetic diversity. Thus, the correlation between different levels of AOM and genetic diversity of species is still poorly understood. However, it can be explored by applying population genetics screening. In Chapter 1 of this thesis, background information on environmental pollution, genetic screening, and the detection of evolutionary-relevant AOM effects in freshwater organisms are described and the thesis goals are identified. The main goal of the thesis is to study whether AOM exposure occurring in European rivers causes a significant evolutionary footprint in freshwater species and leads to a selection of more tolerant geno-and phenotypes. Therefore, population genetics indices together with high-resolution chemical exposure screening of a widespread indicator invertebrate species, Gammarus pulex (Linnaeus, 1758), living in polluted and pristine European rivers were investigated. In Chapter 2, the development of a genetic screening method for G. pulex (microsatellites) is described. Due to genetic differentiation and the presence of morphologically cryptic lineages, the available sets of target loci do not enable a reliable population genetic characterization of G. pulex from central Germany. Thus, a novel set of microsatellite loci for a high-precision assessment of population genetic diversity was here applied. Eleven loci were first identified and thereafter amplified in G. pulex from three rivers. The new loci reliably amplified and indicated polymorphisms in the studied amphipods. The amplification resulted in the successful identification of genetically distinct populations of G. pulex from the analyzed rivers. Moreover, the microsatellite loci were amplified in other genetic lineages of G. pulex and another Gammarus species, G. fossarum, promising a broader applicability of the loci in related amphipod species. In Chapter 3, the effects of AOM on species genetic differentiation and sensitivity to toxic chemicals in a typical central European river with pristine and AOM-polluted sections was investigated. The river’s site-specific concentrations of AOM were assessed by chemical analysis of G. pulex tissue and water samples. To test, whether different levels of AOM in the river select for pollution-dependent genotypes, the genetic structure of G. pulex from the river was analyzed. Finally, the toxicokinetics of and sensitivity to the commonly used insecticide imidacloprid were determined for amphipods sampled at pristine and polluted sections to assess whether various levels of AOM in the river influence sensitivity of G. pulex to imidacloprid. The results indicated that different levels of AOM did not drive genetic divergence of G. pulex within the river but led to an increased sensitivity of exposed amphipods to imidacloprid. The amphipods living in polluted river sections were more sensitive to the insecticide due to chronic exposure to toxic levels of AOM. In Chapter 4, the relationship between site-specific pollution levels of AOM and genetic diversity parameters of G. pulex was analyzed at the regional scale within six rivers in central Germany. The genetic structure of G. pulex in the studied area was tested for relatedness to the waterway distance between sites. Gammarus pulex genetic diversity parameters, including allelic richness and inbreeding rate, were tested against environmental pollution parameters using linear mixed-effect- and structural-equation models. According to the results, G. pulex genetic diversity parameters were significantly associated with the detected AOM levels. At sites with high concentrations of AOM and toxicity potential G. pulex showed reduced genetic diversity and increased rates of inbreeding. These results suggest that AOM play a major role in shaping the genetic diversity of G. pulex in rivers. According to the findings presented here, the applied microsatellites can be used to successfully detect changes in genetic patterns in freshwater amphipods facing increased levels of AOM. The findings indicate that levels of AOM representative for European rivers do not lead to the separation of genotypes among G. pulex as the connectivity between sites majorly contributes to species’ genetic structure. However, the chronic exposure to increased levels of toxic AOM leads to a reduction of species genetic diversity and increases the sensitivity of G. pulex to the toxic chemical effects.

Non-ribosomal peptide synthetases (NRPSs) are modular biosynthetic megaenzymes producing many important natural products and refer to a specific set of peptides in bacteria’s and fungi’s secondary metabolism. With the actual purpose of providing advantages within their respective ecological niche, the bioactivity of the structurally highly diverse products ranges from, e.g., antibiotic (e.g., vancomycin) to immunosuppressive (e.g., cyclosporin A) to cytostatic (e.g., echinomycin or thiocoralin) activity. An NRPS module consists of at least three core domains that are essential for the incorporation of specific substrates with the 'multiple carrier thiotemplate mechanism' into a growing peptide chain: an adenylation (A) domain selects and activates a cognate amino acid; a thiolation (T) domain shuffles the activated amino acid and the growing peptide chain, which are attached at its post-translationally 4ʹ-phosphopantetheine (4'-PPant) group, between the active sites; a condensation (C) domain links the upstream and downstream substrates. NRPS synthesis is finished with the transfer of the assembled peptide to the C-terminal chain-terminating domain. Accordingly, the intermediate is either released by hydrolysis as a linear peptide chain or by an intramolecular nucleophilic attack as a cyclic peptide. The NRPS’s modular character seems to imply straightforward engineering to take advantage of their features but appears to be more challenging. Since the pioneering NRPS engineering approaches focused on the reprogramming and replacement of A domains, several working groups developed advanced methods to perform a complete replacement of subdomains or single or multiple catalytic domains. The first part of this work focusses parts of the publication with the title 'De novo design and engineering of non-ribosomal peptide synthetases', which follows up assembly line engineering with the development of a new guideline. Thereby, the pseudodimeric V-shaped structure of the C domain is exploited to separate the N-terminal (CDSub) and C-terminal (CASub) subdomains alongside a four-AA-long linker. This results in the creation of self-contained, catalytically active CASub-A-T-CDSub (XUC) building blocks. As an advantage over the previous XU concept, the characteristics (substrate- and stereoselectivity) assigned to the C domain subunits are likewise exchanged, and thus, no longer represent a barrier. Furthermore, with the XUC concept, no important interdomain interfaces are disrupted during the catalytic cycle of NRPS, allow to expect much higher production titers. Moreover, the XUC concept shows a more flexible application within its genus origin of building blocks to create peptide libraries. Additionally, with this concept only 80 different XUC building blocks are needed to cover the entire proteinogenic amino acid spectrum. The second part of this work addresses the influence of the C domain on activity and specificity of A domains. In a comprehensive analysis, a clear influence of different C domains on the in vitro activation rate and the in vivo substrate spectrum could be observed. Further in situ and in silico characterizations indicate that these influences are neither the result of the respective A domains promiscuity nor the C domain’s proofreading, but due to an 'extended gatekeeping' function of the C domain. This novel term of an 'extended gatekeeping' function describes the very nature of interfaces that C domains can form with an A domain of interest. Therefore, the C-A interface is assumed to have a more significant contribution to a selectivity filter function. The third part of this work combines the NRPS engineering with phylogenetic/evolutionary perspectives. At first, the C-A interface could be precisely defined and further identified to encode equivalent information corresponding to the complete C-A didomain. Moreover, the comparison of NRPSs topology reveals hints for a co-evolutionary relatedness of the C-A didomain and could be shown to reassemble even after separation. In this regard, based on a designed CAopt.py algorithm, the reassembling-compatibility of hybrid interfaces could be determined by scoring of the co-expressed NRPS hybrids. This algorithm also enables the randomization of the interface sequences, thus, leading to the identification of more functional interface variant, which cause significantly higher peptide production and could even be applied to other native and hybrid interfaces.

Die Vorläuferform der eukaryotischen mRNA (prä-mRNA) durchläuft, eine Reihe von Prozessierungs-Schritte, die schließlich zu der Synthese einer „reifen“ und Exportkompetenten mRNA führt. prä-mRNA Spleißen ist ein essentieller Teilschritt dieser Reifung bei der intragene Sequenzen, sogenannte Introns, von der prä-mRNA entfernt werden, während Exons legiert werden. Das prä-mRNA Spleißen wird durch das Spleißosom katalysiert. Dieser Mega-Dalton Komplex, besteht aus fünf Sub-Komplexen, die sich wiederum aus katalytisch aktiven „kleinen nukleären Ribonukleinsäuren“ (snRNAs) und einer Vielzahl von proteinogenen Faktoren zusammensetzen. Diese Subkomplexe, bezeichnet als snRNPs (small nuclear Ribonucleoprotein Particles), binden die prä-mRNA an charakteristischen Sequenzen und richten die prä-mRNA durch eine Reihe von Konformations-Änderungen so aus, dass benachbarte Exons in Kontakt treten und über eine biochemische Ligations-Reaktion verbunden werden können. Die Exon- bzw Intronerkennung der snRNPs wird durch zahlreiche Spleißfaktoren reguliert. Eine Proteinfamilie, die essentiell für die Regulierung des Spleißens ist, sind Serin/Arginin-reiche Proteine (SR-Proteine). Diese binden vorzugsweise an das 3‘ oder 5’ Ende von Exons, rekrutieren snRNPs und stimulieren dadurch die Exon-Inklusion. Durch diese Stimulierung können Spleiß-Events reguliert und gezielt spezifische Exons ausgeschlossen oder eingeschlossen werden. Dieser Prozess, der als alternatives Spleißen (AS) bezeichnet wird, tritt in 95% des menschlichen Transkriptoms auf und erweitert die Diversität eines Organismus, da verschiedene Transkripte von demselben Gen erzeugt werden können und folglich die Translation unterschiedlicher Proteine mit distinkten Funktionen ermöglicht wird. Darüber hinaus verfügt die Zelle durch das AS über eine weitere posttranskriptionale Genregulationsebene, die insbesondere unter zellulären Stressbedingungen zur Expression von alternativen Protein-Isoformen von der Zelle genutzt wird. Eine in medizinischer Hinsicht besonders relevante Stressbedingung ist die sogenannte Hypoxie, die eine Sauerstoff-Unterversorgung von Zellen oder Gewebebereichen beschreibt. Hypoxie bzw. hypoxische Bereiche finden sich in Krebszellen und treten in 90% aller soliden Tumoren auf. Als Teil der Hypoxie Stress-Antwort, verfügt die Zelle über einen Adaptations-Mechanismus, der durch Hypoxieinduzierbare Faktoren (HIF) vermittelt wird. Diese Faktoren induzieren die Transkription zahlreicher Gene und stimulieren die Expression von Stressfaktoren, die an der zellulären Adaption der Hypoxie beteiligt sind. Einer dieser Faktoren ist der vaskuläre endotheliale Wachstumsfaktor A (VEGFA), welcher unter hypoxischen Bedingungen sekretiert wird und dadurch die Proliferation von Endothelzellen, die Neubildung von Blutgefäßen und damit die Vaskularisation des hypoxischen Bereichs stimuliert. Die zelluläre Anpassung ist jedoch nicht nur auf die transkriptionelle Regulation des HIF-vermittelten Hypoxie Signalwegs beschränkt, sondern wird auf multiplen Genexpressions-Ebenen reguliert. Obwohl bekannt ist, dass tausende Transkripte unter hypoxischen Bedingungen alternativ gespleißt werden, sind die Faktoren, die die zelluläre Stress-Antwort durch AS regulieren, sowie deren molekularer Mechanismus jedoch weitestgehend unbekannt. Diese Arbeit umfasst die Identifizierung und Charakterisierung von AS Events, sowie den Einfluss und die Regulation von Spleißfaktoren auf AS unter hypoxischen Bedingungen. Hierzu führten wir globale Genexpressions- und AS-Analysen in HeLaKarzinomzelllinien unter Normoxie (21% O2) und Hypoxie (0.2% O2) durch und zeigen, dass 7962 Gene nach 24h Hypoxie unterschiedlich exprimiert werden. Über AS-Analysen konnten 4434 Transkripte identifiziert werden, die bei Hypoxie über AS reguliert sind. Dabei trat „Exon-Skipping“ als das am häufigsten auftretende AS-Events auf. Über PCR basierte Validierungs-Experimente konnten 5 regulierte Transkripte nachgewiesen werden. Dabei weisen Exon 3 und 4 in BORA, Exon 6 in MDM4 und Exon 4-5 in CSSP1 Exon-Skipping Events auf, während Exon-Inklusionen in CEP192 Exon 28 und in der 3’UTR von EIF4A2 validiert werden konnten. Darüber hinaus wurde im Rahmen der AS-Analyse die Regulation des sogenannten „backsplicings“ bei Hypoxie untersucht. Im Gegensatz zum linearen Spleißens, wird beim backsplicing das 5’Ende und das 3’Ende von Exons verbunden, was die Bildung von sogenannten zirkulären RNAs (circRNAs) zufolge hat. Obwohl nur wenige Funktionen dieser RNA-Klasse bekannt sind, wurde die Regulation von circRNAs während der Zell-Differenzierung sowie in diversen Krebszellen beschrieben. Dabei können circRNAs als microRNA- oder Protein-Schwämme fungieren oder dienen als Protein-Interaktion Plattform und regulieren dabei die Genexpression.