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Mitochondria and chloroplasts are of endosymbiotic origin. Their integration into cells entailed the development of protein translocons, partially by recycling bacterial proteins. We demonstrate the evolutionary conservation of the translocon component Tic22 between cyanobacteria and chloroplasts. Tic22 in Anabaena sp. PCC 7120 is essential. The protein is localized in the thylakoids and in the periplasm and can be functionally replaced by a plant orthologue. Tic22 physically interacts with the outer envelope biogenesis factor Omp85 in vitro and in vivo, the latter exemplified by immunoprecipitation after chemical cross-linking. The physical interaction together with the phenotype of a tic22 mutant comparable with the one of the omp85 mutant indicates a concerted function of both proteins. The three-dimensional structure allows the definition of conserved hydrophobic pockets comparable with those of ClpS or BamB. The results presented suggest a function of Tic22 in outer membrane biogenesis.
Background: Although Tic22 is involved in protein import into chloroplasts, the function in cyanobacteria is unknown.
Results: Cyanobacterial Tic22 is required for OM biogenesis, shares structural features with chaperones, and can be substituted by plant Tic22.
Conclusion: Tic22, involved in outer membrane biogenesis, is functionally conserved in cyanobacteria and plants.
Significance: The findings are important for the understanding of periplasmic protein transport.
Lantibiotics are peptide-derived antibiotics that inhibit the growth of Gram-positive bacteria via interactions with lipid II and lipid II-dependent pore formation in the bacterial membrane. Due to their general mode of action the Gram-positive producer strains need to express immunity proteins (LanI proteins) for protection against their own lantibiotics. Little is known about the immunity mechanism protecting the producer strain against its own lantibiotic on the molecular level. So far, no structures have been reported for any LanI protein. We solved the structure of SpaI, a LanI protein from the subtilin producing strain Bacillus subtilis ATCC 6633. SpaI is a 16.8-kDa lipoprotein that is attached to the outside of the cytoplasmic membrane via a covalent diacylglycerol anchor. SpaI together with the ABC transporter SpaFEG protects the B. subtilis membrane from subtilin insertion. The solution-NMR structure of a 15-kDa biologically active C-terminal fragment reveals a novel fold. We also demonstrate that the first 20 N-terminal amino acids not present in this C-terminal fragment are unstructured in solution and are required for interactions with lipid membranes. Additionally, growth tests reveal that these 20 N-terminal residues are important for the immunity mediated by SpaI but most likely are not part of a possible subtilin binding site. Our findings are the first step on the way of understanding the immunity mechanism of B. subtilis in particular and of other lantibiotic producing strains in general.
DNA translocators of natural transformation systems are complex systems critical for the uptake of free DNA and provide a powerful mechanism for adaptation to changing environmental conditions. In natural transformation machineries, outer membrane secretins are suggested to form a multimeric pore for the uptake of external DNA. Recently, we reported on a novel structure of the DNA translocator secretin complex, PilQ, in Thermus thermophilus HB27 comprising a stable cone and cup structure and six ring structures with a large central channel. Here, we report on structural and functional analyses of a set of N-terminal PilQ deletion derivatives in T. thermophilus HB27. We identified 136 N-terminal residues exhibiting an unusual ααβαββα fold as a ring-building domain. Deletion of this domain had a dramatic effect on twitching motility, adhesion, and piliation but did not abolish natural transformation. These findings provide clear evidence that the pilus structures of T. thermophilus are not essential for natural transformation. The truncated complex was not affected in inner and outer membrane association, indicating that the 136 N-terminal residues are not essential for membrane targeting. Analyses of complex formation of the truncated PilQ monomers revealed that the region downstream of residue 136 is required for multimerization, and the region downstream of residue 207 is essential for monomer stability. Possible implications of our findings for the mechanism of DNA uptake are discussed.
Membrane-embedded β-barrel proteins are found in the outer membranes (OM) of Gram-negative bacteria, mitochondria and chloroplasts. In eukaryotic cells, precursors of these proteins are synthesized in the cytosol and have to be sorted to their corresponding organelle. Currently, the signal that ensures their specific targeting to either mitochondria or chloroplasts is ill-defined. To address this issue, we studied targeting of the chloroplast β-barrel proteins Oep37 and Oep24. We found that both proteins can be integrated in vitro into isolated plant mitochondria. Furthermore, upon their expression in yeast cells Oep37 and Oep24 were exclusively located in the mitochondrial OM. Oep37 partially complemented the growth phenotype of yeast cells lacking Porin, the general metabolite transporter of this membrane. Similarly to mitochondrial β-barrel proteins, Oep37 and Oep24 expressed in yeast cells were assembled into the mitochondrial OM in a pathway dependent on the TOM and TOB complexes. Taken together, this study demonstrates that the central mitochondrial components that mediate the import of yeast β-barrel proteins can deal with precursors of chloroplast β-barrel proteins. This implies that the mitochondrial import machinery does not recognize signals that are unique to mitochondrial β-barrel proteins. Our results further suggest that dedicated targeting factors had to evolve in plant cells to prevent mis-sorting of chloroplast β-barrel proteins to mitochondria.
The role of TolC has largely been explored in proteobacteria, where it functions as a metabolite and protein exporter. In contrast, little research has been carried out on the function of cyanobacterial homologues, and as a consequence, not much is known about the mechanism of cyanobacterial antibiotic uptake and metabolite secretion in general. It has been suggested that the TolC-like homologue of the filamentous, heterocyst-forming cyanobacterium Anabaena sp. PCC 7120, termed heterocyst glycolipid deposition protein D (HgdD), is involved in both protein and lipid secretion. To describe its function in secondary metabolite secretion, we established a system to measure the uptake of antibiotics based on the fluorescent molecule ethidium bromide. We analyzed the rate of porin-dependent metabolite uptake and confirmed the functional relation between detoxification and the action of HgdD. Moreover, we identified two major facilitator superfamily proteins that are involved in this process. It appears that anaOmp85 (Alr2269) is not required for insertion or assembly of HgdD, because an alr2269 mutant does not exhibit a phenotype similar to the hgdD mutant. Thus, we could assign components of the metabolite efflux system and describe parameters of detoxification by Anabaena sp. PCC 7120.
The Wood-Ljungdahl pathway of anaerobic CO(2) fixation with hydrogen as reductant is considered a candidate for the first life-sustaining pathway on earth because it combines carbon dioxide fixation with the synthesis of ATP via a chemiosmotic mechanism. The acetogenic bacterium Acetobacterium woodii uses an ancient version of the pathway that has only one site to generate the electrochemical ion potential used to drive ATP synthesis, the ferredoxin-fueled, sodium-motive Rnf complex. However, hydrogen-based ferredoxin reduction is endergonic, and how the steep energy barrier is overcome has been an enigma for a long time. We have purified a multimeric [FeFe]-hydrogenase from A. woodii containing four subunits (HydABCD) which is predicted to have one [H]-cluster, three [2Fe2S]-, and six [4Fe4S]-clusters consistent with the experimental determination of 32 mol of Fe and 30 mol of acid-labile sulfur. The enzyme indeed catalyzed hydrogen-based ferredoxin reduction, but required NAD(+) for this reaction. NAD(+) was also reduced but only in the presence of ferredoxin. NAD(+) and ferredoxin reduction both required flavin. Spectroscopic analyses revealed that NAD(+) and ferredoxin reduction are strictly coupled and that they are reduced in a 1:1 stoichiometry. Apparently, the multimeric hydrogenase of A. woodii is a soluble energy-converting hydrogenase that uses electron bifurcation to drive the endergonic ferredoxin reduction by coupling it to the exergonic NAD(+) reduction.
The lipidome of the marine hyperthermophilic archaeon Pyrococcus furiosus was studied by means of combined thin-layer chromatography and MALDI-TOF/MS analyses of the total lipid extract. 80–90% of the major polar lipids were represented by archaeol lipids (diethers) and the remaining part by caldarchaeol lipids (tetraethers). The direct analysis of lipids on chromatography plate showed the presence of the diphytanylglycerol analogues of phosphatidylinositol and phosphatidylglycerol, the N-acetylglucosamine-diphytanylglycerol phosphate plus some caldarchaeol lipids different from those previously described. In addition, evidence for the presence of the dimeric ether lipid cardiolipin is reported, suggesting that cardiolipins are ubiquitous in archaea.
Reporting on the first locality in Bocas del Toro province of extreme western Panama, we extend the known geographic distribution of the lizard Leposoma rugiceps (Cope, 1869) about 275 km westwards from the nearest locality in Panamá province. We provide photos of Panamanian specimens, comment on their morphology, and map the distribution of this binational endemism.
We report on new localities for Anolis gruuo Köhler, Ponce, Sunyer and Batista, 2007 along the Serranía de Tabasará in the Comarca Ngöbe-Buglé and Veraguas province of western Panama. These records extend the known geographic distribution of this lizard about 80 km eastward, and the known vertical distribution approximately 40 m lower and 630 m higher. We provide photos of specimens from different localities and comment on their morphology. Only the easternmost populations of this Panamanian endemic live inside a protected area.
The canonical Wnt pathway, also known as Wnt/β-‐catenin pathway, comprises a network of proteins which control diverse developmental and adult processes in all metazoan organisms. The binding of canonical Wnt ligands to a cell surface receptor complex, consisting of frizzled family members and low density lipoprotein receptor-‐ related protein 5 or 6 co‐receptors, triggers a signaling cascade which results in a β-catenin-‐mediated transcriptional activation of different target genes, implicated in cellular proliferation, apoptosis, migration and differentiation. A couple of years ago, several groups including us, iden2fied transient activation of the canonical Wnt-pathway in endothelial cells (ECs) of the developing central nervous system (CNS). In this context, Wnt/β-‐catenin signaling could be demonstrated to be crucial for brain angio genesis as well as for the establishment of the blood-brain barrier (BBB) phenotype in the newly formed vessels.
Gliomas, in particular the glioblastoma (GBM), belong to the group of highly vascularized solid tumors which gain their vascularization due to an angiogenic switch occurring during tumor progression. Interestingly, nuclear localized β-‐catenin could be exclusively detected in the activated endothelium of induced rat gliomas and of human GBM, suggesting a so far unknown and not further characterized involvement of the canonical Wnt pathway in pathological angiogenesis. In order to systematically decipher the precise role of endothelial Wnt/β-‐catenin signaling in tumor angiogenesis, I established
murine GL261 glioma cell lines overexpressing either Wnt1 or Dickkopf (Dkk) 1 in a doxycycline-‐dependent manner, an activator and potent inhibitor of Wnt/β-‐catenin signaling, respectively. In subcutaneous and intracranial transplantations, tumor-derived Wnt1 reduced, while Dkk1 increased GL261 tumor growth without affecting in vitro proliferation, cell cycle or cell death of the established cell lines. Nowadays, it is well accepted that solid tumors are dependent on vascular support allowing them to grow beyond a certain size. In my work I could show that tumor-‐derived Wnt1 targets the tumor vasculature by increasing endothelial Wnt/β-‐catenin signaling, which reduced tumor vessel density and resulted in a more quiescent tumor vasculature. Furthermore, Wnt1-‐expression mediated tight association of smooth muscle cells (SMCs) and pericytes to the tumor endothelium, a phenotype which is unusual for tumor vessels and a described hallmark of tumor vessel normalization. In contrast, inhibition of endothelial Wnt/β-‐catenin signaling by Dkk1 mediated an opposing effect, characterized by endothelial hyper-proliferation and a tumor vasculature with a rough basal lamina distribution and loosely anached mural cells, indicative of a strong angiogenic activity. The described vascular effects in Wnt1-expressing GL261 tumors could be verified by subcutaneous transplantations of a rat glioma cell line constitutively expressing Wnt1. Furthermore, an applied in vivo MatrigelTM plug assay uncovered the reduction in vessel density upon Wnt1 simulation to be tumor cell independent, suggesting an EC-‐autonomous effect. This hypothesis was confirmed by subcutaneous transplantations of parental GL261 cells into mice with genetically generated endothelial β-‐catenin gain-of-function (GOF). The derived GOF tumor from this experiment comprised a quiescent and normalized tumor vasculature and phenocopied the vascular effects observed in Wnt1-expressing tumors.
Our previous work provided evidence that Wnt/β-‐catenin signaling contributes to the BBB phenotype of the developing CNS through the transcriptional regulation of the tight junction protein claudin-‐3. Furthermore, the coverage of pericytes to brain vessels has been described to correlate with BBB integrity. In agreement with these publications, vessels of intracranial Wnt1-‐expressing GL261 tumors retained or regained barrier properties, indicated by a reduced leakage of the tracer Evans blue and endogenous mouse immunoglobulin G and increased junctional localiza2on of the tight junction proteins claudin-‐3, -‐5 and zonula occludens-‐1.
Overall, we detected sustained endothelial Wnt/β-‐catenin signaling to induce a quiescent and normalized tumor vascularization. Interestingly, the Notch signaling pathway has been shown to inhibit the angiogenic tip cell and to promote the quiescent stalk cell phenotype via its ligand Delta-like ligand 4 (Dll4) and the receptors Notch1 and 4. Mechanistically, my work demonstrated for the first time that overactivation of endothelial Wnt/β-‐catenin signaling reactivated expression of Dll4 in the tumor endothelium, which could be shown in vitro to increase Notch signaling and to favor a stalk cell-like gene signature. Furthermore, we uncovered the platelet-derived growth factor subunit B (pdgm) as a novel transcriptional target of Wnt/β-catenin signaling in ECs. Hence endothelial-‐derived PDGF-‐B is known to promote the recruitment of mural cells, the upregulation of this factor might explain the increased SMC/pericyte coverage observed in the tumor vasculature upon sustained endothelial Wnt/β-‐catenin signaling which additionally might promote a cycle of vascular normalization.
Taken together, my work reveals several vascular effects, being mediated by reinforced endothelial Wnt/β-‐catenin signaling during tumor angiogenesis. While a moderate level of canonical Wnt signaling, observed in vessels of human astrocytomas and murine control tumors, is considered to be associated with tumor angiogenesis, dominant activation of this pathway in ECs is shown to limit angiogenesis and to promote a quiescent and normalized tumor vasculature with increased barrier properties. Furthermore, my work discovers pdgm as a novel target of canonical Wnt signaling in ECs.
The work presented in this dissertation therefore not only uncovers the role of endothelial Wnt/β-‐catenin signaling in tumor angiogenesis but additionally reveals this pathway to be a novel modulator in pathological vessel development which might proof to be a valuable therapeutic target for anti-angiogenic and edema glioma therapy.
Die soziale Arbeitsteilung bei Honigbienen ist ein komplexes selbstorganisatorisches System, welches auf zwei Ebenen der biologischen Organisation zu verorten ist: dem Individuum und der Kolonie. Die Regulation der Bruttemperatur ist ebenfalls diesen Gesetzmäßigkeiten unterworfen. Die Arbeits-bereitschaft einzelner Bienen bildet die Grundlage für die Temperaturregulierung des kolonialen Brutnestes.
In dieser Arbeit wird dieses Zusammenspiel aus individuellen Beteiligungen der Arbeiterinnen sowie der erbrachten Gesamtleistung der Kolonie während des Brutwärmens untersucht. Dazu wird eine kleine Bienengruppe auf einer Brutwabe einer thermischen Belastung ausgesetzt. Ein speziell für diese Untersuchungen entwickelter Versuchsaufbau integriert erstmals die Infrarot-Thermografie mit den Temperaturmessungen einer Brutfläche. Somit ist es möglich, die Thoraxtemperaturen der einzelnen, am Brutwärmen beteiligten Arbeiterinnen störungsfrei zu messen und gleichzeitig das erzeugte räumliche und zeitliche Temperaturmuster der Brutwabe zu ermitteln. Zusätzlich wird der Temperaturverlauf der Außentemperatur sowie der zellumgebenden Luft untersucht.
Es kann gezeigt werden, dass die Lufttemperatur im Innenraum eines Bienenstocks ein wichtiger Faktor in der Temperaturregulierung des Brutnestes ist, da sie die untere Temperaturgrenze im Bienenstock bildet. Weiterhin wird der Einfluss der brutwärmenden Arbeiterinnen auf die Temperaturentwicklung einer Brutfläche sichtbar. Durch das flexible Verhalten der Arbeiterinnen kann einer Brutfläche bei thermischer Belastung durch lokal wechselndes Brutwärmen optimal Wärme zugeführt werden. Es gibt es Hinweise auf eine zyklische Periodizität im zeitlichen Temperaturverlauf der Brutzellen, welche auf einen Brutwärmrhythmus durch die Bienen schließen lässt. Durch den Einsatz zweier Unterarten (Apis mellifera carnica & Apis mellifera mellifera) wird sichtbar, dass es zwischen den Gruppen Unterschiede in der Aufrechterhaltung der Lufttemperatur über der Wabe gibt.
The midbrain DA system comprising dopamine (DA) neurons of the substantia nigra (SN) and the ventral tegmental area (VTA) is involved in various brain functions, including voluntary movement and the encoding and prediction of behaviorally relevant stimuli. In Parkinsonʼs disease (PD), a progressive degeneration of particularly vulnerable SN DA neurons causes a progressive DA depletion of striatal projection sites. As a consequence, motor symptoms such as tremor, hypokinesia and rigidity appear once about 50 % to 70 % of SN DA neurons have been lost. Under physiological conditions, SN DA neurons can encode behaviorally salient events and coordinated movements through tonic and phasic activity and correlated striatal DA release. Burst-activity mediates a phasic, supralinear rise of striatal DA levels and allows to activate coordinated movements via modulation of corticostriatal signals.
In the present dissertation project, pathophysiological adaptations of surviving SN DA neurons after a partial degeneration of the nigrostiatal system have been studied using a 6-hydroxydopamine mouse model of PD. Combining in vivo retrograde tracing techniques with in vitro whole-cell patch-clamp recordings, multifluorescent immunolabeling and confocal microscopy allowed an unambiguous correlation of electrophysiological phenotypes, anatomical positions and neurochemical phenotypes of recorded neurons on a single-cell level. In vitro, neuronal activity of SN DA neurons is characterized by spontaneous, slow pacemaker activity of 1 to 10 Hz and a high degree of spike-timing precision. In vitro current-clamp recordings of surviving SN DA neurons using acute brain slice preparations after a partial, PD-like degeneration of the nigrostriatal DA system showed a significant perturbation of spontaneous pacemaker activity, mirrored by a decreased spike-timing precision compared to controls. Selective pharmacology and whole-cell voltage-clamp recordings served to identify calciumactivated SK channels as molecular effectors of a perturbated pacemaker activity of surviving SN DA neurons. SK channels and have been shown to critically contribute to the spike-timing precision of SN DA neurons. Consistently, in vitro current-clamp recordings after pharmacological blockade of SK channels in vitro caused a significant decrease of spike-timing precision, occluding previously observed differences between surviving SN DA neurons and controls.In addition to in vitro patch-clamp recordings, extracellular single-unit recordings in anaesthetized animals in vivo served to study surviving SN DA neurons embedded in an intact neuronal network after a partial, PD-like degeneration of the nigrostriatal DA system. Combining in vivo single-unit recordings, juxtacellular neurobiotin labeling and multifluorescent immunohistochemistry allowed to directly correlate electrophysiological and neurochemical phenotypes as well as anatomical positions on a single-cell level. In vivo, surviving SN DA neurons showed a significant decrease of spike-timing precision as reflected by an increased irregularity and an augmented burst activity compared to controls.
The present dissertation project provided a unique combination of a neurotoxicological PD mouse model, retrograde tracing techniques and in vitro as well as in vivo electrophysiologiy, allowing to unambiguously correlate electrophysiological adaptations, projection-specific anatomical positions and neurochemical phenotypes of SN DA neurons after a partial degeneration of the nigrostriatal system. Surviving SN DA neurons exhibited a significant deficit of SK channel activity after a partial degeneration of the nigrostriatal DA system. In consequence of a diminished SK channel activity observed in vitro, surviving SN DA neurons exhibited and enhanced burst activity in vivo, providing a plausible mechanism to compensate a striatal DA depletion.
BMPs control postnatal dendrite growth and complexity in sympathetic neurons / von Afsaneh Majdazari
(2012)
The vertebrate nervous system is a complex network of billions of neurons connected by dendrites and axons, integrated to functional circuits and areas/organs in the central and peripheral nervous system. The cells of the nervous system origin from common progenitors, which take on different cell fates based on intrinsic and extrinsic factors. These factors determine general neuronal traits, but also the morphology and the type of connections made to other cells. Mechanisms underlying axonal and dendritic growth are well described in contrast to the initiation of neurite growth, which remains to be fully elucidated, especially concerning dendrite formation. Recently BMPs have been identified as candidate dendrite inducing factors in sympathetic, cortical and hippocampal neurons. Here we focus on the in vivo role of BMPs on dendrite growth in sympathetic neurons as their development and differentiation processes have been analyzed in detail.
Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung der Rolle der i-AAA Protease in P. anserina, besonders während des Alterns des Ascomyceten. Die dazu durchgeführten Untersuchungen führten zu folgenden Ergebnissen:
1. Unter Standardbedingungen ist der PaIap-Deletionsstamm langlebiger als der Wildstamm, ohne feststellbare physiologische Beeinträchtigungen aufzuweisen. Dass dies auf den Verlust von PaIap zurückzuführen ist, bestätigen die PaIap-Revertantenstämme, in denen das Gen wieder eingeführt wurde, wodurch deren Lebensspanne wieder Wildtyp-artig ist. Dies zeigt, dass PaIAP zelluläre Prozesse beeinflusst, die die Lebensspanne kontrollieren.
2. Bei Hitzestress weist der PaIap-Deletionsstamm dagegen eine höhere Hitzesensitivität auf als der Wildstamm, was sich in einer verkürzten Lebensspanne und der Störung vitaler Funktionen äußert. Dies deutet auf eine mögliche Rolle von PaIAP bei der Hitzestressantwort hin.
3. Im Einklang mit dem hitzesensitiven Phänotyp des PaIap-Deletionsstamms konnte in mitochondrialen Extrakten des Wildtyps gezeigt werden, dass die Proteinmenge von PaIAP durch Hitzestress signifikant zunimmt. Gleichzeitig weisen mitochondriale Proteinextrakte von PaIap-Deletionsstämmen nach Hitzestress signifikant geringere Mengen an PaHSP60 und PaCLPP auf, zwei weiteren Komponenten der mitochondrialen Proteinqualitätskontrolle. Dies unterstreicht die Beteiligung von PaIAP an der Hitzestressantwort von P. anserina.
4. Darüber hinaus beeinflusst der Verlust von PaIap die Zusammensetzung der mitochondrialen Atmungskette und führt bei 27°C zu einer vermehrten Organisation der Komplexe in stabilere Superkomplexe. Dieser Mechanismus wird beim Wildstamm erst nach Hitzestress beobachtet, wogegen der PaIap-Deletionsstamm die Superkomplexmenge nicht mehr weiter steigern kann.
5. Die Genexpression von proteolytisch inaktiven Varianten von PaIAP (PaIAPE540Q bzw. PaIAPE540QG) kann den Phänotyp des PaIap-Deletionsstamms bei 27°C nicht komplementieren und führt ebenfalls zu einer Verlängerung der Lebensspanne von P. anserina. Dies liefert wichtige Informationen über den Mechanismus wie PaIAP die Lebensspanne von P. anserina beeinflusst, da dazu die proteolytische Aktivität von PaIAP benötigt wird.
6. Darüber hinaus zeigt die Analyse des PaIap/PaClpP-Deletionsstamms, dass sich die Mechanismen, wie PaIAP und PaCLPP die Lebensspanne von P. anserina beeinflussen, unterscheiden. Die unterschiedlichen zellulären Aufgaben werden auch bei Hitzestress deutlich, wovon der PaIap/PaClpP-Deletionsstamm noch stärker betroffen ist als durch die Deletion von PaIap bzw. PaClpP. Dies verdeutlicht, dass sich die Effekte der Deletionen der beiden Gene addieren.
Insgesamt konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass die i-AAA Protease PaIAP auch bei P. anserina wichtige zelluläre Funktionen besitzt, die sich auf den Alterungsprozess des Ascomyceten auswirken. Dabei war es möglich verschiedene neue Mechanismen zu identifizieren, wie die i-AAA Protease diese Funktionen ausübt. Dazu gehören z.B. der Einfluss der proteolytischen Aktivität auf die Lebensspanne, die durch die Abwesenheit der i-AAA Protease ausgelöste Reorganisation der Atmungskettenkomplexe in stabile Superkomplexe, und die Induktion der Hitzestressantwort durch PaIAP. Diese Befunde tragen zum besseren Verständnis der zellulären Funktion der i-AAA Protease bei und stellen einen entscheidenden Ausgangspunkt für weiterführende Analysen der bislang wenig verstandenen Aufgaben der Protease dar.
Typ I Interferone sind bekannt für die durch sie vermittelten immunaktivierenden bzw. antiviralen Effekte. Nach ihrer Induktion, im Rahmen der angeborenen Immunantwort, vermitteln Interferone nicht nur einen systemischen anti-viralen Status, sondern können auch wichtige Effektormechanismen der adaptiven Immunität dahingehend beeinflussen, dass sie diese verstärken bzw. ermöglichen. Im Allgemeinen kann diese Eigenschaft als pro-inflammatorische Aktivität der Interferone bezeichnet werden. Allerdings gehört es ebenfalls zu den Eigenschaften der Interferone eine Verminderung der adaptiven Immunität bewirken zu können, was als anti-inflammatorische Aktivität verstanden werden kann. Insgesamt kann man die durch Interferone induzierten Effekte also als ambivalent bezeichnen.
Die Leber als Immunorgan besitzt, ähnlich wie die Interferone, eine zentrale Rolle in der Immunität und sollte in ihrer Funktion als Vermittler zwischen Immunaktivierung und Immuntoleranz nicht unterschätzt werden. Die Aufgaben der Leber können ebenfalls als ambivalent bezeichnet werden, da sie zum einen eine unnötige Aktivierung des Immunsystems verhindern muss um eine Schädigung der Leberzellen zu vermeiden (Immuntoleranz). Zum anderen muss auch in der Leber eine Immunaktivierung stattfinden können, um den Schutz vor Pathogenen zu gewährleisten.
In einem Leberschadenmodell, das künstliche Doppelstrang-RNA (poly(I:C)) zur Induktion von Typ I Interferonen verwendet, sollen im Rahmen der vorliegenden Arbeit Immunmodulationen, insbesondere in der Leber, untersucht werden. Hierbei liegt das Hauptaugenmerk auf den Interferon-vermittelten Effekten, die eine Schädigung der Leber verhindern.
Werden Interferonrezeptor-defiziente Tiere (IFNAR-/-) intraperitoneal mit poly(I:C) behandelt kann eine ausgeprägte Schädigung der Leber sowie Hepatitis in diesen Tieren beobachtet werden. Wildtyp (WT) Mäuse zeigen hingegen keinerlei Schädigungen der Leber, was für einen protektiven bzw. anti-inflammatorischen Effekt spricht, der über den IFNAR und damit über Typ I Interferone vermittelt wird. Unter Verwendung von Mäusen, die eine selektive Deletion des IFNAR auf bestimmten Immunzellen tragen (alle anderen Zellen der Maus exprimieren jedoch weiterhin den IFNAR), konnte der Immunzelltyp ermittelt werden, der beim IFNAR-vermittelten Schutz der Leber eine Schlüsselrolle übernimmt. Aus diesen Experimenten wird deutlich, dass es myeloide Zellen sind, die über den IFNAR durch Typ I Interferone stimuliert werden müssen, um im poly(I:C)-induzierten Leberschadenmodell einen Schutz der Leber zu bewirken. Ergänzend dazu konnte gezeigt werden, dass CD11b- und F4/80-doppelt positive Makrophagen nach poly(I:C)-Behandlung in die Leber von WT Mäusen infiltrieren. Zudem wurde in Experimenten mit Interferon-Reporter Mäusen deutlich, dass diese infiltrierenden Makrophagen über den IFNAR durch Typ I Interferone stimuliert sind. Nach poly(I:C)-Behandlung konnte gezeigt werden, dass Leber-infiltrierende Zellen in WT Mäusen anti-inflammatorischen Interleukin-1 Rezeptor Antagonisten (IL-1RA) sekretieren. In Abwesenheit eines funktionalen Interferonsystems hingegen (in IFNAR-/- Mäusen) konnte eine gestörte IL-1beta- und IL-1RA-Balance festgestellt werden. Für diese Zytokine, die sich gegenseitig regulieren, indem der anti-inflammatorische IL-1RA mit dem pro-inflammatorischen IL-1beta um die Bindung an den IL-1 Rezeptor konkurriert, konnte gezeigt werden, dass ihre Expression in der Leber Interferon-abhängig reguliert wird. In IFNAR-/- Mäusen und in Mäusen, deren IFNAR selektiv auf myeloiden Zellen deletiert war, konnte keine IL-1RA-Expression durch infiltrierende Zellen detektiert werden. Da in diesen Tieren nach poly(I:C)-Behandlung massive Leberschäden beobachtet wurden, kann vermutet werden, dass das Vorhandensein des anti-inflammatorischen IL-1RA unerlässlich für den Schutz der Leber ist.
Abschließend kann zusammengefasst werden, dass die Interferon-vermittelten Effekte, die eine Schädigung der Leber verhindern, zum einen auf der Stimulation und Rekrutierung von Makrophagen beruhen. Zum anderen beruhen diese Effekte auf der Induktion des anti-inflammatorischen Zytokins IL-1RA, und der dadurch blockierten Wirkung des pro-inflammatorischen IL-1beta.
Durch diese Ergebnisse werden neue Einblicke in die Interferon-vermittelte Hemmung von Virus- und Autoimmun-induzierten Erkrankungen der Leber ermöglicht. Genutzt werden könnten diese für die Optimierung IFN-basierter Therapien. Beispielsweise kann durch die gezielte Induktion anti-inflammatorischer Zytokine über IFNAR-induzierte Signalwege oder die direkte Gabe anti-inflammatorischer Zytokine (z.B. IL-1RA) eine Therapie entwickelt werden, die neben den vorteilhaften Eigenschaften der Zytokine eine verbesserte Aktivierung von Immunzellen ermöglicht.
Es gibt viele Theorien, die sich mit der Auswirkung einer zunehmenden carnivoren Ernährung von Homininen auf Carnivorengilden beschäftigen. Aussterbeereignisse in der Carnivorengilde werden oft mit carnivoren Homininen in Verbindung gebracht. Um zu prüfen, ob solche Theorien überhaupt zutreffen, benötigt man zunächst ein Modell, das Effekte von Konkurrenzbeziehungen innerhalb von Carnivorengilden quantifiziert darstellt.
In dieser Arbeit ist daher ein Modell entwickelt worden, das die Konkurrenz um Beute innerhalb einer Carnivorengilde darstellt und ermöglicht Veränderungen durch das Eintreten neuer Mitglieder in die Gilde zu modellieren. Dieses Modell wurde zur Analyse der rezenten Großcarnivorengilden der Serengeti, des Krüger-National-Parks und des Bandipur-Biosphärenreservat verwendet. Ebenso ist es zur Analyse pleistozäner Großcarnivorengilden Javas eingesetzt worden.
In dem Modell wird die verfügbare Beutemasse als limitierende Ressource für die Carnivorengilde betrachtet. Im ersten Schritt wird die Beute kategorisiert – in dieser Arbeit nach ihrer Körpermasse – und geprüft, welche Mitglieder dieselben Beutekategorien nutzen und welche für sie essentiell sind. Im zweiten Schritt wird die konkurrenzfreie Kapazität der Gildenmitglieder berechnet. Hierzu wird die für die gesamte Gilde verfügbare Beutemasse unter der Annahme verwendet, sie stehe einem Gildenmitglied allein zur Verfügung. Die konkurrenzfreie Kapazität ist daher die Populationsgröße, die ein Gildenmitglied mit dieser Beutemasse erreichen kann und stellt einen Referenzwert dar. Basierend auf diesem Referenzwert und der tatsächlichen Populationsgröße kann nun berechnet werden, zu welchem Anteil ein Mitglied diese Kapazität ausschöpft. Ist der Konsum an Beutemasse der übrigen Mitglieder in den essentiellen Beutekategorien bekannt, kann berechnet werden, zu welchem Anteil ein Mitglied durch ein anderes Mitglied von dieser Kapazität verliert. Dieser Verlust an Kapazität wird als Konkurrenzeffekt bezeichnet.
Dieses Modell ist sowohl auf rezente als auch fossile Gilden anwendbar. Um mit dem Modell die Konkurrenzeffekte zu berechnen, werden die Häufigkeit bzw. Populationsgröße, das Beutemassenspektrum sowie der tägliche Bedarf an Beutemasse benötigt.
Diese Größen können bei der Strukturanalyse von rezenten Gilden aus Freilandstudien entnommen werden. Im Falle fossiler Gilden müssen diese Größen erst rekonstruiert werden. Dafür sind in dieser Arbeit vorhandene Rekonstruktionsmethoden ergänzt, aber auch entwickelt worden, mit denen man basierend auf der Körpermasse fossiler Carnivora die benötigten Parameter rekonstruieren kann. Hierzu sind verschiedene Regressionen berechnet worden, die einen Zusammenhang zwischen verschiedenen Zahnparametern und der Körpermasse darstellen. Weiterhin sind Muster der Beutemassenspektren rezenter Carnivora untersucht worden und Regressionen berechnet worden, die zur Rekonstruktion der mittleren Beutemasse eines Carnivoren verwendet werden.
Die benötigten Daten der javanischen Gilden werden mit den eben genannten Regressionen rekonstruiert. Anschließend wird eine Strukturanalyse der genannten rezenten und fossilen Großcarnivorengilden durchgeführt.
Bei den drei rezenten Gilden ist eine generelle sich wiederholende Struktur erkennbar. Die erfolgreichsten Mitglieder schöpfen ihre Kapazität zu ca. 60 % aus und verfolgen eine soziale Lebensweise.
Dennoch werden die erfolgreichsten Mitglieder der Gilden von unterschiedlichen Arten repräsentiert. So sind dies der Löwe im Krüger-Nationalpark, die Tüpfelhyäne in der Serengeti oder der Rothund in Bandipur.
Bei den fossilen Gilden war diese Struktur allerdings nicht erkennbar. Hier schöpft der Tiger seine Kapazität in allen Gilden am stärksten aus und hat extrem hohe Konkurrenzeffekte (bis zu ca. 98 %) auf die übrigen Gildenmitglieder.
Diese Unterschiede können mit Isolationsbedingungen Javas als Insel zusammenhängen, die sich grundsätzlich auf Strukturen der Säugergemeinschaften auswirken.
Vermutlich konnte der Tiger durch Veränderungen der Körpermasse seine konkurrenzstarke Position in der Großcarnivorengilde Javas halten.
Das entwickelte Modell ermöglicht auch eine Modellierung von Szenarien, die verschiedene Möglichkeiten berücksichtigt. Diese sind vor allem Veränderungen der Populationsgrößen, aber auch Veränderungen der Körpermasse und daraus resultierende Verschiebungen der Beutemassenspektren.
In Beispielen der Trinil-Gilde wird gezeigt, dass die Rolle eines hyper- bzw. hypocarnivoren Homo erectus in der Gilde mit dem entwickelten Modell dargestellt werden kann. Auch lassen sich Szenarien modellieren, in denen ein hyper- bzw. hypocarnivorer Homo erectus in die Gilde eindringt und so die übrigen Mitglieder von bei ihrer Kapazitätsausschöpfung Einbuße hinnehmen müssen.
In dem Szenarium von Trinil wird erkennbar, dass nur ein hypercarnivorer Homo erectus einen starken Effekt auf die Gildenmitglieder hatte. Geht man von einem omnivoren Homo erectus aus, ist der Konkurrenzeffekt geringer und es sind keine Aussterbeereignisse zu erwarten.
Das Modell kann in weiteren Studien zur Testung von Hypothesen zu Aussterbeereignissen Aufklärung bieten. Durch Einbeziehung weiterer Faktoren wie Kleptoparasitismus und interspezifische Tötungen kann es noch erweitert werden. Auch eine Dynamisierung des Modells, die eine kontinuierlich zeitliche Veränderung der Gilden modellieren kann, ist in zukünftigen Studien möglich.
Early otic development depends on autophagy for apoptotic cell clearance and neural differentiation
(2012)
Autophagy is a highly regulated program of self-degradation of the cytosolic constituents that has key roles during early development and in adult cell growth and homeostasis. To investigate the role of autophagy in otic neurogenesis, we studied the expression of autophagy genes in early stages of chicken (Gallus gallus) inner ear development and the consequences of inhibiting the autophagic pathway in organotypic cultures of explanted chicken otic vesicles (OVs). Here we show the expression of autophagy-related genes (Atg) Beclin-1 (Atg6), Atg5 and LC3B (Atg8) in the otocyst and the presence of autophagic vesicles by using transmission electron microscopy in the otic neurogenic zone. The inhibition of the transcription of LC3B by using antisense morpholinos and of class III phosphatidylinositol 3-kinase with 3-methyladenine causes an aberrant morphology of the OV with accumulation of apoptotic cells. Moreover, inhibition of autophagy provokes the misregulation of the cell cycle in the otic epithelium, impaired neurogenesis and poor axonal outgrowth. Finally, our results indicate that autophagy provides the energy required for the clearing of neuroepithelial dying cells and suggest that it is required for the migration of otic neuronal precursors. Taken together, our results show for the first time that autophagy is an active and essential process during early inner ear development.
Background: Otic neurons and sensory cells derive from common progenitors whose transition into mature cells requires the coordination of cell survival, proliferation and differentiation programmes. Neurotrophic support and survival of post-mitotic otic neurons have been intensively studied, but the bases underlying the regulation of programmed cell death in immature proliferative otic neuroblasts remains poorly understood. The protein kinase AKT acts as a node, playing a critical role in controlling cell survival and cell cycle progression. AKT is activated by trophic factors, including insulin-like growth factor I (IGF-I), through the generation of the lipidic second messenger phosphatidylinositol 3-phosphate by phosphatidylinositol 3-kinase (PI3K). Here we have investigated the role of IGF-dependent activation of the PI3K-AKT pathway in maintenance of otic neuroblasts.
Methodology/Principal Findings: By using a combination of organotypic cultures of chicken (Gallus gallus) otic vesicles and acoustic-vestibular ganglia, Western blotting, immunohistochemistry and in situ hybridization, we show that IGF-I-activation of AKT protects neural progenitors from programmed cell death. IGF-I maintains otic neuroblasts in an undifferentiated and proliferative state, which is characterised by the upregulation of the forkhead box M1 (FoxM1) transcription factor. By contrast, our results indicate that post-mitotic p27Kip-positive neurons become IGF-I independent as they extend their neuronal processes. Neurons gradually reduce their expression of the Igf1r, while they increase that of the neurotrophin receptor, TrkC.
Conclusions/Significance: Proliferative otic neuroblasts are dependent on the activation of the PI3K-AKT pathway by IGF-I for survival during the otic neuronal progenitor phase of early inner ear development.
Autophagy is an evolutionarily conserved catabolic process by which cells degrade their own components through the lysosomal machinery. In physiological conditions, the mechanism is tightly regulated and contributes to maintain a balance between synthesis and degradation in cells undergoing intense metabolic activities. Autophagy is associated with major tissue remodeling processes occurring through the embryonic, fetal and early postnatal periods of vertebrates. Here we survey current information implicating autophagy in cellular death, proliferation or differentiation in developing vertebrates. In developing systems, activation of the autophagic machinery could promote different outcomes depending on the cellular context. Autophagy is thus an extraordinary tool for the developing organs and tissues.