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The antibacterial properties of nanosilver have led to a versatile application spectrum including medical purposes and personal care products. However, the increasing use of nanosilver has raised concerns about its environmental impacts. Long-term exposure studies with aquatic invertebrates are essential to assess possible adverse effects on aquatic ecosystems. In the present study, acute (48 h), chronic (21 d) and long-term effects of nanosilver (primary size 15 nm) on five successive generations of three Daphnia species (D. magna, D. pulex, and D. galeata) were investigated. Acute EC50 values of nanosilver were 121 µg Ag L−1 for D. magna being the least sensitive species and 8.95 and 13.9 µg Ag L−1 for D. pulex and D. galeata, respectively. Chronic exposure provided EC10 values of 0.92 µg Ag L−1 for D. magna showing the most sensitive chronic reaction and 2.25 and 3.45 µg Ag L−1 for D. pulex and D. galeata, respectively. Comparative exposure to AgNO3 revealed a generally higher toxicity of the soluble form of silver. The multi-generation experiments resulted in effects on the population level for all tested species. Exposure of D. magna indicated an increased toxicity of nanosilver in the fifth generation of animals exposed to 10 µg Ag L−1. Neonates from pre-exposed parental daphnids did not completely recover when transferred into clean water. Exposure of D. pulex and D. galeata revealed not only increasing toxicity in some generations, but also greater tolerance to nanosilver. This study contributes to the assessment of the risk potential of nanosilver on aquatic ecosystems. It shows that effects of nanosilver vary within one genus and change with exposure duration. Therefore, long-term studies considering different aquatic species are needed to better understand the possible effects of nanosilver on aquatic ecosystems.
Gene homologs of GlnK PII regulators and AmtB-type ammonium transporters are often paired on prokaryotic genomes, suggesting these proteins share an ancient functional relationship. Here, we demonstrate for the first time in Archaea that GlnK associates with AmtB in membrane fractions after ammonium shock, thus, providing a further insight into GlnK-AmtB as an ancient nitrogen sensor pair. For this work, Haloferax mediterranei was advanced for study through the generation of a pyrE2-based counterselection system that was used for targeted gene deletion and expression of Flag-tagged proteins from their native promoters. AmtB1-Flag was detected in membrane fractions of cells grown on nitrate and was found to coimmunoprecipitate with GlnK after ammonium shock. Thus, in analogy to bacteria, the archaeal GlnK PII may block the AmtB1 ammonium transporter under nitrogen-rich conditions. In addition to this regulated protein–protein interaction, the archaeal amtB-glnK gene pairs were found to be highly regulated by nitrogen availability with transcript levels high under conditions of nitrogen limitation and low during nitrogen excess. While transcript levels of glnK-amtB are similarly regulated by nitrogen availability in bacteria, transcriptional regulators of the bacterial glnK promoter including activation by the two-component signal transduction proteins NtrC (GlnG, NRI) and NtrB (GlnL, NRII) and sigma factor σN (σ54) are not conserved in archaea suggesting a novel mechanism of transcriptional control.
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.
Der programmierte Zelltod (Apoptose) ist ein wichtiger Mechanismus zur Eliminierung von beschädigtem Gewebe und entarteten Zellen. Die Deregulierung der Apoptose führt zu zahlreichen Erkrankungen wie neuro-degenerativen Störungen und Krebs. Insbesondere in Tumoren wird der programmierte Zelltod mit Hilfe von hochregulierten, anti-apoptotischen Proteinen umgangen und es entstehen Resistenzen gegen Chemotherapien. Um innovative therapeutische Ansätze zu finden, wurden in diesem Projekt mit Hilfe eines Hefe-Survival-Screens neue, potentiell anti-apoptotische Proteine im Pankreaskarzinom identifiziert. Von den insgesamt 38 identifizierten Genprodukten wurden zwei für eine weiterführende Analyse ausgewählt.
Eins der näher untersuchten Proteine ist die Pyruvoyl-tetrahydrobiopterin-Synthase (PTS), ein wichtiges Enzym für die Biosynthese von Tetrahydrobiopterin (BH4). BH4 ist ein Kofaktor, der von mehreren Enzymen der Zelle für ihre Funktionen benötigt wird. In Zellkultur-Experimenten konnte gezeigt werden, dass eine Überexpression von PTS die Zellen vor Apoptose schützen kann, während eine Herunterregulation durch genetischen knockdown die Zellen gegenüber Apoptose-Stimuli sensibilisiert und ihr Wachstum beeinträchtigt. In Xenograft-Experimenten mit NOD/SCID-Mäusen konnte zudem gezeigt werden, dass Tumore mit einem PTS-Knockdown signifikant langsamer wachsen als die der Kontrollgruppe. Zusammengenommen deuten diese Ergebnisse auf eine Rolle von PTS bei der Apoptose-Regulation und beim Tumorwachstum hin, was das Protein zu einem attraktiven Target für die Krebstherapie macht.
Als zweites wurde ein Protein analysiert, das eine Untereinheit des respiratorischen Komplex I bildet: NDUFB5 (NADH-Dehydrogenase 1 beta Subcomplex, 5). Das besondere an diesem Protein sind die verschiedenen Isoformen, die durch alternatives Splicing zustandekommen. Eine Isoform, der die Exone 2 und 3 fehlen, wurde im Hefe-Survival-Screen identifiziert. Bei Überexpression in Zelllinien konnte sie im Gegensatz zum Volllänge-Protein die Apoptoserate reduzieren. Und auch Ergebnisse aus Versuchen mit Isoformen-spezifischem knockdown deuten an, dass hauptsächlich die verkürzte Isoform sNDUFB5 für die Regulation von Apoptose und Proliferation verantwortlich ist. Diese Beobachtungen konnten mit denselben Zellen im Xenograft-Tiermodell jedoch nicht bestätigt werden. Die Ursachen dafür blieben unklar. Zusätzlich wurden immunhistochemische Analysen von Pankreaskarzinomen und normalem Pankreasgewebe durchgeführt. Sie ergaben, dass die kurze Isoform sNDUFB5 im Tumor stark überexpremiert ist, während die Expression des Volllänge-Proteins in normalem und Tumorgewebe ähnlich hoch ausfällt. Dieser Befund macht NDUFB5 zu einem interessanten therapeutischen Target.
Die näher untersuchten Kandidaten-Gene zeigen beide Potential als neue Angriffspunkte für eine molekulare Krebstherapie. Andere in dem Hefe-Survival-Screen identifizierte Proteine wurden bereits als anti-apoptotisch und/oder in Krebszellen überexprimiert beschrieben. Diese Ergebnisse demonstrieren, dass ein funktionelles, Hefe-basiertes Screeningsystem geeignet ist, neue bisher unbekannte Proteine mit anti-apoptotischer Funktion zu identifizieren. Auch zeigen die Befunde, dass bereits bekannte Proteine weitere bisher unbekannte Funktionen wie z.B. die Inhibition von Apoptose aufweisen können. Basierend auf solchen mehrfachen Proteinfunktionen lassen sich weitere therapeutische Möglichkeiten ableiten.
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.
Metabolic changes in summer active and anuric hibernating free-ranging brown bears (ursus arctos)
(2013)
The brown bear (Ursus arctos) hibernates for 5 to 6 months each winter and during this time ingests no food or water and remains anuric and inactive. Despite these extreme conditions, bears do not develop azotemia and preserve their muscle and bone strength. To date most renal studies have been limited to small numbers of bears, often in captive environments. Sixteen free-ranging bears were darted and had blood drawn both during hibernation in winter and summer. Samples were collected for measurement of creatinine and urea, markers of inflammation, the calcium-phosphate axis, and nutritional parameters including amino acids. In winter the bear serum creatinine increased 2.5 fold despite a 2-fold decrease in urea, indicating a remarkable ability to recycle urea nitrogen during hibernation. During hibernation serum calcium remained constant despite a decrease in serum phosphate and a rise in FGF23 levels. Despite prolonged inactivity and reduced renal function, inflammation does not ensue and bears seem to have enhanced antioxidant defense mechanisms during hibernation. Nutrition parameters showed high fat stores, preserved amino acids and mild hyperglycemia during hibernation. While total, essential, non-essential and branched chain amino acids concentrations do not change during hibernation anorexia, changes in individual amino acids ornithine, citrulline and arginine indicate an active, although reduced urea cycle and nitrogen recycling to proteins. Serum uric acid and serum fructose levels were elevated in summer and changes between seasons were positively correlated. Further studies to understand how bears can prevent the development of uremia despite minimal renal function during hibernation could provide new therapeutic avenues for the treatment of human kidney disease.
Unmasking a temperature-dependent effect of the P. anserina i-AAA protease on aging and development
(2011)
Different molecular pathways involved in maintaining mitochondrial function are of fundamental importance to control cellular homeostasis. Mitochondrial i-AAA protease is part of such a surveillance system, and PaIAP is the putative ortholog in the fungal aging model Podospora anserina. Here, we investigate the role of PaIAP in aging and development. Deletion of the gene encoding PaIAP resulted in a specific phenotype. When incubated at 27°C, spore germination and fruiting body formation are not different from that of the corresponding wild-type strain. Unexpectedly, the lifespan of the deletion strain is strongly increased. In contrast, cultivation at an elevated temperature of 37°C leads to impairments in spore germination and fruiting body formation and to a reduced lifespan. The higher PaIAP abundance in wild-type strains of the fungus grown at elevated temperature and the phenotype of the deletion strain unmasks a temperature-related role of the protein. The protease appears to be part of a molecular system that has evolved to allow survival under changing temperatures, as they characteristically occur in nature.
We report here the effects of temperature on the p1 neuromuscular system of the stomatogastric system of the lobster (Panulirus interruptus). Muscle force generation, in response to both the spontaneously rhythmic in vitro pyloric network neural activity and direct, controlled motor nerve stimulation, dramatically decreased as temperature increased, sufficiently that stomach movements would very unlikely be maintained at warm temperatures. However, animals fed in warm tanks showed statistically identical food digestion to those in cold tanks. Applying dopamine, a circulating hormone in crustacea, increased muscle force production at all temperatures and abolished neuromuscular system temperature dependence. Modulation may thus exist not only to increase the diversity of produced behaviors, but also to maintain individual behaviors when environmental conditions (such as temperature) vary.
Perspectives on deciphering mechanisms underlying plant heat stress response and thermotolerance
(2013)
Global warming is a major threat for agriculture and food safety and in many cases the negative effects are already apparent. The current challenge of basic and applied plant science is to decipher the molecular mechanisms of heat stress response (HSR) and thermotolerance in detail and use this information to identify genotypes that will withstand unfavorable environmental conditions. Nowadays X-omics approaches complement the findings of previous targeted studies and highlight the complexity of HSR mechanisms giving information for so far unrecognized genes, proteins and metabolites as potential key players of thermotolerance. Even more, roles of epigenetic mechanisms and the involvement of small RNAs in thermotolerance are currently emerging and thus open new directions of yet unexplored areas of plant HSR. In parallel it is emerging that although the whole plant is vulnerable to heat, specific organs are particularly sensitive to elevated temperatures. This has redirected research from the vegetative to generative tissues. The sexual reproduction phase is considered as the most sensitive to heat and specifically pollen exhibits the highest sensitivity and frequently an elevation of the temperature just a few degrees above the optimum during pollen development can have detrimental effects for crop production. Compared to our knowledge on HSR of vegetative tissues, the information on pollen is still scarce. Nowadays, several techniques for high-throughput X-omics approaches provide major tools to explore the principles of pollen HSR and thermotolerance mechanisms in specific genotypes. The collection of such information will provide an excellent support for improvement of breeding programs to facilitate the development of tolerant cultivars. The review aims at describing the current knowledge of thermotolerance mechanisms and the technical advances which will foster new insights into this process.
A range-wide synthesis and timeline for phylogeographic events in the red fox (Vulpes vulpes)
(2013)
Background: Many boreo-temperate mammals have a Pleistocene fossil record throughout Eurasia and North America, but only few have a contemporary distribution that spans this large area. Examples of Holarctic-distributed carnivores are the brown bear, grey wolf, and red fox, all three ecological generalists with large dispersal capacity and a high adaptive flexibility. While the two former have been examined extensively across their ranges, no phylogeographic study of the red fox has been conducted across its entire Holarctic range. Moreover, no study included samples from central Asia, leaving a large sampling gap in the middle of the Eurasian landmass.
Results: Here we provide the first mitochondrial DNA sequence data of red foxes from central Asia (Siberia), and new sequences from several European populations. In a range-wide synthesis of 729 red fox mitochondrial control region sequences, including 677 previously published and 52 newly obtained sequences, this manuscript describes the pattern and timing of major phylogeographic events in red foxes, using a Bayesian coalescence approach with multiple fossil tip and root calibration points. In a 335 bp alignment we found in total 175 unique haplotypes. All newly sequenced individuals belonged to the previously described Holarctic lineage. Our analyses confirmed the presence of three Nearctic- and two Japan-restricted lineages that were formed since the Mid/Late Pleistocene.
Conclusions: The phylogeographic history of red foxes is highly similar to that previously described for grey wolves and brown bears, indicating that climatic fluctuations and habitat changes since the Pleistocene had similar effects on these highly mobile generalist species. All three species originally diversified in Eurasia and later colonized North America and Japan. North American lineages persisted through the last glacial maximum south of the ice sheets, meeting more recent colonizers from Beringia during postglacial expansion into the northern Nearctic. Both brown bears and red foxes colonized Japan’s northern island Hokkaido at least three times, all lineages being most closely related to different mainland lineages. Red foxes, grey wolves, and brown bears thus represent an interesting case where species that occupy similar ecological niches also exhibit similar phylogeographic histories.
Genomic basis of ecological niche divergence among cryptic sister species of non-biting midges
(2013)
Background: There is a lack of understanding the evolutionary forces driving niche segregation of closely related organisms. In addition, pinpointing the genes driving ecological divergence is a key goal in molecular ecology. Here, larval transcriptome sequences obtained by next-generation-sequencing are used to address these issues in a morphologically cryptic sister species pair of non-biting midges (Chironomus riparius and C. piger).
Results: More than eight thousand orthologous open reading frames were screened for interspecific divergence and intraspecific polymorphisms. Despite a small mean sequence divergence of 1.53% between the sister species, 25.1% of 18,115 observed amino acid substitutions were inferred by α statistics to be driven by positive selection. Applying McDonald-Kreitman tests to 715 alignments of gene orthologues identified eleven (1.5%) genes driven by positive selection.
Conclusions: Three candidate genes were identified as potentially responsible for the observed niche segregation concerning nitrite concentration, habitat temperature and water conductivity. Additionally, signs of positive selection in the hydrogen sulfide detoxification pathway were detected, providing a new plausible hypothesis for the species’ ecological differentiation. Finally, a divergently selected, nuclear encoded mitochondrial ribosomal protein may contribute to reproductive isolation due to cytonuclear coevolution.
Background: The production of bioethanol from lignocellulose hydrolysates requires a robust, D-xylose-fermenting and inhibitor-tolerant microorganism as catalyst. The purpose of the present work was to develop such a strain from a prime industrial yeast strain, Ethanol Red, used for bioethanol production.
Results: An expression cassette containing 13 genes including Clostridium phytofermentans XylA, encoding D-xylose isomerase (XI), and enzymes of the pentose phosphate pathway was inserted in two copies in the genome of Ethanol Red. Subsequent EMS mutagenesis, genome shuffling and selection in D-xylose-enriched lignocellulose hydrolysate, followed by multiple rounds of evolutionary engineering in complex medium with D-xylose, gradually established efficient D-xylose fermentation. The best-performing strain, GS1.11-26, showed a maximum specific D-xylose consumption rate of 1.1 g/g DW/h in synthetic medium, with complete attenuation of 35 g/L D-xylose in about 17 h. In separate hydrolysis and fermentation of lignocellulose hydrolysates of Arundo donax (giant reed), spruce and a wheat straw/hay mixture, the maximum specific D-xylose consumption rate was 0.36, 0.23 and 1.1 g/g DW inoculum/h, and the final ethanol titer was 4.2, 3.9 and 5.8% (v/v), respectively. In simultaneous saccharification and fermentation of Arundo hydrolysate, GS1.11-26 produced 32% more ethanol than the parent strain Ethanol Red, due to efficient D-xylose utilization. The high D-xylose fermentation capacity was stable after extended growth in glucose. Cell extracts of strain GS1.11-26 displayed 17-fold higher XI activity compared to the parent strain, but overexpression of XI alone was not enough to establish D-xylose fermentation. The high D-xylose consumption rate was due to synergistic interaction between the high XI activity and one or more mutations in the genome. The GS1.11-26 had a partial respiratory defect causing a reduced aerobic growth rate.
Conclusions: An industrial yeast strain for bioethanol production with lignocellulose hydrolysates has been developed in the genetic background of a strain widely used for commercial bioethanol production. The strain uses glucose and D-xylose with high consumption rates and partial cofermentation in various lignocellulose hydrolysates with very high ethanol yield. The GS1.11-26 strain shows highly promising potential for further development of an all-round robust yeast strain for efficient fermentation of various lignocellulose hydrolysates.
In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass bestimmte neuronale microRNAs im Rückenmark und in den Spinalganglien konstitutiv exprimiert und nach peripherer Entzündung mit Formalin oder Zymosan differenziell reguliert werden. Bei der SNI-induzierten Neuropathie konnte indessen keine signifikante Regulation der untersuchten microRNAs nachgewiesen werden. Aufgrund der Lokalisation in den Neuronen der Schmerz-verarbeitenden Laminae I und II des Dorsalhorns des Rückenmarks und angesichts der Regulation in entzündlich stimulierten Neuronen und Mikroglia wurde der Fokus der Arbeit auf die Untersuchung von microRNA-124a gelegt. Anhand von Expressionsanalysen konnte gezeigt werden, dass eine periphere entzündliche Stimulation mit Formalin oder Zymosan microRNA-124a im Rückenmark inhibiert, die Expression pro-inflammatorischer und pro-nozizeptiver Gene hiernach ermöglicht und ein vermehrtes Schmerzverhalten bewirkt. Die funktionelle Relevanz von microRNA-124a wurde in vivo mittels intravenöser Applikation von microRNA-124a-Modulatoren bei einem Modell für entzündliche Schmerzen, dem Formalin-Modell untersucht. Dabei führte die Hemmung von microRNA-124a zu einem verstärkten Schmerzverhalten, welches mit einer Hochregulation verschiedener Entzündungsmarker einherging. Die Überexpression von microRNA-124a dagegen antagonisierte die Hochregulation entzündlicher Mediatoren und führte zu einer Schmerzhemmung. Darüber hinaus konnte in der vorliegenden Arbeit der antinozizeptive Effekt von microRNA-124a mit der Regulation der Epigenetik-regulierenden Targets MeCP2, HDAC5 und MYST2 assoziiert werden und u.a. über die Hemmung des neuromodulierenden, pro-inflammatorischen Peptids BDNF verifiziert werden. Die spezielle Darreichung von microRNA-124a könnte demzufolge einen vielversprechenden Ansatz zur Therapie chronisch-entzündlicher Schmerzen liefern. Zukünftig werden weitere Studien notwendig sein um die eindeutige Funktion, die individuelle Wirkung sowie die therapeutische Relevanz von microRNA-124a zu analysieren. Darüber hinaus müssten Dosis-Wirkungs-Beziehungen und Nebenwirkungsprofile für microRNA-124a erstellt werden, um potenzielle Risiken, Chancen und Vorteile der microRNA-Modulation hinsichtlich einer humanen Schmerztherapie bewerten zu können.
Functional modules of metabolic networks are essential for understanding the metabolism of an organism as a whole. With the vast amount of experimental data and the construction of complex and large-scale, often genome-wide, models, the computer-aided identification of functional modules becomes more and more important. Since steady states play a key role in biology, many methods have been developed in that context, for example, elementary flux modes, extreme pathways, transition invariants and place invariants. Metabolic networks can be studied also from the point of view of graph theory, and algorithms for graph decomposition have been applied for the identification of functional modules. A prominent and currently intensively discussed field of methods in graph theory addresses the Q-modularity. In this paper, we recall known concepts of module detection based on the steady-state assumption, focusing on transition-invariants (elementary modes) and their computation as minimal solutions of systems of Diophantine equations. We present the Fourier-Motzkin algorithm in detail. Afterwards, we introduce the Q-modularity as an example for a useful non-steady-state method and its application to metabolic networks. To illustrate and discuss the concepts of invariants and Q-modularity, we apply a part of the central carbon metabolism in potato tubers (Solanum tuberosum) as running example. The intention of the paper is to give a compact presentation of known steady-state concepts from a graph-theoretical viewpoint in the context of network decomposition and reduction and to introduce the application of Q-modularity to metabolic Petri net models.
Finding motifs in biological, social, technological, and other types of networks has become a widespread method to gain more knowledge about these networks’ structure and function. However, this task is very computationally demanding, because it is highly associated with the graph isomorphism which is an NP problem (not known to belong to P or NP-complete subsets yet). Accordingly, this research is endeavoring to decrease the need to call NAUTY isomorphism detection method, which is the most time-consuming step in many existing algorithms. The work provides an extremely fast motif detection algorithm called QuateXelero, which has a Quaternary Tree data structure in the heart. The proposed algorithm is based on the well-known ESU (FANMOD) motif detection algorithm. The results of experiments on some standard model networks approve the overal superiority of the proposed algorithm, namely QuateXelero, compared with two of the fastest existing algorithms, G-Tries and Kavosh. QuateXelero is especially fastest in constructing the central data structure of the algorithm from scratch based on the input network.
During gastrulation in the mouse embryo, dynamic cell movements including epiblast invagination and mesodermal layer expansion lead to the establishment of the three-layered body plan. The precise details of these movements, however, are sometimes elusive, because of the limitations in live imaging. To overcome this problem, we developed techniques to enable observation of living mouse embryos with digital scanned light sheet microscope (DSLM). The achieved deep and high time-resolution images of GFP-expressing nuclei and following 3D tracking analysis revealed the following findings: (i) Interkinetic nuclear migration (INM) occurs in the epiblast at embryonic day (E)6 and 6.5. (ii) INM-like migration occurs in the E5.5 embryo, when the epiblast is a monolayer and not yet pseudostratified. (iii) Primary driving force for INM at E6.5 is not pressure from neighboring nuclei. (iv) Mesodermal cells migrate not as a sheet but as individual cells without coordination.
Metastasic breast cancer is the leading cause of death by malignancy in women worldwide. Tumor metastasis is a multistep process encompassing local invasion of cancer cells at primary tumor site, intravasation into the blood vessel, survival in systemic circulation, and extravasation across the endothelium to metastasize at a secondary site. However, only a small percentage of circulating cancer cells initiate metastatic colonies. This fact, together with the inaccessibility and structural complexity of target tissues has hampered the study of the later steps in cancer metastasis. In addition, most data are derived from in vivo models where critical steps such as intravasation/extravasation of human cancer cells are mediated by murine endothelial cells. Here, we developed a new mouse model to study the molecular and cellular mechanisms underlying late steps of the metastatic cascade. We have shown that a network of functional human blood vessels can be formed by co-implantation of human endothelial cells and mesenchymal cells, embedded within a reconstituted basement membrane-like matrix and inoculated subcutaneously into immunodeficient mice. The ability of circulating cancer cells to colonize these human vascularized organoids was next assessed in an orthotopic model of human breast cancer by bioluminescent imaging, molecular techniques and immunohistological analysis. We demonstrate that disseminated human breast cancer cells efficiently colonize organoids containing a functional microvessel network composed of human endothelial cells, connected to the mouse circulatory system. Human breast cancer cells could be clearly detected at different stages of the metastatic process: initial arrest in the human microvasculature, extravasation, and growth into avascular micrometastases. This new mouse model may help us to map the extravasation process with unprecedented detail, opening the way for the identification of relevant targets for therapeutic intervention.
A new type of Na+-driven ATP synthase membrane rotor with a two-carboxylate ion-coupling motif
(2013)
Abstract: The anaerobic bacterium Fusobacterium nucleatum uses glutamate decarboxylation to generate a transmembrane gradient of Na+. Here, we demonstrate that this ion-motive force is directly coupled to ATP synthesis, via an F1Fo-ATP synthase with a novel Na+ recognition motif, shared by other human pathogens. Molecular modeling and free-energy simulations of the rotary element of the enzyme, the c-ring, indicate Na+ specificity in physiological settings. Consistently, activity measurements showed Na+ stimulation of the enzyme, either membrane-embedded or isolated, and ATP synthesis was sensitive to the Na+ ionophore monensin. Furthermore, Na+ has a protective effect against inhibitors targeting the ion-binding sites, both in the complete ATP synthase and the isolated c-ring. Definitive evidence of Na+ coupling is provided by two identical crystal structures of the c11 ring, solved by X-ray crystallography at 2.2 and 2.6 Å resolution, at pH 5.3 and 8.7, respectively. Na+ ions occupy all binding sites, each coordinated by four amino acids and a water molecule. Intriguingly, two carboxylates instead of one mediate ion binding. Simulations and experiments demonstrate that this motif implies that a proton is concurrently bound to all sites, although Na+ alone drives the rotary mechanism. The structure thus reveals a new mode of ion coupling in ATP synthases and provides a basis for drug-design efforts against this opportunistic pathogen.
Author Summary: Essential cellular processes such as biosynthesis, transport, and motility are sustained by the energy released in the hydrolysis of ATP, the universal energy carrier in living cells. Most ATP in the cell is produced by a membrane-bound enzyme, the ATP synthase, through a rotary mechanism that is coupled to the translocation of ions across the membrane. The majority of ATP synthases are energized by transmembrane electrochemical gradients of protons (proton-motive force), but a number of organisms, including some important human pathogens, use gradients of sodium ions instead (sodium-motive force). The ion specificity of ATP synthases is determined by a membrane-embedded sub-complex, the c-ring, which is the smallest known biological rotor. The functional mechanism of the rotor ring and its variations among different organisms are of wide interest, because of this enzyme's impact on metabolism and disease, and because of its potential for nanotechnology applications. Here, we characterize a previously unrecognized type of Na+-driven ATP synthase from the opportunistic human pathogen Fusobacterium nucleatum, which is implicated in periodontal diseases. We analyzed this ATP synthase and its rotor ring through a multi-disciplinary approach, combining cell-growth and biochemical assays, X-ray crystallography and computer-simulation methods. Two crystal structures of the membrane rotor were solved, at low and high pH, revealing an atypical ion-recognition motif mediated by two carboxylate side-chains. This motif is shared by other human pathogens, such as Mycobacterium tuberculosis or Streptococcus pneumonia, whose ATP synthases are targets of novel antibiotic drugs. The implications of this ion-recognition mode on the mechanism of the ATP synthase and the cellular bioenergetics of F. nucleatum were thus examined. Our results provide the basis for future pharmacological efforts against this important pathogen.