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Orthologs document the evolution of genes and metabolic capacities encoded in extant and ancient genomes. However, the similarity between orthologs decays with time, and ultimately it becomes insufficient to infer common ancestry. This leaves ancient gene set reconstructions incomplete and distorted to an unknown extent. Here we introduce the "evolutionary traceability" as a measure that quantifies, for each protein, the evolutionary distance beyond which the sensitivity of the ortholog search becomes limiting. Using yeast, we show that genes that were thought to date back to the last universal common ancestor are of high traceability. Their functions mostly involve catalysis, ion transport, and ribonucleoprotein complex assembly. In turn, the fraction of yeast genes whose traceability is not sufficient to infer their presence in last universal common ancestor is enriched for regulatory functions. Computing the traceabilities of genes that have been experimentally characterized as being essential for a self-replicating cell reveals that many of the genes that lack orthologs outside bacteria have low traceability. This leaves open whether their orthologs in the eukaryotic and archaeal domains have been overlooked. Looking at the example of REC8, a protein essential for chromosome cohesion, we demonstrate how a traceability-informed adjustment of the search sensitivity identifies hitherto missed orthologs in the fast-evolving microsporidia. Taken together, the evolutionary traceability helps to differentiate between true absence and nondetection of orthologs, and thus improves our understanding about the evolutionary conservation of functional protein networks. "protTrace," a software tool for computing evolutionary traceability, is freely available at https://github.com/BIONF/protTrace.git; last accessed February 10, 2019.
In times of a growing world population and the associated demand for high crop yield, the understanding and improvement of plant reproduction is of central importance. One key step of plant reproduction is the development of the male gametophyte, which is better known as pollen. In addition, the development of pollen was shown to be very sensitive to abiotic stresses, such as heat, which can cause crop damage and yield loss. To obtain new insights in the development and heat stress response of pollen, a combined transcriptome and proteome analysis was performed for three pollen developmental stages of non- and heat-stressed tomato plants.
The analysis of the transcriptomes of non-stressed pollen developmental stages enabled the determination of mRNAs accumulated in certain developmental stages. The functional analysis of these mRNAs led to the identification of protein families and functional processes that are important at different times of pollen development. A subsequent comparison of the transcriptomes of non- and heat-stressed pollen revealed a core set of 49 mRNAs, which are upregulated in all three developmental stages. The encoded proteins include among other things different heat stress transcription factors and heat shock proteins, which are known key players of the plant heat stress response.
Furthermore, 793 potential miRNAs could be identified in the transcriptome of non- and heat-stressed pollen. Interestingly, 38 out of the 793 miRNAs have already been identified in plants. For more than half of these miRNAs potential target mRNAs were identified and the interactions between miRNAs and mRNAs linked to the development and heat stress response of pollen. In total, 207 developmentally relevant interactions could be determined, out of which 34 have an effect on transcriptional-networks. In addition, 24 of the interactions contribute the heat stress response of pollen, whereby this mainly affects post-meiotic pollen.
An initial correlation of the proteome and transcriptome of the developmental stages revealed that transcriptome analyses are not sufficient to draw exact conclusions about the state of the proteome. A closer look on the relationship of the transcriptome and proteome during pollen development revealed two translational modes that are active during the development of pollen. One mode leads to a direct translation of mRNAs, while the second mode leads a delayed translation at a later point in time. Regarding the delayed translation, it could be shown that this is likely due to a short-term storage of mRNAs in so-called EPPs. The comparison of the proteome and transcriptome response to heat stress revealed that the proteome reacts much stronger and that the reaction is mainly independent from the transcriptome. Finally, the comparison of the proteome of non- and heat-stressed pollen provided first indications for changes in the ribosome composition in response to heat stress, as 57 ribosomal proteins are differentially regulated in at least one developmental stage.
Synthesis and SAR of the antistaphylococcal natural product nematophin from Xenorhabdus nematophila
(2019)
The repeated and improper use of antibiotics had led to an increased number of multiresistant bacteria. Therefore, new lead structures are needed. Here, the synthesis and an expanded structure–activity relationship of the simple and antistaphylococcal amide nematophin from Xenorhabdus nematophila and synthetic derivatives are described. Moreover, the synthesis of intrinsic fluorescent derivatives, incorporating azaindole moieties was achieved for the first time.
Current technologies used to generate CRISPR/Cas gene perturbation reagents are labor intense and require multiple ligation and cloning steps. Furthermore, increasing gRNA sequence diversity negatively affects gRNA distribution, leading to libraries of heterogeneous quality. Here, we present a rapid and cloning-free mutagenesis technology that can efficiently generate covalently-closed-circular-synthesized (3Cs) CRISPR/Cas gRNA reagents and that uncouples sequence diversity from sequence distribution. We demonstrate the fidelity and performance of 3Cs reagents by tailored targeting of all human deubiquitinating enzymes (DUBs) and identify their essentiality for cell fitness. To explore high-content screening, we aimed to generate the largest up-to-date gRNA library that can be used to interrogate the coding and noncoding human genome and simultaneously to identify genes, predicted promoter flanking regions, transcription factors and CTCF binding sites that are linked to doxorubicin resistance. Our 3Cs technology enables fast and robust generation of bias-free gene perturbation libraries with yet unmatched diversities and should be considered an alternative to established technologies.
Numerous cell–cell and cell–matrix interactions within the bone marrow microenvironment enable the controlled lifelong self-renewal and progeny of hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs). On the cellular level, this highly mutual interaction is granted by cell adhesion molecules (CAMs) integrating differentiation, proliferation, and pro-survival signals from the surrounding microenvironment to the inner cell. However, cell–cell and cell–matrix interactions are also critically involved during malignant transformation of hematopoietic stem/progenitor cells. It has become increasingly apparent that leukemia-associated gene products, such as activated tyrosine kinases and fusion proteins resulting from chromosomal translocations, directly regulate the activation status of adhesion molecules, thereby directing the leukemic phenotype. These observations imply that interference with adhesion molecule function represents a promising treatment strategy to target pre-leukemic and leukemic lesions within the bone marrow niche. Focusing on myeloid leukemia, we provide a current overview of the mechanisms by which leukemogenic gene products hijack control of cellular adhesion to subsequently disturb normal hematopoiesis and promote leukemia development.
Die Erhaltung des Muskeltonus, der die Grundlage für die aufrechte Körperstellung und die Feinabstimmung von Bewegungsabläufen bildet, erfordert ein Gleichgewicht der inhibitorischen und exzitatorischen Impulse, die in den neuronalen Regelkreisen des Rückenmarks verarbeitet werden. Im Rückenmark und Stammhirn von Wirbeltieren wird die synaptische Inhibition vom Strychnin-sensitiven Glyzinrezeptor (GlyR) vermittelt. Dieser liganden-gesteuerte Ionenkanal ist ein pentamerer Proteinkomplex aus drei a- und zwei ßUntereinheiten, der durch ein peripheres Membranprotein, das Gephyrin, in der neuronalen Membran verankert ist. Für die ligandenbindende a-Untereinheit konnten eine Vielzahl von Varianten isoliert werden, die für die Bildung verschiedener GlyR-Isoformen verantwortlich sind. Mutationen, die die Gene für die GlyR-Untereinheiten betreffen, sind stets mit chronischen Bewegungsstömngen assoziiert. So sind Punktmutationen im Gen für die GlyR al-Untereinheit für die Hyperekplexie (Startle Disease) verantwortlich, eine humane Erbkrankheit, die durch ausgeprägte Schreckreaktionen und episodische Muskelsteifheit charakterisiert ist. Die spontanen Mausmutanten spastic (spa), spasmodic (spd) und oscillator (ot), die vergleichbare Bewegungsstömngen manifestieren, tragen ebenfalls Mutationen in den Genen für die GlyR-Untereinheiten. Bei der Mausmutante spa führt eine Transposoninsertion, die im Gen für die GlyR ß-Untereinheit lokalisiert ist, zu einer Störung der GlyR ßExpression. Bei den Mausmutanten spd und ot wurden, wie bei Hyperekplexiepatienten, Mutationen im Gen für die a 1-Untereinheit identifiziert. Diese Mutation führt bei der spasmodischen Maus zu veränderten Rezeptoreigenschaften und bei oscillator zum völligen Verlust der al-Untereinheit. Die Analogie der murinen und humanen Erbkrankheiten ermöglicht die Verwendung der Mausmutanten bei der Entwicklung von in vivo Tiermodellen, die zur Erforschung der molekularen Grundlagen der Glyzinrezeptorfunktion und zur Untersuchung von GlyR-Defekten des Menschen geeignet sind. Für die Entwicklung solcher Tiermodelle wurde in der vorliegenden Arbeit versucht, die hereditären Bewegungsstörungen der Mausmutanten spa, spd und ot durch therapeutischen Gentransfer zu komplementieren. Hierbei sollten die in den Mausmutanten defekten Rezeptorstmkturgene durch solche fremder Spezies ersetzt werden.
Für die genetische Rettung der spastischen Mausmutante wurden transgene Mäuse entwickelt, die die ß-Untereinheit der Ratte in ihrem Nervensystem überexprirnieren. Durch Einbringen der Transgenallele in den genetischen Hintergrund der spastischen Maus konnte deren Menge an funktionellen GlyR ß-Transkripten vergrößert werden. Hierdurch konnte eine Zunahme an funktionellen GlyR-Molekülen erreicht und die Manifestierung ihres mutanten Phänotyps verhindert werden. Dies liefe11e zum einen den formalen Beweis für den Zusammenhang von identifiziertem Gendefekt und mutantem Phänotyp und zeigte, daß GlyR-Untereinheiten über Speziesbarrieren hinweg wirksam sind. Zum anderen wurde deutlich, daß das Erscheinen der adulten GlyR-Isoform (GlyRA) an der Membranoberfläche in vivo direkt von der Verfügbarkeit funktioneller ß-Untereinheiten abhängig ist. Darüber hinaus konnte zum ersten Mal gezeigt werden, daß die normale Funktion des glyzinergen Systems bereits dann gewährleistet ist, wenn nur 25% an funktionsfähigen ß-Transkripten gebildet werden bzw. wenn nur ca. die Hälfte der im Wildtyp vorhandenen GlyRA-Moleküle die neuronale Membranoberfläche erreichen.
Zur genetischen Rettung der Mausmutanten spasmodic und oscillator wurden, in analogen Versuchsansätzen, transgene Mauslinien etabliert, die die GlyR al-Untereinheit des Menschen in ihrem Nervensystem überexprimieren. Nach Einbringen der Transgenallele in den genetischen Hintergrund der ot Maus konnte deren Phänotyp partiell komplementiert werden. Eine vollständige Rettung dieser Mausmutante bzw. eine Komplementation des spasmodischen Phänotyps konnte, vermutlich aufgrund zu niedriger Transgenexpressionsrate, nicht erreicht werden. Dennoch zeigte das Ergebnis, daß die humane al-Untereinheit in der Maus Funktion übernehmen kann, eine Grundvoraussetzung für die Entwicklung von Mausmodellen, die zur Untersuchung des Pathomechanismus mutierter GlyR-Untereinheiten des Menschen geeignet sind.
Zweites Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung von transgenen Mäusen, die die rekombinante GlyR-Untereinheit "Chl" in ihrem Nervensystem exprimieren, für die in vitro gezeigt wurde, daß sie eine dominant negative Wirkung auf die GlyR-Aktivität entfaltet. Durch den Einsatz dieser Untereinheit sollte die GlyR-Aktivität in vivo gezielt reduziert werden und damit der Pathomechanismus der al-Untereinheit in Hyperekplexiepatienten, die ebenfalls als dominant negative GlyR-Untereinheit wirkt, simuliert werden. Die molekularbiologischen Analysen der etablierten Chl-transgen Linien zeigten, daß die transgene Untereinheit, anders als erwartet, die Expression der ligandenbindende al-Untereinheit beeinflußt. Diese Erkenntnis steht im Gegensatz zu den Ergebnissen aus entsprechenden Experimenten mit in vitro Systemen und macht deutlich, daß in vitro Modelle die in vivo Situation nicht unbedingt repräsentieren müssen. Dies unterstreicht die Bedeutung von Tiermodellen bei der Untersuchung der molekularen Grundlagen der glyzinergen Nervenübertragung und bei der Erforschung von humanen Glyzinrezeptordefekten.