Biologische Hochschulschriften (Goethe-Universität)
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Lipopolysaccharide (LPS) is a major glycolipid component in the outer leaflet of the outer membrane of Gram-negative bacteria and known as endotoxin exhibited by the lipid A moiety, which serves as a membrane anchor. The effective permeability barrier properties of the outer membrane contributed by the presence of LPS in the extracellular layer of the outer membrane confer Gram-negative bacteria a high resistance against hydrophobic compounds such as antibiotics, bile salts and detergents to survive in harsh environments. The biogenesis of LPS is well studied in Escherichia coli (herewith E. coli) and the LPS transport (Lpt) is carried out by a transenvelope complex composed of seven essential proteins (LptABCDEFG), which are located in the three compartments of the cell such as the outer membrane, the inner membrane and the periplasm. The Lpt system also exists in Anabaena sp. PCC 7120 (herewith Anabaena sp.), however, homologues of LptC and LptE are still missing. BLAST search failed to identify a homologue of LptC, in contrast, the secondary structure analysis using the Pfam database based on the existing ecLptC secondary structure identified one open reading frame All0231 as the putative Anabaena sp. homologue of LptC, which is designated anaLptC. Despite the low sequence similarity, the secondary structure alignment between anaLptC and ecLptC using the HHpred server showed that both proteins share high secondary structural similarities. The genotypic analysis of the insertion mutant anaLptC did not identify a fully segregated genome and its phenotypic analysis revealed that it was sensitive against chemicals, suggesting that the analptC gene is essential for the growth of Anabaena sp. and involved in the outer membrane biogenesis. This is further supported by the observation of the small cell phenotype in the anaLptC mutant via transmission electron microscopy. Moreover, physical interactions between the anaLptC periplasmic domain with anaLptA as well as with anaLptF were established, indicating that the anaLptC periplasmic domain is correctly folded and alone functional and that the transmembrane helix is not required for the interaction with anaLptA and anaLptF. Furthermore, the reduction of the O-antigen containing LPS was observed in the insertion mutant anaLptC and the dissociation constant Kd of the anaLptC periplasmic domain for ecLPS was determined.The three-dimensional structure of the periplasmic domain of anaLptC was solved by X-ray crystallography with a resolution of 2.8 Å. The structural superposition between the ecLptC crystal structure (PDB number 3my2) and the crystal structure of anaLptC periplasmic domain obtained by this study showed the similarity in the folding of the two proteins with a Cα r.m.s.d value of about 1 Å and confirmed that the length of anaLptC is more than two times longer than that of ecLptC. The structural comparison also revealed that both structures share the typical β-jellyroll fold and conserved amino acids, which were shown in ecLptC to bind to LPS in vivo and found in anaLptC. Overall, these data strongly suggest that anaLptC is involved in the transport of LPS and support the model whereby the bridge spanning the inner membrane and the outer membrane would be assembled via interactions of the structurally conserved β-jellyroll domains shared by five (LptACDFG) out of seven Lpt proteins.
Chemical pollution is one of the main contributors to the degradation of lotic ecosystems and their biodiversity. Among chemicals driving lotic biodiversity decline are anthropogenic organic micropollutants (AOM), which affect the survival and functioning of freshwater organisms. Continuous exposure of freshwater organisms to AOM leads to adverse effects that sometimes cannot be traced with standard toxicity methods such as standard toxicity testing or biodiversity indices. Among these effects of AOM are selective or mutagenic effects that cause impaired species genetic diversity. Thus, the correlation between different levels of AOM and genetic diversity of species is still poorly understood. However, it can be explored by applying population genetics screening.
In Chapter 1 of this thesis, background information on environmental pollution, genetic screening, and the detection of evolutionary-relevant AOM effects in freshwater organisms are described and the thesis goals are identified. The main goal of the thesis is to study whether AOM exposure occurring in European rivers causes a significant evolutionary footprint in freshwater species and leads to a selection of more tolerant geno-and phenotypes. Therefore, population genetics indices together with high-resolution chemical exposure screening of a widespread indicator invertebrate species, Gammarus pulex (Linnaeus, 1758), living in polluted and pristine European rivers were investigated.
In Chapter 2, the development of a genetic screening method for G. pulex (microsatellites) is described. Due to genetic differentiation and the presence of morphologically cryptic lineages, the available sets of target loci do not enable a reliable population genetic characterization of G. pulex from central Germany. Thus, a novel set of microsatellite loci for a high-precision assessment of population genetic diversity was here applied. Eleven loci were first identified and thereafter amplified in G. pulex from three rivers. The new loci reliably amplified and indicated polymorphisms in the studied amphipods. The amplification resulted in the successful identification of genetically distinct populations of G. pulex from the analyzed rivers. Moreover, the microsatellite loci were amplified in other genetic lineages of G. pulex and another Gammarus species, G. fossarum, promising a broader applicability of the loci in related amphipod species.
In Chapter 3, the effects of AOM on species genetic differentiation and sensitivity to toxic chemicals in a typical central European river with pristine and AOM-polluted sections was investigated. The river’s site-specific concentrations of AOM were assessed by chemical analysis of G. pulex tissue and water samples. To test, whether different levels of AOM in the river select for pollution-dependent genotypes, the genetic structure of G. pulex from the river was analyzed. Finally, the toxicokinetics of and sensitivity to the commonly used insecticide imidacloprid were determined for amphipods sampled at pristine and polluted sections to assess whether various levels of AOM in the river influence sensitivity of G. pulex to imidacloprid. The results indicated that different levels of AOM did not drive genetic divergence of G. pulex within the river but led to an increased sensitivity of exposed amphipods to imidacloprid. The amphipods living in polluted river sections were more sensitive to the insecticide due to chronic exposure to toxic levels of AOM.
In Chapter 4, the relationship between site-specific pollution levels of AOM and genetic diversity parameters of G. pulex was analyzed at the regional scale within six rivers in central Germany. The genetic structure of G. pulex in the studied area was tested for relatedness to the waterway distance between sites. Gammarus pulex genetic diversity parameters, including allelic richness and inbreeding rate, were tested against environmental pollution parameters using linear mixed-effect- and structural-equation models. According to the results, G. pulex genetic diversity parameters were significantly associated with the detected AOM levels. At sites with high concentrations of AOM and toxicity potential G. pulex showed reduced genetic diversity and increased rates of inbreeding. These results suggest that AOM play a major role in shaping the genetic diversity of G. pulex in rivers.
According to the findings presented here, the applied microsatellites can be used to successfully detect changes in genetic patterns in freshwater amphipods facing increased levels of AOM. The findings indicate that levels of AOM representative for European rivers do not lead to the separation of genotypes among G. pulex as the connectivity between sites majorly contributes to species’ genetic structure. However, the chronic exposure to increased levels of toxic AOM leads to a reduction of species genetic diversity and increases the sensitivity of G. pulex to the toxic chemical effects.
In welchen Situationen steht ein Tier unter Stress und wie beeinflusst Stress dessen Wohlbefinden? Dies sind die Kernfragen, mit denen Zoos konfrontiert sind, wenn es darum geht, den Bedürfnissen ihrer Tiere gerecht zu werden. Die Beantwortung dieser Fragen ist jedoch angesichts der großen individuellen Variabilität des Inputs, der Stress hervorrufen kann,und des Outputs, der das Wohlbefinden bestimmt, eine Herausforderung. Um diese Herausforderung zu meistern, brauchen Zoos Kenntnisse darüber, welche Haltungsbedingungen und Managementsituationen Verhaltens-, physiologische oder emotionale Veränderungen hervorrufen, sowohl positive als auch negative. Dies trifft insbesondere auf Arten zu, die aufgrund ihrer Biologie und des großen öffentlichen Interesses große Anforderungen an das Management in Menschenobhut stellen, wie den Afrikanischen Elefanten. Die vorliegende Arbeit hatte daher das Ziel, unter Berücksichtigung der individuellen Variation die Auswirkungen bestimmter Managementsituationen auf physiologischen Stress und das Wohlbefinden der Tiere zu evaluieren.
Für diese Arbeit wurden zehn Afrikanische Elefanten aus drei Zoos im Rahmen eines Experiments in 2016 und 2017 mehrmals untersucht. Dieses Experiment umfasste zum einen die Messung von physiologischem Stress auf der Basis der Konzentration des „Stresshormons“ Cortisol im Speichel der Elefanten. Zu diesem Zweck wurden an bestimmten Tagen und zu folgenden Zeitpunkten Speichelproben entnommen: morgens, nachmittags vor und mehrmals nach einer von zwei Managementsituationen (positives Verstärkungstraining [PRT] und neuartiges Enrichmentobjekt [NOV]). Zum anderen diente die Exposition gegenüber dem neuartigen Enrichmentobjekt als sogenannter Novel Object Test. Dieser Standardtest der Persönlichkeitsforschung bei Tieren deckte bei anderen Arten konsistente Verhaltensunterschiede zwischen Individuen auf. Um zu untersuchen, ob dies auch auf Afrikanische Elefanten zutrifft, wurden die individuellen Verhaltensreaktionen auf das neuartige Objekt aufgezeichnet. Darüber hinaus wurden unabhängig von dem Experiment vor und nach einem Transport jeweils morgens und nachmittags Speichelproben von dem transferierten Tier und von zwei Tieren im Bestimmungszoo gesammelt, um den Effekt dieses potenziellen Stressors auf die individuellen Cortisolspiegel zu untersuchen.
Publikation A zeigt, dass die Elefanten unter den Bedingungen des Routinemanagements (das heißt dem routinemäßigen Tagesablauf der Tierpflege) am Morgen signifikant höhere Cortisolwerte im Speichel aufwiesen als am Nachmittag. Diese diurnale Variation der Cortisolsekretion ist typisch für tagaktive Arten und wurde daher auch für die untersuchten Elefanten erwartet. Unter Stressbedingungen wurde weder ein signifikanter Unterschied zwischen den Cortisolspiegeln vor und nach dem Transport noch zwischen den Cortisolwerten am Morgen und am Nachmittag festgestellt. Der prozentuale Unterschied zwischen dem morgendlichen und nachmittäglichen Cortisolspiegel war jedoch beim transferierten Tier nach dem Transport wesentlich geringer als vor dem Transport, was möglicherweise auf eine Stressreaktion auf den Transport und die Eingewöhnung im neuen Zoo hindeutet. Darüber hinaus zeigten sich deutliche Cortisolanstiege unmittelbar nach der ersten Zusammenführung des transferierten Tiers mit dem Bullen im neuen Zoo. Dieses Ergebnis demonstriert zum einen, dass Cortisol physiologischen Stress widerspiegelt. Zum anderen zeigt es die Notwendigkeit, zeitnah nach einem Stressor Speichelproben zu entnehmen, was nach dem Transport nicht möglich war.
Die Studie in Manuskript B zeigt unterschiedliche durchschnittliche Zeitverläufe der Cortisolantworten im Speichel auf die Managementsituationen PRT und NOV. PRT könnte aufgrund des beobachteten cortisolsenkenden und damit potenziell stresspuffernden Effekts förderlich für das Wohlbefinden sein. NOV induzierte im Mittel eine moderate, kurzfristige Cortisolantwort. Dies deutet darauf hin, dass die Tiere geringem physiologischem Stress ausgesetzt waren, mit dem sie jedoch erfolgreich umgehen konnten. Außerdem bestand eine bemerkenswerte individuelle Variation in den Cortisolverläufen in derselben Situation. Die Unterschiede im Cortisolspiegel zwischen den Tieren hingen mit dem Alter (bei NOV) und dem Zoo (bei PRT) zusammen. Der Effekt des Geschlechts und des Haltungssystems auf den Cortisolspiegel war hingegen variabel. Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass die individuelle Variation der Cortisolsekretion unbedingt berücksichtigt werden muss, um physiologischen Stress zuverlässig zu erkennen.
Die Studie in Manuskript C ergab, dass sich die untersuchten Tiere im Novel Object Test konsistent in ihrem Verhalten gegenüber einem neuartigen Objekt unterschieden. Dieses Ergebnis zeigt, dass der Novel Object Test auch bei Elefanten genutzt werden kann, um die Persönlichkeit der Tiere zu untersuchen...
Non-ribosomal peptide synthetases (NRPSs) are modular biosynthetic megaenzymes producing many important natural products and refer to a specific set of peptides in bacteria’s and fungi’s secondary metabolism. With the actual purpose of providing advantages within their respective ecological niche, the bioactivity of the structurally highly diverse products ranges from, e.g., antibiotic (e.g., vancomycin) to immunosuppressive (e.g., cyclosporin A) to cytostatic (e.g., echinomycin or thiocoralin) activity.
An NRPS module consists of at least three core domains that are essential for the incorporation of specific substrates with the 'multiple carrier thiotemplate mechanism' into a growing peptide chain: an adenylation (A) domain selects and activates a cognate amino acid; a thiolation (T) domain shuffles the activated amino acid and the growing peptide chain, which are attached at its post-translationally 4ʹ-phosphopantetheine (4'-PPant) group, between the active sites; a condensation (C) domain links the upstream and downstream substrates. NRPS synthesis is finished with the transfer of the assembled peptide to the C-terminal chain-terminating domain. Accordingly, the intermediate is either released by hydrolysis as a linear peptide chain or by an intramolecular nucleophilic attack as a cyclic peptide.
The NRPS’s modular character seems to imply straightforward engineering to take advantage of their features but appears to be more challenging. Since the pioneering NRPS engineering approaches focused on the reprogramming and replacement of A domains, several working groups developed advanced methods to perform a complete replacement of subdomains or single or multiple catalytic domains.
The first part of this work focusses parts of the publication with the title 'De novo design and engineering of non-ribosomal peptide synthetases', which follows up assembly line engineering with the development of a new guideline. Thereby, the pseudodimeric V-shaped structure of the C domain is exploited to separate the N-terminal (CDSub) and C-terminal (CASub) subdomains alongside a four-AA-long linker. This results in the creation of self-contained, catalytically active CASub-A-T-CDSub (XUC) building blocks. As an advantage over the previous XU concept, the characteristics (substrate- and stereoselectivity) assigned to the C domain subunits are likewise exchanged, and thus, no longer represent a barrier. Furthermore, with the XUC concept, no important interdomain interfaces are disrupted during the catalytic cycle of NRPS, allow to expect much higher production titers. Moreover, the XUC concept shows a more flexible application within its genus origin of building blocks to create peptide libraries. Additionally, with this concept only 80 different XUC building blocks are needed to cover the entire proteinogenic amino acid spectrum.
The second part of this work addresses the influence of the C domain on activity and specificity of A domains. In a comprehensive analysis, a clear influence of different C domains on the in vitro activation rate and the in vivo substrate spectrum could be observed. Further in situ and in silico characterizations indicate that these influences are neither the result of the respective A domains promiscuity nor the C domain’s proofreading, but due to an 'extended gatekeeping' function of the C domain. This novel term of an 'extended gatekeeping' function describes the very nature of interfaces that C domains can form with an A domain of interest. Therefore, the C-A interface is assumed to have a more significant contribution to a selectivity filter function.
The third part of this work combines the NRPS engineering with phylogenetic/evolutionary perspectives. At first, the C-A interface could be precisely defined and further identified to encode equivalent information corresponding to the complete C-A didomain. Moreover, the comparison of NRPSs topology reveals hints for a co-evolutionary relatedness of the C-A didomain and could be shown to reassemble even after separation. In this regard, based on a designed CAopt.py algorithm, the reassembling-compatibility of hybrid interfaces could be determined by scoring of the co-expressed NRPS hybrids. This algorithm also enables the randomization of the interface sequences, thus, leading to the identification of more functional interface variant, which cause significantly higher peptide production and could even be applied to other native and hybrid interfaces.
Ischemic heart disease caused by occlusion of coronary vessels leads to the death of downstream tissues, resulting in a fibrotic scar that cannot be resolved. In contrast to the adult mammalian heart, the adult zebrafish heart can regenerate following injury, enabling the study of the underlying cellular and molecular mechanisms. One of the earliest responses that take place after cardiac injury in adult zebrafish is coronary revascularization. Previous transcriptomic data from our lab show that vegfc, a well-known regulator of lymphatic development, is upregulated early after injury and peaks at 96 hours post cryoinjury, coinciding with the peak of coronary endothelial cell proliferation. To test the hypothesis that vegfc is involved in coronary revascularization, I examined its expression pattern and found that it is expressed by coronary endothelial cells after cardiac damage. Using a loss-of-function approach to block Vegfc signaling, I found that it is required for coronary revascularization during cardiac regeneration. Notably, blocking Vegfc signaling resulted in a significant reduction in cardiomyocyte regeneration. Using transcriptomic analysis, I identified the extracellular matrix component gene emilin2a and the chemokine gene cxcl8a as effectors of Vegfc signaling. During cardiac regeneration, cxcl8a is expressed in epicardium-derived cells, while the gene encoding its receptor cxcr1 is expressed on coronary endothelial cells. I found that overexpressing emilin2a increases coronary revascularization, and induces cxcl8a expression. Using loss-of-function approaches, I observed that both cxcl8a and cxcr1 are required for coronary revascularization after cardiac injury.
Altogether, my findings indicate that Vegfc acts as an angiocrine factor that plays an important role in regulating cardiac regeneration in zebrafish. Mechanistically, Vegfc promotes the expression of emilin2a, which promotes coronary proliferation, at least in part by enhancing Cxcl8a-Cxcr1 signaling. This study helps in understanding the mechanisms underlying coronary revascularization during cardiac regeneration, with promising therapeutic applications for human heart regeneration.
Die Vorläuferform der eukaryotischen mRNA (prä-mRNA) durchläuft, eine Reihe von Prozessierungs-Schritte, die schließlich zu der Synthese einer „reifen“ und Exportkompetenten mRNA führt. prä-mRNA Spleißen ist ein essentieller Teilschritt dieser Reifung bei der intragene Sequenzen, sogenannte Introns, von der prä-mRNA entfernt werden, während Exons legiert werden. Das prä-mRNA Spleißen wird durch das Spleißosom katalysiert. Dieser Mega-Dalton Komplex, besteht aus fünf Sub-Komplexen, die sich wiederum aus katalytisch aktiven „kleinen nukleären Ribonukleinsäuren“ (snRNAs) und einer Vielzahl von proteinogenen Faktoren zusammensetzen. Diese Subkomplexe, bezeichnet als snRNPs (small nuclear Ribonucleoprotein Particles), binden die prä-mRNA an charakteristischen Sequenzen und richten die prä-mRNA durch eine Reihe von Konformations-Änderungen so aus, dass benachbarte Exons in Kontakt treten und über eine biochemische Ligations-Reaktion verbunden werden können.
Die Exon- bzw Intronerkennung der snRNPs wird durch zahlreiche Spleißfaktoren reguliert. Eine Proteinfamilie, die essentiell für die Regulierung des Spleißens ist, sind Serin/Arginin-reiche Proteine (SR-Proteine). Diese binden vorzugsweise an das 3‘ oder 5’ Ende von Exons, rekrutieren snRNPs und stimulieren dadurch die Exon-Inklusion. Durch diese Stimulierung können Spleiß-Events reguliert und gezielt spezifische Exons ausgeschlossen oder eingeschlossen werden. Dieser Prozess, der als alternatives Spleißen (AS) bezeichnet wird, tritt in 95% des menschlichen Transkriptoms auf und erweitert die Diversität eines Organismus, da verschiedene Transkripte von demselben Gen erzeugt werden können und folglich die Translation unterschiedlicher Proteine mit distinkten Funktionen ermöglicht wird.
Darüber hinaus verfügt die Zelle durch das AS über eine weitere posttranskriptionale Genregulationsebene, die insbesondere unter zellulären Stressbedingungen zur Expression von alternativen Protein-Isoformen von der Zelle genutzt wird. Eine in medizinischer Hinsicht besonders relevante Stressbedingung ist die sogenannte Hypoxie, die eine Sauerstoff-Unterversorgung von Zellen oder Gewebebereichen beschreibt. Hypoxie bzw. hypoxische Bereiche finden sich in Krebszellen und treten in 90% aller soliden Tumoren auf. Als Teil der Hypoxie Stress-Antwort, verfügt die Zelle über einen Adaptations-Mechanismus, der durch Hypoxieinduzierbare Faktoren (HIF) vermittelt wird. Diese Faktoren induzieren die Transkription zahlreicher Gene und stimulieren die Expression von Stressfaktoren, die an der zellulären Adaption der Hypoxie beteiligt sind. Einer dieser Faktoren ist der vaskuläre endotheliale Wachstumsfaktor A (VEGFA), welcher unter hypoxischen Bedingungen sekretiert wird und dadurch die Proliferation von Endothelzellen, die Neubildung von Blutgefäßen und damit die Vaskularisation des hypoxischen Bereichs stimuliert.
Die zelluläre Anpassung ist jedoch nicht nur auf die transkriptionelle Regulation des HIF-vermittelten Hypoxie Signalwegs beschränkt, sondern wird auf multiplen Genexpressions-Ebenen reguliert. Obwohl bekannt ist, dass tausende Transkripte unter hypoxischen Bedingungen alternativ gespleißt werden, sind die Faktoren, die die zelluläre Stress-Antwort durch AS regulieren, sowie deren molekularer Mechanismus jedoch weitestgehend unbekannt.
Diese Arbeit umfasst die Identifizierung und Charakterisierung von AS Events, sowie den Einfluss und die Regulation von Spleißfaktoren auf AS unter hypoxischen Bedingungen. Hierzu führten wir globale Genexpressions- und AS-Analysen in HeLaKarzinomzelllinien unter Normoxie (21% O2) und Hypoxie (0.2% O2) durch und zeigen, dass 7962 Gene nach 24h Hypoxie unterschiedlich exprimiert werden. Über AS-Analysen konnten 4434 Transkripte identifiziert werden, die bei Hypoxie über AS reguliert sind. Dabei trat „Exon-Skipping“ als das am häufigsten auftretende AS-Events auf. Über PCR basierte Validierungs-Experimente konnten 5 regulierte Transkripte nachgewiesen werden. Dabei weisen Exon 3 und 4 in BORA, Exon 6 in MDM4 und Exon 4-5 in CSSP1 Exon-Skipping Events auf, während Exon-Inklusionen in CEP192 Exon 28 und in der 3’UTR von EIF4A2 validiert werden konnten.
Darüber hinaus wurde im Rahmen der AS-Analyse die Regulation des sogenannten „backsplicings“ bei Hypoxie untersucht. Im Gegensatz zum linearen Spleißens, wird beim backsplicing das 5’Ende und das 3’Ende von Exons verbunden, was die Bildung von sogenannten zirkulären RNAs (circRNAs) zufolge hat. Obwohl nur wenige Funktionen dieser RNA-Klasse bekannt sind, wurde die Regulation von circRNAs während der Zell-Differenzierung sowie in diversen Krebszellen beschrieben. Dabei können circRNAs als microRNA- oder Protein-Schwämme fungieren oder dienen als Protein-Interaktion Plattform und regulieren dabei die Genexpression.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene metabolische Anpassungsmechanismen des humanpathogenen Bakteriums Acinetobacter baumannii an seinen Wirt untersucht. Im ersten Teil wurde die Rolle von verschiedenen Trimethylammoniumverbindungen (Cholin, Glycinbetain und Carnitin) und den zugehörigen Aufnahmesystemen, sowie ihren Stoffwechselwegen während dieses Prozesses analysiert. Für die Analyse der Transportsysteme wurde eine markerlose Vierfachmutante (Δbcct) von A. baumannii generiert, sodass alle bekannten Transportsysteme für die genannten Verbindungen deletiert vorlagen. Wachstumsversuche mit dieser Mutante zeigten, dass es in A. baumannii keine weiteren Transporter für die Aufnahme von Cholin gibt, jedoch weitere primär aktive oder sekundär aktive Transporter für die Aufnahme von Glycinbetain. Weiterhin konnten innerhalb dieser Arbeit die KM-Werte der Transporter bestimmt werden. Verschiedene Virulenz- und Infektionsanalysen führten zu dem Schluss, dass die Transporter keine Rolle bei der Virulenz von A. baumannii spielen. In Genomanalysen konnten die Gene, die für die Enzyme des Oxidationsweges von Cholin zu Glycinbetain kodieren identifiziert werden (Cholin-Dehydrogenase (betA), GlycinbetainAldehyd-Dehydrogenase (betB) und ein potenzieller Regulator (betI)). Es wurden Deletionsmutanten innerhalb dieses Genclusters generiert, mit dessen Hilfe gezeigt werden konnte, dass Cholin unter Salzstress ausschließlich als Vorläufer für das kompatible Solut Glycinbetain fungiert und nicht als kompatibles Solut von A. baumannii genutzt werden kann. Virulenz- und Infektionsstudien mit den Deletionsmutanten zeigten, dass der Cholin-Oxidationsweg keine Rolle bei der Virulenz von A. baumannii spielt.
Die Cholin-Dehydrogenase BetA wurde zusätzlich in E. coli produziert und anschließend mittels NiNTA-Affinitätschromatographie aufgereinigt. Die biochemische Charakterisierung des Enzyms zeigte, dass BetA membranständig ist und die höchste Aktivität bei einem pH-Wert von 9,0 hat. Salze wie NaCl oder KCl hatten keinen Effekt auf die Aktivität des Enzyms, während Glutamat die Aktivität stimulierte.
Weiterhin konnte FAD als Cofaktor identifiziert werden und der KM-Wert ermittelt werden. Zudem konnte gezeigt werden, dass die Oxidation von Cholin zu Glycinbetain unter isoosmotischen Bedingungen zu einem Anstieg der ATP-Konzentration in A. baumannii-Zellsuspensionen führt und damit, dass Cholin als alternative Energiequelle genutzt wird. Das Phospholipid Phosphatidylcholin konnte als natürliche Cholinquelle identifiziert werden. Eine Rolle der Phospholipasen D bei der Abspaltung der Cholin-Kopfgruppe des Phosphatidylcholins konnte ausgeschlossen werden. Die Gene für die Oxidation von Cholin zu Glycinbetain werden ausschließlich in Anwesenheit von Cholin exprimiert, jedoch unabhängig von der extrazellulären Salzkonzentration. Diese Studien zeigten, dass der Cholin-Oxidationsweg eine Rolle in der metabolischen Adaptation von A. baumannii an den Wirt spielt. Phosphatidylcholin kann hier als natürliche Cholinquelle im Wirt genutzt werden, da die Wirtsmembranen aus bis zu 70 % Phosphatidylcholin bestehen. Transportstudien mit Carnitin führten zu dem Schluss, dass der Transporter Aci01347 aus A. baumannii neben Cholin ebenfalls Carnitin transportiert. Wachstumsversuche mit einer aci01347-Mutante bestätigen, dass Aci01347 essenziell für die Aufnahme und anschließende Verwertung von Carnitin als Kohlenstoffquelle ist. Es konnte weiterhin gezeigt werden, dass das Transportergen mit essenziellen Genen für den Carnitin-Abbau in einem Operon liegt. Für die Analyse des Abbauweges von Carnitin wurden markerlose Deletionsmutanten innerhalb des Operons generiert. In Wachstumsstudien mit diesen Mutanten konnte der Abbauweg aufgeklärt werden und der Regulator des Operons identifiziert werden. Carnitin wird hier über Trimethylamin und Malat-Semialdehyd zu D-Malat umgewandelt und anschließend über Pyruvat in den TCA-Zyklus eingespeist. Der Regulator wurde zusätzlich in E. coli produziert und mittels Ni-NTA-Affinitätschromatographie aufgereinigt. Mithilfe von EMSA-Studien konnte die Bindestelle des Regulators auf eine 634 Bp lange DNA-Sequenz stromaufwärts des CarnitinOperons eingegrenzt werden. Durch Transkriptomanalysen konnte gezeigt werden, dass bei Wachstum mit Acetylcarnitin, Carnitin und D-Malat die Expression des Carnitin-Operons induziert wurde. Darüber hinaus wurden die Gene konservierter Aromatenabbauwege wie z. B. des Homogentisatweges, des Phenylacetatweges und des Protocatechuat-Abbaus, verstärkt exprimiert. In G. mellonellaVirulenzstudien konnte eine Rolle des Abbaus von Carnitin bei der Virulenz von A. baumannii nachgewiesen werden. Zusätzlich konnte dieser Effekt dem entstehenden Trimethylamin zugesprochen werden...
Macroautophagy, herein referred to as autophagy, is an evolutionarily conserved homeostatic process that normally occurs inside eukaryotic cells which involves degradation of cytoplasmic substances via lysosomes. It can be induced by various conditions such as starvation and drug exposure, as well as be inhibited by numerous compounds. Under normal conditions, the doublemembrane autophagosomes engulf the cytosolic substrates and deliver them to lysosomes for digestion. These substrates include unnecessary or dysfunctional cell components, such as faulty macromolecules, organelles and even invading pathogens. Autophagosomes are formed through the co-operative work of various autophagy-related (ATG) proteins organized into complexes. Upon closure of the autophagosomes, they fuse with the acidic lysosomes, resulting in formation of autolysosomes and the delivery of lysosomal hydrolases to degrade the engulfed contents. The fusion of the autophagosome with lysosome is carried out by specific SNARE proteins, small GTPases and their effectors including tethers, adaptors and motor proteins. Autophagy is impaired in many human diseases including cancer, neurodegenerative diseases, aging and inflammation. Therefore, manipulation of autophagy pathway holds a great promise for new therapeutic applications ...
In Europe, the sugar refinery is largely based on sugar beets. This route for obtaining household sugar results in a large amount of biomass waste, consisting mainly of the insoluble beet resi-dues, e.g., cell wall fragments. To a vast moiety this debris consists of the polymer pectin (up to 20% in the dry total solids). The structure of pectin is based on a backbone of D-galacturonic acid units (GalA), but also contains various other sugar monomers, predominantly L-arabinose, D-galactose, L-rhamnose and D-xylose. The amount of GalA adds up to a moiety of up to 70% with-in this sugar cocktail. So far, this debris is only fed to cattle or simply burnt. In nature, pectin is a common substrate for various organisms. The degradation of pectin-rich biomass is often per-formed by filamentous fungi like Hypocrea jecorina (also known as Trichoderma reesei) and As-pergillus niger, which evolved pectinases to degrade the pectin backbone and pathways to con-sume the monomer GalA as a sole carbon source. The fungal catabolism of pectin residues starts with the reduction of GalA to L-galactonate (GalOA) by a GalA-reductase. Even though filamen-tous fungi are native hosts of the GalA-catabolism and certain engineering approaches have al-ready been demonstrated, this class of organisms remains challenging with regard to bioreactor cultivation and tedious genetic accessibility. In contrast, the yeast S. cerevisiae is well known in fermentation processes and easily modified by a versatile set of genetic tools. So far, first ap-proaches have already been conducted to transfer the GalA utilization pathways into S. cerevisiae, but these approaches indicated limitations regarding GalA-uptake and redox cofac-tor replenishment due to the relatively high oxidative state of GalA compared to other sugars like glucose and galactose. Furthermore, the generally strongly increased demand for redox co-factors must be met by GalA reduction by finding new cofactor sources or redirecting reactions of the core metabolism.
This work aimed at the production of GalOA, which is the first intermediate of the fungal GalA catabolism. This compound shows an interesting range of potential applications, for instance as a food and cosmetic additive. To overcome the oxidized character of GalA, the presence of a more reduced co-substrate as a redox donor and as a carbon and energy source was required. To further enhance the reduction of GalA, modulation of the redox-cofactor supply and enzyme engineering were performed.
The Southern Ocean (SO) is one of the most pristine regions of our Planet, characterised by high levels of biodiversity (5% of the global diversity) (David and Saucède 2015) and hosting a unique fauna (up to 90% of SO species are endemic) (De Broyer and Danis 2011; Chown et al. 2015). Yet, the knowledge on SO biodiversity is still far from being completed. In addition, the knowledge on the impact that changing environments have on SO species-richness is very little and for some groups, it is still totally unknown. For instance, most of studies generally focus on one single species such as Antarctic krill (Kawaguchi et al. 2011), Clio pyramidata Linnaeus, 1767 (Orr et al. 2005), Globigerina bulloides d'Orbigny, 1826 (Moy et al. 2009), or only on a high taxonomic level (e.g. phylum, class): Echinodermata, Crustacea, Mollusca, Porifera, Bryozoa, Brachiopoda, Hydrozoa, Ascidiacea, Holoturoidea
(Barnes 1999; Rowden et al. 2015; Post et al. 2017; Gutt et al. 2019; Vause et al. 2019; Pineda-Metz et al. 2020). Ultimately, the influence of sea-ice coverage on benthic species diversity was totally unknown prior to this study. In light of this, the objectives of the thesis are:
1. To expand the knowledge on shelf and deep-sea peracarid assemblage structure and abundance on a small regional (Weddell Sea) and on a large regional (Atlantic sector of the SO and South Atlantic Ocean) geographic scale.
2. To assess the environmental variables driving peracarid assemblage structure and abundance from the above mentioned areas.
3. To investigate SO benthic isopod species diversity from the Atlantic sector of the SO and assess the influence of environmental variables on their species-richness and composition.
4. To describe new possible peracarid species by means of integrative taxonomy, using morphological descriptions and whole genome sequencing analyses to support the species identification.
Objective outcomes: The present thesis provides new information on the abundance and assemblage structure based on 64766 peracarid crustaceans from different 28 locations within the Atlantic sector of the SO continental shelf and deep sea (Chapters I-II). These locations are characterised by different environmental conditions, for instance different sea-ice concentrations. Results from Chapters I-II confirmed the dominance of peracarid assemblages in the benthos, with amphipods being the most abundant group, followed by isopods. Sea ice was identified as the main driver shaping benthic peracarid assemblage structure (Chapter I). On a larger geographic scale and wider bathymetric range (e.g. including sampling locations from previous studies performed in the South Atlantic Ocean
and at a depth range from 160 to ~6000 m), depth was the main physical variable driving peracarid assemblage structure (Chapter III). In addition, 16157 isopod specimens from the Atlantic sector of the SO were identified to species level at a smaller scale (Chapter IV). In this case, sea ice was identified as the main physical driver affecting isopod diversity and composition among sampling locations (Chapter IV). Reduced concentration of sea ice
causes a decrease in isopod biodiversity, thus climate change was identified as a huge threat for this taxon and for SO benthos in general. During the identification process, two new isopod species were discovered (Chapter V). The two new species (Notopais sp.1 n. sp. and Notopais sp.2 n. sp.) were accurately described and identified by means of integrative taxonomy. This provided the first whole genome sequencing of benthic isopods from the SO and the first complete mitochondrial genome of the genus Notopais (Chapter V). Thanks to the collaboration with the University of Genoa (Dipartimento di Scienze della Terra dell'Ambiente e della Vita, DISTAV, Italy) and the National Antarctic Museum (MNA) in Genoa, two new SO species of the suborder Valvifera G. O. Sars, 1883 were described by means of classical taxonomy. In this case, a molecular approach could not be used because both new species were represented by a single specimen, therefore it was important to preserve the integrity of the holotypes (Chapters VI-VII).
Generally speaking, protein import into mitochondria and chloroplasts is a post-translational process during which the precursor proteins destined for mitochondria or chloroplasts are translated with cytosolic ribosomes and targeted. The previous results showed that the isolated chloroplasts can import in vitro synthesized proteins and the absence of ribosomes in the immediate area around chloroplasts in electron microscopy (EM) images. However, none of the EM images were recorded in the presence of a translation elongation inhibitor. Also, the observation showed that ribosomes stably bind to purified liver mitochondria in vitro, and the first indication of chloroplast localization of mRNAs encoding plastid proteins in Chlamydomonas rheinhardtii, which challenge the post-translational import and support the co-translational process. Therefore, in this study, the association of the ribosomes to the isolated chloroplasts were analyzed, a binding assay was established and showed that naked ribosomes are not considerably bound to chloroplasts. Additionally, mRNA localize in close vicinity to mitochondria also challenged post-translation protein import. Global analysis of transcripts bound to mitochondria in yeast or human revealed that around half of the transcripts of mitochondrial proteins displayed a high mitochondrial localization. The observed association of mRNAs with chloroplast fractions and the in vivo analysis of the distribution of mRNAs was used as base to formulate the hypothesis that mRNA can bind to chloroplast surface. Therefore, in this study, the mRNA binding assay was established and revealed that mRNAs coding for the mitochondrial cytochrome c oxidase copper chaperone COX17 showed unspecific binding to the chloroplasts. The mRNA coding for chloroplast outer envelope transport protein OEP24 and mRNA coding for the essential nuclear protein 1 (ENP1) showed specific binding, and OEP24 has a 3-fold higher affinity than ENP1 mRNA. Moreover, the BY2-L (Nicotiana tabacum non-green cell culture) could confer the highest enhancement of OEP24 mRNA binding efficiency than the COX17 and ENP1 mRNA and the preparation of the BY2-L was optimized. Afterwards, the feasibility to fix the interaction between mRNA and the proteins on the surface of chloroplasts was confirmed. OEP24 mRNA showed more efficiency in the UV-crosslinking. Following, the pull-down with antisense locked nucleic acid (LNA)/DNA oligonucleotides was established which could be used for the further investigation of the proteins involved in the mRNA binding to the chloroplasts.
Plastic pollution is a pervasive problem. In the environment, both the physical and chemical aspects of the material contribute to pollution. For instance, discarded plastic is useless waste that is fragmented upon degradation and so-called microplastics <5 mm are formed. Besides, the chemicals added into plastics are usually customized for specific functions, but these can easily transfer from the polymer into an ambient medium. This work examined both of these aspects. Moreover, the question of whether ecotoxicological effects are more likely to appear because of the microparticle properties or the chemicals transferring from the microplastics was addressed. A special focus was laid on the UV-weathering-induced chemical release.
First, conventional and biodegradable plastics made from fossil and bio-based resources were chosen. The different materials (pre-production and recycled pellets as well as final products)were weathered and their leachates evaluated in vitro. The leachates were analyzed with nontarget screening in order to measure the number of transferred chemicals. Plastics identified as toxic were subjected to further investigations in vivo. A biodegradable shampoo bottle was processed to microplastics and the particles’ physical and chemical properties were assessed with the freshwater worm Lumbriculus variegatus. Here, commonly used endpoints such as mortality, reproduction and weight were tested via different exposure routes. Moreover, the freshwater shrimp Neocaridina palmata was exposed to microplastic beads and fragments to clarify if the shape of the particles affects the ingestion and egestion, respectively. Thereafter, two materials that displayed the strongest toxic responses in vitro within the first study were weathered and leached. Finally, the shrimps were exposed to the leachates and the locomotor behavior was used as an ecologically relevant but less frequently studied endpoint.
The results of the studies highlight that plastics are chemically complex mixtures, containing a wide range of chemicals in terms of the number and functionality. These chemicals induced oxidative stress, baseline toxicity and endocrine activities. This shows that pellets represent a processing state that comprises chemically heterogenous materials. Moreover, it was shown that a degradation initiator is not necessarily relevant to trigger inherent substances to leach out from plastics. Despite this, the UV-weathering resulted in increasingly released chemicals and exacerbated the in vitro toxicities. Even plastics assessed as toxicologically harmless prior to weathering released toxic chemical mixtures once they were weathered. One recycled and all of the biodegradable plastics were toxicologically most concerning. This means that such materials are currently not better than conventional, virgin plastics in terms of their toxicity.
To clarify the source of the microplastic toxicity, L. variegatus was exposed to biodegradable microplastics. The particles were ingested by the worms and adversely affected the examined endpoints. In comparison, microplastics that were depleted from their chemicals via a solvent treatment were less toxic. Kaolin as a natural particle control was evaluated alongside and positively affected the weight of the worms. This emphasizes the ecological relevance of fine-sized matter for the test species. The chemicals extracted from the microplastics induced a 100% mortality. A chemical analysis of the material revealed two ecotoxicologically relevant biocides. The physically-mediated effects of the microplastics seemed to be less of a concern for the worms, which is probably linked to their adaptation to high concentrations of naturally occurring particles in the environment. However, the effects related to the chemicals of plastic cannot be ignored, especially for materials that are claimed to be environmentally friendly.
In the third study, the role of the particle shape in the gut passaging of N. palmata was studied. While the particle size was a determinant factor for the ingestion, the ingestion and egestion of the beads and fragments did not differ, respectively. The shrimps ingested less fragments when food was provided than in the absence of food. As for the worms, the shrimps are known to ingest many naturally occurring particles. Their unselective feeding behavior towards the particle shape could indicate that microplastics as a physical pollutant are negligible for the shrimps. That is why the chemicals of the two most toxic in vitro materials were tested with N. palmata. However, no trend towards elevated or reduced movements of the shrimps was observed, even though the leachates contained baseline toxicants. This shows that the in vitro toxicities of plastics are not necessarily indicative for effects to occur at the in vivo level...
Until quite recently, stem cell technology mainly focused on pure populations of embryonic stem cells (ES) derived from the inner cell mass of the blastocyst and induced pluripotent stem cells (iPS). Using organoids, a newly established culture technique, it is now possible to culture also organ and patient-specific adult stem (AS) and induced pluripotent stem (IPS) cells in vitro. Furthermore, it has been shown that adult stem cells, grown as organoids, are genetically stable, proliferate and maintain their multi-potency (often a bi-potency) for months. This is possible by providing conditions that recapitulate the stem cell niche of the corresponding organ. Particularly, defined growth factors and a physiological scaffold, which is provided by an extracellular matrix (ECM). Because of increasing research activities, organoids became influential in the recent years. Wide-ranging interest also led to a clearer definition: organoids must contain multiple organ-specific cell types, must be able to recapitulate some organ specific functions, and the cells must be spatially organized in a way similar to the organ they are derived from. The excitement about organoids is based on their high potential as a model to understand wound healing, cellular behaviour and differentiation processes in organogenesis. Furthermore, high potential in the drug development and in personalized stem cell therapeutic approaches has been shown. Specifically, for personalized stem cell therapy, one potential application is for chronic autoimmune diseases such as Diabetes type 1 (T1D). T1D is characterized by the immune-mediated destruction of ß-cells in the Pancreas that leads to absolute insulin deficiency. In T1D the first-line therapeutic approach is exogenous insulin replacement therapy, which always implicates the risk of high fluctuations in blood-sugar levels and therefore the risk of hypoglycaemia. Another therapeutic approach is the xenotransplantation of islets from human donors. A successful islet transplantation allows patients a years-long insulin independence. However, the therapeutic value of islet transplantation is highly limited by the availability of organ donors and by the need for chronic administration of immune suppressive medication. The use of pancreas organoids offers a promising alternative as a personalized cell therapeutic approach to treat T1D without the hypoglycaemia risks of the established therapies. In 2013 Meritxell Huch and colleagues established for the first-time organoids from the exocrine, ductal part of the pancreas. These pancreas organoids are characterized by a monolayered, spherical cell epithelium which comprises a liquid filled lumen. In addition, they showed that after transplantation of these cells into immunodeficient mice, they differentiate into ß-cells and cure T1D. However, basic knowledge of the culture growth behaviour is still lacking: to date, no growth parameters are defined and reliable and robust investigation approaches are still missing. Furthermore, basic knowledge about the organoid development and biochemical/biophysical mechanisms that generate the phenotypic structure are not identified. For a clinical approach these parameters are fundamental and therefore must be defined pre-clinically.
The aim of this study is the preclinical characterization of the hPOs...
Interleukin-11 signaling is a global molecular switch between regeneration and scarring in zebrafish
(2022)
The two diametrically opposing outcomes after tissue damage are regeneration and fibrotic scarring. After injury, adult mammals predominantly induce fibrotic scarring, which most often leads to patient lethality. Fibrotic scarring is the deposition of excessive extracellular matrix that matures and hinders tissue function. The scarring response is mainly orchestrated by myofibroblasts, which arise only upon tissue damage, from various cellular origins, including tissue resident fibroblasts, endothelial cells and circulating blood cells. On the contrary, species like zebrafish, possess the remarkable capacity to regenerate their damaged tissues. After injury, instead of inducing a myofibroblast-mediated fibrogenic gene program, cells in these species undergo regenerative reprogramming at the transcriptional level to activate vital cellular processes needed for regeneration, including proliferation, dedifferentiation, and migration. Several pro-regenerative mechanisms have been identified to date. Most of them, if not all, are also important for tissue homeostasis and hence, are not injury specific. Therefore, the central aim of this study is to identify injury-specific mechanisms that not only induce regeneration, but also limit fibrotic scarring.
To test the notion that fibrotic scarring limits regeneration, I first compared the scarring response in the regenerative zebrafish heart after cryoinjury with what is known in the non-regenerative adult mouse heart. I found that zebrafish display ~10-fold less myofibroblast differentiation compared to adult mouse after cardiac injury. With these findings, I hypothesized that zebrafish employ mechanisms to actively suppress scarring response. Using a novel comparative transcriptomic approach coupled with genetic loss-of-function analyses, I identified that Interleukin-6 (Il-6) cytokine family-mediated Stat3 is one such pro-regenerative pathway in zebrafish.
Il-6 cytokine family consists of Il-6, Interleukin-11 (Il-11), Ciliary neurotrophic factor, Leukemia inhibitory factor, Oncostatin M, and Cardiotrophin-like cytokine factor 1. Il-6 family ligands signal through their specific receptors and a common receptor subunit (Il6st or Gp130). Using gene expression analyses after adult heart and adult caudal fin injuries in zebrafish, I identified that both the Il-11 cytokine encoding paralogous genes (il11a and il11b) are the highest expressed and induced among the Il-6 family cytokines. Hence, I chose Il-11 signaling as a candidate pathway for further analysis. To investigate the role of Il-11 signaling, I generated genetic loss-of-function mutants for both the ligand (il11a and il11b) and the receptor (il11ra) encoding genes. Using various tissue regeneration models across developmental stages in these mutants, I identified that Il-11/Stat3 signaling is indispensable for global tissue regeneration in zebrafish.
To investigate the cellular and molecular mechanisms by which Il-11 signaling promotes regeneration, I performed transcriptomics comparing the non-regenerative il11ra mutant hearts and fins with that of the wild types, respectively. I identified that Il-11 signaling orchestrates both global and tissue-specific aspects of regenerative reprogramming at the transcriptional level. In addition, I also found that impaired regenerative reprogramming in the il11ra mutant hearts and fins resulted in defective cardiomyocyte and osteoblast repopulation of the injured area, respectively.
On the other hand, by deep phenotyping the scarring response in il11ra mutant hearts and fins, I identified that Il-11 signaling limits myofibroblast differentiation. Furthermore, I found that cardiac endothelial cells and fibroblasts are one of the major responders to injury-induced Il-11 signaling. Using lineage tracing, I found that both the endothelial and fibroblast lineages in the non-regenerative il11ra mutants commit to a myofibroblast fate, spearheading the scarring response. In addition, using cell type specific manipulations, I showed that Il-11 signaling in cardiac endothelial cells allows cardiomyocyte repopulation of the injured area. Finally, using human endothelial cells in culture, I uncovered a novel feedback mechanism by which Il-11 signaling limits fibrogenic gene expression by inhibiting its parent activator and a master regulator of tissue fibrosis, TGF-β signaling.
Overall, I identified Interleukin-11/Stat3 signaling as the first global regulator of regeneration in zebrafish. Briefly, I showed that Interleukin-11 signaling promotes regeneration by regulating two crucial cellular aspects in response to injury – (1) it promotes regenerative reprogramming, thereby allowing cell repopulation of the injured area and (2) it limits mammalian-like fibrotic scarring by inhibiting myofibroblast differentiation and TGF-β signaling. Altogether, these zebrafish data, together with the contradicting mammalian data strongly indicate that the secrets of tissue regeneration lie downstream of IL-11 signaling, in the differences between regenerative and non-regenerative species. Furthermore, I establish the non-regenerative il11ra mutant as an invaluable zebrafish model to study mammalian tissue fibrosis.
The heart is the first functional organ that develops in the embryo. To become a functional organ, it undergoes several morphogenetic processes. These morphogenetic events involve different cell types, that interact with each other and respond to the surrounding extracellular matrix, as well as intrinsic and extrinsic mechanical forces, assuming different behaviors. Additionally, transcription factor networks, conserved among vertebrates, control the development.
To have a better understanding of cell behavior during development, it is necessary to find a model system that allows the investigation in vivo and at single-cell resolution. Thanks to the common evolutionary origin of the different cardiac structures, together with the conserved molecular pathways, the two-chambered zebrafish heart offers many advantages to study cell behavior during cardiac morphogenesis. Here, using the zebrafish heart as a model system, I uncovered the cell behavior behind two of the main cardiac morphogenetic events: cardiac wall maturation and cardiac valve formation.
In the first part of this study, I investigated how the cardiac wall is maintained at the molecular level. Using genetic, transcriptomic, and chimeric analyses in zebrafish, we find that Snai1b is required for myocardial wall integrity. Global loss of snai1b leads to the extrusion of CMs away from the cardiac lumen, a process we show is dependent on cardiac contractility. Examining CM junctions in snai1b mutants, we observed that N-cadherin localization was compromised, thereby likely weakening cell-cell adhesion. In addition, extruding CMs exhibit increased actomyosin contractility basally, as revealed by the specific enrichment of canonical markers of actomyosin tension - phosphorylated myosin light chain (active myosin) and the α-catenin epitope α-18. By comparing the transcriptome of wild-type and snai1b mutant hearts at the early stages of CM extrusion, we found the dysregulation of intermediate filament genes in mutants including the upregulation of desmin b. We tested the role of desmin b in myocardial wall integrity and found that CM-specific desmin b overexpression led to CM extrusion, recapitulating the snai1b mutant phenotype. Altogether, these results indicate that Snai1 is a critical regulator of intermediate filament gene expression in CMs and that it maintains the integrity of the myocardial epithelium during embryogenesis, at least in part by repressing desmin b expression.
In the second part of this study, I focused on the behavior of valve cells during cardiac development. Using the zebrafish atrioventricular valve, I focus on the valve interstitial cells which confer biomechanical strength to the cardiac valve leaflets. We find that initially AV endocardial cells migrate collectively into the cardiac jelly to form a bilayered structure; subsequently, the cells that led this migration invade the extracellular matrix (ECM) between the two EC monolayers, undergo an endothelial-to-mesenchymal transition as marked by loss of intercellular adhesion, and differentiate into VICs. These cells proliferate and are joined by a few neural crest-derived cells. VIC expansion and a switch from a pro-migratory to an elastic ECM drive valve leaflet elongation. Functional analysis of Nfatc1 reveals its requirement during VIC development. Zebrafish nfatc1 mutants form significantly fewer VICs due to reduced proliferation and impaired recruitment of endocardial and neural crest cells during the early stages of VIC development. Analysis of downstream effectors reveals that Nfatc1 promotes the expression of twist1b, a well-known regulator of epithelial-to-mesenchymal transition. This study shows for the first time that Nfatc1 regulates zebrafish VICs formation regulating valve EMT in part by regulating twist1b expression. Moreover, it proposes the zebrafish valve as an excellent model to study the cellular and molecular process that regulate VIC development and dysfunction.
In conclusion, my work: 1) identified an unsuspected role of Snai1 in maintaining the integrity of the myocardial epithelium, opening new avenues in its role in regulating cellular contractility; 2) uncovered the function of Nfatc1 in the establishment of the VIC, establishing a new model to study valve development and function.
Despite all advancements in cancer research and clinical practice, cancer remains a life- threatening disease with an increasing incidence. According to a 2018 WHO forecast, cancer incidence will double to approximately 37 million new cancer cases by 2040. Today, clinical management of cancer is based on a "one-fits-all" strategy. Most cancers are still treated by surgical therapy followed by adjuvant or neoadjuvant chemotherapy based on rather strict guidelines (S3 guidelines in Europe) which are based on studies of large cohorts of patients with the same tumor entity. While this approach has led to substantial increases in progression-free survival and overall patient survival, most patients do not benefit from the administered treatment regimen. One reason for this is intra-tumor heterogeneity, which results from clonal evolution between cancer cells and their environment. This means that cancer patients may respond differently to a particular drug due to the different mutation patterns of their tumor cells. Therefore, patients should be screened in advance for reliable cancer biomarkers that definitively predict whether they will respond to a particular therapy. This would increase the probability of a successful treatment.
Colorectal cancer (CRC) is the third most diagnosed cancer and the second leading cause of cancer deaths worldwide. The main cause of death in CRC is a metastatic disease, which is presented in 20 % of patients and eventually develops in more than 30 % of early-stage patients. Despite the significant increase (to more than 30 months) in median survival with the development of cytotoxic agents and the introduction of targeted therapy, the progression-free survival in the first-line setting has remained largely unchanged over the past decade.
The heterogeneity in CRC is characterized by alterations in multiple signaling pathways that affect cellular functions such as cell proliferation or apoptosis. Commonly affected signaling pathways include the mitogen-activated protein kinase (MAPK)- and the transforming growth factor-β/bone morphogenetic protein (TGF-β/BMP)-pathway. Alterations in the TGF-β/BMP pathway, due to mutations in the SMAD4 gene (mothers against decapentaplegic homolog 4), are associated with different drug response and promote resistance to chemotherapy. In addition, they are associated with a higher recurrence rate.
SMAD4 is one of the most common cancer driver genes, and mutations occur in up to 15 % of CRC cases. Therefore, there is an urgent need for therapeutic agents that can specifically target SMAD4-mutated tumors.
The aim of the present study was the identification of the clinical relevance of the SMAD4 gene and the investigation of its suitability as a potential biomarker in CRC.
For this purpose, I investigated sibling patient-derived organoids (PDOs) derived from different regions of a chemo-naïve CRC tumor. PDOs are 3D cell cultures that reliably recapitulate the architecture of the tissue of origin, as well as preserve the genomic background and intra-tumor heterogeneity. The sibling PDOs (R1R361H and R4wt) shared the most common CRC mutations, such as KRASG12D (kirsten rat sarcoma), PIK3CAH1047R (phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate 3-kinase, catalytic subunit alpha), and TP53C242F (tumor protein 53), but differed in a SMAD4R361H mutation and showed a different drug response. The single nucleotide variant R361H of the SMAD4 gene is among the most common pathogenic alterations in various cancers, including CRC.
The sibling PDOs showed significant differences in response to the MEK-inhibitors cobimetinib, trametinib, and selumetinib. MEK-inhibitors are antineoplastic agents that inhibit the function of MEK1 and MEK2, preventing phosphorylation of transcription factors, which leads to inhibition of tumor cell proliferation. MEK-inhibitors are approved for the treatment of malignant melanoma. Currently, they are in phase-III clinical trials for the treatment of patients with metastatic CRC.
To investigate whether SMAD4R361H is responsible for sensitivity to MEK-inhibitors, Iestablished three syngeneic PDOs harboring a SMAD4R361H mutation using the CRISPR/Cas9 genome editing system. All CRISPR-PDOs were significantly more sensitive to the MEK-inhibitors, compared to R4wt. I have shown that the SMAD4R361H mutation is responsible for sensitivity to MEK inhibition in CRC models and may be a predictive biomarker.
To test this hypothesis, I examined 62 CRC PDO models and treated them with the MEK-inhibitors cobimetinib, trametinib, and selumetinib. All models that had a pathogenic mutation or deletion in the SMAD4 gene (15 %) were sensitive to cobimetinib, 10 % of models were sensitive to trametinib, and 8 % were sensitive to selumetinib.
I performed transcriptome (RNA sequencing) and proteome analyses using the DigiWest® method to investigate the mechanism underlying MEK-inhibitor sensitivity.
DigiWest® is a Luminex® bead-based analysis that allows the simultaneous analysis of over 100 (phospho-)proteins. The transcriptome and proteome data support the observation that MEK inhibition primarily affects SMAD4R361H PDOs. Furthermore, I have shown that activation of the BMP signaling pathway in organoids with wild-type SMAD4 appears to be responsible for resistance to MEK-inhibitors. Thus, a genetic alteration in the BMP signaling pathway, beyond SMAD4, could lead to sensitivity to MEK-inhibitors.
I identified four genes involved in the TGF-β/BMP signaling pathway that are frequently mutated in CRC and grouped them into the so-called SFAB-signature (SMAD4, FBXW7 (F-box/WD repeat-containing protein 7), ARID1A (AT-rich interactive domain-containing protein 1A), or BMPR2 (Bone morphogenetic protein receptor type II). Clinical data show that approximately 36 % of CRC patients have at least one pathogenic mutation in these genes.
I tested all 62 CRC PDO models and found a significant positive prediction for sensitivity to cobimetinib (95 %) and selumetinib (70 %) for the SFAB-signature. Trametinib and the newly approved MEK-inhibitor binimetinib showed a similar trend. Therefore, the SFAB-signature has high predictive power for response to MEK-inhibitors and could be used as a predictive biomarker panel.
The current clinically used biomarkers for CRC are based on the mutation status of driver genes KRAS and BRAF, which are present in up to 50 % and 10 % of CRC, respectively. Investigation of molecular alterations in CRC revealed that mutations in the KRAS gene, which is downstream of EGFR (epidermal growth factor receptor) in the MAPK-pathway, interfere with an anti-EGFR-antibody therapy (e.g., cetuximab). Therefore, cetuximab is only relevant for RAS wild-type tumors. However, approximately 40 % of patients with RAS wild-type status do not respond to this treatment.
About 53 % of CRC PDO models carry a pathogenic RAS mutation, about 10 % harbor a pathogenic BRAF mutation. Both, the RAS and RAF status alone as well as the combination of RAS and RAF status with SFAB-signature did not provide a better prediction of sensitivity to MEK inhibition.
Eine große Gruppe von Aptameren sind die Guanosintriphosphat (GTP) Aptamere. Diese zeigt sehr eindrücklich, wie RNA unterschiedliche Strategien nutzt, um denselben Liganden zu erkennen. Die komplette Struktur des GTP Klasse II Aptamers wird in der ersten Publikation gezeigt. Interessanterweise zeichnet die Struktur ein stabil protoniertes Adenine unterhalb der GTP-Bindestelle aus. Dieses wurde durch eine Kombination aus weiterführenden NMR- und ITC-Experimente untersucht und charakterisiert. Es zeigte sich, dass die protonierte Base einen pKs-Wert hat, der weit von der Neutralität verschoben ist. Die Protonierung ist auch noch bei sehr basischen Puffern stabil.
Eine Art der funktionellen Protonierung wird von den zyklischen di-Nukleotiden (CDN) bindenden Riboswitches genutzt, um zwei CDN mit ähnlicher Affinität zu binden. c-di-GMP Riboswitches wurden als regulatorische Einheit beschrieben und deren Kristallstruktur aufgeklärt. Mutationsexperimente führten dazu, dass bei einer G-zu-A Mutation an der Gα-Bindestelle die Selektivität des Riboswitches verändert wurde. Die Mutante bindet sowohl c-di-GMP als auch cGAMP mit ähnlichen Bindungsaffinitäten. Riboswitche, die cGAMP binden wurden auch in der bakteriellen Genomen gefunden. Hierbei ist die Promiskuität unterschiedlich stark ausgeprägt. Die Untersuchung des Bindungsmodus und der damit verbundenen Promiskuität ist in der zweiten Publikation beschrieben. Hier wurde gezeigt, dass die Riboswitche beide Liganden nur binden können, wenn zur Bindung von c-di-GMP das Ligand bindende A protoniert vorliegt. Auch diese Protonierung konnte mit weiterführenden NMR- und ITC-Experimenten charakterisiert werden. Die Untersuchungen einer solch großen RNA sind mit NMR Spektroskopie herausfordernd. Hierbei wurde ausgenutzt, dass die Kristallstruktur bereits bekannt war, welche allerdings die Protonierung nicht zeigte. Auch diese Protonierung zeigt einen pKs-Wert, der weit von der Neutralität verschoben ist und außerdem bei unterschiedlichen pH stabil ist.
In den beiden untersuchten Beispielen wurden zwei verschiedene Arten von Protonierung gezeigt: eine strukturelle und eine funktionelle. Das GTP Klasse II Aptamer benutzt die Protonierung als strukturelle Basis für die Basis der Ligandenbindungsstelle. Hierbei werden durch die Protonierung des Adenines mehr nutzbare Wasserstoffbrücken ausgebildet und damit die Tertiärstruktur stabilisiert. Im Unterschied dazu nutzen die promiskuitiven CDN Ribsowicthes die Protonierung, um verschiedene Liganden binden zu können und es kommt damit zu einer Verschiebung der Funktionalität. Der regulatorische Nutzen dafür ist allerdings noch unbekannt.
Auch bei den SAM Riboswitches wurde ein promiskuitiver Vertreter beschrieben. SAM Riboswitches gehören zu den am längsten bekannten Klassen der Riboswitches. Bis heute sind hier die meisten unterschiedlichen Klassen bekannt. SAM wird häufig als Donor für funktionelle Gruppen benutzt, besonders häufig als Methlygruppendonor für die Methylierung einer Reihe unterschiedlicher Substrate (z.B. DNA, Proteine, Metabolite etc.). Bei dieser Reaktion entsteht SAH als Nebenprodukt. Zusätzlich ist SAH zelltoxisch, da es affin an Methyltransferasen bindet und damit diese essenzielle Reaktion inhibiert. Eine enge Kontrolle der SAH-Konzentration ist daher kritisch. SAM bindende Riboswitches haben zu SAM eine bis zu 1000-fach höhere Bindungsaffinität im Vergleich zu SAH. Die Beschreibung eines translationalen OFF-Riboswitches, der SAM und SAH mit ähnlicher Affinität bindet, ist daher überraschend. Zumal seine Genassoziation fast ausschließlich zu SAM Synthetasen ist, deren Regulation durch SAH wenig sinnvoll erscheint. Um ein besseres Verständnis für die Funktion des SAM/SAH Riboswitches zu erhalten, wurde seine 3D-Struktur mittels NMR-Spektroskopie aufgeklärt, wie in der vierten Publikation beschrieben. Dafür mussten zunächst alle Resonanzen der Sequenz und dem Liganden zugeordnet werden, wie in der dritten Publikation beschrieben. Dabei wurde als Ligand SAH gewählt, da dieser chemisch stabiler und damit für die teils tagelangen NMR-Messungen besser geeignet ist. Zusätzlich wurden Mutanten bzw. verwandte Liganden mittels ITC Experimente auf ihre Bindungseigenschaften untersucht, um die Bedeutung der Linkerlänge, einzelner Basenpaare und funktionelle Gruppen des Liganden zu untersuchen. Bei anderen bekannten SAM Riboswitches umschließt die RNA den Liganden fast komplett. Dabei wird zum einem das Sulfoniumion spezifisch durch die Carboxylgruppen verschiedener Uracil-Nukleotide erkennt und koordiniert. Außerdem bildet sich eine Bindetasche aus, die genug Platz für die stabile Bindung der Methylgruppe hat. Beim SAH Riboswitch wird die Selektivität für SAH dadurch erreicht, dass die Bindetasche sterisch keinen Platz für die Methylgruppe von SAM bereitstellt.
Zusammenfassend wurden in dieser Arbeit drei verschiedene Ligand bindende RNA-Strukturen untersucht, die alle sehr unterschiedliche Strategien zur Bindung der Liganden nutzen. Obwohl Portionierungen bei Aptameren und Riboswitches selten beschrieben wurden, haben sie eine maßgebliche Funktion in den beiden zuerst untersuchten Strukturen. Obwohl bisher im Hinblick auf alle bekannten RNA Strukturen eher selten beschrieben, gibt es doch neben den genannten zwei, einige Beispiele für strukturelle oder funktionelle Protonierungen. Auch in Hinblick auf zukünftige bzw. Verbesserung bestehender RNA-Strukturvorhersage-Programme ähnlich wie sie für Proteine schon lange nutzt werden, müssen protonierte Nukleobasen ernsthaft in Betracht gezogen werden. Außerdem konnte gezeigt werden, dass zwei der untersuchten Riboswitches zwei Liganden mit ähnlicher Affinität binden. Die genutzte Strategie ist hierbei unterschiedlich. Während bei den promiskuitiven CDN Riboswitches der regulatorische Nutzen noch unbekannt ist, konnte für den SAM/SAH Ribsowitch gezeigt werden, dass SAH nur zufällig aufgrund der wahrscheinlich sehr niedrigen intrazellulären Konzentration gebunden wird und dieser daher wahrscheinlich später in der evolutionären Entwicklung entstanden ist. Riboswitches halten es weiterhin spannend.
The intensive use of the North Sea area through offshore activities, sand mining, and the spreading of dredged material is leading to increasing pollution of the ecosystem by chemicals such as hydrophobic organic contaminants (HOCs). Due to their toxicological properties and their ability to accumulate in the environment, HOCs are of particular concern. The contaminants partition between aqueous (pore water, overlying water) and solid phases (sediment, suspended particulate matter, and biota) within these systems. The accumulated contaminants in the sediment are of major concern for benthic organisms, who are in close contact with sediment and interstitial water. It is thus particularly important to better understand how contaminants interact with biota, as these animals may contribute to trophic transfer through the food web. Furthermore, sediments are a crucial factor for the water quality of aquatic systems. They not only represent a sink for contaminants but also determine environmental fate, bioavailability, and toxicity. The Marine Strategy Framework Directive (MSFD) was introduced to protect our marine environment across Europe and includes the assessment of pollutant concentrations in the total sediment, which, however, rarely reflects the actual exposure situation. The consideration of the pollutant concentrations in the pore water is not implemented, although this is needed for the evaluation of bioavailability and risk assessment. For this reason, special attention is given to further development, implementation, and validation of pollutant monitoring methods that can determine the bioavailable fraction in sediment pore water. For risk assessment purposes, it is furthermore important to use biological indicators in addition to classical analytics to determine the effect of pollutants on organisms. The main objective of this thesis was to gain insight into the pollution load and the potential risk of hydrophobic organic chemicals (HOCs) in the sediment of the North Sea and to evaluate these results with regard to possible risks for benthic organisms and the ecosystem. The following five aims are covered within these studies to gain a holistic assessment of sediment contamination:
1. Assessment of the pore water concentrations of PAHs and PCBs
2. Determination of the bioturbation potential by macrofauna analysis
3. Application of the SPME method on biological tissue
4. Assessment of recreated environmental mixtures in passive dosing bioassays
5. Development of SPME method for DDT in sediments
The thesis is comprised of three main studies supported by three additional studies ...
Coupling between epidermis and amphid morphogenesis during embryonic development of C. elegans
(2021)
Sensory organs are fundamental for survival of animal populations, since the detection of environmental stimuli is crucial for localization of nourishment, predators or mating partners. In nematodes, the amphid (AM) sensilla are the largest sensory organs for detection of chemical compounds.
This study investigates how the AM sensilla acquire their special elongated shape during lima-bean to 1.5-fold embryonic stages of C. elegans head development. The dissertation also examines events facilitating the morphogenesis of other head sensilla (IL/OL/CEP) and addresses aspects of general embryonic head morphogenesis. Using high resolution live-cell imaging techniques with different combinations of markers highlighting specific tissues, this study shows that epidermal head enclosure, migration of AM socket cells (pores) and translocation of AM dendrite tips are coupled processes, facilitating the elongation of AM dendrites. Importantly, during AM dendrite elongation the AM neural cell bodies are staying stationary. Manipulation through conducting UV-Laser ablation (epidermis close to pore/pore) and RPN-6.1 dsRNA interference resulted in compromised AM pore migration and impaired dendrite elongation. This leads to the conclusion that AM pores need to be physically attached (through C. elegans apical junctions, CeAJ) to the migrating epidermal sheet and to AM dendrite tips for successful AM morphogenesis. This study infers that RPN-6.1 plays an important role for correct AM pore morphogenesis and AM pore to AM dendrite tip attachment. Our results lead to the conclusion that head enclosure drives AM pore migration and AM dendrite elongation with AM neural cell bodies staying stationary. Thereby, CeAJ are interconnecting AM dendrite tips to AM pores and CeAJ link the sensillar ending to the migrating epidermis. Thus, migration of attached target tissue (pore), with neural cell bodies staying stationary (constituting an abutment), creates a pulling force facilitating AM dendrite elongation. This passive neurite elongation procedure is coined dendrite towing in this study.
Additionally, this study discovers that translocation of IL, OL and CEP head sensilla pores is influenced by apical constriction. This conclusion was made based on the findings that IL/OL/CEP pores migrate towards the prospective mouth anterior to the epidermal leading edge, separated from AM pores and irrespective of highly impaired AM sensilla morphogenesis after strong RPN-6.1 depletion. Also, concurrent with translocation of IL/OL/CEP pores, bottle-shaped cells occur and non-muscle-myosin and apical polarity factors are getting enriched at the anterior most part of the head, indicating de-novo manifestation of apical constriction. It is furthermore assumed that apical constriction in arcade cells might contribute to early pharynx development. All in all, this study reveals two force-generating events: Head enclosure-driven AM sensilla morphogenesis via dendrite towing and, otherwise, apical constriction-facilitated translocation of IL/OL/CEP sensilla pores. These events can get separated by graded depletion of the proteasome activator RPN-6.1.
Autism spectrum disorder (ASD) is a common neurodevelopmental disorder with a multifarious clinical presentation. Even though many genetic risk factors have been identified and studied in mouse models, the neurophysiological mechanisms underlying the autistic phenotype are still unclear. Based on the high rates of comorbidity with epilepsy, it was hypothesized that the balance between excitation and inhibition in neural circuits may be disrupted in autistic individuals.
In this dissertation, synaptic and network activity was measured in three different genetically modified mouse models that exhibit the characteristic behavioral abnormalities of the disorder: the Neurobeachin (Nbea) haploinsufficient mouse, the Neuroligin-3 (Nlgn3) knockout (KO) mouse, and the Neuroligin-4 (Nlgn4) KO mouse. Each of the affected proteins is involved in the formation and/or function of synapses in the central nervous system. Therefore, it was posited that the reduction or deletion of these proteins might alter the balance of excitatory to inhibitory synaptic transmission in individual neurons and in neural circuits. Extracellular recordings in the hippocampal dentate gyrus of anesthetized mice revealed that the excitation-inhibition (E-I) balance was reduced in Nbea haploinsufficient and Nlgn4 KO mice, but unchanged in Nlgn3 KO mice despite a reduction in excitatory synaptic transmission to dentate granule cells. Unexpectedly, the intrinsic excitability of dentate granule cells was altered in all three mouse models. These results imply that a homeostatic increase in the intrinsic excitability is able to compensate for the decreased excitatory transmission in Nlgn3 KO mice, whereas the decreased intrinsic excitability in the Nbea haploinsufficient and Nlgn4 KO mice leads to a reduction in the E-I balance. Taken together, these findings suggest that the influence of genetic factors on the E-I balance might be a potential common mechanism underlying the development of ASD.
Weltweit werden etwa 17% aller Infektionskrankheiten von Vektoren auf den Menschen übertragen. Dabei dienen meist blutsaugende Arthropoden wie Stechmücken, Zecken oder Sandfliegen als Überträger von Bakterien, Viren oder einzelligen Parasiten. Zur letzteren Gruppe gehört auch der protozoische Erreger der Chagas-Krankheit Trypanosoma cruzi. Er wird von hämatophagen Triatominae, einer Unterfamilie der Raubwanzen (Hemiptera: Reduviidae) während der Blutmahlzeit an einem infizierten Säugerwirt aufgenommen, durchläuft komplexe Entwicklungsschritte im intestinalen Trakt der triatominen Insekten und wird anschließend über den Fäzes und Urin der Wanzen abgegeben. Die Infektion des nächsten Wirts erfolgt dann durch das versehentliche Einreiben der Erreger in die Stichwunde oder auf Schleimhäute. Auch eine Infektion über die orale Aufnahme von kontaminierter Nahrung, Mutter-Kind-Infektionen und die Übertragung durch Blutkonserven und Organtransplantate sind möglich. Die Chagas‑Krankheit, oder auch Amerikanische Trypanosomiasis, ist insbesondere in Mittel- und Südamerika verbreitet und betrifft nach Schätzungen der WHO 6 bis 7 Millionen Menschen. Infolge von globaler Immigration und erhöhtem Reiseverkehr treten jedoch in den letzten Jahrzehnten auch vermehrt Fälle in Europa, den USA, Kanada und den westlichen Pazifikstaaten auf. Da dort bislang geeignete Vektoren fehlen, kommt es außerhalb des lateinamerikanischen Kontinents nicht zu vektorübertragenen Infektionen. Dies könnte sich jedoch im Zuge des Klimawandels und einer voranschreitenden Globalisierung ändern, sollte der Ausbreitung der Chagas-Krankheit eine Ausbreitung ihrer triatominen Vektoren folgen.
Inwieweit Triatominae unter heutigen Bedingungen klimatisch geeignete Habitate außerhalb des amerikanischen Kontinents finden, wurde innerhalb des ersten Projekts der vorliegenden Dissertation untersucht. Dazu wurde mit Hilfe der ökologischen Nischenmodellierung und Vorkommensdaten verschiedener vektorkompetenter Raubwanzenarten sowie klimatischer Umweltvariablen die klimatische Eignung verschiedenster Lebensräume modelliert und global projiziert. Es zeigte sich, dass insbesondere tropische und subtropische Gebiete Afrikas sowie Ost- und Südostasiens zwischen 21° nördlicher Breite und 24° südlicher Breite für viele triatomine Vektorarten geeignete Bedingungen aufweisen. Auffällig ist dabei insbesondere die Art Triatoma rubrofasciata, welche nachweislich bereits in Südchina, Vietnam und weiteren Ländern Afrikas und Asiens gefunden wurde. Die Modellierung
offenbarte, dass weitere ausgedehnte Teile der Küstenregionen Afrikas und Südostasiens als für T. rubrofasciata klimatisch geeignet angesehen werden müssen. Eine weitere Ausbreitung dieser Art ist demnach äußerst wahrscheinlich und stellt bislang das größte Risiko autochthon übertragener Chagas-Infektionen außerhalb des amerikanischen Kontinents dar. Es konnten außerdem zwei triatomine Arten identifiziert werden, namentlich T. infestans und T. sordida, welche in gemäßigten Klimazonen geeignete Habitate finden. Zu diesen gehören beispielsweise Neuseeland und Teile Australiens, aber auch südeuropäische Länder wie Spanien, Italien, Griechenland und Portugal. Da mit einer Ausweitung der klimatisch geeigneten Gebiete infolge des sich verändernden Klimas zu rechnen ist, wäre ein Monitoring der Vektoren, wie es bereits in Südchina etabliert ist, aber insbesondere die Einführung der Meldepflicht für Amerikanische Trypanosomiasis in diesen Regionen sinnvoll. Die Ergebnisse der Studie zeigen deutlich, dass die bisher vernachlässigte Tropenkrankheit Chagas nicht allein ein Problem des lateinamerikanischen Kontinents ist, sondern deren Erforschung vielmehr weltweit Beachtung finden sollte.
So konzentrierten sich die folgenden Forschungsprojekte der Promotion verstärkt auf die Mechanismen, welche die Entwicklung und Transmission des Parasiten und die Interaktion mit seinen Vektoren betreffen. Von besonderem Interesse waren dabei die ökologischen Prozesse, welche bei der Kolonisation des Darmtrakts der Vektoren durch T. cruzi ablaufen und essentiell für die Proliferation und damit die Übertragung des Parasiten sind. Eine entscheidende Rolle spielen dabei die mit dem Vektor assoziierten Mikroorganismen und ihre funktionellen Fähigkeiten – zusammengefasst als Mikrobiom bezeichnet. Dieses erfüllt wichtige physiologische Funktionen des Insekts und kann beispielsweise das Immunsystem und die Detoxifikation beeinflussen. Um die Veränderungen der organismischen Zusammensetzung und der funktionellen Kapazitäten, welche die Infektion mit dem Pathogen im Darmtrakt der Vektoren auslösen, zu untersuchen, wurde ein metagenomischer Shotgun Sequenzierungsansatz gewählt. Die daraus resultierenden Datensätze wurden anschließend bioinformatisch ausgewertet und auf ihre mikrobielle Zusammensetzung und metabolischen Fähigkeiten hin untersucht. Es zeigte sich zunächst, dass das Bakterium Rhodococcus rhodnii, welches lange als alleiniger echter Symbiont des untersuchten Vektors Rhodnius prolixus galt, in seiner Funktionalität nicht einzigartig im Mikrobiom des Insekts ist. ...
In Zeiten der globalen Klimaerwärmung und des Klimawandels werden Strategien zur Vermeidung, Reduzierung oder Wiederverwertung von CO2-Emissionen sowie die Abkehr von fossilen Energieträgern immer wichtiger. Aus diesem Grund finden Technologien zur Bindung, Speicherung und Wiederverwertung von CO2 immer größere Aufmerksamkeit und diverse chemische als auch biologische Ansätze werden verfolgt. Eine dieser Möglichkeiten umfasst die Reduktion von CO2 mit Hilfe von molekularem Wasserstoff. Im Prozess der direkten Hydrogenierung von CO2 zu Ameisensäure bzw. Formiat wird nicht nur CO2 gebunden, sondern ebenfalls H2 in flüssiger Form gespeichert. Die Ameisensäure weist gegenüber dem hochflüchtigen Wasserstoffgas verschiedene Vorteile auf und zählt zu der Gruppe der flüssigen, organischen Wasserstoffspeicherverbindungen. Daneben ist das Einsatzgebiet von Ameisensäure als Ausgangstoff für Chemikalien oder als mikrobielle Kohlenstoffquelle sehr vielseitig und die Verbindung erfreut sich zunehmenden Interesses.
Die Natur hält biologische Katalysatoren (Enzyme) für die Reduktion von CO2 bereit. Die Gruppe der obligat anaeroben, acetogenen Bakterien verwendet so genannte Formiatdehydrogenasen als CO2-Reduktasen, um CO2 im Wood-Ljungdahl-Weg (WLP) der Bakterien fixieren zu können. Diese Enzyme katalysieren die reversible 2-Elektronen Reduktion von CO2 zu Ameisensäure. Kürzlich konnte aus den beiden Vertretern A. woodii (mesophil) und T. kivui (thermophil) ein neuartiger, cytoplasmatischer Enzymkomplex isoliert werden. Dieser Enzymkomplex koppelt die Reduktion von CO2 direkt an die Oxidation von H2 und wird deshalb als Wasserstoff-abhängige CO2-Reduktase bezeichnet (engl. hydrogen-dependent CO2 reductase, HDCR). Die HDCR katalysiert dabei die reversible Hydrogenierung von CO2 zu Formiat mit annähernd gleicher Kinetik und gleichen Umsatzraten. Die bei der CO2 Reduktion erreichten Umsatzraten übertrafen dabei bisherige chemische als auch biologische Katalysatoren um mehre Größenordnungen.
Im Hinblick auf die besonderen katalytischen Eigenschaften der HDCRs wurde in dieser Arbeit die biotechnologische Anwendbarkeit der Enzyme als Biokatalysatoren zur Speicherung und Sequestrierung von H2 und CO2 in Form von Ameisensäure untersucht. Im Speziellen wurde ein HDCR-basiertes Ganz-Zell-System für das thermophile Bakterium T. kivui entwickelt. Um eine Ganz-Zell basierte Umwandlung von H2 und CO2 zu Formiat zu gewährleisten, wurde zuvor die Weiterverwertung des Formiats zu Acetat im WLP gestoppt. Durch eine Reduktion des zellulären ATP-Gehalts konnte eine weitere Prozessierung des aus der HDCR-Reaktion gebildeten Formiats im Zellstoffwechsel des Bakteriums unterbunden werden. Die Formiatbildung aus H2 und CO2 wurde in Zellsuspensionen von T. kivui untersucht und charakterisiert. Hier zeigten T. kivui Zellen die höchste spezifische Formiatbildungsrate, die bis dato in der Literatur genannt wurde. Ebenfalls wurde in dieser Arbeit die Umwandlung von Synthesegas (H2 + CO2 und CO) und CO zu Formiat geprüft. Bioenergetisch entkoppelte und auf CO-adaptierte T. kivui Zellen konnten in der Tat Synthesegas exklusiv zu Formiat umsetzen. Um die CO-Verwertung zu Acetat und Formiat im Stoffwechsel der Rnf- (A. woodii) und Ech-Acetogenen (T. kivui) verstehen zu können, wurden Mutanten von Δhdcr, ΔcooS, ΔhydBA, Δrnf and Δech2 von A. woodii und T. kivui zur Hilfe genommen. In beiden Organismen war die CO-basierte Formiatbildung vom Vorhandensein eines funktionalen HDCR-Enzymkomplexes abhängig.
Für eine mögliche biotechnologische Anwendung wurde die Maßstabsvergrößerung des Ganz-Zell-Systems angestrebt und hin zum Bioreaktormaßstab mit kontrollierten Prozessbedingungen skaliert. Diese Arbeit demonstriert die effiziente Umwandlung von H2 und CO2 zu Formiat und vice versa unter Verwendung eines Rührkesselreaktors. Der Prozess zeigte eine Effizienz von 100% für die Umwandlung von CO2 zu Formiat und spezifische Raten von 48.3 mmol g-1 h-1 wurden von A. woodii Zellen erreicht. Die spezifische H2-Produktionsrate (qH2) aus der Ameisensäureoxidation betrug 27.6 mmol g-1 h-1 und mehr als 2.12 M Ameisensäure konnte über einen Zeitraum von 195 h oxidiert werden. Wichtige Parameter der Enzymkatalyse wie Wechselzahl (engl. turnover frequency, TOF) und katalytische Produktivität (engl. turnover number, TON) wurden ebenfalls im Versuch bestimmt. Basierend auf dem generierten Prozessverständnis und der effizienten Reversibilität der katalysierten Reaktionen wurde abschließend ein Ganz-Zell-basierter Bioreaktoraufbau gewählt, der die vielfache Speicherung und Freisetzung von H2 in einem einzigen Rührkesselreaktor und unter Verwendung des gleichen Katalysators ermöglicht. Über eine Prozesszeit von 2 Wochen und 15 CO2 Reduktions-/Formiat Oxidations-Zyklen konnte so im Mittel 330 mM Formiat produziert und oxidiert werden.
Zusammenfassend thematisiert diese Arbeit die biotechnologische Anwendbarkeit eines Ganz-Zell-Systems zur Speicherung und Sequestrierung von H2 und CO2 in Form von Formiat und vice versa. Die katalytische Aktivität der betrachteten Organismen fußt dabei auf der Aktivität eines neuartigen Enzymkomplexes, der erstmals in der Gruppe der acetogenen Bakterien entdeckt wurde. Der als Wasserstoff-abhängige CO2-Reduktase bezeichnete Enzymkomplex könnte die zukünftige Konzipierung Enzym-inspirierter und effizienter chemischer Katalysatoren vorantreiben. Auch der Einsatz des Enzyms/der Zellen in so genannten Hydrogelen oder die Etablierung elektrochemischer Prozesse sind vorstellbar. Diese Arbeit stellt somit eine Basis für mögliche zukünftige Anwendungen des etablierten Ganz-Zell-Systems von A. woodii und T. kivui im Bereich der Wasserstoffökonomie dar.
The increasing demand of the high value ω-3 fatty acids due to its beneficial role for human health, explains the huge need for alternative production ways of ω-3 fatty acids. The oleaginous alga Phaeodactylum tricornutum is a prominent candidate and has been investigated as biofactory for ω-3 fatty acids, e.g. the synthesis of eicosapentaenoic acid (EPA). In general, the growth and the lipid content of diatoms can be enhanced by genetic engineering or are influenced by environmental factors, e.g. nutrients, light or temperature.
In this study, the potential of P. tricornutum as biofactory was improved by heterologously expressing the hexose uptake protein 1 (HUP1) from the Chlorophyte Chlorella kessleri.
An in situ localization study revealed that only the full length HUP1 protein fused to eGFP was correctly targeted to the plasma membrane, whereas the N-terminal sequence of the protein is only sufficient to enter the ER. Protein and gene expression data displayed that the gene-promoter combination was relevant for the expression level of HUP1, while only cells expressing the protein under the light-inducible fcpA promoter showed a significant expression. In these mutants an efficient glucose uptake was detectable under mixotrophic growth condition, low light intensities and low glucose concentrations leading to an increased cell dry weight.
In a second approach, the growth and lipid content of wildtype cells were analyzed in a small 1l photobioreactor. Here, a commercial F/2 medium and a common culture medium, ASP and modified versions were compared. There was neither a significant impact on the growth and lipid content in P. tricornutum cells due to the supplemention of trace elements nor due to elevated salt concentrations in the media. In a modified version of ASP medium, with adapted nitrate and phosphate concentration a constantly high biomass productivity was achieved, yielding the highest value of 82 mg l-1 d-1 during the first three days. This was achieved even though light intensity was reduced by 40%. The differences in biomass productivity as well as the lipid content and the lipid composition underlined the importance of the choice of culture medium and the harvest time for enhanced growth and EPA yields in P. tricornutum.
With 5-10 newly diagnosed patients per 100,000 people every year, glioblastoma is the most common malignant primary brain tumor. Despite extensive research activity in the last decades, clinical effectiveness of the currently available therapy standard of surgery, radiochemotherapy and tumor-treating fields is still limited and mean survival rates in unselected collectives are only about one year. Accordingly, there is an urgent need to explore new therapeutic options. The current standard of care includes surgery followed by radiation therapy in combination with the alkylating chemotherapeutic agent Temozolomide. Even with successful initial therapy, tumor recurrence is still inevitable. Currently, there are no defined recommendations for clinical management of the disease in the event of tumor recurrence. Only 20-30% of patients qualify for a second surgical resection, while other options include retreatment with Temozolomide, CCNU (Lomustine) or Regorafenib and enrollment in a clinical trial.
The development of immunotherapies for glioblastoma, in particular, has been the focus of intense preclinical and clinical efforts. However, low numbers of mutations and a highly immunosuppressive tumor microenvironment result in glioblastoma being considered an immunologically “cold” tumor. Strategies successfully established in mutagen-induced tumors with antibodies directed against the PD-1, PD-L1 or CTLA-A4 immune checkpoints have therefore failed in glioblastoma.
Cellular immunotherapies based on chimeric antigen receptor (CAR)-technology have emerged as an alternative powerful option to tackle immunologically “cold” tumors. Several CAR-T cell products targeting glioma antigens have been developed and some evidence of clinical activity has been demonstrated. Natural killer (NK) cells as carriers of CAR constructs have several advantages over T cells, including a much lower risk of neurotoxicity and better interaction with immune cells in the microenvironment. Based on the human NK cell line NK-92, a clinical-grade product, suitable as an off-the-shelf therapeutic, has been developed. The NK-92/5.28.z clone (CAR-NK) expresses a CAR based on the HER2-specific antibody FRP5 in addition to signal-enhancing CD28 and CD3ζ domains. Similar to several other tumor entities, overexpression of the growth factor receptor HER2 is often found in glioblastoma patients. Because of its substantial role in the regulation of cell proliferation, survival, differentiation, angiogenesis and invasion, this receptor is classified as an oncogene. HER2 overexpression plays a major role in the malignant transformation of cells and its oncogenic potential has been studied in detail in breast cancer. However, HER2 expression was also found in up to 80% of glioblastomas, which correlates with an impaired probability of survival. Under physiological conditions, HER2 is not expressed in the adult central nervous system, making it a promising target antigen for glioblastoma immunotherapy.
In previous projects, it has already been shown that these CAR-NK cells exhibit a high and specific lytic activity towards HER2+ glioblastoma cells. While repetitive intratumoral injections of CAR-NK cells already significantly extended symptom-free survival in murine orthotopic xenograft models, CAR-NK cell therapy in immunocompetent mice promotes an endogenous anti-tumor immune response which improves tumor control and provides persisting anti-tumor immunity after therapy of early-stage tumors. However, in more advanced tumor models, efficacy is limited and induction of the checkpoint-molecule PD-L1 in response to CAR-NK-cell therapy was identified as a key mechanism of therapy resistance.
Immunotherapy employing the intravenous administration of checkpoint inhibitors has already revolutionized the treatment of various malignant diseases such as melanoma or lung cancer. In particular, the approach of cancer immunotherapy has focused on the systemic administration of antibodies directed against immune checkpoints such as PD-1, PD-L1 and CTLA-4. In glioblastoma, both tumor cells and microglia, the brain-resident macrophages, express PD-L1, which hinders the activation of CD8+ and CD4+ T cells. Therefore, immunotherapy directed against the PD-1/PD-L1 axis represents a promising approach for the treatment of glioblastoma. One problem, however, is the severe toxicity caused by the systemic effects of checkpoint inhibitors, since the immune response is stimulated not only in tumor tissue but also in healthy organs. Serious side effects such as colitis, hepatitis, pancreatitis or hypophysitis, including numerous deaths, have been reported.
This study aimed to improve the efficacy of CAR-NK cell therapy by combining it with adeno-associated virus (AAV)-mediated transfer of anti-PD-1 antibodies as a strategy to enable local combination therapy to control intracranial tumors.
AAVs carrying a payload coding for an anti-PD-1 immunoadhesin (aPD-1) retargeted to HER2-expressing cells by fusion of so-called Designed Ankyrin Repeat Proteins (DARPins) with a viral capsid protein were employed for this to focus checkpoint inhibitor therapy to the tumor area, resulting in high intratumoral and low systemic drug concentrations. ...
Sleep is one of the fundamental requirements of all animals from nematodes to humans. It appears in different formats with shared features such as reduced muscle activities and reduced responsiveness to the environment. Despite the long history of sleep research, why a brain must be taken offline for a large portion of each day remains unknown. Moreover, sleep research focused on mammals and birds reveals two stages, rapid-eye-movement (REM) and slow-wave (SW) sleep, alternating during sleep. Whether these two stages of sleep exist in other vertebrates, particularly reptiles, is debated, as is the evolution of sleep in general.
Recordings from the brain of a lizard, the Australian bearded dragon Pogona vitticeps, indicate the presence of two electrophysiological states and provides a better picture of their sleep. Local field potential (LFP) signals, head velocity, eye movements, and heart rate during sleep match the pattern of REM and SW sleep in mammals. The SW and REM sleep patterns that we observed in lizards oscillated continuously for 6 to 10 hours with a period of 80-100 seconds when the ambient temperature was ~27°C. Lizard SW dynamics closely resemble those observed in rodent hippocampal CA1, yet originated from a brain area, the dorsal ventricular ridge (DVR), that does not correspond anatomically or transcriptomically to the mammalian hippocampus. This finding pushes back the probable evolution of these dynamics to the emergence of amniotes, at least 300 million years ago.
Unlike mammals and birds, REM and SW sleep in lizards occupy an almost equal amount of time during sleep. The clock-like alternation between these two sleep states was found initially by measuring the power modulation of two frequency bands, delta and beta. I recorded the full-band LFP and found an infra-slow oscillation (ISO) in the frequency range between 5 and 20 milli-Hz during sleep. The magnitude of ISO increased during sleep and decreased during both wakefulness and arousal during sleep. The up- and down-states of ISO were synchronized with the sleep state alternating rhythm but with a significant time lag dependent on the locations of the recording electrodes. Multi-site LFP recordings indicated that this ISO is a putative propagation wave sweeping extremely slowly, 30-67 µm/sec, from the posterior-dorsal pole to the anterior-ventral pole of the DVR.
Previous studies in other animals showed that brainstem areas such as the locus coeruleus, laterodorsal tegmentum, and periaqueductal gray are involved in sleep states regulation. It is sadly impossible to carry out in vivo recordings in the lizard brainstem without severely affecting them and their quality of life. I thus carried out ex vivo recordings in both DVR and brainstem. Pharmacological stimulation of the brainstem could reversibly silence one distinct EEG pattern characteristic of SW sleep, the sharp-wave and ripple complex, in DVR. An ISO could be recorded simultaneously in both DVR and brainstem. From data collected in both intact and split ex vivo brains, I concluded that there are independent ISO generators in at least two areas, the brainstem and the telencephalon. Their signals may normally be synchronized by long-range connections. The DVR ISO leads the brainstem ISO by ~29 sec. Optogenetic stimulation of brainstem neurons was able to disrupt the ISO in DVR reversibly.
In conclusion, the lizard brain offers a relatively simple model system to study sleep. Despite a diversity of results in different lizard species, my results revealed a number of new findings. Relevant for sleep research in general: 1) REM and SW sleep exist in a reptile. Since they also exist in birds and mammals, they probably existed in their common amniote ancestor, if not earlier. 2) REM and SW occupy equal amounts of time during sleep (50% duty cycle), a unique feature among all described sleep electrophysiological patterns, suggesting the possible existence of a simple central pattern generator of sleep, possibly ancestral. 3) I discovered the existence, in the local field potential, of an infra slow oscillation with extremely slow propagation, locked to the SW-REM alternating rhythm. The causes and mechanisms of this ISO remain to be understood. To my knowledge, the correlation between sleep states and a slow rhythm has only been reported in human scalp EEG recordings so far.
Thermoanaerobacter kivui ist ein thermophiles acetogenes Bakterium, das chemolithoautotroph auf CO2 unter Verwendung von molekularem H2 als Elektronendonor wächst und Acetat als Produkt über den Wood-Ljungdahl-Weg (WLP) bildet. Im WLP werden 2 Mol CO2 reduziert, um ein Mol Acetyl-CoA zu bilden. Erste Studien wurden durchgeführt, um die Physiologie von T. kivui zu verstehen. T. kivui wächst autotroph auf H2 + CO2 und nach Adaptation auch auf CO oder Syngas. T. kivui wächst ebenfalls auch in Minimalmedium ohne weitere Zugabe von Vitaminen, was es zu einem Biokatalysator mit hohem Potenzial für die Produktion von Chemikalien mit hohem Mehrwert macht. Heterotroph wächst T. kivui auf Glucose, Fructose, Mannose, Pyruvat oder Formiat. Kürzlich wurde beschrieben, dass T. kivui in der Lage ist, auf dem Zuckeralkohol Mannitol in Gegenwart und Abwesenheit von HCO3- (oder externem CO2) zu wachsen. Allerdings war das Wachstum in Abwesenheit von externem CO2 deutlich verlangsamt. Daher wurde in dieser Studie getestet, ob eine Zugabe von externem Formiat das "fehlende" CO2 kompensieren kann. In Kombination mit Formiat wurde das Wachstum auf Mannitol in CO2 und HCO3- freien definierten Medien bis zu einer maximalen OD600 von 2,34 und mit einer Verdopplungszeit von 2,0 ± 0,0 stimuliert, was dem Wachstumsverhalten auf Mannitol in Anwesenheit von CO2/HCO3- entsprach. In Abwesenheit von Formiat (oder CO2) erreichte T. kivui nur eine endgültige optische Dichte von bis zu 0,7 mit einer verlängerten Verdoppelungszeit von 5,2 ± 0,2 Stunden. Dieses Experiment zeigte die höhe metabolische Flexibilität von T. kivui durch die Nutzung von Formiat als Elektronenakzeptor, wenn kein oder nur wenig CO2 vorhanden ist.
Genomanalysen ergaben, dass T. kivui ein Trehalose- und Maltose-Transportsystem-Permeaseprotein (MalF) besitzt. Darüber hinaus verfügt T. kivui über Trehalose- und Maltosehydrolase-Gene, die als Kojibiose-Phosphorylase annotiert sind. Obwohl in der Originalveröffentlichung beschrieben wurde, dass der Organismus nicht auf Maltose oder Trehalose wachsen kann, konnte T. kivui im Laufe dieser Arbeit an das Wachstum auf Maltose und Trehalose adaptiert werden. Nach dem Transfer von einer Glukose-Vorkultur auf ein Medium mit 25 mM Maltose oder 25 mM Trehalose als alleinige C-Quelle wurde kein Wachstum erzielt. Bei Verwendung der gleichen Vorkultur in einem Medium mit höherer Konzentration (50 mM) Maltose oder Trehalose, begannen die Zellen zu wachsen. Bei Verwendung dieser adaptierten kulturen als Vorkultur wuchsen die Zellen in Gegenwart von in 25 mM Maltose oder Trehalose bis zu einer maximalen OD600 von 1,12 bzw. 0,73. Die Adaptation hing mit der Tatsache zusammen, dass der Organismus eine höhere Konzentration benötigt, um sich an diese Kohlenstoffquellen zu gewöhnen. Durch diese Daten wird das heterotrophe Potenzial von T. kivui erhöht.
Um die Bedeutung der wasserstoffabhängigen Kohlendioxidreduktase (HDCR) während des Wachstums auf Formiat oder auf H2 + CO2 im Stoffwechsel von T. kivui zu verstehen, wurden Studien auf molekularer Ebene durchgeführt. Die HDCR nutzt H2 direkt für die Reduktion von CO2 zu Formiat im ersten Schritt des Wood-Ljungdahl-Wegs (WLP). Um die Rolle der HDCR in dieser Reaktion zu untersuchen, wurde das hdcr-Gencluster mit Hilfe des kürzlich entwickelten Mutagenesytems für T. kivui deletiert. In Wachstumstudien konnte anschliessend gezeigt werden, dass die ߡhdcr-Deletionsmutante nicht mehr auf Formiat oder H2 + CO2 als alleiniger Kohlenstoffquelle wachsen konnte. Nach Komplementation der Mutante mit dem hdcr-Gene in cis wuchsen die Kulture wieder auf Formiat oder H2 + CO2. Diese Experimente zeigten, dass die HDCR für das Wachstum auf H2 + CO2 oder Formiat essentiell ist. Interessanterweise konnte in der ߡhdcr-Mutante ebenfalls ein verändertes Wachstum auf Glukose als alleiniger C-Quelle festgestellt werden. Die T. kivui ߡhdcr-Mutante wuchs nur bis zu einer OD600 von 0,2, während der Wildtyp und der hdcr-komplementierte Stamm bis zu einer OD600 von 2,64 bzw. 2,4 wuchsen. Damit wurde bewiesen, dass die HDCR auch für die vollständige Glukoseoxidation in T. kivui erforderlich ist. Durch die Zugabe von Formiat wurde das Wachstum vollständig wiederhergestellt, ähnlich wie beim Wildtyp. Dies belegt wieder die Nutzung Formiat als terminalen Elektronenakzeptor. Auch auf Mannitol oder Pyruvat konnte die Mutanten nur in Gegenwart von Formiat wachsen. Der Substratverbrauch und die Produktbildung der T. kivui ߡhdcr-Mutante wurden in einem Zellsuspensionsexperiment untersucht. Die Zellen verbrauchten Formiat nur in Gegenwart von Glukose und produzierten Acetat mit einem Acetat/Substrat-Verhältnis von etwas mehr als 3,0, während die Acetatproduktion nur 12 mM betrug, wenn Glukose als alleiniges Substrat verwendet wurde. Diese Ergebnisse zeigen eine enge Kopplung der Oxidation von Multikohlenstoffsubstraten an den WLP.
T. kivui ist eines der wenigen Acetogenen, die CO als einzige Kohlenstoff- und Energiequelle nutzen können. ...
Genetic engineering of Saccharomyces cerevisiae for improved cytosolic isobutanol biosynthesis
(2021)
The finite nature of fossil resources and the environmental problems caused by their excessive usage requires alternative approaches. The transformation from a fossil based economy to one based on renewable biomass is called a “bioeconomy”. To substitute fossil resources, various microorganisms have already been modified for the biosynthesis of valuable chemicals from biomass. However, the development of such efficient microorganisms at an industrial scale, remains a major challenge. The most prominent and robust microorganism for industrial production is the yeast Saccharomyces cerevisiae, which is known to produce ethanol that is used as renewable biofuel. However, S. cerevisiae is also naturally able to produce isobutanol in small amounts. Isobutanol is favoured as a biofuel compared to ethanol due to its higher octane number and lower hygroscopicity, which makes it more suitable for application in conventional combustion engines. In S. cerevisiae, the biosynthesis of isobutanol is permitted by the combination of mitochondrial valine synthesis (catalysed by Ilv2, Ilv5 and Ilv3) and its cytosolic degradation (catalysed by Aro10 and Adh2). The different compartmentalisation of the two pathways limit isobutanol biosynthesis. Thus, Brat et al. (2012) were able to increase the isobutanol yield up to 15 mg/gGlc by cytosolic re localisation of the enzymes Ilv2Δ54, Ilv5Δ48 and Ilv3Δ19 (cyt-ILV), with simultaneous deletion of ilv2. This corresponds to approximately 3.7% of the theoretical yield of 410 mg/gGlc, implying existing limitations in isobutanol biosynthesis, which have been investigated in this work.
For yet unknown reasons, isobutanol was only produced by S. cerevisiae in a valine free medium, according to Brat et al. (2012). This work shows that this can be attributed to the catalytic activity of Ilv2Δ54, which acted as growth inhibitor to S. cerevisiae. By this logic, a negative selection on the ILV2∆54 gene was exerted, which made the ilv2 deletion and simultaneous valine exclusion necessary to maintain the functional expression of toxic ILV2∆54. Furthermore, it was shown that valine exclusion is not mandatory due to the feedback regulation of Ilv2, permitted by Ilv6. Rather, increased isobutanol yield was observed when cytosolic Ilv6∆61 was expressed in the valine free medium, which is explained by the enhanced regulation of Ilv2Δ54 by Ilv6∆61 when BCAA are absent. Isobutanol biosynthesis is neither redox nor NAD(P)H co factor balanced. It was seen that co factor imbalance could be mitigated by the expression of an NADH oxidase (NOX), but not by expression of the NADH dependent ilvC6E6, since the latter showed low in vivo activity. Furthermore, it was seen that NAD(H) imbalance did already limit isobutanol biosynthesis, but the NADP(H) imbalance did not. Another limitation of cytosolic isobutanol biosynthesis is the secretion of the intermediate 2‑dihydroxyisovalerate, which then no longer is taken up by S. cerevisiae, causing a reduced isobutanol yield. This is attributed to insufficient Ilv3∆19 activity, due to poor iron sulphur cluster apo protein maturation. Therefore, it was aimed to replace Ilv3∆19 by heterologous dihydroxyacid dehydratases. Even though some of the enzymes were functionally expressed, none showed better in vivo activity than Ilv3∆19. Therefore, the Ilv3∆19 apo protein maturation was improved. This was achieved by the genomic deletion of fra2 or pim1 as well as by the cytosolic expression of Grx5∆29.
In addition to the isobutanol pathway, S. cerevisiae was optimised for isobutanol biosynthesis by rational and evolutionary engineering. For this purpose, the genes which are necessary for isobutanol production were integrated into the ilv2 locus, and the resulting strain was evolved in a medium containing the toxic amino acid analogue norvaline. Evolved single colonies were isolated, which presented improved growth and increased isobutanol yields (0.59 mg/gGlc) in a valine free medium, as compared to the initial strain. This is explained by a gene dosage effect which occurred during the evolutionary engineering experiment. In collaboration with Dr. Wess, the genes ilv2, bdh1/2, leu4/9, ecm31, ilv1, adh1, gpd1/2 and ald6 were cumulatively deleted in CEN.PK113 7D to block competing metabolic pathways. The resulting strain JWY23 achieved isobutanol yields up to 67.3 mg/gGlc, when expressing the cyt ILV enzymes from a multi copy vector. The most promising approaches of this work, namely the deletion of fra2 and the expression of Grx5∆29, Ilv6∆61, and NOX, were confirmed in this JWY23 strain. The highest isobutanol yield from this work was observed at 72 mg/gGlc for Ilv6∆61 and cyt ILV enzymes expressing JWY23, which corresponds to 17.6% of the theoretical isobutanol yield.
Isobutyric acid (IBA) is a by product of isobutanol biosynthesis, but it is also considered a valuable platform chemical. Therefore, the approaches that improved isobutanol biosynthesis were applied to the biosynthesis of IBA in S. cerevisiae. The highest IBA yield of 9.8 mg/gGlc was observed in a valine free medium by expression of cyt ILV enzymes, NOX and Ald6 in JWY04 (CEN.PK113 7D Δilv2; Δbdh1; Δbdh2; Δleu4; Δleu9; Δecm31; Δilv1). This corresponded to an 8.9 fold increase compared with the control and is, to our best knowledge, the highest IBA yield reported to date for S. cerevisiae.
Die Studien im Rahmen dieser Arbeit wurden am Modellorganismus Anabaena sp. PCC 7120 (Anabaena) durchgeführt, einem filamentösen Süßwasser-Cyanobakterium. Cyanobakterien sind photosynthetische, Gram-negative Organismen. Sie besitzen eine das Zytosol begrenzende Plasmamembran und eine Äußere Membran. TonB-abhängige Transporter (TBDTs) und Porine der Äußeren Membran bewerkstelligen und regulieren die Aufnahme von Nährstoffen. Typischerweise wenig abundante Substrate für den TBDT-vermittelten, aktiven Transport sind beispielsweise eisenhaltige Siderophore oder VitaminB12. Kleinere gelöste und abundante Stoffe wie Salze oder andere Ionen gelangen hingegen passiv durch Porine in das Periplasma.
In Anabaena wurden neun putative Porine identifiziert. Sieben hiervon wiesen eine porinspezifische Domänenstruktur auf (Alr0834, Alr2231, All4499, Alr4550, Alr4741, All5191 und All7614), und wurden im Rahmen dieser Arbeit näher betrachtet. Die Expression dieser sieben Gene wurde vergleichend untersucht, nachdem der Wildtyp in Standardmedium oder in Medium indem jeweils Mangan, Eisen, Kupfer oder Zink fehlte angezogen wurde. Außerdem wurde das Wachstum der einzelnen Porinmutanten im Vergleich zum Wildtyp auf Festmedium mit hohen Konzentrationen von Salzen, Antibiotika oder anderen Stoffen analysiert. Hierbei konnten den einzelnen Mutanten teilweise spezifische phänotypische Eigenschaften zugeschrieben werden. Zusammengefasst kann anhand der Analysenergebnisse vermutet werden, dass Alr4550 eine besondere Rolle in der Wahrung der Zellhüllenstabilität oder -integrität spielt, wohingegen das Fehlen von Alr5191 auf unbekannte Weise die Fixierung von Stickstoff zu erschweren scheint. Die alr2231-Mutante zeigte eine Resistenz gegenüber hohen Zinkkonzentrationen, was die Vermutung zulässt, dass Zink ein Substrat von Alr2231 darstellt. Für weitere Porine kann ebenfalls ein Zusammenhang zum Transport von Kupfer oder Mangan vermutet werden.
Neben Porinen wurden ebenfalls TonB-ähnliche Proteine in Anabaena untersucht. TonB ist ein plasmamembranständiges Protein, das in Komplex mit ExbB und ExbD die Energie für Transportprozesse über die Äußere Membran bereitstellt. Hierfür bindet TonB C-terminal an TBDTs und induziert dort Strukturänderungen, welche den Substratimport ins Periplasma ermöglichen. Als Energiequelle wird der Protonengradient genutzt, der über die Plasmamembran besteht. In Anabaena wurden vier putative TonB Proteine identifiziert, die sich jeweils in Länge und Domänenstruktur unterscheiden. Im Rahmen dieser Arbeit konnte durch Substrattransport-Experimente und Wachstumsanalysen gezeigt werden, dass TonB3 an der Aufnahme zweier Siderophore (Schizokinen und dem Xenosiderophor Ferrichrom) beteiligt ist, da die entsprechende Mutante sich als unfähig erwies diese zu als Eisenquelle nutzbar zu machen. Daneben wies TonB3 weitere Merkmale auf, die auch TonB-Proteinen anderer Organismen zugeschrieben wurden (Wachstumsdefizit der Mutante unter Eisenmangel, eisenabhängiges Expressionsprofil). Interessanterweise zeigte sich, dass das Siderophor Ferrichrom ebenfalls nicht als Eisenquelle für die tonB4-Mutante zur Verfügung stand, was zum Beispiel auf eine Beteiligung von TonB4 an dessen Transport hinweisen könnte.
TonB1, welches sich durch ein inkomplettes TBDT-Interaktionsmotiv auszeichnet, und TonB2 konnte keine Beteiligung am Siderophoretransport zugeschrieben werden, jedoch zeigten Mutanten der einzelnen Gene spezifische phänotypische Eigenschaften. Die tonB1-Mutante stach hervor durch ein vergleichsweise stark verzögertes Wachstum unter diazotrophen Bedingungen. Es konnte gezeigt werden, dass sowohl die Nitrogenaseaktivität als auch die expression vermindert war im tonB1-Mutantenstamm. Außerdem zeigten die Heterozysten dieser Mutante, die auf die Stickstoffixierung spezialisierten Zellen, eine abnormale Morphologie. Da die Expression von tonB1 jedoch nach dem Überführen von Wildypzellen in stickstoffreies Medium nicht erhöht war, kann eine direkte Beteiligung von TonB1 an der Heterozystendifferenzierung als unwahrscheinlich betrachtet werden. Die Zelleinschnürungen zwischen Heterozysten und vegetativen Zellen waren in I-tonB1 weniger ausgeprägt als im Wildtyp, was durch eine Anfärbung der Zellwand mit einem Fluoreszenzmarker gezeigt werden konnte. Ebenfalls konnte anhand des fluoreszierenden Markers Calcein gezeigt werden, dass die molekulare Diffusionsgeschwindigkeit zwischen Heterozysten und vegetativen Zellen, und auch zwischen zwei benachbarten vegetativen Zellen, in der tonB1-Mutante erhöht ist. Deswegen kann hier vermutlich vermehrt die Nitrogenase schädigender Sauerstoff in Heterozysten eindringen. Die aufgezählten Ergebnisse deuten auf eine Funktion von SjdR im Aufbau der Septumsstrukturen hin, beispielsweise durch Regulation der Peptidoglykansynthese oder -verteilung, weswegen TonB1 umbenannt wurde in SjdR (Septal junction disc regulator).
Die Untersuchung der tonB2-Mutante zeigte bei dieser eine veränderte Pigmentierung, eine vermehrte Lipopolysaccharidproduktion und Filamentaggregation sowie eine erhöhte Resistenz gegenüber bestimmten Antibiotika oder Detergenzien. Letzteres könnte auf die ebenfalls in der tonB2-Mutante beobachtete verringerte Porinexpression zurückgeführt werden. Es wurde außerdem eine vermehrte Anreicherung von Kupfer und Molybdän in der Mutante gemessen, was ein Grund für die Veränderte Pigmentierung sein könnte und ebenfalls die Porinexpression beeinflussen könnte. Insgesamt scheint sich das Fehlen von TonB2 auf die Integrität der Äußeren Membran auszuwirken. Daher kann für TonB2, eine Funktion in Anlehnung an das Tol-system vermutet werden.
In recent years, several neuronal differentiation protocols were published that circumvent the requirement of embryoid body (EB) formation under serum-deprivation and simplified medium conditions. But a neuronal default model to establish an approach that works efficiently for all pluripotent cells and neuronal precursors is still lacking. Whether such a default neural mechanism exist and how this is implemented across a broad spectrum of cell source, is addressed in several studies and still controversially discussed. It was proposed that the default neuronal fate is initiated in the absence of extrinsic signals and is achieved by eliminating extracellular inhibitors of neuroectodermal fate and suppressing cell-cell signalling through limited cell density. Previous studies reported that ESC and ECC grown at low density and in absence of exogenous factors or feeder layers die within 24 h but acquire a neural identity as indicated by expression of the neural marker Nestin. Thus, this application is not suitable for generating neural cultures. Furthermore, it was reported that P19 cells survive and express neuroectodermal marker genes in serum-free DMEM/F12 medium containing transferrin, insulin, and selenite, although no neurites were identified.
Based on this background, in this study, a novel approach to induce neuronal differentiation in vitro was developed that implements a nutrient-poor environment, which, in contrast to previous studies, ensures the survival of neuronally differentiated cells over a long period of time and allows normal formation of neurites. Neither the formation of free-floating aggregates nor supplementation of growth factors or known inducers was required to establish a reliable neuronal differentiation protocol. A simple medium, consisting of DMEM/F12+N2 that was highly diluted in salt solution, was sufficient to drive a fast neuronal differentiation in monolayer cultures. Serum deprivation and strong dilution of DMEM/F12+N2 medium cause a nutrient-poor environment in which the influence of growth factors and inducers is minimized. This medium creates a metabolically defined environment that is presumably free of extrinsic signals that prevent the decision of neuronal fate. Analysis of the medium components discovered no actual inducer. Hence, it was suggested that the metabolic composition of the medium exclusively covers specific cell requirements of neurons, therefore ensures their survival, and drives the switch from pluripotent cells to neurons. The self-developed method was established by usage of the murine embryonal carcinoma cell line P19 and could be transferred to murine ESC. Consequently, the method could provide a feasible protocol for a generally valid neuronal default model.
The established protocol provides several advantages such as the possibility to generate stable pure neuronal cultures by a fast, simple, and highly reproducible one-step induction under defined medium conditions with a minimum of exogen effectors. The method is characterised by clear and steady medium conditions that makes the investigation of specific cell requirements during differentiation accessible. It is therefore expected to be a useful tool to investigate the molecular basis of neuronal differentiation as well as for high throughput screenings. The phenotype of mature postmitotic neurons was arising within one week and cultures were shown to stay stable at least for three weeks. The neuronal identity was confirmed by expression of neuronal markers through immunofluorescence staining and mass spectrometry analysis. Furthermore, increased levels of axon markers were detected in early neuronal differentiation and functionality of the synapses of the P19-derived neurons was ascertained by detection of calcium activity. Axonal laser ablation, immediately followed by fast regrowth of connections in the neuronal network, revealed a strong regeneration potential under the given conditions. Furthermore, the generated neurons showed a morphologically distinct phenotype and the formation of neural rosettes. Immunofluorescence staining demonstrated the generation of pure and homogeneous neuronal cultures, free of glial cells.
Retinoic acid (RA) plays an essential role in cell signalling during embryogenesis and efficiently induces neuronal differentiation in vitro in a concentration dependent manner. Neither retinol nor retinoic acid was included in any of the components of the self-prepared medium in this work. However, I observed, dependence on RARβ- and/or RARγ-regulated RA signalling in serum-free monolayer cultures. Nevertheless, neuronal differentiation in serum-free monolayer cultures was assumed to be RARα-independent because (i) RARα was slightly downregulated after neuronal induction, (ii) the truncated RARα of the RAC65 mutant had no effect on induction efficiency, and (iii) a pan-RAR inhibitor suppressed neuronal differentiation. In contrast to serum-free monolayer cultures, the truncated RARα prevented neuronal differentiation by application of the conventional protocol where cells are grown in free floating cell aggregates in serum-containing medium. Proteome analysis of P19 cells, treated by the self-developed differentiation protocol over five days showed increased levels of cellular RA binding proteins that mediate the cellular RA transport and are involved in canonical as well as non-canonical RA signalling.
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1. Das Wachstum und die Fähigkeit zur Butyratproduktion von E. callanderi KIST612 wurde in geschlossenen Batch-Kulturen mit den Substraten Glukose, Methanol, Formiat, H2 + CO2 und CO untersucht. E. callanderi KIST612 zeigte sich nur bei Wachstum auf 20 mM Glukose oder 20 mM Methanol in der Lage, Butyrat in größeren Mengen (3,7 – 4,3 mM) zu produzieren. Das Hauptprodukt bei allen untersuchten Wachstumssubstraten war jedoch Acetat.
2. In bioinformatischen Analysen des Genoms von E. callanderi KIST612 konnte nur eine A1AO-ATP-Synthase gefunden werden, welche eine V-typ c-Untereinheit bestehend aus 4 TMH‘s mit nur einer Na+-Bindestelle aufweist. Diese konnte aus gewaschenen Membranen von E. callanderi durch Saccharose-Dichtegradientenzentrifugation, Anionenaustausch-Chromatographie (DEAE) sowie einer Größenausschluss-Chromatographie (Superose 6) bis zur apparenten Homogenität gereinigt werden. Nach Produktion einzelner Untereinheiten (A, B, C, D, E, F und H) in E. coli und Generierung von Antikörpern, konnten alle Untereinheiten (A, B, C, D, E, F, H, a sowie c) in der gereinigten Enzympräparation immunologisch oder mittels „Peptide-Mass-Fingerprinting“ nachgewiesen werden. Es konnte somit erstmals eine A1AO-ATP-Synthase aus einem mesophilen Organismus ohne Verlust von Untereinheiten gereinigt werden.
3. Der Gesamtkomplex wies unter nativen Bedingungen eine molekulare Masse von ca. 670 kDa auf. In elektronenmikroskopischen Aufnahmen zeigte sich anhand der hantelförmigen Strukturen, dass die A1AO-ATP-Synthase als intakter Gesamtkomplex gereinigt werden konnte.
4. Die gereinigte A1AO-ATP-Synthase wurde zunächst anhand ihrer ATP-Hydrolyse-Aktivität biochemisch charakterisiert. Die ATP-Hydrolyse-Aktivität hatte ein pH-Optimum von 7 – 7,5 und ein Temperaturoptimum bei 37 °C. Durch Messung der ATPase-Aktivität in Abhängigkeit von verschiedenen Mengen an Na+ konnte die vorhergesagte Na+-Abhängigkeit des Enzyms nachgewiesen werden. Zudem zeigten Hemmstoffexperimente mit DCCD, dass dieser Inhibitor mit Na+ um die gemeinsame Bindestelle in der c-Untereinheit konkurriert. Dies bestätigte nochmals, dass das Enzym funktionell gekoppelt gereinigt werden konnte.
5. Zur weiteren Untersuchung der Ionenspezifität wurde der an die ATP-Hydrolyse gekoppelte Ionentransport durch Rekonstitution des Enzyms in Liposomen und anschließender Messung des Na+- oder H+-Transports gemessen. In den Proteoliposomen konnte mit Hilfe von 22Na+ gezeigt werden, dass das Enzym Natriumionen translozieren kann. Während in Anwesenheit des Natriumionophors ETH 2120 kein 22Na+-Transport beobachtet werden konnte, führte die Anwesenheit des Protonophors TCS zu einer geringfügigen Stimulation der 22Na+-Translokation. Insgesamt konnte ein primärer Na+-Transport nachgewiesen werden, welcher von der A1AO-ATP-Synthase aus E. callanderi katalysiert wird.
6. Durch Rekonstitution der A1AO-ATP-Synthase aus E. callanderi in Liposomen konnte erstmals biochemisch nachgewiesen werden, dass ein solches Enzym trotz seiner V-Typ c-Untereinheit in der Lage ist, ATP zu synthetisieren. Durch die Zugabe von Ionophoren (ETH 2120 und TCS) konnte der elektrochemische Ionengradient aufgehoben werden, wodurch keine ATP-Synthese beobachtet werden konnte. Der erstmalige Nachweis der ATP-Synthese wurde bei einem ΔµNa+ von 270 mV erbracht.
7. Die ATP-Synthese zeigte sich ebenfalls abhängig von der Na+-Konzentration. Der KM-Wert lag bei 1,1 ± 0,4 mM und war vergleichbar mit dem für die ATP-Hydrolyse ermittelten Wert. Ebenso konnte für die ATP-Synthese-Richtung gezeigt werden, dass DCCD mit Na+ um die gemeinsame Bindestelle in der c-Untereinheit konkurriert.
8. Um den biochemischen Nachweis zu erbringen, dass die A1AO-ATP-Synthase auch unter physiologisch relevanten Potentialen zur ATP-Synthese befähigt ist, wurde der energetische Schwellenwert der ATP-Synthese bestimmt. Dieser betrug 87 mV als Triebkraft für ΔpNa, 94 mV als Triebkraft für Δψ und 90 mV als Triebkraft für ΔµNa+. Erstaunlicherweise konnte die ATP-Synthese der A1AO-ATP-Synthase aus E. callanderi KIST612 sowohl durch Δψ als auch ΔpNa angetrieben werden. Unterschiedliche Kombinationen von Δψ und ΔpNa führten zu dem gleichen energetischen Schwellenwert; Δψ und ΔpNa waren im Enzym aus E. callanderi KIST612 äquivalente Triebkräfte.
9. Der energetische Schwellenwert der A1AO-ATP-Synthase aus E. callanderi KIST612 wurde mit dem der F1FO-ATP-Synthasen aus A. woodii, E. coli und P. modestum verglichen. Dazu wurden die Enzyme im ATP-Synthase-defizienten E. coli-Stamm DK8 produziert und anschließend durch Ni2+-NTA-Affinitätschromatographie gereinigt. Nach Einbau der Enzyme in Liposomen waren alle Enzyme in der Lage, ATP als Reaktion auf ΔµNa+ (A. woodii und P. modestum) oder ΔµH+ (E. coli) zu synthetisieren. Im Vergleich zum Enzym aus E. callanderi zeigten sich zwei auffällige Unterschiede. Erstens war keine der F1FO-ATP-Synthasen in der Lage, ΔpNa/ΔpH als alleinige Triebkraft zu nutzen. Während die ATP-Synthese in den Enzymen aus E. coli und P. modestum nur durch ΔµH+ bzw. ΔµNa+ angetrieben werden konnte, konnte das Enzym aus A. woodii zusätzlich auch durch Δψ als einzige Triebkraft angetrieben werden.
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This work comprises the investigation of four different biosynthesis gene clusters from Xenorhabdus. Xenorhabdus is an entomopathogenic bacterium that lives in mutualistic symbiosis with its Steinernema nematode host and together they infect and kill insect larvae. Xenorhabdus is well known for the production of so-called specialised metabolites and many of these compounds are synthesised by non-ribosomal peptide synthetases (NRPSs) or NRPS-polyketide synthase (PKS)-hybrids. These enzymes are organised in a modular manner and produce structurally very diverse molecules, often with the help of modifying domains and tailoring enzymes. In general, the genes involved in the biosynthesis are organised in so-called biosynthetic gene clusters (BGCs) in the genome of the producing strain. Exchanging the native promoter with an inducible promoter, e.g. PBAD, allows the targeted activation of the BGC and in turn the analysis of the biosynthesis product via LC-MS analysis.
The first BGC investigated in this work is responsible for the biosynthesis of xenofuranones. Based on gene deletions, this work shows that the NRPS-like enzyme XfsA produces a carboxylated furanone intermediate which is subsequently decarboxylated by XfsB to yield xenofuranone B. The next step in xenofuranone biosynthesis is the O-methylation of xenofuranone B to yield xenofuranone A. A comparative proteomics approach allowed the identification of four methyltransferase candidates and subsequent gene deletions confirmed one of the candidates to be responsible for methylation of xenofuranone B. The proteome analysis was based on the comparison of X. szentirmaii WT and X. szentirmaii Δhfq because distinct levels of the methylated xenofuranone A were observed when the xfs BGC was activated in either WT or Δhfq strain. Hfq is a global transcriptional regulator whose deletion is associated with the down regulation of natural product biosynthesis in Xenorhabdus. The strong PBAD activation of the xfs BGC also allowed the detection of two novel xenofuranone derivatives which arise from incorporation of one 4-hydroxyphenylpyruvic acid as first or second building block, respectively.
PBAD based activation of the second BGC addressed in this work lead to the detection of a novel metabolite and compound purification allowed NMR-based structure elucidation. The molecule exhibits two pyrrolizidine moieties and was named pyrrolizwilline (pyrrolizidine + twin (German: “Zwilling”)). The BGC comprises seven genes and single gene deletions as well as heterologous expression in E. coli and NRPS engineering were conducted to investigate the biosynthesis. The first two genes xhpA and xhpB encode a bimodular NRPS and a monooxygenase which synthesise a pyrrolizixenamide-like structure, similar to PxaA and PxaB in pyrrolizixenamide biosynthesis. It is suggested that the acyl side chain incorporated by XhpA is removed by the α,β-hydrolase XhpG. The keto function is then reduced by two subsequent two electron reductions catalysed by XhpC and XhpD. One of these two reduced pyrrolizidine units most likely is extended with glyoxalate prior to non-enzymatic dimerisation with the second pyrrolizidine moiety. To finally yield pyrrolizwilline, L-valine is incorporated, probably by the free-standing condensation domain XhpF.
The third BGC investigated is responsible for the production of a tripeptide composed of β-D-homoserine, α-hydroxyglycine and L-valine and is referred to as glyoxpeptide. This work demonstrates that the previously observed glyoxpeptide derivative is derived from glycerol present in the culture medium. Furthermore, this work shows that the monooxygenase domain, which is found in an unusual position between motifs A8 and A9 within the adenylation domain, is responsible for the α-hydroxylation of glycine. It is suggested that the α-hydroxylation of glycine renders the tripeptide prone to hydrolysis via hemiacetal formation. Hence, the XgsC_MonoOx domain might be an interesting candidate for further NRPS engineering.
The fourth BGC addressed is responsible for the production of xildivalines and this work describes two additional derivatives which are detected only when the promoter is exchanged and activated in the X. hominickii WT strain but not in X. hominickii Δhfq. Deletion of the methyltransferase encoding gene xisE results in the production of non-methylated xildivalines. It remains to be determined when the N-methylation of L-valine takes place. It is discussed that the methyltransferase could act on the NRPS released product but also during the assembly. The peptide deformylase is not involved in the proposed biosynthesis as xildivaline production is detected in a ΔxisD strain. The PKS XisB features two adjacent, so-called tandem T domains. The inactivation of the first or the second T domain by point mutation causes decreased production titres of detected xildivalines in the respective mutant strain when compared to the wild type.
Clean water is fundamental to human health and ecosystem integrity. However, water quality deteriorates due to novel anthropogenic pollutants present at microgram per liter concentrations in urban water cycles (termed micropollutants). Wastewater treatment plants (WWTP) have been identified as major point sources for aquatic (micro-)pollutants. Chemical and ecotoxicological analyses have shown that conventional biological WWTPs do not fully remove micropollutants and associated toxicities, which is often because of mobile, polar and/or recalcitrant compounds and transformation products (TPs). To minimize possible environmental risks, advanced wastewater treatment (AWWT) technologies could be a promising mitigation measure. Multiple processes are therefore being developed and evaluated such as ozonation and ozonation followed by granulated activated carbon (GAC) or biological filtration. Assessing the performance of these combined AWWTs was the focus the TransRisk project. Within this project, this thesis accomplished four major goals.
Firstly, the preparation of (waste)water samples was optimised for in vitro bioassays. Acidification, filtration and solid phase extraction (SPE) were tested for their impact on environmentally relevant in vitro endocrine activities, mutagenicity, genotoxicity and cytotoxicity. Significantly different outcomes of these assays were detected comparing neutral and acidified samples. Sample filtration had a lesser impact, but in some cases retention of particle-bound compounds could have caused significant toxicity losses. Out of three SPE sorbents the Telos C18/ENV at sample pH 2.5 extracted highest toxicity, some undetected in aqueous samples. These results indicate that sample preparation needs to be optimised for specific sample matrices and bioassays to avoid false-positive or -negative detects in effect-based analyses.
Secondly, the above listed in vitro toxicities were monitored in a protected region for drinking water production in South-West Germany (2012-2015). Out of 30 sampling sites surface water and groundwater were the least polluted. Nonetheless, a few groundwater samples induced high anti-estrogenic activity that prompted further monitoring. The latter included a waterworks in which no toxicity was detected. Hospital wastewater also had elevated in vitro toxicities and hospitals are, thus, relevant intervention points for source control. The biological WWTPs were effective in removing most of the detected toxicity, and the selected bioassays proved to be pertinent tools for water quality assessment and prioritisation of pollution hotspots.
Thirdly, the in vivo bioassay ISO10872 based on Caenorhabditis elegans (C. elegans) was adapted for this thesis. Using this model, a median effect concentration (EC50) for reproductive toxicity of the polycyclic aromatic hydrocarbon β-naphthoflavone (β- NF) of 114 µg/L was computed which is slightly lower than reported in the scientific literature. β-NF induced cyp-35A3::GFP (a biomarker in transgenic animals) in a time and concentration dependent manner (≤ 21.3–24 fold above controls). β-NF spiked wastewater samples supported earlier hypotheses on particle-bound pollutants. Reproductive toxicity (96 h) and cyp-35A3 induction (24 h) of biologically treated and/or ozonated wastewater extracts and growth promoting effects of GAC/biologically filtered ozonated wastewater extracts were observed. This suggested the presence of residual bioactive/toxic chemicals not included in the targeted chemical analysis. It also highlighted the importance of integrating multiple (apical and molecular) endpoints in wastewater assessments.
Fourthly, five in vitro and the adapted C. elegans bioassay were integrated into a wastewater quality evaluation (developed within TransRisk). Out of the five AWWT options, ozonation (at 1 g O3,applied/g DOC, HRT ~ 18 min) combined with nonaerated GAC filtration was rated most effective for toxicity removal. All five AWWTs largely removed estrogenic and (anti-)androgenic activities, but not anti-estrogenic activity and mutagenicity, which even increased during ozonation. This has been observed in related studies and points towards toxic TPs. These results also emphasized the need for implementing an effective post-treatment for ozonation. The results from a parallel in vivo study with Lumbriculus variegatus and Potamopyrgus antipodarum conducted on site at the WWTP (using flow through systems) were in accordance with the C. elegans results. In this context, it is suggested to further implement C. elegans as sensitive, feasible and ecologically relevant model.
In conclusion, this thesis shows how optimised sample preparation, long-term (in vitro) environmental monitoring, sensitive and ecologically relevant (in vivo) bioassays as well as innovative evaluation concepts, are pivotal in improving the removal of micropollutants and their toxicities with AWWTs. Future research should further develop and evaluate measures at sewer systems, conventional biological, tertiary and other advanced treatment technologies, as well as sociopolitical strategies (e.g., source control or natural conservation) and restoration projects. The effect-based tools optimised in this thesis will support assessing their success.
Zur Evolution der Hirnmorphologie und Anpassungen an Extremhabitate im Taxon Poecilia (Teleostei)
(2020)
Diese Dissertation befasst sich mit den Auswirkungen kontrastierender Umweltbedingungen auf die Gehirnmorphologie von neotropischen Fischen der Gattung Poecilia, welche unterschiedlichen abiotischen sowie biotischen Stressoren ausgesetzt sind. Da das Gehirn der Teleostei ein energetisch kostspieliges Organ und viel plastischer ist als z. B. bei Säugetieren, stellt sich die Frage, wie die Gehirnanatomie durch divergierende ökologische Faktoren in verschiedenen Umgebungen geformt wird, die ´extreme´, ´ressourcenbeschränkte und günstige´ Umgebungen repräsentieren. Zur Beantwortung dieser Frage wurden intraspezifische Studien an freilebenden und Laborindividuen von Poecilia-Arten durchgeführt, um die evolutionäre und ökologische Formgebung des Gehirns besser verstehen zu lernen. Im ersten Teil der Arbeit wurden Gehirnvolumina verglichen zwischen reproduktiv isolierten Populationen des neotropischen Fisches Poecilia mexicana (Ntotal = 95), die in Dunkelheit leben (Cueva Luna Azufre), in einem nahegelegenen Oberflächenhabitat (El Azufre), welcher giftigen Schwefelwasserstoff enthält und einer Kombination aus beiden Stressoren Dunkelheit und H2S (Cueva del Azufre). In einer zweiten Studie wurde auf anatomische („konvergente“) Veränderungen im Teleost-Gehirn entlang eines natürlichen Gradienten von Sulfidkonzentrationen getestet. Hierfür wurden Gehirne (Ntotal = 100) von P. mexicana verglichen, die in drei Flusssystemen im Süden Mexikos unabhängig voneinander eine erhöhte Toleranz gegenüber Schwefelwasserstoff (H2S) entwickelt haben. Dazu gehörten eine phylogenetisch alte H2S-adaptierte Form (P. sulphuraria) und zwei P. mexicana Formen, welche frühere Stufen der Anpassung an H2S darstellen. Zur Überprüfung des Einflusses anderer abiotischer und biotischer Faktoren auf die Morphologie der Gehirnregionen wurde eine weitere Studie durchgeführt. Hierbei wurden die phänotypischen Variationen der Gehirnregionen und der Körpermorphologie von Poecilia vivipara-Populationen (Ntotal = 211) aus Lagunen des Restinga de Jurubatiba Nationalpark untersucht, die sich in abiotischen Umgebungsbedingungen, insbesondere in Salzgehalt, Wassertransparenz, Phosphat und Nitrat sowie biotischen Faktoren wie Prädatorendichte unterschieden. Die erste Studie zeigte lebensraumabhängige Unterschiede bei freilebenden Fischen. Bei Fischen, die in Dunkelheit ohne H2S (LA) oder in Oberflächenhabitaten mit H2S lebten, wurden vergrößerte telenzephale Lappen, kleinere Augen und optische Tekta gefunden. Fische aus der sulfidischen Höhle (CA) zeigten zusätzlich vergrößerte Corpus cerebelli. Der Vergleich mit den Gehirnen von Labor aufgezogenen weiblichen Fischen (Ntotal = 25) zeigt eine allgemeine Verringerung der Gehirngröße sowie eine geringe Abweichung der Gehirngröße zwischen Labor aufgezogenen und freilebenden Fischen. Auch in der zweiten Studie zeigten alle in H2S-haltigen Lebensräumen lebenden Fische kleinere Augen, ein kleineres optisches Tektum und ein kleineres Gehirnvolumen, jedoch größere Corpus cerebelli und Hypothalamusvolumen als Fische aus nicht-sulfidischen Lebensräumen. Flusssystem-spezifische Effekte wurden für die telenzephalen Lappen, das gesamte Gehirn und die Augengröße festgestellt, da die Geschlechter je nach Quelle des Flusssystems unterschiedlich auf das Vorhandensein von H2S reagierten. Die dritte Studie zeigt auch, dass andere Umwelteinflüsse bemerkenswerte Verschiebungen im Gehirn und in den Gehirnregionen verursachen können. Fische, die im Süßwasser leben, zeigten eine verringerte Gesamthirngröße, telenzephale Lappen, Corpus cerebelli und Hypothalamusvolumen. Darüber hinaus zeigten Fische aus Salzwasserlagunen (hypersalin), ein verringertes Volumen des optischen Tektum, während telenzephale Lappen, Corpus cerebelli und Hypothalamusvolumen im Vergleich zu Süßwasserfischen vergrößert waren. Im Brackwasser lebende Fische wiesen im Vergleich zu Süß- und Salzwasserfischen die größten Gehirnregion-Volumen auf. Darüber hinaus zeigten die Ergebnisse über die Lagunen hinweg auch Unterschiede in der Morphologie der Kopf- und Augendurchmesser. Bei Augengröße, Kopfgröße, optischem Tektum Volumen, Hypothalamusvolumen und dem Gesamthirnvolumen wurde ein sexueller Dimorphismus beobachtet. Die dargestellten Ergebnisse verdeutlichen, dass die gefundenen Muster nahezu mit denen von H2S-Fischen identisch sind. Die ausgeprägten Unterschiede in den Hirnregionen zwischen freilebenden Fischen können als Teil der Mosaikentwicklung interpretiert werden. Die Ergebnisse der Laborpopulation zeigen jedoch eine hohe phänotypische Plastizität. Diese Studie unterstreicht damit die Bedeutung der Kombination der Untersuchung von freilebenden mit im Labor lebenden Individuen zur Beantwortung von Fragen der Gehirnentwicklung. Kleinere Augen und ein kleineres optisches Tektum, aber größere telenzephale Lappen wurden auch bei Fischen aus einem sulfidischen Oberflächenhabitat in der Nähe einer der Höhlen gefunden und sind den Ergebnissen zufolge das Resultat begrenzter Sehkraft in trüben sulfidischen Lebensräumen.
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Ziel dieser Arbeit war es, einen genaueren Einblick in die Rolle von PaCLPXP für den Energiemetabolismus von P. anserina zu erhalten und mögliche Komponenten zu identifizieren, welche wichtig für die Langlebigkeit der PaClpP-Deletionsmutante sind. Folgende neue Erkenntnisse konnten hierbei gewonnen werden:
1. Die Substrat-Analyse durch eine Cycloheximid-Behandlung und anschließender Proteom-Analyse legte erfolgreich eine Reihe potentieller bisher nicht bekannter Substrate von PaCLPP offen. Interessanterweise waren unter den identifizierten Proteinen viele ribosomale Untereinheiten und Komponenten verschiedener Stoffwechselwege des Energiemetabolismus zu finden. Am auffälligsten unter diesen Substraten war die extreme Anreicherung eines Retikulon-ähnlichen Proteins, das einen neuen Aspekt der möglichen molekularbiologischen Rolle von PaCLPP in P. anserina andeutet.
2. Durch die Zugabe von Butyrat zum Medium, konnte erfolgreich die Autophagie sowohl im P. anserina Wildtyp als auch in der PaClpP-Deletionsmutante reduziert werden. Diese Verminderung der Autophagie sorgt bei ΔPaClpP für eine Verkürzung der Lebensspanne. Dieser Effekt ist spezifisch für die PaClpP-Deletionsmutante, während die Auswirkung von Butyrat auf den Wildtyp nur marginal ist. Dieses Ergebnis untermauert frühere Analysen dieser Deletionsmutante, welche besagen, dass die Langlebigkeit von ΔPaClpP Autophagie abhängig ist (Knuppertz und Osiewacz, 2017).
3. Die Metabolom-Analyse von ΔPaClpP im Vergleich zum Wildtyp zeigt, dass das Fehlen der PaCLPP zu Veränderungen in der Menge der Metaboliten der Glykolyse und des Citratzyklus kommt. Außerdem sind die Mengen der meisten Aminosäuren und der Nukleotide betroffen. Diese Analyse beweist, dass das Fehlen dieser mitochondrialen Protease weitreichende Folgen für die ganze Zelle hat. Durch die signifikante Verringerung von ATP und die Anreicherung von AMP in jungen ΔPaClpP-Stämmen und durch den Umstand der gesteigerten Autophagie in dieser Mutante, fiel das Augenmerk auf die AMPK. Dieses veränderte AMP/ATP-Verhältnis ist ein Indiz für eine gesteigerte AMPK-Aktivität und könnte auch den Umstand der gesteigerten Autophagie in ΔPaClpP erklären.
4. Das Gen codierend für die katalytische α-Untereinheit der AMPK (PaSnf1) konnte erfolgreich in P. anserina deletiert werden. Das Fehlen von PaSNF1 führt zu einer reduzierten Wuchsrate, eine beeinträchtige weibliche Fertilität und eine verzögerte Sporenreifung. Es konnte gezeigt werden, dass die Autophagie infolge einer PaSnf1-Deletion nicht gänzlich unterdrückt wird, PaSNF1 allerdings für die Stress-induzierte Autophagie notwendig ist. Überraschenderweise führt die Abwesenheit von PaSNF1 zu einer verlängerten Lebensspanne im Vergleich zum Wildtyp. Die meisten Effekte infolge einer PaSnf1-Deletion konnten durch die Einbringung eines FLAG::PaSNF1-Konstrukts komplementiert werden.
5. Eine gleichzeitige PaSnf1 und PaClpP-Deletion führt zu eine unerwarteten, extremen Lebenspannenverlängerung, die die Verlängerung der Lebensspanne bei der PaClpP-Deletionsmutante noch übertrifft. Interessanterweise geht dieser Phänotyp nicht mit einer erhöhten Autophagie einher. Des Weiteren konnte beobachtet werden, dass das Fehlen von PaSNF1 sowohl in ΔPaSnf1 als auch in ΔPaSnf1/ΔPaClpP zu einer veränderten Mitochondrien-Morphologie im Alter führt. Die Abwesenheit von PaSNF1 verursacht, dass die Stämme auch im Alter (20d) noch überwiegend filamentöse Mitochondrien aufweisen. Zudem zeigen die drei analysierten Deletionsstämme (ΔPaSnf1, ΔPaClpP und ΔPaSnf1/ΔPaClpP) massive Einschränkungen wenn sie auf die mitochondriale Funktion angewiesen sind.
6. Auffallend war, dass bei ΔPaSnf1, ΔPaClpP und bei ΔPaSnf1/ΔPaClpP die Stämme mit dem Paarungstyp „mat-“ langlebiger sind als die Stämme mit dem Paarungstyp „mat+“. Dieser Effekt ist bei der ΔPaSnf1/ΔPaClpP-Doppelmutante am stärksten ausgeprägt. Weitere Untersuchungen dazu ergaben, dass die Paarungstypen immer dann eine Rolle spielen, wenn die Stämme mitochondrialem Stress ausgesetzt, oder aber auf die mitochondriale Funktion angewiesen sind. Verantwortlich für diese Unterschiede sind zwei rmp1-Allele, die mit den unterschiedlichen Paarungstyp-Loci gekoppelt sind und mit dem jeweiligen Paarungstyp-Locus vererbt werden (rmp1-1 mit „mat-“; rmp1-2 mit „mat+“).
Seit den 1950er Jahren hat sich Plastik als unverzichtbare Ressource im menschlichen Alltag etabliert. Als negative Folge dieses Booms wird seit einigen Jahrzehnten jedoch eine zunehmende Belastung aquatischer Ökosysteme mit Plastikmüll bzw. dessen Degradationsprodukten, sogenanntes „Mikroplastik“ (MP, < 5 mm) bzw. „Nanoplastik“ (NP, < 1 µm), beobachtet. Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung des aktuellen Vorkommens von MP in limnischen Gewässern, die Analyse der Interaktion zwischen MP und limnischen Wirbellosenarten und der daraus resultierenden Toxizität sowie eine erste Risikoabschätzung.
Das Vorkommen von Mikroplastik in limnischen Gewässern wurde exemplarisch anhand der Elbe als großes Fließgewässer in Deutschland untersucht. Durch die Auswertung von elf Probestellen entlang des Verlaufs der Mittel- und Unterelbe konnte gezeigt werden, dass die MP-Konzentrationen im Sediment (2,26x10^4 – 2,27x10^7 P m^-3) im Mittel fast 150.000-fach höher sind als in der Wasserphase (0,88–13,24 P m^-3). Sedimente sind somit eine Senke für MP. Die Zusammensetzung der Polymerarten sowie MP-Formen deuten zudem an, dass die Partikel sowohl aus diffusen wie auch aus Punktquellen (z.B. Industrieabwässer) stammen. Im globalen Vergleich können die MP-Konzentrationen in deutschen Fließgewässern z. Z. als durchschnittlich betrachtet werden. Allerdings muss insgesamt davon ausgegangen werden, dass die bisher bestimmten MP-Umweltkonzentrationen die realen Konzentrationen möglicherweise unterschätzen. So zeigte die Elbestudie, dass die Sedimentfeinfraktion < 100 µm einen bedeutenden Polymeranteil enthielt. Die meisten bisher durchgeführten Studien zur Bestimmung von MP-Partikeln in Flüssen haben Partikel < 100 µm jedoch nicht in ihrer Analyse berücksichtigt.
Die Interaktion von MP mit limnischer Biota wurde anhand der Artgruppen der Muscheln (Bivalvia), Schnecken (Gastropoda) sowie Krebstiere (Crustacea) näher untersucht. Die Intensität der Interaktion ist maßgeblich von der Aufnahme von MP durch die verschiedenen Arten abhängig. Anhand von zahlreichen Aufnahmestudien mit verschiedenen limnischen Arten, darunter den Muschelarten Dreissena polymorpha, Sinanodonta woodiana und Anodonta anatina, der Lungenschnecke Lymnaea stagnalis sowie der Amphipodenart Gammarus pulex, wurde nachgewiesen, dass die MP-Aufnahme von den Eigenschaften der exponierten Arten bzw. Individuen, den MP-Charakteristika sowie den Expositionsbedingungen abhängt. Die Experimente mit Muscheln verdeutlichten die rasche Aufnahme, aber auch Exkretion von MP-Partikeln innerhalb weniger Stunden. In allen drei Artgruppen war die Aufnahme konzentrationsabhängig mit zunehmender Aufnahme bei steigenden MP-Konzentrationen. Die Muschelexperimente zeigten jedoch auch, dass eine gleichzeitige Exposition mit anderen Partikeln (z.B. Nahrung) zu einer reduzierten Aufnahme führt. Auch die Größe der Testorganismen beeinflusste die Aufnahme: So nahmen im Fall der Muscheln und Krebse kleinere Individuen (bzw. im Fall der Muscheln auch Arten) relativ pro Körpermasse mehr MP-Partikel auf als größere Individuen bzw. Arten. Für alle untersuchten Arten wurde darüber hinaus gezeigt, dass die MP-Größe relevanten Einfluss auf die Menge an aufgenommenen Partikeln hat.
Ein Vergleich zwischen den Artgruppen zeigte, dass Muscheln als filtrierende Organismen in den Laboruntersuchungen bei gleicher Expositionskonzentration mehr MP aufnahmen als Krebse (Zerkleinerer) und Schnecken (Weidegänger). Im Gegensatz zu Muscheln nutzen Krebstiere und Schnecken allerdings die Grenzschicht zwischen Wasser- und Sedimentphase als Suchraum für ihre Nahrung und sind in der Umwelt (auf Grund des höheren MP-Vorkommens in Sedimenten) somit möglicherweise gegenüber höheren MP-Konzentrationen exponiert als Muscheln. Die Extrapolation der gewonnenen Labordaten sowie der Vergleich mit publizierten Umweltdaten legen allerdings nahe, dass das MP-Vorkommen in Individuen aller drei Artgruppen bisher auf einige wenige MP-Partikel begrenzt ist. Ausgeprägte Unterschiede zwischen den Artgruppen sind bisher nicht erkennbar.
MP-Toxizitätsstudien mit G. pulex, L. stagnalis sowie D. polymorpha konnten trotz der Berücksichtigung einer Vielzahl an Endpunkten (Mortalität, Reproduktion, Nahrungsaufnahme, oxidativer Stress, Energiereserven, Immunzellaktivität) und trotz des Einsatzes zum Teil sehr hoher MP-Konzentrationen weit oberhalb aktueller Umweltkonzentrationen nur sehr wenige MP-induzierte Effekte nachweisen, darunter eine Steigerung der Filtrationsaktivität (D. polymorpha) bzw. Veränderung der Immunfunktion von Hämolymphzellen (L. stagnalis).
Zur weiteren Risikoabschätzung wurden diese Studienergebnisse mit publizierten Daten für marine und limnische Muschel- und Krebsarten in Artenempfindlichkeitsverteilungen (Species Sensitivity Distributions, SSD) zusammengeführt und jeweils eine SSD für Muscheln und Krebstiere erstellt. Die Erstellung einer SSD nur für limnische Arten ist zum jetzigen Zeitpunkt auf Grund der geringen Datenlage noch nicht möglich.
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Human GLUTs represent a family of specialized transporters that facilitate the diffusion of hexoses through membranes along a concentration gradient. The 14 isoforms share high sequence identity but differ in substrate specificity and affinity, and tissue distribution. According to their structure similarity, GLUTs are divided into three classes, with class 1 comprising the most intensively studied isoforms GLUTs1 4. An abnormal function of different GLUT members has been related to the pathogenesis of various diseases, including cancer and diabetes. Hence, GLUTs are the subject of intensive research, and efforts concentrate on identifying GLUT-selective ligands for putative medical purposes and their application in studies aiming to further unravel the metabolic roles of these transporters.
The hexose transporter deficient (hxt0) yeast strain EBY.VW4000 is devoid of all its endogenous hexose transporters and unable to grow on glucose or related hexoses. This strain has proven to be a valuable platform to investigate heterologous transporters due to its easy handling, increased robustness, and versatile applications. However, the functional expression of GLUTs in yeast requires certain modifications. Single point mutations of GLUT1 and GLUT5 led to their functional expression in EBY.VW4000, whereas the native GLUT1 was actively expressed in EBY.S7, a hxt0 strain carrying the fgy1 mutation that putatively reduces the phosphatidylinositol-4-phosphate (PI4P) content in the plasma membrane. GLUT4 was only actively expressed in the hxt0 strain SDY.022, which also contains the fgy1 mutation and in which ERG4 is additionally deleted. Erg4 is one of the late enzymes in the ergosterol pathway, and therefore SDY.022 probably has an altered sterol composition in its membrane.
The goal of this thesis was to actively express GLUT2 and GLUT3 in a hxt0 yeast strain, providing a convenient system for their ligand screening. A PCR-derived amino acid exchange in the sequence of GLUT3 enabled its functional expression in EBY.VW4000 and the unmodified GLUT3 protein was active in EBY.S7. Functional expression of GLUT2 was achieved by rational design. The extracellular loop between the transmembrane regions 1 and 2 is significantly larger in GLUT2 than in other class 1 GLUTs. By truncating this loop by 34 amino acids and exchanging an alanine for a serine, a GLUT3-like loop was implemented. The resulting construct GLUT2∆loopS was functional in EBY.S7. With an additional point mutation in the transmembrane region 11, GLUT2∆loopS_Q455R was also actively expressed in EBY.VW4000. Inhibition studies with the known GLUT inhibitors phloretin and quercetin showed a reduced transporter activity for GLUT2 and GLUT3 in uptake assays and growth tests when inhibitors were present, demonstrating that both systems are amenable for ligand screening experiments.
The newly established GLUT2 yeast system was then used to screen a library of compounds pre-selected by in silico screening. Thereby, eleven identified GLUT2 inhibitors exhibited strong potencies with IC50 values ranging from 0.61 to 19.3 µM. By employing the other yeast systems, these compounds were tested for their effects on GLUT1, and GLUTs3-5, revealing that nine of the identified ligands were GLUT2-selective. In contrast, one was a pan-class 1 inhibitor (inhibiting GLUTs1-4), and one affected GLUT2 and GLUT5, the two fructose transporting isoforms. These compounds will serve as useful tools for investigations on the role of GLUT2 in metabolic diseases and might even evolve into pharmaceutical agents targeting GLUT2-associated diseases.
Due to the beneficial effect of the putatively changed sterol composition in SDY.022 (by ERG4 deletion) on the functional expression of GLUT4, it was hypothesized that the presence of the human sterol cholesterol, or cholesterol-like sterols, might have a beneficial effect on GLUT expression, too. Thus, it was attempted to generate hxt0 strains that synthesize these sterols by genetic modifications targeting the ergosterol pathway. In the scope of these experiments, several strains with different sterol compositions were generated. Drop tests on glucose medium with the different strains expressing GLUT1 or GLUT4 revealed that the deletion of ERG6 is clearly advantageous for a functional expression of GLUT1 (but not GLUT4). This indicates that the methyl group at the ergosterol side chain (introduced by Erg6 and reduced by Erg4) negatively influences GLUT1 activity. However, this effect on GLUT1 activity was less pronounced than the putative altered PI4P content in EBY.S7.
Additionally, in this thesis, a new tool to measure glucose transport rates of transporters expressed in the hxt0 yeast system was developed to facilitate their kinetic characterization. For this, the pH-sensitive GFP variant pHluorin was employed as a biosensor for the cytosolic pH (pHcyt) by measuring the ratio (R390/470) of emission intensities at 512 nm from two different excitation wavelengths (390 and 470 nm). Sugar-starved cells exhibit a slightly acidic pHcyt because ATP production is depleted, reducing the activity of ATP-dependent proton pumps.
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My PhD work employed genetic and pharmacological manipulations, coupled with highresolution live imaging, to understand intercellular communications during zebrafish cardiovascular development. The heart is the first organ to form, and it is composed of several tissues, among which interactions are crucial. I identified two important interactions between muscular and non-muscular tissues in poorly characterized contexts, and the molecules required for the signalling. First, I discovered an important cellular and molecular crosstalk orchestrating the development of the cardiac outflow tract (i.e., the aortic root in mammals).
Endothelial-derived TGF-beta signalling controls the generation of the local extracellular matrix (ECM). The ECM in turn affects endothelial proliferation as well as smooth muscle cell organization (Boezio et al, 2020; Bensimon-Brito*, Boezio* et al, 2020). In my second project, I investigated the crosstalk between the epicardial layer and the myocardial wall. By generating epicardial-impairment models, I identified a novel role for the epicardium in regulating cardiomyocyte volume during heart development (Boezio et al, 2021). Ultimately, this research contributed to our understanding of how paracrine signalling controls the multicellular interactions integral to organogenesis.
Die Bildung von Blutgefäßen ist essentiell für die Entwicklung und Homöostase von Wirbeltieren und die Endothelzellspezifikation ist ein wichtiger erster Schritt in diesem Prozess. Das früheste bekannte Ereignis bei der Endothelzellspezifikation im Zebrafisch ist die Expression des bHLH-PAS-Transkriptionsfaktor-Gens npas4l. Ich habe eine transgene V5-Linie zum Nachweis des markierten Npas4l auf Proteinebene und eine Gal4-VP16-Reporterlinie zur Visualisierung und Verfolgung von npas4l exprimierenden Zellen in vivo generiert. Beide Linien können bereits in frühen Entwicklungsstadien nachgewiesen werden und komplementieren auch starke npas4l-Mutanten Allele. Um npas4l Reporter exprimierende Zellen in npas4l Mutanten zu verfolgen, habe ich anschließend eine mutierte Variante der Gal4-Reporterlinie erzeugt. Diese Mutante trägt eine Insertion in der Region, die die DNA-Bindedomäne kodiert. Dadurch stört sie die Npas4l-Funktion, aber nicht die Reporterexpression. Dieses mutierte Reporterallel komplementiert nicht die npas4l-Mutanten und zeigt einen starken Phänotyp, was darauf hindeutet, dass es sich um ein funktionelles Nullallel handelt. Phänotypische Analysen zeigten, dass npas4l-Reporter positive Zellen in npas4l-Mutanten nicht spezifizieren oder zur Mittelachse wandern. Stattdessen tragen sie zu den vom intermediären Mesoderm abgeleiteten pronephrischen Tubuli und dem vom paraxialen Mesoderm abgeleiteten Skelettmuskel bei. Ich habe diese Phänotypen durch Einzelzell-RNAseq an den npas4l-Reporter positiven Zellen in npas4l+/- und npas4l-/- Embryonen bestätigt. Zusammen erklären diese beiden alternativen Zellschicksale den Großteil der beobachteten Veränderungen zwischen den Genotypen. Npas4l ist dafür bekannt die Expression der drei Transkriptionsfaktorgene etsrp, tal1 und lmo2 zu fördern. Ich stellte die Hypothese auf, dass das Fehlen jedes dieser Transkriptionsfaktoren in npas4l-Mutanten verschiedene Aspekte des npas4l-Phänotyps verursacht. Daher habe ich Mutantenlinien für alle drei Gene generiert und sie sowohl in vaskulären Reporterlinien als auch im npas4l-Reporterhintergrund analysiert. Die Daten legen nahe, dass verschiedene Gene unterschiedliche Prozesse während der frühen Endothelentwicklung regulieren. In npas4l-/- und etsrp-/- Embryonen differenzieren npas4l-Reporter exprimierende Zellen nicht zu Endothelzellen und tragen stattdessen zur Skelettmuskelzellpopulation bei. In npas4l-/- und tal1-/- Embryonen können npas4l-Reporter exprimierende Zellen nicht migrieren und tragen stattdessen zu der Bildung der pronephrischen Tubuli bei. Um die Beziehung zwischen diesen Faktoren besser zu verstehen, habe ich getestet, ob die Injektion von etsrp-, tal1- oder lmo2-mRNA verschiedene Aspekte des npas4l-Phänotyps retten würde. npas4l-, etsrp- und tal1-Mutanten zeigen alle schwere vaskuläre Phänotypen. Einige Endothelzellen und vaskuläre Strukturen bleiben jedoch in jeder Mutante erhalten. Der Phänotyp ist am stärksten in npas4l-/- Embryonen, aber selbst in diesen Embryonen können einige fli1a-positive Endothelzellen in der Schwanzregion beobachtet werden. Es war unklar, ob sich diese Population von Endothelzellen unabhängig von der Npas4l-, Tal1- und Etsrp-Funktion entwickelt oder als Folge einer restlichen tal1- oder etsrp-Expression unabhängig von Npas4l. Um diese Frage zu untersuchen, habe ich Doppelmutanten generiert und nach dem Vorhandensein von fli1a-positiven Endothelzellen in diesen Mutanten gesucht. Während fli1a-positive Endothelzellen in npas4l-/- und npas4l-/-;tal1-/- Embryonen deutlich vorhanden sind, können keine solchen Zellen in npas4l-/-;etsrp-/- oder etsrp-/-;tal1-/- Embryonen beobachtet werden. Diese Daten deuten darauf hin, dass sich im Zebrafisch keine Endothelzellen entwickeln können, wenn zugleich npas4l und etsrp oder etsrp und tal1 gestört sind. Während der Verlust von etsrp zu stärkeren Defekten in npas4l-Mutanten führt, gibt es keinen zusätzlichen Phänotyp, der durch den Verlust von tal1verursacht wird, was darauf hindeutet, dass die Expression von etsrp, aber nicht die von tal1, unabhängig von Npas4l auftreten kann. Diese Idee wird durch die Beobachtung unterstützt, dass etsrp, aber nicht tal1-Expression in den meisten fli1a-exprimierenden Zellen in npas4l-/- Embryonen beobachtet wird. Dennoch wird der Großteil -Expression durch Npas4l reguliert. tal1-mRNA-Injektionen reichten aus, um eine Wildtyp-ähnliche vaskuläre Musterbildung im Bauchbereich der npas4l-/- Embryonen wiederherzustellen, einschließlich der Rettung sowohl der Zellmigration als auch der Differenzierung. Da Npas4l mehrere unterschiedliche transkriptionelle Effektoren hat, war eine so starke Rettung durch nur einen dieser Effektoren unerwartet. In den geretteten Mutanten wurde die bilaterale Population von npas4l-Reporter-positiven pronephrischen Tubuluszellen nicht entdeckt, aber die Anzahl der ektopischen npas4l-Reporter exprimierenden Muskelzellen war im Vergleich zu nicht injizierten npas4l-Mutanten gleichbleibend.
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Tissue translocation, multigenerational and population effects of microplastics in Daphnia magna
(2021)
The last century saw the widespread adoption of plastic materials throughout nearly every aspect of our lives. Plastics are synthetic polymers that are made up of monomer chains. The properties of the monomer in conjunction with chemical additives allow plastics to have a sheer endless variety of features and use cases. They are cheap, lightweight, and extremely durable. Plastic materials are often engineered for single-use and in conjunction with high production volumes and insufficient waste management and recycling across the globe, this leads to a large number of plastics entering the environment. Marine ecosystems are considered sinks. However, freshwater ecosystems as entry pathways are highly affected by plastic waste as well. Throughout the past decade, the impact of plastic waste on human and environmental health has received a lot of attention from the ecotoxicological community as well as the public. Small plastic fragments (< 1 mm called microplastics) are a large part of this emerging field of research. Within this, the water flea Daphnia magna is probably the most common organism that is used to assess microplastics toxicity. As a filter-feeding organism, it indiscriminately ingests particles from the water column and is thus highly susceptible to microplastics. For this thesis, we identified some gaps in the available data on the ecotoxicity of microplastics to daphnids. To illuminate some of those gaps the present thesis was aimed at five main aspects:
(1) Tissue translocation of spherical microplastics in Daphnia magna
(2) Investigation of the toxicity of irregularly shaped microplastics
(3) Multigenerational and population effects of microplastics
(4) Comparison of the toxicity of microplastics and natural particles
(5) Effects of particle-aging on microplastics toxicity
The thesis is comprised of three peer-reviewed articles and one so-far unpublished study as “additional results”. The first study was aimed at understanding tissue translocation of spherical microplastics to lipid storage droplets of daphnids. The crossing of biological membranes is discussed as a prerequisite to eliciting tissue damage and an inflammatory response. Previously, researchers reported the translocation of fluorescently labeled spherical microplastics to lipid storage droplets of daphnids, even though no plausible biological mechanism to explain this occurrence. Therefore, in order to learn more about this process and potentially illuminate the mechanism we replicated the study. We were able to observe a fluorescence signal inside the lipid droplets only after increasing the exposure concentrations. Nonetheless, it appeared to be independent of particles. This led to the hypothesis, that the lipophilic fluorescent dye uncoupled from the particles and subsequently accumulated in lipid storage droplets. The hypothesis was further confirmed through an additional experiment with a silicone-based passive sampling device showing that the fluorescence occurred both independent of particles and digestive processes. Accordingly, we concluded that the reported findings were a microscopic artifact caused by the uncoupling of the dye from the particles. Therefore, a fluorescence signal alone is not a sufficient proxy to assume that particles have translocated. It needs to be coupled with additional methods to ensure that the observation is indeed caused by the translocation of particles.
It is still unclear whether the toxicity profile of microplastics is different from that of naturally occurring particles or if they are “just another particle”, as there are innumerable amounts in the natural environment surrounding an organism. The goal of the second study was to compare the toxicity of irregularly shaped polystyrene microplastics to that of the natural particle kaolin. The environment is full of natural non-food particles that daphnids ingest more or less indiscriminately and therefore are well adapted to deal with. Daphnids have a short generation time and usually experience food limitation in nature. Therefore, short-term studies only looking at acute toxicity with ad libitum food availability are not representative of the exposure scenario in nature. For a more realistic scenario, we, therefore, used a four-generation multigenerational design under food limitation to investigate how effects translate from one generation to the next. We observed concentration-dependent effects of microplastics but not of natural particles on mortality, reproduction, and growth. Some of the effects increased from generation to generation, leading to the extinction of two treatment groups. Here, microplastics were more toxic than natural particles. At least part of this difference can be explained by physical properties leading to the quick sedimentation of the kaolin, while microplastics remained in the water column. Nonetheless, buoyancy and sedimentation would also affect exposure in the environment and are likely different for most microplastics than for most naturally occurring particle types.
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In order to form an organ, cells need to take up specialized functions and tasks. Cellular specialization is guided by an interplay of chemical signals and physical forces, where one influences the other. One aspect in cellular identity is its shape, which e.g. defines how susceptible the cell may be to intercellular signaling or in which section of the cell cycle it is and therefore can tell us about its current state. Shape changes are introduced by motor proteins that are controlled and activated in a locally confined manner. For my thesis, I was interested to understand better how cellular shape and geometry impacts downstream cell and organ development. What happens if a cell cant transition to a specific shape? How does it affect tissue structure? How does it affect further development?
One regulator of motor proteins like non-muscle myosin is Shroom3, which recently has been been shown to be expressed and involved in the development of the zebrafish lateral line organ (1 ). Development of the lateral line occurs through a migrating cluster of initially about 150 cells, the posterior lateral line primordium (pLLP), which migrates from the anterior (head) to the posterior (tail) while depositing cell clusters in a regular pattern. Literature on development of the lateral line suggests that in order for a cell cluster to be deposited from the pLLP, rosette formation is a key requirement. Therefore our expectation from the shroom3 mutant was that the number of clusters deposited was significantly reduced. To our surprise, when we first inspected the end of migration lateral line phenotype we found many individuals with a significant increase in cell clusters deposited.
This made us re-think the role of Shroom3 during rosette assembly and the processes its involved in.
To study the effects of Shroom3 on lateral line development, a mutant line was generated and crossed with various transgenic lines which express fluorescently labeled proteins that locate to organelles such as the plasmamembrane or the nucleus. Following, the mutant with its fluorescent labels was microscopically imaged under different conditions to quantify and analyze various cell-morphometric features. Even though the zebrafish is a popular model organism and its perfectly suited for developmental biology and advanced microscopy, there were no methods that would allow for a standardized and more automated pipeline of data acquisition and processing.
Therefore, in order to accurately quantify the morphogenic processes Shroom3 is involved in, I developed a new toolset that significantly improved and facilitated my research. The toolset consists of (1) a new sample mounting method that is based on a 3D agarose gel that increases the number of embryos that can be mounted and imaged at once and speeds up the imaging process significantly (2) for subseqent image analysis I developed four programs that automate the process and therefore make the results much more reproducible and the analysis much more efficient. The first program is used for end of migration analyses, to deduce the pattern, count and size of Lateral Line cell clusters. The second is used not for end of migration, but for migration analyses (on timelapse recordings). Besides this it also prepares the images for more advanced downstream migration analyses and allows to analyse fluorescence signal on a second channel. The third program is used to analyse the pLLP only at high spatial resolution and to deduce the cell count, 3D cell morphometrics (like the volume) and cell orientation. The fourth program finally is used downstream of the second and third program and is capable of detecting and comparing them with the look of wildtype rosettes.
Here I show that in absence of Shroom3 rosette formation in the migrating pLLP is destabilized leading to facilitated cell cluster deposition and I show how this might be related to traction forces due to a possible interdependence of pLLP acceleration and speed of migration. Furthermore I show that apical constriction and rosette formation is not blocked in Shroom3 deficient embryos, but that larger rosettes are fragmented into many smaller ones. Finally, I give an outlook on how the absense of Shroom3 and hence the absense of morphological changes may deregulate gene transcription by elevating the levels Atoh1a, a transcription factor necessary for hair cell development.
My results and methodology demonstrate the importance of morphology in guiding developmental processes and how rather small morphological changes on the cellular level can impact further development significantly. My work also shows how powerful modern genetics, imaging and image analysis are and how diverse they are in terms of range of questions they are capable of answering. The methods and tools I developed prepare the ground for at least three quarters of the analyses I carried out and together with the documentation and data I provide, they are highly reproducible. In that regard I am especially happy that one of my developments, an improved sample preparation method, is already used by many different labs all over the world helping them to make their results more reproducible.
Across the entire animal kingdom, sociality, i.e. the tendency of individual animals to form a group with conspecifics, is a common trait. Environmental changes have to be met with corresponding, quick adaptations. For social species, the presence of conspecifics is important for survival and if social animals are deprived of access to conspecifics, this can lead to strong and lasting changes on a physiological level as well as behaviour. Gene expression changes responsible for these adaptations have so far not been understood in detail. As social isolation leads to changes on a neuronal level, it is important to investigate the gene expression changes that are induced in the brain. In this thesis, next-generation RNA-sequencing was applied to zebrafish, a well-established model organism characterized by its high degree of companionship. Within the entire brain, gene expression was analysed in zebrafish that were raised either with conspecifis or in isolation, ranging from 5 to 21 days post fertilization. Using this approach, several genes were identified that were downregulated by social isolation. In this thesis, I focused on one of these consistently downregulated genes, parathyroid hormone 2 (pth2). The expression of pth2 was demonstrated to be bidirectionally regulated by the number of conspecifics present and to be responsive to changes in the social environment within 30 minutes. Regulation of pth2 does not occur by visual or chemosensory access to conspecifcs, but is mediated by mechanosensory perception of other fish via the lateral line. In an experiment using an artificial mechanical stimulation paradigm, it was shown that the features necessary to elicit pth2 transcription closely mimick the locomotion of actual zebrafish. Other, similar stimulation paradigms are not capable to induce this transcriptional response.
Terpenes are one of the largest and most diverse class of natural products, produced by organisms from all kingdoms of life and with important applications in the pharma, flavor and fragrance industries. Well-known examples of terpenes are the pharmaceuticals artemisinin and taxol, the flavor and fragrance compounds menthol, santalol and sclareol, the structural material polyisoprene and the biofuel precursor farnesene. The methods and results presented in this work offer a variety of ways to modify terpene precursors for the creation of new terpene molecules. The application of these methodologies in well-established production systems could lead to the production of new substances, with applications in the industrial fields of pharmaceuticals, flavors and fragrances, and biofuels.
Global biodiversity is changing rapidly and contemporary climate change is an important driver of this change. As climate change continues, the challenge is to understand how it may affect the future of biodiversity. This is relevant to informing policy and conservation, but it requires reliable future projections of biodiversity. Biodiversity is the variety of life on Earth which includes the diversity of species. The species on Earth are linked in diverse networks of biotic interactions. Interacting species can respond differently to climate change. This can cause spatial or temporal mismatches between interacting species and result in secondary extinctions of species that lose obligate interaction partners. Yet, accounting for biotic interactions in biodiversity projections remains challenging. One way to address this challenge is the use of trait-based approaches because the impact of climate change on interacting species is influenced by species’ functional traits, i.e., measurable characteristics of the species that influence their abiotic and biotic interactions. First, species’ functional traits influence how species respond to climate change. Second, they influence whether the species find compatible interaction partners in reshuffled species assemblages under climate change. Thus, the overarching aim of this dissertation was to explore how trait-based approaches can increase our understanding of how climate change might affect interacting species. For this, I focussed on interactions between fleshy-fruited plants and avian frugivores along a tropical elevational gradient.
I investigated three principal research questions. First, I investigated how traits related to the sensitivity of avian frugivores to climate change and their adaptive capacity vary along elevation and covary across species. I combined estimates of species’ climatic niche breadth (approximating species’ sensitivity) with traits influencing species’ dispersal ability, dietary niche breadth and habitat niche breadth (aspects of species’ adaptive capacity). Species’ climatic niche breadth increased with increasing elevation, while their dispersal ability and dietary niche breadth decreased with increasing elevation. Across species, there was no significant relationship of the sensitivity of the avian frugivores to climate change and their adaptive capacity. The opposing patterns of species’ sensitivity to climate change and their adaptive capacity along elevation imply that species from assemblages at different elevations may respond differently to climate change. The independence between species’ sensitivity and adaptive capacity suggests that it is important to account for both sensitivity and adaptive capacity to fully understand how climate change might affect biodiversity.
Second, I assessed how climate change might influence the co-occurrence of interaction partners with compatible traits, i.e., the functional correspondence of interacting species. I integrated future projections of species’ elevational ranges considering different vertical dispersal scenarios with analyses of the functional diversity of interacting species assemblages. The functional correspondence of fleshy-fruited plants and avian frugivores was lowest if plant and bird species were projected to contract their ranges towards higher elevations in response to increasing temperatures. Contrastingly, if species were projected to expand their ranges upslope, the functional correspondence remained close. The low functional correspondence under a scenario of range contraction indicates that plant species with specific traits might miss compatible interaction partners in future assemblages. This could negatively affect their seed dispersal ability. These results suggest that ensuring the integrity of biotic interactions under climate change requires that species can shift their ranges upslope unlimitedly.
Third, I examined whether avian seed dispersal is sufficient for plants to track future temperature change along the elevational gradient. With a trait-based modelling approach, I simulated seed-dispersal distances avian frugivores can provide to fleshy-fruited woody plant species and quantified the number of long-distance dispersal events the plant species would require to fully track projected temperature shifts along elevation. Most plant species were projected to require several long-distance dispersal events to fully track the projected temperature shifts in time. However, the number of required long-distance dispersal events varied with the degree of trait matching and plant species’ traits. These findings suggest that avian seed dispersal is insufficient for plants to track future temperature change along the elevational gradient as woody plant species might not be able to undergo several consecutive long-distance dispersal events within a short time window, due to their long maturation times. These results also imply that the ability of bird-dispersed plant species to track climate change is associated with the specialization of the seed dispersal system and with plant species’ traits.
Trait-based approaches are promising tools to study impacts of climate change on interacting species. The trait-based approaches that I have developed in this thesis are applicable more widely, e.g., to other types of biotic interactions, or to assess the effects of other drivers of global change. Moreover, these approaches may be further developed to model changes in biotic interactions under global change more dynamically. Taken together, I have shown how a trait-based perspective could help to account for biotic interactions in biodiversity projections. The development of such approaches and the gained knowledge are urgently needed to facilitate the conservation of biodiversity in a rapidly changing world.
Genetic and genomic tools have provided researchers with the opportunity to address fundamental questions regarding the reintroduction of species into their historical range with greater precision than ever before. Reintroduction has been employed as a conservation method to return locally extinct species to their native range for decades. However, it remains unknown how genetic factors may impact population establishment and persistence at the population and metapopulation level in the short- and long-term. Genetic methods are capable of producing datasets from many individuals, even when only low quality DNA can be collected. These methods offer an avenue to investigate unanswered questions in reintroduction biology, which is vital to provide evidence based management strategies for future projects. The Eurasian lynx (Lynx lynx) and European wildcat (Felis silvestris) are elusive carnivores native to Eurasia and have been the subject of multiple reintroduction attempts into their native range. During the 19th and 20th century, the Eurasian lynx was extirpated from West and Central Europe due to increasing habitat fragmentation and persecution. Similarly, the European wildcat was the subject of human persecution, residing in a few refugia in West and Central Europe. After legal protection in the 1950s, subsequent reintroduction projects of both species began in the 1970s and 1980s and continue to the present. Despite this large focus on species conservation, little attention has been given to the consequences these reintroductions have on the genetic composition of the reintroduced populations and if the populations have a chance of persisting in the long term. These species have not yet benefited from the large range of genetic and genomic techniques currently available to non-model organisms, leaving many fundamental aspects of their reintroduction poorly understood. In my dissertation, I investigate demography, population structure, genetic diversity and inbreeding at the population and metapopulation level in both species. In the introduction, which lays the foundation for the subsequent chapters of this PHD, I provide background on reintroduction, its role in conservation and the genetic consequences on populations, especially populations of apex and mesocarnivores. In Publication I, I investigated the reemergence of the European wildcat in a low mountain region in Germany using fine-scale spatial analysis. I found that the reintroduced population has persisted and merged with an expanding natural population. The reintroduced population showed no genetic differentiation from the natural population suggesting there is a good chance this population has retained sufficient genetic diversity despite reintroduction. In Publication II, I tracked population development and genetic diversity over 15 years in a reintroduced lynx population to determine the genetic ramifications on a temporal scale. I found slow genetic erosion after a period of outbreeding, which fits in line with other reintroduced taxa sharing similar demographic histories. I also found the number of genetic founders to be a fraction of the total released individuals, indicating that reintroduced populations of elusive carnivores may have fewer founder individuals than previously thought. In Publication III, I sampled all surviving lynx reintroductions in West and Central Europe as well as 11 natural populations to compare levels of genetic diversity and inbreeding across the species distribution. I found that all reintroduced populations have lower genetic variability and higher inbreeding than natural populations, which urgently requires further translocations to mitigate possible negative consequences. These translocations could stem from other reintroduced populations or from surrounding natural populations. The results contribute to a growing body of evidence indicating that inbreeding is likely to be more prevalent in wild populations than previously understood. Finally, in the discussion I explore how genetic methods can be applied to post-reintroduction monitoring of felid species to illuminate questions relating to genetic composition after release. The methods employed in these studies and in future work will be highly dependent on the research questions posed. Additionally, I investigate the drivers of the observed genetic patterns including founder size, source population, environmental factors, and population growth. I found that genetic diversity loss patterns across these two felid species are not clearly defined, however, management actions can be taken to mitigate the negative effects of reintroductions. These management actions include further translocation, introducing a sufficient number of released individuals and situating reintroductions adjacent to natural populations. All of these actions can minimize genetic drift and inbreeding, two factors which negatively impact small populations. This thesis further supports mounting evidence that genetic considerations should be assessed before releasing individuals, which allows for incorporation of scientific evidence into the planning process thereby increasing the overall success of reintroduction projects. Ultimately, the resources developed during this dissertation provide a solid baseline and foundation for future work regarding the consequences of reintroductions. This is especially important as an increasing number of species are at risk of extinction and reintroductions of both the European wildcat and Eurasian lynx, as well as many others, are planned in the coming years.
Morbus Parkinson (abgekürzt als PD vom Englischen Parkinson’s disease) ist nach Alzheimer die zweithäufigste neurodegenerative Erkrankung. Die Hauptmerkmale sind Rigidität und Bradykinesie, sowie Tremor und posturale Instabilität. Im Gehirn lässt sich bei Parkinsonpatienten post mortem ein Verlust an Neuronen in der Substantia nigra feststellen, was zu den ersten beiden Anzeichen führt. Zudem gibt es intrazelluläre Einschlüsse in den betroffenen Nervenzellen – Lewy-Körperchen genannt – die aus Alpha-Synuklein und anderen Proteinen wie Ubiquitin zusammengesetzt sind. Außerdem ist der Eisenmetabolismus in Gehirnen von Parkinsonpatienten gestört und man findet Eisen-Ablagerungen, vor allem im Mittelhirn. Die Ursachen für PD sind bislang nicht abschließend geklärt. Der Großteil der Fälle ist sporadischer Natur mit unbekannter Ursache und nur bei einem geringen Anteil liegt eine Mutation in einem einzelnen Gen zugrunde. Die häufigsten Mutationen tritt in den Genen für Alpha-Synuklein (SNCA), PINK1 und PARKIN auf.
Die Serin-Threonin-Kinase PINK1 und die E3-Ubiquitin-Protein-Ligase PARKIN sind zwei Proteine, die in Stresssituationen an der Mitochondrien-Außenmembran am Abbau von alten oder nicht richtig funktionierenden Mitochondrien beteiligt sind. Dieser Vorgang nennt sich Mitophagie.
Die dieser Arbeit zugrunde liegenden Publikationen gehen den Zusammenhängen zwischen mitochondrialen Fehlfunktionen und der Pathogenese von PD nach. Da die Krankheit meist erst im hohen Alter auftritt, davon größtenteils ohne direkte Ursache, liegt der Schluss nahe, dass neben genetischen Ursachen auch Umweltfaktoren eine größere Rolle spielen könnten. Um dies näher zu analysieren, wurden experimentell verschiedene Stressoren eingesetzt.
Insgesamt wurden folgende Aspekte untersucht:
I. Welche Auswirkungen hat das Fehlen von PINK1 auf die Zelle? Gibt es einen Biomarker, der mit höherem Alter immer stärker verändert ist?
II. Welchen Einfluss haben Umweltfaktoren wie veränderte Eisen-Exposition auf die Zelle und was verändert sich beim Fehlen von PINK1?
III. Wie können mitochondriale Fehlfunktionen präferentiell das Nervensystem betreffen, wenn es nicht um respiratorische Insuffizienz geht?
Die einzelnen Studien zeigten folgende Ergebnisse:
Torres-Odio/Key et al. 2017 widmete sich der Suche nach molekularen Biomarkern, wodurch PD präsymptomatisch erkannt und die Progression der Erkrankung eingeschätzt werden kann. Die Transkriptom-Analyse der Kleinhirne von Mäusen mit Pink1-/--Mutation in drei verschiedenen Altersstufen zeigte eindrücklich, dass nicht ein einzelner Faktor immer stärker verändert war, sondern, dass immer mehr Faktoren und daher auch eine steigende Zahl an
Signalwegen mit höherem Alter beteiligt waren. Diese Veränderungen betrafen inflammatorische Signalwege, insbesondere Faktoren, die mit der Erkennung und Verarbeitung von zellfremden Nukleinsäuren assoziiert sind. Aufgrund der evolutionären Herkunft von Mitochondrien als frühere Protobakterien haben mitochondriale Nukleinsäuren und Proteine zum Teil bakterielle Ähnlichkeiten, und könnten bei Fehlfunktionen ins Zytosol gelangen. Vor diesem Hintergrund lassen die Ergebnisse der Studie den Schluss zu, dass das angeborene Immunsystem in Neuronen durch eine PINK1-assoziierte mitochondriale Störung aktiviert wird.
In der Publikation Key et al. 2020 wurde Eisen als ein im täglichen Leben vorkommender Stressor eingesetzt und es wurden systematisch Faktoren des Eisenstoffwechsels bei hohen und niedrigen Eisenspiegeln im Zusammenhang mit Parkinson-Mutationen untersucht. Da Eisen für die Gesundheit von Mitochondrien eine große Rolle spielt und Eisen-Chelatoren als Therapie bei PD Patienten bereits diskutiert werden, haben die molekularen Befunde große Relevanz. Die Ergebnisse zeigen, dass unter niedrigen Eisenspiegeln Proteine reduziert waren, die am Nukleotid-Stoffwechsel beteiligt sind, sowie Faktoren, die Eisen-Schwefel-Cluster als Cofaktoren haben und wichtig für die Nukleotid-Qualitätskontrolle sind. Das Fehlen von Eisen führte zu einer Induktion von Pink1 und Prkn, was auf verstärkte Mitophagie hindeutet. Insgesamt konnte gezeigt werden, dass die mitochondriale Eisen-Schwefel-Cluster Biogenese und die post-transkriptionelle Eisenregulation entscheidend für die Pathogenese von PD, bzw. das gesunde Fortbestehen einer Zelle und letztlich auch eines Organismus sind.
In Key et al. 2019 wurde erstmalig das Gesamt-Ubiquitylom aus Gehirnen von gealterten Parkin-knockout (KO) Mäusen erhoben und analysiert, um Ubiquitylierungs-Substrate von PARKIN zu identifizieren. Hierbei zeigte sich eine veränderte Ubiquitylierung von mehreren Faktoren, die an der zellulären Calcium-Homöostase beteiligt sind. Weitere elektrophysiologische Experimente in Gehirnen von gealterten Parkin-/--KO Mäusen ergaben, dass in Nervenzellen im Locus coeruleus die Geschwindigkeit der spontanen Taktgeber erhöht, dass die langsame Nachhyperpolarisation reduziert und, dass die Dauer der Aktionspotentiale erniedrigt war, ohne Veränderung der Kaliumkanal-Ströme.
Insgesamt geht aus den drei Studien hervor, dass mitochondriale Fehlfunktionen bei dauerhaftem Bestehen weitreichende Folgen für die Gesundheit des Nervensystems haben können, denn auch kleine Veränderungen, seien es durch Mutationen oder Umweltfaktoren wie Eisen, können in einer so großen Lebensspanne wie der des Menschen über Krankheit oder Gesundheit entscheiden!
In allen drei Domänen des Lebens ist in der Translation die Initiation der geschwindigkeits-bestimmende Schritt. Die Effizienz der Translationsinitiation und ihre unterschiedliche Regula-tion ist von Translationsinitiationsfaktoren (IFs) abhängig. Bakterien enthalten nur drei IFs, während die Anzahl bei Archaeen (aIFs) und Eukaryoten (eIFs) deutlich höher ist.
Das Archaeon Haloferax volcanii beispielsweise besitzt 14 Gene, die für aIFs bzw. deren Untereinheiten kodieren. Eine Deletionsanalyse ergab, dass fünf aIFs essenziell und neun aIFs nicht essenziell sind. Um einen Einblick in die Funktions- und Interaktionsbereiche der aIFs in H. volcanii zu erhalten, wurden die aIFs mit einem His-Tag versehen und überexpri-miert. Die Überexpression erfolgte in der jeweiligen Deletionsmutante. Für essenzielle aIFs fand sie im Wildtyp statt. Durch Affinitätsaufreinigungen wurden die aIFs und ihre Bindungs-partner isoliert und mittels Massenspektrometrie (MS) identifiziert. Für den Ausschluss unspe-zifischer Proteine dienten zwei stringente Kontrollen als Referenz, das Reportergen Dihydro-folatreduktase (HVO_1279) mit His-Tag und das Expressionsplasmid ohne Gen.
Die ersten Arbeiten konzentrierten sich auf den heterotrimeren Faktor aIF2. Er bindet die Ini-tiator-tRNA und ist damit für die Bildung des Präinitiationskomplexes von zentraler Bedeu-tung. Der Faktor aIF2 besteht aus jeweils einer α-, β- und γ-Untereinheit. In H. volcanii existie-ren zwei Orthologe für aIF2β. Die Überexpressionen der α-, β1-, β2- und γ-Untereinheiten führten zur Co-Isolation der jeweils anderen Untereinheiten des aIF2 (α, β1/ β2, γ).
Die Strategie der Co-Affinitätsaufreinigung und MS wurde auf alle weiteren annotierten aIFs ausgedehnt, um mögliche Funktionen zu identifizieren und ein potenzielles Interaktionsnetz-werk der aIFs zu erstellen. Für alle aIFs konnte ein unterschiedliches Muster an co-gereinigten Proteinen festgestellt werden. Mitgereinigte Proteine waren aIFs, Proteine der Translation, Transkription, Replikation und ribosomale Proteine. Auch RNA-Polymerase-Untereinheiten (RNAPUs) konnten co-isoliert werden. Mit 13 der 14 aIFs konnten andere Ini-tiationsfaktoren co-gereinigt werden. Sechs aIFs konnten zu Beginn bei keinem weiteren Initi-ationsfaktor mitgereinigt werden. Einer dieser Faktoren war aIF2β-1, der jedoch in den Affini-tätsaufreinigungen mit nachfolgender FPLC von aIF2β-2 identifiziert werden konnte. Der Fak-tor aIF1 konnte nur in der stationären Phase von aIF2α mitgereinigt werden.
Die am häufigsten co-gereinigten Proteine waren aIF2Bδ-1 und aIF5B. Für aIF2Bδ-1 kam dies überraschend, da er bereits als Translationsinitiationsfaktor ausgeschlossen wurde. Mit dem Faktor aIF2Bδ-1 selbst konnten fünf aIFs co-gereinigt werden.
Da mit den aIFs auch RNAPUs co-gereinigt werden konnten, wurden sieben RNAPUs ebenfalls mit einem His-Tag versehen und überexprimiert. Auch mit den RNAPUs konnten aIFs, sowie weitere Proteine der Translation mitgereinigt werden.
Diese Umstände legen nahe, dass es möglicherweise eine engere Verbindung der Tran-skription und Translation in H. volcanii geben könnte, als bisher angenommen.
Fatty acids in oomycetes
(2021)
The central dogma of biology is based on the concatenated transfer of information from DNA, via transcribed mRNA, to the translated protein. In eukaryotes, transcription and translation are separated locally as well as temporally by cellular compartmentalization. Prior to active export factor-dependent transport from the nucleus to the cytosol, the newly formed pre-mRNA must mature. This involves 5'capping, splicing, and endonucleolytic cleavage and polyadenylation (CPA).
Transcription of a new pre-mRNA is terminated by hydrolytic cleavage in the 3'-UTR, and the newly formed 3'-end is protected from premature degradation by synthesis of a poly(A) tail. These processes are catalyzed by four multi-protein complexes (CFIm, CFIIm, CPSF, and CsTF) and poly(A) polymerase (PAP). CPA is sequence-specific and dependent on RNA-binding proteins (RBPs). APA-specific sequences include the poly(A) motif ('AAUAAA' and certain motif variants), the UGUA motif, and U/GU-rich sequences upstream and downstream of the poly(A) signal, respectively. About 70% of mammalian genes have more than one polyadenylation site (PAS) and express transcripts of different lengths by a mechanism called alternative polyadenylation (APA). This can affect the length of the 3'UTR (3'UTR-APA) or the coding sequence of the transcript (CDS-APA) if the alternative PAS is upstream of the STOP codon. The length of the 3'UTR affects the stability, export efficiency, subcellular localization, translation rate, and local translation of the nascent transcript. 3'UTR-APA is regulated in the interplay of the cis-elements (poly(A) motif, UGUA and U/GU) and trans-elements (expression of CPA factors). In this context, the functions of the individual cis and trans elements have been extensively studied, yet the regulation of alternative polyadenylation-the decision whether to use the proximal or distal PAS-is less deciphered and requires additional study.
In murine P19 cells, we were able to demonstrate for the first time a direct link between 3'UTR-APA and nuclear export of mature mRNA by the splicing factors SRSF3 and SRSF7 and decipher the mechanism. At the core here is the direct recruitment of the export factor NXF1 by SRSF3 and SRSF7 to transcripts with 3'UTRs of different lengths.
The primary goal of the thesis presented here was to decipher the function of SRSF3 and SRSF7 in the regulation of 3'UTR-APA and to determine the basic mechanism. For this purpose, various genome-wide methods, such as RNA-Seq, MACE-Seq, and iCLIP-Seq, were integrated and the findings were supported by reporter gene and mutation studies.
Initial determination of the poly(A)-tome in P19 cells by MACE-Seq yielded approximately 16,000 PAS and showed that slightly less than 50% of all genes used two or more PAS and expressed alternative 3'UTR isoforms. Further DaPARS analyses after knockdown of Srsf3 or Srsf7 confirmed that SRSF3 affected more transcripts than SRSF7 and led primarily to the expression of long 3'UTRs, whereas SRSF7 promoted the expression of short 3'UTRs. Integration of SRSF3- and SRSF7-specific iCLIP data suggested a possible competition between SRSF3 and SRSF7 at the proximal PAS (pPAS), which could thus act as a hotspot of 3'UTR regulation.
Experiments with intron-free reporter genes revealed that SRSF3- and SRSF7-dependent regulation of 3'UTR-APA is independent of splicing. With respect to SRSF7, a concentration dependence was demonstrated. Mutation experiments involving the SRSF3- and SRSF7-specific binding motifs in the 3'UTR also confirmed the hypothesis of competition between the two SR proteins.
Extensive Co-IP experiments clearly demonstrated that only SRSF7, but not SRSF3, can interact with CFIm and FIP1 (a subunit from the CPSF complex) in an RNA-independent manner. In addition, we showed that these interactions exhibited some phosphorylation dependence, such that the interaction to FIP1 arose primarily in the semi- to hypophosphorylated state of SRSF7. Whereas the interaction to CFIm was mainly detected in the hyperphosphorylated state. The differential affinity between SRSF3 and SRSF7 for polyadenylation factors could be attributed to two SRSF7-specific domains in subsequent mutation experiments: A CCHC-type Zn finger between the RRM and the RS domain, and a hydrophobic 27 amino acid long region in the middle of the RS domain. Together, this suggested that SRSF3 could block the utilization of pPAS, whereas SRSF7 could activate it by directly recruiting polyadenylation factors.
Interestingly, we showed that knockdown of Srsf3 also negatively regulates the expression of Cpsf6 (a subunit of CFIm) through alternative splicing, which subsequently leads to decreased expression of CPSF6 and of CFIm. Reduction of CFIm led to increased expression of transcripts with short 3'UTR, analogous to knockdown of Srsf3. This mirrors the results of previous studies. A direct comparison between SRSF3- and CPSF6-specific transcripts revealed that not all targets were congruent. In addition, we found preliminary evidence for CFIm-related masking of essential cis-pPAS elements by bimodal UGUA motifs at the pPAS. In summary, we present a novel mechanism of indirect 3'UTR-APA regulation through SRSF3-conditional expression of the CFIm subunit CPSF6.
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Cellular communication is a concept that can be explained as the transfer of signals or material (such as cytokines, ions, small molecules) between cells from the same or different type, across either short or long distances. Once this signal or material is received, it will, as a rule, promote a functional effect. Several routes, involved in this transfer, are well described and are of global importance for organ/tissue communication in an organism.
The brain interacts dynamically with the immune system, and the main route known to mediate this communication, is via the release of cytokines (by peripheral blood cells), which can then activate certain brain cell types, such as microglia, directly, or activate the vagus nerve transferring signals to neuronal populations in the brain. The communication between these two systems plays a key role in the pathophysiology of neurodegenerative diseases, and the mechanisms involved in this interaction are of central importance for understanding disease initiation and progression and search for therapeutic models.
The Momma lab previously addressed the mechanisms of interaction between the peripheral immune system and the brain by investigating cellular fusion of haematopoietic cells with neurons after inflammation. They addressed the question of whether this phenomenon also occurs under non-invasive conditions. To approach this problem, a genetic tracing model that relies on the Cre-Lox recombination system was used. Transgenic mice expressing Cre recombinase specifically in the haematopoietic lineage were crossed into a Cre-reporter background, thus all haematopoietic cells irreversibly express the reporter marker-gene EYFP. Using this model, EYFP was detected in non-haematopoietic tissues, suggesting the existence of a communication mechanism never described before. As cells containing two nuclei were never detected, fusion as a mechanism was excluded, suggesting that Cre reaches non-haematopoietic cells via a different signalling pathway. The Momma lab investigated whether the transfer of material through extracellular vesicles (EVs) could be behind this periphery-to-brain communication. Using the genetic mouse model, they were able to trace the transfer of Cre RNA via EVs between cells in vivo, generating the first in vivo evidence of functional RNA transfer by EVs between blood and brain.
The last decade has witnessed a rapid expansion of the field of EVs. Initially considered as waste disposal material, recent evidence has challenged this view. EVs are currently considered as a widespread intercellular communication system that can transport and transfer all types of biomolecules, from nucleic acids to lipids and proteins. However, several important questions are still under investigation. One of them is whether EVs are involved in brain pathophysiology, as inflammation plays an important role in onset and progression of neurodegenerative diseases and is well described in Parkinson Disease (PD). Based on preliminary data in a mouse, peripherally injected with a low dose of Lipopolysaccharide (LPS, an endotoxin found in the outer-membrane of Gram-negative bacteria, which causes an immune response), neurons and other cell population in the brain take up EVs from the periphery. Particularly, dopaminergic neurons from Substantia Nigra and Ventral Tegmental Area have been shown to receive functional RNA, transported through EVs, which can lead up to 20% of recombination. Furthermore, different neuronal populations from Hippocampus, Cortex and Cerebellum exhibit recombination, indicating a widespread signalling from blood to the brain. Therefore, the goal of my PhD thesis was to investigate the mechanisms of this transfer and the triggers that lead to EV uptake by neural cells in vivo both in pathological and physiological conditions.
In this project, the extent and function of EV-mediated signalling from blood to brain is explored in the context of peripheral inflammation and neurodegenerative diseases. Firstly, EVs isolated from WT mice were further characterized using size-exclusion chromatography (SEC), Western Blot (WB) and electron microscopy in order to extend the knowledge from previous work done in the Momma lab. Secondly, to expand on the biological relevance of the fact that inflammation is correlated with an increase in EV uptake, different approaches using the genetic murine tracing model were used. Recombination events from haematopoietic cells to the brain have been followed after peripheral injection of LPS. Peripheral inflammation caused by LPS injection led to widespread recombination events in the brain, specifically in microglia and neurons, including dopaminergic (DA) neurons. In contrast, astrocytes, oligodendrocytes and endothelial cells were never or very rarely recombined. Additionally, peripheral LPS injection in a murine model, where Cre is expressed only in erythrocytes, led to recombination events only in microglia, suggesting that the type of EV-secreting cell plays a role in the targeting of EVs to a specific cell population.