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Get3 in Arabidopsis
(2021)
Der guided entry of tail-anchored proteins (GET) Biogenese-Weg vermittelt den Transport und die Insertion von tail-anchor (TA) Proteinen in die Doppellipidschicht des Endoplasmatischen Retikulums (ER). TA Proteine sind dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Transmembran Domäne (TMD) in den letzten 50 Aminosäuren ihrer Sequenz beherbergen. Diese TMD enthält die notwendigen Informationen, mit denen die Proteine an ihren jeweiligen subzellulären Zielort transportiert werden können. TA Proteine erfüllen eine Vielzahl von essentiellen biologischen Prozessen, sie fungieren zum Beispiel als Rezeptoren, sind maßgeblich an der Fusion von Vesikeln beteiligt sowie an der Initiation von Apoptose. Durch ihren modularen Aufbau können TA Proteine nicht mit dem Signalerkennungspartikel interagieren und müssen deshalb posttranslational zum ER geleitet werden. Im Modellorganismus Bäckerhefe (Saccharomyces cerevisiae) ist der GET Biogenese-Weg am besten beschrieben und läuft wie folgt ab: Nach der Termination der Translation bindet das Protein SgtA das TA Protein und händigt es über den Adapter-Komplex, bestehend aus Get4 und Get5, an die zytosolische ATPase Get3 aus. Get3 ist der zentrale Zielsteuerungsfaktor des GET Biogenese-Weges. Sobald sich ein Komplex aus Zeilsteuerungsfaktor und TA Protein gebildet hat, wird dieses zur Membran des ERs überführt. Dort wird das TA Protein an den Rezeptorkomplex bestehend aus Get1 und Get2 übergeben, welcher anschließend die Insertion des TA Proteins in die Doppellipidschicht des ERs initiiert.
Get3 hat im zellulären Kontext noch eine weitere Funktion. Unter oxidativem Stress oder Energie depletierenden Bedingungen wird Get3 zu spezifischen Foci rekrutiert, an denen sich noch weitere durch Stress -induzierbare Proteine, wie z.B. die der Familie der Hitze Stress Proteine (HSPs) versammeln. Analysen haben gezeigt, dass Get3 unter den oben genannten Bedingungen, Konformationsänderungen durchläuft und dann als ATP unabhängige Holdase fungiert. Diese kann die exponierten, hydrophoben Anteile von Proteinen binden, um dadurch die Proteostasis aufrechtzuhalten.
Durch die Bedeutsamkeit der TA Proteinen ist die zentrale ATPase Get3 in allen Domänen des Lebens hochgradig konserviert. Phylogenetische Analysen ergaben, dass sich Get3 im Allgemeinen in eine „A“ Gruppe sowie eine „BC“ Gruppe aufspaltet. Im Modellorganismus Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand) wurden drei Orthologe zu Get3 identifiziert. Eins davon gehört zu der „A“ Gruppe und befindet sich im Zytoplasma. Die anderen zwei Orthologe befinden sich in den Organellen endo-symbiotischen Ursprungs und gehören der „BC“ Gruppe an. Untersuchungen an verschiedenen Deletionsmutanten in A. thaliana haben gezeigt, dass die Mutationen einzelner GET Komponenten zu einer signifikanten Verkürzung der Haarwurzeln führen, obwohl der restliche Habitus der Pflanze unverändert bleibt. Diesbezüglich wurde SYP123 als einziges TA Proteine identifiziert, dessen Abundanz durch die Deletion von GET Komponenten beeinflusst werden kann. Von den anderen beiden Orthologen organellären Ursprungs ist, abgesehen von ihrer Lokalisation nichts weiter bekannt
Vier Orthologe Gruppen in Pflanzen
Da bislang nicht mehr als zehn Pflanzenarten für phylogenetische Analysen herangezogen wurden, wurden in dieser Arbeit die taxonomischen Beziehungen von Get3 zu einander in 50 Spezies der Viridiplantae auf Basis der Orthologie sowie Homologie untersucht. Dies führte zur Identifizierung einer zytolischen (AtGet3a), einer plastidären (AtGet3b), einer mitochondriellen (AtGet3c) sowie einer Monokotyledone spezifischen Gruppe (SBGet3). Die Lokalisation der ersten drei Gruppen wurde in selektierten Pflanzen, sowohl homolog als auch heterolog, der unterschiedlichen Spezies mittels saGFP untersucht, und es konnte gezeigt werden, dass mehrere Get3 Orthologe mit unterschiedlichen subzellulären Lokalisationen eine unter Pflanze häufig auftretende Eigenschaft ist. Das Weitern konnte gezeigt werden, dass manche Komponenten des Präzielsteuerungskomplexes (SgtA und Get4) sowie des Rezeptorkomplexes (Get1) in fast allen der 50 untersuchten Pflanzenarten vorhanden sind. Dies weist auf eine Konservierung des gesamten GET Biogenese-Weges in Pflanzen hin.
Get3a in Arabidopsis thaliana
Da die molekulare Zusammensetzung des Präzielsteuerungskomplexes für AtGet3a in A. thaliana nicht bekannt ist, habe ich Co-Immunpräzipitationen mit Zellextrakten aus weißer Zellkultur und einen von mir selbst aufgereinigten Antikörper gegen AtGet3a durchgeführt. Nach anschließender Gelelektrophorese und einer Anfärbung mit Coomassie Brilliant Blue ließ sich ein reproduzierbares Muster aus Proteinbanden erkennen, welche ausgeschnitten und mittels LC-MS/MS analysiert wurden. Dadurch wurde ein putativer Kandidat für Get5 identifiziert sowie eine Assoziation mit Chaperonen und proteasomalen Untereinheiten.
Um die Zielsteuerungseffizienz und Topologie von ER-Membranproteinen zu analysieren habe ich (i) die rekombinante Synthese eines Modell-TA Proteins mit glykosylierbarem opsin bovine glycosylation Tag (OPG) etabliert sowie (ii) eine Methode etabliert um in isolierten Protoplasten die Richtigkeit der Insertion zu überprüfen. Mit Hilfe dieser Methoden können nun verschiedene Mutanten auf ihre Insertions-Wirksamkeit untersucht werden. Desweitern können durch Mutationsanalysen die notwendigen physikochemischen Eigenschaften für die Erkennung des Substrates ermittelt werden.
Eine weit verbreitete Methode im GET Feld ist die tail-anchor translocation (TAT). Bei dieser Methode werden isolierte mikrosomale Fraktionen des rauen ERs mit rekombinanten Komplexen bestehend aus Zielsteuerungsfaktor und TA Protein inkubiert. Durch einen rekombinanten OPG, der im Lumen des ERs post-translational modifiziert werden kann, ist die Beobachtung einer zeitabhängigen Kinetik der Glykosylierung möglich. Dieses System wurde bislang nur für Komponenten aus Säugern oder Hefen benutzt, aber noch nie mit einem System auf pflanzlicher Basis. Um dies zu verwirklichen, habe ich die rekombinante Proteinexpression soweit optimiert, dass der Großteil des synthetisierten Proteins sich im löslichen Anteil des Lysats statt in den Inclusion Bodies befand. Mittels dieser Optimierung konnte ich die Ko-Expression von Zielsteuerungsfaktor mit TA Protein als löslichen Komplex etablieren. Ergänzend zu den löslichen Komplexen habe ich eine geeignete Methode etabliert um mittels Saccharosegradienten mikrosomale Fraktionen aufzutrennen in denen AtGet3a angereichert ist. Leider müssen noch die Parameter der Reaktion optimiert werden, aber die Akquirierung alle nötigen Bestandteile ist etabliert.
Trypanosoma cruzi, the causative agent of Chagas disease (American trypanosomiasis), colonizes the intestinal tract of triatomines. Triatomine bugs act as vectors in the life cycle of the parasite and transmit infective parasite stages to animals and humans. Contact of the vector with T. cruzi alters its intestinal microbial composition, which may also affect the associated metabolic patterns of the insect. Earlier studies suggest that the complexity of the triatomine fecal metabolome may play a role in vector competence for different T. cruzi strains. Using high-resolution mass spectrometry and supervised machine learning, we aimed to detect differences in the intestinal metabolome of the triatomine Rhodnius prolixus and predict whether the insect had been exposed to T. cruzi or not based solely upon their metabolic profile. We were able to predict the exposure status of R. prolixus to T. cruzi with accuracies of 93.6%, 94.2% and 91.8% using logistic regression, a random forest classifier and a gradient boosting machine model, respectively. We extracted the most important features in producing the models and identified the major metabolites which assist in positive classification. This work highlights the complex interactions between triatomine vector and parasite including effects on the metabolic signature of the insect.
Cryo-electron tomography is the only technique that can provide sub-nanometer resolved images of cell regions or even whole cells, without the need of labeling or staining methods. Technological advances over the past decade in electron microscope stability, cameras, stage precision and software have resulted in faster acquisition speeds and considerably improved resolution. In pursuit of even better image resolution, researchers seek to reduce noise – a crucial factor affecting the reliability of the tomogram interpretation and ultimately limiting the achieved resolution. Sub-tomogram averaging is the method of choice for reducing noise in repetitive objects. However, when averaging is not applicable, a trade-off between reducing noise and conserving genuine image details must be achieved. Thus, denoising is an important process that improves the interpretability of the tomogram not only directly but also by facilitating other downstream tasks, such as segmentation and 3D visualization. Here, I review contemporary denoising techniques for cryo-electron tomography by taking into account noise-specific properties of both reconstruction and detector noise. The outcomes of different techniques are compared, in order to help researchers select the most appropriate for each dataset and to achieve better and more reliable interpretation of the tomograms.
An increasing number of voices highlight the need for science itself to transform and to engage in the co-production of knowledge and action, in order to enable the fundamental transformations needed to advance towards sustainable futures. But how can global sustainability-oriented research networks engage in co-production of knowledge and action? The present article introduces a strategic tool called the ‘network compass’ which highlights four generic, interrelated fields of action through which networks can strive to foster co-production. It is based on the networks’ particular functions and how these can be engaged for co-production processes. This tool aims to foster self-reflection and learning within and between networks in the process of (re)developing strategies and activity plans and effectively contributing to sustainability transformations.
Thermoanaerobacter kivui is a thermophilic acetogen that can grow on carbon monoxide as sole carbon and energy source. To identify the gene(s) involved in CO oxidation, the genome sequence was analyzed. Two genes potentially encoding CO dehydrogenases were identified. One, cooS, potentially encodes a monofunctional CO dehydrogenase, whereas another, acsA, potentially encodes the CODH component of the CODH/ACS complex. Both genes were cloned, a His-tag encoding sequence was added, and the proteins were produced from a plasmid in T. kivui. His-AcsA copurified by affinity chromatography with AcsB, the acetyl-CoA synthase of the CO dehydrogenase/acetyl CoA synthase complex. His-CooS copurified with CooF1, a small iron-sulfur center containing protein likely involved in electron transport. Both protein complexes had CO:ferredoxin oxidoreductase as well as CO:methyl viologen oxidoreductase activity, but the activity of CooSF1 was 15-times and 231-times lower, respectively. To underline the importance of CooS, the gene was deleted in the CO-adapted strain. Interestingly, the ∆cooS deletion mutant did not grow on CO anymore. These experiments clearly demonstrated that CooS is essential for growth of T. kivui on CO. This is in line with the hypothesis that CooS is the CO-oxidizing enzyme in cells growing on CO.
Neuroligin-3 (Nlgn3), a neuronal adhesion protein implicated in autism spectrum disorder (ASD), is expressed at excitatory and inhibitory postsynapses and hence may regulate neuronal excitation/inhibition balance. To test this hypothesis, we recorded field excitatory postsynaptic potentials (fEPSPs) in the dentate gyrus of Nlgn3 knockout (KO) and wild-type mice. Synaptic transmission evoked by perforant path stimulation was reduced in KO mice, but coupling of the fEPSP to the population spike was increased, suggesting a compensatory change in granule cell excitability. These findings closely resemble those in neuroligin-1 (Nlgn1) KO mice and could be partially explained by the reduction in Nlgn1 levels we observed in hippocampal synaptosomes from Nlgn3 KO mice. However, unlike Nlgn1, Nlgn3 is not necessary for long-term potentiation. We conclude that while Nlgn1 and Nlgn3 have distinct functions, both are required for intact synaptic transmission in the mouse dentate gyrus. Our results indicate that interactions between neuroligins may play an important role in regulating synaptic transmission and that ASD-related neuroligin mutations may also affect the synaptic availability of other neuroligins.
Bisphenols and phthalates, chemicals frequently used in plastic products, promote obesity in cell and animal models. However, these well-known metabolism disrupting chemicals (MDCs) represent only a minute fraction of all compounds found in plastics. To gain a comprehensive understanding of plastics as a source of exposure to MDCs, we characterized all chemicals present in 34 everyday products using nontarget high-resolution mass spectrometry and analyzed their joint adipogenic activities by high-content imaging. We detected 55,300 chemical features and tentatively identified 629 unique compounds, including 11 known MDCs. Importantly, chemicals that induced proliferation, growth, and triglyceride accumulation in 3T3-L1 adipocytes were found in one third of the products. Since the majority did not target peroxisome proliferator-activated receptor γ, the effects are likely to be caused by unknown MDCs. Our study demonstrates that daily-use plastics contain potent mixtures of MDCs and can, therefore, be a relevant yet underestimated environmental factor contributing to obesity.
Teaser Plastics contain a potent mixture of chemicals promoting adipogenesis, a key process in developing obesity.
Thermoanaerobacter kivui is an acetogenic model organism that reduces CO2 with electrons derived from H2 or CO, or from organic substrates in the Wood–Ljugdahl pathway (WLP). For the calculation of ATP yields, it is necessary to know the electron carriers involved in coupling of the oxidative and reductive parts of metabolism. Analyses of key catabolic oxidoreductases in cell-free extract (CFE) or with purified enzymes revealed the physiological electron carriers involved. The glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (GA3P-DH) assayed in CFE was NAD+-specific, NADP+ was used with less than 4% and ferredoxin (Fd) was not used. The methylene-THF dehydrogenase was NADP+-specific, NAD+ or Fd were not used. A Nfn-type transhydrogenase that catalyzes reduced Fd-dependent reduction of NADP+ with NADH as electron donor was also identified in CFE. The electron carriers used by the potential electron-bifurcating hydrogenase (HydABC) could not be unambiguously determined in CFE for technical reasons. Therefore, the enzyme was produced homologously in T. kivui and purified by affinity chromatography. HydABC contained 33.9 ± 4.5 mol Fe/mol of protein and FMN; it reduced NADP+ but not NAD+. The methylene-THF reductase (MetFV) was also produced homologously in T. kivui and purified by affinity chromatography. MetFV contained 7.2 ± 0.4 mol Fe/mol of protein and FMN; the complex did neither use NADPH nor NADH as reductant but only reduced Fd. In sum, these analysis allowed us to propose a scheme for entire electron flow and bioenergetics in T. kivui.
Riboswitches are regulatory RNA elements that undergo functionally important allosteric conformational switching upon binding of specific ligands. The here investigated guanidine-II riboswitch binds the small cation, guanidinium, and forms a kissing loop-loop interaction between its P1 and P2 hairpins. We investigated the structural changes to support previous studies regarding the binding mechanism. Using NMR spectroscopy, we confirmed the structure as observed in crystal structures and we characterized the kissing loop interaction upon addition of Mg2+ and ligand for the riboswitch aptamer from Escherichia coli. We further investigated closely related mutant constructs providing further insight into functional differences between the two (different) hairpins P1 and P2. Formation of intermolecular interactions were probed by small-angle X-ray scattering (SAXS) and NMR DOSY data. All data are consistent and show the formation of oligomeric states of the riboswitch induced by Mg2+ and ligand binding.
Identifying unexpected acoustic inputs, which allows to react appropriately to new situations, is of major importance for animals. Neural deviance detection describes a change of neural response strength to a stimulus solely caused by the stimulus' probability of occurrence. In the present study, we searched for correlates of deviance detection in auditory brainstem responses obtained in anaesthetised bats (Carollia perspicillata). In an oddball paradigm, we used two pure tone stimuli that represented the main frequencies used by the animal during echolocation (60 kHz) and communication (20 kHz). For both stimuli, we could demonstrate significant differences of response strength between deviant and standard response in slow and fast components of the auditory brainstem response. The data suggest the presence of correlates of deviance detection in brain stations below the inferior colliculus (IC), at the level of the cochlea nucleus and lateral lemniscus. Additionally, our results suggest that deviance detection is mainly driven by repetition suppression in the echolocation frequency band, while in the communication band, a deviant-related enhancement of the response plays a more important role. This finding suggests a contextual dependence of the mechanisms underlying subcortical deviance detection. The present study demonstrates the value of auditory brainstem responses for studying deviance detection and suggests that auditory specialists, such as bats, use different frequency-specific strategies to ensure an appropriate sensation of unexpected sounds.