Biologische Hochschulschriften (Goethe-Universität; nur lokal zugänglich)
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An chemischen Synapsen diffundieren von der präsynaptischen Nervenendigung ausgeschüttete Neurotransmitter durch den synaptischen Spalt und aktivieren Rezeptormoleküle in der postsynaptischen Plasmamembran. Eine schnelle und zuverlässige Kommunikation an Synapsen bedingt, dass die Rezeptoren in Clustern direkt gegenüber den aktiven Zonen der Präsynapsen angereichert sind. Eine hohe Rezeptorendichte in der postsynaptischen Membran wird durch sog. Gerüstproteine, die mit den Rezeptormolekülen assoziieren, erreicht. Bisher wurden für verschiedene Synapsen unterschiedliche Gerüstproteine identifiziert. An glutamatergen Synapsen werden Rezeptoren durch u.a. das Postsynaptic Density 95 (PSD 95)-Protein, an cholinergen Synapsen durch Rapsyn, und an GABAergen und glyzinergen Synapsen durch Gephyrin verankert. An inhibitorischen Synapsen wurde bisher ausschliesslich Gephyrin als Ankerprotein für Glyzin- und GABAARezeptoren identifiziert. An exzitatorischen glutamatergen Synapsen dagegen regulieren weitere Gerüstproteine wie Shank, Homer und das Glutamatrezeptor interagierende Protein (GRIP) die Lokalisation, den Transport und die Stabilität verschiedener Glutamatrezeptor- Subtypen. Gephyrin wurde ursprünglich als peripheres Membranprotein zusammen mit dem Glyzin-rezeptorkomplex aufgereinigt. Es bindet an die große intrazelluläre Schleife der ß-Untereinheit des Glyzinrezeptors. Experimente mit Antisense-Oligonukleotiden und Gephyrin-defizienten Mäusen zeigten, dass Gephyrin essentiell für die synaptische Lokalisation von Glyzinrezeptoren und α2- und γ2-Untereinheiten enthaltenden GABAARezeptoren ist. Die Rezeptorlokalisation an der Synapse wird durch eine stabile Verankerung des Gephyrin-Gerüstes am Zytoskelett gewährleistet. Die Gerüstbildung erfolgt durch die Oligomerisierung zweier Gephyrin-Domänen, der aminoterminalen G-Domäne und der carboxyterminalen E-Domäne, wodurch ein hexagonales Gephyrinnetzwerk entsteht, welches für die Clusterbildung an der Synapse notwendig ist. Live-imaging Studien in Neuronenkulturen zeigten, daß an Rezeptor-Transportvesikel gebundenes Gephyrin kontinuierlich an und von aktiven Synapsen weg transportiert wird, was eine hochdynamische Modulation des Gephyrin-Gerüsts nahelegt. Der retro- und anterograde Transport von Gephyrin wird durch Dynein bzw. Kinesin bewerkstelligt. Einige zytosolische Proteine wie Profilin, das Mena/Vasodilator-stimulierte Phosphoprotein (VASP) und Collybistin (Cb) spielen in der Zytoskelett-Regulation eine Rolle und interagieren mit Gephyrin. Cb ist notwendig für die Gephyrin-Clusterbildung an bestimmten GABAergen Synapsen. Im Hippocampus Cb-defizienter Mäuse befindet sich kein Gephyrin an den Postsynapsen. Cb gehört zur Familie der Guanin-Nukleotid-Austauschfaktoren (GEF), die durch eine DH-PH (Dbl Homologie-/Pleckstrin-Homologie) Tandem-Domäne charakterisiert sind und existiert in zwei Spleißvarianten, CbI und CbII. Die DH-Domäne aktiviert spezifisch das kleine G-Protein Cdc42, und die PH-Domäne interagiert mit Phosphoinositol-3-Phosphat (PI3P). In vitro-Studien haben gezeigt, dass die Interaktion von Gephyrin mit Cb II eine Reduktion der GEF-Aktivität für Cdc42 bewirkt. Basierend auf diesen Resultaten wurde vorgeschlagen, dass Gephyrin die Cdc42-Aktivierung durch Cb beendet. Dieser Mechanismus könnte für die initiale Bildung inhibitorischer Synapsen notwendig sein. Analysen mit Domänen-deletierten Cb-Konstrukten zeigten, dass sowohl die DH- als auch die PH-Domäne für die Bildung von submembranären Gephyrin-Microclustern an der Plasmamembran notwendig sind. In dieser Arbeit wurde der Mechanismus der Gephyrin-Gerüstbildung durch Cb weiter untersucht. Insbesondere wurde geklärt, inwiefern Cdc42-Aktivierung bzw. PI3P-Bindung durch Cb an der Gephyrin-Gerüstbildung beteiligt ist. Zusätzlich wurde anhand einer eigens erzeugten GFP-Gephyrin transgenen Maus untersucht, ob sich die Stabilität des Gephyrin-Gerüsts während der Differenzierung ändert und in die Regulation der Stabilität und Plastizität inhibitorischer Synapsen involviert ist. Die Rolle von Cdc42 in der Gephyrin-Gerüstbildung wurde mittels einer konstitutiv aktiven Spleißvariante von Cb untersucht. Basierend auf Homologien zu anderen bereits charakterisierten GEFs und der publizierten Kristallstruktur des CbII-Cdc42 Komplexes wurden Aminosäurereste in der DH-Domäne von Cb mutiert, um die Cdc42-Aktivierung zu unterbrechen (CB T61A, K192A und NE232-233AA). In vitro GTPase-Aktivierungsassays und Filopodien-Induzierung in NIH-3T3-Zellen bestätigten, dass diese Mutationen die Cdc42-Aktivierung reduzierten bzw. aufhoben. Dennoch induzierten sie die Gephyrin-Gerüstbildung in heterologen Zellen und hippocampalen Neuronen ähnlich effektiv wie Wildtyp-Cb II. Die Rolle von Cdc42 in der synaptischen Gephyrin-Clusterbildung wurde außerdem in konditionell Cdc42-defizienten Mäusen, in denen das Cdc42-Gen selektiv im Vorderhin inaktiviert wurde, untersucht. Die Dichte von Gephyrin- und das GABAA-Rezeptor-Clustern war bei Verlust von Cdc42 im Hippocampus nicht verändert. Dies steht im Gegensatz zu einem fast 80%igen Verlust von Gephyrin- und GABAA-Rezeptor-Clustern im Hippocampus von Cb-defizienten Mäusen. Diese Ergebnisse zeigen, dass Cdc42 für die Gephyrin-Gerüstbildung an inhibitorischen Synapsen nicht notwendig ist. Die Rolle der PH-Domäne von Cb bei der Gephyrin-Clusterbildung wurde ebenfalls durch Mutagenese-Experimente analysiert. Viele PH-Domänen haben die Fähigkeit, Phosphoinositide zu binden und damit Membranbindung zu vermitteln, während andere PHDomänen, die nicht an Phosphoinositide binden, nur nach Bindung weiterer Liganden mit Membranen assozieren. In früheren Arbeiten war gezeigt worden, dass humanes Cb PI3P bindet. Hier wurde eine mögliche Beteiligung von Phospholipid-Bindung an der Gephyrin-Gerüstbildung durch Substitution zweier basischer Reste in der β3- und β4- Schleife, R303 und R304, mit Asparaginen untersucht. Ein Lipid-Dot-Blot-Assay mit der Cb II-RR303-304NN-Mutante zeigte einen völligen Verlust der PI3P-Bindung in vitro. Die Expression dieser Mutante in heterologen Zellen und hippocampalen Neuronen zeigte, dass die Gerüstbildung und die synaptische Lokalisation von Gephyrin Phosphoinositidbindung erfordern. Zusammenfassend zeigen diese Ergebnisse, dass die Aktivierung von Cdc42, nicht aber die PI3P- Bindung, für die Cb II-vermittelte Gephyrin-Gerüstbildung entbehrlich ist. Cb hat also zumindest zwei biologische Funktionen: Einerseits ist die DH-Domänen vermittelte Aktivierung von Cdc42 notwendig für die Regulation des Aktinzytoskeletts und die Bildung von Filopodien; andererseits wird die PH-Domänen-abhängige und Cdc42-unabhängige Phospholipidbindung für die Gephyrin-Gerüstbildung an inhibitorischen Postsynapsen benötigt. Um die Dynamik von Gephyrin an inhibitorischen Synapsen zu untersuchen, wurde eine transgene Maus entwickelt, welche GFP-Gephyrin unter der Kontrolle des Neuronspezifischen Thy1-Promotors exprimiert. In verschiedenen Hirnregionen der transgenen Mauslinie, wie Hippocampus, Stammhirn, Rückenmark und Kortex, wurde punktuelle synaptische GFP- Fluoreszenz beobachtet. Diese GFP-Gephyrin-Fluoreszenz kolokalisierte mit einem inhibitorischen Präsynapsenmarker, dem vesikulären inhibitorischen Aminosäuretransporter (VIAAT). Immunfärbungen von Hirnschnitten mit Gephyrin-spezifischen Antikörpern zeigten, daß die durchschnittliche Größe und Dichte der GFP-Gephyrin-Cluster mit denen endogener Gephyrin-Cluster identisch waren. Eine Western-Blot Analyse inhibitorischer synaptischer Proteine zeigte keinen Unterschied zwischen Thy1-GFP-Gephyrin- und Wildtyp-Mäusen auf, ebensowenig wie elektrophysiologische Untersuchungen von GFP-Gephyrin-positiven und -negativen Neuronen. Sowohl die durchschnittliche Amplitude der mIPSCs als auch deren Frequenz waren nicht signifikant verändert, was dafür spricht, dass die transgene Expression von GFP- Gephyrin keine funktionellen Veränderungen verursacht. Verhaltensversuche zeigten gleiche Ergebnisse für Thy1-GFP-Gephyrin und WTMäuse. Daher kann die GFP-Gephyrin-Maus als verlässliche Reporterlinie für Studien zur Gephyrin-Dynamik an inhibitorischen Synapsen im Hippocampus und in einigen anderen Hirnregionen eingesetzt werden. Die Dynamik des synaptischen Gephyrin-Gerüsts wurde an inhibitorischen Postsynapsen in organotypischen entorhinal-hippocampalen Schnittkulturen aus GFPGephyrin-Mäusen untersucht. Fluorescence Recovery after Photobleaching (FRAP)-Analysen individueller GFP-Gephyrin-Cluster in 1-Woche- und 4-Wochen-alten Kulturen zeigten eine entwicklungsabhängige Stabilisierung der GFP-Gephyrin-Cluster auf. Diese Stabilisierung ist eng verbunden mit einer Größenzunahme der Gephyrin-Cluster an GABAergen Synapsen. Mit elektrophysiologischen Ableitungen wurde eine Reifung der GABAergen synaptischen Übertragung ebenfalls während dieser Periode beobachtet. Die Stabilisierung und Grössenzunahme des Gephyrin-Gerüsts spiegelte sich in einer erhöhten miniature inhibitory postsynaptic current (mIPSC)- Amplitude wieder. Außerdem wies die Zunahme der mIPSCFrequenz auf eine effiziente Reifung der präsynaptischen Endigungen hin, die immunhistochemisch durch eine Zunahme der VIAAT-Immunfluoreszenz erhärtet werden konnte. Ein möglicher Einfluss der GABAergen, synaptischen Aktivität auf die Grösse und Stabilität der Gephyrin-Cluster wurde in reifen Neuronenkulturen durch pharmakologische Modulation der GABAA-Rezeptoren untersucht. Die Behandlung 4-Wochen-alter Kulturen mit GABAA-Rezeptor-Antagonisten und mit dem potenzierenden Benzodiazepin Diazepam zeigte eine homöostatische Regulation der Stabilität und Größe des Gephyrin-Gerüsts durch die Aktivität inhibitorischer Synapsen auf. Zusammenfassend sind diese Resultate starke Hinweise für dynamische Veränderungen in synaptischen Gephyrin-Gerüsten während der Reifung und Aktivitäts-induzierten Plastizität GABAerger Synapsen
Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit steht der humane β2-adrenerge Rezeptor, ein intrinsisches Membranprotein und Mitglied der Superfamilie G Protein-gekoppelter Rezeptoren (GPCRs).
Es wurden im Wesentlichen zwei Themenschwerpunkte bearbeitet. Den ersten Schwerpunkt bildeten die heterologe Produktion des β2-adrenergen Rezeptors in der methylotrophen Hefe Pichia pastoris sowie dessen chromatographische Reinigung und Charakterisierung. Hierbei konnten in allen wesentlichen Punkten signifikante Verbesserungen im Vergleich zu früheren Arbeiten erzielt werden: Die Ausbeute an heterolog produziertem, funktionellem Rezeptor konnte um das bis zu Fünffache gesteigert werden; Die Gesamtausbeute nach chromatographischer Reinigung wurde um 60% erhöht; Es gelang die Darstellung reiner, monodisperser Rezeptorpräparationen mit einer spezifischen Ligandenbindungsaktivität von 94% und einer Halbwertszeit der Ligandenbindungsaktivität von >50 Tagen bei 4 °C. Eine pharmakologische Charakterisierung des Rezeptors erfolgte sowohl in Membranen als auch in solubilisiert-gereinigter Form. Ferner konnte die in vitro-Interaktion des solubilisiert-gereinigten Rezeptors mit einer konstitutiv aktiven β-Arrestin Variante nachgewiesen werden.
Ziel des zweiten Themenschwerpunkts der vorliegenden Arbeit war die Auffindung und Charakterisierung von rezeptorspezifischen, nicht auf Immunglobulinen basierenden Bindeproteinen, um diese später vorrangig zur Kokristallisation einsetzen zu können. Mit der zellfreien Selektionsmethode des ribosome display ist es hierbei gelungen, aus einer naiven, auf Ubiquitin als Gerüstprotein basierenden Bibliothek hochaffine, spezifische Bindeproteine gegen den β2-adrenergen Rezeptor zu isolieren. Für Monomere dieser sog. Affiline® wurden Dissoziationskonstanten bis etwa 450 nM gefunden, die durch Homodimerisierung auf etwa 70 nM verringert werden konnten. Zusätzlich wurde mit einer Affinitätsmaturierung ausgewählter Varianten begonnen.
Die Superfamilie der G Protein-gekoppelten Rezeptoren (GPCRs) bildet die größte und auch diverseste der vier Hauptgruppen membranständiger Rezeptoren. Im Rahmen der Signaltransduktion vermitteln diese die Umwandlung eines extrazellulären Signals in eine spezifische intrazelluläre Reaktion und nehmen so eine Schlüsselposition bei der Kommunikation zwischen Zellen ein. Bei GPCRs erfolgt die Weitergabe der ligandeninduzierten Konformationsänderung vorwiegend über Kopplung an und Aktivierung von Guanin-Nukleotidebindenden Proteinen (G Proteine), die dann ihrerseits mit verschiedenen Effektorsystemen in Wechselwirkung treten. Da ein Großteil aller zurzeit auf dem Markt befindlichen Medikamente ihre Wirkung durch Bindung an einen GPCR entfaltet, ist diese Proteinfamilie von besonders großem pharmakologischem Interesse. Auch der humane β2-adrenerge Rezeptor (β2AR) zählt zu den kommerziell wichtigen drug targets und ist zudem nach bovinem Rhodopsin der erste GPCR, für dessen Struktur experimentell bestimmte, atomare Modelle vorgelegt werden konnten.
Zur funktionellen Überproduktion des β2AR hatte sich bereits die methylotrophe Hefe Pichia pastoris bewährt. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass durch Anwendung hier erarbeiteter, optimierter Bedingungen das Produktionsniveau aller acht für dieses Expressionssystem zur Verfügung stehenden bzw. in dieser Arbeit hergestellten Konstrukte gegenüber früheren Ergebnissen deutlich gesteigert werden konnte. Hierbei wurde, je nach Konstrukt, eine Verdopplung bis Verfünffachung der Produktion an aktivem, bindungsfähigem Rezeptor erzielt. Bei drei der acht Konstrukte konnte das Produktionsniveau auf ≥ 50 pmol/mg Membranprotein gesteigert werden, was bis zu 1,1 mg aktivem Rezeptor in Membranen pro Liter Schüttelkultur entspricht. Die im Rahmen der Produktionsoptimierung der verschiedenen Konstrukte gewonnenen Erkenntnisse über den Einfluss sowohl von Art als auch Lokalisation eines bestimmten Anhängsels innerhalb der Expressionskassette auf das zu erwartende Produktionsniveau konnten genutzt werden, um bei einem mit bestimmten Eigenschaften neu zu erstellenden Konstrukt – einem Baukastensystem gleich – jene Anhängsel mit den gewünschten (und bekannten) Auswirkungen zu kombinieren. Auf dies Weise konnten auf Anhieb sehr gute Produktionsniveaus für neu erstellte Konstrukte erzielt werden.
Durch Optimierung einer zweischrittigen affinitätschromatographischen Reinigung konnte zum einen die Gesamtausbeute an gereinigtem β2AR um 60% gegenüber früheren Ergebnissen gesteigert werden. Zum anderen gelang es, für derartige, nach SDS-PAGE und analytischer Gelfiltration als homogen und frei von jeglichen Aggregationen befundenen Präparationen, die spezifische Aktivität (Radioligandenbindung) auf 94 ± 4% zu steigern. Die Halbwertszeit der spezifischen Aktivität derartiger Präparationen bei 4 °C lag bei über 50 Tagen. Im Rahmen einer alternativen Reinigungsstrategie konnte der praktische Nutzen proteolytisch abspaltbarer Affinitätsanhängsel in Fällen mit inhomogener posttranslationaler Prozessierung des rekombinanten Proteins durch das Expressionssystem nachgewiesen werden.
Durch Integration einer inversen Affinitätschromatographie in das Reinigungsschema konnte bei bestimmten Konstrukten die Homogenität und Dispersität der Präparation verbessert werden, bei gleichzeitiger vollständiger Entfernung sowohl der abgetrennten Anhängsel als auch der verwendeten Protease.
Die Ligandenbindung des β2AR wurde sowohl in Membranen als auch in solubilisiertgereinigter Form charakterisiert. Die hierbei für den Rezeptor in Membranen mit dem tritiierten Liganden [5,7-3H]-(-)-CGP-12177 erhaltene Dissoziationskonstante (KD) von 4,1 ± 0,2 nM befindet sich in guter Übereinstimmung mit den Literaturwerten für dieses Expressionssystem.
Bei der Charakterisierung der Ligandenbindung des β2AR in solubilisiert-gereinigter Form wurde ein stark modulierender Effekt von Lipiden auf die KD beobachtet: Die Dissoziationskonstante des soubilisiert-gereinigten Rezeptors wurde zu 8 ± 0,6 nM bestimmt, ließ sich jedoch durch gleichzeitige Verwendung von solubilisiertem Phosphatidylcholin und Cholesterinhemisuccinat im Bindungstest auf ein Viertel (2,13 ± 0,2 nM) diese Wertes reduzieren. Der Effekt der Affinitätsmodulation war voll reversibel und die Gesamtmenge (Bmax) an bindungsfähigem Rezeptor blieb praktisch unbeeinflusst.
Des weiteren konnte die spezifische Interaktion des solubilisiert-gereinigten β2AR mit rekombinantem, konstitutiv aktivem β-Arrestin in vitro nachgewiesen werden. Dies ist sowohl für die Etablierung etwaiger funktioneller Assays als auch für Ansätze zur Kokristallisation des β2AR mit einem physiologischen Bindungspartner für von Interesse.
Im Rahmen des zweiten Themenkomplexes wurde die Methode des ribosome display (RD) erfolgreich eingesetzt, um Bindeproteine gegen den β2AR zu selektieren. Ziel war es hier, diese später zur Kokristallisation mit dem Zielprotein einsetzen zu können. Das RD als zellfreie (in vitro) Selektionsmethode findet für lösliche Proteine bereits seit längerem breite Anwendung.
Für Membranproteine wurde es bisher hingegen nur sehr selten erfolgreich verwendet und der Einsatz bei GPCRs ist als neu zu bezeichnen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine hochdiverse (theoretische Diversität: 1013, funktionelle Größe 1010 – 1011), naive Bibliothek verwendet, die auf Ubiquitin als Gerüstprotein basiert und von SCIL Proteins, Halle unter der Bezeichnung Affilin® entwickelt wurde. Es handelt sich somit um alternative, d. h. nicht auf Antikörpern oder deren Fragmenten beruhenden Bindeproteine. Zielprotein der in dieser Arbeit durchgeführten Selektionen war solubilisiert-gereinigter β2AR. Sämtliche Arbeiten unter Beteiligung des Zielproteins fanden zur Bewahrung dessen Aktivität in Anwesenheit von Detergenz statt. Die verschiedenen Schritte des RD mussten daher zunächst an die speziellen Erfordernisse des Zielproteins angepasst und geeignete Bedingungen zur Durchführung einer Selektion gefunden werden. Durch entsprechende Vorversuche wurde dann verifiziert, dass der Rezeptor unter den gewählten Selektions- und Immobilisierungsbedingungen seine Ligandenbindugsaktivität beibehält. Es wurden insgesamt sechs RD-Selektionsrunden durchgeführt und der abschließend vorliegende Bindeprotein-Subpool war noch divers (keine Reduktion auf eine Konsensus-Sequenz). Zur Charakterisierung der angereicherten Varianten wurde eine Abfolge von Hochdurchsatzverfahren sowie abschließenden Einzelanalysen eingesetzt. Hierbei gelang es, hochaffine, spezifische Bindeproteine gegen den β2AR zu isolieren. Die beobachteten Dissoziationskonstanten (KD) der detailliert charakterisierten Affilin-Monomere reichen von etwa 15 μM bis hin zu 450 nM. Nach Homodimerisierung ausgewählter, zuvor charakterisierter Varianten wurde eine Verringerung der Dissoziationskonstanten bis auf etwa 70 nM beobachtet. Damit decken die selektierten Bindeproteine einen Affinitätsbereich ab, der verschiedenartige Anwendungsgebiete eröffnet: Vom Einsatz zur affinitätschromatographischen Reinigung des Zielproteins, über dessen immunologischen Nachweis bzw. dem Einsatz in Assaysystemen bis hin zur Kokristallisation mit dem Zielprotein. Die Spezifität der Bindeproteine wurde gegenüber verschiedenen Negativkontrollen wie etwa dem verwendeten Immobilisierungssystem aber auch gegenüber anderen GPCRs mit homologer Auswahl an Affinitätsanhängseln verifiziert. Durch geeignete Konditionierung (prepanning) der in den eigentlichen Selektionsprozess eingehenden ternären Komplexe war es gelungen, die Anreicherung unerwünschter, gegen das zur Immobilisierung verwendete Biotin/Streptavidin-System gerichteter Varianten wirkungsvoll zu verhindern.
Die selektierten Bindeproteine konnten in verschiedenen Maßstäben (von 1 ml bis 1 l) mit sehr hohen Ausbeuten in E. coli produziert werden. Nach Affinitätschromatographie und präparativer Gelfiltration wurden hochreine, monodisperse Präparationen erhalten. Die Gesamtausbeuten an gereinigtem Bindeprotein lagen bei etwa 15 mg/l Kulturvolumen.
Neben der Affinitätsbestimmung wurde die Bindung einzelner Affilin-Varianten an den β2AR sowohl mittels pull-down Assay als auch analytischer Gelfiltration verifiziert. Parallel zur Homo- und Hetero-Dimerisierung wurde eine Affinitätsmaturierung ausgewählter Varianten begonnen. Diese Affinitätsmaturierung der Monomere erfolgte in einem evolutiven Ansatz bestehend aus Zufallsmutagenese zuvor charakterisierter Varianten und anschließender Selektion im Rahmen eines erneuten RD.
Systematische Ansätze zur Kokristallisation des β2AR mit mehreren der aus der Selektion hervorgegangenen alternativen Bindeproteine wurden durchgeführt.
An den Folgen von AIDS sind bisher fast 20 Millionen Menschen gestorben. Mit der Einführung der hochaktiven antiretroviralen Therapie (HAART) konnte erstmals die Viruslast bei gleichzeitiger Erhöhung der CD4-Lymphozytenzahl effizient erniedrigt werden. Dadurch konnte zwar eine Kontrolle der Virusreplikation und damit verbunden eine längere Überlebenszeit erreicht werden, jedoch ist eine vollständige Eradikation des Virus bisher nicht möglich. Hohe Behandlungskosten, Nebenwirkungen der antiviralen Substanzen, ihre unzureichende Wirkung in manchen Körperkompartimenten und die rasche Verbreitung resistenter Viren schränken die Effektivität von HAART ein. Alternative Therapieformen zielen in den letzten Jahren verstärkt auf die HIV-Eintrittshemmung durch Inhibition der Membranfusion von Virus und Wirtszelle („Fusionsinhibitoren“). Peptide, die sich aus der „heptad repeat“ Region 2, HR2, des gp41 ableiten (C-Peptide), sind äußerst wirksame antivirale Substanzen. 2003 wurde T-20, ein 36 Aminosäure langes C-Peptid, als erster Fusionsinhibitor zugelassen. Sein breiter Einsatz ist jedoch aufgrund rascher Resistenzbildung, mangelnder oraler Verfügbarkeit, einer äußerst kurzen Serumhalbwertszeit sowie daraus resultierender hoher Therapiekosten limitiert. Aufgrund dessen sollte in der vorliegenden Arbeit mit der Entwicklung von RNA-Aptameren als HIV-Fusionsinhibitoren ein neuer therapeutischer Ansatz etabliert werden. Zur Isolierung dieser RNA-Aptamere wurden zwei hoch komplexe RNA-Bibliotheken in manuellen sowie automatisierten Selektionen gegen verschiedene Zielstrukturen auf dem HIV-1 gp41 mit Hilfe der SELEX-Technologie selektiert. Der Wirkmechanismus der isolierten RNA-Aptamere sollte analog zu den gp41 HR-abgeleiteten Peptiden auf der Hemmung der Ausbildung des Sechs-Helix-Bündels als fusionaktive Struktur beruhen. So sollten die RNA-Aptamere die Ausbildung der zentralen N coiled-coil Struktur verhindern (Selektion gegen HR1-Peptide) oder die Anlagerung der HR-2 Domänen an die konservierten hydrophoben Furchen des zentralen N coiled-coils inhibieren (Selektion gegen HR2-Peptide). Die gewählten Zielstrukturen wurden entweder als freie synthetische Peptide oder membrangebunden auf der Oberfläche von humanen T-Zellen präsentiert. Um die Selektion von serumstabilen Aptameren zu gewährleisten, wurden die RNA-Aptamere unter Einsatz von 2’-F- oder 2’-NH2-modifizierten Pyrimidinen transkribiert. Nach initialen Selektionsrunden wurden die isolierten Aptamerfraktionen in einer „single-round infection“ unter Einsatz von HIV-Pseudotypvektoren auf spezifische Inhibition des Eintritts von HIV in die Zielzellen analysiert. Die isolierten RNA-Aptamere waren in der Lage, den HIV-Eintritt zu inhibieren, ihre Wirksamkeit war allerdings im Vergelich zu der naiven Bibliothek gering. Nach Durchführung von verschiedenen Reifungsstrategien, um die Affinität der vorselektieren RNA-Fraktionen zum jeweiligen Zielepitop zu erhöhen, konnte die inhibitorische Wirkung der gereiften RNA-Fraktionen auf das 10Fache im Vergleich zu der Urspungsbibliothek verbessert werden. Die wirksamste RNA-Fraktion, 435UU, wurde aus einer Selektion einer aminomodifizierten N30 RNA-Bibliothek gegen das membranverankerte Fusionsprotein M435, bestehend aus gp41 C46 und dem membranproximalen HIV-Linker, und anschließender Kompetiton mit dem 2F5 Antikörper gewonnen. Die 435UU RNA-Fraktion konnte den Eintritt von HIV mit einer IC50 ≈ 200 nM spezifisch hemmen. Weiterhin konnte die spezifische Fusionsinhibition der 435UU Aptamerfraktion in einem Zell-Zellfusionsassay unter Einsatz von HIV env exprimierenden Zellen und einer humanen T-Zelllinie demonstriert werden. Die Affinität der 435UU-Fraktion wurde in einem Gelmobilitätsversuch bestimmt. Die moderate HIV-Eintrittshemmung beruhte auf einer schwachen Bindung (Kd ≈ 750 nM) an das Zielepitop auf dem gp41. Die Analyse von Einzelaptameren aus der 435UU RNA-Population ergab keine signifikanten Unterschiede in ihrem HIV-Neutralisationspotential. Des Weiteren konnten nur wenig gemeinsame Primärstrukturmotive bestimmt werden. Der Gehalt an inkorporierten Pyrimidinen in den 435UU-Einzelaptameren war allerdings mit ca. 70% vergleichsweise hoch. Unter Einsatz von randomisierten RNA-Transkripte mit definiertem Pyrimidingehalt konnte festgestellt werden, dass tendenziell ein höherer Gehalt an NH2-Pyrimidinen die HIV-Neutralisation fördert. Allerdings konnte keine eindeutige Korrelation zwischen der Bindung an das C46-HIVLinker Fusionskonstrukt und dem Pyrimidingehalt der Transkripte ermittelt werden. Die Sekundärstukturvorhersage ergab keine strukturelle Verwandtschaft unter den 435UU-Einzelaptameren noch konnten klar definierte Sekundärstrukturmotive gefunden werden. Die Selektion der 435UU-Aptamerfraktion erfolgte deshalb nich allein aufgrund ihres hohen Pyrimidingehaltes. Ein direkter Vergleich der 435UU Aptamerfraktion mit dem bisher einzigen RNA-Eintrittsinhibitor, einem anti-gp120 RNA-Aptamer, ergab zwar eine geringfügig schwächere HIV-Inhibition, jedoch ein wesentlich breiteres Wirkspektrum der isolierten anti-gp41 RNA-Aptamere wahrscheinlich durch ihren hoch konservierten Wirkmechanismus. Schlussendlich könnte die Wahl der Präsentation der Zielstrukturen sowie der Selektionsdurchführung die Gewinnung von RNA-Aptameren mit moderater Affinität fördern und gleichzeitig zum Verlust von hoch affinen RNA-Strukturen führen. In nachfolgenden Selektionen sollte deshalb die Selektionsstringenz erhöht sowie gegen membrangebundene Zielstrukturen selektiert werden, die die tatsächliche native gp41 Konformation darstellen.
Durch Beobachtungen individuell farbmarkierter Meisen und Kleiber an einer Futterstelle zwischen Sommer und Frühjahr konnte erstmals die Struktur gemischter Meisenschwärme und ihre Veränderung im Jahresverlauf systematisch analysiert werden. Nur im Winter bilden sich sehr kompakte Schwärme von durchschnittlich 27 Individuen, die sich schnell fortbewegen und nur zehn bis fünfzehn Minuten an der Futterstelle verweilen. Ihr Auftreten ist sowohl mit der Tageslänge als auch direkt mit der Temperatur korreliert. Eine Erniedrigung der Temperatur führt zu einem engeren Zusammenschluß der Individuen, vor allem auch verschiedener Arten. Dieses Verhalten ermöglicht eine effizientere Nahrungssuche, weil die Individuen von den Kenntnissen der übrigen Schwarmmitglieder über Nahrungsquellen profitieren und weil sie weniger Zeit zum Sichern aufwenden müssen. Die Schwarmgröße ist jedoch nicht temperaturabhängig. Sie wächst mit der Anzahl der Individuen, die an einem Tag die Futterstelle nutzen. Demnach erweitern die Individuen im Winter ihre Aktionsräume, vermutlich aufgrund des erhöhten Nahrungsbedarfs. Dadurch begegnen sich mehr Individuen bei der Nahrungssuche und bilden größere Schwärme. Die individuelle Zusammensetzung der Schwärme verändert sich dabei ständig. Es gibt keine Gruppen fester Zusammensetzung, die auch nur tage- oder stundenweise zusammen blieben. Während die Neigung der Individuen, sich anderen Meisen anzuschließen, im Winter sehr stark ist, spielen individuelle Bindungen für die Schwarmbildung offensichtlich keine Rolle. Dieser offenen Struktur der Schwärme entsprechend, wurde bei der Kohlmeise, die den größten Anteil an den gemischten Schwärmen hatte, nur eine schwach entwickelte, nicht strikt lineare Rangordnung gefunden. Lediglich das Männchen, in dessen Brutrevier die Futterstelle lag, war allen anderen Individuen eindeutig überlegen. Territorialität beeinflußte bei Männchen und Weibchen die Aggressivität. Männchen sind aggressiver als Weibchen, jedoch nicht immer dominanter, das Alter spielt für die Dominanz keine Rolle. Männchen sind um so dominanter, je schwerer sie sind. Männchen, die bis Ende Juli im Gebiet eintreffen oder im Vorjahr schon ansässig waren, sind dominanter als Männchen, die erst ab Oktober eintreffen. Bei jungen Männchen wird die Dominanz hauptsächlich von der Aggressivität bestimmt. Die einzige nachweisbare individuelle Bindung bei Kohlmeisen in Winterschwärmen ist die Paarbindung, die im Gegensatz zu bisherigen Vermutungen bereits ab Oktober besteht. Die Wahl von Freßkumpanen ist dennoch nicht völlig beliebig. Männchen meiden einander, und Weibchen ziehen andere Weibchen als Freßkumpaninnen vor, weil sie von Männchen vom Futter verdrängt werden könnten. Bei einander bereits bekannten Brutvögeln ist dies jedoch nicht festzustellen. Männchen, die sich gegenseitig einschätzen können, meiden einander nicht grundsätzlich. Auch verpaarte Weibchen meiden bekannte Männchen nicht. Sie profitieren vielleicht auch vom Status ihres Männchens. Sowohl die schwach ausgeprägte Rangordnung als auch das Fehlen individuell aneinander gebundener Gruppen bei Kohlmeisen widerspricht der einzigen systematischen Freilanduntersuchung zur Sozialstruktur der Kohlmeise, die in einer Population der japanischen Unterart P. m. minor feste Gruppen konstanter Zusammensetzung fand. Ein selektiver Vorteil von Gruppen konstanter Zusammensetzung ist nicht zu erkennen, da keine gemeinsamen Territorien verteidigt werden und sich Individuen verschiedener Gruppen frei mischen. Die zwischenartliche Dominanzstruktur in den gemischten Schwärmen war eindeutig. Kleiber, die sich einzeln oder paarweise Meisenschwärmen anschließen, dominieren alle Meisenarten, Kohlmeisen dominieren Blau- und Sumpfmeisen. Letztere sind allen anderen Arten unterlegen. Dementsprechend bevorzugen Sumpf- und Blaumeisen Artgenossen als Freßkumpane. Kohlmeisen ziehen jedoch die schwächeren Blaumeisen ihren eigenen Artgenossen vor. Dominante Arten profitieren von der gemeinsamen Nahrungssuche mit untergeordneten Arten, weil sich die Nahrungskonkurrenz, die mit der Schwarmbildung immer verbunden ist, auf sie weniger negativ auswirkt. Als schwächste Art bleiben die Sumpfmeisen innerhalb gemischter Schwärmen meist deutlich unter sich und mischen sich nur im Winter stärker mit anderen Arten. Durch den erhöhten Nahrungsbedarf und die stark herabgesetzte Aggressivität der Individuen in dieser Zeit übersteigt dann der Vorteil großer Schwärme für die Nahrungssuche den Nachteil der Konkurrenz auch für unterlegene Individuen.
Membrane proteins (MPs) constitute about 30% of the genome and are essential in many cellular processes. In particular structural characterisation of MPs is challenged by their hydrophobic nature resulting in expression difficulties and structural instability upon extraction from the membrane. Despite these challenges, progress in sample preparation and the techniques to solve MP structures has led to 281 unique MP structures as of January 2011. Through the combination of a cell-free expression system and selective labelling strategies, this thesis aimed to advance the structure determination of α-helical MPs by NMR spectroscopy and resulted in the structure determination of a seven-ransmembrane-helix protein. Results were obtained for the 5-lipoxygenase-activating protein (FLAP) and proteorhodopsin (PR). The detergent-based cell-free expression mode proved most efficient for production of both targets, but optimisation of FLAP and PR followed different routes. The presence of a retinal cofactor in PR greatly facilitated the search for an appropriate hydrophobic environment. For structural studies, NMR spectra of FLAP indicated favourable properties of the lysolipid LPPG. In contrast, PR was stable and homogenous in the short-chain lipid diC7PC. As NMR spectra of α-helical MPs are generally characterised by broad lines and signal overlap, selective labelling strategies were essential in the assignment process of both targets. For the backbone assignment of FLAP the transmembrane segment-enhanced (TMS) labelling was developed, employing the six amino acids AFGILV. These residues cluster predominantly in transmembrane helices and form long stretches allowing a large extent of backbone assignment. Besides that, the combinatorial labelling enables identification of unique pairs in the sequence based on a mixture of 15N and 1-13C-labelled amino acids. To find the optimal labelling pattern for a given primary structure, the UPLABEL algorithm has been made available and successfully applied in the backbone assignment of PR. Both selective labelling approaches greatly benefitted from the use of a cell-free expression system to reduce isotope scrambling. Additionally, the de novo structure of PR was determined with an average backbone rmsd of 1.2 Å based on TALOS-derived backbone torsion angles, intrahelical hydrogen bond restraints and distance restraints from the NOE and paramagnetic relaxation enhancement (PRE). A major bottleneck in the NMR structure determination of MPs concerns the number of long-range distances which are often limited. In PR, side chain assignment was enabled by stereo-array isotope labelling as well as selective labelling which provided 33 long-range NOEs. These NOEs stabilised the symmetry of the seven helix bundle. With a total number of 1031, the majority of long-range distances were derived from PREs. The structure of PR reveals differences to its homologues such as the absence of an anti-parallel β-sheet between helices B and C and allows conclusions towards the mechanism of colour tuning.
Respiration is one of the key processes of energy transduction used by the cell. It consists of two components: electron transfer and ATP production. The electron transfer chain converts the energy released from several biochemical redox reactions into an electrochemical proton gradient across membranes. This stored energy is used as the driving force for the production of ATP by the ATP synthase. The mitochondrial electron transfer chain contains four major protein complexes called complexes I-IV, with counting starting at the lower side of the redox potentials. It has been discussed for a long time how these protein complexes are organized in the membranes. Do they diffuse freely in the membrane? Alternatively, do they form a supercomplex built up of several neighboring complexes? The evidence supporting the free diffusion mode is that both electron transfer intermediates (cytochrome c and quinone) behave as “pool”. However, respiratory supercomplexes have been detected in membranes from bacteria, fungi, yeast, plant and animal during the last decade, and sometimes the respiratory complexes are only stable inside a supercomplex. Therefore, the idea of supercomplex formation has become more popular. The argument that the supercomplex arises from solubilization and is a detergent artifact could be rejected because: 1) supercomplexes can be isolated from many organisms in an active form; 2) supercomplexes have been proven to stabilize the individual complexes in some cases; 3) supercomplexes can be very stable after chromatographic isolation in some cases....
Employing NMR spectroscopy, it is not only possible to calculate the three dimensional structures of single proteins, but also to study dynamics and conformational changes of protein-complexes. In fact that is an important aspect, since the protein function depends on dynamics and interactions with other molecules. Therefore the study of protein-protein interactions is of highest importance for a better understanding of biological processes. Based on NMR methods, in this thesis we were able to determine protein-protein interactions within the enterobacterial Rcs signalling complex which is regulated via a phosphorelay. Originally identified as regulator of capsule synthesis, the Rcs phosphorelay is now considered to be implicated in stress response caused by disturbances in the peptidoglycan layer. Beyond that the Rcs system is involved in multiplex transcriptional networks including cell division, motility, biofilm formation and virulence. Because of such global nature and its extraordinary structural organisation involving membrane integrated sensor proteins (RcsC, RcsD), coactivators (RcsF, RcsA) and a transcription factor (RcsB), the Rcs system is one of the most remarkable phosphorelays in the family of enterobacteriacaea. During the complex phosphotransfer the histidine phosphotransferase (HPt) domain of the intermediary RcsD protein mediates the phosphotransfer between RcsC and RcsB, and probably modulates the phosphorylation state of the response regulator RcsB. Therefore the present work has been focused on the interface between RcsD and RcsB in more detail. In the first part of the thesis a new domain within the RcsD protein has been identified and structurally analysed by liquid NMR spectroscopy. RcsD is an inner membrane bound hybrid sensor like-kinase composed of a periplasmic sensor domain and a cytoplasmic portion. The cytoplasmic part contains the histidine like-kinase (HK) domain and the histidine phosphotransferase (HPt) domain. By analysis of the secondary structure in more detail, it was shown here that the two domains are intermitted by an additional 13.3 kDa domain. Corresponding to the position of the ABL (α−β−loop) domain of RcsC, located C-terminal to the RcsC-HK domain, the new identified domain was named RcsD-ABL. The central structural element of RcsD-ABL is a β-sheet composed of six strands with a β1−β2−β3−β4−β6−β5 topology and surrounded by two α-helices α1 and α2. In the second part of the thesis, RcsD-ABL is identified as a binding domain for the response regulator RcsB by NMR titration experiments. Such a binding domain for a response regulator has so far only been described for the histidine kinase CheA. In reportergene assays with β-galactosidase and ONPG as substrate it was shown that overexpression of RcsD-ABL in high amounts inhibited binding of RcsB to its target promoter. The β-galactosidase activity was reduced by 80 % with respect to cells carrying no plasmid encoding RcsD-ABL. The mapping of the binding interface was successfully achieved by chemical shift perturbations, a fast mapping protocol and selective labelling. It was shown that the interaction between RcsD-ABL and RcsB takes place via a binding interface comprising mainly the two α-helices of RcsD-ABL and the α-helices α7, α8 and α10 in the effector domain of RcsB. In the third part of the thesis, the interaction of RcsB with RcsD-ABL was related to that with RcsD-HPt. Using NMR titration experiments and ITC measurements, a comparison of the binding constants (Kd) of RcsB interacting either with the isolated RcsD-ABL (2 PM) or the isolated RcsDHPt domain (40 PM) revealed a higher affinity of RcsD-ABL to RcsB. A conjugate of RcsD-ABL-HPt interacting with RcsB decreased the Kd in the one-site fitting mode to 10 PM. However, the two-site fitting mode applied for RcsD-ABL-HPt/RcsB interaction resulted in a Kd (RcsD-ABL) of 2 PM and a Kd (RcsD-HPt) of 8 PM, indicating that RcsD-ABL enhances the binding of RcsD-HPt to RcsB. In the last part of the thesis, it was partly possible together with the data obtained from NMR titration experiments, PRE measurements and a HADDOCK protocol to develop a geometrical model for the interaction of RcsD with RcsB. In this model the receiver domain of RcsB interacts with the RcsD-HPt domain and the RcsB effector domain interacts with the RcsD-ABL domain. These results lead to surprising insights on the regulation of phosphorelays, since normally the effector domain binds to DNA. Here the effector domain is recognized by the newly identified RcsD-ABL domain. Prospectively, further investigations of phosphorylation affects and mutational studies will be of great interest.
Sodium proton antiporters are ubiquitous membrane proteins found in the cytoplasmic and organelle membranes of cells of many different origins, including plants, animals and microorganisms. They are involved in cell energetics, and play primary roles in the homeostasis of intracellular pH, cellular Na+ content and cell volume. Adaptation to high salinity and/or extreme pH in plants and bacteria or in human heart muscles requires the action of such Na+/H+ antiporters. NhaA is the essential Na+/H+ antiporter for pH and Na+ homeostasis (at alkaline pH) in Escherichia coli and many other enterobacteria. NhaA is an electrogenic Na+/H+ antiporter that exchanges 2H+ for 1Na+ (or Li+). NhaA shares with many other prokaryotic and eukaryotic antiporters a very strong dependence on pH. In order to achieve three-dimensional structure of NhaA, the previously described NhaA protein preparation was modified: (i) the wild type bacterial strain (TA16) used for homologous over-expression of NhaA was replaced with a delta nhaA strain (RK20). As a result, the purity and homogeneity of the sample was significantly improved; (ii) the previously two-step purification procedure was shortened to a single step affinity chromatography purification; (iii) a wide-range screening of crystallisation conditions, more than 20,000, was performed; (iv) a Seleno-L-methionine (SeMet) NhaA derivative was produced in order to solve the phases during structure determination. In parallel, attempts of production and crystallisation of co-complexes composed of NhaA and antibody fragments have been made. Four different monoclonal antibodies were available against NhaA. Selected antibody fragments were produced and the stability of the complex analysed. Here, the crystal structure of the pH down-regulated secondary transporter NhaA of Escherichia coli is presented at 3.45 Å resolution. A negatively charged ion funnel opens to the cytoplasm and ends in the middle of the membrane at the putative ion-binding site. There, a unique assembly of two pairs of short helices connected by crossed, extended chains creates a balanced electrostatic environment. A possible mechanism is proposed: the binding of charged substrates causes electric imbalance inducing movements, which allow for a rapid alternating access mechanism. This ion exchange machinery is regulated by a conformational change elicited by a pH signal perceived at the cytoplasmic funnel entry. The structure represents a novel fold that provides two major insights: it reveals the structural basis for the mechanism of Na+/H+ exchange and its unique regulation by pH in NhaA and in many other similar antiporters. Furthermore, it is also important for the understanding of the architecture of membrane proteins in general. However, although many aspects of the ion-translocation mechanism and pH regulation are clarified by the NhaA structure, higher resolution structures with Li+ or Na+ bound are required for understanding the ligand binding and the translocation mechanism at the atomic level. The alkaline pH-induced conformation is essential to further understand the pH-control and proton access to the binding site.
In dieser Arbeit wurden die physiologische Funktion innerhalb der Ribosomenbiogenese und die physikalischen Interaktionen des nukleolären, essentiellen Proteins Nep1p in der Hefe Saccharomyces cerevisiae untersucht. Durch Hefe-Zwei-Hybrid-Experimente und biochemische Analysen konnte eine Homodimerisierung des Proteins festgestellt sowie eine strukturabgeleitete Dimerisierungsmutante identifiziert werden. Ebenfalls aus der Struktur des Nep1p-Homologs aus Methanocaldococcus jannaschii konnte eine Nop14p-Bindungsregion auf der der Dimerkontaktfläche abgewandten Seite des Hefeproteins vorhergesagt und nach in vitro-Mutagenese bestätigt werden. Innerhalb des Nop14-Proteins wurden zwei Domänen charakterisiert, die im Zwei-Hybrid-System mit Nep1p interagieren. Aus Strukturdaten in Kombination mit Hefe-Drei-Hybrid-Experimenten konnte die RNA-Bindungsregion an der Dimerkontaktfläche des Nep1-Proteins lokalisiert werden. In Drei-Hybrid-Selektionen wurden RNA-Sequenzen mit hoher Affinität zu dem M. jannaschii Nep1p identifiziert, die auf eine Bindung des Proteins bei Helix 35 der 16S rRNA schließen lassen. Aufgrund der hohen Konservierung dieser rRNA-Region ist eine Bindung des Hefeproteins an die 18S rRNA-Schleife von Nukleotid 1189-1196 sehr wahrscheinlich. Da Nep1p eine große Ähnlichkeit zu Proteinen der SPOUTFamilie von Methyltransferasen aufweist, war von einer rRNA-Methylierung im Verlauf der Ribosomenbiogenese als katalytische Funktion des Proteins auszugehen. Aus verschiedenen Drei-Hybrid-Experimenten zur RNA-Bindungungsspezifität ergab sich als mögliche Reaktion die N1-Methylierung des Nukleotids 1-Methyl-3-(3-Amino-3-Carboxypropyl)-Pseudouridin (m1acp3Y) 1191 der 18S rRNA. Durch eine spezifische radioaktive Markierung der acp-Gruppe konnte gezeigt werden, dass Nep1p keinen Einfluss auf die spätere Aminocarboxypropylmodifizierung hat. Diese findet auch bei einer Deletion der snoRNA35 statt, also auch an einem Uridin, und ist unabhängig von dem cytoplasmatischen Protein Tma20p. In RP-HPLC-Experimenten konnte nachgewiesen werden, dass die 18S rRNA einer Dnep1Dnop6-Doppelmutante ein Aminocarboxypropyl-modifiziertes Nukleosid enthält, dass sich in seinem Retensionsverhalten von dem m1acp3Y eines Wildtyps unterscheidet. Bei dem in diesem Stamm detektierten acp-modifizierten Nukleosid handelt es sich vermutlich um ein nicht-methyliertes acpY, was eine Funktion von Nep1p als N1-Methyltransferase des Nukleotids Y1191 der 18S rRNA höchst wahrscheinlich macht. Diese katalytische Funktion konnte in Zusammenarbeit mit Prof. Wöhnert auch für das M. jannaschii Nep1p gezeigt werden. Dass sowohl eine snr35- Deletion als auch eine 18S rRNA-Mutation des Nukleotids 1191 nicht letal sind, machte deutlich, dass die N1-Methylierung nicht die essentielle Funktion von Nep1p darstellen kann. Weiterhin konnte nachgewiesen werden, dass die Suppression der nep1-1ts-Mutante durch S-Adenosylmethionin nicht auf der Unterstützung der Methyltransferase-Aktivität des Proteins, sondern vermutlich eher auf einer generellen Stabilisierung des temperatursensitiven Proteins beruht. Sowohl im Hefe-Nep1p als auch im humanen Homolog wurden durch biochemische und genetische Experimente mehrere Phänotypen der Bowen-Conradi-Mutation (Aspartat 90 zu Glycin in ScNep1p) nachgewiesen. Diese lassen auf eine Aggregation des mutierten Proteins sowie eine dadurch bedingte Fehllokalisation innerhalb der Zelle schließen. Zusätzlich ist aber auch ein RNA-Bindungsdefekt durch den Aminosäureaustausch wahrscheinlich. Nichtsdestotrotz liegt offensichtlich ausreichend Nep1p-Protein vor, dass seine essentielle Funktion erfüllen kann, da die Mutation selbst zu keinem Wachstumsphänotyp führt. Erst bei einer partiellen Translationsrepression des mutierten Proteins unter Verwendung des artifiziellen Tetrazyklin-Aptamer-Systems ist ein verlangsamtes Wachstum von Hefezellen zu beobachten, was dieses System geeignet zur Analyse von möglichen Therapeutika macht.
Struktur-Funktionsbeziehungen des Verpackungschaperons Gsf2 in der Hefe Saccharomyces cerevisiae
(2007)
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Funktion des in der Membran des Endoplasmatischen Retikulum lokalisierten Proteins Gsf2 der Hefe Saccharomyces cerevisiae näher charakterisiert. Gsf2 ist ein 46 kDa großes ER-Transmembranprotein mit zwei membrandurchspannenden Domänen, wobei C- und N-Terminus cytosolisch orientiert sind. Zudem besitzt Gsf2 C-terminal ein klassisches Dilysin-Motiv. Eine Deletion des GSF2-Gens resultiert in einer Retention der Hexosetransporter Hxt1, Hxt3 und Gal2 im ER, so dass es sich bei Gsf2 möglicherweise um ein Hexosetransporterspezifisches Verpackungschaperon handelt.
Um Sequenzbereiche zu determinieren, die für die Funktion des Verpackungschaperons bezüglich der Reifung und des ER-Transportes von Hxt1 notwendig sind, wurden verkürzte Versionen des Gsf2-Proteins hergestellt. Die funktionelle Analyse zahlreicher verkürzter Versionen ergab die Lokalisation eines essentiellen Sequenzbereiches in den hinteren 40 Aminosäuren der carboxyterminalen Domäne des Gsf2-Proteins.
Vorläufige genetische und biochemische Untersuchungen hatten ergeben, dass Gsf2 mit Komponenten der Ribosomen, des Sec61-Translokationsapparates und mit Proteinen der COPII-Vesikel interagiert.
Mit Hilfe des Split-Ubiquitin Systems konnte in der vorliegenden Arbeit eine direkte Interaktion zwischen Gsf2 und dem Sec61-Translokations-Komplex und den Komponenten des sekretorischen Weges Sec12 und Sar1 bestimmt werden. Sec12 ist ein Sar1-spezifischer Guanin-Nucleotid-Austausch-Faktor, der für die Aktivierung von Sar1 benötigt wird. Sar1 ist ein kleines G-Protein, welches für die Initiation der COPII-Vesikelbildung benötigt wird. Sar1 ist aber auch für die Erkennung di-basische ER-Exportsignale spezifischer Cargo-Proteine zuständig. Diese Interaktion weist daraufhin, dass Gsf2 über solch ein Motiv verfügt und somit die Verpackung von Hxt1 in COPII-Vesikel gewährleisten könnte.
Postuliert wird ein Modell, wonach Gsf2 bereits eine wichtige Funktion bei der Translokation des Hexosetransporter Hxt1 in die ER-Membran übernimmt. Dabei interagiert Gsf2 mit dem Sec61-Translokon, um den Reifungsprozess der naszierenden Polypeptidkette des Metabolittransporters zu ermöglichen. Anschließend rekrutiert Gsf2 das gefaltete Proteine an Exit-Sites des Endoplasmatischen Retikulums. Es interagiert dort mit Sec12 und Sar1, so dass Gsf2 zusammen mit dem Hexosetransporter in die COPII-Vesikel verpackt und zum Golgi-Apparat transportiert wird. Aufgrund des ERRetentionssignals wird Gsf2 über COPI-Vesikel recycelt.
Dieses Modell impliziert, dass Hxt1 über kein ER-Exportsignal verfügt und daher Gsf2 als guide eine ausschlaggebende Funktion bei dessen Translokation übernimmt.
Strukturelle Organisation und Mobilisierung des Primaten-spezifischen Non-LTR-Retrotransposons SVA
(2011)
SVA-Elemente repraesentieren die juengste Familie der Non-LTR-Retrotransposons,
welche das humane Genom fortwaehrend modifizieren. SVA-Elemente zeichnen sich
durch ihre Organisation aus zusammengesetzten repetitiven Elementen aus. Um
Rueckschluesse auf den Assemblierungsprozess, der zur gegenwaertigen Organisation der
SVA-Elemente fuehrte, und ueber transkriptionelle Regulation dieser Elemente zu ziehen,
wurden Unterschiede in der Struktur der 116 SVA-Elemente, die auf humanem
Chromosom 19 lokalisiert sind, detailliert untersucht.
SVA-Elemente konnten in sieben unterschiedliche Strukturvarianten eingeteilt werden,
einschliesslich neuer Varianten wie SVA2, 3`-verkuerzte Elemente und Elemente mit 5`-
flankierenden Transduktionen. Ich habe auch eine extrem erfolgreiche human-spezifische
5`-Transduktionsgruppe identifiziert, SVA_F1, die trotz ihres jungen evolutionaeren Alters
ca. 32% aller Mitglieder der SVA-Subfamilie SVA_F umfasst. Die transkriptionelle
Kontrolle einer retrotransponierten und 5`-verkuerzten SVA_F-Kopie durch den Promotor
des MAST2-Gens diente als urspruengliches Source-Element dieser umfangreichen 5`-
Transduktionsgruppe, die mindestens 84 Elemente einschliesst. Die zusaetzlichen 5`-
sowie 3`-Transduktionsereignisse der vollstaendigen Alu-Sequenzen bei Mitgliedern der
SVA_F1-Transduktionsgruppe 4 weisen auf ihre wichtige Rolle in der erfolgreichen
Expansion im humanen Genom hin. Diese nachtraeglich erworbenen Alu-Sequenzen
machen SVA_F1-Familienmitglieder offensichtlich zum besseren Substrat fuer die Trans-
Mobilisierung durch die L1-Proteinmaschinerie. Die unterschiedlichen konsekutiven 5`-
Tansduktionsereignisse der SVA_F1-Familienmitglieder deuten auf transkriptionelle
Kontrolle ihrer Source-Elemente durch eine Vielzahl externer zellulaerer Promotoren hin,
die im Laufe der Evolution in Keimzellen aktiv waren. Ausserdem zeigt die Existenz von
5`-Transduktionen, dass SVA-Elemente sich die 5`-flankierenden Sequenzen aneignen
koennen. Die Daten zeigen auch, dass SVA-vermittelte 5-Tansduktionsereignisse
alternatives RNA-Spleissen an putativen Spleissstellen involvieren. Aus der EST-
Datenbankanalyse ist ersichtlich, dass Mitglieder der SVA_F1-Subfamilie auch
gegenwaertig transkribiert werden.
SVA-Elemente sind hoch aktiv im humanen Genom, aber der Mechanismus ihrer
Retrotransposition wurde bislang nicht aufgeklaert. Vorangehende Analysen genomischer
SVA-Kopien liessen auf eine L1-vermittelte Mobilisierung schliessen; allerdings wurde
der experimentelle Beweis dieser Hypothese bislang nicht geliefert. Mit Hilfe der
Zellkultur-basierten Trans-Mobilisierungsassays wurde in dieser Arbeit zum ersten Mal
experimentell bewiesen, dass SVA-Elemente tatsaechlich durch die L1-kodierten Proteine
in trans mobilisiert werden. Zu diesem Zweck wurden HeLa-Zellen mit einem
vollstaendigen oder mit einem 5`-verkuerzten SVA-Retrotranspositionsreporterkonstrukt
sowie mit einem L1-Expressionsplasmid bzw. Leervektor kotransfiziert und dann die
jeweiligen Raten der SVA-Retrotransposition anhand Neo-resistenter Kolonien, die
mindestens ein de novo-Retrotranspositionsereignis widerspiegeln, bestimmt. Die
Experimente zeigen, dass die Entstehung der Neo-resistenten Kolonien von der
Koexpression L1-kodierter Proteine abhaengig ist. Ich konnte auch zeigen, dass das
vollstaendige SVA-Testkonstrukt - im Gegensatz zum 5`-verkuerzten SVA-Konstrukt -
mit einer signifikant hoeheren Retrotranspositionsrate als die Kontrollkonstrukte, die zur
Generierung der prozessierten Pseudogenformation eingesetzt wurden, trans-mobilisiert
wird. Die Ergebnisse der Trans-Mobilisierungsassays belegen, dass SVA-Elemente ein
bevorzugtes Substrat fuer die L1-Proteinmaschinerie darstellen, und ihre 5`-Region
einschliesslich der Alu-homologen Sequenz fuer die hohe Retrotranspositionsrate essentiell
ist. Die elf analysierten SVA de novo-Integrationsereignisse weisen Merkmale der L1-
vermittelten Retrotransposition auf, wie Poly(A)-Enden, L1-EN-spezifische Konsensus-
Zielsequenz (NNAUNA), Zielsequenz-Verdoppelungen (TSDs), Mikrohomologien und
zusaetzliche Guanosin-Nukleotide am 5`-UEbergang.
Zusammenfassend demonstrieren die Ergebnisse dieser Studien, dass ein signifikanter Teil
der Mitglieder der human-spezifischen SVA-Subfamilie aus transkriptioneller Kontrolle
ihrer Source-Elemente durch externe Promotoren hervorgeht. Durch die in dieser Arbeit
durchgefuehrten in silico-Analysen wurde auch gezeigt, dass SVA-vermittelte 5`-
Transduktionsereignisse zur strukturellen Vielfalt der SVA-Elemente fuehren, und eine
neue Art von genomischen Umstrukturierungen darstellen, die zur Plastizitaet des
humanen Genoms beitragen. Ausserdem bestaetigen die Ergebnisse der Trans-
Mobilisierungsassays die Hypothese, dass SVA-Elemente tatsaechlich durch die L1-
kodierte Proteinmaschinerie trans-mobilisiert werden. Dabei sind Module am 5`-Ende der
SVA-Elemente fuer diesen Prozess hoechst relevant.
Die Ergebnisse der Dualen-Luciferase-Reportergen-Assays unterstuetzen die Hypothese,
dass innerhalb der SINE-R-Sequenz von SVA H19_27 cis-aktive Elemente vorhanden
sind, die auf aehnliche Weise wie die cis-aktiven Elemente innerhalb der 5`LTR von
HERV-K reguliert werden.
Ausserdem wurde in dieser Arbeit die Existenz interner reguatorischer Sequenzen
innerhalb der SVA-Sequenz bestaetigt. Mit Hilfe der Dualen-Luciferase-Reportergen-
Assays konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass SVA-Elemente cis-aktive Elemente
enthalten, die hauptsaechlich in der SINE-R-Region lokalisiert sind. Diese cis-aktiven
Elemente werden auf aehnliche Weise wie die cis-aktiven Elemente innerhalb der 5`LTR
von HERV-K reguliert. Die starke transkriptionelle Aktivitaet des vollstaendigen SVA-
Testelements und des L1RP-Promotors in den Teratokarzinom-Zelllinien bekraeftigen die
Annahme, dass haeufige SVA-Mobilisierung in Keimzellen durch die gleichzeitig
hochregulierte SVA- und L1-Transkription bedingt sein koennte.
Es konnte gezeigt werden, dass SVA-Elemente cis-aktive Elemente enthalten, die
hauptsaechlich in der SINE-R-Region lokalisiert sind, und auf aehnliche Weise wie die cis-
aktiven Elemente innerhalb der 5`LTR von HERV-K reguliert werden. Die starke
transkriptionelle Aktivitaet des vollstaendigen SVA-Testelements und des L1RP-Promotors
in Teratokarzinom-Zelllinien bestaetigen die Annahme, dass haeufige SVA-
Retrotransposition in Keimzellen durch die gleichzeitig hochregulierte SVA- und L1-
Transkription bedingt sein koennte.
Die Atmungskette in der inneren Membran der Mitochondrien besteht aus fünf großen Enzymkomplexen. Die NADH-Dehydrogenase (I), Succinat-Dehydrogenase (II, indirekt), Cytochrom c-Reduktase (III) und Cytochrom c-Oxidase (IV) nutzen die Energie aus Elektronentransfers zum Aufbau eines Protonengradienten über die innere Mitochondrienmembran. Dieser wird anschließend von der FOF1-ATP-Synthase (V) als Energiequelle zur Phospho-rylierung von ADP verwendet. Für lange Zeit bestand eine Kontroverse, wie diese Proteine in der Membran organisiert sind. Nach dem „random collision“-Modell diffundieren sie frei als Einzelmoleküle und treffen sich nur zufällig, während sie nach dem „solid state“-Modell größere funktionelle Einheiten bilden. In den letzten Jahren gab es vermehrt Hinweise darauf, dass das letztere Modell das zutreffendere ist, da tatsächlich sogenannte Superkomplexe der Atmungskette in aktiver Form isoliert werden konnten. Schließlich konnte 2007 die erste drei-dimensionale Rekonstruktion eines Superkomplexes, bestehend aus Komplex I, dimerem Komplex III und Komplex IV publiziert werden. Aufgrund der Einschränkungen der verwendeten Negativkontrasttechnik hatte dieses Modell allerdings nur eine niedrige Auflösung und repräsentierte durch die Dehydrierung keinen nativen Zustand. Dadurch ließen sich die Strukturen der einzelnen Komplexe nur ungenau einpassen. Um diese Probleme zu umgehen, sollte eine Struktur unter Kryo-Bedingungen rekonstruiert werden. Um die für Kryo-EM benötigte größere Ausbeute und höhere Konzentration zu erzielen, wurde ein neues Reinigungsprotokoll für die Superkomplexe etabliert. Die wesentlichen Punkte darin sind der Austausch des für die Solubilisierung verwendeten Digitonins durch Amphipol A8-35 mittels ?-Cyclodextrin und eine anschließende Dichtegradienten-Ultrazentrifugation. Im BN-PAGE zeigten die auf diese Art gereinigten Superkomplexe das gleiche Banden- und Aktivitätsmuster wie Proben in Digitonin. Auch bei einer Einzelpartikelanalyse nach Negativ-kontrastfärbung konnten keine Unterschiede festgestellt werden und die Partikel zeigten ähnliche Orientierungen wie in der vorherigen Studie. Einige neue Ansichten ließen sich jedoch nicht zuordnen und stellten eventuell eine Verunreinigung mit größeren Superkomplexen dar. Da auch bei der Reinigung mit Amphipol die Proteinkonzentration letztlich nicht wesentlich erhöht werden konnte und sich die Superkomplexe nicht wie für Kryo-EM erforderlich in einen löchrigen Kohlefilm einlagerten, wurden die Proteine auf einem durchgehenden Kohlefilm in einer dünnen Pufferschicht vitrifiziert. Die dabei zu beobachtenden bevorzugten Orientierungen, sollten auch die Unterscheidung von verschiedenen Populationen von Superkomplexen erleichtern. Eine erste 3D-Rekonstruktion wurde mit Hilfe der „random conical tilt“-Methode errechnet. Dieses Modell wurde durch „projection matching“ bis zu einer Auflösung von 19 Å verfeinert, womit die Auflösung fast doppelt so hoch ist, wie bei der Rekonstruktion aus Negativ-kontrastfärbung (36 Å). Die Struktur repräsentiert einen natürlichen Zustand des Proteins und zeigt Details wie einzelne Domänen, Spalten zwischen Domänen und eine starke Krümmung des Membranarms von Komplex I, die zuvor nicht erkenn-bar waren. Die Amphipole bilden einen Gürtel um den Transmembranbereich. Die Röntgenstrukturen von Komplex I, III2 und IV konnten mit großer Präzision in die Dichtekarte eingepasst werden. Die wenigen kleinen Unterschiede zwischen Röntgenstrukturen und EM-Dichtekarte sind auf leichte Konformations-änderungen zurückzuführen. Die Kryo-EM-Rekonstruktion ist erheblich größer als die Rekonstruktion aus Negativfärbung, wodurch die enthaltenen Komplexe nur noch wenige punktuelle Kontakte haben. In den Zwischenräumen könnte eine spezielle Lipidumgebung die kleinen Elektronenüberträger Ubichinon und Cytochrom c in den Superkomplex integrieren. Ihre Bindestellen sind jeweils zueinander orientiert und die geringen Abstände, die zum ersten Mal bestimmt werden konnten, stützen die Hypothese eines gerichteten Substrattransfers über kurze Entfernungen. Von den möglichen Übertragungswegen scheint der kürzere mit weniger Transferreaktionen bevorzugt zu werden. Während der Entwicklung des neuen Reinigungsprotokolls für die Superkomplexe konnte zusätzlich eine neue Methode zur Rekonstitution von Membranproteinen entwickelt werden. Die solubilisierten Proteine werden dabei in Dichtegradienten mit steigenden Konzentrationen von ansolubilisierten Liposomen und Cyclodextrin zentrifugiert, wodurch ihnen langsam das Detergens entzogen und durch Lipid ersetzt wird. Proteoliposomen werden gleichzeitig von überschüssigem Lipid und Cyclodextrin-Detergens-Komplexen getrennt.
In order to investigate the diversity of the western honeybee, Apis mellifera L., in West and Central Africa, a total of 204 colonies were sampled from 44 localities in four countries – Nigeria, Niger, Cameroon and Chad. 86 of these colonies, from 23 localities, were subjected to full morphometric analysis. In a principal component analysis (PCA) of the morphometric data, the colonies formed a single cluster. It also revealed that overall size of the body was the most important source of variation between the colonies. A hierarchical structure analysis, followed by a stepwise discriminant analysis, classified the colonies into three distinct morphoclusters; however, these clusters were not geographically demarcated. In another PCA carried out with the samples under investigation and reference samples of A. m. adansonii, A. m. jemenitica and A. m. scutellata, the colonies under investigation again formed one cluster which lying over and extended beyond the clusters of the reference subspecies. This is suggestive of a wider variation in size in the bees under investigation. In a stepwise DA, 94.2% of cross-validated grouped cases were correctly classified and the distances between group centroids were highly significant (p < 0.0005) according to F-statistic. 61 and 22 of the 83 colonies under investigation were assigned to A. m. jemenitica and A. m. adansonii, respectively. Mitochondrial DNA analysis was carried out on 148 colonies from 39 localities. Four mitochondrial haplotypes, previously reported from Africa and belonging to the African mitochondrial lineage, A, were detected: A1 (n = 62), A4 (n = 70), A4' (n = 15) and A14 (n = 1). The overall haplotype diversity was low (h = 0.478 ± S. E. 0.057). A chi-square test for association was conducted between haplotypes and type of vegetation, latitude, longitude, altitude, temperature and rainfall, severally. There was a statistically significant association between haplotype and each of the six variables and the association was strong with latitude, moderate with vegetation and rainfall and weak with the remaining variables. The neighbour-joining, maximum likelihood and maximum parsimony trees, obtained from sequence variation of the cytochrome b gene of mitochondrial DNA, showed that the samples, from the current study, unambiguously clustered with the reference sequences of A. m. scutellata from Kenya, but without showing further subdivision within this sub-Saharan cluster. 133 workers (one per colony) collected from 38 localities were subjected to microsatellite analysis. A total of 292 different alleles were recorded for the 15 microsatellite loci used. All microsatellite loci were polymorphic and the number of different alleles per locus ranged between 10, in locus At163, and 31, in locus A029. Heterozygosity (or gene diversity) was high in all loci. The unbiased expected heterozygosity, which is a better expression of gene diversity, was 0.861 ± S.E. 0.017. The overall FST value, which is a good estimate of genetic differentiation of populations, was very low: 0.007 ± S.E. 0.001 (0.001 - 0.014). AMOVA and Bayesian assignment showed no differentiation of the investigated populations. Based on morphometric analysis, the results of this study present the honeybees of western Africa as a single entity with an internal variation which lacks a geographical demarcation. Consequently the results do not support the splitting of the honeybees of the region into the two subspecies, A. m. adansonii and A. m. jemenitica, as reported in the literature. More morphometric, molecular, physiological and behavioural studies are required to confirm the taxonomic status of the honeybees of the region. Meanwhile, the use of A. m. adansonii, as the sole sub-specific name for the honeybees of West and Central Africa, is recommended.
Die Gattung Palaua gehört zur Tribus der Malveae (Malvaceae, Malvoideae). Sie umfasst fünfzehn einjährige oder ausdauernde krautige Arten, die für die Nebeloasen („Lomas“, „Desierto Florido“) der Küstenwüste Perus und Chiles endemisch sind. Abweichend von den meisten anderen Gattungen der Malveae besitzt Palaua (mit Ausnahme von P. sandemanii) unregelmäßig übereinander angeordnete Merikapien. Dieses Merkmal ist ansonsten nur von den beiden altweltlichen Gattungen Kitaibela und Malope bekannt, weshalb diese früher mit Palaua in der Tribus Malopeae vereint wurden. Palynologische, cytogenetische und molekulare Analysen zeigten jedoch, dass die Malopeae eine polyphyletische Gruppe bilden und dass die in Südamerika verbreiteten Gattungen Fuertesimalva und Urocarpidium die nächsten Verwandten von Palaua sind. Ebenso wie im Aufbau des Gynözeums unterscheidet sich Palaua auch durch das Fehlen eines Epicalyx vom Großteil der Malveae, einschließlich ihrer Schwestertaxa. Seit der Erstbeschreibung der Gattung durch Cavanilles im Jahr 1785 sind nur zwei detaillierte Bearbeitungen der Gattung Palaua veröffentlicht worden. Die umfassendste davon stammt von Ulbrich (1909). Auf der Grundlage der umfangreichen Aufsammlungen von August Weberbauer beschrieb er mehrere neue Arten in seinem Werk „Malvaceae austro-americanae imprimis andinae“, das er in nachfolgenden Jahren (1916, 1932) vervollständigte. Die zweite bedeutsame Bearbeitung ist die Revision der Gattung durch Macbride (1956) in der „Flora of Peru“. Seit den 50er Jahren des vorherigen Jahrhunderts kamen jedoch zahlreiche Aufsammlungen hinzu, insbesondere durch den peruanischen Botaniker Ramón A. Ferreyra (1912-2005), sowie durch Ernesto Günther (1870-?) zusammen mit Otto Buchtien (1859-1946), Gerd K. Müller (1929-) und Michael O. Dillon (1947-), so dass eine Neubearbeitung von Palaua erforderlich wurde. Darin bestand das Hauptziel der hier vorgestellten Dissertation. Für die Revision der Gattung wurden 618 Herbarbelege der wichtigsten Herbarien morphologisch untersucht. In den Jahren 2002 und 2003 wurden während mehrmonatiger Geländearbeiten in den Lomas-Standorten Perus und Chiles eigene botanische Aufsammlungen durchgeführt sowie Daten zur Verbreitung der Arten und ihrer Ökologie erfasst. Des Weiteren wurde aus dem mitgebrachten Samenmaterial eine mehrere Arten einschließende Lebendsammlung angelegt, mit deren Hilfe detaillierte Untersuchungen zur Blütenmorphologie und Karyologie realisiert werden konnten. Besonders schwierig gestaltete sich die Bearbeitung nomenklatorischer Fragestellungen, da viele der in Berlin (B) aufbewahrten Typusbelege von Weberbauer im Zweiten Weltkrieg zerstört wurden und somit eine Identifizierung vieler Arten problematisch war. Auch die Ermittlung des Typusbelegs der Gattung, den Cavanilles für seine Beschreibung vorliegen hatte, war mühsam. Neben dem Studium der Originalbelege und Protologe mussten auch die historischen Begebenheiten rekonstruiert und Reiseberichte zu den Aufsammlungen durchgesehen werden, um unter anderem den Holotypus der Gattung identifizieren zu können. Die eigenen taxonomischen Studien führten zur Festlegung von insgesamt 8 Lectotypen, 3 Epitypen and 2 Ikonotypen. Im Rahmen der morphologischen Untersuchungen wurden sämtliche taxonomisch relevanten Merkmale detailliert erfasst, einschließlich der verschiedenen Behaarungstypen. Neben den für die Malvaceen bekannten Sternhaaren, sind hier auch Drüsenhaare für Palaua beschrieben und charakterisiert worden. Die anatomischen Studien konzentrierten sich auf Blatt- und Samenmerkmale. Zusätzlich zu den morphologisch-anatomischen Studien wurden molekularsystematische Analysen durchgeführt. Zwei Methoden kamen dabei zur Anwendung: DNA-Sequenzierung und Amplified Fragment Length Polymorphism (AFLP). Letztere wurde eingesetzt, um insbesondere die Verwandtschaftsverhältnisse junger Taxa, die sich mit DNA-Sequenzdaten kaum auflösen lassen, zu rekonstruieren. In umfangreichen Versuchen stellte sich jedoch heraus, dass diese Methode keine reproduzierbaren Ergebnisse hervorbrachte, vermutlich bedingt durch den sehr hohen Polysaccharidgehalt der DNA-Template, wie es von Malvaceen her bekannt ist. Selbst die Erprobung zahlreicher Reinigungsschritte und –methoden ergab kein zufriedenstellendes Resultat. Für die phylogenetische Rekonstruktion wurden daher ausschließlich DNA-Daten verwendet, und zwar Kern-DNA (Internal Transcribed Spacer, ITS) und Plastiden-DNA (psbAtrnH Intergenic Spacer). Andere getestete Marker, wie z.B. die trnL-F-Region, wiesen zu wenig phylogenetisch informative Merkmale auf. Die morphologischen Analysen ergaben, dass Merkmale wie die Behaarung der Kelch- und Laubblätter, die Blattform und die Größe der Blüten besonders hilfreich für die Abgrenzung der Arten sind. Im Gegensatz zu anderen nah verwandten Gattungen ist die Form der Merikarpien in Palaua relativ uniform und daher als diakritisches Merkmal ungeeignet. Die Größe der Blüte nimmt in der Regel mit der Anzahl der Staubgefäße und Merikarpien zu. Die Palaua-Arten zeigen einige Anpassungen an ihren extrem trockenen Lebensraum. Die meisten Arten sind Annuelle und vollziehen eine rasche Entwicklung während der kurzen Zeit, in der ausreichend Feuchtigkeit verfügbar ist. Bei solchen Pflanzen findet man als Anpassung häufig eine Tendenz zur vermehrten Samenproduktion. In diesem Zusammenhang ließe sich auch die innerhalb des Verwandtschaftskreises ungewöhnliche Stellung der Merikarpien bei Palaua interpretieren, mit der es den Arten gelingt, mehr Samen als bei Arten mit einreihiger Merikarpienanordnung zu produzieren. Als weitere Anpassung findet man bei den ausdauernden Arten größtenteils eine sehr dichte Behaarung, wobei die Sternhaare mehrjähriger Arten wesentlich mehr Strahlen besitzen als die bei den einjährigen Arten. In der hier vorgestellten Revision der Gattung werden 15 Arten anerkannt: P. camanensis, P. dissecta, P. guentheri, P. inconspicua, P. malvifolia, P. modesta, P. mollendoensis, P. moschata, P. rhombifolia, P. sandemanii, P. tomentosa, P. trisepala, P. velutina, P. weberbaueri sowie die neu zu beschreibende P. spec. nov. Die morphologisch abweichende P. sandemanii wird aufgrund der molekularen Analysen ebenfalls zu Palaua gestellt. Die auch in der jüngeren Literatur meist als getrennte Arten aufgefassten P. concinna und P. moschata lassen sich nach Durchsicht des umfangreichen Materials nicht mehr als eigenständige Arten aufrechterhalten. Die vormals als chilenischer Endemit behandelte P. concinna wird hier in die Synonymie von P. moschata gestellt. Auch die peruanische P. micrantha var. hirsuta wurde in die Synonymie der zuvor rein chilenischen P. modesta verwiesen, was bedeutet, dass sich das Vorkommen von P. modesta nun auch auf Peru ausdehnt. Auf infraspezifischem Niveau wurden einige Varietäten und eine Form neu beschrieben, um die im Sammlungsmaterial vorhandene morphologische Variabilität besser zu gliedern. Das ist der Fall bei P. dissecta (2 Varietäten), P. tomentosa (1 Varietät), P. weberbaueri (1 Varietät) und P. mollendoensis (1 Form). Die neuen Taxa werden an anderer Stelle gültig publiziert. Die von Baker (1890) and Ulbrich (1909) gewählte infragenerische Klassifikation mit der Einteilung in die Sektionen Annuae (einjährige Arten) und Perennes (mehrjährige Arten) erweist sich als nicht haltbar. Weder die morphologischen noch die molekularen Daten bieten hierfür Unterstützung. Auch die von Hochreutiner (1956) vorgeschlagene Ausgliederung von P. trisepala als eigene Untergattung Rauhia, aufgrund des Vorkommens von lediglich drei statt fünf Kelchblättern, erscheint nicht sinnvoll. Abgesehen von ihrer reduzierten Kelchblattzahl (3 statt 5 Kelchblätter) ist diese Art morphologisch P. moschata und P. velutina sehr ähnlich. Die Aufstellung einer eigenen Untergattung würde die tatsächlichen Verwandtschaftsverhältnisse verwischen und vermutlich eine paraphyletische Einheit schaffen. Im Vergleich zur Anzahl der Kelchblätter sind Merkmale wie der Aufbau der Infloreszenzen, die Blütengröße und -farbe, sowie die Blattmorphologie (geteilte vs. ungeteilte Blätter) nützlicher für eine infragenerische Unterteilung. Die Form der Stipeln, die von Ulbrich (1909) für eine weitere Unterteilung seiner Sektionen verwendet wurde, ist weniger für eine infragenerische Gliederung als für die Abgrenzung mancher Arten geeignet. Formell wurde in der hiesigen Arbeit auf eine infragenerische Unterteilung verzichtet, da zunächst abgewartet werden soll, ob weiterführende molekularsystematische Untersuchungen nicht doch zu einer besseren Auflösung und auch Unterstützung der basalen Knoten der Palaua-Phylogenie führen. Andernfalls steht zu befürchten, dass wiederum künstliche Sippen geschaffen werden. Nichtsdestotrotz, sprechen die eigenen morphologischen und zum Teil auch die molekularen Daten für eine Gliederung der Gattung in drei taxonomische Einheiten (siehe unten). Die Ergebnisse der molekularen Analysen (kombinierte Analyse von ITS- und psbA-trnHSequenzen) ergaben drei mehr oder weniger gut gestützte Kladen innerhalb einer sehr gut gestützten monophyletischen Palaua. Interessanterweise bildeten die Arten P. inconspicua und P. modesta eine Klade (88% Jackknife-Unterstützung, JK), die die Schwestergruppe zu den restlichen Arten der Gattung darstellt. Beide Arten haben eine von der restlichen Gattung abweichende Blütenmorphologie (kleine Petalen, weniger Merikarpien) und die razemösen Infloreszenzen enthalten neben Einzelblüten in den Achseln der Trägblätter auch 2-4-blütige Teilinfloreszenzen, an denen die Blüten kein Tragblatt aufweisen. Die zweite Klade (JK 97%) beinhaltet die Arten des P. dissecta-Komplexes, dessen Arten sich durch tief geteilte Blätter und große, auffällig rosarot bis violett gefärbte Blüten mit zahlreichen Merikarpien auszeichnen. In der dritten Klade (JK 73%) bildet P. guentheri die Schwestergruppe zu den restlichen Arten. Die hier vereinten Arten sind durch den Besitz ungeteilter Blätter und meist großer, auffällig rosarot bis violett gefärbter Blüten mit zahlreichen Merikarpien gekennzeichnet. Eine Ausnahme bildet P. guentheri, die geteilte Blätter hat und von daher Übereinstimmungen mit den Arten um P. dissecta aufweist. Sie weicht jedoch von den Arten des P. dissecta-Komplexes aufgrund ihrer geringeren Blütengröße und der geringeren Merikarpienanzahl ab. Außerdem sind die Blätter meist stärker reduziert und weniger regelmäßig geteilt als jene. Allerdings bedarf die Stellung von P. guentheri innerhalb der Gattung noch einer eingehenderen Überprüfung mit zusätzlichen (molekularen) Daten, da die Unterstützung für diese Klade vergleichsweise moderat ausfällt. Interessanterweise schließt diese Klade auch die aberrante P. sandemanii ein. Eine phylogenetische Rekonstruktion der Karpellanordnung ergab, dass die einreihige Anordnung der Karpelle in P. sandemanii vermutlich sekundär in Palaua entstanden ist. Allerdings zeigten Hypothesentests (Templeton-Test, Shimodaira-Hasegawa-Test), dass die Datengrundlage nicht ausreichend robust ist, um auch die Alternativhypothese einer sekundären Entstehung der unregelmäßig übereinander angeordneten Karpelle, wie sie die restlichen Arten der Gattung kennzeichnen, zu verwerfen. Innerhalb der Integrifolia-Klade lassen sich außerdem zwei Gruppen von Arten morphologisch deutlich unterscheiden. Die erste Gruppe besteht aus den einjährigen P. malvifolia und P. rhombifolia, die sich durch ihr fast kahles Indumentum auszeichnen und in Nord- bis Zentral-Peru vorkommen. Die zweite Gruppe, gebildet von den ausdauernden P. moschata, P. trisepala und P. velutina, ist durch ein samtiges Indumentum gekennzeichnet. Während sich P. moschata über das gesamte Verbreitungsgebiet der Gattung erstreckt, kommen die anderen Arten nur in Südperu vor. Die Chromosomenzahl von Palaua ist ein wichtiges Merkmal und diente Bates (1968) für deren Zuordnung zur Sphaeralcea-Allianz. Bis dato sind Chromosomenzählungen nur für zwei Arten bekannt gewesen: P. rhombifolia und P. moschata (beide mit 2n = 10 Chromosomen). In dieser Arbeit wurden weitere Zählungen durchgeführt und es wurde bestätigt, dass es neben diploiden auch tetraploide Arten mit 2n = 20 Chromosomen gibt. Polyploidie scheint dabei auf die ausdauernden Arten beschränkt zu sein. In manchen Arten, insbesondere in denjenigen des P. dissecta-Komplexes und in P. tomentosa, findet man eine ausgeprägte phänotypische Variabilität, die die Abgrenzung derselben stark erschwert. Ohne die Ursachen abschließend klären zu können, erscheint diese Variabilität zumindest teilweise als Ergebnis von Hybridisierung, Introgression und Polyploidisierung zu sein. In Bezug auf die Biogeographie der Gattung, zeigt sich, dass 11 Palaua-Arten endemisch für Peru sind und 4 Arten auch in Chile vorkommen. Das Verbreitungszentrum von Palaua ist das Gebiet der Lomas im Süden Perus (Departments Arequipa, Moquegua, Tacna), in dem 12 der 15 Arten auftreten. Die Blütezeit der Palaua-Arten variiert von Jahr zu Jahr, abhängig davon, wie viel Nebelfeuchtigkeit in der südhemisphärischen Winter-/Frühlingszeit für die Pflanzen zur Verfügung steht. Die Entstehung der Nebel variiert außerdem von Norden nach Süden, so dass sich die Blühphasen entlang dieses Gradienten verschieben. So liegt die Blütezeit in Nordperu zwischen Juli und August, in Zentral-Peru zwischen August und September und in Südperu und Chile zwischen Oktober und November. Abweichungen von diesem Schema entstehen vor allem in El Niño-Jahren, in denen auch während des südhemisphärischen Sommers die Lomaspflanzen blühen. Die Lomasvegetation ist eine bedrohte Pflanzenformation, deren Artenvielfalt bisher aber nur in Form eines recht kleinen Naturreservats geschützt wird. Da sich viele Lomasstandorte in der Nähe von Siedlungen befinden, sind etliche der lokal nur begrenzt vorkommenden Arten in ihrem Bestand bedroht. Dies betrifft insbesondere P. rhombifolia und P. malvifolia, deren Verbreitungszentrum im Gebiet der Hauptstadt Lima liegt. Eigene Beobachtungen am Standort haben zudem bestätigt, dass einige Populationen dieser Arten durch von Käfern verursachter Herbivorie nahezu vollständig zerstört werden. Weitere Schutzmaßnahmen zum Erhalt der Palaua-Arten (wie auch der anderen Lomas-Arten) wären daher dringend geboten.
Protein translocation across the chloroplast membrane is mediated by molecular machinery composed of protein complexes termed the TOC/TIC (the outer/inner envelope chloroplasts translocases). This translocation process is regulated by metabolic energy in form of GTP and ATP and is influenced by the lipid composition of the membrane. The ability to study the function of a single complex “TOC” in vitro using purified protein or purified chloroplast outer envelope vesicles has been instrumental for our understanding of the mechanism underlying this process.
Indeed, the TOC complex has been purified by previously established procedures. However its functional and structural analyses are impaired by the limited yield of purified protein. Therefore, protocols for native TOC complex purification are described here. The complex isolation is achieved by direct biochemical treatment of biological membrane hosting this complex or by tandem affinity purification of modified protein complex components from generated transgenic plants.
Furthermore, in this thesis, radioactive based in vitro import assays are described, namely those that allow monitoring translocation activity across the outer envelope of chloroplast. Based on the analysis of knock-out plants and isolated complexes it was previously suggested that lipid dependence of protein translocation might exist. Thus, the question was raised whether the lipid composition of the membrane has a direct influence on the behavior and functionality of the TOC translocon, or whether additional components of the chloroplast membrane account for the observed effect in vivo. To answer this question, a technique for vesicle fusion was developed. The principal aim was to explore the effect of an exchange of the lipid environment surrounding the complex translocon. This method helped to demonstrate that the SQDG and PI act stimulatory on the translocation across the outer envelope of chloroplast, whereas DGDG exhibits an inhibitory effect on TOC complex functionality.
The documentation of life on Earth, that is, the inventorization of nature and the naming and classification of organisms found therein, is a major task for biologists today and a fundamental precondition for nature conservation efforts. This study aimed at contributing to the inventory of amphibians and reptiles in selected, previously understudied ecoregions of Bolivia. I strove to document diversity patterns and seek possible ecological and historical reasons for these patterns. Special attention was paid to the Chiquitano Region situated in the eastern lowlands of Bolivia in a climatic transition zone between the humid evergreen Amazon Forests and the deciduous thorn-scrub vegetation of the Gran Chaco. In congruence with its location in the transition zone, the Chiquitano Region displays a mosaic of habitats: The vegetation is dominated by the endemic Chiquitano Dry Forest, which is probably the largest extant patch of Seasonal Dry Tropical Forest, with enclaves of savanna, the western outliers of the Cerrado biome of central Brazil. Taxonomic revisions: The taxonomic data in this study are used as a tool to measure biodiversity, to assess biogeographic relationships, and to evaluate conservation needs. Since all is predicated on the taxonomic decisions made, an adequate taxonomy is essential, and taxonomy can be regarded as the foundation of this study. The methodology encompassed a variety of herpetological field techniques, such as different survey methods, preparation and documentation of voucher specimens, recording of frog calls, and herpetological laboratory techniques, such as morphology, molecular procedures with mtDNA, phylogenetic analyses, and bioacoustic analysis and descriptions of frog calls. A total of 1251 specimens belonging to 200 species were obtained during this study, including 87 amphibian and 123 reptile species. This constitutes about 36% of the herpetofauna currently known for Bolivia, about 34% of the amphibians currently known for Bolivia and about 40% of the reptiles, respectively. In the course of this study, a new species of frog was described from the study site Caparu in the eastern lowlands of Bolivia; this species, Hydrolaetare caparu Jansen, Gonzales & G. Köhler 2007, differs from the other two congeners in external morphology (e.g., lateral fringes and relative length of fingers, size of palmar tubercle, webbing of toes, and colouration) and advertisement call. Two new colubrid snake species were also described from the study site San Sebastián. Thus far, both are known only from the Chiquitano Region, Provincia Ñuflo de Chávez. Phalotris sansebastiani Jansen & G. Köhler 2008 differs from all the other species in the genus in having a triangular projection of the red snout colouration reaching onto the parietals. Xenopholis werdingorum Jansen, Gonzales & G. Köhler 2009 can be identified as a member of the genus Xenopholis by its vertebral morphology. It differs from the other two species of Xenopholis in having a unique uniform dorsal colour pattern, and from X. scalaris in having two prefrontals and a narrow septum within the neural spine and perpendicular to its long axis as evident in the x-ray images. A review of a small collection of pitvipers from different lowland localities and from the Inter-Andean dry valleys of the region of Pampagrande revealed one new species of Bothrops and one of Bothrocophias (both to be formally described elsewhere). The two pitviper species differ morphologically and genetically from their congeners. The results of a brief review of a small collection of frogs of the genus Scinax (Anura: Hylidae) from different localities in the lowlands, together with analyses of their bioacoustics, suggest an unknown cryptic diversity in Bolivian species of Scinax cf. fuscomarginatus and allies. However, further studies are necessary to clarify the taxonomic status of these populations. In addition, this study provides new data on the morphology (e.g., pholidosis) of snakes, many of them previously known only from few museum specimens. Keys to the Bolivian lizard species of Cercosaura and the Bolivian snake species of Chironius, Clelia, Liophis, Lystrophis, Phalotris, and Xenodon are presented here for the first time. New information on distribution includes many range extensions of amphibian and reptile species, such as five new country records (one frog species, four snake species) and six new departmental records (two frog species, four snake species). Observations on ecology and natural history: Several observations on ecology and natural history were made during field work. Visual signaling, an aspect of territorial behavior that was already known for several species of the genus Phyllomedusa, could be described for the first time for Phyllomedusa boliviana (Jansen & J. Köhler 2007). Furthermore, during audio surveys of an anuran community at the study site San Sebastián from 2005 to 2007, a decline of certain amphibian populations was observed in the rainy season 2006/2007 (Jansen et al., in press). This is possibly related to an extreme drought in the dry season of 2006 where 158 consecutive days without rainfall were recorded. In addition, a new method for measuring intensity of anuran choruses by means of a continuous sound pressure metre was developed (Jansen 2009). The method was suitable to detect calling phenology (during one night), as well as differences in calling activity (between two nights). Biodiversity and biogeographical relationships: Species lists were compiled at the six study sites Pampagrande, Los Volcanes, San Sebastián, Caparú, El Espinal und El Corbalan. The total amphibian and reptile species numbers observed ranged from 37 to 101 with the highest species numbers in San Sebastián (101) and Caparú (89) and the lowest in Los Volcanes (37) and El Espinal (41). A preliminary species list of the herpetofauna of the Chiquitano Region was presented, including 60 amphibian and 84 reptile species. The majority of the amphibians of the Chiquitano Region are classified predominantly as inhabitants of open formations (41 species, 68.3%). Interestingly, even the majority of species recorded from the Chiquitano Dry Forest (32 species) are usually associated with open formations (22 species, 66.7%), followed by the number of species associated with open and forest formations (8 species, 24.4%). Only two of the observed species (6.0%) are predominant forest dwellers. The amphibian assemblage of the Chiquitano Region is most similar in composition to that of the Cerrado biome: 46 species (76.7%) occur in the Cerrado as well, and three species are regarded as Cerrado endemics (5.0%). The Chiquitano Region shares considerably fewer amphibian species with the other biomes (Amazon: 22 species, 36.7%; Gran Chaco: 13 species, 21.7%; Caatinga: 16 species, 26.7%). The reptile assemblage also has significant affinities to the Cerrado, which can be seen in the high proportion of reptile species distributed in that biome (68 species; 81.0%). Affinities to the other biomes are as follows: Amazon (48 species, 57.1%), Chaco (37 species, 40.1%), and Caatinga (30 species, 35.7%). When arranged in mutually exclusive biome categories, reptiles and amphibians showed similar patterns so that the majority of both amphibians and reptiles of the Chiquitano Region can be regarded as widespread. The high proportion of reptile species probably endemic to this region (5 species, 6.0%) is remarkable (i.e. Tropidurus xanthochilus, Apostolepis phillipsi, Phalotris sansebastiani, Xenopholis werdingorum, and Micrurus diana). In an analysis of the biodiversity patterns and biogeographical relationships of the herpetofauna of the study sites, these sites were compared with literature data from 37 localities and included in a presence/absence matrix with a total of 657 amphibian and reptile species in the surrounding South American biomes Amazon, Cerrado and Gran Chaco. The biogeographic relationships between these sites were evaluated using the Coefficient of Biogeographic Resemblance (CBR), cluster analysis, and multidimensional scaling (MDS) of sites. The analyses were first conducted on amphibians and reptiles combined, and than group-specific each for amphibians, reptiles, lizards, and snakes, separately. A “bias-reduced analysis” was developed for a better understanding of the affinities of the amphibians. In this analysis, e.g., the distinct habitat types of the Chiquitano Region, the Chiquitano Dry Forest and the Cerrado were taken into account. Analyses of the biodiversity patterns revealed that the sites in the Amazon comprise highest species numbers, as expected, followed successively by the sites in the Cerrado biome and sites in-between the two biomes. Within the eastern lowlands of Bolivia, the Chiquitano Region is the most rich in species. Comparing it with the other South American sites, the Chiquitano Region has a surprisingly high alpha diversity, especially in amphibians. The microgeographic variation in species composition (beta diversity) in the Chiquitano Region is also remarkably high and obviously related to the mosaic character of the vegetation and habitats. However, the bias-reduced analysis revealed that the amphibian fauna of the open areas and savannas at Hacienda San Sebastián (with 36 species in the Cerrado and pastureland) was one of the most species-rich savanna sites known for amphibians in South America. Considering that the Hacienda San Sebastián site is only ca. 3300 ha (= 1.29 amphibian species per km2), this outcome is particularly suprising. The results of the analyses of the biogeographical relationships suggest that the herpetofauna of Bolivia’s lowlands, including the Beni, the Pantanal and the Chiquitano Region, is as distinct from the herpetofauna of the Gran Chaco, Amazon, and Cerrado as these biomes are from each other. The Chiquitano herpetofauna in particular represents a unique and well-defined herpetofaunal assemblage when compared to all surrounding localities and biomes. This is supported by high CBR-values, findings from the cluster analysis, as well as a clear separation of the Chiquitano sites in the MDS. Biogeographic relations exist in all the surrounding biomes, but are strongest to Cerrado, followed by the Amazon. This study strongly suggests that the Chiquitano herpetofauna is composite and has multiple affinities. This is congruent with a well-defined Chiquitano flora, avifauna and mammalian fauna, suggesting a similar history. The bias-reduced analysis revealed a more detailed picture of the biogeographic relations of the Chiquitano Region, especially the Chiquitano Dry Forest. I argue here that the Chiquitano Dry Forest herpetofauna is a “young”, and “former savanna herpetofauna”. Whereas the Chiquitano Dry Forest is rather poor in amphibian and reptile species, and endemics are lacking from this forest type, the isolated Cerrado enclaves are especially diverse in species and probably contain locally endemic species, such as Phalotris sansebastiani and Xenopholis werdingorum. The colonization of the young Chiquitano Dry Forest may have taken place from savannas by mainly open area species, and only briefly through the Amazon. The results emphasise the importance of bias-reduction in studies of biogeography, e.g., by using group-specific analyses or by taking into account criterias as area size and heterogeneity of compared sites. The different biogeographic patterns of reptiles and amphibians of the Andean valleys indicate a different history of these two groups. In regard to reptiles, dispersals and withdrawals into the valleys in warm humid and dry cool periods in the Pleistocene seem likely, supported by a relation between the valleys and the dry lowland (e.g., Chaco). However, it is more plausible that, during these climatic fluctuations, amphibians migrated to adjacent, more humid regions, such as Yungas. The study verified the known patterns of sister-species pairs in the Inter-Andean Dry Forest and the lowlands. Additionally, pairs of populations with slight differences in morphology were found in the valleys and in the lowlands (Cercosaura parkeri and Xenodon rhapdocephalus). Further studies must test the taxonomic status of these populations. The discovery of new species of Bothrops and Bothrocophias from the Andean valleys has several implications, and possible reasons for the high endemism in the dry valleys are discussed. Conservation and outlook: The high local alpha and beta diversity of the Chiquitano herpetofauna shows that this is a region of complex faunal interaction, which reflects the present heterogeneity of the region, but which is possibly also related to a complex geological and environmental history. The Chiquitano Region can be assessed as a region of distinct regional herpetofaunal diversity charaterised by small scale diversity patterns. It therefore merits recognition as a unique ecoregion, and conservation effort should be increased. Further research is necessary to solve the taxonomic problems addressed in this study. Moreover, future work should be directed towards the development and institution of longterm monitoring programs to evaluate the effects of climate change and changes in land-use on biodiversity, especially that of the Chiquitano Region.
Menschliche Aktivitäten beeinflussen beinahe alle Bereiche des Lebens auf der Erde (MEA 2005a; UNEP 2007). Die Zerstörung und Veränderung natürlicher Lebensräume sind als Hauptursache für den weltweiten Biodiversitätsverlust identifiziert (Harrison and Bruna 1999; Dale et al. 2000; Foley et al. 2005; MEA 2005a). Zusammen mit dem Klimawandel wird die Landnutzungsveränderung daher als einflussreichster Aspekt anthropogen verursachten globalen Wandels betrachtet (MEA 2005a). Landnutzungsveränderung schließt sowohl die Umwandlung natürlicher Habitate in Agrarland oder Siedlungen als auch die Landnutzungsintensivierung in bereits kultivierten Landschaften mit ein. Diese Veränderungen haben weitreichende Konsequenzen für die Artenvielfalt und resultieren häufig in dem Verlust von Arten mit zunehmender Intensität der Landnutzung (Scholes and Biggs 2005).
Biodiversität und Ökosysteme stellen viele verschiedene Funktionen zur Verfügung, wie z. B. die Sauerstoffproduktion, die Reinigung von Wasser und die Bestäubung von Nutzpflanzen.
Einige dieser Funktionen sind hilfreich, andere wichtig und wieder andere notwendig für das menschliche Wohlergehen (MEA 2005b; UNEP 2007). Mittlerweile sind Ökosystemfunktionen und die vielen Nutzen, die sie erbringen, zu einem zentralen Thema der interdisziplinären Forschung von Sozialwissenschaften und Naturwissenschaften geworden (Barkmann et al. 2008 und darin enthaltene Referenzen). Dadurch bedingt ist es zu einiger Verwirrung bezüglich der verwendeten Begriffe der "Ökosystemfunktion" (engl. "ecosystem function") und dem der "Ökosystemdienstleistung" (engl. "ecosystem service") gekommen (deGroot et al. 2002). Da der Fokus meiner Arbeit auf grundlegenden Funktionen von Ökosystemen liegt, verwende ich im Folgenden den Begriff der Ökosystemfunktion.
Für viele Ökosystemfunktionen ist noch sehr unzureichend bekannt, wie diese von externen Störungen beeinflusst werden (Kremen and Ostfeld 2005; Balvanera et al. 2006). Ökosystemfunktionen werden selten von nur einer einzigen Art aufrechterhalten, sondern meist von einer ganzen Reihe unterschiedlicher taxonomischer Gruppen – alle mit ihren ganz eigenen Ansprüchen. Diese Arten, wie auch deren intra- und interspezifischen Interaktionen, können durchaus nterschiedlich auf die gleiche Störungsquelle oder Störungsintensität reagieren. Dies kann Vorhersagen zum Verhalten von Ökosystemfunktionen extrem erschweren. ...
Cell-cell adhesion is an essential process during the development of multicellular organisms. It is based on various cellular junctions and ensures a tight contact between neighboring cells, enabling interactive exchanges necessary for morphological and functional differentiation and maintaining the homeostasis of healthy tissue organization. Two important types of cell-cell adhesions are the adherens junction (AJ) and the desmosome which link the actin cytoskeleton and intermediate filaments to cadherin-based adhesion sites. The core of these structures is composed of single-span transmembrane proteins of the cadherin superfamily which include, among other members, the classical cadherins, e.g. E-cadherin, as well as the desmosomal cadherins, e.g. desmoglein-3. The cytoplasmic domains of the desmosomal and classical cadherins enable interactions with proteins of the catenin family. Classical cadherins preferentially associate with β-catenin and p120-catenin, whereas desmosomal cadherins bind to γ-catenin and plakophilins. Intriguingly, γ-catenin, also known as plakoglobin, is so far the only protein known to be present both in the AJ and the desmosome.
In this study, we showed that the two homologous, membrane raft-associated proteins flotillin-1 and flotillin-2 associate with core proteins of the AJ and the desmosome in vitro and in vivo. In confluent human, non-malignant epithelial MCF10A cells and human skin cryosections, flotillin-2 colocalized with E-cadherin, desmoglein-3 and γ-catenin at cell-cell contact sites, whereas flotillin-1 showed barely any overlap with these proteins. In addition, we detected a colocalization of both flotillins with the actin-binding protein α-actinin in membrane ruffles in subconfluent and at cell-cell contact sites in confluent MCF10A cells as well as in human skin cryosections. The interaction with α-actinin was later shown to be flotillin-1 dependent by performing indirect GST pulldown experiments with purified α-actinin-1-GST in MCF10A cell lysates.
Since flotillin-2 strongly colocalized with cell-cell junctions, this suggested that flotillins might be found in complex with cell adhesion proteins. Thus, we performed coimmunoprecipitation experiments in murine skin lysates and various cell lines of epithelial origin, such as human breast cancer MCF7 cells, human keratinocyte HaCaT cells and primary mouse keratinocytes. These experiments demonstrated that flotillins, especially flotillin-2, coprecipitated with E-cadherin, desmosomal cadherins and γ-catenin in relation to the respective cell type and the maturation status of these cell-cell adhesion structures. However, since γ-catenin is so far the only protein known to be present in the AJ and the desmosome, we further assumed that the complex formation of flotillins with cell adhesion structures is mediated by γ-catenin. For this, we performed indirect GST pulldown experiments in MCF10A cell lysates with bacterially expressed, purified flotillin-1-GST, flotillin-2-GST and γ-catenin-GST and were able to verify the complex formation of adhesion proteins and flotillins in vitro. To further test if the interaction of γ-catenin and flotillins is a direct one, we used purified flotillin-1-GST or flotillin-2-GST and γ-catenin-MBP fusion proteins. Both flotillins directly interacted with γ-catenin in this in vitro assay. In addition, mapping of the interaction domains in γ-catenin by using GST fusion proteins carrying different parts of γ-catenin suggested that flotillins bind to a discontinuous γ-catenin binding domain which consists of a Major determinant around ARM domains 6-12, most likely with a major contribution of the ARM domain 7, and possibly including the NT part of γ-catenin.
To study the effect of flotillin depletion on cell-cell adhesion, we generated stable MCF10A cell lines in which flotillins were knocked down by means of lentiviral shRNAs. Staining of E-cadherin and γ-catenin in these cells showed that the localization at the cell-cell borders was significantly altered after flotillin-2 depletion, which pointed to a role for flotillin-2 in the formation of cell-cell adhesion structures in epithelial cells. Furthermore, isolation of detergent resistant membranes (DRMs) from these cells demonstrated that upon depletion of flotillin-2, a significant amount of E-cadherin and γ-catenin shifted into raft fractions. On the contrary, no change was detected in flotillin-1 knockdown cells. These observations point to a functional role of flotillin-2 in the regulation of raft association of cell-cell adhesion proteins. To gain more insight into the in vivo relevance of our findings, we next studied the function of flotillins in the skin of Flot2-/- knockout mice. Analysis of lysates prepared from the skin of one year old female animals revealed an increased expression of E-cadherin, desmoglein-1 and γ-catenin but not β-catenin, implicating that specific adhesion proteins are upregulated in flotillin-2 knockout skin.
Since flotillins are tightly associated with membrane microdomains we next studied the interaction of flotillin-2 with membrane cholesterol. Using the photoreactive cholesterol analog azocholestanol, we were able to show that flotillin-2 and cholesterol directly interacted. In addition, previous studies speculated that flotillin-2 interacts with cholesterol via two putative cholesterol recognition/interaction amino acid consensus (CRAC) motifs. Analysis of the flotillin-2 sequence revealed that flotillin-2 actually contains four putative CRAC motifs. However, using various flotillin-2 CRAC mutant GFP fusion proteins, we were able to show that none of the putative CRAC motifs is functional, which suggested that flotillin-2 interacts with membrane cholesterol, e.g., via posttranslational modifications, such as myristoylation and palmitoylation which were previously shown to be essential for membrane association of flotillin proteins.