590 Tiere (Zoologie)
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Metabolic differences between symbiont subpopulations in the deep-sea tubeworm Riftia pachyptila
(2020)
The hydrothermal vent tube worm Riftia pachyptila lives in intimate symbiosis with intracellular sulfur-oxidizing gammaproteobacteria. Although the symbiont population consists of a single 16S rRNA phylotype, bacteria in the same host animal exhibit a remarkable degree of metabolic diversity: They simultaneously utilize two carbon fixation pathways and various energy sources and electron acceptors. Whether these multiple metabolic routes are employed in the same symbiont cells, or rather in distinct symbiont subpopulations, was unclear. As Riftia symbionts vary considerably in cell size and shape, we enriched individual symbiont cell sizes by density gradient centrifugation in order to test whether symbiont cells of different sizes show different metabolic profiles. Metaproteomic analysis and statistical evaluation using clustering and random forests, supported by microscopy and flow cytometry, strongly suggest that Riftia symbiont cells of different sizes represent metabolically dissimilar stages of a physiological differentiation process: Small symbionts actively divide and may establish cellular symbiont-host interaction, as indicated by highest abundance of the cell division key protein FtsZ and highly abundant chaperones and porins in this initial phase. Large symbionts, on the other hand, apparently do not divide, but still replicate DNA, leading to DNA endoreduplication. Highest abundance of enzymes for CO2 fixation, carbon storage and biosynthesis in large symbionts indicates that in this late differentiation stage the symbiont’s metabolism is efficiently geared towards the production of organic material. We propose that this division of labor between smaller and larger symbionts benefits the productivity of the symbiosis as a whole.
Rhodopsin-based voltage imaging tools for use in muscles and neurons of Caenorhabditis elegans
(2019)
Genetically encoded voltage indicators (GEVIs) based on microbial rhodopsins utilize the voltage-sensitive fluorescence of all-trans retinal (ATR), while in electrochromic FRET (eFRET) sensors, donor fluorescence drops when the rhodopsin acts as depolarization-sensitive acceptor. In recent years, such tools have become widely used in mammalian cells but are less commonly used in invertebrate systems, mostly due to low fluorescence yields. We systematically assessed Arch(D95N), Archon, QuasAr, and the eFRET sensors MacQ-mCitrine and QuasAr-mOrange, in the nematode Caenorhabditis elegans ATR-bearing rhodopsins reported on voltage changes in body wall muscles (BWMs), in the pharynx, the feeding organ [where Arch(D95N) showed approximately 128% ΔF/F increase per 100 mV], and in neurons, integrating circuit activity. ATR fluorescence is very dim, yet, using the retinal analog dimethylaminoretinal, it was boosted 250-fold. eFRET sensors provided sensitivities of 45 to 78% ΔF/F per 100 mV, induced by BWM action potentials, and in pharyngeal muscle, measured in simultaneous optical and sharp electrode recordings, MacQ-mCitrine showed approximately 20% ΔF/F per 100 mV. All sensors reported differences in muscle depolarization induced by a voltage-gated Ca2+-channel mutant. Optogenetically evoked de- or hyperpolarization of motor neurons increased or eliminated action potential activity and caused a rise or drop in BWM sensor fluorescence. Finally, we analyzed voltage dynamics across the entire pharynx, showing uniform depolarization but compartmentalized repolarization of anterior and posterior parts. Our work establishes all-optical, noninvasive electrophysiology in live, intact C. elegans.
Synaptic vesicle (SV) recycling enables ongoing transmitter release, even during prolonged activity. SV membrane and proteins are retrieved by ultrafast endocytosis and new SVs are formed from synaptic endosomes (large vesicles—LVs). Many proteins contribute to SV recycling, e.g., endophilin, synaptojanin, dynamin and clathrin, while the site of action of these proteins (at the plasma membrane (PM) vs. at the endosomal membrane) is only partially understood. Here, we investigated the roles of endophilin A (UNC-57), endophilin-related protein (ERP-1, homologous to human endophilin B1) and of clathrin, in SV recycling at the cholinergic neuromuscular junction (NMJ) of C. elegans. erp-1 mutants exhibited reduced transmission and a progressive reduction in optogenetically evoked muscle contraction, indicative of impaired SV recycling. This was confirmed by electrophysiology, where particularly endophilin A (UNC-57), but also endophilin B (ERP-1) mutants exhibited reduced transmission. By optogenetic and electrophysiological analysis, phenotypes in the unc-57; erp-1 double mutant are largely dominated by the unc-57 mutation, arguing for partially redundant functions of endophilins A and B, but also hinting at a back-up mechanism for neuronal endocytosis. By electron microscopy (EM), we observed that unc-57 and erp-1; unc-57 double mutants showed increased numbers of synaptic endosomes of large size, assigning a role for both proteins at the endosome, because endosomal disintegration into new SVs, but not formation of endosomes were hampered. Accordingly, only low amounts of SVs were present. Also erp-1 mutants show reduced SV numbers (but no increase in LVs), thus ERP-1 contributes to SV formation. We analyzed temperature-sensitive mutants of clathrin heavy chain (chc-1), as well as erp-1; chc-1 and unc-57; chc-1 double mutants. SV recycling phenotypes were obvious from optogenetic stimulation experiments. By EM, chc-1 mutants showed formation of numerous and large endosomes, arguing that clathrin, as shown for mammalian synapses, acts at the endosome in formation of new SVs. Without endophilins, clathrin formed endosomes at the PM, while endophilins A and B compensated for the loss of clathrin at the PM, under conditions of high SV turnover.
A consistent muscle activation strategy underlies crawling and swimming in Caenorhabditis elegans
(2014)
Although undulatory swimming is observed in many organisms, the neuromuscular basis for undulatory movement patterns is not well understood. To better understand the basis for the generation of these movement patterns, we studied muscle activity in the nematode Caenorhabditis elegans. Caenorhabditis elegans exhibits a range of locomotion patterns: in low viscosity fluids the undulation has a wavelength longer than the body and propagates rapidly, while in high viscosity fluids or on agar media the undulatory waves are shorter and slower. Theoretical treatment of observed behaviour has suggested a large change in force–posture relationships at different viscosities, but analysis of bend propagation suggests that short-range proprioceptive feedback is used to control and generate body bends. How muscles could be activated in a way consistent with both these results is unclear. We therefore combined automated worm tracking with calcium imaging to determine muscle activation strategy in a variety of external substrates. Remarkably, we observed that across locomotion patterns spanning a threefold change in wavelength, peak muscle activation occurs approximately 45° (1/8th of a cycle) ahead of peak midline curvature. Although the location of peak force is predicted to vary widely, the activation pattern is consistent with required force in a model incorporating putative length- and velocity-dependence of muscle strength. Furthermore, a linear combination of local curvature and velocity can match the pattern of activation. This suggests that proprioception can enable the worm to swim effectively while working within the limitations of muscle biomechanics and neural control.
Glial cell line-derived neurotrophic factor (GDNF) is a ligand that activates, through co-receptor GDNF family receptor alpha-1 (GFRα1) and receptor tyrosine kinase “RET”, several signaling pathways crucial in the development and sustainment of multiple neuronal populations. We decided to study whether non-mammalian orthologs of these three proteins have conserved their function: can they activate the human counterparts? Using the baculovirus expression system, we expressed and purified Danio rerio RET, and its binding partners GFRα1 and GDNF, and Drosophila melanogaster RET and two isoforms of co-receptor GDNF receptor-like. Our results report high-level insect cell expression of post-translationally modified and dimerized zebrafish RET and its binding partners. We also found that zebrafish GFRα1 and GDNF are comparably active as mammalian cell-produced ones. We also report the first measurements of the affinity of the complex to RET in solution: at least for zebrafish, the Kd for GFRα1-GDNF binding RET is 5.9 μM. Surprisingly, we also found that zebrafish GDNF as well as zebrafish GFRα1 robustly activated human RET signaling and promoted the survival of cultured mouse dopaminergic neurons with comparable efficiency to mammalian GDNF, unlike E. coli-produced human proteins. These results contradict previous studies suggesting that mammalian GFRα1 and GDNF cannot bind and activate non-mammalian RET and vice versa.
Untersuchungen an uv-bestrahlten Schwimmhäuten von Fröschen und Rückenhäuten von Mäusen ergaben, daß mit Hilfe der Nadi - Reaktion (GRÄFF) Oxydationspotentiale an der Bestrahlungsstelle nachgewiesen werden können. Kurzwelliges UV unter λ = 300 mμ hat hierbei die beste Wirkung. Die Stellen stärkster Oxydationskraft liegen bei Schwimmhäuten an den Melanophoren des Corium, bei Mäuserücken-Häuten verteilt im Corium. Bei den Froschhäuten kann zusätzlich bei unphysiologischem pH 4,2 Oxydationswirkung in der Epidermis nachgewiesen werden. Strukturelle Veränderungen an der Schwimmhaut werden polarisationsoptisch deutlich.
The Taiwan cobra (Naja naja atra) chymotrypsin inhibitor (NACI) consists of 57 amino acids and is related to other Kunitz-type inhibitors such as bovine pancreatic trypsin inhibitor (BPTI) and Bungarus fasciatus fraction IX (BF9), another chymotrypsin inhibitor. Here we present the solution structure of NACI. We determined the NMR structure of NACI with a root-mean-square deviation of 0.37 Å for the backbone atoms and 0.73 Å for the heavy atoms on the basis of 1,075 upper distance limits derived from NOE peaks measured in its NOESY spectra. To investigate the structural characteristics of NACI, we compared the three-dimensional structure of NACI with BPTI and BF9. The structure of the NACI protein comprises one 310-helix, one α-helix and one double-stranded antiparallel β-sheet, which is comparable with the secondary structures in BPTI and BF9. The RMSD value between the mean structures is 1.09 Å between NACI and BPTI and 1.27 Å between NACI and BF9. In addition to similar secondary and tertiary structure, NACI might possess similar types of protein conformational fluctuations as reported in BPTI, such as Cys14–Cys38 disulfide bond isomerization, based on line broadening of resonances from residues which are mainly confined to a region around the Cys14–Cys38 disulfide bond.
Tunikaten produzieren eine Vielzahl an cytotoxischen und antimikrobiellen Verbindungen, die ihnen in ihrem Ökosystem zu überlebenswichtigen Vorteilen verhelfen. Wegen ihrer strukturellen Diversität und ihrer spezifischen Eigenschaften haben bislang einige dieser Sekundärstoffe Eingang in die pharmazeutische Industrie gefunden. Ziel der vorliegenden Arbeit war eine umfassende Untersuchung des chemischen Potentials benthischer Ascidien der Nordsee. Die Eigenschaften der organischen Ascidienextrakte wurden anhand von vier Bioassays beschrieben. Die Assays fungierten gleichzeitig als Wegweiser zur Isolierung der aktiven Sekundärmetaboliten, der sich eine Strukturaufklärung mit spektroskopischen Methoden (NMR, MS, IR) anschloss. Es wurden Tests auf bewuchshemmende, antimikrobielle, cytotoxische und enzymhemmende Eigenschaften durchgeführt. Eingesetzt wurden organische Extrakte von 13 solitären und koloniebildenden Ascidienarten der nördlichen und südlichen Nordsee. In allen vier Assays zeigten mehrere oder alle Ascidienarten Aktivität. Es ließen sich keine Hinweise auf eine mit der Wuchsform der Arten korrelierte biologische Aktivität sammeln. In einem Freilandversuch zur Untersuchung der besiedlungshemmenden Wirkung der Extrakte konnte gezeigt werden, dass einige Ascidien eine chemische Abwehr von Algensporen oder Epibionten aufweisen, die artspezifisch unterschiedlich stark ausgeprägt ist. Alle Ascidienarten bewiesen antimikrobielle Aktivität, es ergaben sich aber sowohl in der Hemmhofbreite als auch in der Anzahl der gehemmten Bakterienstämme große artspezifische Unterschiede. Auffallend war, dass deutlich mehr Gram-positive sowie marine Bakterienstämme als Gram-negative bzw. nicht-marine Bakterienstämme inhibiert wurden. Im Gegensatz zur antimikrobiellen Aktivität wurden in den Assays zur Cytotoxizität und zur spezifischen Enzymhemmung lediglich bei jeweils vier Ascidienarten positive Effekte festgestellt. Durch die spezifische Anfärbung von Zellorganellen konnten morphologische Veränderungen, die durch die Ascidienmetaboliten in den Mausfibroblasten induziert wurden, sichtbar gemacht und der Einfluß der Extrakte auf das Cytoskelett und spezifische Zellfunktionen dokumentiert werden. Im Protein-Tyrosin-Kinase-Assay führte eine Bioassay-guided Fractionation von Extrakten der Ascidie Dendrodoa grossularia zur Isolierung der aktiven Substanz. Über spektroskopische Methoden sowie den Vergleich mit Literaturdaten konnte der enzymhemmende Metabolit als das Guanidinostyren Tubastrin identifiziert werden. Tubastrin wurde im Rahmen dieser Arbeit erstmals in Tunikaten nachgewiesen. Der Metabolit zeigte als Reinsubstanz nur geringe cytotoxische Effekte und keine antimikrobiellen Eigenschaften. Als weitere Metaboliten der Ascidien Dendrodoa grossularia und Ascidiella aspersa wurden Homarin, Betain, Adenosin und Inosin identifiziert. Keiner dieser Substanzen konnte in der vorliegenden Arbeit eine biologische Aktivität zugeordnet werden. Während Betain, Adenosin und Inosin Funktionen innerhalb des Primärmetabolismus besitzen oder als Zwischenprodukte in Synthesewege eingebunden sein können, stellt Homarin einen Sekundärmetaboliten dar, der in einer Vielzahl von marinen Organismen unterschiedliche Funktionen erfüllt. Seine Aufgabe in Tunikaten muss durch weitere Untersuchungen geklärt werden. Dass antimikrobielle Aktivität bei allen Ascidienarten gefunden wird, lässt auf eine grundlegende Bedeutung prokaryontischer Abwehr schließen. Die Unterschiede in der Stärke der Effekte aller Bioassays legen nahe, dass jede Ascidienart eine eigene Gesamtstrategie zur Verteidigung gegen Bewuchs und Fraßfeinde ausgebildet hat. Die aus den Laborversuchen erhaltenen Daten verdeutlichen eine weitreichende biologisch-chemische Aktivität von Aplidium punctum, Dendrodoa grossularia und Didemnum candidum, die neben der antimikrobiellen auch starke cytotoxische und/oder enzymhemmende Wirkung gezeigt haben. Die Lokalisation der aktiven Substanzen im Tier sowie eingehendere Versuche zur molekularen Wirkungsweise sind notwendig, die beobachteten Aktivitäten umfassend zu deuten und ihre Nutzbarkeit unter pharmakologischen Gesichtspunkten zu evaluieren.
Die extrazelluläre Matrix (ECM) dient in mehrzelligen Organismen nicht nur als mechanische Stütze, sondern nimmt direkten Einfluss auf eine Vielzahl zellulärer Prozesse wie Proliferation, Differenzierung und Migration. Die Discoidin-Domain-Rezeptoren (DDR) 1 und 2 sind die bisher einzig bekannten ECM-bindenden Rezeptoren mit einer intrinsischen Kinaseaktivität. Rezeptor- Tyrosinkinasen spielen bei der Signaltransduktion eine wichtige Rolle. Sie nehmen durch Bindung spezifischer Liganden Signale außerhalb der Zelle auf und initiieren eine Signalkaskade, die letzlich zur Transkription oder Repression von Zielgenen führt. Nach Bindung von nativem Kollagen an die Rezeptoren DDR1 und DDR2 kommt es zu einer Homodimerisierung, die zur Autophosphorylierung der Rezeptoren führt. Eine generierte DDR1-Knock-out-Maus zeigt einen Defekt in der Differenzierung der Brustdrüse und ist nicht in der Lage, ihre Jungen zu säugen, die genauen Ursachen hierfür sind jedoch bislang unbekannt. Ebenso sind die Zielgene der aktivierten Rezeptoren und insbesondere die Rolle von DDR1 in der Brustdrüse bislang wenig erforscht. In der vorliegenden Arbeit wurde nach Zielgenen, die durch die Signalkaskade von DDR1 und DDR2 in ihrer Transkription beeinflusst werden, gesucht. Außerdem wurde die Rolle von DDR1 in der Brustdrüse im Detail analysiert. Zur Auffindung von Zielgenen wurden Zelllinien generiert, in denen die Expression von DDR durch Doxycyclin reprimierbar ist und mit Hilfe von Microarrays auf die Deregulation von Matrixgenen sowie Matrix-assoziierten und -modifizierenden Genen untersucht. Agrin und alpha 3-Integrin konnten als gemeinsame, reprimierte Zielgene von DDR1 und 2 identifiziert werden. Der P-Selectin-Ligand PSGL-1 und das Proteoglykan Decorin wurden von beiden Rezeptoren induziert. Weiterhin wurde das Brustdrüsengewebe trächtiger DDR1-Knock-out-Mäuse mit dem Brustdrüsengewebe heterozygoter Mäuse verglichen. Dazu wurden Microarrays verwendet, auf denen 15.000 Gene abgebildet waren. Die Analyse zeigte eine Repression von MDGI (Mammary derived growth inhibitor), Osteopontin und WDNMI in DDR1-Knock-out-Mäusen, während die Transkription des IGF-Bindeprotein IGFBP-5 erhöht war. Die Deregulationen konnten mittels Real-time-PCR verifiziert werden. Im zweiten Teil der Arbeit wurde die Rolle von DDR1 in der nichttransformierten Brustepithelzelllinie HC11 und in primären Brustepithelzellen aus DDR1-Knock-out Mäusen untersucht. Dabei konnte ein Defekt von DDR1-Knock-out Zellen in der terminalen Differenzierung beobachtet werden. Im Gegensatz hierzu differenzierten DDR1 überexprimierende HC11-Zellen schneller als HC11-Wildtyp-Zellen und bildeten größere Mengen des Differenzierungsmarkers beta-Kasein. Die Analyse verschiedener Signalwege, die bei der Differenzierung von Brustepithelzellen angeschaltet werden, zeigte, dass DDR1 eine entscheidende Rolle in der Signaltransduktion von Stat5a/b spielt. Die Prolaktin induzierte Stat5a/b-Phosphorylierung war in DDR1 exprimierenden HC11 Zellen stärker und länger anhaltend als in parentalen HC11 Zellen. Dieser Effekt konnte nach Aktivierung von DDR1 durch Typ I Kollagen noch verstärkt werden. In der vorliegenden Arbeit konnten PSGL-1, Decorin, Agrin und Integrina3 als Zielgene in DDR1 und DDR2 überexprimierenden Zellen identifiziert werden. Ferner wurde im Brustdrüsengewebe von DDR1-Knock-out-Mäusen eine Repression von MDGI, Osteopontin und WDNMI sowie eine Induktion von IGFBP-5 gefunden. Die Analyse DDR1 überexprimierender HC11 Zellen und primärer DDR1-Knock-out-Brustepithelzellen zeigte, dass DDR1 eine essentielle Rolle in der terminalen Differenzierung von Brustepithelzellen hat. Dabei konnte erstmals ein Einfluss von DDR1 auf die Prolaktin-induzierte Aktivierung von Stat5a/b gezeigt werden.