TY  - JOUR
A1  - Ogunkola, Moses Olalekan
A1  - Guiraudie-Capraz, Gaelle
A1  - Féron, François
A1  - Leimkühler, Silke
T1  - The Human Mercaptopyruvate Sulfurtransferase TUM1 Is Involved in Moco Biosynthesis, Cytosolic tRNA Thiolation and Cellular Bioenergetics in Human Embryonic Kidney Cells
JF  - Biomolecules
N2  - Sulfur is an important element that is incorporated into many biomolecules in humans. The incorporation and transfer of sulfur into biomolecules is, however, facilitated by a series of different sulfurtransferases. Among these sulfurtransferases is the human mercaptopyruvate sulfurtransferase (MPST) also designated as tRNA thiouridine modification protein (TUM1). The role of the human TUM1 protein has been suggested in a wide range of physiological processes in the cell among which are but not limited to involvement in Molybdenum cofactor (Moco) biosynthesis, cytosolic tRNA thiolation and generation of H2S as signaling molecule both in mitochondria and the cytosol. Previous interaction studies showed that TUM1 interacts with the L-cysteine desulfurase NFS1 and the Molybdenum cofactor biosynthesis protein 3 (MOCS3). Here, we show the roles of TUM1 in human cells using CRISPR/Cas9 genetically modified Human Embryonic Kidney cells. Here, we show that TUM1 is involved in the sulfur transfer for Molybdenum cofactor synthesis and tRNA thiomodification by spectrophotometric measurement of the activity of sulfite oxidase and liquid chromatography quantification of the level of sulfur-modified tRNA. Further, we show that TUM1 has a role in hydrogen sulfide production and cellular bioenergetics.
KW  - Moco biosynthesis
KW  - sulfite oxidase
KW  - cytosolic tRNA thiolation
KW  - 5-methoxycarbonylmethyl-2-thiouridine
KW  - H2S biosynthesis
KW  - cellular bioenergetics
Y1  - 2023
U6  - https://doi.org/10.3390/biom13010144
SN  - 2218-273X
VL  - 13
SP  - 1
EP  - 23
PB  - MDPI
CY  - Basel, Schweiz
ET  - 1
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Marggraf, Lara Christin
A1  - Lindecke, Oliver
A1  - Voigt, Christian C.
A1  - Pētersons, Gunārs
A1  - Voigt-Heucke, Silke Luise
T1  - Nathusius’ bats, Pipistrellus nathusii, bypass mating opportunities of their own species, but respond to foraging heterospecifics on migratory transit flights
JF  - Frontiers in Ecology and Evolution
N2  - In late summer, migratory bats of the temperate zone face the challenge of accomplishing two energy-demanding tasks almost at the same time: migration and mating. Both require information and involve search efforts, such as localizing prey or finding potential mates. In non-migrating bat species, playback studies showed that listening to vocalizations of other bats, both con-and heterospecifics, may help a recipient bat to find foraging patches and mating sites. However, we are still unaware of the degree to which migrating bats depend on con-or heterospecific vocalizations for identifying potential feeding or mating opportunities during nightly transit flights. Here, we investigated the vocal responses of Nathusius’ pipistrelle bats, Pipistrellus nathusii, to simulated feeding and courtship aggregations at a coastal migration corridor. We presented migrating bats either feeding buzzes or courtship calls of their own or a heterospecific migratory species, the common noctule, Nyctalus noctula. We expected that during migratory transit flights, simulated feeding opportunities would be particularly attractive to bats, as well as simulated mating opportunities which may indicate suitable roosts for a stopover. However, we found that when compared to the natural silence of both pre-and post-playback phases, bats called indifferently during the playback of conspecific feeding sounds, whereas P. nathusii echolocation call activity increased during simulated feeding of N. noctula. In contrast, the call activity of P. nathusii decreased during the playback of conspecific courtship calls, while no response could be detected when heterospecific call types were broadcasted. Our results suggest that while on migratory transits, P. nathusii circumnavigate conspecific mating aggregations, possibly to save time or to reduce the risks associated with social interactions where aggression due to territoriality might be expected. This avoidance behavior could be a result of optimization strategies by P. nathusii when performing long-distance migratory flights, and it could also explain the lack of a response to simulated conspecific feeding. However, the observed increase of activity in response to simulated feeding of N. noctula, suggests that P. nathusii individuals may be eavesdropping on other aerial hawking insectivorous species during migration, especially if these occupy a slightly different foraging niche.
KW  - playback
KW  - phonotaxis
KW  - bats
KW  - acoustic communication
KW  - animal migration
KW  - eavesdropping
KW  - echolocation
KW  - Pipistrellus nathusii
Y1  - 2023
U6  - https://doi.org/10.3389/fevo.2022.908560
SN  - 2296-701X
SP  - 1
EP  - 10
PB  - Frontiers
CY  - Lausanne, Schweiz
ER  - 
TY  - THES
A1  - Artins, Anthony
T1  - Crosstalk between Target Of Rapamycin (TOR) and sugar signaling in Arabidopsis thaliana
Y1  - 2023
ER  - 
TY  - THES
A1  - Amen, Rahma
T1  - Adaptive radiation in African weakly electric fish genus Campylomormyrus
BT  - a behavior, ecological and morphological perspective
N2  - The African weakly electric fish genus Campylomormyrus includes 15 described species mostly native to the Congo River and its tributaries. They are considered sympatric species, because their distribution area overlaps. These species generate species-specific electric organ discharges (EODs) varying in waveform characteristics, including duration, polarity, and phase number. They exhibit also pronounced divergence in their snout, i.e. the length, thickness, and curvature. The diversifications in these two phenotypical traits (EOD and snout) have been proposed as key factors promoting adaptive radiation in Campylomormyrus. The role of EODs as a pre-zygotic isolation mechanism driving sympatric speciation by promoting assortative mating has been examined using behavioral, genetical, and histological approaches. However, the evolutionary effects of the snout morphology and its link to species divergence have not been closely examined. Hence, the main objective of this study is to investigate the effect of snout morphology diversification and its correlated EOD to better understand their sympatric speciation and evolutionary drivers. Moreover, I aim to utilize the intragenus and intergenus hybrids of Campylomormyrus to better understand trait divergence as well as underlying molecular/genetic mechanisms involved in the radiation scenario. To this end, I utilized three different approaches: feeding behavior analysis, diet assessment, and geometric morphometrics analysis. I performed feeding behavior experiments to evaluate the concept of the phenotype-environment correlation by testing whether Campylomormyrus species show substrate preferences. The behavioral experiments showed that the short snout species exhibits preference to sandy substrate, the long snout species prefers a stone substrate, and the species with intermediate snout size does not exhibit any substrate preference. The experiments suggest that the diverse feeding apparatus in the genus Campylomormyrus may have evolved in adaptation to their microhabitats. I also performed diet assessments of sympatric Campylomormyrus species and a sister genus species (Gnathonemus petersii) with markedly different snout morphologies and EOD using NGS-based DNA metabarcoding of their stomach contents. The diet of each species was documented showing that aquatic insects such as dipterans, coleopterans and trichopterans represent the major diet component. The results showed also that all species are able to exploit diverse food niches in their habitats. However, comparing the diet overlap indices showed that different snout morphologies and the associated divergence in the EOD translated into different prey spectra. These results further support the idea that the EOD could be a ‘magic trait’ triggering both adaptation and reproductive isolation. Geometric morphometrics method was also used to compare the phenotypical shape traits of the F1 intragenus (Campylomormyrus) and intergenus (Campylomormyrus species and Gnathonemus petersii) hybrids relative to their parents. The hybrids of these species were well separated based on the morphological traits, however the hybrid phenotypic traits were closer to the short-snouted species. In addition, the likelihood that the short snout expressed in the hybrids increases with increasing the genetic distance of the parental species. The results confirmed that additive effects produce intermediate phenotypes in F1-hybrids. It seems, therefore, that morphological shape traits in hybrids, unlike the physiological traits, were not expressed straightforward.
KW  - adaptive radiation
KW  - ecological speciation
KW  - African weakly electric fish
KW  - trophic apparatus
KW  - DNA metabarcoding
KW  - geometric morphometric
Y1  - 2023
ER  - 
TY  - THES
A1  - Gonzalez Duran, Enrique
T1  - Genetic control of intracellular gene transfer by DNA repair in N. tabacum
N2  - Mitochondria and plastids are organelles with an endosymbiotic origin. During evolution, many genes are lost from the organellar genomes and get integrated in the nuclear genome, in what is known as intracellular/endosymbiotic gene transfer (IGT/EGT). IGT has been reproduced experimentally in Nicotiana tabacum at a gene transfer rate (GTR) of 1 event in 5 million cells, but, despite its centrality to eukaryotic evolution, there are no genetic factors known to influence the frequency of IGT in higher eukaryotes. The focus of this work was to determine the role of different DNA repair pathways of double strand break repair (DSBR) in the integration step of organellar DNA in the nuclear genome during IGT. Here, a CRISPR/Cas9 mutagenesis strategy was implemented in N. tabacum, with the aim of generating mutants in nuclear genes without expected visible phenotypes. This strategy led to the generation of a collection of independent mutants in the LIG4 (necessary for non-homologous end joining, NHEJ) and POLQ genes (necessary for microhomology mediated end joining, MMEJ). Targeting of other DSBR genes (KU70, KU80, RPA1C) generated mutants with unexpectedly strong developmental phenotypes.. These factors have telomeric roles, hinting towards a possible relationship between telomere length, and strength of developmental disruption upon loss of telomere structure in plants. The mutants were made in a genetic background encoding a plastid-encoded IGT reporter, that confers kanamycin resistance upon transfer to the nucleus. Through large scale independent experiments, increased IGT from the chloroplast to the nucleus was observed in lig4 mutants, as well as lines encoding a POLQ gene with a defective polymerase domain (polqΔPol). This shows that NHEJ or MMEJ have a double-sided relationship with IGT: while transferred genes may integrate using either pathway, the presence of both pathways suppresses IGT in wild-type somatic cells, thus demonstrating for the first time the extent on which nuclear genes control IGT frequency in plants. The IGT frequency increases in the mutants are likely mediated by increased availability of double strand breaks for integration. Additionally, kinetic analysis reveals that gene transfer (GT) events accumulate linearly as a function of time spent under antibiotic selection in the experiment, demonstrating that, contrary to what was previously thought, there is no such thing as a single GTR in somatic IGT experiments. Furthermore, IGT in tissue culture experiments appears to be the result of a "race against the clock" for integration in the nuclear genome, that starts when the organellar DNA arrives to the nucleus granting transient antibiotic resistance. GT events and escapes of kanamycin selection may be two possible outcomes from this race: those instances where the organellar DNA gets to integrate are recovered as GT events, and in those cases where timely integration fails, antibiotic resistance cannot be sustained, and end up considered as escapes. In the mutants, increased opportunities for integration in the nuclear genome change the overall ratio between IGT and escape events. The resources generated here are promising starting points for future research: (1) the mutant collection, for the further study of processes that depend on DNA repair in plants (2) the collection of GT lines obtained from these experiments, for the study of the effect of DSBR pathways over integration patterns and stability of transferred genes and (3) the developed CRISPR/Cas9 workflow for mutant generation, to make N. tabacum meet its potential as an attractive model for answering complex biological questions.
N2  - Mitochondrien und Plastiden sind beides Organellen endosymbiotischen Ursprungs. Im Laufe der Evolution gehen viele Gene aus den Organellengenomen verloren und werden in das Kerngenom integriert, was als intrazellulärer/endosymbiotischer Gentransfer (IGT/EGT) bezeichnet wird. IGT konnte experimentell in Nicotiana tabacum mit einer Gentransferrate (GTR) von einem Ereignis in fünf Millionen Zellen nachgestellt werden, aber trotz seiner zentralen Bedeutung für die eukaryotische Evolution sind keine genetischen Faktoren bekannt, die die Häufigkeit von IGT in höheren Eukaryoten beeinflussen. Der Schwerpunkt dieser Arbeit lag auf der Bestimmung der Rolle verschiedener DNA-Reparaturwege der Doppelstrangbruchreparatur (DSBR) bei der Integration von Organellen-DNA in das Kerngenom während des IGT. Dazu wurde in N. tabacum eine CRISPR/Cas9-basierte Mutagenesestrategie angewandt, mit dem Ziel, Mutanten in Kerngenen zu erzeugen, für die keine sichtbaren Phänotypen zu erwarten sind. Diese Strategie führte zur Erzeugung einer Reihe unabhängiger Mutanten im LIG4-Gen (notwendig für „non-homologous end joining“, die nicht-homologe Verbindung von Enden, NHEJ) und POLQ (notwendig für „microhomology mediated end joining“, die Mikrohomologie-vermittelte Verbindung von Enden, MMEJ). Die gezielte Beeinflussung anderer DSBR-Gene (KU70, KU80, RPA1C) führte zu Mutanten mit unerwartet starken Entwicklungsphänotypen. Diese Gene spielen eine Rolle beim Erhalt der Telomere, was auf einen möglichen Zusammenhang zwischen der Telomerlänge und der Stärke der Entwicklungsstörung bei Verlust der Telomerstruktur in Pflanzen hindeutet. Die Mutanten wurden in einem genetischen Hintergrund erzeugt, der über einen in den Plastiden lokalisierten IGT-Reporter verfügt, der nach Übertragung in den Zellkern Kanamycin-Resistenz vermittelt. In groß angelegten unabhängigen Experimenten wurde in lig4-Mutanten sowie in Linien, die für ein POLQ-Gen mit einer defekten Polymerase-Domäne (polqΔPol) kodieren, eine erhöhte GTR vom Chloroplasten zum Zellkern beobachtet. Dies zeigt, dass NHEJ oder MMEJ eine zweischneidige Beziehung zum IGT haben: Während übertragene Gene folglich über jeden der beiden Mechanismen integriert werden können, unterdrückt das gleichzeitige Vorhandensein beider Wege IGT in somatischen Wildtyp-Zellen, wodurch zum ersten Mal gezeigt wird, in welchem Ausmaß Kerngene die IGT-Häufigkeit in Pflanzen kontrollieren. Die erhöhte Verfügbarkeit von Doppelstrangbrüchen für die Integration könnte für die erhöhte IGT-Häufigkeit in den Mutanten verantwortlich sein. Darüber hinaus zeigt die Analyse des Zeitverlaufs, dass Gentransferereignisse (GT) in Abhängigkeit von der Zeit, die im Experiment unter Antibiotikaselektion verbracht wurde, linear akkumulieren, was beweist, dass es, anders als bisher angenommen, in somatischen IGT-Experimenten keine statische GTR gibt. Darüber hinaus scheint IGT in Gewebekulturexperimenten das Ergebnis eines Wettlaufs mit der Zeit um die Integration in das Kerngenom zu sein, der beginnt, wenn die Organellen-DNA in den Zellkern gelangt und eine vorübergehende Antibiotikaresistenz gewährt. Echte GT-Ereignisse und „Escapes“ (scheinbare Resistenz, ein vorläufiges Ausweichen vor der Kanamycin-Selektion) können zwei mögliche Ergebnisse dieses Wettlaufs sein: Die Fälle, in denen die Organellen-DNA integriert wird, werden als GT-Ereignisse gewertet, und in den Fällen, in denen die rechtzeitige Integration scheitert, kann die Antibiotikaresistenz nicht aufrechterhalten werden und sie werden als „Escape“ betrachtet. In den Mutanten verändern sich die Möglichkeiten zur Integration in das Kerngenom, wodurch sich das Gesamtverhältnis zwischen IGT- und „Escape“-Ereignissen ändert. Die hier erzeugten Ressourcen sind vielversprechende Ausgangspunkte für künftige Forschungen: (1) die Mutantensammlung, für die Untersuchung von weiteren Prozessen, die von der DNA-Reparatur in Pflanzen abhängen, (2) die Sammlung von GT-Linien, die aus den hier beschriebenen Experimenten gewonnen wurden, für die Untersuchung der Auswirkungen von DSBR-Mechanismen auf Integrationsmuster und Stabilität übertragener Gene und (3) der hier entwickelte Arbeitsablauf für die Mutantenerzeugung mittels CRISPR/Cas9, damit N. tabacum sein Potenzial als attraktives Modell für die Beantwortung komplexer biologischer Fragestellungen erfüllen kann.
T2  - Genetische Kontrolle des intrazellulären Gentransfers durch DNA-Reparatur in N. tabacum
KW  - endosymbiosis
KW  - organelles
KW  - gene
KW  - transfer
KW  - DNA
KW  - repair
KW  - genome
KW  - editing
KW  - evolution
KW  - plant
Y1  - 2023
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bühler, Miriam
T1  - The role of (xeno)hormone-activated GPER1 for centrosome amplification and whole chromosomal instability in colon cell lines
N2  - The G protein-coupled estrogen receptor (GPER1) is acknowledged as an important mediator of estrogen signaling. Given the ubiquitous expression of GPER1, it is likely that the receptor plays a role in a variety of malignancies, not only in the classic hormonally regulated tissues (e.g., breast, ovary, and prostate), but also in the colon. As colorectal cancer (CRC) is the third most common cancer in both men and women worldwide and environmental factors and dietary habits are important risk factors, it is increasingly recognized that natural and synthetic hormones and their associated receptors might play a role in CRC. Through oral consumption, environmental contaminants with endocrine activity are in contact with the gastrointestinal mucosa, where they might exert their toxic effects. Although GPER1 has been shown to be engaged in physiological and pathophysiological processes, its role in CRC remains poorly understood. Thus, pro- as well as anti-tumorigenic effects are described in the literature. This thesis has uncovered novel roles of GPER1 in mediating major CRC-associated phenotypes in transformed and non-transformed colon cell lines. Exposure to the estrogens 17β-estradiol (E2), bisphenol-A (BPA) and diethylstilbestrol (DES) but also the androgen dihydrotestosterone (DHT) resulted in GPER1-dependent induction of supernumerary centrosomes, whole chromosomal instability (w-CIN) and aneuploidy. Indeed, both knockdown and inhibition of GPER1 attenuated the generation of (xeno)hormone-driven supernumerary centrosomes and karyotype instability. Mechanistically, (xeno)hormone-induced centrosome amplification was associated with transient multipolar mitosis and the generation of so called anaphase “lagging” chromosomes. The results of this thesis propose a GPER1/PKA/AKAP9-pathway in regulating centrosome numbers in colorectal cancer cells and the involvement of the centriolar protein centrin. Remarkably, exposure to (xeno)hormones resulted in atypical enlargement and unexpected phosphorylation of the centriole marker centrin in interphase. These findings provide a novel role for GPER1 in key CRC-prone lesions and shed light on underlying mechanisms that involve GPER1 function in the colon. Elucidating to what extent centrosomal proteins are involved in the GPER1-mediated aneugenic effect will be an important task for future studies. The present study was intended to lay a first foundation to understand the molecular basis and potential risk factors of CRC which might help to reduce the use of laboratory animals. Since numerous animal experiments are conducted in biomedical research, the development of alternative methods is indispensable. The Federal Institute for Risk Assessment (BfR) as the German Center for the Protection of Laboratory Animals (Bf3R) addresses this issue by uncovering underlying mechanisms leading to colorectal cancer as necessary prerequisite in order to develop alternative methods.
N2  - Der G-Protein-gekoppelte Östrogenrezeptor (GPER1) ist als wichtiger Vermittler von Östrogensignalen bekannt. Angesichts der ubiquitären Expression von GPER1 ist es wahrscheinlich, dass der Rezeptor bei einer Vielzahl von Krebserkrankungen eine Rolle spielt, nicht nur in den klassischen hormonell regulierten Geweben (z. B. Brust, Eierstöcke und Prostata), sondern auch im Darm. Da Darmkrebs (Colorectal cancer, CRC) weltweit die dritthäufigste Krebserkrankung sowohl bei Männern als auch bei Frauen ist und Umweltfaktoren und Ernährungsgewohnheiten wichtige Risikofaktoren darstellen, geht man zunehmend davon aus, dass natürliche und synthetische Hormone und ihre zugehörigen Rezeptoren eine Rolle im Darmkrebs spielen könnten. Durch orale Aufnahme kommen Umweltschadstoffe mit endokriner Aktivität mit der Magen-Darm-Schleimhaut in Kontakt, wo sie ihre toxischen Wirkungen entfalten könnten. Obwohl gezeigt wurde, dass GPER1 an physiologischen und pathophysiologischen Prozessen beteiligt ist, ist seine Rolle im Darmkrebs nach wie vor unzureichend geklärt. So werden in der Literatur sowohl Tumor-fördernde als auch -hemmende Wirkungen beschrieben werden. In dieser Arbeit wurden neue Rollen von GPER1 bei der Vermittlung wichtiger Darmkrebs-assoziierter Phänotypen in transformierten und nicht-transformierten Kolonzelllinien aufgedeckt. Die Exposition gegenüber den Östrogenen 17β-Östradiol (E2), Bisphenol-A (BPA) und Diethylstilbestrol (DES), aber auch dem Androgen Dihydrotestosteron (DHT) führte zu einer GPER1-abhängigen Induktion von überzähligen Zentrosomen, chromosomaler Instabilität (w-CIN) und Aneuploidie. Sowohl der Knockdown, als auch die Inhibierung von GPER1 verringerten die Entstehung von (xeno)hormon-bedingten überzähligen Zentrosomen und Karyotyp Instabilität. Mechanistisch gesehen war die (Xeno-)Hormon-induzierte Zentrosomen Amplifikation mit einer vorübergehenden multipolaren Mitose und der Bildung von sogenannten Anaphasen „lagging“ Chromosomen verbunden. Die Ergebnisse dieser Arbeit deuten auf einen GPER1/PKA/AKAP9-Weg zur Regulierung der Zentrosomenzahl in Darmkrebszellen und eine Beteiligung des zentriolären Proteins Zentrin hin. Bemerkenswerterweise führte die Exposition gegenüber (Xeno-)Hormonen zu einer atypischen Vergrößerung und unerwarteten Phosphorylierung des Zentriolen Markers Centrin in der Interphase. Diese Ergebnisse enthüllen eine neue Rolle für GPER1 in wichtigen, mit Darmkrebs assoziierten Läsionen und geben Aufschluss auf die zugrundeliegenden Mechanismen der GPER1-Funktion im Darm. Die Aufklärung zu welchem Ausmaßes zentrosomale Proteine an der GPER1-vermittelten aneugenischen Wirkung beteiligt sind, wird eine wichtige Aufgabe für zukünftige Studien sein. Mit der vorliegenden Studie sollte eine erste Grundlage für das Verständnis der molekularen Grundlagen und potenziellen Risikofaktoren von Darmkrebs geschaffen werden, was dazu beitragen könnte, den Einsatz von Versuchstieren zu reduzieren. Da in der biomedizinischen Forschung zahlreiche Tierversuche durchgeführt werden, ist die Entwicklung von Alternativmethoden unerlässlich. Das Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR) als Deutsches Zentrum zum Schutz von Versuchstieren (Bf3R) widmet sich diesem Thema, indem es die zugrundeliegenden Mechanismen, die zu Darmkrebs führen, als notwendige Voraussetzung für die Entwicklung alternativer Methoden aufdeckt.
KW  - centrosome amplification
KW  - colon cancer
KW  - G protein-coupled estrogen receptor
KW  - whole chromosomal instability
KW  - (xeno)hormones
KW  - Zentrosomen Amplifikation
KW  - Darmkrebs
KW  - G protein-gekoppelter Östrogen Rezeptor
KW  - chromosomale Instabilität
KW  - (Xeno)Hormone
Y1  - 2023
ER  - 
TY  - THES
A1  - von Bismarck, Thekla
T1  - The influence of long-term light acclimation on photosynthesis in dynamic light
N2  - Photosynthesis converts light into metabolic energy which fuels plant growth. In nature, many factors influence light availability for photosynthesis on different time scales, from shading by leaves within seconds up to seasonal changes over months. Variability of light energy supply for photosynthesis can limit a plant´s biomass accumulation. Plants have evolved multiple strategies to cope with strongly fluctuation light (FL). These range from long-term optimization of leaf morphology and physiology and levels of pigments and proteins in a process called light acclimation, to rapid changes in protein activity within seconds. Therefore, uncovering how plants deal with FL on different time scales may provide key ideas for improving crop yield. Photosynthesis is not an isolated process but tightly integrates with metabolism through mutual regulatory interactions. We thus require mechanistic understanding of how long-term light acclimation shapes both, dynamic photosynthesis and its interactions with downstream metabolism. To approach this, we analyzed the influence of growth light on i) the function of known rapid photosynthesis regulators KEA3 and VCCN1 in dynamic photosynthesis (Chapter 2-3) and ii) the interconnection of photosynthesis with photorespiration (PR; Chapter 4).
We approached topic (i) by quantifying the effect of different growth light regimes on photosynthesis and photoprotection by using kea3 and vccn1 mutants. Firstly, we found that, besides photosynthetic capacity, the activities of VCCN1 and KEA3 during a sudden high light phase also correlated with growth light intensity. This finding suggests regulation of both proteins by the capacity of downstream metabolism. Secondly, we showed that KEA3 accelerated photoprotective non-photochemical quenching (NPQ) kinetics in two ways: Directly via downregulating the lumen proton concentration and thereby de-activating pH-dependent NPQ, and indirectly via suppressing accumulation of the photoprotective pigment zeaxanthin. 
For topic (ii), we analyzed the role of PR, a process which recycles a toxic byproduct of the carbon fixation reactions, in metabolic flexibility in a dynamically changing light environment. For this we employed the mutants hpr1 and ggt1 with a partial block in PR. We characterized the function of PR during light acclimation by tracking molecular and physiological changes of the two mutants. Our data, in contrast to previous reports, disprove a generally stronger physiological relevance of PR under dynamic light conditions. Additionally, the two different mutants showed pronounced and distinct metabolic changes during acclimation to a condition inducing higher photosynthetic activity. This underlines that PR cannot be regarded purely as a cyclic detoxification pathway for 2PG. Instead, PR is highly interconnected with plant metabolism, with GGT1 and HPR1 representing distinct metabolic modulators. 
In summary, the presented work provides further insight into how energetic and metabolic flexibility is ensured by short-term regulators and PR during long-term light acclimation.
N2  - Photosynthese wandelt Lichtenergie in metabolische Energie um, welche das Pflanzenwachstum antreibt. In der Natur wird die Verfügbarkeit von Licht von vielerlei Faktoren auf unterschiedlichen Zeitskalen beeinflusst, z. B. von der Beschattung durch Blätter innerhalb von Sekunden bis hin zu jahreszeitlichen Veränderungen über Monate. Fluktuationen in der Lichtenergieverfügbarkeit in der Natur kann die Biomasseakkumulation der Pflanzen limitieren. Pflanzen haben verschiedene Strategien entwickelt, um stark fluktuierendes Licht nutzen zu können. Diese reichen von der langfristigen Optimierung der Blattmorphologie und Physiologie und des Gehalts an Pigmenten und Proteinen in dem Prozess der Lichtakklimatisierung bis hin zu schnellen Veränderungen der Proteinaktivität innerhalb von Sekunden. Daher kann die Aufdeckung der Art und Weise, wie Pflanzen mit FL auf verschiedenen Zeitskalen umgehen, wichtige Ideen zur Verbesserung der Ernteerträge liefern. Die Photosynthese ist kein isolierter Prozess, sondern steht in enger Interaktion mit den nachgeschalteten Stoffwechselwegen. Daher benötigen wir mechanistisches Verständnis, wie Lichtakklimatisierung die dynamische Photosynthese als auch deren Interaktion mit Downstream-Metabolismus moduliert. Dafür haben wir den Einfluss von Lichtakklimatisierung auf i) die Funktion der schnellen Photosyntheseregulatoren KEA3 und VCCN1 in der dynamischen Photosynthese und ii) die flexible Interaktion von Photorespiration mit Photosynthese analysiert.
Im ersten Themenkomplex (i) wurden die Auswirkungen verschiedener Wachstumslicht-bedingungen auf Photosynthese und Photoprotektion anhand von kea3- und vccn1-Mutanten quantifiziert. Zum einen konnten wir zeigen, dass neben der photosynthetischen Kapazität auch die Aktivitäten von VCCN1 und KEA3 während eines Hochlichtpulses mit der Wachstumslichtintensität korrelierten. Dies deutet auf eine Regulierung beider Proteine durch die Kapazität des Downstream-Metabolismus hin. Zum anderen beschleunigte KEA3 die Kinetik des photoprotektiven nicht-photochemischen Quenchings (NPQ) auf zweifache Weise: Direkt über die Herabregulierung der lumenalen Protonenkonzentration, was den pH-abhängigen NPQ deaktivierte, und indirekt über die Unterdrückung der Akkumulation des photoprotektiven Pigments Zeaxanthin. 
Für das zweite Thema (ii) untersuchten wir die Rolle des photorespiratorischen Metabolismus (PR), welcher ein toxisches Nebenprodukt der Kohlenstofffixierungsreaktionen recycelt, in der metabolischen Flexibilität in einer sich dynamisch verändernden Lichtumgebung. Dazu verwendeten wir die Mutanten hpr1 und ggt1 mit teilweise blockiertem PR Flux. Unsere Daten widerlegen, im Gegensatz zu früheren Berichten, eine allgemein größere physiologische Bedeutung von PR unter dynamischen Lichtbedingungen. Die beiden Mutanten zeigten ausgeprägte und distinkte metabolische Veränderungen während der Akklimatisierung an eine Bedingung mit höherer photosynthetischer Aktivität. Dies zeigt, dass PR nicht ausschließlich als zyklischer Entgiftungsweg für 2PG angesehen werden kann. Vielmehr ist PR tief in den pflanzlichen Stoffwechsel eingebettet, wobei GGT1 und HPR1 als distinkte Stellschrauben des Downstream-Metabolismus agieren. 
Zusammenfassend liefert die vorliegende Arbeit weitere Erkenntnisse darüber, wie die energetische und metabolische Flexibilität durch kurzfristige Regulatoren und den photorespiratorischen Metabolismus während der langfristigen Lichtakklimatisierung gewährleistet wird.
KW  - photosynthesis
KW  - fluctuating light
KW  - Arabidopsis thaliana
KW  - Photosynthese
KW  - fluktuierendes Licht
Y1  - 2023
ER  - 
TY  - THES
A1  - Rolo, David
T1  - Assembly of photosystem I in thylakoid membranes
T1  - Die Assemblierung des Photosystems I in der Thylakoidmembran
N2  - The light reactions of photosynthesis are carried out by a series of multiprotein complexes embedded in thylakoid membranes. Among them, photosystem I (PSI), acting as plastocyanin-ferderoxin oxidoreductase, catalyzes the final reaction. Together with light-harvesting antenna I, PSI forms a high-molecular-weight supercomplex of ~600 kDa, consisting of eighteen subunits and nearly two hundred co-factors. Assembly of the various components into a functional thylakoid membrane complex requires precise coordination, which is provided by the assembly machinery. Although this includes a small number of proteins (PSI assembly factors) that have been shown to play a role in the formation of PSI, the process as a whole, as well as the intricacy of its members, remains largely unexplored.
In the present work, two approaches were used to find candidate PSI assembly factors. First, EnsembleNet was used to select proteins thought to be functionally related to known PSI assembly factors in Arabidopsis thaliana (approach I), and second, co-immunoprecipitation (Co-IP) of tagged PSI assembly factors in Nicotiana tabacum was performed (approach II).
Here, the novel PSI assembly factors designated CO-EXPRESSED WITH PSI ASSEMBLY 1 (CEPA1) and Ycf4-INTERACTING PROTEIN 1 (Y4IP1) were identified. A. thaliana null mutants for CEPA1 and Y4IP1 showed a growth phenotype and pale leaves compared with the wild type. Biophysical experiments using pulse amplitude modulation (PAM) revealed insufficient electron transport on the PSII acceptor side. Biochemical analyses revealed that both CEPA1 and Y4IP1 are specifically involved in PSI accumulation in A. thaliana at the post-translational level but are not essential. Consistent with their roles as factors in the assembly of a thylakoid membrane protein complex, the two proteins localize to thylakoid membranes. Remarkably, cepa1 y4ip1 double mutants exhibited lethal phenotypes in early developmental stages under photoautotrophic growth. Finally, co-IP and native gel experiments supported a possible role for CEPA1 and Y4IP1 in mediating PSI assembly in conjunction with other PSI assembly factors (e.g., PPD1- and PSA3-CEPA1 and Ycf4-Y4IP1). The fact that CEPA1 and Y4IP1 are found exclusively in green algae and higher plants suggests eukaryote-specific functions. Although the specific mechanisms need further investigation, CEPA1 and Y4IP1 are two novel assembly factors that contribute to PSI formation.
N2  - Die Lichtreaktionen der Photosynthese werden von einer Reihe von Multiproteinkomplexen durchgeführt, die in Thylakoidmembranen eingebettet sind. Hier katalysiert das Photosystem I (PSI), das als Plastocyanin-Ferderoxin-Oxidoreduktase fungiert, die letzte Reaktion. Zusammen mit der lichtsammelnden Antenne I bildet PSI einen hochmolekularen Superkomplex von etwa 600 kDa, der aus achtzehn Untereinheiten und fast zweihundert Co-Faktoren besteht. Der Zusammenbau der verschiedenen Komponenten zu einem funktionsfähigen Thylakoidmembrankomplex erfordert eine präzise Koordination, die durch den Assemblierungsapparat gewährleistet wird. Obwohl dieser eine kleine Anzahl von Proteinen (PSI-Assemblierungsfaktoren) umfasst, die nachweislich eine Rolle bei der Bildung des PSI spielen, ist der Prozess als Ganzes sowie die Komplexität seiner Mitglieder noch weitgehend unerforscht.
In der vorliegenden Arbeit wurden zwei Ansätze verwendet, um Kandidaten für PSI-Assemblierungsfaktoren zu finden. Erstens wurde EnsembleNet verwendet, um Proteine auszuwählen, von denen angenommen wird, dass sie funktionell mit bekannten PSI-Assemblierungsfaktoren in Arabidopsis thaliana verwandt sind (Ansatz I), und zweitens wurde eine Co-Immunopräzipitation (Co-IP) von markierten PSI-Assemblierungsfaktoren in Nicotiana tabacum durchgeführt (Ansatz II).
Dabei wurden die neuartigen PSI-Assemblierungsfaktoren mit der Bezeichnung CO-EXPRESSED WITH PSI ASSEMBLY 1 (CEPA1) und Ycf4-INTERACTING PROTEIN 1 (Y4IP1) identifiziert. A. thaliana Nullmutanten für CEPA1 und Y4IP1 zeigten einen Wachstumsphänotyp und blasse Blätter im Vergleich zum Wildtyp. Biophysikalische Experimente unter Verwendung der Pulsamplitudenmodulation (PAM) zeigten einen unzureichenden Elektronentransport auf der PSII-Akzeptorseite. Biochemische Analysen ergaben, dass sowohl CEPA1 als auch Y4IP1 spezifisch an der PSI-Akkumulation in A. thaliana auf posttranslationaler Ebene beteiligt, jedoch nicht essentiell sind. Entsprechend ihrer Rolle als Faktoren für den Aufbau eines Thylakoidmembran-Proteinkomplexes sind die beiden Proteine an Thylakoidmembranen lokalisiert. Bemerkenswerterweise wiesen cepa1 y4ip1-Doppelmutanten in frühen Entwicklungsstadien unter photoautotrophem Wachstum tödliche Phänotypen auf. Schließlich untermauerten Co-IP- und native Gelexperimente eine mögliche Rolle von CEPA1 und Y4IP1 bei der Vermittlung des PSI-Aufbaus in Verbindung mit anderen PSI-Aufbaufaktoren (z. B. PPD1- und PSA3-CEPA1, und Ycf4-Y4IP1). Die Tatsache, dass CEPA1 und Y4IP1 ausschließlich in Grünalgen und höheren Pflanzen vorkommen, lässt auf eukaryontenspezifische Funktionen schließen. Obwohl die spezifischen Mechanismen noch weiter untersucht werden müssen, sind CEPA1 und Y4IP1 zwei neuartige Assemblierungsfaktoren, die zur PSI-Bildung beitragen.
KW  - photosynthesis
KW  - photosystem I
KW  - biogenesis
KW  - thylakoid membranes
KW  - assembly factor
KW  - Photosynthese
KW  - Photosystem I
KW  - Biogenese
KW  - Thylakoidmembran
KW  - Assemblierungsfaktor
Y1  - 2023
ER  - 
TY  - THES
A1  - Leer, Marina
T1  - Computational analysis of the effects of ageing and diet on stem cell function and ectopic fat accumulation in the musculoskeletal system
N2  - The musculoskeletal system provides support and enables movement to the body, and its deterioration is a crucial aspect of age-related functional decline. Mesenchymal stromal cells (MSCs) play an important role in musculoskeletal homeostasis due to their broad differentiation potentials and their ability to support osteogenic and myogenic tissue maintenance and regeneration. In the bone, MSCs differentiate either into osteochondrogenic progenitors to form osteocytes and chondrocytes, or increasingly with age into adipogenic progenitors which give rise to bone-resident adipocytes. In skeletal muscle, during healthy regeneration MSCs provide regulatory signals that activate local, tissue-specific stem cells, known as satellite cells, which regenerate contractile myofibres. This process involves a significant cross-talk to immune cells stemming from both lymphoid and myeloid lineages. During ageing, muscle-resident MSCs undergo increased adipogenic lineage commitment, causing niche changes that contribute to fatty infiltration in muscles. These shifts in cell populations in bone lead to the loss of osteogenic cells and subsequently osteoporosis, or in muscle to impaired regeneration and to the development of sarcopenia. However, the signals that drive transition of MSCs into their respective cellular fates remain elusive. 
This thesis aims to elucidate the transcriptional shifts modulating cell states and cell types in musculoskeletal MSC fate determination. Single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) was used to characterise cell type-specific transcript regulation. State-of-the-art bioinformatics tools were combined with different analytical platforms that include both droplet-based scRNA-seq for large heterogeneous populations, and microfluidics-based scRNA-seq to assess small, rare subpopulations. For each platform, distinct computational pipelines were established including filtering steps to exclude low-quality cells, and data visualisation was performed by dimensionality reduction. Downstream analysis included clustering, cell type annotation, and differential gene expression to investigate transcriptional states in defined cell types during ageing and injury in the muscle and bone. Finally, a novel tool to assess publication activities in defined areas of research for the identified marker genes was developed.
The results in the bone indicate that ageing MSCs increasingly commit towards an adipogenic fate at the expense of osteogenic specialisation. The data also suggests that significant cell population shifts of MSC-type fibro-adipogenic progenitors during muscle ageing underlie the pathologies observed in homeostatic and post-injury regenerative conditions. High-throughput visualisation of publication activity for candidate genes enabled more effective biological evaluation of scRNA-seq data. These results expose critical age-related changes in the stem cell niches of skeletal muscle and bone, highlight their respective sensitivity to nutrition and pathology, and elucidate novel factors that modulate stem cell-based regeneration. Targeting these processes might improve musculoskeletal health in the context of ageing and prevent the negative effects of pathological lineage determination.
N2  - Der Stütz- und Bewegungsapparat durchläuft eine altersbedingte gesundheitliche Verschlechterung, welche mit voranschreitendem Funktionsverlust einhergeht. Mesenchymale Stromazellen (MSCs) spielen aufgrund ihres breiten Differenzierungspotenzials und ihrer Fähigkeit, myogene bzw. osteogene Regenerationsprozesse zu unterstützen, eine wichtige Rolle in der muskuloskelettalen Homöostase. Im Knochen differenzieren MSCs entweder zu osteochondrogenen Vorläufern, um Knochen- bzw. Knorpelzellen zu bilden. Oder mit zunehmendem Alter werden vermehrt adipogene Vorläufer gebildet, aus denen Knochen-Fettzellen entstehen. Im Skelettmuskel sezernieren MSCs während der Muskelregeneration beispielsweise regulatorische Signale, die lokale, gewebespezifische Stammzellen, sogenannte Satellitenzellen, aktivieren, und diese daraufhin die kontraktilen Muskelfasern regenerieren. Dieser Prozess umfasst bedeutsame Wechselwirkung von Stammzellen mit Immunzellen sowohl der lymphoiden als auch aus myeloischen Abstammungslinien. Während des Alterns erhalten muskelresidente MSCs jedoch ein erhöhtes adipogenenes Potential, welches Nischenveränderung verursacht und damit zu einer Fettinfiltration in den Muskeln beitragen kann. Die Verschiebungen der Zellpopulationen verursachen einerseits den Verlust von osteogenen Vorläufern und fördern degenerative Prozesse im Knochengewebe, die Osteoporose zur Folge haben, oder beeinträchtigen die Regeneration im Muskel sowie dessen Funktionalität, und können damit zur altersbedingten Sarkopenie beitragen. MSCs durchlaufen einen Entscheidungsprozess um final zu differenzieren, der jedoch bislang nur unzureichend charakterisiert ist. 
Um diesen Aspekt zu beleuchten, untersucht diese Dissertation die diesem Prozess zugrundeliegende Veränderung der Transkriptionsprofile, welche die Zellzustände und Zelltypen bei der Differenzierung von muskuloskelettalen MSCs steuern. Einzelzell-RNA-Sequenzierung (scRNA-Seq) wurde verwendet, um die zelltyp-spezifische Transkriptionsregulation zu charakterisieren. Moderne bioinformatische Analyse-Tools und -Plattformen wurden kombiniert, die sowohl droplet-basierte (für große heterogene Populationen) als auch mikrofluidik-basierte scRNA-seq (für kleine, seltene Subpopulationen), umfassten. Es wurden plattform-spezifische Datenverarbeitungs-Pipelines generiert, einschließlich des Herausfilterns von Zellen geringer Qualität und Datenvisualisierung mit verschiedenen Dimensionsreduktions-Methoden. Die anschließende Analyse umfasste Clustering von Subpopulationen, Zelltyp-Annotation und differenzielle Genexpression, um die Transkriptionszustände in den definierten Zelltypen während des Alterns und bei Regeneration im Muskel und Knochen zu untersuchen. Abschließend wurde eine Software zur Bewertung der Publikationsaktivitäten in definierten Forschungsgebieten für die identifizierten Markergene entwickelt. 
Die Ergebnisse deuten im Knochen darauf hin, dass alternde MSCs auf Kosten der osteogenen Spezialisierung zunehmend adipogener werden. Weiterhin deuten unsere Daten darauf hin, dass im alternden Muskel eine signifikante Zellpopulationsanreicherung von MSCs zu fibro-adipogenen Vorläuferzellen stattfindet, welche den Pathologien in den Prozessen der Homöostase und Muskelregeneration nach Verletzung unterliegen. Die Visualisierung der Publikationsaktivität für Kandidatengene ermöglicht eine effektivere biologische Bewertung von scRNA-seq-Daten. Diese Ergebnisse offenbaren kritische altersbedingte Veränderungen innerhalb der Stammzellnischen von Skelettmuskeln und Knochen, und identifizieren neue Faktoren, die an stammzell-basierten Regeneration beteiligt sind. Diese Prozesse gezielt zu beeinflussen, könnte die muskuloskelettale Gesundheit im Alter verbessern und negative Effekte einer pathologischen Differenzierung verhindern.
KW  - single-cell RNA-sequencing
KW  - single-cell analysis
KW  - transcriptomics
KW  - mesenchymal stromal cells
KW  - musculoskeletal system
KW  - stem cell differentiation
KW  - mesenchymale stromale Zellen
KW  - Muskel-Skelett-System / Bewegungsapparat
KW  - Einzelzell-Sequenzierung
KW  - Einzelzell-Analyse
KW  - Stammzelldifferenzierung
KW  - Transkriptomik
Y1  - 2023
ER  - 
TY  - THES
A1  - Gätjen, Dominic
T1  - A Pichia pastoris surface display system for the efficient screening of high-producing antibody clones
N2  - Pichia pastoris (syn. Komagataella phaffi) is a distinguished expression system widely used in industrial production processes. Recent molecular research has focused on numerous approaches to increase recombinant protein yield in P. pastoris. For example, the design of expression vectors and synthetic genetic elements, gene copy number optimization, or co-expression of helper proteins
(transcription factors, chaperones, etc.). However, high clonal variability of transformants and low screening throughput have hampered significant success.
To enhance screening capacities, display-based methodologies inherit the potential for efficient isolation of producer clones via fluorescence-activated cell sorting (FACS). Therefore, this study focused on developing a novel clone selection method that is based on the non-covalent attachment of Fab fragments on the P. pastoris cell surface to be applicable for FACS.
Initially, a P. pastoris display system was developed, which is a prerequisite for the surface capture of secreted Fabs. A Design of Experiments approach was applied to analyze the influence of various genetic elements on antibody fragment display. The combined P. pastoris formaldehyde dehydrogenase promoter (PFLD1), Saccharomyces cerevisiae invertase 2 signal peptide (ScSUC2), - agglutinin (ScSAG1) anchor protein, and the ARS of Kluyveromyces lactis (panARS) conferred highest display levels.
Subsequently, eight single-chain variable fragments (scFv) specific for the constant part of the Fab heavy or light chain were individually displayed in P. pastoris. Among the tested scFvs, the anti-human CH1 IgG domain scFv allowed the most efficient Fab capture detected by flow cytometry.
Irrespective of the Fab sequence, exogenously added as well as simultaneously secreted Fabs were successfully captured on the cell surface. Furthermore, Fab secretion capacities were shown to correlate to the level of surface-bound Fabs as demonstrated for characterized producer clones.
Flow-sorted clones presenting high amounts of Fabs showed an increase in median Fab titers (factor of 21 to 49) compared to unsorted clones when screened in deep-well plates. For selected candidates, improved functional Fab yields of sorted cells vs. unsorted cells were confirmed in an upscaled shake flask production. Since the scFv capture matrix was encoded on an episomal plasmid with inherently unstable autonomously replicating sequences (ARS), efficient plasmid curing was observed after removing the selective pressure. Hence, sorted clones could be immediately used for production without the need to modify the expression host or vector. The resulting switchable display/secretion system provides a streamlined approach for the isolation of Fab producers and subsequent Fab production.
KW  - Pichia pastoris
KW  - Antibody
Y1  - 2023
ER  -