TY  - THES
A1  - Arnold, Anne
T1  - Modeling photosynthesis and related metabolic processes : from detailed examination to consideration of the metabolic context
T1  - Modellierung von Photosynthese und damit zusammenhängende metabolische Prozesse : von detaillierter Betrachtung hin zur Erörterung im metabolischen Kontext
N2  - Mathematical modeling of biological systems is a powerful tool to systematically investigate the functions of biological processes and their relationship with the environment. To obtain accurate and biologically interpretable predictions, a modeling framework has to be devised whose assumptions best approximate the examined scenario and which copes with the trade-off of complexity of the underlying mathematical description: with attention to detail or high coverage. Correspondingly, the system can be examined in detail on a smaller scale or in a simplified manner on a larger scale. In this thesis, the role of photosynthesis and its related biochemical processes in the context of plant metabolism was dissected by employing modeling approaches ranging from kinetic to stoichiometric models. The Calvin-Benson cycle, as primary pathway of carbon fixation in C3 plants, is the initial step for producing starch and sucrose, necessary for plant growth. Based on an integrative analysis for model ranking applied on the largest compendium of (kinetic) models for the Calvin-Benson cycle, those suitable for development of metabolic engineering strategies were identified. Driven by the question why starch rather than sucrose is the predominant transitory carbon storage in higher plants, the metabolic costs for their synthesis were examined. The incorporation of the maintenance costs for the involved enzymes provided a model-based support for the preference of starch as transitory carbon storage, by only exploiting the stoichiometry of synthesis pathways. Many photosynthetic organisms have to cope with processes which compete with carbon fixation, such as photorespiration whose impact on plant metabolism is still controversial. A systematic model-oriented review provided a detailed assessment for the role of this pathway in inhibiting the rate of carbon fixation, bridging carbon and nitrogen metabolism, shaping the C1 metabolism, and influencing redox signal transduction. The demand of understanding photosynthesis in its metabolic context calls for the examination of the related processes of the primary carbon metabolism. To this end, the Arabidopsis core model was assembled via a bottom-up approach. This large-scale model can be used to simulate photoautotrophic biomass production, as an indicator for plant growth, under so-called optimal, carbon-limiting and nitrogen-limiting growth conditions. Finally, the introduced model was employed to investigate the effects of the environment, in particular, nitrogen, carbon and energy sources, on the metabolic behavior. This resulted in a purely stoichiometry-based explanation for the experimental evidence for preferred simultaneous acquisition of nitrogen in both forms, as nitrate and ammonium, for optimal growth in various plant species. The findings presented in this thesis provide new insights into plant system's behavior, further support existing opinions for which mounting experimental evidences arise, and posit novel hypotheses for further directed large-scale experiments.
N2  - Mathematische Modellierung biologischer Systeme eröffnet die Möglichkeit systematisch die Funktionsweise biologischer Prozesse und ihrer Wechselwirkungen mit der Umgebung zu untersuchen. Um präzise und biologisch relevante Vorhersagen treffen zu können, muss eine Modellierungsstrategie konzipiert werden, deren Annahmen das untersuchte Szenario bestmöglichst widerspiegelt und die dem Trade-off der Komplexität der zugrunde liegenden mathematischen Beschreibung gerecht wird: Detailtreue gegenüber Größe. Dementsprechend kann das System detailliert, in kleinerem Umfang oder in vereinfachter Darstellung im größeren Maßstab untersucht werden. In dieser Arbeit wird mittels verschiedener Modellierungsansätze, wie kinetischen und stöchiometrischen Modellen, die Rolle der Photosynthese und damit zusammenhängender biochemischer Prozesse im Rahmen des Pflanzenstoffwechsels analysiert. Der Calvin-Benson-Zyklus, als primärer Stoffwechselweg der Kohlenstofffixierung in C3-Pflanzen, ist der erste Schritt der Stärke- und Saccharoseproduktion, welche maßgeblich für das Wachstum von Pflanzen sind. Basierend auf einer integrativen Analyse zur Modellklassifizierung wurden aus der größten bekannten Sammlung von (kinetischen) Modellen des Calvin-Benson-Zyklus diejenigen ermittelt, die für die Entwicklung von Metabolic-Engineering-Strategien geeignet sind. Angeregt von der Fragestellung warum Kohlenstoff transitorisch vorwiegend in Form von Stärke anstatt Saccharose gespeichert wird, wurden die metabolischen Kosten beider Syntheseprozesse genauer betrachtet. Die Einbeziehung der Bereitstellungskosten der beteiligten Enzyme stützt die Tatsache, dass bevorzugt Stärke als temporärer Kohlenstoffspeicher dient. Die entprechende Untersuchung erfolgte einzig auf Grundlage der Stöchiometrie der Synthesewege. In vielen photosynthetisch-aktiven Organismen findet zudem Photorespiration statt, die der Kohlenstofffixierung entgegenwirkt. Die genaue Bedeutung der Photorespiration für den Pflanzenmetabolismus ist noch umstritten. Eine detaillierte Einschätzung der Rolle dieses Stoffwechselweges bezüglich der Inhibierung der Kohlenstofffixierungsrate, der Verknüpfung von Kohlenstoff- und Stickstoffmetabolismus, der Ausprägung des C1-Stoffwechsels sowie die Einflussnahme auf die Signaltransduktion wurde in einer modell-basierten, kritischen Analyse vorgenommen. Um die Photosynthese in ihrem metabolischen Kontext verstehen zu können, ist die Betrachtung der angrenzenden Prozesse des primären Kohlenstoffmetabolismus unverzichtbar. Hierzu wurde in einem Bottom-up Ansatz das Arabidopsis core Modell entworfen, mittels dessen die Biomasseproduktion, als Indikator für Pflanzenwachtum, unter photoautotrophen Bedingungen simuliert werden kann. Neben sogenannten optimalen Wachstumsbedingungen kann dieses großangelegte Modell auch kohlenstoff- und stickstofflimitierende Umweltbedingungen simulieren. Abschließend wurde das vorgestellte Modell zur Untersuchung von Umwelteinflüssen auf das Stoffwechselverhalten herangezogen, im speziellen verschiedene Stickstoff-, Kohlenstoff- und Energiequellen. Diese auschließlich auf der Stöchiometrie basierende Analyse bietet eine Erklärung für die bevorzugte, gleichzeitige Aufnahme von Nitrat und Ammonium, wie sie in verschiedenen Spezies für optimales Wachstum experimentell beobachtet wurde. Die Resultate dieser Arbeit liefern neue Einsichten in das Verhalten von pflanzlichen Systemen, stützen existierende Ansichten, für die zunehmend experimentelle Hinweise vorhanden sind, und postulieren neue Hypothesen für weiterführende großangelegte Experimente.
KW  - stöchiometrische Modellierung
KW  - kinetische Modellierung
KW  - metabolische Netzwerke
KW  - metabolische Kosten
KW  - Photosynthese
KW  - stoichiometric modeling
KW  - kinetic modeling
KW  - metabolic networks
KW  - metabolic costs
KW  - photosynthesis
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-72277
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TY  - THES
A1  - Lotkowska, Magda Ewa
T1  - Functional analysis of MYB112 transcription factor in the model plant Arabidopsis thaliana
T1  - Funktionelle Charakterisierung von MYB112 Transkriptionsfaktor aus der Modellpflanze Arabidopsis thaliana
N2  - Transcription factors (TFs) are ubiquitous gene expression regulators and play essential roles in almost all biological processes. This Ph.D. project is primarily focused on the functional characterisation of MYB112 - a member of the R2R3-MYB TF family from the model plant Arabidopsis thaliana. This gene was selected due to its increased expression during senescence based on previous qRT-PCR expression profiling experiments of 1880 TFs in Arabidopsis leaves at three developmental stages (15 mm leaf, 30 mm leaf and 20% yellowing leaf). MYB112 promoter GUS fusion lines were generated to further investigate the expression pattern of MYB112. Employing transgenic approaches in combination with metabolomics and transcriptomics we demonstrate that MYB112 exerts a major role in regulation of plant flavonoid metabolism. We report enhanced and impaired anthocyanin accumulation in MYB112 overexpressors and MYB112-deficient mutants, respectively. Expression profiling reveals that MYB112 acts as a positive regulator of the transcription factor PAP1 leading to increased anthocyanin biosynthesis, and as a negative regulator of MYB12 and MYB111, which both control flavonol biosynthesis. We also identify MYB112 early responsive genes using a combination of several approaches. These include gene expression profiling (Affymetrix ATH1 micro-arrays and qRT-PCR) and transactivation assays in leaf mesophyll cell protoplasts. We show that MYB112 binds to an 8-bp DNA fragment containing the core sequence (A/T/G)(A/C)CC(A/T)(A/G/T)(A/C)(T/C). By electrophoretic mobility shift assay (EMSA) and chromatin immunoprecipitation coupled to qPCR (ChIP-qPCR) we demonstrate that MYB112 binds in vitro and in vivo to MYB7 and MYB32 promoters revealing them as direct downstream target genes. MYB TFs were previously reported to play an important role in controlling flavonoid biosynthesis in plants. Many factors acting upstream of the anthocyanin biosynthesis pathway show enhanced expression levels during nitrogen limitation, or elevated sucrose content. In addition to the mentioned conditions, other environmental parameters including salinity or high light stress may trigger anthocyanin accumulation. In contrast to several other MYB TFs affecting anthocyanin biosynthesis pathway genes, MYB112 expression is not controlled by nitrogen limitation, or carbon excess, but rather is stimulated by salinity and high light stress. Thus, MYB112 constitutes a previously uncharacterised regulatory factor that modifies anthocyanin accumulation under conditions of abiotic stress.
N2  - Transkriptionsfaktoren (TFs) sind ubiquitäre Regulatoren der Genexpression und spielen eine essentielle Rolle in nahezu allen biologischen Prozessen. Diese Doktorarbeit hat vor allem die funktionelle Charakterisierung von MYB112 zum Thema, einem Mitglied der R2R3-MYB-TF-Familie aus der Modellpflanze Arabidopsis thaliana. Ausgesucht wurde das Gen aufgrund seiner erhöhten Expression in seneszenten Blättern, basierend auf vorangegangenen qRT-PCR Expressions-Profiling Experimenten für 1880 TFs in Arabidopsis Blättern aus drei Entwicklungsstadien (15 mm Blatt, 30 mm Blatt und 20 % vergilbtes Blatt). MYB112-Promotor-GUS-Fusionslinien wurden generiert um das Expressionsmuster von MYB112 detailliert zu untersuchen. Unter Zuhilfenahme transgener Ansätze in Kombination mit Metabolomics und Transcriptomics können wir zeigen, dass MYB112 eine wichtige Rolle in der Regulation des pflanzlichen Flavonoid-Metabolismus spielt. In MYB112 Überexpressoren und MYB112-defizienten Mutanten kommt es zu erhöhter bzw. verminderter Anthocyanin-Akkumulation. Expressions-Profiling zeigt, dass MYB112 einerseits als ein positiver Regulator des Transkriptionsfaktors PAP1 fungiert, was zu einer erhöhten Anthocyanin-Biosynthese führt, andererseits als negativer Regulator von MYB12 und MYB111 auftritt, welche beide die Flavonol-Biosynthese kontrollieren. Wir haben früh auf MYB112 reagierende Gene durch eine Kombination verschiedener Ansätze identifiziert. Diese umfassen Genexpressions-Profiling (Affymetrix ATH1 Microarrays und qRT-PCR) und Transaktivierungs-Experimente in Mesophyll-Protoplasten aus Blättern. Wir zeigen, dass MYB112 an eine 8-bp DNA-Fragment, welches die Kernsequenz (A/T/G)(A/C)CC(A/T)(A/G/T)(A/C)(T/C) aufweist. Mit Hilfe von Electrophoretic Mobility Shift Assay (EMSA) und Chromatin-Immunopräzipitation gekoppelt mit qPCR (ChIP-qPCR) zeigen wir, dass MYB112 in vitro und in vivo an die Promotoren von MYB7 und MYB32 bindet was sie damit als direkte Zielgene von MYB112 identifiziert. Es wurde bereits gezeigt, dass MYB TFs eine wichtige Rolle bei der Kontrolle der Flavonoid-Biosynthese in Pflanzen haben. Viele Faktoren, die oberhalb des Anthocyanin-Biosyntheseweges agieren, werden bei Stickstofflimitierung oder erhöhter Saccharose-Konzentration auch verstärkt exprimiert. Außer den erwähnten Bedingungen können auch andere Umweltparameter, wie z. B. erhöhter Salzgehalt und Starklicht zu erhöhter Expression führen. Im Gegensatz jedoch zu einigen anderen MYB TFs, die einen Einfluss auf Gene des Anthocyanin-Biosyntheseweges ausüben, ist die Expression von MYB112 nicht durch Stickstoff-Limitierung oder Kohlenstoffüberfluss kontrolliert, sondern wird durch erhöhten Salzgehalt sowie Starklicht stimuliert. Somit ist MYB112 ein neuer Regulator, der eine Anthocyanin-Akkumulation unter abiotischen Stressbedingungen kontrolliert.
KW  - Transkriptionsfaktoren
KW  - Flavonoid-Metabolismus
KW  - Stress
KW  - Transaktivierungs-Experimente
KW  - Chromatin-Immunopräzipitation
KW  - transcription factors
KW  - flavonoid biosynthesis
KW  - stress
KW  - transactivation assay
KW  - chromatin immunoprecipitation
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-72131
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TY  - THES
A1  - Serrano, Paloma
T1  - Methanogens from Siberian permafrost as models for life on Mars : response to simulated martian conditions and biosignature characterization
T1  - Methanogene Archaeen aus sibirischen Permafrost als Modelle für Leben auf dem Mars
N2  - Mars is one of the best candidates among planetary bodies for supporting life. The presence of water in the form of ice and atmospheric vapour together with the availability of biogenic elements and energy are indicators of the possibility of hosting life as we know it. The occurrence of permanently frozen ground – permafrost, is a common phenomenon on Mars and it shows multiple morphological analogies with terrestrial permafrost. Despite the extreme inhospitable conditions, highly diverse microbial communities inhabit terrestrial permafrost in large numbers. Among these are methanogenic archaea, which are anaerobic chemotrophic microorganisms that meet many of the metabolic and physiological requirements for survival on the martian subsurface. Moreover, methanogens from Siberian permafrost are extremely resistant against different types of physiological stresses as well as simulated martian thermo-physical and subsurface conditions, making them promising model organisms for potential life on Mars. The main aims of this investigation are to assess the survival of methanogenic archaea under Mars conditions, focusing on methanogens from Siberian permafrost, and to characterize their biosignatures by means of Raman spectroscopy, a powerful technology for microbial identification that will be used in the ExoMars mission. For this purpose, methanogens from Siberian permafrost and non-permafrost habitats were subjected to simulated martian desiccation by exposure to an ultra-low subfreezing temperature (-80ºC) and to Mars regolith (S-MRS and P-MRS) and atmospheric analogues. They were also exposed to different concentrations of perchlorate, a strong oxidant found in martian soils. Moreover, the biosignatures of methanogens were characterized at the single-cell level using confocal Raman microspectroscopy (CRM). The results showed survival and methane production in all methanogenic strains under simulated martian desiccation. After exposure to subfreezing temperatures, Siberian permafrost strains had a faster metabolic recovery, whereas the membranes of non-permafrost methanogens remained intact to a greater extent. The strain Methanosarcina soligelidi SMA-21 from Siberian permafrost showed significantly higher methane production rates than all other strains after the exposure to martian soil and atmospheric analogues, and all strains survived the presence of perchlorate at the concentration on Mars. Furthermore, CRM analyses revealed remarkable differences in the overall chemical composition of permafrost and non-permafrost strains of methanogens, regardless of their phylogenetic relationship. The convergence of the chemical composition in non-sister permafrost strains may be the consequence of adaptations to the environment, and could explain their greater resistance compared to the non-permafrost strains. As part of this study, Raman spectroscopy was evaluated as an analytical technique for remote detection of methanogens embedded in a mineral matrix. This thesis contributes to the understanding of the survival limits of methanogenic archaea under simulated martian conditions to further assess the hypothetical existence of life similar to methanogens on the martian subsurface. In addition, the overall chemical composition of methanogens was characterized for the first time by means of confocal Raman microspectroscopy, with potential implications for astrobiological research.
N2  - Der Mars ist unter allen Planeten derjenige, der aufgrund verschiedener Faktoren am wahrscheinlichsten Leben ermöglichen kann. Das Vorhandensein von Wasser in Form von Eis und atmosphärischem Dampf zusammen mit der Verfügbarkeit biogener Elemente sowie Energie sind Indikatoren für die Möglichkeit, Leben, wie wir es kennen, zu beherbergen. Das Auftreten von dauerhaft gefrorenen Böden, oder auch Permafrost, ist ein verbreitetes Phänomen auf dem Mars. Dabei zeigen sich vielfältige morphologische Analogien zum terrestrischen Permafrost. Permafrostgebiete auf der Erde, welche trotz extremer, Bedingungen durch eine große Zahl und Vielfalt mikrobieller Gemeinschaften besiedelt sind, sind hinsichtlich möglicher Habitate auf dem Mars die vielversprechendste Analogie. Die meisten methanogenen Archaeen sind anaerobe, chemolithotrophe Mikroorganismen, die auf der Marsoberfläche viele der metabolischen und physiologischen Erfordernisse zum Überleben vorfinden. Methanogene Archaeen aus dem sibirischen Permafrost sind zudem extrem resistent gegenüber unterschiedlichen Formen von physiologischem Stress sowie simulierten thermo-physikalischen Marsbedingungen. Die Hauptziele dieser Untersuchung bestehen darin, das Überleben der methanogenen Archaeen unter Marsbedingungen zu beurteilen, wobei der Fokus auf methanogenen Archaeen aus dem sibirischen Permafrost liegt, sowie deren Biosignaturen mit Hilfe der Raman-Spektroskopie zu charakterisieren, einer starken Technologie zur mikrobiellen Identifikation, welche bei der ExoMars-Mission zum Einsatz kommen wird. Zu diesem Zweck wurden methanogene Archaeen aus dem sibirischen Permafrost sowie aus Nicht-Permafrost-Habitaten in Simulationen Marsbedingungen ausgesetzt, wie Austrocknung durch Langzeitversuche bei ultraniedrigen Temperaturen unter dem Gefrierpunkt (-80ºC), Mars-analogen Mineralien (S-MRS und P-MRS) sowie einer Marsatmosphäre. Weiterhin wurden die Kulturen verschiedenen Konzentrationen von Magnesiumperchlorat, einem starken Oxidant, der im Marsboden nachgewiesenen wurde, ausgesetzt. Ferner wurden die Biosignaturen einzelner Zellen der methanogenen Archaeen mit Hilfe der konfokalen Raman-Mikrospektroskopie (CRM) charakterisiert. Die Ergebnisse zeigten für alle untersuchten methanogenen Stämme Überleben und Methanbildung, nachdem diese simulierten Austrocknungsbedingungen ausgesetzt worden waren. Nach Versuchen mit Temperaturen unter dem Gefrierpunkt zeigten die Stämme aus dem sibirischen Permafrost eine schnellere Wiederaufnahme der Stoffwechseltätigkeit, wohingegen bei den Referenzorganismen aus Nicht-Permafrost-Habitaten die Zell¬membranen im größeren Ausmaß intakt blieben. Der Stamm Methanosarcina soligelidi SMA-21 aus dem sibirischen Permafrost zeigte nach dem Belastungstest mit Marsboden und Mars-analoger Atmosphäre signifikant höhere Methanbildungsraten. Zudem überlebten alle untersuchten Stämme die Zugabe von Magnesiumperchlorat in der entsprechenden Konzentration, die auf dem Mars vorkommt. Weiterhin konnten durch die Raman-Spektroskopie beachtliche Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung zwischen methanogenen Archaeen aus Permafrost- und Nicht-Permafrost-Habitaten, trotz ihrer phylogenetischen Verwandtschaft, ermittelt werden. Die Konvergenz der chemischen Zusammensetzung der Permafrost-Stämme könnte das Resultat ihrer Anpassung an die Umgebung sein, was auch die Unterschiede hinsichtlich ihrer Resistenz verglichen mit Nicht-Permafrost-Stämmen erklären könnte. Als Teil dieser Studie wurde die Raman-Spektroskopie als Analyse-Technik zur Ferndetektion von methanogenen Archaeen, welche in eine Mineral-Matrix eingebettet sind, evaluiert. Diese Dissertation trägt zu einem besseren Verständnis hinsichtlich der Grenzen für ein Überleben von methanogenen Archaeen unter simulierten Marsbedingungen bei und damit zu einer Beurteilung der Hypothese, ob es ähnliches Leben unter der Marsoberfläche geben könnte. Darüber hinaus wurde erstmalig die chemische Zusammensetzung von methanogenen Archaeen mit Hilfe der Raman-Mikrospektroskopie charakterisiert. Dieser Technologie kommt eine wesentliche Bedeutung für weitere Forschungstätigkeit in der Astrobiologie zu.
KW  - Methanogene Archaeen
KW  - sibirischen Permafrost
KW  - Mars
KW  - Raman Spektroskopie
KW  - Biosignaturen
KW  - methanogenic archaea
KW  - Siberian permafrost
KW  - Mars
KW  - Raman spectroscopy
KW  - biosignatures
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-72299
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TY  - THES
A1  - Tenenboim, Yehezkel
T1  - Characterization of a Chlamydomonas protein involved in cell division and autophagy
T1  - Charakterisierung eines an Zellteilung und Autophagie beteiligten Chlamydomonas-Proteins
N2  - The contractile vacuole (CV) is an osmoregulatory organelle found exclusively in algae and protists. In addition to expelling excessive water out of the cell, it also expels ions and other metabolites and thereby contributes to the cell's metabolic homeostasis. The interest in the CV reaches beyond its immediate cellular roles. The CV's function is tightly related to basic cellular processes such as membrane dynamics and vesicle budding and fusion; several physiological processes in animals, such as synaptic neurotransmission and blood filtration in the kidney, are related to the CV's function; and several pathogens, such as the causative agents of sleeping sickness, possess CVs, which may serve as pharmacological targets. The green alga Chlamydomonas reinhardtii has two CVs. They are the smallest known CVs in nature, and they remain relatively untouched in the CV-related literature. Many genes that have been shown to be related to the CV in other organisms have close homologues in C. reinhardtii. We attempted to silence some of these genes and observe the effect on the CV. One of our genes, VMP1, caused striking, severe phenotypes when silenced. Cells exhibited defective cytokinesis and aberrant morphologies. The CV, incidentally, remained unscathed. In addition, mutant cells showed some evidence of disrupted autophagy. Several important regulators of the cell cycle as well as autophagy were found to be underexpressed in the mutant. Lipidomic analysis revealed many meaningful changes between wild-type and mutant cells, reinforcing the compromised-autophagy observation. VMP1 is a singular protein, with homologues in numerous eukaryotic organisms (aside from fungi), but usually with no relatives in each particular genome. Since its first characterization in 2002 it has been associated with several cellular processes and functions, namely autophagy, programmed cell-death, secretion, cell adhesion, and organelle biogenesis. It has been implicated in several human diseases: pancreatitis, diabetes, and several types of cancer. Our results reiterate some of the observations in VMP1's six reported homologues, but, importantly, show for the first time an involvement of this protein in cell division. The mechanisms underlying this involvement in Chlamydomonas, as well as other key aspects, such as VMP1's subcellular localization and interaction partners, still await elucidation.
N2  - Die kontraktile Vakuole ist ein osmoregulatorisches Organell, das ausschließlich in Algen und Protisten vorkommt. Zusätzlich zu ihrer Rolle als Ausstoßer überflüßigen Wassers aus der Zelle heraus, stößt sie auch Ionen und andere Metaboliten aus, und trägt dabei zur metabolischen Homöostase der Zelle bei. Das Interesse an der kontraktilen Vakuole erstreckt sich über seine unmittelbare zelluläre Rolle hinaus. Die Funktion der kontraktilen Vakuole ist mit einigen grundsätzlichen zellulären Verfahren, wie Membrandynamik und Vesikelknospung und -fusion, verwandt; einige physiologische Verfahren in Tieren, zum Beispiel synaptische Neurotransmission und das Filtrieren des Blutes in den Nieren, sind mit der Funktion der Vakuole eng verwandt; und einige Pathogene—der Ursacher der Schlafkrankheit als Beispiel—besitzen kontraktile Vakuolen, die als Ziele von Medikamenten dienen könnten. Die grüne Alge Chlamydomonas reinhardtii verfügt über zwei Vakuolen. Sie sind die kleinsten bekannten in der Natur, und bleiben bisher verhältnismäßig unerforscht. Viele Gene, die in anderen Organismen als kontraktile-Vakuole-bezogen erwiesen wurden, haben Homologe in C. reinhardtii. Wir versuchten, diese Gene auszuschalten und den Einfluss auf die Vakuole zu beobachten. Die Ausschaltung eines unserer Gene, VMP1, verursachte starke, beachtliche Phänotype. Die Zellen zeigten gestörte Zytokinese und aberrante Zellformen. Die kontraktile Vakuole blieb jedoch verschont. Des Weiteren zeigten Mutantzellen einige Hinweise auf gestörte Autophagie. Einige wichtige Gene des Zellzyklus und der Autophagie waren unterexprimiert in Mutantzellen. Lipidomische Analyse zeigte mehrere bedeutsame Unterschiede zwischen Wildtyp und Mutant, die die Beobachtungen der gestörten Autophagie verstärkten. VMP1 ist ein singularisches Protein, mit Homologen in zähligen eukaryotischen Organismen (jedoch nicht in Pilzen), aber üblicherweise ohne Verwandte in den jeweiligen Genomen. Seit seiner Erstcharakterisierung 2002 wurde es mit etlichen zellulären Verfahren, wie Autophagie, programmiertem Zelltod, Sekretion, Zelladhäsion, und Biogenese der Organellen, assoziiert. Es wurde auch mit einigen menschlichen Krankheiten wie Diabetes, Pankreatitis, und einigen Arten von Krebs in Verbindung gebracht. Unsere Ergebnisse wiederholen einige Beobachtungen in anderen Organismen, zeigen dennoch zum ersten Mal eine Beteiligung von VMP1 an der Zellteilung. Die unterliegenden Mechanismen dieser Beteiligung in Chlamydomonas, sowie andere wichtige Aspekte, etwa die subzelluläre Lokalisierung von VMP1 und dessen Interaktionspartner, warten noch auf Aufklärung.
KW  - VMP1
KW  - autophagy
KW  - cytokinesis
KW  - chlamydomonas
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-70650
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TY  - THES
A1  - Trost, Gerda
T1  - Poly(A) Polymerase 1 (PAPS1) influences organ size and pathogen response in Arabidopsis thaliana
T1  - Poly(A) Polymerase 1 (PAPS1) beeinflusst die Organgröße und Pathogenantwort in Arabidopsis thaliana
N2  - Polyadenylation of pre-mRNAs is critical for efficient nuclear export, stability, and translation of the mature mRNAs, and thus for gene expression. The bulk of pre-mRNAs are processed by canonical nuclear poly(A) polymerase (PAPS). Both vertebrate and higher-plant genomes encode more than one isoform of this enzyme, and these are coexpressed in different tissues. However, in neither case is it known whether the isoforms fulfill different functions or polyadenylate distinct subsets of pre-mRNAs. This thesis shows that the three canonical nuclear PAPS isoforms in Arabidopsis are functionally specialized owing to their evolutionarily divergent C-terminal domains. A moderate loss-of-function mutant in PAPS1 leads to increase in floral organ size, whereas leaf size is reduced. A strong loss-of-function mutation causes a male gametophytic defect, whereas a weak allele leads to reduced leaf growth. By contrast, plants lacking both PAPS2 and PAPS4 function are viable with wild-type leaf growth. Polyadenylation of SMALL AUXIN UP RNA (SAUR) mRNAs depends specifically on PAPS1 function. The resulting reduction in SAUR activity in paps1 mutants contributes to their reduced leaf growth, providing a causal link between polyadenylation of specific pre-mRNAs by a particular PAPS isoform and plant growth. Additionally, opposite effects of PAPS1 on leaf and flower growth reflect the different identities of these organs. The overgrowth of paps1 mutant petals is due to increased recruitment of founder cells into early organ primordia whereas the reduced leaf size is due to an ectopic pathogen response. This constitutive immune response leads to increased resistance to the biotrophic oomycete Hyaloperonospora arabidopsidis and reflects activation of the salicylic acid-independent signalling pathway downstream of ENHANCED DISEASE SUSCEPTIBILITY1 (EDS1)/PHYTOALEXIN DEFICIENT4 (PAD4). Immune responses are accompanied by intracellular redox changes. Consistent with this, the redox-status of the chloroplast is altered in paps1-1 mutants. The molecular effects of the paps1-1 mutation were analysed using an RNA sequencing approach that distinguishes between long- and short tailed mRNA. The results shown here suggest the existence of an additional layer of regulation in plants and possibly vertebrate gene expression, whereby the relative activities of canonical nuclear PAPS isoforms control de novo synthesized poly(A) tail length and hence expression of specific subsets of mRNAs.
N2  - Polyadenylierung von prä-mRNAs ist entscheidend für den Export aus dem Zellkern, die Stabilität und die Translation der reifen mRNAs und dadurch für die Genexpression. Der Großteil der mRNAs wird durch sogenannte canonische Poly(A) Polymerasen (cPAPS) prozessiert. Die Genome von sowohl Wirbeltieren als auch Pflanzen kodieren mehr als eine Isoform dieser Enzyme, welche gleichzeitig in verschiedenen Geweben exprimiert werden. Es ist jedoch kein Beispiel bekannt, das zeigt, ob die verschiedenen Isoformen unterschiedliche Funktionen einnehmen bzw. verschiedene Untergruppen von mRNAs polyadenylieren. Diese Arbeit zeigt, dass drei canonische PAPS Isoformen in Arabidopsis thaliana aufgrund ihrer evolutionär unterschiedlichen C-terminalen Domänen spezialisierte Funktionen haben. Eine schwache Verlust-Mutation im PAPS1 Gen bewirkt eine Vergrößerung der Blütenorgane, während die Blattgröße vermindert ist. Eine starke Verlust-Mutation bewirkt zusätzlich einen Defekt der männlichen Keimzellen. Im Gegenzug dazu sind Mutanten des PAPS2 oder PAPS4 Gens gesund und zeigen ein normales Wachstum. Polyadenylierung von SMALL AUXIN UP RNA (SAUR) mRNAs hängt spezifisch von der Funktion von PAPS1 ab. Die daraus entstehende Reduzierung der SAUR Aktivität in den paps1 Mutanten trägt zur Verringerung der Blattgröße bei und stellt eine kausale Verbindung zwischen Polyadenylierung spezifischer mRNAs durch bestimmte PAPS Isoformen und Pflanzenwachstum dar. Zusätzlich spiegeln die unterschiedlichen Effekte von PAPS1 auf Blüten und Blätter die Identitäten dieser Organe wieder. Das übermäßige Wachstum der mutanten Petalen beruht auf einer erhöhten Anzahl an Gründer-Zellen im frühen Primordium, wohingegen die verminderte Blattgröße auf eine ektopische Pathogen Antwort zurückzuführen ist. Diese konstitutive Immunantwort bewirkt eine erhöhte Resistenz der Mutanten gegenüber dem biotrophen Oomyceten Hyaloperonospora arabidopsidis und reflektiert die Aktivierung des Salizylsäure unabhängigen Signalweges von ENHANCED DISEASE SUSCEPTIBILITY1 (EDS1)/PHYTOALEXIN DEFICIENT4 (PAD4). Immunantworten sind von Veränderungen des intrazellulären Redoxpotenzials gekennzeichnet. Damit übereinstimmend zeigen die Chloroplasten der paps1-1 Mutanten ein verändertes Redoxpotenzial. Zur genaueren Aufklärung der molekularen Effekte der paps1 1 mutation wurde eine RNA-Sequenzierungsmethode verwendet, die zwischen mRNAs mit langem oder kurzem Poly(A) Schwanz unterscheidet. Die Aktivitäten der verschiedenen canonischen PAPS Isoformen kontrollieren die Länge des neu synthetisierten poly(A) Schwanzes und damit die Expression spezifischer Untergruppen von mRNAs. Dadurch lassen die hier gezeigten Ergebnisse eine weitere Ebene der Genregulierung in Pflanzen, und möglicherweise auch in anderen Eukaryoten, vermuten.
KW  - Polyadenylierung
KW  - Pathogenantwort
KW  - Organgröße
KW  - polyadenylation
KW  - pathogen response
KW  - organ size
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-72345
ER  -