TY  - THES
A1  - Nietzsche, Madlen
T1  - Identifizierung und Charakterisierung neuer Komponenten der SnRK1-Signaltransduktion in Arabidopsis thaliana
T1  - Identification and characterization of novel components of SnRK1-Signalling in Arabidopsis thaliana
N2  - Für alle Organismen ist die Aufrechterhaltung ihres energetischen Gleichgewichts unter fluktuierenden Umweltbedingungen lebensnotwendig. In Eukaryoten steuern evolutionär konservierte Proteinkinasen, die in Pflanzen als SNF1-RELATED PROTEIN KINASE1 (SnRK1) bezeichnet werden, die Adaption an Stresssignale aus der Umwelt und an die Limitierung von Nährstoffen und zellulärer Energie. Die Aktivierung von SnRK1 bedingt eine umfangreiche transkriptionelle Umprogrammierung, die allgemein zu einer Repression energiekonsumierender Prozesse wie beispielsweise Zellteilung und Proteinbiosynthese und zu einer Induktion energieerzeugender, katabolischer Stoffwechselwege führt. Wie unterschiedliche Signale zu einer generellen sowie teilweise gewebe- und stressspezifischen SnRK1-vermittelten Antwort führen ist bisher noch nicht ausreichend geklärt, auch weil bislang nur wenige Komponenten der SnRK1-Signaltransduktion identifiziert wurden. In dieser Arbeit konnte ein Protein-Protein-Interaktionsnetzwerk um die SnRK1αUntereinheiten aus Arabidopsis AKIN10/AKIN11 etabliert werden. Dadurch wurden zunächst Mitglieder der pflanzenspezifischen DUF581-Proteinfamilie als Interaktionspartner der SnRK1α-Untereinheiten identifiziert. Diese Proteine sind über ihre konservierte DUF581Domäne, in der ein Zinkfinger-Motiv lokalisiert ist, fähig mit AKIN10/AKIN11 zu interagieren. In planta Ko-Expressionsanalysen zeigten, dass die DUF581-Proteine eine Verschiebung der nucleo-cytoplasmatischen Lokalisierung von AKIN10 hin zu einer nahezu ausschließlichen zellkernspezifischen Lokalisierung begünstigen sowie die Ko-Lokalisierung von AKIN10 und DUF581-Proteinen im Nucleus. In Bimolekularen Fluoreszenzkomplementations-Analysen konnte die zellkernspezifische Interaktion von DUF581-Proteinen mit SnRK1α-Untereinheiten in planta bestätigt werden. Außerhalb der DUF581-Domäne weisen die Proteine einander keine große Sequenzähnlichkeit auf. Aufgrund ihrer Fähigkeit mit SnRK1 zu interagieren, dem Fehlen von SnRK1Phosphorylierungsmotiven sowie ihrer untereinander sehr variabler gewebs-, entwicklungs- und stimulusspezifischer Expression wurde für DUF581-Proteine eine Funktion als Adaptoren postuliert, die unter bestimmten physiologischen Bedingungen spezifische Substratproteine in den SnRK1-Komplex rekrutieren. Auf diese Weise könnten DUF581Proteine die Interaktion von SnRK1 mit deren Zielproteinen modifizieren und eine Feinjustierung der SnRK1-Signalweiterleitung ermöglichen. Durch weiterführende Interaktionsstudien konnten DUF581-interagierende Proteine darunter Transkriptionsfaktoren, Proteinkinasen sowie regulatorische Proteine gefunden werden, die teilweise ebenfalls Wechselwirkungen mit SnRK1α-Untereinheiten aufzeigten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eines dieser Proteine für das eine Beteiligung an der SnRK1Signalweiterleitung als Transkriptionsregulator vermutet wurde näher charakterisiert. STKR1 (STOREKEEPER RELATED 1), ein spezifischer Interaktionspartner von DUF581-18, gehört zu einer pflanzenspezifischen Leucin-Zipper-Transkriptionsfaktorfamilie und interagiert in Hefe sowie in planta mit SnRK1. Die zellkernspezifische Interaktion von STKR1 und AKIN10 in Pflanzen unterstützt die Vermutung der kooperativen Regulation von Zielgenen. Weiterhin stabilisierte die Anwesenheit von AKIN10 die Proteingehalte von STKR1, das wahrscheinlich über das 26S Proteasom abgebaut wird. Da es sich bei STKR1 um ein Phosphoprotein mit SnRK1-Phosphorylierungsmotiv handelt, stellt es sehr wahrscheinlich ein SnRK1-Substrat dar. Allerdings konnte eine SnRK1-vermittelte Phosphorylierung von STKR1 in dieser Arbeit nicht gezeigt werden. Der Verlust von einer Phosphorylierungsstelle beeinflusste die Homo- und Heterodimerisierungsfähigkeit von STKR1 in Hefeinteraktionsstudien, wodurch eine erhöhte Spezifität der Zielgenregulation ermöglicht werden könnte. Außerdem wurden Arabidopsis-Pflanzen mit einer veränderten STKR1-Expression phänotypisch, physiologisch und molekularbiologisch charakterisiert. Während der Verlust der STKR1-Expression zu Pflanzen führte, die sich kaum von Wildtyp-Pflanzen unterschieden, bedingte die konstitutive Überexpression von STKR1 ein stark vermindertes Pflanzenwachstum sowie Entwicklungsverzögerungen hinsichtlich der Blühinduktion und Seneszenz ähnlich wie sie auch bei SnRK1α-Überexpression beschrieben wurden. Pflanzen dieser Linien waren nicht in der Lage Anthocyane zu akkumulieren und enthielten geringere Gehalte an Chlorophyll und Carotinoiden. Neben einem erhöhten nächtlichen Stärkeumsatz waren die Pflanzen durch geringere Saccharosegehalte im Vergleich zum Wildtyp gekennzeichnet. Eine Transkriptomanalyse ergab, dass in den STKR1-überexprimierenden Pflanzen unter Energiemangelbedingungen, hervorgerufen durch eine verlängerte Dunkelphase, eine größere Anzahl an Genen im Vergleich zum Wildtyp differentiell reguliert war als während der Lichtphase. Dies spricht für eine Beteiligung von STKR1 an Prozessen, die während der verlängerten Dunkelphase aktiv sind. Ein solcher ist beispielsweise die SnRK1-Signaltransduktion, die unter energetischem Stress aktiviert wird. Die STKR1Überexpression führte zudem zu einer verstärkten transkriptionellen Induktion von Abwehrassoziierten Genen sowie NAC- und WRKY-Transkriptionsfaktoren nach verlängerter Dunkelphase. Die Transkriptomdaten deuteten auf eine stimulusunabhängige Induktion von Abwehrprozessen hin und konnten eine Erklärung für die phänotypischen und physiologischen Auffälligkeiten der STKR1-Überexprimierer liefern.
N2  - For all living organism maintenance of energy homeostasis under changing environmental conditions is indispensable. In eukaryotes, evolutionary conserved protein kinases, such as the SNF1-RELATED PROTEIN KINASE1 (SnRK1) in plants, integrate environmental stress signals, nutrient availability and energy depletion during adaptational responses. Activation of SnRK1 triggers a broad transcriptional reprogramming, which in general represses energy consuming processes such as proliferation and protein biosynthesis and induces energy producing catabolic pathways. Although SnRK1 acts as a convergent point for many different environmental and metabolic signals to control growth and development, it is currently unknown how these many different signals could be translated into a cell-type or stimulusspecific response. This is also due to the fact that only a few proteins participating in SnRK1 signal transduction have yet been identified. In this work, a protein-protein interaction network of the Arabidopsis SnRK1α-subunits AKIN10/AKIN11 was established. Thereby, members of the plant specific DUF581 protein family were identified as SnRK1α interacting proteins. The highly conserved DUF581 domain possesses a zinc finger motif and mediates the interaction with AKIN10/AKIN11. In planta co-expression of AKIN10 with DUF581 proteins leads to a shift of subcellular localization from a nucleo-cytoplasmic distribution of both proteins to a nearly exclusive nuclear localization and show that AKIN10 and DUF581 proteins co-localize in nuclei of plant cells. Bimolecular fluorescence complementation analysis revealed that SnRK1α-subunits interact with DUF581 proteins in plants. Apart from their DUF581 domain there is no strong sequence similarity between DUF581 proteins. Because of their ability to interact with SnRK1, the absence of SnRK1-target motifs and their highly variable transcriptional regulation in a tissue-, development- or stimuli-specific manner, it is possible that DUF581 proteins act as adaptor proteins recruiting substrate proteins into the SnRK1 complex under defined physiological conditions. That said, DUF581 could modify the interaction of SnRK1 with its target proteins and facilitate fine-tuning of SnRK1 signal transduction. Additional interaction studies revealed further DUF581 interacting proteins such as transcription factors, protein kinases and regulatory proteins that in part were also able to interact with SnRK1α. One of these proteins which is supposed to be involved in SnRK1 signaling as a transcriptional regulator was characterized in more detail: Arabidopsis STKR1 (STOREKEPPER RELATED 1) a DUF581-18 interaction partner belongs to a plant specific leucine zipper transcription factor family and is able to interact with SnRK1 in yeast and in planta. Co-operative regulation of target genes by STKR1 and AKIN10 is supported by the specific interaction of these proteins inside the plant nucleus. Furthermore, AKIN10 seems to stabilize protein levels of STKR1 in that it attenuates its proteasomal turnover. Due to the fact that STKR1 is a phosphoprotein with putative SnRK1 target motives it is likely a SnRK1 substrate. However, SnRK1 mediated phosphorylation of STKR1 could not be shown in this work. Though, interaction studies in yeast revealed that a loss of putative phosphorylation sites influences the ability of homo- and hetero-dimerization of STKR1, possibly allowing a higher specificity during target gene regulation. Another part of this work was the phenotypic, physiological and molecular characterization of Arabidopsis plants with altered expression of STKR1. Whereas the absence of STKR1 expression results in plants without strong phenotypic abnormality compared to wildtype the overexpression leads to a strong decrease in plant growth as well as developmental retardations regarding to the induction of flowering and senescence reminiscent of SnRK1overexpressing plants. Plants of these lines were not able to accumulate anthocyanins and also contain reduced levels of chlorophyll and carotenoids. Besides a higher starch turnover in dark, these plants displayed lower sucrose contents. Microarray analysis revealed that under energy deficit stress, induced by extended darkness, a higher number of genes were differentially regulated in plants overexpressing STKR1 compared to wildtype than during the light period. This observation argues for a participation of STKR1 in processes, which are active under extended darkness, being the case for SnRK1 signaling which is strongly activated under energy deficient stress. Overexpression of STKR1 also leads to transcriptional induction of genes associated with defense like NAC and WRKY transcription factors after an extended dark. Results of transcriptome data analysis indicate a stimulus independent induction of defense associated processes and are suitable to explain phenotypical and physiological abnormality of the STKR1 overexpressing lines.
KW  - SnRK1
KW  - Proteinkinase
KW  - Phosphorylierung
KW  - Arabidopsis thaliana
KW  - Energiemangel
KW  - phosphorylation
KW  - energy starvation
KW  - protein kinase
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-98678
ER  - 
TY  - THES
A1  - Borschewski, Aljona
T1  - Bedeutung der Interaktion von Calcineurin und SORLA für die Regulation des Na⁺,K⁺,2Cl⁻-Kotransporters (NKCC2) in der Niere
T1  - Importance of the interaction between calcineurin and SORLA for the regulation of the renal Na⁺-K⁺-2Cl⁻−cotransporter (NKCC2)
N2  - Der Na⁺-K⁺-2Cl⁻-Kotransporter (NKCC2) wird im distalen Nephron der Niere exprimiert. Seine Verteilung umfasst die Epithelien der medullären und kortikalen Teile der dicken aufsteigenden Henle-Schleife (Thick ascending limb, TAL) und die Macula densa. Resorptiver NaCl-Transport über den NKCC2 dient dem renalen Konzentrierungsmechanismus und reguliert systemisch auch Volumenstatus und Blutdruck. Die Aktivität des NKCC2 ist mit der Phosphorylierung seiner N-terminalen Aminosäurereste Serin 126 und Threonin 96/101 verbunden. Vermittelt wird diese durch die homologen Kinasen SPAK (SPS-related proline/alanine-rich kinase) und OSR1 (Oxidative stress responsive kinase 1), die hierzu ihrerseits phosphoryliert werden müssen. Der regulatorische Kontext dieser Kinasen ist mittlerweile gut charakterisiert. Über Mechanismen und Produkte, die den NKCC2 deaktivieren, war hingegen weniger bekannt. Ziel der Arbeit war daher zu untersuchen, welche Wege zur Deaktivierung des Transporters führen. Der intrazelluläre Sortierungsrezeptor SORLA (Sorting-protein-related receptor with A-type repeats) war zuvor in seiner Bedeutung für das Nephron charakterisiert worden. Ein SORLA-defizientes Mausmodell weist unter anderem eine stark verringerte NKCC2-Phosphorylierung auf. Unter osmotischem Stress können SORLA-defiziente Mäuse ihren Urin weniger effizient konzentrieren. Meine Resultate zeigen mit hochauflösender Technik, dass SORLA apikal im TAL lokalisiert ist und dass mit NKCC2 eine anteilige Kolokalisation besteht. Unter SORLA Defizienz war die für die NKCC2 Aktivität maßgebliche SPAK/OSR1-Phosphorylierung gegenüber dem Wildtyp nicht verändert. Jedoch war die ebenfalls im TAL exprimierte Phosphatase Calcineurin Aβ (CnAβ) per Western blot um das zweifache gesteigert. Parallel hierzu wurde immunhistochemisch die Kolokalisation von verstärktem CnAβ-Signal und NKCC2 bestätigt. Beide Befunde geben zusammen den Hinweis auf einen Bezug zwischen der reduzierten NKCC2-Phosphorylierung und der gesteigerten Präsenz von CnAβ bei SORLA Defizienz. Die parallel induzierte Überexpression von SORLA in HEK-Zellen zeigte entsprechend eine Halbierung der CnAβ Proteinmenge. SORLA steuert demzufolge sowohl die Abundanz als auch die zelluläre Verteilung der Phosphatase. Weiterhin ließ sich die Interaktion zwischen CnAβ und SORLA (intrazelluläre Domäne) mittels Co-Immunpräzipitation bzw. GST-pulldown assay nachweisen. Auch die Interaktion zwischen CnAβ und NKCC2 wurde auf diesem Weg belegt. Da allerdings weder SORLA noch NKCC2 ein spezifisches Bindungsmuster für CnAβ aufweisen, sind vermutlich intermediäre Adapterproteine bei ihrer Bindung involviert. Die pharmakologische Inhibition von CnAβ mittels Cyclosporin A (CsA; 1 h) führte bei SORLA Defizienz zur Normalisierung der NKCC2-Phosphorylierung. Entsprechend führte in vitro die Gabe von CsA bei TAL Zellen zu einer 7-fach gesteigerten NKCC2-Phosphorylierung. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass die Phosphatase CnAβ über ihre Assoziation mit NKCC2 diesen im adluminalen Zellkompartiment deaktivieren kann. Gesteuert wird dieser Vorgang durch die Eigenschaft von SORLA, CnAβ apikal zu reduzieren und damit die adluminale Phosphorylierung und Aktivität von NKCC2 zu unterstützen. Da Calcineurin-Inhibitoren derzeit die Grundlage der immunsupprimierenden Therapie darstellen, haben die Ergebnisse eine klinische Relevanz. Angesichts der Co-Expression von SORLA und CnAβ in verschiedenen anderen Organen können die Ergebnisse auch über die Niere hinaus Bedeutung erlangen.
N2  - The Na⁺-K⁺-2Cl⁻-cotransporter (NKCC2) of the thick ascending limb (TAL) is critical for renal salt handling. Activity of the cotransporter is facilitated by its phosphorylation at conserved N-terminal threonine and serine residues provided by homologous SPAK (SPS-related proline/alanine-rich kinase) and OSR1 (oxidative stress responsive kinase 1) kinases. The identification of factors which modulate the phosphorylation and hence, the activity of NKCC2 has received recent interest. SORLA (sorting-protein-related receptor with A-type repeats) is co-expressed with NKCC2 in TAL epithelium. Genetically engineered mice lacking SORLA show near-complete absence of NKCC2 phosphorylation at the SPAK/OSR1-dependent phosphoacceptors, indicating that SORLA acts as a mediator between these reaction partners, possibly by a cellular trafficking step involving additional molecules. The present study addresses molecular pathways modulating NKCC2 activity by phosphorylation or dephosphorylation reactions with a special focus on SORLA. Comparative evaluation of SORLA-deficient and wild-type mouse kidneys revealed similar levels of phosphorylated, catalytically active SPAK and OSR1 kinases, whereas abundance of the phosphatase calcineurin Aβ (CnAβ) was increased by approximately two-fold in the renal medulla of SORLA-deficient mice likely reflecting changes in TAL. In line with this, confocal microscopy revealed accumulation of CnAβ in the apical compartment of TAL in SORLA-deficient kidneys. In contrast, overexpression of SORLA in HEK cells resulted in approximately two-fold decreased CnAβ levels suggesting that SORLA modulates both the cellular abundance and distribution of the phosphatase. This data was further corroborated by co-immunoprecipitation and GST pull down assays which showed an interaction between the cytoplasmic tail of SORLA and CnAβ. Acute administration of the calcineurin inhibitor, cyclosporin A (CsA), for 1 h rapidly normalized NKCC2 phosphorylation in SORLA-deficient mice which demonstrates that the decrease in phospho-NKCC2 was functionally related with CnAβ. In sum, our data elucidate the role of calcineurin in the regulation of NKCC2 and establish SORLA as an endogenous regulator of the phosphatase.
KW  - Salztransport
KW  - Niere
KW  - Henlesche Schleife
KW  - Calcineurin
KW  - Phosphatase
KW  - SORLA
KW  - Calcineurin-Inhibitoren
KW  - Transporteraktivierung
KW  - Phosphorylierung
KW  - kidney
KW  - phosphorylation
KW  - thick ascending limb
KW  - epithelial salt transport
KW  - calcineurin inhibitors
KW  - cell signaling
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-89205
ER  - 
TY  - THES
A1  - Nitschke, Felix
T1  - Phosphorylation of polyglycans, especially glycogen and starch
T1  - Phosphorylierung von Polysacchariden, insbesondere bei Glykogen und Stärke
N2  - Functional metabolism of storage carbohydrates is vital to plants and animals. The water-soluble glycogen in animal cells and the amylopectin which is the major component of water-insoluble starch granules residing in plant plastids are chemically similar as they consist of α-1,6 branched α-1,4 glucan chains. Synthesis and degradation of transitory starch and of glycogen are accomplished by a set of enzymatic activities that to some extend are also similar in plants and animals. Chain elongation, branching, and debranching are achieved by synthases, branching enzymes, and debranching enzymes, respectively. Similarly, both types of polyglucans contain low amounts of phosphate esters whose abundance varies depending on species and organs. Starch is selectively phosphorylated by at least two dikinases (GWD and PWD) at the glucosyl carbons C6 and C3 and dephosphorylated by the phosphatase SEX4 and SEX4-like enzymes. In Arabidopsis insufficiency in starch phosphorylation or dephosphorylation results in largely impaired starch turnover, starch accumulation, and often in retardation of growth. In humans the progressive neurodegenerative epilepsy, Lafora disease, is the result of a defective enzyme (laforin) that is functional equivalent to the starch phosphatase SEX4 and capable of glycogen dephosphorylation. Patients lacking laforin progressively accumulate unphysiologically structured insoluble glycogen-derived particles (Lafora bodies) in many tissues including brain. Previous results concerning the carbon position of glycogen phosphate are contradictory. Currently it is believed that glycogen is esterified exclusively at the carbon positions C2 and C3 and that the monophosphate esters, being incorporated via a side reaction of glycogen synthase (GS), lack any specific function but are rather an enzymatic error that needs to be corrected. In this study a versatile and highly sensitive enzymatic cycling assay was established that enables quantification of very small G6P amounts in the presence of high concentrations of non-target compounds as present in hydrolysates of polysaccharides, such as starch, glycogen, or cytosolic heteroglycans in plants. Following validation of the G6P determination by analyzing previously characterized starches G6P was quantified in hydrolysates of various glycogen samples and in plant heteroglycans. Interestingly, glucosyl C6 phosphate is present in all glycogen preparations examined, the abundance varying between glycogens of different sources. Additionally, it was shown that carbon C6 is severely hyperphosphorylated in glycogen of Lafora disease mouse model and that laforin is capable of removing C6 phosphate from glycogen. After enrichment of phosphoglucans from amylolytically degraded glycogen, several techniques of two-dimensional NMR were applied that independently proved the existence of 6-phosphoglucosyl residues in glycogen and confirmed the recently described phosphorylation sites C2 and C3. C6 phosphate is neither Lafora disease- nor species-, or organ-specific as it was demonstrated in liver glycogen from laforin-deficient mice and in that of wild type rabbit skeletal muscle. The distribution of 6-phosphoglucosyl residues was analyzed in glycogen molecules and has been found to be uneven. Gradual degradation experiments revealed that C6 phosphate is more abundant in central parts of the glycogen molecules and in molecules possessing longer glucan chains. Glycogen of Lafora disease mice consistently contains a higher proportion of longer chains while most short chains were reduced as compared to wild type. Together with results recently published (Nitschke et al., 2013) the findings of this work completely unhinge the hypothesis of GS-mediated phosphate incorporation as the respective reaction mechanism excludes phosphorylation of this glucosyl carbon, and as it is difficult to explain an uneven distribution of C6 phosphate by a stochastic event. Indeed the results rather point to a specific function of 6-phosphoglucosyl residues in the metabolism of polysaccharides as they are present in starch, glycogen, and, as described in this study, in heteroglycans of Arabidopsis. In the latter the function of phosphate remains unclear but this study provides evidence that in starch and glycogen it is related to branching. Moreover a role of C6 phosphate in the early stages of glycogen synthesis is suggested. By rejecting the current view on glycogen phosphate to be a stochastic biochemical error the results permit a wider view on putative roles of glycogen phosphate and on alternative biochemical ways of glycogen phosphorylation which for many reasons are likely to be mediated by distinct phosphorylating enzymes as it is realized in starch metabolism of plants. Better understanding of the enzymology underlying glycogen phosphorylation implies new possibilities of Lafora disease treatment.
N2  - Pflanzen und Tiere speichern Glukose in hochmolekularen Kohlenhydraten, um diese bei Bedarf unter anderem zur Gewinnung von Energie zu nutzen. Amylopectin, der größte Bestandteil des pflanzlichen Speicherkohlenhydrats Stärke, und das tierische Äquivalent Glykogen sind chemisch betrachtet ähnlich, denn sie bestehen aus verzweigten Ketten, deren Bausteine (Glukosylreste) auf identische Weise miteinander verbunden sind. Zudem kommen in beiden Kohlenhydraten kleine aber ähnliche Mengen von Phosphatgruppen vor, die offenbar eine tragende Rolle in Pflanzen und Tieren spielen. Ist in Pflanzen der Einbau oder die Entfernung von Phosphatgruppen in bzw. aus Stärke gestört, so ist oft der gesamte Stärkestoffwechsel beeinträchtigt. Dies zeigt sich unter anderem in der übermäßigen Akkumulation von Stärke und in Wachstumsverzögerungen der gesamten Pflanze. Beim Menschen und anderen Säugern beruht eine schwere Form der Epilepsie (Lafora disease) auf einer Störung des Glykogenstoffwechsels. Sie wird durch das erblich bedingte Fehlen eines Enzyms ausgelöst, das Phosphatgruppen aus dem Glykogen entfernt. Während die Enzyme, die für die Entfernung des Phosphats aus Stärke und Glykogen verantwortlich sind, hohe Ähnlichkeit aufweisen, ist momentan die Ansicht weit verbreitet, dass der Einbau von Phosphat in beide Speicherkohlenhydrate auf höchst unterschiedliche Weise erfolgt. In Pflanzen sind zwei Enzyme bekannt, die Phosphatgruppen an unterschiedlichen Stellen in Glukosylreste einbauen (Kohlenstoffatome 6 und 3). In Tieren soll eine seltene, unvermeidbare und zufällig auftretende Nebenreaktion eines Enzyms, das eigentlich die Ketten des Glykogens verlängert (Glykogen-Synthase), den Einbau von Phosphat bewirken, der somit als unwillkürlich gilt und weithin als „biochemischer Fehler“ (mit fatalen Konsequenzen bei ausbleibender Korrektur) betrachtet wird. In den Glukosylresten des Glykogens sollen ausschließlich die C-Atome 2 und 3 phosphoryliert sein. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen mittels zweier unabhängiger Methoden, dass Glykogen auch am Glukosyl-Kohlenstoff 6 phosphoryliert ist, der Phosphatposition, die in der Stärke am häufigsten vorkommt. Die Tatsache, dass in dieser Arbeit Phosphat neben Stärke auch erstmals an Glukosylresten von anderen pflanzlichen Kohlenhydraten (wasserlösliche Heteroglykane) nachgewiesen werden konnte, lässt vermuten, dass Phosphorylierung ein generelles Phänomen bei Polysacchariden ist. Des Weiteren wiesen die Ergebnisse darauf hin, dass Phosphat im Glykogen, wie auch in der Stärke, einem bestimmten Zweck dient, der im Zusammenhang mit der Regulation von Kettenverzweigung steht, und dass kein zufälliges biochemisches Ereignis für den Einbau verantwortlich sein kann. Aufgrund der grundlegenden Ähnlichkeiten im Stärke- und Glykogenstoffwechsel, liegt es nahe, dass die Phosphorylierung von Glykogen, ähnlich der von Stärke, ebenfalls durch spezifische Enzyme bewirkt wird. Ein besseres Verständnis der Mechanismen, die der Glykogen-Phosphorylierung zugrunde liegen, kann neue Möglichkeiten der Behandlung von Lafora disease aufzeigen.
KW  - Stärke
KW  - Glykogen
KW  - Phosphorylierung
KW  - NMR
KW  - Lafora disease
KW  - starch
KW  - glycogen
KW  - phosphorylation
KW  - NMR
KW  - Lafora disease
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-67396
ER  - 
TY  - THES
A1  - Durek, Pawel
T1  - Comparative analysis of molecular interaction networks : the interplay between spatial and functional organizing principles
T1  - Vergleichende Analyse molekularer Interaktionsnetzwerke : der Zusammenhang von räumlichen und funktionellen Organisationsprinzipien
N2  - The study of biological interaction networks is a central theme in systems biology. Here, we investigate common as well as differentiating principles of molecular interaction networks associated with different levels of molecular organization. They include metabolic pathway maps, protein-protein interaction networks as well as kinase interaction networks. First, we present an integrated analysis of metabolic pathway maps and protein-protein interaction networks (PIN). It has long been established that successive enzymatic steps are often catalyzed by physically interacting proteins forming permanent or transient multi-enzyme complexes. Inspecting high-throughput PIN data, it has been shown recently that, indeed, enzymes involved in successive reactions are generally more likely to interact than other protein pairs. In this study, we expanded this line of research to include comparisons of the respective underlying network topologies as well as to investigate whether the spatial organization of enzyme interactions correlates with metabolic efficiency. Analyzing yeast data, we detected long-range correlations between shortest paths between proteins in both network types suggesting a mutual correspondence of both network architectures. We discovered that the organizing principles of physical interactions between metabolic enzymes differ from the general PIN of all proteins. While physical interactions between proteins are generally dissortative, enzyme interactions were observed to be assortative. Thus, enzymes frequently interact with other enzymes of similar rather than different degree. Enzymes carrying high flux loads are more likely to physically interact than enzymes with lower metabolic throughput. In particular, enzymes associated with catabolic pathways as well as enzymes involved in the biosynthesis of complex molecules were found to exhibit high degrees of physical clustering. Single proteins were identified that connect major components of the cellular metabolism and hence might be essential for the structural integrity of several biosynthetic systems. Besides metabolic aspects of PINs, we investigated the characteristic topological properties of protein interactions involved in signaling and regulatory functions mediated by kinase interactions. Characteristic topological differences between PINs associated with metabolism, and those describing phosphorylation networks were revealed and shown to reflect the different modes of biological operation of both network types. The construction of phosphorylation networks is based on the identification of specific kinase-target relations including the determination of the actual phosphorylation sites (P-sites). The computational prediction of P-sites as well as the identification of involved kinases still suffers from insufficient accuracies and specificities of the underlying prediction algorithms, and the experimental identification in a genome-scale manner is not (yet) doable. Computational prediction methods have focused primarily on extracting predictive features from the local, one-dimensional sequence information surrounding P-sites. However the recognition of such motifs by the respective kinases is a spatial event. Therefore, we characterized the spatial distributions of amino acid residue types around P-sites and extracted signature 3D-profiles. We then tested the added value of spatial information on the prediction performance. When compared to sequence-only based predictors, a consistent performance gain was obtained. The availability of reliable training data of experimentally determined P-sites is critical for the development of computational prediction methods. As part of this thesis, we provide an assessment of false-positive rates of phosphoproteomic data.
N2  - Ein zentrales Thema der Systembiologie ist die Untersuchung biologischer Interaktionsnetzwerke. In der vorliegenden Arbeit wurden gemeinsame sowie differenzierende Prinzipien molekularer Interaktionsnetzwerke untersucht, die sich durch unterschiedliche Ebenen der molekulareren Organisation auszeichnen. Zu den untersuchten Interaktionsnetzwerken gehörten Netzwerke, die auf metabolischen Wechselwirkungen, physikalischen Wechselwirkungen zwischen Proteinen und Kinase-Interaktionen aufbauen. Zunächst wird eine integrativen Analyse der metabolischen Pfade und Protein Interaktionsnetzwerke vorgestellt. Es wird seit schon seit langem angenommen, dass aufeinander folgende enzymatische Schritte oft durch permanente oder transiente Multienzymkomplexe, die auf physikalischen Wechselwirkungen der involvierten Proteine basieren, katalysiert werden. Diese Annahme konnte durch die Auswertung von Ergebnissen aus Hochdurchsatz-Experimenten bestätigt werden. Demnach treten aufeinander folgende Enzyme häufiger in physikalische Wechselwirkung als zufällige Enzympaare. Die vorliegende Arbeit geht in ihrer Analyse weiter, in dem die Topologien der zugrundeliegenden Netzwerke, die auf metabolischen und physikalischen Wechselwirkungen basieren verglichen werden und der Zusammenhang zwischen der räumlichen Organisation der Enzyme und der metabolischen Effizienz gesucht wird. Ausgehend von Interaktionsdaten aus Hefe hat die Analyse der auf metabolischen und physikalischen Wechselwirkungen aufbauenden Interaktionswege eine weitgehende Korrelation der Distanzen aufgezeigt und somit eine wechselseitige Übereinstimmung der Architekturen nahegelegt. Allerdings folgen physikalische Wechselwirkungen zwischen metabolischen Enzymen anderen organisatorischen Regeln als Proteininteraktionen im allgemeinem PIN, das alle Proteininteraktionen enthält. Während Proteininteraktionen im allgemeinen PIN sich dissortativ verhalten, sind physikalische Enzyminteraktionen assortativ, d.h. dass die Anzahl der Interaktionen benachbarter Proteine im allgemeinem Netzwerk negativ und im metabolischen Netzwerk positiv korreliert. Ferner scheinen Enzyme von höherem metabolischen Durchsatz häufiger in Wechselwirkungen involviert zu sein. Enzyme der zentralen katabolischen Prozesse sowie der Biosynthese komplexer Membranlipide zeigen dabei einen besonders hohen Verknüpfungsgrad und eine dichte Clusterbildung. Einzelne Proteine wurden identifiziert, die die Hauptkomponenten des zellulären Metabolismus verbinden und so die Integrität verschiedener biosynthetischer Systeme essenziell beeinflussen könnten. Neben dem metabolischen Aspekt der PIN wurde auch der Aspekt der Regulation sowie der Signaltransduktion, der Kinase-Interaktionen, näher analysiert. Dabei wurden charakteristische topologische Unterschiede der mit dem Metabolismus und der Phosphorylierung assoziierten PIN gefunden, die die unterschiedlichen Aufgaben beider Netzwerke widerspiegeln. Die Rekonstruktion von Phosphorylierungs-Netzwerken basiert im Wesentlichen auf der Vorhersage von Kinase-Zielprotein Relationen und kann deshalb immer noch an der nicht genügenden Vorhersagegüte der angewandten Vorhersage-Algorithmen während der Bestimmung von Phosphorylierungsstellen (P-Stellen) und der dazugehörigen Kinasen leiden. Auch die experimentelle, genomweite Bestimmung der P-Stellen ist (noch) nicht durchführbar. Bisherige computergestützte Vorhersagemethoden beruhten für gewöhnlich auf der Auswertung charakteristischer Merkmale der lokalen, die P-Stelle umgebenden Proteinsequenz. Dieser Ansatz wird durch die Verwendung räumlicher 3D-Information in der vorliegenden Arbeit erweitert. Hierbei wird die Verteilung der Aminosäuren um die P-Stelle berechnet und spezifische 3D-Signaturen zur Vorhersage extrahiert. Beim Vergleich mit sequenz-basierten Vorhersagemethoden konnte eine konsistente Verbesserung der Vorhersage durch die Einbeziehung räumlicher Information gezeigt werden. Weiterhin wird in der vorliegenden Arbeit auch der Frage nach der Fehlerrate der experimentellen Phosphoprotein-Daten nachgegangen und ihre Verlässlichkeit bewertet. Die Verfügbarkeit eines verlässlichen Datensatzes ist bei der Entwicklung einer Vorhersagemethode ein entscheidendes Kriterium.
KW  - Proteinphosphorylation
KW  - Systembiologie
KW  - Netzwerke
KW  - metabolisch
KW  - phosphorylation
KW  - systemsbiology
KW  - networks
KW  - metabolic
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-31439
ER  -