TY - THES
A1 - Schmidt, Ruth Maria
T1 - Signalkaskaden und Steuermechanismen in den Speicheldrüsen von Dipteren
T1 - Signalling pathways and control mechanisms in the salivary glands of Diptera
N2 - Flüssigkeitssekretion und Proteinsekretion werden in Speicheldrüsen von Insekten über Hormone und Neurotransmitter gesteuert. Diese entfalten ihre physiologische Wirkung in den sekretorischen Drüsenzellen hauptsächlich über den zyklischen Adenosinmonophosphat (cAMP)-Signalweg und den Inositoltrisphosphat (IP3) / Ca2+-Signalweg. Die Mechanismen möglicher Wechselwirkungen zwischen diesen Signalwegen und ihre physiologischen Auswirkungen sind unzureichend bekannt. Im Mittelpunkt dieser Arbeit stand die Frage, ob und wie sich der Ca2+-Signalweg und der cAMP-Signalweg in der Speicheldrüse der Diptere Calliphora vicina beeinflussen. Substanzen wie 5-Fluoro-α-Methyltryptamin und Histamin wurden in früheren Arbei-ten als Agonisten genutzt, um in den Speicheldrüsen von C. vicina selektiv den cAMP-Signalweg (getrennt vom IP3/Ca2+-Signalweg) zu aktivieren. Es zeigte sich in transepithelialen Potentialmessungen und mikrofluorometrischen Ca2+-Untersuchungen, dass beide Substanzen sowohl den cAMP-Weg als auch den Ca2+-Signalweg aktivierten. Die physiologischen Ursachen der Histamin-induzierten Ca2+-Erhöhung wurden genauer untersucht. Zusammengefasst zeigten diese Untersuchungen, dass Histamin wie 5-HT den cAMP-Weg und die Phosphoinositidkaskade aktivierte. Im Gegensatz zu den 5-HT-induzierten Ca2+-Oszillationen, welche durch interzelluläre Ca2+-Wellen synchronisiert werden, verursachte Histamin bei niedrigen Konzentrationen lokale Ca2+-Oszillationen in einzelnen Zellen (keine Wellen). Bei höheren Histamin-Konzentrationen war eine anhaltende Ca2+-Erhöhung oder ein synchrones Ca2+-beating
in der gesamten Drüse zu beobachten. Des Weiteren wurde die Frage untersucht, ob eine Erhöhung der intrazellulären cAMP-Konzentration den IP3 Ca2+-Signalweg in den Epithelzellen der Speicheldrüse beeinflussen kann. Es zeigte sich, dass cAMP den durch schwellennahe 5-HT-Konzentrationen induzierten Ca2+-Anstieg verstärkte. Diese Verstärkung wurde durch eine PKA-vermittelte Sensitivierung des IP3-Rezeptor/Ca2+-Kanals für IP3 verursacht. Immunzytochemische Untersuchungen deuten dar-auf hin, dass die Proteinkinase A eng mit dem IP3-Rezeptor/Ca2+-Kanal assoziiert ist. Diese Messungen zeigen erstmals, dass auch bei Invertebraten der Botenstoff cAMP, PKA-vermittelt, den IP3-Rezeptor/Ca2+-Kanal des ER für IP3 sensitiviert.
N2 - Fluid- and protein-secretion in the salivary glands of insects are controlled by hormones or neurotransmitters. These agonists activate two signalling cascades: the cAMP-pathway and the IP>sub>3/Ca-pathway. The functional crosstalk between these two signalling pathways is poorly understood. Functional crosstalk between cAMP-pathway and IP3/Ca2+-pathway was investigated in the salivary glands of the blowfly, Calliphora vicina. Histamine and 5-alpha-methyltryptamine were used in an attempt to activate the cAMP-pathway selectively, as suggested previously. By using transepithelial potential-measurements and microfluorometric Ca2+-imaging it was demonstrated that both substances activate the cAMP- and the IP3/Ca2+-pathway. The physiological effects of histamine were investigated in detail. These experiments show that histamine causes an intracellular Ca2+-elevation that, in some preparations exhibits oscillations with concentration-dependent frequencies. In contrast to 5-HT induced intracellular Ca2+-oscillations and propagating intercellular Ca2+-waves histamine produces local Ca2+-oscillations in single cells or synchronous Ca2+-beating
in the whole gland. In addition the effects of increasing cAMP on the IP3/Ca2+-pathway in the salivary glands of the blowfly were studied. It could be demonstrated that cAMP augments the 5-HT-induced Ca2+-increase in glands stimulated with low doses of 5-HT. This potentiation is the result of a PKA-mediated sensitisation of the IP3-receptor/Ca2+-channel for IP3. Results of immunocytochemical analyses show that the PKA is spatially associated with the ER. These results show for the first time that in invertebrates as well as in vertebrates the second messenger cAMP sensitises the IP3-receptor/Ca2+-channel for IP3 by the action of a PKA.
KW - Speichel
KW - Speicheldrüse
KW - Insekten
KW - Calcium-Imaging
KW - transepitheliales Potential
KW - Signalkakaden
KW - IP3
KW - cAMP
KW - PKA
KW - IP3-Rezeptor
KW - salivary gland
KW - blowfly
KW - signalling pathways
KW - IP3
KW - cyclic AMP
KW - IP3-receptor
Y1 - 2006
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-7714
ER -
TY - THES
A1 - Gómez-Porras, Judith Lucia
T1 - In silico identification of genes regulated by abscisic acid in Arabidopsis thaliana (L.) Heynh.
T1 - In silico Identifikation von Abszisinsaeure-regulierten Genen in Arabidopsis thaliana (L.) Heynh.
N2 - Abscisic acid (ABA) is a major plant hormone that plays an important role during plant growth and development. During vegetative growth ABA mediates (in part) responses to various environmental stresses such as cold, drought and high salinity. The response triggered by ABA includes changes in the transcript level of genes involved in stress tolerance. The aim of this project was the In silico identification of genes putatively regulated by ABA in A. thaliana. In silico predictions were combined with experimental data in order to evaluate the reliability of computational predictions. Taking advantage of the genome sequence of A. thaliana publicly available since 2000, 1 kb upstream sequences were screened for combinations of cis-elements known to be involved in the regulation of ABA-responsive genes. It was found that around 10 to 20 percent of the genes of A. thaliana might be regulated by ABA. Further analyses of the predictions revealed that certain combinations of cis-elements that confer ABA-responsiveness were significantly over-represented compared with results in random sequences and with random expectations. In addition, it was observed that other combinations that confer ABA-responsiveness in monocotyledonous species might not be functional in A. thaliana. It is proposed that ABA-responsive genes in A. thaliana show pairs of ABRE (abscisic acid responsive element) with MYB binding sites, DRE (dehydration responsive element) or with itself. The analysis of the distances between pairs of cis-elements suggested that pairs of ABREs are bound by homodimers of ABRE binding proteins. In contrast, pairs between MYB binding sites and ABRE, or DRE and ABRE showed a distance between cis-elements that suggested that the binding proteins interact through protein complexes and not directly. The comparison of computational predictions with experimental data confirmed that the regulatory mechanisms leading to the induction or repression of genes by ABA is very incompletely understood. It became evident that besides the cis-elements proposed in this study to be present in ABA-responsive genes, other known and unknown cis-elements might play an important role in the transcriptional regulation of ABA-responsive genes. For example, auxin-related cis elements, or the cis-elements recognized by the NAM-family of transcription factors (Non-Apical meristem). This work documents the use of computational and experimental approaches to analyse possible interactions between cis-elements involved in the regulation of ABA-responsive genes. The computational predictions allowed the distinction between putatively relevant combinations of cis-elements from irrelevant combinations of cis-elements in ABA-responsive genes. The comparison with experimental data allowed to identify certain cis-elements that have not been previously associated to the ABA-mediated transcriptional regulation, but that might be present in ABA-responsive genes (e.g. auxin responsive elements). Moreover, the efforts to unravel the gene regulatory network associated with the ABA-signalling pathway revealed that NAM-transcription factors and their corresponding binding sequences are important components of this network.
N2 - Pflanzen reagieren auf aeußere Stresseinwirkung (z.B. Trockenheit oder Hitze) u.a. mit der Bildung bestimmter Hormone. Diese Hormone wiederum bewirken eine Vielzahl komplexer Reaktionen (z.B. im Stoffwechsel und in der Genexpression), die zum Ziel haben, die Pflanzen widerstandsfaehiger gegen die Stresssituation zu machen. Ein wichtiges Stresshormon ist die Abzisinsaeure (ABA, fuer engl. „abscisic acid“). Experimentell koennen Pflanzen durch die Gabe von ABA zu Reaktionen gezwungen werden, die normalerweise nur unter Stressbedingungen beobachtet werden. Hierzu zaehlen vor allem eine Reduktion der Spaltoeffnungen in den Blaettern, um den Wasserverlust infolge von Transpiration zu minimieren, und eine massive Umprogrammierung der Genexpression. In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss von ABA auf die Genexpression in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana untersucht. Hierzu wurden bioinformatorische und experimentelle Ansaetze verknuepft. Die bioinformatorischen Ansaetze bedienten sich der bekannten Sequenz des Genoms von A. thaliana. Mit Hilfe verschiedener geeigneter Computerprogramme wurden im Genom Gene identifiziert, deren Expression potentiell durch ABA reguliert wird. Die so erhaltenen Vorhersagen der verschiedenen Programme wurden miteinander und mit eigenen als auch mit publizierten experimentellen Daten verglichen, um die Qualitaet der Vorhersagen zu beurteilen. Die wichtigste Schlussfolgerung aus den Ergebnissen dieser Arbeit ist, dass gegenwaertig bioinformatorische Ansaetze allein nicht ausreichen, um biologische Prozesse zufriedenstellend zu analysieren. In der vorliegenden Arbeit ermoeglichte erst eine Kombination aus bioinformatorischen und experimentellen Ansaetzen die Generierung neuer, abgesicherter Hypothesen zur ABA-induzierten Umprogrammierung der Genexpression.
KW - Bioinformatik
KW - Abszisinsäure
KW - Promotoren
KW - bioinformatics
KW - regulation
KW - ABA
KW - Arabidopsis
Y1 - 2005
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-7401
ER -
TY - THES
A1 - Schauer, Nicolas
T1 - Quantitative trait loci (QTL) for metabolite accumulation and metabolic regulation : metabolite profiling of interspecific crosses of tomato
T1 - Metabolomische Analyse von interspezifischen Tomaten
N2 - The advent of large-scale and high-throughput technologies has recently caused a shift in focus in contemporary biology from decades of reductionism towards a more systemic view. Alongside the availability of genome sequences the exploration of organisms utilizing such approach should give rise to a more comprehensive understanding of complex systems. Domestication and intensive breeding of crop plants has led to a parallel narrowing of their genetic basis. The potential to improve crops by conventional breeding using elite cultivars is therefore rather limited and molecular technologies, such as marker assisted selection (MAS) are currently being exploited to re-introduce allelic variance from wild species. Molecular breeding strategies have mostly focused on the introduction of yield or resistance related traits to date. However given that medical research has highlighted the importance of crop compositional quality in the human diet this research field is rapidly becoming more important. Chemical composition of biological tissues can be efficiently assessed by metabolite profiling techniques, which allow the multivariate detection of metabolites of a given biological sample. Here, a GC/MS metabolite profiling approach has been applied to investigate natural variation of tomatoes with respect to the chemical composition of their fruits. The establishment of a mass spectral and retention index (MSRI) library was a prerequisite for this work in order to establish a framework for the identification of metabolites from a complex mixture. As mass spectral and retention index information is highly important for the metabolomics community this library was made publicly available. Metabolite profiling of tomato wild species revealed large differences in the chemical composition, especially of amino and organic acids, as well as on the sugar composition and secondary metabolites. Intriguingly, the analysis of a set of S. pennellii introgression lines (IL) identified 889 quantitative trait loci of compositional quality and 326 yield-associated traits. These traits are characterized by increases/decreases not only of single metabolites but also of entire metabolic pathways, thus highlighting the potential of this approach in uncovering novel aspects of metabolic regulation. Finally the biosynthetic pathway of the phenylalanine-derived fruit volatiles phenylethanol and phenylacetaldehyde was elucidated via a combination of metabolic profiling of natural variation, stable isotope tracer experiments and reverse genetic experimentation.
N2 - Die Einführung von Hochdurchsatzmethoden zur Analyse von biologischen Systemen, sowie die umfangreiche Sequenzierung von Genomen haben zu einer Verlagerung der Forschung „im Detail“ zu einer ganzheitlicheren Betrachtungsweise auf Systemebene geführt. Aus einer jahrhundertlangen, intensiven Züchtung und Selektion von Nutzpflanzen resultierte gleichzeitig eine Abnahme der genetischen Varianz. Daraus resultierend sind Nutzpflanzen anfälliger gegenüber Stressfaktoren, wie Pathogenen, hohen Salzkonzentrationen oder Trockenheit, als ihre Wildarten. Das Potential konventioneller Züchtung scheint somit heute an seine Grenzen gekommen zu sein. Daher versucht man mittels moderner Molekulartechnik, wie zum Beispiel Marker-gestützte Selektion, Gene oder ganze Genombereiche von Wildarten mit hoher genetischer Variation in Nutzpflanzen einzukreuzen, vornehmlich mit dem Ziel einer Ertrags- bzw. Resistenzsteigerung. Neueste medizinische Studien belegen, dass die Ernährung eine wesentliche Rolle für die menschliche Gesundheit spielt. Besonders wichtig sind hierbei die gesundheitsfördernden Substanzen in pflanzlichen Nahrungsmitteln. Aus diesem Grund kommt der Erforschung der biochemischen Zusammensetzung von biologischen Proben eine immer größere Bedeutung zu. Diese Untersuchung kann elegant durch Metabolitenprofile, welche die multivariate Analyse komplexer biologischer Proben erlauben, durchgeführt werden. In dieser Arbeit wurde zur Untersuchung der biochemischen Zusammensetzung von Tomatenwildarten und interspezifischen S. pennellii Tomatenintrogressionslinien (IL) eine GC/MS basierte Metabolitenanalyseplattform verwendet. Hierzu war es zunächst notwendig eine Massenspektrenbibliothek, zur Annotierung von Massenspektren und Retentionsindices von, in pflanzlichen Proben vorkommenden, Metaboliten anzulegen. Die Analyse der Tomatenwildarten ergab große Unterschiede gegenüber der Kulturtomate im Hinblick auf den Gehalt an Amino- und organischen Säuren, sowie der Zuckerzusammensetzung und den Gehalt an Sekundärmetaboliten. Die darauf folgende Analyse der ILs, von den jede ein genau definiertes genomisches Segment von S. pennellii beinhaltet, bestätigte diese enorme Variation mit 889 metabolischen und 326 ertragsassozierten-Veränderungen in den ILs. Die metabolischen Veränderungen zeichneten sich durch abnehmende bzw. steigende Gehalte von einzelnen Metaboliten, aber auch durch eine koordinierte Änderung aus. In dieser Arbeit wurde weiterhin der Biosyntheseweg der Volatilenstoffe Phenylethanol und Phenylacetaldehyd mit Hilfe einer IL untersucht. Hierbei konnten durch stabile Isotopenmarkierung und eines „reverse genetics“-Ansatzes Gene bzw. Enzyme identifiziert werden, die für die Dekarboxylierung des Eduktes Phenylalanin verantwortlich sind. Diese Arbeit beschreibt erstmals die umfassende Analyse von biochemischen Komponenten auf Genombasis in Tomatenintrogressionslinien und zeigt damit ein Werkzeug auf zur Identifizierung von qualitativen biochemischen Merkmalen in der modernen molekularen Züchtung.
KW - Tomate
KW - Metabolit
KW - GC-MS
KW - Introgression
KW - Frucht
KW - Metabolome
KW - Züchtung
KW - metabolic genomics
KW - Tomato
KW - metabolite profiling
KW - metabolome
KW - breeding
KW - crops
KW - fruit
KW - metabolite breeding
KW - metabolic genomics
Y1 - 2006
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-7643
ER -
TY - THES
A1 - Gromelski, Sandra
T1 - Wechselwirkung zwischen Lipiden und DNA : auf dem Weg zum künstlichen Virus
T1 - Interaction between lipids and DNA : on the way to the artificial virus
N2 - Weltweit versuchen Wissenschaftler, künstliche Viren für den Gentransfer zu konstruieren, die nicht reproduktionsfähig sind. Diese sollen die Vorteile der natürlichen Viren besitzen (effizienter Transport von genetischem Material), jedoch keine Antigene auf ihrer Oberfläche tragen, die Immunreaktionen auslösen. Ziel dieses Projektes ist es, einen künstlichen Viruspartikel herzustellen, dessen Basis eine Polyelektrolytenhohlkugel bildet, die mit einer Lipiddoppelschicht bedeckt ist. Um intakte Doppelschichten zu erzeugen, muss die Wechselwirkung zwischen Lipid und Polyelektrolyt (z.B. DNA) verstanden und optimiert werden. Dazu ist es notwendig, die strukturelle Grundlage der Interaktion aufzuklären. Positiv geladene Lipide gehen zwar starke Wechselwirkungen mit der negativ geladenen DNA ein, sie wirken jedoch toxisch auf biologische Zellen. In der vorliegenden Arbeit wurde daher die durch zweiwertige Kationen vermittelte Kopplung von genomischer oder Plasmid-DNA an zwitterionische oder negativ geladene Phospholipide an zwei Modellsystemen untersucht. 1. Modellsystem: Lipidmonoschicht an der Wasser/Luft-Grenzfläche Methoden: Filmwaagentechnik in Kombination mit IR-Spektroskopie (IRRAS), Röntgenreflexion (XR), Röntgendiffraktion (GIXD), Brewsterwinkel-Mikroskopie (BAM), Röntgenfluoreszenz (XRF) und Oberflächenpotentialmessungen Resultate: A) Die Anwesenheit der zweiwertigen Kationen Ba2+, Mg2+, Ca2+ oder Mn2+ in der Subphase hat keinen nachweisbaren Einfluss auf die Struktur der zwitterionischen DMPE- (1,2-Dimyristoyl-phosphatidyl-ethanolamin) Monoschicht. B) In der Subphase gelöste DNA adsorbiert nur in Gegenwart dieser Kationen an der DMPE-Monoschicht. C) Sowohl die Adsorption genomischer Kalbsthymus-DNA als auch der Plasmid-DNA pGL3 bewirkt eine Reduktion des Neigungswinkels der Alkylketten, die auf einen veränderten Platzbedarf der Kopfgruppe zurückzuführen ist. Durch die Umorientierung der Kopfgruppe wird die elektrostatische Wechselwirkung zwischen den positiv geladenen Stickstoffatomen der Lipidkopfgruppen und den negativ geladenen DNA-Phosphaten erhöht. D) Die adsorbierte DNA weist eine geordnete Struktur auf, wenn sie durch Barium-, Magnesium-, Calcium- oder Manganionen komplexiert ist. Der Abstand zwischen parallelen DNA-Strängen hängt dabei von der Größe der DNA-Fragmente sowie von der Art des Kations ab. Die größten Abstände ergeben sich mit Bariumionen, gefolgt von Magnesium- und Calciumionen. Die kleinsten DNA-Abstände werden durch Komplexierung mit Manganionen erhalten. Diese Ionenreihenfolge stellt sich sowohl für genomische DNA als auch für Plasmid-DNA ein. E) Die DNA-Abstände werden durch die Kompression des Lipidfilms nicht beeinflusst. Zwischen der Lipidmonoschicht und der adsorbierten DNA besteht demnach nur eine schwache Wechselwirkung. Offensichtlich befindet sich die durch zweiwertige Kationen komplexierte DNA als weitgehend eigenständige Schicht unter dem Lipidfilm. 2. Modellsystem: Lipiddoppelschicht an der fest/flüssig-Grenzfläche Methoden: Neutronenreflexion (NR) und Quarzmikrowaage (QCM-D) Resultate: A) Das zwitterionische Phospholipid DMPC (1,2-Dimyristoyl-phosphatidylcholin) bildet keine Lipiddoppelschicht auf planaren Polyelektrolytmultischichten aus, deren letzte Lage das positiv geladene PAH (Polyallylamin) ist. B) Hingegen bildet DMPC auf dem negativ geladenen PSS (Polystyrolsulfonat) eine Doppelschicht aus, die jedoch Defekte aufweist. C) Eine Adsorption von genomischer Kalbsthymus-DNA auf dieser Lipidschicht findet nur in Gegenwart von Calciumionen statt. Andere zweiwertige Kationen wurden nicht untersucht. D) Das negativ geladene Phospholipid DLPA (1,2-Dilauryl-phosphatidsäure) bildet auf dem positiv geladenen PAH eine Lipiddoppelschicht aus, die Defekte aufweist. E) DNA adsorbiert ebenfalls erst in Anwesenheit von Calciumionen in der Lösung an die DLPA-Schicht. F) Durch die Zugabe von EDTA (Ethylendiamintetraessigsäure) werden die Calciumionen dem DLPA/DNA-Komplex entzogen, wodurch dieser dissoziiert. Demnach ist die calciuminduzierte Bildung dieser Komplexe reversibel.
N2 - All over the world scientists are trying to engineer artificial viruses, which do not replicate, for gene delivery. These artificial viruses should have the advantages of natural viruses such as efficient transport of genetic material, but they should not carry antigens, which cause immune reactions, on their top portion. The aim of this project is to develop an artificial virus particle that is based on a polyelectrolyte hollow capsule which is covered by a lipid bilayer. To create intact bilayers, it is crucial to understand and optimize the interaction between lipids and polyelectrolytes (e. g. DNA). Therefore the structural basis of that interaction must be elucidated. Positively charged lipids interact strongly with the negatively charged DNA but they cause toxic reactions in biological cells. Hence the present work used two model systems to study the coupling of genomic or plasmid DNA to zwitterionic or negatively charged phospholipids induced by divalent cations. 1. Model system: Lipid monolayer at the air/water-interface Methods: Langmuir filmbalance in combination with IR-spectroscopy (IRRAS), X-ray reflectometry (XR), X-ray diffraction (GIXD), Brewster angle microscopy (BAM), X-ray fluorescence (XRF), and surface potential measurements Results: A) The presence of the divalent cations Ba2+, Mg2+, Ca2+ or Mn2+ in the subphase has no traceable influence on the structure of a zwitterionic DMPE (1,2-dimyristoyl-phosphatidyl-ethanolamine) monolayer. B) DNA which is dissolved in the subphase adsorbs to the DMPE-monolayer only if divalent cations are present. C) The adsorption of genomic calf thymus DNA as well as of the plasmid DNA pGL3 causes a reduction of the tilt angle of the lipid alkyl chains. The tilt reduction can be ascribed to a change in the space required by the lipid head group. This change in head group orientation increases the electrostatic interaction between the positively charged nitrogen atoms in the lipid head and the negatively charged DNA phosphates. D) The adsorbed DNA exhibits an ordered structure if it is complexed by barium, magnesium, calcium or manganese ions. The spacing between parallel DNA strands depends on the size of the DNA fragments as well as on the kind of cation. The largest DNA-spacings are observed with barium ions, followed by magnesium and calcium ions. DNA-complexation with manganese ions causes the smallest spacings. This order of ions is observed for both genomic and plasmid DNA. E) Compression of the monolayer does not influence the DNA spacings. Thus the interaction between the lipid monolayer and adsorbed DNA is only weak. The DNA must exist as a more or less separate layer under the lipid film. 2. Model system: Lipid bilayer at the solid/fluid-interface Methods: Neutron reflectometry (NR), and Quartz crystal microbalance (QCM-D) Results: A) The zwitterionic phospholipid DMPC (1,2-dimyristoyl phosphatidylcholine) does not form lipid bilayers on top of planar polyelectrolyte multilayers covered with the positively charged PAH (polyallylamine). B) In contrast, DMPC forms a lipid bilayer with defects on top of the negatively charged PSS (polystyrolsulfonate) terminated polyelectrolyte cushion. C) Genomic calf thymus DNA adsorbs only to the DMPC layer in presence of calcium ions. Different ions were not examined. D) The negatively charged phospholipid DLPA (1,2-dilauryl-phosphatidic acid) also forms a lipid bilayer with defects on top of the PAH-terminated cushion. E) The DNA adsorbs also to the DLPA layer only in the presence of calcium ions in the solution. F) By addition of EDTA (ethylenediaminetretraacetic acid) the calcium cations are removed from the DLPA/DNA-complex and the complex dissociates. Thus the calcium induced formation of that complex is reversible.
KW - Lipide / Doppelschicht
KW - DNA
KW - Monoschicht
KW - Gentransfer
KW - Phospholipide
KW - DNA-Lipid-Wechselwirkung
KW - künstlicher Virus
KW - zwitterionische Phospholipide
KW - zweiwertige Kationen
KW - zwitterionic phospholipids
KW - DNA-lipid-interaction
KW - divalent cations
KW - artificial virus
KW - lipid monolayer
Y1 - 2006
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-7629
ER -
TY - THES
A1 - Schlenstedt, Jana
T1 - Molekulare und pharmakologische Charakterisierung von Serotonin-Rezeptoren der Honigbiene Apis mellifera
T1 - Molecular and pharmacological characterization of serotonin receptors of the honeybee Apis mellifera
N2 - Die Honigbiene Apis mellifera gilt seit langem als Modell-Organismus zur Untersuchung von Lern- und Gedächtnisvorgängen sowie zum Studium des Sozialverhaltens und der Arbeitsteilung. Bei der Steuerung und Regulation dieser Verhaltensweisen spielt das Indolalkylamin Serotonin eine wesentliche Rolle. Serotonin entfaltet seine Wirkung durch die Bindung an G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs). In der vorliegenden Arbeit wird der erste Serotonin-Rezeptor aus der Honigbiene molekular charakterisiert. Durch die Anwendung zwei verschiedener Klonierungsstrategien konnten drei cDNA-Sequenzen isoliert werden, die für potentielle Serotonin-Rezeptoren kodieren. Die Sequenzen weisen die größte Ähnlichkeit zu dem 5-HT7- und 5-HT2-Rezeptor von Drosophila melanogaster bzw. dem 5-HT1-Rezeptor von Panulirus interruptus auf. Die isolierten Serotonin-Rezeptoren der Honigbiene wurden dementsprechend Am(Apis mellifera)5-HT1, Am5-HT2 und Am5-HT7 benannt. Das Hydropathieprofil des Am5-HT1-, Am5-HT2- und Am5-HT7-Rezeptors deutet auf das Vorhandensein des charakteristischen heptahelikalen Aufbaus G-Protein-gekoppelter Rezeptoren hin. Die abgeleiteten Aminosäuresequenzen zeigen typische Merkmale biogener Amin-Rezeptoren. Aminosäuren, die eine Bedeutung bei der Bildung der Liganden-Bindungstasche, der Rezeptor-Aktivierung und der Kopplung eines G-Proteins an den Rezeptor haben, sind in allen drei Rezeptoren konserviert. Interessanterweise ist jedoch das in den meisten biogenen Amin-Rezeptoren vorhandene DRY-Motiv in dem Am5-HT2- und Am5-HT7-Rezeptor nicht konserviert. Das Vorhandensein einer PDZ-Domäne in dem Am5-HT1- und Am5-HT7-Rezeptor lässt vermuten, dass diese Rezeptoren als Adapterproteine fungieren, die Signalmoleküle zu einem Signaltransduktionskomplex vereinigen. RT-PCR-Experimente zeigen die Expression der Rezeptoren in verschiedenen Geweben der Honigbiene. Auffallend ist die hohe Expression im Zentralgehirn. Des Weiteren konnte die Expression der Serotonin-Rezeptoren in den optischen Loben, Antennalloben sowie in der Peripherie, d.h. in der Flugmuskulatur und den Malpighischen Gefäßen nachgewiesen werden. Durch in situ Hybridisierungen wurde die Expression in Gefrierschnitten von Gehirnen adulter Sammlerinnen im Detail untersucht. Transkripte der Rezeptoren sind in den Somata von intrinsischen Pilzkörperzellen, Neuronen der optischen Loben und Neuronen der Antennalloben vorhanden. In einem heterologen Expressionssystem wurde der intrazelluläre Signalweg des Am5-HT7-Rezeptors untersucht. Die Aktivierung des stabil exprimierten Rezeptors durch Serotonin führt zur Bildung von cAMP. Der 5-HT7-Rezeptor spezifische Agonist 5-CT zeigt eine mit Serotonin vergleichbare Fähigkeit, die intrazelluläre cAMP-Konzentration zu erhöhen. Am5-HT7 gehört daher funktionell zu der Gruppe der 5-HT7-Rezeptoren. Der EC50-Wert von 1,06~nM (5-HT), ist im Vergleich zu anderen 5-HT7-Rezeptoren äußert niedrig. Des Weiteren wurde gezeigt, dass das basale cAMP-Niveau in den transfizierten Zellen im Vergleich zu nicht transfizierten Zellen deutlich erhöht ist. Das heißt, dass der Rezeptor auch in der Abwesenheit eines Liganden aktiv ist. Diese konstitutive Aktivität ist auch von anderen biogenen Amin-Rezeptoren bekannt. Methiothepin wurde als wirksamer inverser Agonist des Am5-HT7-Rezeptors identifiziert, da es in der Lage ist, der konstitutiven Aktivität entgegenzuwirken. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit deuten darauf hin, dass die Serotonin-Rezeptoren in verschiedenen Regionen des ZNS der Honigbiene an der Informationsverarbeitung beteiligt sind. Es kann eine Beeinflussung von Lern- und Gedächtnisprozessen sowie des olfaktorischen und visuellen Systems durch diese Rezeptoren vermutet werden. Mit der Klonierung und funktionellen Charakterisierung des ersten Serotonin-Rezeptors der Honigbiene ist eine Grundlage für die Untersuchung der molekularen Mechanismen der serotonergen Signaltransduktion geschaffen worden.
N2 - The honeybee Apis mellifera is a model organism for studying insect division of labor, learning and memory. An important substance that has been implicated in the control and regulation of these phenomena is the indolalkylamine serotonin (5-hydroxytryptamine, 5-HT) Pharmacological and functional studies indicate, that serotonin activates various receptor subtypes which predominantly belong to the family of G protein-coupled receptors (GPCRs). Using a homology based screening approach on a brain-specific cDNA library of the honeybee and a PCR-based strategy we have isolated cDNAs encoding three putative serotonin receptors. The deduced amino acid sequences of these putative honeybee serotonin receptors show the highest homology to a 5-HT7 and a 5-HT2 receptor from Drosophila melanogaster and a 5-HT1 receptor from Panulirus interruptus, respectively. We have studied the distribution of the respective 5-HT receptor mRNAs in several tissues of the honeybee by RT-PCR. The analysis revealed a high amount in the central brain. By using in situ-hybridization we detected receptor encoding mRNA in cryostat sections of honeybee brain. We could prove receptor transcripts in neurons of the optic lobes, intrinsic mushroom body neurons, and deutocerebral neurons. In a HEK 293 cell line, stably expressing the 5-HT7 receptor protein, we investigated the intracellular signalling pathway. When activated by serotonin, the heterologous expressed 5-HT7 receptor induces an increase in intracellular cAMP levels ([cAMP]i). The stimulation with other biogenic amines (octopamine, tyramine, and dopamine) did not induce a significant change in [cAMP]i Furthermore, Am5-HT7 causes a significant increase in the non-agonist stimulated cAMP levels relative to those of non-transfected cells. Therefore, the Am5-HT7 receptor displays agonist-independent (constitutive) activity which has also been demonstrated for many other GPCRs. A specific affinity-purified anti-Am5-HT7 antibody detected a protein band of the expected size of ~66 kDa in homogenates of honeybee brains and HEK 293 cells expressing the Am5-HT7 receptor.
KW - Biogene Amine
KW - Serotonin
KW - Serotoninrezeptor
KW - Biene
KW - Pharmakologie
KW - Lernen und Gedächtnis
KW - pharmakologisches Profil
KW - Gewebsverteilung
KW - serotonin
KW - biogenic amine
KW - receptor
KW - honeybee
KW - pharmacology
Y1 - 2005
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-7203
ER -
TY - THES
A1 - Birkemeyer, Claudia Sabine
T1 - Signal-metabolome interactions in plants
T1 - Signalmolekuel-Metabolom Interaktionen in Pflanzen
N2 - From its first use in the field of biochemistry, instrumental analysis offered a variety of invaluable tools for the comprehensive description of biological systems. Multi-selective methods that aim to cover as many endogenous compounds as possible in biological samples use different analytical platforms and include methods like gene expression profile and metabolite profile analysis. The enormous amount of data generated in application of profiling methods needs to be evaluated in a manner appropriate to the question under investigation. The new field of system biology rises to the challenge to develop strategies for collecting, processing, interpreting, and archiving this vast amount of data; to make those data available in form of databases, tools, models, and networks to the scientific community. On the background of this development a multi-selective method for the determination of phytohormones was developed and optimised, complementing the profile analyses which are already in use (Chapter I). The general feasibility of a simultaneous analysis of plant metabolites and phytohormones in one sample set-up was tested by studies on the analytical robustness of the metabolite profiling protocol. The recovery of plant metabolites proved to be satisfactory robust against variations in the extraction protocol by using common extraction procedures for phytohormones; a joint extraction of metabolites and hormones from plant tissue seems practicable (Chapter II). Quantification of compounds within the context of profiling methods requires particular scrutiny (Chapter II). In Chapter III, the potential of stable-isotope in vivo labelling as normalisation strategy for profiling data acquired with mass spectrometry is discussed. First promising results were obtained for a reproducible quantification by stable-isotope in vivo labelling, which was applied in metabolomic studies. In-parallel application of metabolite and phytohormone analysis to seedlings of the model plant Arabidopsis thaliana exposed to sulfate limitation was used to investigate the relationship between the endogenous concentration of signal elements and the ‘metabolic phenotype’ of a plant. An automated evaluation strategy was developed to process data of compounds with diverse physiological nature, such as signal elements, genes and metabolites – all which act in vivo in a conditional, time-resolved manner (Chapter IV). Final data analysis focussed on conditionality of signal-metabolome interactions.
N2 - Die instrumentelle Analytik stellt mit ihrem unschätzbaren Methodenreichtum Analysenwerkzeuge zur Verfügung, die seit ihrem Einzug in die Biologie die Aufzeichnung immer komplexerer ‚Momentaufnahmen’ von biologischen Systemen ermöglichen. Konkret hervorzuheben sind dabei vor allem die sogenannten ‚Profilmethoden’. Die Anwendung von Profilmethoden zielt darauf ab, aus einer bestimmten Stoffklasse so viele zugehörige Komponenten wie nur möglich gleichzeitig zu erfassen. Für die Auswertung derart komplexer Daten müssen nun auch entsprechende Auswertungsmethoden bereit gestellt werden. Das neu entstandene Fachgebiet der Systembiologie erarbeitet deshalb Strategien zum Sammeln, Auswerten und Archivieren komplexer Daten, um dieses gesammelte Wissen in Form von Datenbanken, Modellen und Netzwerken der allgemeinen Nutzung zugänglich zu machen. Vor diesem Hintergrund wurde den vorhandenen Profilanalysen eine Methode zur Erfassung von Pflanzenhormonen hinzugefügt. Verschiedene Experimente bestätigten die Möglichkeit zur Kopplung von Pflanzenhormon- und Pflanzeninhaltsstoff(=metabolit)-Profilanalyse. In weiteren Untersuchungen wurde das Potential einer innovativen Standardisierungstechnologie für die mengenmässige Erfassung von Pflanzeninhaltsstoffen in biologischen Proben betrachtet (in vivo labelling mit stabilen Isotopen). Hormon- und Metabolitprofilanalyse wurden dann parallel angewandt, um Wechselwirkungen zwischen der Konzentration von Signalkomponenten und der Ausprägung des Stoffwechsels in Keimlingen der Modellpflanze Arabidopsis thaliana zu untersuchen. Es wurde eine Prozessierungsmethode entwickelt, die es auf einfache Art und Weise erlaubt, Daten oder Komponenten verschiedenen Ursprungs wie Signalelemente, Gene und Metabolite, die in biologischen Systemen zeitlich versetzt aktiv oder verändert erscheinen, im Zusammenhang zu betrachten. Die abschließende Analyse aller Daten richtet sich auf die Abschätzung der Bedingtheit von Signal-Metabolismus Interaktionen.
KW - Pflanzenhormon
KW - Metabolom
KW - Metabolit
KW - Massenspektrometrie
KW - GC-MS
KW - Profilmessung
KW - Profilmethode
KW - Derivatisierung
KW - Wissensextraktion
KW - Datenbank
KW - Zeatin
KW - Pathwaysuche
KW - Pathway Abbildung
KW - Metabolitprofil
KW - Signalstoffe
KW - zeatin
KW - pathway search
KW - pathway mapping
KW - metabolite profiling
KW - signal compounds
Y1 - 2005
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-7144
ER -
TY - THES
A1 - Kolasa, Anna
T1 - Identification and analysis of new phloem proteins from Brassicaceae and Cucurbitaceae
T1 - Identifizierung und Analyse neuer Phloemproteine aus Brassicaceen und Cucurbitaceen
N2 - The major aim of this work was the identification of new phloem sap proteins and a metabolic characterisation of this transport fluid. The experiments were performed on the three plant species C. sativus, C. maxima and B. napus. To characterise the phloem samples from B. napus, a new model plant for phloem analysis, western blot tests together with metabolite profiling were performed. GC-MS metabolite profiling and enzyme assays were used for measuring metabolites in the phloem of B. napus. Results from the phloem sap measurements showed, as expected, a typical sugar distribution for apoplasmic phloem loaders with sucrose being the predominant sugar. In stem extracts, the most abundant sugar was glucose with much lower fructose and sucrose levels. With the GC-MS approach it was possible to identify a number of metabolites which showed a differential distribution when phloem and stem tissue extracts were compared. For protein identification, two different approaches were employed (i) screening expression libraries with total phloem protein specific antisera and (ii) protein separation on 2 DE gels followed by ESI-MS/MS sequence analyses. For the first approach, three different phloem protein-specific antisera were produced and expression libraries were constructed. Phloem protein antisera were tested for specificity and some attempts to estimate specific epitopes were undertaken. Screening of the libraries resulted in the identification of 14 different proteins from all investigated species. Analyses of B. napus phloem sap proteins from 2 DE with ESI-MS/MS resulted in the identification of 5 different proteins. The phloem localisation of the identified proteins was additionally confirmed by western blot tests using specific antibodies. In order to functionally characterise some selected phloem proteins from B. napus, the group of potential calcium-binding polypeptides was analysed for functional Ca+2 binding properties and several Ca+2–binding proteins could be isolated. However, their sequences could as yet not be determined. Another approach used for functional protein characterisation was the analysis of Arabidopsis T-DNA insertion mutants. Four available mutants with insertions in phloem protein-specific genes were chosen from the SALK and GABI-Kat collections and selected homozygous lines were tested for the presence of the investigated proteins. In order to verify if the product of one of the mutated gene (GRP 7) is transported through the phloem, grafting experiments were performed followed by western blot analyses. Although the employed antiserum against GRP 7 protein did not allow distinguishing between the mutant and the wild type plants, successful Arabidopsis grafting could be established as a promising method for further studies on protein translocation through the phloem.
N2 - Das Hauptziel der vorliegenden Arbeit war die Identifizierung neuer Phloemsaftproteine sowie die metabolische Charakterisierung dieser Transportflüssigkeit. Die beschriebenen Experimente wurden an den vier Pflanzenarten Cucumis sativus, Curcurbita maxima, Brassica napus und Arabidopsis thaliana durchgeführt. Für die Analyse von Phloemsaftproteinen aus B. napus war zunächst wichtig, die Herkunft und Reinheit der gewonnenen Phloemproben mittels Western Blot Analysen, Bestimmungen der Zuckerkonzentration und einer metabolischen Charakterisierung mittels GC-MS zu überprüfen. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen zeigten erwartungsgemäß die typische Zuckerzusammensetzung für apoplastische Phloembelader, mit Saccharose als vorherrschendem Zucker. In Stängelextrakten war dagegen Glukose der vorherrschende Zucker, wogegen Fruktose und Saccharose in wesentlich geringeren Mengen nachweisbar waren. Mit diesem GS-MS Ansatz war es möglich eine Vielzahl von Metaboliten zu identifizieren, die eine differentielle Verteilung in Phloemsaft und Stängelextrakt aufweisen. Ein Versuchsansatz zur Proteinanalyse war es Gene, welche Phloemproteine kodieren, zu klonieren. Zu diesem Zweck wurden Expressionsbibliotheken von C. maxima, C. sativus und B. napus konstruiert und anschließend mittels Phloemprotein-spezifischen Antiseren der entsprechenden Arten durchforstet. Des Weiteren wurden die Antiseren auf ihre Spezifität getestet und es wurden Versuche durchgeführt, um mögliche spezifische Epitope zu identifizieren. Die Durchforstung der Expressionsbibliotheken führte zur Identifizierung von 14 verschiedenen Proteinen aus den drei untersuchten Pflanzenarten. Im Rahmen einer umfassenden Charakterisierung des Phloemproteoms von B. napus mittels zwei-dimensionaler Gelelektorphorese (2 DE) und anschließender Massenspektrometrie (ESI-MS/MS), wurden insgesamt 5 neue Phloemproteine identifiziert. Die Lokalisierung dieser Proteine im Phloem wurde zusätzlich mittels Western Blot Analysen unter Verwendung spezifischer Antikörper verifiziert. Die funktionelle Analyse einiger dieser neu identifizierten Proteine wurde unter Zuhilfenahme von „knock-out“ Mutanten der Modelpflanze Arabidopsis thaliana begonnen. Das vorrangige Ziel dabei war, zu überprüfen, ob die ausgewählten Proteine tatsächlich im Phloem transportiert werden. Dazu wurden so genannte Pfropfungsversuche durchgeführt. Vier Arabidopsis Mutanten, die Insertionen in Phloemprotein-spezifischen Genen aufweisen wurden aus der SALK bzw. aus der GABI-KAT Sammlung ausgewählt und die selektierten, homozygoten Linien auf die Anwesenheit der entsprechenden Proteine hin untersucht. Um letztendlich den Transport eines der mutierten Genprodukte zu verifizieren (GRP 7), wurden Pfropfungsversuche mit anschließender Western Blot Analyse durchgeführt. Obwohl das entwickelte Antiserum gegen GRP 7 es nicht erlaubte zwischen mutierten und Wildtyp Pflanzen zu unterscheiden, konnte doch die Pfropfung von Arabidopsis Pflanzen erfolgreich etabliert werden. Somit steht nun eine Erfolg versprechende Methode zur Verfügung, um den Proteintransport durch das Phloem zu untersuchen. Eine weitere Gruppe von Phloemproteinen aus B. napus, solche mit einer potentiellen Calcium-bindenden Domäne, wurden ebenfalls funktionell auf mögliche Ca2+-bindende Eigenschaften hin untersucht, dabei konnten einige Ca2+–bindende Proteine isoliert werden, deren Sequenz bislang jedoch noch unbekannt ist.
KW - Phloemproteine
KW - Phloem
KW - phloem
KW - phloem proteins
Y1 - 2005
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-6939
ER -
TY - THES
A1 - Unterstab, Gunhild
T1 - Charakterisierung der viralen Genprodukte p10 und P des Borna Disease Virus
T1 - Characterization of the viral gene products p10 and P of the Borna disease virus
N2 - Das Borna Disease Virus (BDV, Bornavirus) besitzt ein einzelsträngiges RNA-Genom negativer Polarität und ist innerhalb der Ordnung Mononegavirales der Prototyp einer eigenen Virusfamilie, die der Bornaviridae. Eine außergewöhnliche Eigenschaft des Virus ist seine nukleäre Transkription und Replikation, eine weitere besteht in seiner Fähigkeit, als neurotropes Virus sowohl in vivo als auch in vitro persistente Infektionen zu etablieren. Die zugrunde liegenden Mechanismen sowohl der Replikation als auch der Persistenz sind derzeit noch unzureichend verstanden, auch deshalb, weil das Virus noch relativ „jung“ ist: Erste komplette Sequenzen des RNA-Genoms wurden 1994 publiziert und erst vor einigen Monaten gelang die Generierung rekombinanter Viren auf der Basis klonierter cDNA. Im Mittelpunkt dieser Arbeit standen das p10 Protein und das Phosphoprotein (P), die von der gemeinsamen Transkriptionseinheit II in überlappenden Leserahmen kodiert werden. Als im Kern der Wirtszelle replizierendes Virus ist das Bornavirus auf zelluläre Importmechanismen angewiesen, um den Kernimport aller an der Replikation beteiligten viralen Proteine zu gewährleisten. Das p10 Protein ist ein negativer Regulator der viralen RNA-abhängigen RNA-Polymerase (L). In vitro Importexperimente zeigten, dass p10 über den klassischen Importin alpha/beta abhängigen Kernimportweg in den Nukleus transportiert wird. Dies war unerwartet, da p10 kein vorhersagbares klassisches Kernlokalisierungssignal (NLS) besitzt und weist darauf hin, dass der zelluläre Importapparat offensichtlich flexibler ist als allgemein angenommen. Die ersten 20 N-terminalen AS vermitteln sowohl Kernimport als auch die Bindung an den Importrezeptor Importin alpha. Durch Di-Alanin-Austauschmutagenese wurden die für diesen Transportprozess essentiellen AS identifiziert und die Bedeutung hydrophober und polarer AS-Reste demonstriert. Die Fähigkeit des Bornavirus, persistente Infektionen zu etablieren, wirft die Frage auf, wie das Virus die zellulären antiviralen Abwehrmechanismen, insbesondere das Typ I Interferon (IFN)-System, unterwandert. Das virale P Protein wurde in dieser Arbeit als potenter Antagonist der IFN-Induktion charakterisiert. Es verhindert die Phosphorylierung des zentralen Transkriptionsfaktors IRF3 durch die zelluläre Kinase TBK1 und somit dessen Aktivierung. Der Befund, dass P mit TBK1 Komplexe bildet und zudem auch als Substrat für die zelluläre Kinase fungiert, erlaubt es, erstmalig einen Mechanismus zu postulieren, in dem ein virales Protein (BDV-P) als putatives TBK1-Pseudosubstrat die IRF3-Aktivierung kompetitiv hemmt.
N2 - The Borna Disease Virus (BDV) harbors a single stranded RNA genome of negative polarity. Within the order of Mononegavirales it is the prototype of a new virus family named Bornaviridae. Unique features of this neurotrope virus are its nuclear transcription and replication as well as its ability to establish persistent infections both in vivo and in vitro. The underlying mechanisms of BDV replication and persistence are currently not well understood amongst others due to the fact that BDV is quite a young virus: First complete sequences of the RNA genome have been published in 1994. Only a few months ago the generation of a recombinant Bornavirus from cloned cDNA has been accomplished. The work presented here focused on the viral p10 protein and the phosphoprotein P that are both encoded by two overlapping reading frames of the transcription unit II. Nuclear replication of the Bornavirus relies on cellular import mechanisms to allow for nuclear import of viral proteins involved in viral replication. The p10 protein has been described as a negative regulator of the viral RNA dependent RNA polymerase (L). In vitro import experiments revealed that p10 translocates into the nucleus via the classical importin alpha/beta; dependent pathway. This was unexpected since p10 does not contain a predictable classical nuclear localization signal (NLS) suggesting that the cellular import machinery is more flexible than generally believed. The first 20 amino acids mediate nuclear import and binding to the import receptor importin alpha. Analysis of di-alanine-exchange mutants identified essential amino acids and furthermore revealed the impact of hydrophobic and polar side chains in receptor binding and nuclear import. The ability of the Bornavirus to establish persistent infections rises the question of how the virus circumvents cellular antiviral defense mechanisms, in particular the type I interferon system. This work characterizes the viral P protein as a potent antagonist of IFN beta induction. It prevents the activation of the central transcription factor IRF3 by interfering with the cellular kinase TBK1. The finding that P forms complexes with TBK1 and moreover serves as a kinase substrate allows to postulate a mechanism for the first time, in which a viral protein (BDV-P) acts as a putative TBK1 pseudo-substrate and thereby competitively inhibits IRF3 activation.
KW - Interferon
KW - Borna Disease Virus
KW - Kernlokalisierungssignal
KW - Importin
KW - IRF3
KW - TBK1
KW - Borna disease virus
KW - nuclear localization signal
KW - importin
KW - IRF3
KW - TBK1
Y1 - 2005
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-6905
ER -
TY - THES
A1 - Barbirz, Stefanie
T1 - Konservierte Struktur bei genetischer Mosaizität : die Tailspike Proteine dreier Phagen der Familie Podviridae
T1 - Tailspike proteins of three Podoviridae : genetic mosaics with conserved hreedimensional structure
N2 - Die Tailspike Proteine (TSP) der Bakteriophagen P22, Sf6 und HK620 dienen der Erkennung von Kohlenhydratstrukturen auf ihren gram-negativen Wirtsbakterien und zeigen, von den ersten 110 Aminosäuren des N-Terminus abgesehen, keine Sequenzübereinstimmung. Mit Röntgenkristallstrukturanalyse konnte gezeigt werden, dass HK620TSP und Sf6TSP ebenfalls zu einer parallelen, rechtsgängigen beta-Helix falten, wie dies schon für P22TSP bekannt war. Die Kohlenhydratbindestelle ist bei Sf6TSP im Vergleich zu P22TSP zwischen die Untereinheiten verschoben.
N2 - The bacteriophages P22, Sf6 and HK620 need their tailspike proteins (TSP) for recognition of surface carbohydrates on their gram-negative host bacteria. Sequence identity is completely lacking in their C-terminal 500 to 600 amino acids. The three TSP have the same fold, an oligomeric parallel beta-helix, as shown by crystal structure analyses of HK620TSP and Sf6TSP. Compared with P22TSP, the carbohydrate binding site of Sf6TSP is located at the interface between two monomers and not on a single monomer.
KW - Bakteriophagen
KW - Skleroproteine
KW - Helix
KW - Lipopolysaccharide
KW - parallele beta-Helix
KW - genetisches Mosaik
KW - Tailspike
KW - Kohlenhydrat-Protein-Wechselwirkung
KW - parallel beta-helix
KW - genetic mosaicism
KW - tailspike
KW - carbohydrate binding site
Y1 - 2005
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-6885
ER -
TY - THES
A1 - Zhang, Baichen
T1 - Dissection of phloem transport in cucurbitaceae by metabolomic analysis
T1 - Analyse des Phloemtransports bei Cucurbitaceae mittels Metabolomics
N2 - This thesis aimed to investigate several fundamental and perplexing questions relating to the phloem loading and transport mechanisms of Cucurbita maxima, by combining metabolomic analysis with cell biological techniques. This putative symplastic loading species has long been used for experiments on phloem anatomy, phloem biochemistry, phloem transport physiology and phloem signalling. Symplastic loading species have been proposed to use a polymer trapping mechanism to accumulate RFO (raffinose family oligosaccharides) sugars to build up high osmotic pressure in minor veins which sustains a concentration gradient that drives mass flow. However, extensive evidence indicating a low sugar concentration in their phloem exudates is a long-known problem that conflicts with this hypothesis. Previous metabolomic analysis shows the concentration of many small molecules in phloem exudates is higher than that of leaf tissues, which indicates an active apoplastic loading step. Therefore, in the view of the phloem metabolome, a symplastic loading mechanism cannot explain how small molecules other than RFO sugars are loaded into phloem. Most studies of phloem physiology using cucurbits have neglected the possible functions of vascular architecture in phloem transport. It is well known that there are two phloem systems in cucurbits with distinctly different anatomical features: central phloem and extrafascicular phloem. However, mistaken conclusions on sources of cucurbit phloem exudation from previous reports have hindered consideration of the idea that there may be important differences between these two phloem systems. The major results are summarized as below: 1) O-linked glycans in C.maxima were structurally identified as beta-1,3 linked glucose polymers, and the composition of glycans in cucurbits was found to be species-specific. Inter-species grafting experiments proved that these glycans are phloem mobile and transported uni-directionally from scion to stock. 2) As indicated by stable isotopic labelling experiments, a considerable amount of carbon is incorporated into small metabolites in phloem exudates. However, the incorporation of carbon into RFO sugars is much faster than for other metabolites. 3) Both CO2 labelling experiments and comparative metabolomic analysis of phloem exudates and leaf tissues indicated that metabolic processes other than RFO sugar metabolism play an important role in cucurbit phloem physiology. 4) The underlying assumption that the central phloem of cucurbits continuously releases exudates after physical incision was proved wrong by rigorous experiments including direct observation by normal microscopy and combined multiple-microscopic methods. Errors in previous experimental confirmation of phloem exudation in cucurbits are critically discussed. 5) Extrafascicular phloem was proved to be functional, as indicated by phloem-mobile carboxyfluorescein tracer studies. Commissural sieve tubes interconnect phloem bundles into a complete super-symplastic network. 6) Extrafascicular phloem represents the main source of exudates following physical incision. The major transported metabolites by these extrafacicular phloem are non-sugar compounds including amino acids, O-glycans, amines. 7) Central phloem contains almost exclusively RFO sugars, the estimated amount of which is up to 1 to 2 molar. The major RFO sugar present in central phloem is stachyose. 8) Cucurbits utilize two structurally different phloem systems for transporting different group of metabolites (RFO sugars and non-RFO sugar compounds). This implies that cucurbits may use spatially separated loading mechanisms (apoplastic loading for extrafascicular phloem and symplastic loading for central phloem) for supply of nutrients to sinks. 9) Along the transport systems, RFO sugars were mainly distributed within central phloem tissues. There were only small amounts of RFO sugars present in xylem tissues (millimolar range) and trace amounts of RFO sugars in cortex and pith. The composition of small molecules in external central phloem is very different from that in internal central phloem. 10) Aggregated P-proteins were manually dissected from central phloem and analysed by both SDS-PAGE and mass spectrometry. Partial sequences of peptides were obtained by QTOF de novo sequencing from trypsin digests of three SDS-PAGE bands. None of these partial sequences shows significant homology to known cucurbit phloem proteins or other plant proteins. This proves that these central phloem proteins are a completely new group of proteins different from those in extrafascicular phloem. The extensively analysed P-proteins reported in literature to date are therefore now shown to arise from extrafascicular phloem and not central phloem, and therefore do not appear to be involved in the occlusion processes in central phloem.
N2 - Phloem transportiert ein ausgedehntes Spektrum an Molekülen zwischen Pflanzenorganen, um Wachstum und Entwicklung zu koordinieren. Folglich ist eine umfassende und unvoreingenommene Metabolom-Analyse notwendig, um unser Verständnis über den Transport von Stoffwechselprodukten sowie über Phloemtransport zu vertiefen. Phloemexsudate von Kürbispflanzen werden unter Verwendung der Metabolom-Analyse analysiert. Bei diesen Pflanzen wird angenommen, dass sie symplastische Beladungswege verwenden, um Photoassmilate als Ausgangsschritt des Phloemtransportes zu konzentrieren. Zwei neue Familien Callose-verwandter Substanzen, 1,3-Overknüpfte Glycane, sowie eine Reihe anderer kleinerer Metabolite werden in den Phloemexsudaten detektiert. Metabolom-Daten und physiologische Experimente widersprechen früher berichtetem Verständnis des Phloemexsudationsprozesses in Kürbispflanzen. Folglich bestätigt sich der Phloemexsudationsprozeß durch Kombination unterschiedlicher mikroskopischer Techniken. Kürbispflanzen besitzen zwei Phloemsysteme mit eindeutigen anatomischen Eigenschaften. Es zeigt sich, daß Phloemexsudate in Kürbissen hauptsächlich vom extrafaszikulären Phloem, nicht vom zentralen Phloem, stammen. In den letzten Jahrzehnten wurde gewöhnlich mißverstanden, daß Phloemexsudate vom zentralen Phloem stammen. Die eindeutigen metabolischen Profile der unterschiedlichen Phloemsysteme, die durch Metabolom-Analysen in der räumlichen Auflösung beobachtet werden, bestätigen die unterschiedlichen physiologischen Funktionen der zwei unterschiedlichen Phloemsysteme: das zentrale Phloem transportiert hauptsächlich Zucker, während das extrafaszikuläre Phloem ein ausgedehntes Spektrum von Metaboliten transportiert. Es kann auch ein unterschiedliches metabolisches Profil kleiner Moleküle zwischen internem und externem zentralem Phloem beobachtet werden. Von Strukturproteinen des zentralen Phloems wurden auch Proben genommen und mittels Massenspektrometrie analysiert. Diese Proteine erweisen sich als neuartige Proteine, die sich zu denen im extrafaszikulären Phloem unterscheiden. Dies bestätigt ferner den Funktionsunterschied der unterschiedlichen Phloemsysteme in Kürbispflanzen. Basierend auf diesen neuartigen Entdeckungen des Phloem-Metaboloms und dem vorhergehenden Wissen über den Phloemtransport in Kürbispflanzen, wird ein neues Modell vorgeschlagen, um den Mechanismus des Phloemtransports in der symplastischen Beladung zu verstehen.
KW - phloem
KW - metabolomics
KW - cucurbits
KW - phloem proteins
KW - phloem
KW - symplastic loading
KW - metabolomic analysis
KW - p-proteins
KW - phloem architecture
Y1 - 2005
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-6644
ER -
TY - THES
A1 - Kolbe, Anna
T1 - Redox-regulation of starch and lipid synthesis in leaves
T1 - Redox-Regulation von Stärke- und Lipidsynthese in Blättern
N2 - Post-translational redox-regulation is a well-known mechanism to regulate enzymes of the Calvin cycle, oxidative pentose phosphate cycle, NADPH export and ATP synthesis in response to light. The aim of the present thesis was to investigate whether a similar mechanism is also regulating carbon storage in leaves. Previous studies have shown that the key-regulatory enzyme of starch synthesis, ADPglucose pyrophosphorylase (AGPase) is inactivated by formation of an intermolecular disulfide bridge between the two catalytic subunits (AGPB) of the heterotetrameric holoenzyme in potato tubers, but the relevance of this mechanism to regulate starch synthesis in leaves was not investigated. The work presented in this thesis shows that AGPase is subject to post-translational redox-regulation in leaves of pea, potato and Arabidopsis in response to day night changes. Light was shown to trigger posttranslational redox-regulation of AGPase. AGPB was rapidly converted from a dimer to a monomer when isolated pea chloroplasts were illuminated and from a monomer to a dimer when preilluminated leaves were darkened. Conversion of AGPB from dimer to monomer was accompanied by an increase in activity due to changes in the kinetik properties of the enzyme. Studies with pea chloroplast extracts showed that AGPase redox-activation is mediated by thioredoxins f and m from spinach in-vitro. In a further set of experiments it was shown that sugars provide a second input leading to AGPase redox activation and increased starch synthesis and that they can act as a signal which is independent from light. External feeding of sugars such as sucrose or trehalose to Arabidopsis leaves in the dark led to conversion of AGPB from dimer to monomer and to an increase in the rate of starch synthesis, while there were no significant changes in the level of 3PGA, an allosteric activator of the enyzme, and in the NADPH/NADP+ ratio. Experiments with transgenic Arabidopsis plants with altered levels of trehalose 6-phosphate (T6P), the precursor of trehalose synthesis, provided genetic evidence that T6P rather than trehalose is leading to AGPase redox-activation. Compared to Wt, leaves expressing E.coli trehalose-phosphate synthase (TPS) in the cytosol showed increased activation of AGPase and higher starch level during the day, while trehalose-phosphate phosphatase (TPP) overexpressing leaves showed the opposite. These changes occurred independently of changes in sugar and sugar-phosphate levels and NADPH/NADP+ ratio. External supply of sucrose to Wt and TPS-overexpressing leaves led to monomerisation of AGPB, while this response was attenuated in TPP expressing leaves, indicating that T6P is involved in the sucrose-dependent redox-activation of AGPase. To provide biochemical evidence that T6P promotes redox-activation of AGPase independently of cytosolic elements, T6P was fed to intact isolated chloroplasts for 15 min. incubation with concentrations down to 100 µM of T6P, but not with sucrose 6-phosphate, sucrose, trehalose or Pi as controls, significantly and specifically increased AGPB monomerisation and AGPase activity within 15 minutes, implying T6P as a signal reporting the cytosolic sugar status to the chloroplast. The response to T6P did not involve changes in the NADPH/NADP+ ratio consistent with T6P modulating redox-transfer to AGPase independently of changes in plastidial redox-state. Acetyl-CoA carboxylase (ACCase) is known as key-regulatory enzyme of fatty acid and lipid synthesis in plants. At the start of the present thesis there was mainly in vitro evidence in the literature showing redox-regulation of ACCase by DTT, and thioredoxins f and m. In the present thesis the in-vivo relevance of this mechanism to regulate lipid synthesis in leaves was investigated. ACCase activity measurement in leaf tissue collected at the end of the day and night in Arabidopsis leaves revealed a 3-fold higher activation state of the enzyme in the light than in the dark. Redox-activation was accompanied by change in kinetic properties of ACCase, leading to an increase affinity to its substrate acetyl-CoA . In further experiments, DTT as well as sucrose were fed to leaves, and both treatments led to a stimulation in the rate of lipid synthesis accompanied by redox-activation of ACCase and decrease in acetyl-CoA content. In a final approach, comparison of metabolic and transcript profiling after DTT feeding and after sucrose feeding to leaves provided evidence that redox-modification is an important regulatory mechanism in central metabolic pathways such as TCA cycle and amino acid synthesis, which acts independently of transcript levels.
N2 - Es ist bereits seit längerem bekannt, dass viele Enzyme des Calvinzyklus, des oxidativen Pentosephosphatwegs, des NAD(P)H-Exports und der ATP-Synthese durch post-translationale Redox-Modifikation in Antwort auf Licht reguliert werden. In der vorliegenden Arbeit sollte untersucht werden, ob ein ähnlicher Mechanismus auch die Kohlenstoffspeicherung in Blättern reguliert. Vorangegangene Studien mit Kartoffelknollen zeigten, dass das Schlüsselenzym der Stärkesynthese ADP-Glukose-Pyrophosphorylase (AGPase) durch die Bildung einer Disulfidbrücke zwischen den zwei kleinen Untereinheiten (AGPB) des tetrameren Proteins inaktiviert wird, die Bedeutung dieses Mechanismus für die Stärkesynthese in Blättern blieb jedoch bislang ungeklärt. Die vorliegenden Arbeiten zeigen, das AGPase in Erbsen-, Kartoffel- und Arabidopsis-Blättern über post-translationale Redox-Modifikation in Antwort auf Tag-Nacht Änderungen reguliert wird. Dies erfolgt über ein Licht-abhängiges Signal, da, erstens, AGPB in isolierten Chloroplasten durch Belichtung sehr schnell von Dimer zu Monomer umgewandelt wird und, zweitens, ein Abdunkeln der Blätter zu einer schnellen Umwandlung von AGPB von Monomer zu Dimer führt. Die Monomerisierung von AGPB ging mit Änderungen in den kinetischen Eigenschaften des Enzyms einher, die zu einer Aktivierung führten. Studien mit Extrakten aus Erbsenchloroplasten zeigten, dass die AGPase-Redoxaktivierung in-vitro durch die Thioredoxine f und m aus Spinat vermittelt wird. In einem weiteren experimentellen Ansatz konnte gezeigt werden, dass auch Zucker zu Redox-Aktivierung der AGPase und erhöhter Stärkesynthese in Blättern führen, und dass diese unabhängig von Licht wirken. Externe Zugabe von Zuckern wie Saccharose oder Trehalose an Arabidopsis-Blätter im Dunkeln führten zu Monomerisierung von AGPB und einer Erhöhung der Stärkesyntheserate , während die Spiegel des allosterischen Aktivators 3PGA unverändert blieben und keine Änderungen im NADPH/NADP+-Verhältnis auftraten. Experimente mit transgenen Arabidopsis-Pflanzen mit veränderten Spiegeln des Vorläufers der Trehalosesynthese, Trehalose-6-phosphat (T6P), zeigten, dass T6P und nicht Trehalose zu Redox-Aktivierung von AGPase führt. Expression einer E. coli T6P synthase (TPS) im Zytosol führte zu erhöhter Redox-Aktivierung von AGPase und erhöhter Stäreksynthese in Blättern, während die Expression einer T6P-Phosphatase (TPP) gegenteilige Änderungen bewirkte. Diese Auswirkungen erfolgten unabhängig von Änderungen in den Spiegeln von Zuckern und Zuckerphosphaten oder im NADPH/NADP+-Verhältnis. Externe Zugabe von Saccharose führte zu Monomerisierung von AGPB in Wildtyp und TPS exprimierenden Blättern, während diese Antwort in TPP exprimierenden Blättern stark abgeschwächt war. Dies zeigt, dass T6P eine wesentliche Komponente darstellt, die die Redox-Aktivierung der AGPase in Antwort auf Saccharose vermittelt. T6P wurde auch für 15 min direkt an intakte, isolierte Erbsenchloroplasten gefüttert. T6P Konzentrationen im Bereich von 100 µM bis 10 mM führten zu einem signifikanten und spezifischen Anstieg der AGPB-Monomersierung und der AGPase Aktivität. Dies zeigt, dass T6P auch ohne zytosolische Elemente die Redox-Aktivierung der AGPase stimuliert und somit ein Signal zwischen Zytosol und Plastid darstellt. Diese Antwort erfolgte ohne Änderungen im NADPH/NADP+-Verhältnis, was zeigt, dass T6P eher den Redox-Transfer zu AGPase als den Redoxzustand des Chloroplasten moduliert. Acetyl-CoA-Carboxylase (ACCase) ist als Schlüsselenzym der Fettsäure- und Lipidsynthese in Pflanzen bekannt. Zu Beginn der vorliegenden Arbeit lagen hauptsächlich in-vitro Befunde vor, die zeigten, dass ACCase durch DTT und thioredoxine f und m über Redox-Modulation reguliert wird. In der Arbeit sollte daher die in-vivo Relevanz dieses Mechanismus für die Regulation der Lipidsynthese in Blättern untersucht werden. ACCase zeigte einen höheren Redox-Aktivierungszustand in Arabidopsis-Blätter, die während des Tages im Vergleich zur Nacht geerntet wurden. Die Redox-Aktivierung der ACCase wurde von Änderungen in den kinetischen Eigenschaften begleitet und führte zu einer erhöhten Affinität des Enzymes gegenüber Acetyl-CoA als Substrat. In weiteren Versuchen wurde sowohl DTT als auch Saccharose an Blätter gefüttert, und beide Behandlungen führten zu Redox-Aktivierung von ACCase, was mit erhöhten Lipidsynthesraten und einem Rückgang des Acetyl-CoA-Spiegels einherging.
KW - Redoxreaktion
KW - Thioredoxine
KW - ADP-Glukosepyrophosphorylase
KW - Acetyl-CoA carboxylase
KW - Trehalose-6-Phosphat
KW - Lipid Synthese
KW - Stärke Synthese
KW - Lipid synthesis
KW - Starch synthesis
KW - thioredoxin
KW - redox
Y1 - 2005
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-6388
ER -
TY - THES
A1 - Schorling, Markus
T1 - Ökologische und phytomedizinische Untersuchungen zum Anbau von Bt-Mais im Maiszünsler-Befallsgebiet Oderbruch
T1 - Ecological and phytomedical investigations on Bt maize grown in the European corn borer (Ostrinia nubilalis) infested area in the Oderbruch region (Germany)
N2 - In den letzten 20 Jahren hat sich der Maiszünsler (Ostrinia nubilalis HÜBNER), aus der Schmetterlingsfamilie der Pyralidae oder Zünsler, zum bedeutendsten tierischen Schädling des Maises (Zea mays) entwickelt. Eine Möglichkeit den Befall des Maiszünslers abzuwenden, bietet der Anbau von Bacillus thuringiensis-Mais (Bt-Mais). Mit Hilfe der Gentechnik wurden Gene des Bakteriums Bacillus thuringiensis übertragen, die einen für Fraßinsekten giftigen Wirkstoff bilden, wodurch die Pflanzen während der kompletten Vegetation vor den Larven des Maiszünslers geschützt sind. Ziel des vorliegenden Projektes war es, in einer 3-jährigen Studie die Auswirkungen des großflächigen Anbaus von Bt-Mais auf die ökologische Situation und den Handlungsrahmen des integrierten Pflanzenschutzes komplex zu untersuchen. Dazu wurden in Betrieben im Oderbruch, das als permanentes Befallsgebiet des Maiszünslers gilt, in den Jahren 2002 bis 2004 jährlich zwei Felder mit jeweils einer Bt-Sorte und einer konventionellen Sorte angelegt. Zusätzlich wurden biologische und chemische Maiszünsler-Bekämpfungsvarianten geprüft. Durch verschiedene Methoden wie Bonituren, Ganzpflanzenernten, Bodenfallenfänge und Beobachtungen des Wahlverhaltens von (Flug-)insekten konnten Aussagen zum Vorkommen von Insekten und Spinnentieren getroffen werden, wobei hierfür Daten aus Untersuchungen der Jahre 2000 und 2001 im Oderbruch ergänzend herangezogen werden konnten. Durch Ertragsmessungen, Energie- und Qualitätsermittlungen, sowie Fusarium- und Mykotoxinanalysen konnte der Anbau von Bt-Mais als neue Alternative zur Bekämpfung des Maiszünslers bewertet werden. Bezüglich des Auftretens von Insekten und Spinnentieren wurden im Mittel der fünfjährigen Datenerhebung beim Vergleich der Bt-Sorte zur konventionellen Sorte, mit Ausnahme der fast 100 %igen Bekämpfung des Maiszünslers, keine signifikanten Unterschiede festgestellt. Hierfür wurde ein besonderes Augenmerk auf Thripse, Wanzen, Blattläuse und deren Fraßfeinde, sowie mittels Bodenfallenfängen auf Laufkäfer und Spinnen gerichtet. Die erwarteten ökonomischen Vorteile wie etwa Ertragsplus oder bessere Nährstoff- und Energiegehalte durch geringeren Schaden beim Anbau von Bt-Mais als Silomais blieben in den Untersuchungsjahren aus. Allerdings zeigten Fusarium- und Mykotoxinanalysen eine geringere Belastung des Bt-Maises, was möglicherweise auf den geringeren Schaden zurückzuführen ist, da beschädigte Pflanzen für Fusarium und Mykotoxine anfälliger sind. Desweiteren konnten erste methodische Ansätze für ein auf EU-Ebene gefordertes, den Anbau von Bt-Mais begleitendes Monitoring, erarbeitet werden. So konnten Vorschläge für geeignete Methoden, deren Umfang sowie des Zeitpunktes der Durchführungen gemacht werden.
N2 - In the last 20 years the European corn borer (Ostrinia nubilalis, Pyralidae) has become the most important pest in maize (Zea mays). One of a couple of possibilities to reduce the infestation by the European corn borer is the cultivation of Bacillus thuringiensis maize (Bt maize). Genetic engineering transmitted genes from Bacillus thuringiensis, which produce a substance that is toxic to feeding insects and thus protect plants against the larvae of the European corn borer during the whole vegetation. The present project is a 3-year study to identify the effects of Bt maize growing on the ecological situation and the possibilities of integrated plant protection. From 2002 to 2004, two fields in the Oderbruch region, where Ostrinia nubilalis occurs, were each planted with Bt maize and a conventional maize variety every year. Furthermore, a biological and a chemical strategy against the European corn borer were verified. Different methods like counts, harvest of whole plants, pitfall traps and observation the landing behaviour of flying insects were used to determine the abundance of insects and spiders. Furthermore, we could use additional data from studies obtained in the Oderbruch region in 2000 and 2001. The determination of yield, quality and energy content of the crops as well as of the degree of Fusarium infection and contamination by mycotoxins led to the conclusion that the cultivation of Bt maize is a new alternative strategy to control the European corn borer. The average occurrence of insects and spiders did not differ significantly between Bt maize and the conventional variety in the 5 years of data recording. The only exception is the almost total control of the European corn borer. Attention was especially paid to thrips, bugs, aphids and their feeding enemies and using ground traps to ground beetles and spiders. The expected economic benefits like increased yield or nutrient and energy content of the crop as a result of a minimized damage to silage Bt maize were not achieved in the years under investigation. However, the analysis of Fusarium and mycotoxins indicated a lower exposure of Bt maize, which may result from a lower damage caused by Ostrinia nubilalis, and damaged plants are more susceptible to Fusarium and mycotoxins. Furthermore, we developed a first methodological approach for the monitoring procedure of Bt maize growing required by the EU. We have made proposals on appropriate methods, their extent as well as the optimum time of their application.
KW - Maiszünsler
KW - Oderbruch
KW - Monitoring
KW - Gentechnologie
KW - Biodiversität
KW - Bt-Mais
KW - Bt maize
KW - European corn borer
KW - Ostrinia nubilalis
KW - genetic engineering
KW - monitoring
Y1 - 2005
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-6260
ER -
TY - THES
A1 - Nita, Ana-Silvia
T1 - Genetic mapping and molecular characterization of tbr1 mutant in Arabidopsis thaliana
T1 - Genetic mapping and molecular characterization of tbr1 mutant in Arabidopsis Thaliana
N2 - Arabidopsis thaliana trichomes exhibit strong birefringence under polarized light, a characteristic of cell walls containing large amounts of highly ordered cellulose microfibrils. The tbr1 mutant of Arabidopsis lacks trichome birefringence and is deficient in secondary cell wall cellulose synthesis (Potikha and Delmer, 1995). The TBR gene was identified by recombinational mapping, candidate gene sequencing and molecular complementation using genomic cosmid clones, as well as a p35S:TBR genomic DNA construct, fully rescuing the mutant phenotype in both cases. The only mutant allele available (tbr-1) carries a substitution (G to E) in a conserved aminoacid domain of the protein. TBR gene structure was proved to have a longer size than the one found to be annotated at the time of identification in the data-base. A full cDNA clone containing the full transcript was available and also complementation experiments using different gene fragments (annotated and suggested) leaded to the result that TBR gene is indeed, longer. TBR encodes a novel plant-specific protein with predicted plasma membrane localization, therefore being consistent with idea that is required for-, or is a novel component of a functional cellulose synthase complex. TBR is part of an Arabidopsis gene/protein family, (TBL-trichome birefringence like) which, depending on homology, comprises up to 20 members, none of which has a biological or biochemical function attributed. T-DNA insertion lines in TBR gene and two close homologues have been screened by PCR, but no homozygous were found and no trichomes phenotype was identified. Promoter-GUS lines were produced for TBR, as well as for its two closest homologues (one being a segmentally duplicated gene on chromosome III), using 1.6-2 kb of promoter sequence upstream of the annotated start codons. The TBR promoter was the only one of the three that yielded trichome expression, this probably explaining the phenotype of the TBR mutant. Moreover, TBR is expressed in leaves, in growing lateral roots, and in vascular tissues of young Arabidopsis seedlings and plantlets. Later on, the expression appears in inflorescens, stems, flowers and green siliques. This expression pattern is largely overlapping with those of the two analyzed homologues and it corresponds with data of RT-PCR expression profiling performed for TBR and the two analyzed homologues in different tissues, at different developmental stages. Biochemical analysis of cell wall (leaves and trichomes), as GC and MALDI-TOF, were performed, but revealed no major differences between tbr1 and wild type plants. Scanning electron microscopy analysis and cell wall polysaccharides antibody labeling showed a clear difference in the trichomes cell wall structure between mutant plant and wild type.
N2 - Genetische Kartierung und molekulare Charakterisierung der tbr-Mutante in Arabidopsis thaliana. Arabidopsis Trichome zeigen eine starke Doppelbrechung unter polarisiertem Licht, ein charakteristisches Merkmal der Sekundärzellwand, die aus großen Mengen parallel angeordneten Zellulose-Mikrofibrillen besteht. In der Arabidopsis tbr-Mutante ist die Synthese der Sekundärzellwand fehlerhaft. Die Trichome der tbr-Mutante zeigen unter polarisiertem Licht den Doppelbrechungseffekt nicht (Potikha and Delmer, 1995). TBR ist ein pflanzenspezifisches Protein, das in der Plasmamembran lokalisiert ist. Diese Tatsache lässt vermuten, dass TBR eine Rolle bei der Zellulose-Synthese spielt oder Teil des Zellulose-Synthese Komplexes ist. Die TBR Genfamilie besteht aus 20 Genen, deren biologische oder biochemische Funktion nicht bekannt ist. Das TBR Gen wurde durch „recombinational mapping“ und Sequenzierung identifiziert. Die molekulare Komplementation erfolgte unter Verwendung von Cosmidklonen und einem p35S:TBR genomischen DNA-Konstrukt und konnte den Wildtypphänotyp wieder vollständig herstellen. Die tbr-1 Mutante trägt einen Basenaustausch (G nach A) in einer hochkonservierten Aminosäuresequenz im Protein. In einer Arabidopsis T-DNA Linie mit Insertion in einem Exon konnten in einem PCR-Screen nur heterozygote Pflanzen identifiziert werden. Diese zeigten alle im polarisierten Licht den Doppelbrechungseffekt nicht. Ein möglicher Hinweis für den Phänotyp der tbr-Mutante könnte die Expressionsanalyse durch ein Promotor-GUS Konstrukt sein. Hierfür wurde eine 1,6 kb Sequenz, die upstream des TBR Startcodons liegt verwendet. Es zeigte sich, dass die Expression in den sowohl in den Trichomen zu finden war, als auch in Blättern, der Seitenwurzel und in vaskulären Gewebe junger Arabidopsis Keimlinge. In späteren Entwicklungsstadien ist eine Expression in den Stämmen, Blüten und grünen Schoten sichtbar. Diese Ergebnisse konnten durch RT-PCR Expressionsprofile und anhand der AtGenExpress Daten verifiziert werden. Zellwandanalysen durch GC und MALDI-TOF der Blätter und Trichome zeigten keine signifikanten Unterschiede zwischen der tbr-Mutante und Wildtyppflanzen. In den Pektinen der primären Zellwand konnten Unterschiede durch Immunolabeln der Zellwände festgestellt werden. Lokalisationsanalysen wurden mit Hilfe von C- und N-terminalen GFP-Konstrukten durchgeführt. Es konnte kein Signal detektiert werden. Mit Hilfe der Konstrukte konnte jedoch der Wildtyp Phänotyp wieder hergestellt werden. Es konnte also gezeigt werden, dass durch die genetische Kartierung und molekulare Charakterisierung des TBR Gens, ein an der Synthese der Zellulose beteiligtes Gen gefunden wurde.
KW - tbr mutant
KW - tbr mutant
KW - tbr mutant
Y1 - 2005
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-5992
ER -
TY - THES
A1 - Schäfer, Arne
T1 - Characterization of ammoniumtransporters in Arabidopsis thaliana
T1 - Charakterisierung der Ammoniumtransporter in Arabidopsis thaliana
N2 - Nitrogen is often a limiting factor for plant growth due to its heterogenous distribution in the soil and to seasonal and diurnal changes in growth rates. In most soils, NH4+ and NO3 – are the predominant sources of inorganic nitrogen that are available for plant nutrition. In this context, plants have evolved mechanisms that enable them to optimize nitrogen acquisition, which include transporters specialized in the uptake of nitrogen and susceptible to a regulation that responds to nitrogen limiting or excess conditions. Although the average NH4+ concentrations of soils are generally 100 to 1000 times lower than those of NO3 – (Marschner, 1995), most plants preferentially take up NH4+ when both forms are present because unlike NO3– , NH4+ has not to be reduced prior to assimilation and thus requires less energy for assimilation (Bloom et al., 1992). Apart from high uptake rates in roots, high intracellular ammonium concentrations also result from quantitatively important internal breakdown of amino acids (Feng et al., 1998), and originates in high quantities during photorespiration (Mattson et al., 1997, Pearson et al., 1998). Thus, NH4+ is a key component of nitrogen metabolism for all plants and can accumulate to varying concentrations in all compartments of the cell, including the cytosol, the vacuole and in the apoplast (Wells and Miller, 2000; Nielsen and Schjoerring, 1998). Two related families of ammonium transporters (AMT1 and AMT2), containing six genes which encode transporter proteins that are specific for ammonium had been identified prior to this thesis and some genes had partially been characterised in Arabidopsis (Gazzarrini et al., 1999; Sohlenkamp et al. 2002; Kaiser et al., 2002). However, these studies were not sufficient to assign physiological functions to the individual transporters and AMT1.4 and AMT1.5 had not been studied prior to this thesis. Given this background, it was considered desirable to acquire a deeper knowledge of the physiological functions of the six Arabidopsis ammonium transporters. To this end, tissue specific expression profiles of the individual wildtype AtAMT genes were performed by quantitative real time PCR (qRT-PCR) and promoter-GUS expression. Modern approaches such as the use of T-DNA insertional mutants and RNAi hairpin constructs were employed to reduce the expression levels of AMT genes. Transcript levels were determined, and physiological, biochemical and developmental analysis such as growth tests on different media and 14C-MA and NH4+ uptake studies with the isolated insertional mutants and RNAi lines were performed to deepen the knowledge of the individual functions of the six AMTs in Arabidopsis. In addition, double mutants of the insertional mutants were created to investigate the extent in which homologous genes could compensate for lost transporter functions. The results described in this thesis show that the six AtAMT genes display a high degree of specifity in their tissue specific expression and are likely to play complementary roles in ammonium uptake into roots, in shoots, and in flowers. AtAMT1.1 is likely to be a ‘work horse’ for cellular ammonium transport and reassimilation. A major role is probably the recapture of photorespiratory NH3/NH4+ escaping from the cytosol. In roots, it is likely to transport NH4+ from the apoplast into cortical cells. AtAMT1.3 and AtAMT1.5 appear to be specialised in the acquisition of external NH4+ from the soil. Furthermore, AtAMT1.5 plays an additional role in the reassimilation of NH3/NH4+ released during the breakdown of storage proteins in the cotyledons of germinating seedlings. It was difficult to distinguish a specialisation between the transporters AtAMt1.2 and AtAMt1.1, however the root and flower specific expression patterns are different and indicate alternative functions of both. AtAMT1.4 has a very distinct expression which is restricted to the vascular bundels of leaves and to pollen only, where it is likely to be involved in the loading of NH4+ into the cells.The AtAMT2.1 expression pattern is confined to vascular bundels and meristematic active tissues in leaves where ammonium concentrations can reach very high levels. Additionally, the Vmax of AtAMT2 increases with increasing external pH, contrasting to AtAMT1.1. Thus, AtAMT2.1 it might be specialised in ammonium transport in ammonium rich environments, where the functions of other transporters are limited, enabling cells to take up NH4+ over a wide range of concentrations. The root hair expression ascribes an additional role in NH3/NH4+ acquisition where it possibly serves as a transporter that is able to acquire ammonium from basic soils where other transporters become less effective.RNAi lines showing a reduction in AtAMT gene mRNA levels and NH4+ transport kinetics, grew slower and flowering time was delayed. This indicates that NH4+ is a crucial and limiting factor for plant growth.
N2 - Ammonium stellt die von Pflanzen bevorzugte Aufnahmeform anorganischen Stickstoffes dar. Neben dem natürlichen Vorkommen im Boden, wird Ammonium während des Aminosäurestoffwechsels und der Photorespiration innerhalb des Pflanzenkörpers freigesetzt. Um Ammonium aus diesen Quellen zu assimlieren und zwischen den einzelnen Zellen zu transportieren hat die dikotyle Samenpflanze Arabidosis thaliana sechs veschiedene Ammoniumtransporter (AMT) evolviert. Zur Charakterisierung der spezifischen Funktionen der AMts wurden Expressionsprofile der jeweiligen Gene innerhalb der Wurzeln, des Sprosses und der Blüten unter verschiedenen Nährstoffbedingungen mittels quantitativer real-time PCR (qRT-PCT) und Promotor-GUS Expression erstellt. Weiter wurde die Fähigkeit zur spezifischen Regulation der einzelnen Transportergene in Abhängikeit des Stickstoffbedarfes der Pflanze analysiert. Zur Reduktion der mRNA Level der AMTs wurden RNA-Interferenz (RNAi) Mutanten erzeugt und um den Effekt des Verlustes einzelner AMTs zu studieren wurden T-DNA Insertionsmutanten dieser Gene isoliert. Von den mutanten Linien wurden die Transkriptionsraten durch qRT-PCR bestimmt und die NH4+ Transportleistungen durch 14C-Methylammonium (14C-MA) und Ammonium-Aufnahme Experimente analysiert. Weiter wurden Wachstumsanalysen der Mutanten auf verschiedenen Nährmedien durchgeführt und ihre vegetative und generative Entwicklung charakterisiert. Von den isolierten T-DNA Insertionsmutanten wurden Doppelmutanten aller Kombinationen hergestellt und phänotypisch analysiert.Es zeigte sich, daß der an der Plasmamembran lokalisierte AtAMT1.1 in allen Organen in hohen Konzentrationen exprimiert wird und unter Stickstoffmangelbedingungen vermehrt gebildet wird. Vermutlich dient er der generellen Assimilation von internen Ammonium und dessen Transport vom Apoplasten in den Symplasten. AtAMT1.3 und AtAMT1.5 sind in den Wurzeln und hier besonders in den epidermalen Wurzelhaaren exprimiert, die unter anderem der Aufnahme externer Nährsalze dienen. Beide unterliegen starker Regulation durch den internen Stickstoffbedarf der Pflanze. Es ist zu vermuten, daß sie primär der Aufnahme von Ammonium aus dem Boden dienen. AtAMT1.2 wird überwiegend an den vaskulären Geweben und den Blattparenchymzellen exprimiert. Überlappende Expressionsmuster mit AtAMT1.1 machen es schwierig eine spezifische Funktion zu identifizieren. AtAMT1.4 wird ausschließlich im männlichen Gametophyten exprimiert und dient hier vermutlich der Versorgung des Pollen mit Nährsalzen. AtAMT2 wird u.a. in den Wurzelhaaren exprimiert. Seine steigende Affinität zu Ammonium in basischem Milieu, umgekehrt zu AtAMT1.1, läßt vermuten, daß er der Pflanze die Ammoniumaufnahme bei steigendem pH ermöglicht. Im oberirdischen Sproß ist er überwiegend in Meristemen aktiv. Die in der Ammoniumaufnahme beeinträchtigten RNAi-Linien zeigten langsames Wachstum und blühten später als der Wildtyp. Es sind die ersten beschriebenen Ammoniumtransportermutanten, die einen solchen Phänotyp zeigen.
KW - Ammonium
KW - Ammoniumassimilation
KW - Pflanzenernährung
KW - Ammonium
KW - Ammoniumtransporter
KW - AMT
KW - AtAMT1.1
KW - AtAMT1.2
KW - AtAMT1.3
KW - AtAMT1.4
KW - AtAMT1.5
KW - ÁtAMT2
KW - ammonium
KW - ammoniumtransporter
KW - AMT
KW - AtAMT1.1
KW - AtAMT1.2
KW - AtAMT1.3
KW - AtAMT1.4
KW - AtAMT1.5
KW - ÁtAMT2
Y1 - 2005
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-5937
ER -
TY - THES
A1 - Schwager, Monika
T1 - Climate change, variable colony sizes and temporal autocorrelation : consequences of living in changing environments
T1 - Klimawandel, variable Koloniegrößen und zeitliche Autokorrelation : Leben in einer variablen Umwelt
N2 - Natural and human induced environmental changes affect populations at different time scales. If they occur in a spatial heterogeneous way, they cause spatial variation in abundance. In this thesis I addressed three topics, all related to the question, how environmental changes influence population dynamics. In the first part, I analysed the effect of positive temporal autocorrelation in environmental noise on the extinction risk of a population, using a simple population model. The effect of autocorrelation depended on the magnitude of the effect of single catastrophic events of bad environmental conditions on a population. If a population was threatened by extinction only, when bad conditions occurred repeatedly, positive autocorrelation increased extinction risk. If a population could become extinct, even if bad conditions occurred only once, positive autocorrelation decreased extinction risk. These opposing effects could be explained by two features of an autocorrelated time series. On the one hand, positive autocorrelation increased the probability of series of bad environmental conditions, implying a negative effect on populations. On the other hand, aggregation of bad years also implied longer periods with relatively good conditions. Therefore, for a given time period, the overall probability of occurrence of at least one extremely bad year was reduced in autocorrelated noise. This can imply a positive effect on populations. The results could solve a contradiction in the literature, where opposing effects of autocorrelated noise were found in very similar population models. In the second part, I compared two approaches, which are commonly used for predicting effects of climate change on future abundance and distribution of species: a "space for time approach", where predictions are based on the geographic pattern of current abundance in relation to climate, and a "population modelling approach" which is based on correlations between demographic parameters and the inter-annual variation of climate. In this case study, I compared the two approaches for predicting the effect of a shift in mean precipitation on a population of the sociable weaver Philetairus socius, a common colonially living passerine bird of semiarid savannahs of southern Africa. In the space for time approach, I compared abundance and population structure of the sociable weaver in two areas with highly different mean annual precipitation. The analysis showed no difference between the two populations. This result, as well as the wide distribution range of the species, would lead to the prediction of no sensitive response of the species to a slight shift in mean precipitation. In contrast, the population modelling approach, based on a correlation between reproductive success and rainfall, predicted a sensitive response in most model types. The inconsistency of predictions was confirmed in a cross-validation between the two approaches. I concluded that the inconsistency was caused, because the two approaches reflect different time scales. On a short time scale, the population may respond sensitively to rainfall. However, on a long time scale, or in a regional comparison, the response may be compensated or buffered by a variety of mechanisms. These may include behavioural or life history adaptations, shifts in the interactions with other species, or differences in the physical environment. The study implies that understanding, how such mechanisms work, and at what time scale they would follow climate change, is a crucial precondition for predicting ecological consequences of climate change. In the third part of the thesis, I tested why colony sizes of the sociable weaver are highly variable. The high variation of colony sizes is surprising, as in studies on coloniality it is often assumed that an optimal colony size exists, in which individual bird fitness is maximized. Following this assumption, the pattern of bird dispersal should keep colony sizes near an optimum. However, I showed by analysing data on reproductive success and survival that for the sociable weaver fitness in relation to colony size did not follow an optimum curve. Instead, positive and negative effects of living in large colonies overlaid each other in a way that fitness was generally close to one, and density dependence was low. I showed in a population model, which included an evolutionary optimisation process of dispersal that this specific shape of the fitness function could lead to a dispersal strategy, where the variation of colony sizes was maintained.
N2 - Änderungen in der Umwelt - sowohl natürliche Variabilität als auch anthropogene Änderungen - beeinflussen Populationen auf verschiedenen Zeitskalen. Wenn sie räumlich heterogen wirken, verursachen sie räumliche Variabilität in der Abundanz. In dieser Dissertation habe ich drei Themen bearbeitet, die sich auf den Effekt von Änderungen in der Umwelt auf Populationsdynamiken beziehen. Im ersten Teil untersuchte ich an einem einfachen Populationsmodell den Effekt von positiver zeitlicher Autokorrelation im Umweltrauschen auf das Extinktionsrisiko einer Population. Der Effekt der Autokorrelation hing davon ab, wie empfindlich eine Population gegenüber singulären, katastrophenähnlichen Ereignissen schlechter Umweltbedingungen war. War die Population nur dann direkt bedroht, wenn eine Serie von schlechten Umweltbedingungen auftrat, erhöhte positive Autokorrelation das Extinktionsrisiko. Konnte eine Population auch dann aussterben, wenn schlechte Umweltbedingungen einzeln auftraten, verringerte positive Autokorrelation das Extinktionsrisiko. Diese unterschiedlichen Effekte konnten durch zwei Eigenschaften autokorrelierter Zeitreihen erklärt werden. Einerseits erhöht positive Autokorrelation die Wahrscheinlichkeit, daß in einer Zeitreihe Serien von schlechten Bedingungen auftreten. Andererseits führt die Aggregation von schlechten Jahren auch zu langen Zeiträumen mit relativ guten Bedingungen. Deshalb ist die Wahrscheinlichkeit, daß innerhalb eines bestimmten Zeitraums zumindest ein extrem schlechtes Jahr auftritt, geringer unter positiver Autokorrelation. Die Ergebnisse konnten einen Widerspruch in der Literatur aufklären, in dem unterschiedliche Effekte von autokorreliertem Umweltrauschen auf das Extinktionsrisiko gefunden wurden, obwohl sehr ähnliche Modelle verwendet wurden. Im zweiten Teil, verglich ich zwei Methoden, die häufig verwendet werden, um den Effekt von Klimawandel auf die zukünftige Verbreitung und Abundanz von Arten vorauszusagen: Ein "Raum-ersetzt-Zeit-Ansatz" ("space for time approach"), in dem Voraussagen aufgrund der aktuellen geographischen Verbreitung und Abundanz einer Art in Relation zum Klima getroffen werden, und ein "Populationsmodell-Ansatz", der auf Korrelationen zwischen demographischen Parametern und der jährlichen Variabilität im Klimas beruht. In einer Fallstudie verglich ich die beiden Methoden, um den Effekt einer Änderung im mittleren Niederschlag auf eine Population des Siedelwebers Philetairus socius vorauszusagen. Der Siedelweber ist eine häufige, koloniale Vogelart in semiariden Savannen im südlichen Afrika. Im "space for time approach" verglich ich zwei Populationen des Siedelwebers in Gebieten mit stark unterschiedlichem mittleren Niederschlag. Die Untersuchung zeigte keinen Unterschied zwischen den beiden Populationen. Sowohl dieses Ergebnis als auch das weite Verbreitungsgebiet des Siedelwebers implizieren keine sensitive Reaktion der Art auf eine geringfügige Änderung im mittleren Niederschlag. Im Unterschied dazu zeigte der "Populationsmodell-Ansatz", der auf einer Korrelation zwischen Niederschlag und dem Reproduktionserfolg des Siedlerwebers beruhte, eine sensitive Reaktion in den meisten der untersuchten Modelltypen. Die Inkonsistenz der Ergebnisse wurde in einer Kreuz-Validierung der beiden Ansätze bestätigt. Aus der Untersuchung folgerte ich, daß die unterschiedlichen Ergebnisse dadurch verursacht wurden, daß die beiden Methoden unterschiedliche Zeitskalen widerspiegeln. Auf einer kurzen Zeitskala reagiert die Population sensitiv auf Änderungen im Niederschlag. Auf einer großen Zeitskala oder im räumlichen Vergleich kann die sensitive Reaktion jedoch durch eine Reihe von Mechanismen gepuffert oder kompensiert werden. Diese Mechanismen können Anpassungen im Verhalten oder in der Lebensgeschichte ("life history"), Änderungen in den Interaktionen mit andern Arten oder Unterschiede in der physikalischen Umgebung beinhalten. Diese Studie zeigt, daß ein Verständnis, wie solche Mechanismen funktionieren, und auf welcher Zeitskala sie wirken, eine wesentliche Voraussetzung ist, um Prognosen über ökologische Effekte des Klimawandels treffen zu können. Im dritten Teil untersuchte ich, warum Kolonien des Siedelwebers so stark in ihrer Größe variieren. Die Variabilität der Koloniegrößen ist erstaunlich, da man in Untersuchungen zur Kolonialität bei Tieren oft davon ausgeht, daß eine optimale Koloniegröße besteht, bei der die individuelle Fitneß maximiert ist. Aufgrund dieser Annahme sollten Vögel sich so im Raum ausbreiten, daß die Koloniegrößen möglicht nahe am Optimum liegen. In dieser Arbeit konnte ich jedoch anhand von Daten zum Reproduktionserfolg und zur Überlebensrate in Relation zur Koloniegröße zeigen, daß die Funktion der Fitneß in Abhängigkeit von der Koloniegröße nicht einer Optimumskurve folgt. Statt dessen überlagern sich positive und negative Effekte der Koloniegröße so, daß die Populationswachstumsrate generell nahe eins ist, und die Dichteabhängigkeit gering ist. Auf diesen Ergebnissen aufbauend zeigte ich in einem Populationsmodell, das einen evolutionären Optimierungsprozeß der Dispersal-Strategie beinhaltet, daß die spezifische Form der Fitneßfunktion zu einer Dispersal-Strategie führen kann, bei der die hohe Variabilität der Koloniegrößen aufrecht erhalten wird.
T2 - Climate change, variable colony sizes and temporal autocorrelation : consequences of living in changing environments
KW - Populationsbiologie
KW - Ökologie
KW - Theoretische Ökologie
KW - Ökologische Modelle
KW - Klimawandel
KW - Umweltrauschen
KW - Extinktionsrisko
KW - Kolonialität
KW - ecological modelling
KW - red noise
KW - extinction risk
KW - coloniality
KW - climate change
Y1 - 2005
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-5744
ER -
TY - THES
A1 - Beissenhirtz, Moritz Karl
T1 - Proteinmultischichten und Proteinmutanten für neuartige empfindliche Superoxidbiosensoren
T1 - Protein Multilayers and Protein Mutants for novel sensitive Superoxide Biosensors
N2 - Das Superoxidradikal kann mit fast allen Bestandteilen von Zellen reagieren und diese schädigen. Die medizinische Forschung stellte eine Beteiligung des Radikals an Krebs, Herzinfarkten und neuraler Degeneration fest. Ein empfindlicher Superoxidnachweis ist daher zum besseren Verständnis von Krankheitsverläufen wichtig. Dabei stellen die geringen typischen Konzentrationen und seine kurze Lebensdauer große Anforderungen. Ziel dieser Arbeit war es zum einen, zwei neuartige Proteinarchitekturen auf Metallelektroden zu entwickeln und deren elektrochemisches Ansprechverhalten zu charakterisieren. Zum anderen waren diese Elektroden zur empfindlichen quantitativen Superoxiddetektion einzusetzen. Im ersten Teil der Arbeit wurde eine Protein-Multischichtelektrode aus Cytochrom c und dem Polyelektrolyten Poly(anilinsulfonsäure) nach dem Layer-by-layer-Verfahren aufgebaut. Für zwei bis 15 Schichten an Protein wurde eine deutliche Zunahme an elektrodenaktivem Cytochrom c mit jedem zusätzlichen Aufbringungsschritt nachgewiesen. Die Zunahme verlief linear und ergab bei 15 Schichten eine Zunahme der redoxaktiven Proteinmenge um deutlich mehr als eine Größenordnung. Während das formale Potential im Multischichtsystem sich im Vergleich zur Monoschichtelektrode nicht veränderte, wurde für die Kinetik eine Abhängigkeit der Geschwindigkeit des Elektronentransfers von der Zahl der Proteinschichten beobachtet. Mit zunehmender Scangeschwindigkeit trat ein reversibler Kontaktverlust zu den äußeren Schichten auf. Die lineare Zunahme an elektroaktivem Protein mit steigender Zahl an Depositionsschritten unterscheidet sich deutlich von in der Literatur beschriebenen Protein/Polyelektrolyt-Multischichtelektroden, bei denen ab etwa 6-8 Schichten keine Zunahme an elektroaktivem Protein mehr festgestelltwurde. Auch ist bei diesen die Zunahme an kontaktierbaren Proteinmolekülen auf das Zwei- bis Fünffache limitiert. Diese Unterschiede des neu vorgestellten Systems zu bisherigen Multischichtassemblaten erklärt sich aus einem in dieser Arbeit für derartige Systeme erstmals beschriebenen Elektronentransfermechanismus. Der Transport von Elektronen zwischen der Elektrodenoberfläche und den Proteinmolekülen in den Schichten verläuft über einen Protein-Protein-Elektronenaustausch. Dieser Mechanismus beruht auf dem schnellen Selbstaustausch von Cytochrom c-Molekülen und einer verbleibenden Rotationsflexibilität des Proteins im Multischichtsystem. Die Reduzierung des Proteins durch das Superoxidradikal und eine anschließende Reoxidation durch die Elektrode konnten nachgewiesen werden. In einem amperometrischen Messansatz wurde das durch Superoxidradikale hervorgerufene elektrochemische Signal in Abhängigkeit von der Zahl an Proteinschichten gemessen. Ein maximales Ansprechverhalten auf das Radikal wurde mit 6-Schichtelektroden erzielt. Die Empfindlichkeit der 6-Schichtelektroden wurde im Vergleich zum Literaturwert der Monoschichtelektrode um Faktor 14, also mehr als eine Größenordnung, verbessert. Somit konnte eine Elektrode mit 6 Schichten aus Cytochrom c und Poly(anilinsulfonsäure) als neuartiger Superoxidsensor mit einer 14-fachen Verbesserung der Empfindlichkeit im Vergleich zum bislang benutzten System entwickelt werden. Der zweite Teil dieser Arbeit beschreibt die Auswahl, Gewinnung und Charakterisierung von Mutanten des Proteins Cu,Zn-Superoxiddismutase zur elektrochemischen Quantifizierung von Superoxidradikalen. Monomere Mutanten des humanen dimeren Enzyms wurden entworfen, die durch Austausch von Aminosäuren ein oder zwei zusätzliche Cysteinreste besaßen, mit welchem sie direkt auf der Goldelektrodenoberfläche chemisorbieren sollten. 6 derartige Mutanten konnten in ausreichender Menge und Reinheit in aktiver Form gewonnen werden. Die Bindung der Superoxiddismutase-Mutanten an Goldoberflächen konnte durch Oberflächen-plasmonresonanz und Impedanzspektroskopie nachgewiesen werden. Alle Mutanten wiesen einen quasi-reversiblen Elektronentransfer zwischen SOD und Elektrode auf. Durch Untersuchung von kupferfreien SOD-Mutanten sowie des Wildtyps konnte nachgewiesen werden, das die Mutanten über die eingefügten Cysteinreste auf der Elektrode chemisorptiv gebunden wurden und der Elektronentransfer zwischen der Elektrode und dem Kupfer im aktiven Zentrum der SOD erfolgte. Die Superoxiddismutase katalysiert die Zersetzung von Superoxidmolekülen durch Oxidation und durch Reduktion der Radikale. Somit sind beide Teilreaktionen von analytischem Interesse. Zyklovoltammetrisch konnte sowohl die Oxidation als auch die Reduktion des Radikals durch die immobilisierten Superoxiddismutase-Mutanten nachgewiesen werden. In amperometrischen Messanordnungen konnten beide Teilreaktionen zur analytischen Quantifizierung von Superoxidradikalen genutzt werden. Im positiven Potentialfenster wurde die Empfindlichkeit um einen Faktor von etwa 10 gegenüber der Cytochrom c–Monoschichtelektrode verbessert.
N2 - The superoxide radical can react with almost all components of a cell and thus damage them. Enzymatic and non-enzymatic scavengers remove it from the body. An implication of the radical in cancer, heart disease, and neuronal degredation has been found in medical research. Therefore, a sensitive quantification of superoxide is necessary for a better understanding of diseases as well as for the study of biological degradation processes. The aim of this work was to develop two new protein architectures on metal electrodes and to characterize their electrochemical behavior. Secondly, both electrodes were to be applied as superoxide biosensors. In the first part of the work, a protein multilayer electrode consisting of cytochrome c and the polyelectrolyte poly(aniline sulfonated acid) was built up by the layer-by-layer procedure. SPR experiments proved the formation of multilayers. For 2 to 15 protein layers, a significant increase in electroactive protein was found with every deposition step in a linear fashion. For 15 layers, this increase was found to be more than one order of magnitude. While the formal potential did not change for the proteins in the layers, the rate of electron transfer was found to be dependent on the number of layers deposited. With increased scanning speed, a reversible loss of contact to the outer layers was noted. The linear increase in electroactive protein loading differed significantly from protein/polyelectrolyte electrodes described in the literature, where after 6-8 layers no further increase was found. Additionally, these systems increase the number of electroactive protein molecules only by a factor of 2 to 5. These differences can be explained by an electron transfer mechanism which was demonstrated in this work for the first time. The transport of electrons between the electrode surface and the proteins in the layers takes place by a protein-protein electron transfer. This mechanism relies on the fast self-exchange of cytochrome c and a residual rotational flexibility of the protein molecules inside the structure. The reduction of the protein by the radical and its subsequent reoxidation by the electrode could be shown. In the amperometric mode, the sensor signal was determined for 2 to 15 layer electrodes. A maximum signal was found for 6 layers, where the sensitivity was improved by a factor of 14, compared to monolayer sensors. The second part of this work describes the selection, production and characterization of mutants of the protein Cu,Zn-superoxide dismutase and their application as superoxide sensors. Monomeric mutants of the human dimeric enzyme were designed, which contained one ore two additional cysteines in order to chemisorb directly onto gold surfaces. 6 such mutants were gained in sufficient amount and purity. The binding to gold was characterized by surface plasmon resonance studies. All mutants showed quasi-reversible electrochemistry on gold electrodes. Experiments with copper-free mutants and the wildtype enzyme proved that the mutants bind to gold via the additional cysteines, while the electron transfer takes place between the electrode and the active site copper. Superoxide dismutases catalyze the removal of superoxide by both oxidation and reduction. Thus, both partial reactions are of analytical interest. In cyclic voltammetry, both oxidation and reduction of the radical could be proved. In amperometric experiments, both reactions were used for a quantification of superoxide concentrations. In the positive potential window, the sensitivity was found to be increased by about one order of magnitude, as compared to the cytochrome c monolayer electrode. ----------- Hinweis zum Copyright:Einige Abbildungen dieser Arbeit sind in Artikeln des Verfassers in den Zeitschriften Angewandte Chemie, Angewandte Chemie International Edition, Analytical Chemisty und Elektroanalysis erschienen. Ihre Darstellung im Rahmen dieser Arbeit erfolgt auch online mit ausdrücklicher Genehmigung der Verlage.
KW - Biosensor
KW - Superoxiddismutasen
KW - Hyperoxide
KW - Mutation
KW - Cytochrom c
KW - Polyelektrolyt
KW - Biosensor
KW - Cytochome c
KW - Superoxide Dismutase
KW - Mutations
KW - Multilayers
Y1 - 2005
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-5661
ER -
TY - THES
A1 - Czechowski, Tomasz
T1 - Nitrogen signalling in Arabidopsis thaliana
T1 - Stickstoff Signalling in Arabidopsis thaliana
N2 - Nitrogen is an essential macronutrient for plants and nitrogen fertilizers are indispensable for modern agriculture. Unfortunately, we know too little about how plants regulate their use of soil nitrogen, to maximize fertilizers-N use by crops and pastures. This project took a dual approach, involving forward and reverse genetics, to identify N-regulators in plants, which may prove useful in the future to improve nitrogen-use efficiency in agriculture. To identify nitrogen-regulated transcription factor genes in Arabidopsis that may control N-use efficiency we developed a unique resource for qRT-PCR measurements on all Arabidpsis transcription factor genes. Using closely spaced, gene-specific primer pairs and SYBR® Green to monitor amplification of double-stranded DNA, transcript levels of 83% of all target genes could be measured in roots or shoots of young Arabidopsis wild-type plants. Only 4% of reactions produced non-specific PCR products, and 13% of TF transcripts were undetectable in these organs. Measurements of transcript abundance were quantitative over six orders of magnitude, with a detection limit equivalent to one transcript molecule in 1000 cells. Transcript levels for different TF genes ranged between 0.001-100 copies per cell. Real-time RT-PCR revealed 26 root-specific and 39 shoot-specific TF genes, most of which have not been identified as organ-specific previously. An enlarged and improved version of the TF qRT-PCR platform contains now primer pairs for 2256 Arabidopsis TF genes, representing 53 gene families and sub-families arrayed on six 384-well plates. Set-up of real-time PCR reactions is now fully robotized. One researcher is able to measure expression of all 2256 TF genes in a single biological sample in a just one working day. The Arabidopsis qRT-PCT platform was successfully used to identify 37 TF genes which transcriptionaly responded at the transcriptional level to N-deprivation or to nitrate per se. Most of these genes have not been characterized previously. Further selection of TF genes based on the responses of selected candidates to other macronutrients and abiotic stresses allowed to distinguish between TFs regulated (i) specifically by nitrogen (29 genes) (ii) regulated by general macronutrient or by salt and osmotic stress (6 genes), and (iii) responding to all major macronutrients and to abiotic stresses. Most of the N-regulated TF genes were also regulated by carbon. Further characterization of sixteen selected TF genes, revealed: (i) lack of transcriptional response to organic nitrogen, (ii) two major types of kinetics of induction by nitrate, (iii) specific responses for the majority of the genes to nitrate but not downstream products of nitrate assimilation. All sixteen TF genes were cloned into binary vectors for constitutive and ethanol inducible over expression, and the first generation of transgenic plants were obtained for almost all of them. Some of the plants constitutively over expressing TF genes under control of the 35S promoter revealed visible phenotypes in T1 generation. Homozygous T-DNA knock out lines were also obtained for many of the candidate TF genes. So far, one knock out line revealed a visible phenotype: retardation of flowering time. A forward genetic approach using an Arabidopsis ATNRT2.1 promoter : Luciferase reporter line, resulted in identification of eleven EMS mutant reporter lines affected in induction of ATNRT2.1 expression by nitrate. These lines could by divided in the following classes according to expression of other genes involved in primary nitrogen and carbon metabolism: (i) lines affected exclusively in nitrate transport, (ii) those affected in nitrate transport, acquisition, but also in glycolysis and oxidative pentose pathway, (iii) mutants affected moderately in nitrate transport, oxidative pentose pathway and glycolysis but not in primary nitrate assimilation. Thus, several different N-regulatory genes may have been mutated in this set of mutants. Map-based cloning has begun to identify the genes affected in these mutants.
N2 - Stickstoff ist einer der wichtigsten Makroelemente in der Natur und sein eingeschränktes Vorkommen ist häufig ein limitierender Faktor für pflanzliches Wachstum. In der Landwirtschaft eingesetzte Stickstoff-Dünger werden häufig nicht vollständig von Getreide- oder anderen kultivierten Pflanzen genutzt, sondern in die umliegenden Gewässer oder das Grundwasser ausgewaschen. Das Verständnis von pflanzlichen Signalprozessen kann helfen, Stickstoffaufnahme und -assimilation zu kontrollieren und somit den Einsatz von stickstoffhaltigen Düngemitteln in der Landwirtschaft zu reduzieren. Die meisten der in den pflanzlichen Stickstoffstoffwechsel involvierten Gene werden auf Transkriptionsebene reguliert. Dies geschieht durch sogenannte Transkriptionsfaktoren (TFs), Proteine, die von Genen anderer Genfamilien kodiert werden. Im Rahmen dieser Promotion wurde eine einzigartige und neue Ressource zur Quantifizierung der Expressionsniveaus solcher Transkriptionsfaktoren der Modellpflanze Arabidopsis thaliana entwickelt und getestet. Dabei konnte die beispiellose Robustheit, Genauigkeit und Präzision dieser PCR-basierten Methode gezeigt werden. Mit Hilfe dieses experimentellen Aufbaus wurden Transkriptionsfaktoren, potentielle Regulatoren von Genen, die in Stickstoffmetabolismus involviert sind, identifiziert und charakterisiert. Um die Funktionsweise dieser Gene besser zu verstehen, wurden transgene Pflanzen erzeugt und identifiziert, die entweder erhöhte oder chemisch induzierbare Transkription und/oder einen partiellen oder vollständigen Verlust der Aktivität dieser Gene aufweisen. Die Analyse der Transkriptionsfaktoren, die unter die Kontrolle eines induzierbaren Promoters gestellt wurden, soll helfen, die genauen Zielgene dieser TFs zu identifizieren und ihre Rolle im Stickstoffmetabolismus zu erklären. Darüber hinaus bieten sie die Chance, Hierarchieebenen innerhalb der verschiedenen TFs zu erkennen. Überexpression von Transkriptionsfaktoren kann zur Generierung von Phänotypen führen, die von direktem biotechnologischen Interesse sind, wie z.B. Pflanzen mit erhöhtem Stickstoffgehalt (Aminosäuregehalt), die besser an Situationen mit Stickstoffmangel angepasst sind. Neben diesen Transkriptionsfaktoren wurden allerdings auch Mutanten mit einem genetischen Defekt in einem der wichtigsten Gene, das für den Nitrattransport in Wurzeln von Arabidopsis verantwortlich ist, identifiziert.
KW - Stickstoff
KW - Schmalwand
KW - Transkriptionsfaktor
KW - qRT-PCR
KW - Nitrogen
KW - Arabidopsis
KW - Transcription facotrs
KW - qRT-PCR
Y1 - 2005
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-5445
ER -
TY - THES
A1 - Kobabe, Svenja
T1 - Charakterisierung der mikrobiellen Lebensgemeinschaft eines sibirischen Permafrostbodens
T1 - Characterisation of microbial community composition of a Siberian tundra soil
N2 - Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen des multidisziplinären Deutsch-Russischen Verbundprojektes "Laptev See 2000" erstellt. Die dargestellten bodenkundlichen und mikro-biologischen Untersuchungen verfolgten das Ziel die mikrobielle Lebensgemeinschaft eines Permafrostbodens im sibirischen Lena Delta zu charakterisieren, wobei den methanogenen Archaea besondere Beachtung zukam. Die Probennahme wurde im August 2001 im zentralen Lenadelta, auf der Insel Samoylov durchgeführt. Das Delta liegt im Bereich des kontinuierlichen Permafrostes, was bedeutet, dass nur eine flache saisonale Auftauschicht während der Sommermonate auftaut. Das untersuchte Bodenprofil lag im Zentrum eines für die Landschaft repräsentativen Low Center Polygons. Zum Zeitpunkt der Beprobung betrug die Auftautiefe des untersuchten Bodens 45 cm.. Der Wasserstand lag zum Untersuchungszeitpunkt 18 cm unter der Geländeoberfläche, so dass alle tiefer liegenden Horizonte durch anaerobe Verhältnisse charakterisiert waren. Die Untersuchung der bodenkundlichen Parameter ergab unter anderem eine mit zunehmender Tiefe abnehmende Konzentration von Kohlenstoff und Stickstoff, sowie eine Abnahme von Temperatur und Wurzeldichte. Um die Auswirkungen der sich mit der Tiefe verändernden Bodeneigenschaften auf die Mikroorganismen zu ermitteln, wurden die Mikroorganismenpopulationen der verschiedenen Bodentiefen mit Hilfe der Fluoreszenz in situ Hybridisierung hinsichtlich ihrer Anzahl, Aktivität und Zusammensetzung beschrieben. Für die Charakterisierung des physiologischen Profils dieser Gemeinschaften, bezüglich der von ihr umsetzbaren Kohlenstoffverbindungen, wurden BIOLOG Mikrotiterplatten unter den in situ Bedingungen angepassten Bedingungen eingesetzt. Die sich im Profil verändernden Bodenparameter, vor allem die abnehmende Substratversorgung, die geringe Temperatur und die anaeroben Verhältnisse in den unteren Bodenschichten führten zu einer Veränderung der Mikroorganismenpopulation im Bodenprofil. So nahm von oben nach unten die Gesamtanzahl der ermittelten Mikroorganismen von 23,0 × 108 auf 1,2 × 108 Zellen g-1 ab. Gleichzeitig sank der Anteil der aktiven Zellen von 59% auf 33%. Das bedeutet, dass im Bereich von 0-5 cm 35mal mehr aktive Zellen g-1 als im Bereich von 40-45 cm gefunden wurden. Durch den Einsatz spezieller rRNS-Sonden konn-te zusätzlich eine Abnahme der Diversität mit zunehmender Bodentiefe nachgewiesen werden. Die geringere Aktivität der Population in den unteren Horizonten sowie die Unterschiede in der Zusammensetzung wirkten sich auf den Abbau der organischen Substanz aus. So wur-den die mit Hilfe der BIOLOG Mikrotiterplatten angebotenen Substanzen in größerer Tiefe langsamer und unvollständiger abgebaut. Insbesondere in den oberen 5 cm konnten einige der angebotenen Polymere und Kohlehydrate deutlich besser als im restlichen Profil umge-setzt werden. Das außerdem unter anaeroben Versuchsbedingungen diese Substrate deutlich schlechter umgesetzt wurden, kann so interpretiert werden, dass die konstant anaeroben Bedingungen in den unteren Horizonten ein Auftreten der Arten, die diese Substrate umset-zen, erschweren. Die in den oberen, aeroben Bodenabschnitten wesentlich höheren Zellzahlen und Aktivitäten und die dadurch schnellere C-Umsetzung führen auch zu einer besseren Substratversorgung der methanogenen Archaea in den makroskopisch aeroben Horizonten. Die erhöhte Substratverfügbarkeit erklärt die Tatsache, dass im Bereich von 0-5 cm die meisten methanogenen Archaea gefunden wurden, obwohl sich dieser Bereich zum Zeitpunkt der Probennahme oberhalb des wassergesättigten Bodenbereichs befand. Trotz der aeroben Bedingungen in, liegt im Bereich von 5 10 cm die für die methanogenen Archaea am besten geeignete Kombination aus Substratangebot und anaeroben Nischen vor. Hinzu kommt, dass in diesen Tiefen die Sommertemperaturen etwas höher liegen als in den tieferen Horizonten, was wiederum die Aktivität positiv beeinflusst. Bei zusammenfassender Betrachtung der Untersuchungsergebnisse von Anzahl, Aktivität, Zusammensetzung und Leistung der gesamten, aber im besonderen auch der methanogenen Mikroorganismenpopulation wird deutlich, dass in dem untersuchten Bodenprofil unter ökologischen Gesichtspunkten die oberen 15-20 cm den für den C-Umsatz relevantesten Bereich darstellen. Das Zusammenspiel wichtiger Bodenparameter wie Bodentemperatur, Wasserstand, Nährstoffversorgung und Durchwurzelung führt dazu, dass in dem untersuchten Tundraboden in den oberen 15-20 cm eine wesentlich größere und diversere Anzahl an Mikroorganismen existiert, die für einen schnelleren und umfassenderen Kohlenstoffumsatz in diesem Bereich des active layers sorgt.
N2 - The soil characteristics and the bacterial community of the active layer (0-45 cm) of a permafrost affected tundra soil were analysed. The composition of the bacterial community was investigated by fluorescence in situ hybridisation (FISH) while BIOLOG Ecoplates were used to characterize microbial communities by determining the ability of the communities to oxidize various carbon sources. Arctic tundra soils contain large amounts of organic carbon, accumulated in thick soil layers and are known as a major sink of atmospheric CO2. These soils are totally frozen throughout the year and only a thin active layer is unfrozen and shows biological activity during the short summer. To improve the understanding of how the carbon fluxes in the active layer are controlled, detailed analysis of composition, functionality and interaction of soil microorganisms was done. The FISH analyses of the active layer showed large variations in absolute cell numbers and in the composition of the active microbial community between the different horizons, which is caused by the different environmental conditions (e.g. soil temperature, amount of organic matter, aeration) in this vertically structured ecosystem. Results obtained by universal protein stain 5-(4,6-dichlorotriazin-2-yl)aminofluorescein (DTAF) showed an exponential decrease of total cell counts from the top to the bottom of the active layer (2.3 × 109 to 1.2 × 108 cells per g dry soil). By using FISH, up to 59% of the DTAF-detected cells could be detected in the surface horizon, and up to 84% of these FISH-detected cells could be affiliated to a known phylogenetic group. With increasing depth the amount of FISH-detectable cells decreased as well as the diversity of ascertained phylogenetic groups. The turnover of substrates offered on the BIOLOG Ecoplates was slower and less complete in the deeper soil horizons. Especially in the upper 5 cm the turnover of some of the polymeric substances and some carbohydrates was much better than in deeper parts of the soil. The interaction of important soil parameters (water table, nutrient availability, roots) leads to a larger and more diverse community in the upper 20 cm of the soil, which again cause a faster and more complete turnover in this part of the active layer.
KW - Mikrobiologie
KW - Angewandte Mikrobiologie
KW - Bodenmikrobiologie
KW - Methanemission
KW - Dauerfrostboden
KW - Sibirien
KW - Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung
KW - Len
KW - Microbiology
KW - Soil
KW - methane
KW - Siberia
Y1 - 2005
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-5467
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TY - THES
A1 - Marschan, Xenia
T1 - Mikroarray-basierte Detektion von mRNA aus Zellen mittels On-Chip-PCR
T1 - Microarray based detection of cellular mRNA by On-Chip-PCR
N2 - Bei konventionellen Mikroarray-Experimenten zur Genexpressionsanalyse wird fluoreszenz- oder radioaktiv-markierte cDNA oder RNA mit immobilisierten Proben hybridisiert. Für ein gut detektierbares und auswertbares Ergebnis werden jedoch pro Array mindestens 15 - 20 µg Hybridisierungstarget benötigt. Dazu müssen entweder 15 - 20 µg RNA direkt durch Reverse Transkription in markierte cDNA umgeschrieben werden oder bei Vorhandensein von weniger Startmaterial die RNA amplifiziert werden (Standard- Affymetrix-Protokolle, Klur et al. 2004). Oft sind damit zeit- und kostenintensive Probenpräparationen verbunden und das Ergebnis ist nicht immer reproduzierbar. Obwohl es inzwischen einige Protokolle gibt, die dieses Problem zu lösen versuchen (Zhang et al. 2001, Iscove et al. 2002, McClintick et al. 2003, Stirewalt et al. 2004), eine optimale, leicht handbare und reproduzierbare Methode gibt es weiterhin nicht, weshalb in dieser Arbeit ein weiterer Lösungsansatz gesucht wurde. In der vorgestellten Arbeit werden zwei einfache Methoden beschrieben, mit denen Gene aus geringen RNA-Mengen nachgewiesen werden können: erstens die On Chip- RT-PCR mit cDNA als Matrize und zweitens diese Methode als One-Step-Reaktion mit RNA als Matrize. Beide Methoden beruhen auf dem Prinzip der PCR an immobilisierten Primern auf einer Chipoberfläche. Diese Möglichkeit der exponentiellen Amplifikation ist reproduzierbar und sensitiv. In Experimenten zur Etablierung des On-Chip-PCR-Systems wurden für die Immobilisierung der Primer verschiedene Kopplungsmethoden verwendet. Die affine Kopplung über Biotin- Streptavidin erwies sich als geeignet. Die On-Chip-Reaktion an kovalent gebundenen Primern wurde für amino-modifizierte Primer auf Epoxy-Oberflächen sowie für EDC-Kopplung auf silanisierten Oberflächen gezeigt. Für die letztgenannte Methode wurde die On-Chip-PCR optimiert, dass Spottingkonzentrationen der Primer von 5 - 10µM schon ausreichend sind. Der Einsatz von fluoreszenz-markierten Primern während der PCR ermöglicht eine unmittelbare Auswertung nach der Synthese ohne zusätzliche Detektionsschritte. In dieser Arbeit konnte außerdem mit der vorgestellten Methode der simultane Nachweis zweier Gene gezeigt werden. Die Methode kann noch als Multiplex-Analyse ausgebaut werden, um so mehrere Gene in gleichzeitig einem Ansatz nachweisen zu können. Die Ergebnisse der Versuche mit Matrizen aus unterschiedlichen Zelltypen deuten darauf hin, dass die On-Chip-RT-PCR eine weitere optimale Methode für den Nachweis von gering exprimierten Genen bietet.
N2 - The detection of low quantities of mRNA is often difficult and methods like microarray analysis require large amount of starting material or have to be amplified before application. The reverse transcription polymerase chain reaction (RT-PCR) is often the chosen method to detect specific RNA sequences on account of its high sensitivity. The solid phase amplification technology by On-Chip-PCR provides a combination of amplification of rare target material and its on chip detection in one step. In this report a novel application for the On-Chip-PCR technology is described. It was suitable to identify mRNA sequences and genes, respectively. For this approach we amplified cDNA sequences using immobilized specific primers and fluorescent labeled primers. They were used for genes coding subunits of the mouse muscle acetylcholine receptor (Chrna1, Chrnb1, Chrnd) and the genes coding for myogenin (Myog), muscle creatine kinase (Ckmm) and Atpase (Atp2a2). The cDNA templates were synthesized before the On-Chip application by Reverse Transcription from mRNA. For this application only at most 500 pg of total-RNA preparation was sufficient for detectable results and no pre-amplification steps were needed. Furthermore the handling of RT-PCR could be minimized by using a One-step- RT-PCR protocol. This method used immobilized primers on glassy supports detecting specific mRNA sequences from 5 pg or less of total RNA preparations. Moreover to the detection of low quantities of RNA preparation, low abundant genes could be detected by this method.
KW - Polymerase-Kettenreaktion
KW - Microarray
KW - Messenger-RNS
KW - Genexpression
KW - On-Chip-PCR
KW - mRNA
KW - Reverse Transkription
KW - RT-PCR
KW - On-Chip-PCR
KW - mRNA
KW - Reverse Transcription
KW - RT-PCR
Y1 - 2005
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-5457
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TY - THES
A1 - Dolniak, Blazej
T1 - Functional characterisation of NIC2, a member of the MATE family from Arabidopsis thaliana (L.) Heynh.
T1 - Funktionale Charakterisierung von NIC2, einem Mitglied der MATE Familie aus Arabidopsis thaliana (L.) Heynh.
N2 - The multidrug and toxic compounds extrusion (MATE) family includes hundreds of functionally uncharacterised proteins from bacteria and all eukaryotic kingdoms except the animal kingdom, that function as drug/toxin::Na+ or H+ antiporters. In Arabidopsis thaliana the MATE family comprises 56 members, one of which is NIC2 (Novel Ion Carrier 2). Using heterologous expression systems including Escherichia coli and Saccharomyces cerevisiae, and the homologous expression system of Arabidopsis thaliana, the functional characterisation of NIC2 was performed. It has been demonstrated that NIC2 confers resistance of E. coli towards the chemically diverse compounds such as tetraethylammonium chloride (TEACl), tetramethylammonium chloride (TMACl) and a toxic analogue of indole-3-acetic acid, 5-fluoro-indole-acetic acid (F-IAA). Therefore, NIC2 may be able to transport a broad range of drug and toxic compounds. In wild-type yeast the expression of NIC2 increased the tolerance towards lithium and sodium, but not towards potassium and calcium. In A. thaliana, the overexpression of NIC2 led to strong phenotypic changes. Under normal growth condtions overexpression caused an extremely bushy phenotype with no apical dominance but an enhanced number of lateral flowering shoots. The amount of rossette leaves and flowers with accompanying siliques were also much higher than in wild-type plants and the senescence occurred earlier in the transgenic plants. In contrast, RNA interference (RNAi) used to silence NIC2 expression, induced early flower stalk development and flowering compared with wild-type plants. In additon, the main flower stalks were not able to grow vertically, but instead had a strong tendency to bend towards the ground. While NIC2 RNAi seedlings produced many lateral roots outgrowing from the primary root and the root-shoot junction, NIC2 overexpression seedlings displayed longer primary roots that were characterised by a 2 to 4 h delay in the gravitropic response. In addition, these lines exhibited an enhanced resistance to exogenously applied auxins, i.e. indole-3-acetic acid (IAA) and indole-3-butyric acid (IBA) when compared with the wild-type roots. Based on these results, it is suggested that the NIC2 overexpression and NIC2 RNAi phenotypes were due to decreased or increased levels of auxin, respectively. The ProNIC2:GUS fusion gene revealed that NIC2 is expressed in the stele of the elongation zone, in the lateral root cap, in new lateral root primordia, and in pericycle cells of the root system. In the vascular tissue of rosette leaves and inflorescence stems, the expression was observed in the xylem parenchyma cells, while in siliques it was also in vascular tissue, but as well in the dehiscence and abscission zones. The organ- and tissue-specific expression sites of NIC2 correlate with the sites of auxin action in mature Arabidopsis plants. Further experiments using ProNIC2:GUS indicated that NIC2 is an auxin-inducible gene. Additionally, during the gravitropic response when an endogenous auxin gradient across the root tip forms, the GUS activity pattern of the ProNIC2:GUS fusion gene markedly changed at the upper side of the root tip, while at the lower side stayed unchanged. Finally, at the subcellular level NIC2-GFP fusion protein localised in the peroxisomes of Nicotana tabacum BY2 protoplasts. Considering the experimental results, it is proposed that the hypothetical function of NIC2 is the efflux transport which takes part in the auxin homeostasis in plant tissues probably by removing auxin conjugates from the cytoplasm into peroxisomes.
N2 - "Multidrug and Toxic Compounds Extrusion" (MATE) – Proteine sind Membranproteine, die eine Vielzahl komplexer und giftiger Substanzen transportieren können. Sie sind weit verbreitet und kommen in Bakterien und Höheren Organismen mit Ausnahme des Tierreichs vor. Insgesamt gibt es hunderte von bisher kaum untersuchten Genen dieser Familie, die eine hohe Sequenzhomologie aufweisen. In der Pflanze Arabidopsis thaliana wurden 56 Gene der MATE - Familie zugeordnet. Eines von ihnen, der "Novel Ion Carrier 2" (NIC2) wurde näher charakterisiert. Dafür wurden heterologe Expressionssysteme wie Bakterien (Escherichia coli) und Hefe (Saccharomyces cerevisiae) genutzt und transgene Pflanzen (Arabidopsis thaliana) hergestellt. Es wurde gezeigt, dass NIC2 Bakterien eine Resistenz gegenüber mehreren giftigen Stoffen verlieh. In Hefe erhöhte NIC2 die Salztoleranz gegenüber Lithium und Natrium, aber nicht gegenüber Kalium und Kalzium. Das deutet darauf hin, dass NIC2 diese Stoffe transportieren kann und so zur Entgiftung beziehungsweise erhöhter Stresstoleranz beiträgt. In Pflanzen führte die Überexpression von NIC2 zu dramatischen Änderungen im Wachstum. Die Pflanzen waren buschig ohne zentralen Blütenstand, hatten jedoch eine höhere Anzahl von Blättern und Blüten und längere Wurzeln mit einer im Vergleich zu den Wildtyppflanzen verzögerten gravitropen Antwort. In Gegensatz dazu entwickelten Pflanzen, in denen die Expression von NIC2 gehemmt wurde, früh einen zentralen Blütenstand, der allerdings nicht gerade wuchs, sondern die Tendenz hatte, sich zum Boden zu biegen. Das Wurzelsystem bestand aus einer Hauptwurzel und vielen sekundären Wurzeln und war im Vergleich zu den Wildtyppflanzen besser entwickelt. Vermutlich kann die Wuchsform auf einen veränderten Gehalt des Pflanzenhormons Auxin zurückgeführt werden. Die Expression von NIC2 wird durch Auxin induziert. Experimente, in denen die Aktivität eines Gens mit Hilfe eines Reportergens nachgewiesen wird, zeigten, dass NIC2 in Wurzeln, Blättern, Blütenstielen, Blüten und Schoten aktiv ist. Innerhalb der Zelle ist NIC2 in Peroxisomen lokalisiert. Peroxisomen sind kleine Organellen, die eine Rolle im Hormonstoffwechsel spielen können, wie z.B. im Fall von Auxinen. Die Daten sprechen dafür, dass NIC2 eine Funktion beim Auxintransport und somit bei der Auxin-Homöostase hat.
KW - Ackerschmalwand
KW - Auxine
KW - Membranproteine
KW - Arabidopsis
KW - membrane protein
KW - auxin
Y1 - 2005
U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-5372
ER -