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Comprehensive metabolite analysis in Chlamydomonas reinhardtii : method development and application to the study of environmental and genetic perturbations

Multiparallele Metabolitenanalyse in Chlamydomonas reinhardtii

  • This study introduces a method for multiparallel analysis of small organic compounds in the unicellular green alga Chlamydomonas reinhardtii, one of the premier model organisms in cell biology. The comprehensive study of the changes of metabolite composition, or metabolomics, in response to environmental, genetic or developmental signals is an important complement of other functional genomic techniques in the effort to develop an understanding of how genes, proteins and metabolites are all integrated into a seamless and dynamic network to sustain cellular functions. The sample preparation protocol was optimized to quickly inactivate enzymatic activity, achieve maximum extraction capacity and process large sample quantities. As a result of the rapid sampling, extraction and analysis by gas chromatography coupled to time-of-flight mass spectrometry (GC-TOF) more than 800 analytes from a single sample can be measured, of which over a 100 could be positively identified. As part of the analysis of GC-TOF raw data, aliquot ratio analysis toThis study introduces a method for multiparallel analysis of small organic compounds in the unicellular green alga Chlamydomonas reinhardtii, one of the premier model organisms in cell biology. The comprehensive study of the changes of metabolite composition, or metabolomics, in response to environmental, genetic or developmental signals is an important complement of other functional genomic techniques in the effort to develop an understanding of how genes, proteins and metabolites are all integrated into a seamless and dynamic network to sustain cellular functions. The sample preparation protocol was optimized to quickly inactivate enzymatic activity, achieve maximum extraction capacity and process large sample quantities. As a result of the rapid sampling, extraction and analysis by gas chromatography coupled to time-of-flight mass spectrometry (GC-TOF) more than 800 analytes from a single sample can be measured, of which over a 100 could be positively identified. As part of the analysis of GC-TOF raw data, aliquot ratio analysis to systematically remove artifact signals and tools for the use of principal component analysis (PCA) on metabolomic datasets are proposed. Cells subjected to nitrogen (N), phosphorus (P), sulfur (S) or iron (Fe) depleted growth conditions develop highly distinctive metabolite profiles with metabolites implicated in many different processes being affected in their concentration during adaptation to nutrient deprivation. Metabolite profiling allowed characterization of both specific and general responses to nutrient deprivation at the metabolite level. Modulation of the substrates for N-assimilation and the oxidative pentose phosphate pathway indicated a priority for maintaining the capability for immediate activation of N assimilation even under conditions of decreased metabolic activity and arrested growth, while the rise in 4-hydroxyproline in S deprived cells could be related to enhanced degradation of proteins of the cell wall. The adaptation to sulfur deficiency was analyzed with greater temporal resolution and responses of wild-type cells were compared with mutant cells deficient in SAC1, an important regulator of the sulfur deficiency response. Whereas concurrent metabolite depletion and accumulation occurs during adaptation to S deprivation in wild-type cells, the sac1 mutant strain is characterized by a massive incapability to sustain many processes that normally lead to transient or permanent accumulation of the levels of certain metabolites or recovery of metabolite levels after initial down-regulation. For most of the steps in arginine biosynthesis in Chlamydomonas mutants have been isolated that are deficient in the respective enzyme activities. Three strains deficient in the activities of N-acetylglutamate-5-phosphate reductase (arg1), N2 acetylornithine-aminotransferase (arg9), and argininosuccinate lyase (arg2), respectively, were analyzed with regard to activation of endogenous arginine biosynthesis after withdrawal of externally supplied arginine. Enzymatic blocks in the arginine biosynthetic pathway could be characterized by precursor accumulation, like the amassment of argininosuccinate in arg2 cells, and depletion of intermediates occurring downstream of the enzymatic block, e.g. N2-acetylornithine, ornithine, and argininosuccinate depletion in arg9 cells. The unexpected finding of substantial levels of the arginine pathway intermediates N-acetylornithine, citrulline, and argininosuccinate downstream the enzymatic block in arg1 cells provided an explanation for the residual growth capacity of these cells in the absence of external arginine sources. The presence of these compounds, together with the unusual accumulation of N-Acetylglutamate, the first intermediate that commits the glutamate backbone to ornithine and arginine biosynthesis, in arg1 cells suggests that alternative pathways, possibly involving the activity of ornithine aminotransferase, may be active when the default reaction sequence to produce ornithine via acetylation of glutamate is disabled.show moreshow less
  • Entwicklung und Anwendung von Methoden zur multiparallelen Analyse von Metaboliten in der einzelligen Grünalge Chlamydomonas reinhardtii, einem der wichtigsten Modellorganismen der Zellbiologie, sind Gegenstand dieser Arbeit. Metabolomanalyse, die umfassende Analyse von Veränderungen der Konzentrationen von Stoffwechselprodukten durch Umweltreize oder genetische und entwicklungsbedingte Signale, ist ein wichtiges Komplement anderer Genomanalysemethoden, um die Integration von Genen, Proteinen und Metaboliten in ein nahtloses und dynamisches Netzwerk zur Aufrechterhaltung der Lebensfunktionen eines Organismus zu verstehen. Die Methode wurde im Hinblick auf schnelle Inaktivierung enzymatischer Aktivität, Maximierung der Extraktionskapazität und Behandlung großer Probenmengen optimiert. Im Ergebnis der Probenaufarbeitung, Extraktion und Analyse mittels Gaschromatographie und Time-Of-Flight-Massenspektrometrie konnten mehr als 800 analytische Signale in Einzelproben dargestellt werden, von denen über 100 identifiziert werden konnten. DieEntwicklung und Anwendung von Methoden zur multiparallelen Analyse von Metaboliten in der einzelligen Grünalge Chlamydomonas reinhardtii, einem der wichtigsten Modellorganismen der Zellbiologie, sind Gegenstand dieser Arbeit. Metabolomanalyse, die umfassende Analyse von Veränderungen der Konzentrationen von Stoffwechselprodukten durch Umweltreize oder genetische und entwicklungsbedingte Signale, ist ein wichtiges Komplement anderer Genomanalysemethoden, um die Integration von Genen, Proteinen und Metaboliten in ein nahtloses und dynamisches Netzwerk zur Aufrechterhaltung der Lebensfunktionen eines Organismus zu verstehen. Die Methode wurde im Hinblick auf schnelle Inaktivierung enzymatischer Aktivität, Maximierung der Extraktionskapazität und Behandlung großer Probenmengen optimiert. Im Ergebnis der Probenaufarbeitung, Extraktion und Analyse mittels Gaschromatographie und Time-Of-Flight-Massenspektrometrie konnten mehr als 800 analytische Signale in Einzelproben dargestellt werden, von denen über 100 identifiziert werden konnten. Die Arbeit stellt methodische Innovationen zur systematischen Erkennung von Artefakten in GC-MS Chromatogrammen und Werkzeuge zur Anwendung der Hauptkomponentenanalyse auf Metabolom-Daten vor. Zellen unter Stickstoff- (N), Phosphor- (P), Schwefel- (S), oder Eisen- (Fe) Mangel zeigen deutliche Unterschiede in ihrer Metabolitenausstattung. Die Anpassung an die einzelnen Nährstoffmangelsituationen ist durch spezifische Änderungen einer Reihe von Metaboliten zentraler Prozesse des Primärstoffwechsels gekennzeichnet. Die Konzentrationsänderungen von Substraten für die Stickstoffassimilation und den oxidativen Pentosephosphatweg deuten darauf hin, dass die Fähigkeit zur schnellen Aktivierung der N-Assimilation auch unter Bedingungen herabgesetzter Stoffwechsel- und Wachstumsaktivität aufrechterhalten wird. Die Akkumulation von 4-Hydroxyprolin unter Schwefelmangel könnte im Zusammenhang stehen mit der Degradation von Proteinen der Chlamydomonas-Zellwand, deren wesentlicher Bestandteil hydroxyprolinreiche Glykoproteine sind und die unter Schwefelmangel aktiv umgebaut wird. Die Anpassung an Schwefelmangel wurde mit größerer zeitlicher Auflösung in Wildtyp-Zellen und Zellen des sac1-Stammes untersucht. SAC1 ist ein zentraler Regulator der Schwefelmangelantwort in Chlamydomonas. Zeitgleiche Ab- und Zunahme von Metaboliten ist ein charakteristisches Element der Anpassung an Schwefelmangel in Wildtypzellen. Die Reaktion von SAC1-Mutanten auf Schwefelmangel ist durch weit reichenden Verlust zur Steuerung von Prozessen gekennzeichnet, die normalerweise zur vorübergehenden oder dauerhaften Anreicherung bestimmter Metabolite führen. Die Verfügbarkeit von Chlamydomonas-Stämmen mit fehlender Enzymaktivität für fast jeden der Schritte der Argininbiosynthese eröffnet die Möglichkeit, das Potential der Metabolitenanalyse zur Untersuchung der Regulation der Aminosäurebiosynthese in photosynthetischen Eukaryoten zur Anwendung zu bringen. Drei Stämme, mit fehlender Aktivität für N-Acetylglutamat-5-phosphat Reduktase (arg1), N2 Acetylornithin-Aminotransferase (arg9) beziehungsweise Argininosuccinat Lyase (arg2) wurden in Bezug auf die Aktivierung ihrer endogenen Argininbiosynthese nach Entzug externer Argininquellen analysiert. Die einzelnen enzymatischen Blocks konnten durch Precursor-Anreicherung, wie die Anhäufung von Argininosuccinat in arg2-Zellen, und Erschöpfung von Intermediaten nachgelagerter Reaktionen, beispielsweise die deutliche Abnahme von N2-Acetylornithin, Ornithin und Argininosuccinat in arg9-Zellen charakterisiert werden. Das unerwartete Vorhandensein von zum Teil das Wildtyp-Niveau überschreitender Mengen von N2-Acetylornithin, Citrullin und Argininosuccinat, die Produkte bzw. Substrate dem enzymatischen Block nachgelagerter Reaktionen in arg1-Zellen sind, bot eine Erklärung für eine noch vorhandene Restkapazität zum Wachstum des arg1-Stamms auch ohne äußere Arginingabe. Der Nachweis dieser Verbindungen sowie die ungewöhnliche Anreicherung von N-Acetylglutamat, der ersten Verbindung, die das Glutamat-Gerüst für die Ornithin- und Argininsynthese bindet, in arg1-Zellen könnte auf alternative Reaktionen, möglicherweise unter Beteiligung von Ornithin-Aminotransferase, zur Synthese von Ornithin hindeuten, die in Erscheinung treten, wenn die Synthesekette nach Acetylierung von Glutamat blockiert ist.show moreshow less

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Metadaten
Author:Christian BöllingGND
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus-11329
Advisor:Lothar Willmitzer
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2006
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2006/12/12
Release Date:2006/12/19
Tag:Argininbiosynthese; Chlamydomonas; Metabolite; Schwefel; Stoffwechsel
Chlamydomonas; arginine biosynthesis; metabolite profiling; metabolomics; sulfur
RVK - Regensburg Classification:WE 2200
RVK - Regensburg Classification:WC 3480
RVK - Regensburg Classification:WC 7700
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Biochemie und Biologie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
Notes extern:
Teile der Dissertation sind erschienen in:
Bölling, Christian ; Fiehn, Oliver:
Metabolite Profiling of Chlamydomonas reinhardtii under Nutrient Deprivation.
In : Plant Physiology. - 139 (2005), 44, p. 1995 - 2005
doi: 10.1104/pp.105.071589