@misc{BenteleSaffertRauscheretal.2013,
  author    = {Bentele, Kajetan and Saffert, Paul and Rauscher, Robert and Ignatova, Zoya and Bluethgen, Nils},
  title     = {Efficient translation initiation dictates codon usage at gene start},
  series = {Postprints der Universit{\"a}t Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe},
  journal   = {Postprints der Universit{\"a}t Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe},
  number    = {912},
  issn      = {1866-8372},
  doi       = {10.25932/publishup-44133},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-441337},
  pages     = {12},
  year      = {2013},
  abstract  = {The genetic code is degenerate; thus, protein evolution does not uniquely determine the coding sequence. One of the puzzles in evolutionary genetics is therefore to uncover evolutionary driving forces that result in specific codon choice. In many bacteria, the first 5-10 codons of protein-coding genes are often codons that are less frequently used in the rest of the genome, an effect that has been argued to arise from selection for slowed early elongation to reduce ribosome traffic jams. However, genome analysis across many species has demonstrated that the region shows reduced mRNA folding consistent with pressure for efficient translation initiation. This raises the possibility that unusual codon usage is a side effect of selection for reduced mRNA structure. Here we discriminate between these two competing hypotheses, and show that in bacteria selection favours codons that reduce mRNA folding around the translation start, regardless of whether these codons are frequent or rare. Experiments confirm that primarily mRNA structure, and not codon usage, at the beginning of genes determines the translation rate.},
  language  = {en}
}
@article{BenteleSaffertRauscheretal.2013,
  author    = {Bentele, Kajetan and Saffert, Paul and Rauscher, Robert and Ignatova, Zoya and Bluethgen, Nils},
  title     = {Efficient translation initiation dictates codon usage at gene start},
  series = {Molecular systems biology},
  volume    = {9},
  journal   = {Molecular systems biology},
  number    = {6},
  publisher = {Nature Publ. Group},
  address   = {New York},
  issn      = {1744-4292},
  doi       = {10.1038/msb.2013.32},
  pages     = {10},
  year      = {2013},
  abstract  = {The genetic code is degenerate; thus, protein evolution does not uniquely determine the coding sequence. One of the puzzles in evolutionary genetics is therefore to uncover evolutionary driving forces that result in specific codon choice. In many bacteria, the first 5-10 codons of protein-coding genes are often codons that are less frequently used in the rest of the genome, an effect that has been argued to arise from selection for slowed early elongation to reduce ribosome traffic jams. However, genome analysis across many species has demonstrated that the region shows reduced mRNA folding consistent with pressure for efficient translation initiation. This raises the possibility that unusual codon usage is a side effect of selection for reduced mRNA structure. Here we discriminate between these two competing hypotheses, and show that in bacteria selection favours codons that reduce mRNA folding around the translation start, regardless of whether these codons are frequent or rare. Experiments confirm that primarily mRNA structure, and not codon usage, at the beginning of genes determines the translation rate.},
  language  = {en}
}
@misc{DelCampoBartholomaeusFedyuninetal.2015,
  author    = {Del Campo, Cristian and Bartholom{\"a}us, Alexander and Fedyunin, Ivan and Ignatova, Zoya},
  title     = {Secondary Structure across the Bacterial Transcriptome Reveals Versatile Roles in mRNA Regulation and Function},
  series = {Postprints der Universit{\"a}t Potsdam : Mathematisch Naturwissenschaftliche Reihe},
  journal   = {Postprints der Universit{\"a}t Potsdam : Mathematisch Naturwissenschaftliche Reihe},
  number    = {520},
  issn      = {1866-8372},
  doi       = {10.25932/publishup-40966},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-409662},
  pages     = {23},
  year      = {2015},
  abstract  = {Messenger RNA acts as an informational molecule between DNA and translating ribosomes. Emerging evidence places mRNA in central cellular processes beyond its major function as informational entity. Although individual examples show that specific structural features of mRNA regulate translation and transcript stability, their role and function throughout the bacterial transcriptome remains unknown. Combining three sequencing approaches to provide a high resolution view of global mRNA secondary structure, translation efficiency and mRNA abundance, we unraveled structural features in E. coli mRNA with implications in translation and mRNA degradation. A poorly structured site upstream of the coding sequence serves as an additional unspecific binding site of the ribosomes and the degree of its secondary structure propensity negatively correlates with gene expression. Secondary structures within coding sequences are highly dynamic and influence translation only within a very small subset of positions. A secondary structure upstream of the stop codon is enriched in genes terminated by UAA codon with likely implications in translation termination. The global analysis further substantiates a common recognition signature of RNase E to initiate endonucleolytic cleavage. This work determines for the first time the E. coli RNA structurome, highlighting the contribution of mRNA secondary structure as a direct effector of a variety of processes, including translation and mRNA degradation.},
  language  = {en}
}
@misc{HessSaffertLiebetonetal.2015,
  author    = {Hess, Anne-Katrin and Saffert, Paul and Liebeton, Klaus and Ignatova, Zoya},
  title     = {Optimization of translation profiles enhances protein expression and solubility},
  series = {Postprints der Universit{\"a}t Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe},
  journal   = {Postprints der Universit{\"a}t Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe},
  number    = {518},
  issn      = {1866-8372},
  doi       = {10.25932/publishup-40957},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-409574},
  pages     = {14},
  year      = {2015},
  abstract  = {mRNA is translated with a non-uniform speed that actively coordinates co-translational folding of protein domains. Using structure-based homology we identified the structural domains in epoxide hydrolases (EHs) and introduced slow-translating codons to delineate the translation of single domains. These changes in translation speed dramatically improved the solubility of two EHs of metagenomic origin in Escherichia coli. Conversely, the importance of transient attenuation for the folding, and consequently solubility, of EH was evidenced with a member of the EH family from Agrobacterium radiobacter, which partitions in the soluble fraction when expressed in E. coli. Synonymous substitutions of codons shaping the slow-transiting regions to fast-translating codons render this protein insoluble. Furthermore, we show that low protein yield can be enhanced by decreasing the free folding energy of the initial 5'-coding region, which can disrupt mRNA secondary structure and enhance ribosomal loading. This study provides direct experimental evidence that mRNA is not a mere messenger for translation of codons into amino acids but bears an additional layer of information for folding, solubility and expression level of the encoded protein. Furthermore, it provides a general frame on how to modulate and fine-tune gene expression of a target protein.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{OsterlohQuiroz2006,
  author    = {Osterloh-Quiroz, Mandy},
  title     = {Optimierung der Expressionsst{\"a}rke von fremdstoffmetabolisierenden Enzymen in Bakterien und permanenten Zellkulturen f{\"u}r toxikologische Untersuchungen},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus-8945},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  year      = {2006},
  abstract  = {Die Enzymsuperfamilie der l{\"o}slichen Sulfotransferasen (SULT) spielt eine wichtige Rolle in der Phase II des Fremdstoffmetabolismus. Sie katalysieren den Transfer einer Sulfonylgruppe auf nucleophile Gruppen endogener und exogener Substrate. Die Sulfokonjugation von Fremdstoffen erh{\"o}ht deren Wasserl{\"o}slichkeit und behindert die passive Permeation von Zellmembranen. Dadurch wird die Ausscheidung dieser konjugierten Substanzen erleichtert. In Abh{\"a}ngigkeit von der Struktur des Zielmolek{\"u}ls kann die Sulfokonjugation aber auch zur metabolischen Aktivierung von Fremdstoffen durch die Bildung instabiler Metabolite f{\"u}hren. Die SULT-vermittelte Aktivierung promutagener Substanzen ist somit von toxikologischem Interesse. F{\"u}r die Detektion SULT-vermittelter Mutagenit{\"a}t mittels bakterieller in-vitro Testsysteme ist die heterologe Expression der fremdstoffmetabolisierenden Enzyme direkt in den Indikatorzellen notwendig. S. typhimurium exprimieren selbst keine SULT, und externe Metabolisierungssysteme sind problematisch, weil die negativ geladenen, kurzlebigen Metabolite nur schlecht die Zellmembran penetrieren k{\"o}nnen. Die Expression humaner Enyme in Bakterien ist jedoch zum Teil sehr kritisch. So zeigen z.B. sehr {\"a}hnliche Enzyme (SULT1A2*1 und *2) deutliche Unterschiede im Expressionsniveau bei exakt gleichen {\"a}ußeren Bedingungen. Dies erschwert den Vergleich der enzymatischen Aktivit{\"a}ten dieser Enzyme im in-vitro Testsystem. Andere Enzyme (z.B. SULT2B1b) werden unter Verwendung ihrer Wildtyp-cDNA zum Teil nicht detektierbar exprimiert. Deshalb sollte in dieser Arbeit eine Methode zur Optimierung der heterologen Expression fremdstoffmetabolisierender Enzyme f{\"u}r Genotoxizit{\"a}tsuntersuchungen etabliert werden. Es wurde bereits gezeigt dass synonyme Codonaustausche am 5'-Ende der humanen SULT1A2-cDNA zu einer Erh{\"o}hung der Expression des entsprechenden Enzyms in S. typhimurium f{\"u}hrten. Dementsprechend wurden in dieser Arbeit Codonaustausche am 5'-Ende der cDNA verschiedener SULT (1A1*1, 1A2*1, 2B1b) sowie der Ratten Glutathion-S-Transferase Theta 2 (rGSTT2) und dem Reportergen Luciferase durchgef{\"u}hrt. Die Expression der so generierten Konstrukte wurde in verschiedenen S. typhimurium und E. coli St{\"a}mmen quantifiziert und die Aktivit{\"a}t der {\"u}berexprimierten Enzyme im Ames-Test bzw. im Enzym-Aktivit{\"a}tsassay {\"u}berpr{\"u}ft. Durch das Einf{\"u}hren seltener Codons in die cDNA konnte die Proteinexpression von SULT1A1*1, SULT1A2*1 und SULT2B1b maximal 7-fach, 18-fach und 100-fach im Vergleich zur Wildtyp-cDNA gesteigert werden. Die Expression der rGSTT2 wurde ebenfalls durch das Einf{\"u}hren seltener Codons erh{\"o}ht (maximal 5-fach). Bei dem Reportergen Luciferase jedoch f{\"u}hrte das Austauschen h{\"a}ufiger Codons gegen seltene Codons zu einer Reduktion der Proteinexpression um 80 \%. Die Expression von Fusionsproteinen aus 2B1b (5'-Ende) und Luciferase (3'-Ende) wurde durch das Einf{\"u}hren seltener Codons ebenfalls um 50 \% reduziert. Die S. typhimurium St{\"a}mme mit optimierter SULT 1A1*1- bzw. 1A2*1-Expression wurden im Ames-Test eingesetzt und zeigten im Vergleich zu den geringer exprimierenden St{\"a}mmen eine h{\"o}here Sensitivit{\"a}t. F{\"u}r SULT2B1b konnte keine Mutagenaktivierung im Ames-Test nachgewiesen werden. Allerdings zeigte ein Enzym-Aktivit{\"a}tsassay mit Dehydroepiandosteron, dass das bakteriell exprimierte Enzym funktionell war. Da in der Literatur der Effekt seltener Codons auf die Expression in Bakterien bisher fast ausschließlich als inhibitorisch beschrieben wurde, sollte die Wirkungsweise der hier beobachteten Expressionserh{\"o}hung durch seltene Codons genauer untersucht werden. Dazu wurden verschiedene Konstrukte der SULT1A2*1 und der SULT2B1b, die unterschiedlich viele seltene Codons in verschiedenen Kombinationen besaßen, hergestellt. Es konnten jedoch keine einzelnen Codons, die f{\"u}r die Expressionssteigerung allein verantwortlich waren, identifiziert werden. Die Plasmidkopienzahl in den verschiedenen SULT2B1b-Klonen war konstant und die SULT2B1b-mRNA-Konzentration zeigte nur moderate Schwankungen, die nicht als Ursache f{\"u}r die dramatische Erh{\"o}hung der SULT2B1b-Expression in Frage kommen. Die berechnete Stabilit{\"a}t der potentiellen mRNA-Sekund{\"a}rstrukturen wurde durch die seltenen Codons h{\"a}ufig stark gesenkt und ist als eine m{\"o}gliche Ursache f{\"u}r die Expressionssteigerung anzusehen. Zus{\"a}tzlich erh{\"o}hten die seltenen Codons den Consensus der Downstream Box zur 16S rRNA, was ebenfalls eine Ursache f{\"u}r die Expressionssteigerung sein kann. In dieser Arbeit konnte somit die Expression der humanen SULT1A1*1, 1A2*1 und der 2B1b sowie der rGSTT2 erfolgreich mittels synonymer Codonaustausche erh{\"o}ht werden. Die so optimierten S. typhimurium St{\"a}mme zeigten im Ames-Test eine erh{\"o}hte Sensitivit{\"a}t gegen{\"u}ber SULT aktivierten Promutagenen bzw. erh{\"o}hte Aktivit{\"a}t in spezifischen Enymaktivit{\"a}tsassays.},
  subject      = {Mutagenit{\"a}t},
  language  = {de}
}