Refine
Has Fulltext
- yes (24) (remove)
Year of publication
- 2015 (24) (remove)
Document Type
- Postprint (12)
- Doctoral Thesis (11)
- Bachelor Thesis (1)
Is part of the Bibliography
- yes (24)
Keywords
- Bakteriophagen (2)
- phylogeny (2)
- "Omik"-Technologien (1)
- Adhäsionsproteine (1)
- Apis mellifera (1)
- Arbeitsteilung (1)
- Biogas (1)
- Biosensor (1)
- Bistabilität (1)
- Brassica napus L. (1)
Institute
- Institut für Biochemie und Biologie (24) (remove)
We extend the scope of European palaeogenomics by sequencing the genomes of Late Upper Palaeolithic (13,300 years old, 1.4-fold coverage) and Mesolithic (9,700 years old, 15.4-fold) males from western Georgia in the Caucasus and a Late Upper Palaeolithic (13,700 years old, 9.5-fold) male from Switzerland. While we detect Late Palaeolithic–Mesolithic genomic continuity in both regions, we find that Caucasus hunter-gatherers (CHG) belong to a distinct ancient clade that split from western hunter-gatherers ∼45 kya, shortly after the expansion of anatomically modern humans into Europe and from the ancestors of Neolithic farmers ∼25 kya, around the Last Glacial Maximum. CHG genomes significantly contributed to the Yamnaya steppe herders who migrated into Europe ∼3,000 BC, supporting a formative Caucasus influence on this important Early Bronze age culture. CHG left their imprint on modern populations from the Caucasus and also central and south Asia possibly marking the arrival of Indo-Aryan languages.
Background: Endogenous murine leukemia retroviruses (MLVs) are high copy number proviral elements difficult to comprehensively characterize using standard low throughput sequencing approaches. However, high throughput approaches generate data that is challenging to process, interpret and present.
Results: Next generation sequencing (NGS) data was generated for MLVs from two wild caught Mus musculus domesticus (from mainland France and Corsica) and for inbred laboratory mouse strains C3H, LP/J and SJL. Sequence reads were grouped using a novel sequence clustering approach as applied to retroviral sequences. A Markov cluster algorithm was employed, and the sequence reads were queried for matches to specific xenotropic (Xmv), polytropic (Pmv) and modified polytropic (Mpmv) viral reference sequences.
Conclusions: Various MLV subtypes were more widespread than expected among the mice, which may be due to the higher coverage of NGS, or to the presence of similar sequence across many different proviral loci. The results did not correlate with variation in the major MLV receptor Xpr1, which can restrict exogenous MLVs, suggesting that endogenous MLV distribution may reflect gene flow more than past resistance to infection.
Faunal remains from Palaeolithic sites are important genetic sources to study preglacial and postglacial populations and to investigate the effect of climate change and human impact. Post mortem decay, resulting in fragmented and chemically modified DNA, is a key obstacle in ancient DNA analyses. In the absence of reliable methods to determine the presence of endogenous DNA in sub-fossil samples, temporal and spatial surveys of DNA survival on a regional scale may help to estimate the potential of faunal remains from a given time period and region. We therefore investigated PCR amplification success, PCR performance and post mortem damage in c. 47,000 to c. 12,000-year-old horse remains from 14 Palaeolithic sites along the Swiss Jura Mountains in relation to depositional context, tissue type, storage time and age, potentially influencing DNA preservation. The targeted 75 base pair mitochondrial DNA fragment could be amplified solely from equid remains from caves and not from any of the open dry and (temporary) wetland sites. Whether teeth are better than bones cannot be ultimately decided; however, both storage time after excavation and age significantly affect PCR amplification and performance, albeit not in a linear way. This is best explained by the—inevitable—heterogeneity of the data set. The extent of post mortem damage is not related to any of the potential impact factors. The results encourage comprehensive investigations of Palaeolithic cave sites, even from temperate regions.
XopJ is a Xanthomonas type III effector protein that promotes bacterial virulence on susceptible pepper plants through the inhibition of the host cell proteasome and a resultant suppression of salicylic acid (SA) - dependent defense responses. We show here that Nicotiana benthamiana leaves transiently expressing XopJ display hypersensitive response (HR) -like symptoms when exogenously treated with SA. This apparent avirulence function of XopJ was further dependent on effector myristoylation as well as on an intact catalytic triad, suggesting a requirement of its enzymatic activity for HR-like symptom elicitation. The ability of XopJ to cause a HR-like symptom development upon SA treatment was lost upon silencing of SGT1 and NDR1, respectively, but was independent of EDS1 silencing, suggesting that XopJ is recognized by an R protein of the CC-NBS-LRR class. Furthermore, silencing of NPR1 abolished the elicitation of HR-like symptoms in XopJ expressing leaves after SA application. Measurement of the proteasome activity indicated that proteasome inhibition by XopJ was alleviated in the presence of SA, an effect that was not observed in NPR1 silenced plants. Our results suggest that XopJ - triggered HR-like symptoms are closely related to the virulence function of the effector and that XopJ follows a two-signal model in order to elicit a response in the non-host plant N. benthamiana.
The cell surface of cyanobacteria is covered with glycans that confer versatility and adaptability to a multitude of environmental factors. The complex carbohydrates act as barriers against different types of stress and play a role in intra- as well as inter-species interactions. In this review, we summarize the current knowledge of the chemical composition, biosynthesis and biological function of exo- and lipo-polysaccharides from cyanobacteria and give an overview of sugar-binding lectins characterized from cyanobacteria. We discuss similarities with well-studied enterobacterial systems and highlight the unique features of cyanobacteria. We pay special attention to colony formation and EPS biosynthesis in the bloom-forming cyanobacterium, Microcystis aeruginosa.
Enzyme cascade reactions
(2015)
Flower development is controlled by the action of key regulatory transcription factors of the MADS-domain family. The function of these factors appears to be highly conserved among species based on mutant phenotypes. However, the conservation of their downstream processes is much less well understood, mostly because the evolutionary turnover and variation of their DNA-binding sites (BSs) among plant species have not yet been experimentally determined. Here, we performed comparative ChIP (chromatin immunoprecipitation)-seq experiments of the MADS-domain transcription factor SEPALLATA3 (SEP3) in two closely related Arabidopsis species: Arabidopsis thaliana and A. lyrata which have very similar floral organ morphology. We found that BS conservation is associated with DNA sequence conservation, the presence of the CArG-box BS motif and on the relative position of the BS to its potential target gene. Differences in genome size and structure can explain that SEP3 BSs in A. lyrata can be located more distantly to their potential target genes than their counterparts in A. thaliana. In A. lyrata, we identified transposition as a mechanism to generate novel SEP3 binding locations in the genome. Comparative gene expression analysis shows that the loss/gain of BSs is associated with a change in gene expression. In summary, this study investigates the evolutionary dynamics of DNA BSs of a floral key-regulatory transcription factor and explores factors affecting this phenomenon.
The poly(A) tail at 3’ ends of eukaryotic mRNAs promotes their nuclear export, stability and translational efficiency, and changes in its length can strongly impact gene expression. The Arabidopsis thaliana genome encodes three canonical nuclear poly(A) polymerases, PAPS1, PAPS2 and PAPS4. As shown by their different mutant phenotypes, these three isoforms are functionally specialized, with PAPS1 modifying organ growth and suppressing a constitutive immune response. However, the molecular basis of this specialization is largely unknown. Here, we have estimated poly(A)-tail lengths on a transcriptome-wide scale in wild-type and paps1 mutants. This identified categories of genes as particularly strongly affected in paps1 mutants, including genes encoding ribosomal proteins, cell-division factors and major carbohydrate-metabolic proteins. We experimentally verified two novel functions of PAPS1 in ribosome biogenesis and redox homoeostasis that were predicted based on the analysis of poly(A)-tail length changes in paps1 mutants. When overlaying the PAPS1-dependent effects observed here with coexpression analysis based on independent microarray data, the two clusters of transcripts that are most closely coexpressed with PAPS1 show the strongest change in poly(A)-tail length and transcript abundance in paps1 mutants in our analysis. This suggests that their coexpression reflects at least partly the preferential polyadenylation of these transcripts by PAPS1 versus the other two poly(A)-polymerase isoforms. Thus, transcriptome-wide analysis of poly(A)-tail lengths identifies novel biological functions and likely target transcripts for polyadenylation by PAPS1. Data integration with large-scale co-expression data suggests that changes in the relative activities of the isoforms are used as an endogenous mechanism to co-ordinately modulate plant gene expression.
Erucasäure ist eine einfach ungesättigte Fettsäure, die sich in großer Menge im Samen von Raps und anderen Kreuzblütlern findet. Ernährungsphysiologisch gilt sie als problematisch, da sie eine nachweislich schädliche Wirkung auf die Herzmuskulatur hat. Daher wurde sie im Laufe des 20. Jahrhunderts zum größten Teil aus dem Deutschen Winterraps durch Züchtung fast vollständig eliminiert. In einigen Zweigen der Industrie ist sie jedoch weiterhin ein bedeutender Rohstoff. In dieser Arbeit wird die Papierchromatographie als kostengünstige Methode zur Trennung von Fettsäuren vorgestellt, welche auch im Schulunterricht angewendet werden kann. Diese veraltete Methode wurde reaktiviert und für die vorliegenden Zwecke optimiert. Mit Hilfe der hier beschriebenen Papierchromatographie lassen sich sowohl Rapssamen auf ihren qualitativen Gehalt an Erucasäure untersuchen, als auch eine Vielzahl von ungesättigten Fettsäuren in Raps- und auch Leinsamen qualitativ nachweisen. Es ist so möglich erucasäurefreie und erucasäurehaltige Rapssamen auf dem Papier zu unterscheiden. Der Gehalt an Erucasäure, welcher von nur zwei additiv wirkenden Genen gesteuert wird, kann im Schulunterricht z.B. im Themenbereich „Errungenschaften der Pflanzenzüchtung“ als praktisches Beispiels herangezogen werden. Durch die hier beschriebene Methode können die Mendelschen Regeln anhand dieses phänotypischen Merkmals erarbeitet oder vertieft werden. Zudem ermöglicht die praktische Untersuchung von Erucasäure themenübergreifendes Arbeiten im Biologieunterricht, da sie klassische Genetik mit moderner Pflanzenzüchtung verbindet.
In the Bateson–Dobzhansky–Muller model of genetic incompatibilities post-zygotic gene-flow barriers arise by fixation of novel alleles at interacting loci in separated populations. Many such incompatibilities are polymorphic in plants, implying an important role for genetic drift or balancing selection in their origin and evolution. Here we show that NPR1 and RPP5 loci cause a genetic incompatibility between the incipient species Capsella grandiflora and C. rubella, and the more distantly related C. rubella and C. orientalis. The incompatible RPP5 allele results from a mutation in C. rubella, while the incompatible NPR1 allele is frequent in the ancestral C. grandiflora. Compatible and incompatible NPR1 haplotypes are maintained by balancing selection in C. grandiflora, and were divergently sorted into the derived C. rubella and C. orientalis. Thus, by maintaining differentiated alleles at high frequencies, balancing selection on ancestral polymorphisms can facilitate establishing gene-flow barriers between derived populations through lineage sorting of the alternative alleles.
Island biotas emerge from the interplay between colonisation, speciation and extinction and are often the scene of spectacular adaptive radiations. A common assumption is that insular diversity is at a dynamic equilibrium, but for remote islands, such as Hawaii or Galápagos, this idea remains untested. Here, we reconstruct the temporal accumulation of terrestrial bird species of the Galápagos using a novel phylogenetic method that estimates rates of biota assembly for an entire community. We show that species richness on the archipelago is in an ascending phase and does not tend towards equilibrium. The majority of the avifauna diversifies at a slow rate, without detectable ecological limits. However, Darwin's finches form an exception: they rapidly reach a carrying capacity and subsequently follow a coalescent-like diversification process. Together, these results suggest that avian diversity of remote islands is rising, and challenge the mutual exclusivity of the non-equilibrium and equilibrium ecological paradigms.
Im Hinblick auf die Problematik der Umweltverschmutzung durch die Nutzung fossiler Brennstoffe ist es nötig, eine langfristig stabile und umweltfreundliche Energieversorgung zu gewährleisten. Eine Möglichkeit, den Energiebedarf CO2-neutral zu decken, ist die Nutzung von Biogas. Hierbei spielt der Einsatz von biogenen Reststoffen, die durch einen hohen Anteil an Kohlenhydraten, Fetten und Proteinen gekennzeichnet sind und daher ein hohes Biogaspotential besitzen, eine wichtige Rolle. Voraussetzung für die Effizienz und Rentabilität solcher Anlagen ist u. a. ein stabiler Gasbildungsprozess. Da bisher noch nicht alle Aspekte der Biogasbildung vollständig verstanden sind, werden die Anlagen oft nicht optimal ausgelastet, um Prozessstörungen wie z. B. Übersäuerung zu vermeiden.
Um dennoch auftretende Prozessstörungen zu beheben, können unterschiedliche Maßnahmen durchgeführt werden. Neben der Senkung der Raumbelastung, ist es möglich, den pH-Wert durch die Zugabe von Natronlauge oder Calciumoxid anzuheben.
In der vorliegenden Arbeit wurden sowohl Prozessstörungen als auch Prozessregenerierungen an einer großtechnischen Biogasanlage und in Laborversuchen untersucht. Dabei galt es, neben den physikalischen und chemischen Parametern, die mikrobielle Biozönose mit Hilfe des genetischen Fingerprintings zu charakterisieren und Änderungen zu detektieren.
Während der Prozessregenerierungen wurden nach der Zugabe von CaO Veränderungen des Gärrestes beobachtet. Es bildeten sich Pellets, die im Hinblick auf ihre Funktion für die Prozessregenerierung und die Prozessstabilität molekularbiologisch und mikroskopisch untersucht wurden. Es wurde weiterhin der Frage nachgegangen, welche Rolle die Mikroorganismen bei der Entstehung der Pellets spielen.
Die vor allem aus Calcium und Fettsäuren bestehenden Pellets dienten als Aufwuchsflächen für verschiedene Mikroorganismen. Die Bildung von Biofilmen, wie sie auf und in den Pellets nachgewiesen wurde, bot für Mikroorganismen einen Schutz vor negativen Umwelteinflüssen wie z. B. hohe Propionsäurekonzentrationen. Unter diesen günstigen Bedingungen war die Bildung von Biogas auch unter hohen Wasserstoffpartialdrücken, die den Abbau von Propionsäure hemmten, möglich. Als Indikator für bessere Lebensbedingungen wurde im Laborversuch ein Methanoculleus receptaculi-verwandter Organismus identifiziert. Dieses methanogene Archaeon wurde im Pellet nachgewiesen, während es im Gärrest erst nach der Prozessregenerierung detektiert wurde. Der Nachweis eines im Vergleich zum umgebenden Gärrest höheren Anteils an Archaeen im Kern der Pellets sowie von Biofilmen/EPS, verschiedenen Phosphatsalzen und schwerlöslichen Calciumsalzen zeigte, dass sowohl Präzipitation und Adsorption als auch Degradation von LCFA dazu führen, dass deren Konzentration im flüssigen Gärrest gesenkt wird. Dadurch nimmt die Hemmung auf die Biozönose ab und die Biogasbildungsrate steigt. Daher ist der Abbau der Fettsäuren auch bei einem niedrigen pH-Wert und unter hohen Wasserstoffpartialdrücken möglich und der Biogasbildungsprozess ist langfristig stabil. Die Bildung von Pellets unterstützt die Prozessstabilität, sofern diese nicht zu groß werden und dann u. a. die Durchmischung behindern und den Ablauf verstopfen.
Nach erfolgreicher Prozessstabilisierung wurden keine Pellets im Gärrest beobachtet. Der Abbau des organischen Materials wurde sowohl durch die steigende Calciumkonzentration als auch die steigende Gasproduktion angezeigt.
Magnetite nanoparticles and their assembly comprise a new area of development for new technologies. The magnetic particles can interact and assemble in chains or networks. Magnetotactic bacteria are one of the most interesting microorganisms, in which the assembly of nanoparticles occurs. These microorganisms are a heterogeneous group of gram negative prokaryotes, which all show the production of special magnetic organelles called magnetosomes, consisting of a magnetic nanoparticle, either magnetite (Fe3O4) or greigite (Fe3S4), embedded in a membrane. The chain is assembled along an actin-like scaffold made of MamK protein, which makes the magnetosomes to arrange in mechanically stable chains. The chains work as a compass needle in order to allow cells to orient and swim along the magnetic field of the Earth.
The formation of magnetosomes is known to be controlled at the molecular level. The physico–chemical conditions of the surrounding environment also influence biomineralization. The work presented in this manuscript aims to understand how such external conditions, in particular the extracellular oxidation reduction potential (ORP) influence magnetite formation in the strain Magnetospirillum magneticum AMB-1. A controlled cultivation of the microorganism was developed in a bioreactor and the formation of magnetosomes was characterized.
Different techniques have been applied in order to characterize the amount of iron taken up by the bacteria and in consequence the size of magnetosomes produced at different ORP conditions. By comparison of iron uptake, morphology of bacteria, size and amount of magnetosomes per cell at different ORP, the formation of magnetosomes was inhibited at ORP 0 mV, whereas reduced conditions, ORP – 500 mV facilitate biomineralization process.
Self-assembly of magnetosomes occurring in magnetotactic bacteria became an inspiration to learn from nature and to construct nanoparticles assemblies by using the bacteriophage M13 as a template. The M13 bacteriophage is an 800 nm long filament with encapsulated single-stranded DNA that has been recently used as a scaffold for nanoparticle assembly. I constructed two types of assemblies based on bacteriophages and magnetic nanoparticles. A chain – like assembly was first formed where magnetite nanoparticles are attached along the phage filament. A sperm – like construct was also built with a magnetic head and a tail formed by phage filament.
The controlled assembly of magnetite nanoparticles on the phage template was possible due to two different mechanism of nanoparticle assembly. The first one was based on the electrostatic interactions between positively charged polyethylenimine coated magnetite nanoparticles and negatively charged phages. The second phage –nanoparticle assembly was achieved by bioengineered recognition sites. A mCherry protein is displayed on the phage and is was used as a linker to a red binding nanobody (RBP) that is fused to the one of the proteins surrounding the magnetite crystal of a magnetosome.
Both assemblies were actuated in water by an external magnetic field showing their swimming behavior and potentially enabling further usage of such structures for medical applications. The speed of the phage - nanoparticles assemblies are relatively slow when compared to those of microswimmers previously published. However, only the largest phage-magnetite assemblies could be imaged and it is therefore still unclear how fast these structures can be in their smaller version.
The standing stock and production of organismal biomass depends strongly on the organisms’ biotic environment, which arises from trophic and non-trophic interactions among them. The trophic interactions between the different groups of organisms form the food web of an ecosystem, with the autotrophic and bacterial production at the basis and potentially several levels of consumers on top of the producers. Feeding interactions can regulate communities either by severe grazing pressure or by shortage of resources or prey production, termed top-down and bottom-up control, respectively. The limitations of all communities conglomerate in the food web regulation, which is subject to abiotic and biotic forcing regimes arising from external and internal constraints. This dissertation presents the effects of alterations in two abiotic, external forcing regimes, terrestrial matter input and long-lasting low temperatures in winter. Diverse methodological approaches, a complex ecosystem model study and the analysis of two whole-lake measurements, were performed to investigate effects for the food web regulation and the resulting consequences at the species, community and ecosystem scale. Thus, all types of organisms, autotrophs and heterotrophs, at all trophic levels were investigated to gain a comprehensive overview of the effects of the two mentioned altered forcing regimes. In addition, an extensive evaluation of the trophic interactions and resulting carbon fluxes along the pelagic and benthic food web was performed to display the efficiencies of the trophic energy transfer within the food webs. All studies were conducted in shallow lakes, which is worldwide the most abundant type of lakes. The specific morphology of shallow lakes allows that the benthic production contributes substantially to the whole-lake production. Further, as shallow lakes are often small they are especially sensitive to both, changes in the input of terrestrial organic matter and the atmospheric temperature. Another characteristic of shallow lakes is their appearance in alternative stable states. They are either in a clear-water or turbid state, where macrophytes and phytoplankton dominate, respectively. Both states can stabilize themselves through various mechanisms.
These two alternative states and stabilizing mechanisms are integrated in the complex ecosystem model PCLake, which was used to investigate the effects of the enhanced terrestrial particulate organic matter (t-POM) input to lakes. The food web regulation was altered by three distinct pathways: (1) Zoobenthos received more food, increased in biomass which favored benthivorous fish and those reduced the available light due to bioturbation. (2) Zooplankton substituted autochthonous organic matter in their diet by suspended t-POM, thus the autochthonous organic matter remaining in the water reduced its transparency. (3) T-POM suspended into the water and reduced directly the available light. As macrophytes are more light-sensitive than phytoplankton they suffered the most from the lower transparency. Consequently, the resilience of the clear-water state was reduced by enhanced t-POM inputs, which makes the turbid state more likely at a given nutrient concentration. In two subsequent winters long-lasting low temperatures and a concurrent long duration of ice coverage was observed which resulted in low overall adult fish biomasses in the two study lakes – Schulzensee and Gollinsee, characterized by having and not having submerged macrophytes, respectively. Before the partial winterkill of fish Schulzensee allowed for a higher proportion of piscivorous fish than Gollinsee. However, the partial winterkill of fish aligned both communities as piscivorous fish are more sensitive to low oxygen concentrations. Young of the year fish benefitted extremely from the absence of adult fish due to lower predation pressure. Therefore, they could exert a strong top-down control on crustaceans, which restructured the entire zooplankton community leading to low crustacean biomasses and a community composition characterized by copepodites and nauplii. As a result, ciliates were released from top-down control, increased to high biomasses compared to lakes of various trophic states and depths and dominated the zooplankton community. While being very abundant in the study lakes and having the highest weight specific grazing rates among the zooplankton, ciliates exerted potentially a strong top-down control on small phytoplankton and particle-attached bacteria. This resulted in a higher proportion of large phytoplankton compared to other lakes. Additionally, the phytoplankton community was evenly distributed presumably due to the numerous fast growing and highly specific ciliate grazers. Although, the pelagic food web was completely restructured after the subsequent partial winterkills of fish, both lakes were resistant to effects of this forcing regime at the ecosystem scale. The consistently high predation pressure on phytoplankton prevented that Schulzensee switched from the clear-water to the turbid state. Further mechanisms, which potentially stabilized the clear-water state, were allelopathic effects by macrophytes and nutrient limitation in summer. The pelagic autotrophic and bacterial production was an order of magnitude more efficient transferred to animal consumers than the respective benthic production, despite the alterations of the food web structure after the partial winterkill of fish. Thus, the compiled mass-balanced whole-lake food webs suggested that the benthic bacterial and autotrophic production, which exceeded those of the pelagic habitat, was not used by animal consumers. This holds even true if the food quality, additional consumers such as ciliates, benthic protozoa and meiobenthos, the pelagic-benthic link and the potential oxygen limitation of macrobenthos were considered. Therefore, low benthic efficiencies suggest that lakes are primarily pelagic systems at least at the animal consumer level.
Overall, this dissertation gives insights into the regulation of organism groups in the pelagic and benthic habitat at each trophic level under two different forcing regimes and displays the efficiency of the carbon transfer in both habitats. The results underline that the alterations of external forcing regimes affect all hierarchical level including the ecosystem.
Der Na⁺-K⁺-2Cl⁻-Kotransporter (NKCC2) wird im distalen Nephron der Niere exprimiert. Seine Verteilung umfasst die Epithelien der medullären und kortikalen Teile der dicken aufsteigenden Henle-Schleife (Thick ascending limb, TAL) und die Macula densa. Resorptiver NaCl-Transport über den NKCC2 dient dem renalen Konzentrierungsmechanismus und reguliert systemisch auch Volumenstatus und Blutdruck. Die Aktivität des NKCC2 ist mit der Phosphorylierung seiner N-terminalen Aminosäurereste Serin 126 und Threonin 96/101 verbunden. Vermittelt wird diese durch die homologen Kinasen SPAK (SPS-related proline/alanine-rich kinase) und OSR1 (Oxidative stress responsive kinase 1), die hierzu ihrerseits phosphoryliert werden müssen. Der regulatorische Kontext dieser Kinasen ist mittlerweile gut charakterisiert. Über Mechanismen und Produkte, die den NKCC2 deaktivieren, war hingegen weniger bekannt. Ziel der Arbeit war daher zu untersuchen, welche Wege zur Deaktivierung des Transporters führen. Der intrazelluläre Sortierungsrezeptor SORLA (Sorting-protein-related receptor with A-type repeats) war zuvor in seiner Bedeutung für das Nephron charakterisiert worden. Ein SORLA-defizientes Mausmodell weist unter anderem eine stark verringerte NKCC2-Phosphorylierung auf. Unter osmotischem Stress können SORLA-defiziente Mäuse ihren Urin weniger effizient konzentrieren. Meine Resultate zeigen mit hochauflösender Technik, dass SORLA apikal im TAL lokalisiert ist und dass mit NKCC2 eine anteilige Kolokalisation besteht. Unter SORLA Defizienz war die für die NKCC2 Aktivität maßgebliche SPAK/OSR1-Phosphorylierung gegenüber dem Wildtyp nicht verändert. Jedoch war die ebenfalls im TAL exprimierte Phosphatase Calcineurin Aβ (CnAβ) per Western blot um das zweifache gesteigert. Parallel hierzu wurde immunhistochemisch die Kolokalisation von verstärktem CnAβ-Signal und NKCC2 bestätigt. Beide Befunde geben zusammen den Hinweis auf einen Bezug zwischen der reduzierten NKCC2-Phosphorylierung und der gesteigerten Präsenz von CnAβ bei SORLA Defizienz. Die parallel induzierte Überexpression von SORLA in HEK-Zellen zeigte entsprechend eine Halbierung der CnAβ Proteinmenge. SORLA steuert demzufolge sowohl die Abundanz als auch die zelluläre Verteilung der Phosphatase. Weiterhin ließ sich die Interaktion zwischen CnAβ und SORLA (intrazelluläre Domäne) mittels Co-Immunpräzipitation bzw. GST-pulldown assay nachweisen. Auch die Interaktion zwischen CnAβ und NKCC2 wurde auf diesem Weg belegt. Da allerdings weder SORLA noch NKCC2 ein spezifisches Bindungsmuster für CnAβ aufweisen, sind vermutlich intermediäre Adapterproteine bei ihrer Bindung involviert. Die pharmakologische Inhibition von CnAβ mittels Cyclosporin A (CsA; 1 h) führte bei SORLA Defizienz zur Normalisierung der NKCC2-Phosphorylierung. Entsprechend führte in vitro die Gabe von CsA bei TAL Zellen zu einer 7-fach gesteigerten NKCC2-Phosphorylierung. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass die Phosphatase CnAβ über ihre Assoziation mit NKCC2 diesen im adluminalen Zellkompartiment deaktivieren kann. Gesteuert wird dieser Vorgang durch die Eigenschaft von SORLA, CnAβ apikal zu reduzieren und damit die adluminale Phosphorylierung und Aktivität von NKCC2 zu unterstützen. Da Calcineurin-Inhibitoren derzeit die Grundlage der immunsupprimierenden Therapie darstellen, haben die Ergebnisse eine klinische Relevanz. Angesichts der Co-Expression von SORLA und CnAβ in verschiedenen anderen Organen können die Ergebnisse auch über die Niere hinaus Bedeutung erlangen.
Background African weakly-electric fishes of the family Mormyridae are able to produce and perceive weak electric signals (typically less than one volt in amplitude) owing to the presence of a specialized, muscle-derived electric organ (EO) in their tail region. Such electric signals, also known as Electric Organ Discharges (EODs), are used for objects/prey localization, for the identification of conspecifics, and in social and reproductive behaviour. This feature might have promoted the adaptive radiation of this family by acting as an effective pre-zygotic isolation mechanism. Despite the physiological and evolutionary importance of this trait, the investigation of the genetic basis of its function and modification has so far remained limited. In this study, we aim at: i) identifying constitutive differences in terms of gene expression between electric organ and skeletal muscle (SM) in two mormyrid species of the genus Campylomormyrus: C. compressirostris and C. tshokwe, and ii) exploring cross-specific patterns of gene expression within the two tissues among C. compressirostris, C. tshokwe, and the outgroup species Gnathonemus petersii. Results Twelve paired-end (100 bp) strand-specific RNA-seq Illumina libraries were sequenced, producing circa 330 M quality-filtered short read pairs. The obtained reads were assembled de novo into four reference transcriptomes. In silico cross-tissue DE-analysis allowed us to identify 271 shared differentially expressed genes between EO and SM in C. compressirostris and C.tshokwe. Many of these genes correspond to myogenic factors, ion channels and pumps, and genes involved in several metabolic pathways. Cross-species analysis has revealed that the electric organ transcriptome is more variable in terms of gene expression levels across species than the skeletal muscle transcriptome. Conclusions The data obtained indicate that: i) the loss of contractile activity and the decoupling of the excitation-contraction processes are reflected by the down-regulation of the corresponding genes in the electric organ’s transcriptome; ii) the metabolic activity of the EO might be specialized towards the production and turn-over of membrane structures; iii) several ion channels are highly expressed in the EO in order to increase excitability; iv) several myogenic factors might be down-regulated by transcription repressors in the EO.
The rise of evolutionary novelties is one of the major drivers of evolutionary diversification. African weakly-electric fishes (Teleostei, Mormyridae) have undergone an outstanding adaptive radiation, putatively owing to their ability to communicate through species-specific Electric Organ Discharges (EODs) produced by a novel, muscle-derived electric organ. Indeed, such EODs might have acted as effective pre-zygotic isolation mechanisms, hence favoring ecological speciation in this group of fishes. Despite the evolutionary importance of this organ, genetic investigations regarding its origin and function have remained limited.
The ultimate aim of this study is to better understand the genetic basis of EOD production by exploring the transcriptomic profiles of the electric organ and of its ancestral counterpart, the skeletal muscle, in the genus Campylomormyrus. After having established a set of reference transcriptomes using “Next-Generation Sequencing” (NGS) technologies, I performed in silico analyses of differential expression, in order to identify sets of genes that might be responsible for the functional differences observed between these two kinds of tissues. The results of such analyses indicate that: i) the loss of contractile activity and the decoupling of the excitation-contraction processes are reflected by the down-regulation of the corresponding genes in the electric organ; ii) the metabolic activity of the electric organ might be specialized towards the production and turnover of membrane structures; iii) several ion channels are highly expressed in the electric organ in order to increase excitability, and iv) several myogenic factors might be down-regulated by transcription repressors in the EO.
A secondary task of this study is to improve the genus level phylogeny of Campylomormyrus by applying new methods of inference based on the multispecies coalescent model, in order to reduce the conflict among gene trees and to reconstruct a phylogenetic tree as closest as possible to the actual species-tree. By using 1 mitochondrial and 4 nuclear markers, I was able to resolve the phylogenetic relationships among most of the currently described Campylomormyrus species. Additionally, I applied several coalescent-based species delimitation methods, in order to test the hypothesis that putatively cryptic species, which are distinguishable only from their EOD, belong to independently evolving lineages. The results of this analysis were additionally validated by investigating patterns of diversification at 16 microsatellite loci. The results suggest the presence of a new, yet undescribed species of Campylomormyrus.
The Norway lobster, Nephrops norvegicus, is a burrowing decapod with a rhythmic burrow emergence (24 h) governed by the circadian system. It is an important resource for European fisheries and its behavior deeply affects its availability. The current knowledge of Nephrops circadian biology is phenomenological as it is currently the case for almost all crustaceans. In attempt to elucidate the putative molecular mechanisms underlying circadian gene regulation in Nephrops, we used a transcriptomics approach on cDNA extracted from the eyestalk, a structure playing a crucial role in controlling behavior of decapods. We studied 14 male lobsters under 12–12 light-darkness blue light cycle. We used the Hiseq 2000 Illumina platform to sequence two eyestalk libraries (under light and darkness conditions) obtaining about 90 millions 100-bp paired-end reads. Trinity was used for the de novo reconstruction of transcriptomes; the size at which half of all assembled bases reside in contigs (N50) was equal to 1796 (light) and 2055 (darkness). We found a list of candidate clock genes and focused our attention on canonical ones: timeless, period, clock and bmal1. The cloning of assembled fragments validated Trinity outputs. The putative Nephrops clock genes showed high levels of identity (blastx on NCBI) with known crustacean clock gene homologs such as Eurydice pulchra (period: 47%, timeless: 59%, bmal1: 79%) and Macrobrachium rosenbergii (clock: 100%). We also found a vertebrate-like cryptochrome 2. RT-qPCR showed that only timeless had a robust diel pattern of expression. Our data are in accordance with the current knowledge of the crustacean circadian clock, reinforcing the idea that the molecular clockwork of this group shows some differences with the established model in Drosophila melanogaster.
Die Honigbiene Apis mellifera zeigt innerhalb einer Kolonie eine an das Alter gekoppelte Arbeitsteilung. Junge Honigbienen versorgen die Brut (Ammenbienen), während ältere Honigbienen (Sammlerinnen) außerhalb des Stocks Pollen und Nektar eintragen. Die biogenen Amine Octopamin und Tyramin sind an der Steuerung der Arbeitsteilung maßgeblich beteiligt. Sie interagieren mit Zielzellen über die Bindung an G Protein gekoppelte Rezeptoren. A. mellifera besitzt fünf charakterisierte Octopaminrezeptoren (AmOctαR1, AmOctβR1-4), einen charakterisierten Tyraminrezeptor (AmTyr1) sowie einen weiteren putativen Tyraminrezeptor.
In der vorliegenden Arbeit wurde dieser putative Aminrezeptor als zweiter Tyraminrezeptor (AmTyr2) identifiziert, lokalisiert und pharmakologisch charakterisiert.
Die von der cDNA abgeleitete Aminosäuresequenz weist strukturelle Eigenschaften und konservierte Motive von G Protein gekoppelten Rezeptoren auf. Phylogenetisch ordnet sich der AmTyr2 Rezeptor bei den Tyramin 2 Rezeptoren anderer Insekten ein. Die funktionelle und pharmakologische Charakterisierung des putativen Tyraminrezeptors erfolgte in modifizierten HEK293 Zellen, die mit der Rezeptor cDNA transfiziert wurden. Die Applikation von Tyramin aktiviert Adenylylcyclasen in diesen Zellen und resultiert in einem Anstieg des intrazellulären cAMP Gehalts. Der AmTyr2 Rezeptor kann durch Tyramin in nanomolaren Konzentrationen halbmaximal aktiviert werden. Während es sich bei Octopamin um einen wirkungsvollen Agonisten des Rezeptors handelt, sind Mianserin und Yohimbin effektive Antagonisten. Für die Lokalisierung des Rezeptorproteins wurde ein polyklonaler Antikörper generiert. Eine AmTyr2-ähnliche Immunreaktivität zeigt sich im Gehirn in den optischen Loben, den Antennalloben, dem Zentralkomplex und in den Kenyon Zellen der Pilzkörper.
Des Weiteren wurde die Rolle der Octopamin- und Tyraminrezeptoren bei der Steuerung der altersabhängigen Arbeitsteilung analysiert.
Die Genexpression des AmOctαR1 in verschiedenen Gehirnteilen korreliert unabhängig vom Alter mit der sozialen Rolle, während sich die Genexpression von AmOctβR3/4 und den Tyraminrezeptoren AmTyr1 und AmTyr2 maximal mit dem Alter aber nicht der sozialen Rolle ändert. Sammlerinnen weisen einen höheren Octopamingehalt im Gesamtgehirn auf als Ammenbienen; bei Tyramin zeigen sich keine Unterschiede. Während Tyramin offensichtlich keine direkte Rolle spielt, werden durch Octopamin gesteuerte Prozesse der altersabhängigen Arbeitsteilung bei der Honigbiene vermutlich über den AmOctαR1 vermittelt.
Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen die wichtige Rolle von biogenen Aminen, insbesondere Octopamin bei der sozialen Organisation von Insektenstaaten.
Die Interaktionen von komplexen Kohlenhydraten und Proteinen sind ubiquitär. Sie spielen wichtige Rollen in vielen physiologischen Prozessen wie Zelladhäsion, Signaltransduktion sowie bei viralen Infektionen. Die molekularen Grundlagen der Interaktion sind noch nicht komplett verstanden. Ein Modellsystem für Kohlenhydrat-Protein-Interaktionen besteht aus Adhäsionsproteinen (Tailspikes) von Bakteriophagen, die komplexe Kohlenhydrate auf bakteriellen Oberflächen (O-Antigen) erkennen. Das Tailspike-Protein (TSP), das in dieser Arbeit betrachtet wurde, stammt aus dem Bakteriophagen 9NA (9NATSP). 9NATSP weist eine hohe strukturelle Homologie zum gut charakterisierten TSP des Phagen P22 (P22TSP) auf, bei einer niedriger sequenzieller Ähnlichkeit. Die Substratspezifitäten beider Tailspikes sind ähnlich mit Ausnahme der Toleranz gegenüber den glucosylierten Formen des O-Antigens. Die Struktur der beiden Tailspikes ist bekannt, sodass sie ein geeignetes System für vergleichende Bindungsstudien darstellen, um die strukturellen Grundlagen für die Unterschiede der Spezifität zu untersuchen.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde der ELISA-like tailspike adsorption assay (ELITA) etabliert, um Binderpaare aus TSPs und O-Antigen zu identifizieren. Dabei wurden 9NATSP und P22TSP als Sonden eingesetzt, deren Bindung an die intakten, an die Mikrotiterplatte adsorbierten Bakterien getestet wurde. Beim Test einer Sammlung aus 44 Salmonella-Stämmen wurden Stämme identifiziert, die bindendes O-Antigen exprimieren. Gleichzeitig wurden Unterschiede in der Bindung der beiden TSPs an Salmonella-Stämme mit gleichem O-Serotyp beobachtet. Die Ergebnisse der ELITA-Messung wurden qualitativ durch eine FACS-basierte Bindungsmessung bestätigt. Zusätzlich ermöglichte die FACS-Messung bei Stämmen, die teilweise modifizierte O-Antigene herstellen, den Anteil an Zellen mit und ohne Modifikation zu erfassen.
Die Oberflächenplasmonresonanz (SPR)-basierten Interaktionsmessungen wurden eingesetzt, um Bindungsaffinitäten für eine TSP-O-Antigen Kombination zu quantifizieren. Dafür wurden zwei Methoden getestet, um die Oligosaccharide auf einem SPR-Chip zu immobilisieren. Zum einen wurden die enzymatisch hergestellten O-Antigenfragmente mit einem bifunktionalen Oxaminadapter derivatisiert, der eine primäre Aminogruppe für die Immobilisierung bereitstellt. Ein Versuch, diese Oligosaccharidfragmente zu immobilisieren, war jedoch nicht erfolgreich. Dagegen wurde das nicht derivatisierte Polysaccharid, bestehend aus repetitivem O-Antigen und einem konservierten Kernsaccharid, erfolgreich auf einem SPR-Chip immobilisiert. Die Immobilisierung wurde durch Interaktionsmessungen mit P22TSP bestätigt. Durch die Immobilisierung des Polysaccharids sind somit quantitative SPR-Bindungsmessungen mit einem polydispersen Interaktionspartner möglich.
Eine Auswahl von Salmonella-Stämmen mit einer ausgeprägt unterschiedlichen Bindung von 9NATSP und P22TSP im ELITA-Testsystem wurde hinsichtlich der Zusammensetzung des O-Antigens mittels HPLC, Kapillargelelektrophorese und MALDI-MS analysiert. Dabei wurden nicht-stöchiometrische Modifikationen der O-Antigene wie Acetylierung und Glucosylierung detektiert. Das Ausmaß der Glucosylierung korrelierte negativ mit der Effizienz der Bindung und des Verdaus durch die beiden TSPs, wobei der negative Effekt bei 9NATSP weniger stark ausgeprägt war als bei P22TSP. Dies stimmt mit den Literaturdaten zu Infektivitätsstudien mit 9NA und P22 überein, die mit Stämmen mit vergleichbaren O-Antigenvarianten durchgeführt wurden. Die Korrelation zwischen der Glucosylierung und Bindungseffizienz konnte strukturell interpretiert werden.
Auf Grundlage der O-Antigenanalysen sowie der Ergebnisse der ELITA- und FACS-Bindungstests wurden die Salmonella-Stämme Brancaster und Kalamu identifiziert, die annähernd quantitativ glucosyliertes O-Antigen exprimieren. Damit eignen sich diese Stämme für weiterführende Studien, um die Zusammenhänge zwischen der Spezifität und der Organisation der Bindestellen der beiden TSPs zu untersuchen.