570 Biowissenschaften; Biologie
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A flexible approach to assess fluorescence decay functions in complex energy transfer systems
(2015)
Background: Time-correlated Forster resonance energy transfer (FRET) probes molecular distances with greater accuracy than intensity-based calculation of FRET efficiency and provides a powerful tool to study biomolecular structure and dynamics. Moreover, time-correlated photon count measurements bear additional information on the variety of donor surroundings allowing more detailed differentiation between distinct structural geometries which are typically inaccessible to general fitting solutions.
Results: Here we develop a new approach based on Monte Carlo simulations of time-correlated FRET events to estimate the time-correlated single photon counts (TCSPC) histograms in complex systems. This simulation solution assesses the full statistics of time-correlated photon counts and distance distributions of fluorescently labeled biomolecules. The simulations are consistent with the theoretical predictions of the dye behavior in FRET systems with defined dye distances and measurements of randomly distributed dye solutions. We validate the simulation results using a highly heterogeneous aggregation system and explore the conditions to use this tool in complex systems.
Conclusion: This approach is powerful in distinguishing distance distributions in a wide variety of experimental setups, thus providing a versatile tool to accurately distinguish between different structural assemblies in highly complex systems.
Assumed comparable environmental conditions of early Mars and early Earth in 3.7 Ga ago – at a time when first fossil records of life on Earth could be found – suggest the possibility of life emerging on both planets in parallel. As conditions changed, the hypothetical life on Mars either became extinct or was able to adapt and might still exist in biological niches. The controversial discussed detection of methane on Mars led to the assumption, that it must have a recent origin – either abiotic through active volcanism or chemical processes, or through biogenic production. Spatial and seasonal variations in the detected methane concentrations and correlations between the presence of water vapor and geological features such as subsurface hydrogen, which are occurring together with locally increased detected concentrations of methane, gave fuel to the hypothesis of a possible biological source of the methane on Mars.
Therefore the phylogenetically old methanogenic archaea, which have evolved under early Earth conditions, are often used as model-organisms in astrobiological studies to investigate the potential of life to exist in possible extraterrestrial habitats on our neighboring planet. In this thesis methanogenic archaea originating from two extreme environments on Earth were investigated to test their ability to be active under simulated Mars analog conditions. These extreme environments – the Siberian permafrost-affected soil and the chemoautotrophically based terrestrial ecosystem of Movile cave, Romania – are regarded as analogs for possible Martian (subsurface) habitats. Two novel species of methanogenic archaea isolated from these environments were described within the frame of this thesis.
It could be shown that concentrations up to 1 wt% of Mars regolith analogs added to the growth media had a positive influence on the methane production rates of the tested methanogenic archaea, whereas higher concentrations resulted in decreasing rates. Nevertheless it was possible for the organisms to metabolize when incubated on water-saturated soil matrixes made of Mars regolith analogs without any additional nutrients. Long-term desiccation resistance of more than 400 days was proven with reincubation and indirect counting of viable cells through a combined treatment with propidium monoazide (to inactivate DNA of destroyed cells) and quantitative PCR. Phyllosilicate rich regolith analogs seem to be the best soil mixtures for the tested methanogenic archaea to be active under Mars analog conditions. Furthermore, in a simulation chamber experiment the activity of the permafrost methanogen strain Methanosarcina soligelidi SMA-21 under Mars subsurface analog conditions could be proven. Through real-time wavelength modulation spectroscopy measurements the increase in the methane concentration at temperatures down to -5 °C could be detected.
The results presented in this thesis contribute to the understanding of the activity potential of methanogenic archaea under Mars analog conditions and therefore provide insights to the possible habitability of present-day Mars (near) subsurface environments. Thus, it contributes also to the data interpretation of future life detection missions on that planet. For example the ExoMars mission of the European Space Agency (ESA) and Roscosmos which is planned to be launched in 2018 and is aiming to drill in the Martian subsurface.
Zellbasierte heterologe Expressionssysteme bieten ein einfaches und schnelles Verfahren, um neue Süßstoffe oder Süßverstärker zu finden. Unter Verwendung eines solchen Testsystems, konnte ich in Zusammenarbeit mit der Symrise AG, Holzminden und dem Institut für Pflanzenbiochemie in Halle/Saale die vietnamesische Pflanze Mycetia balansae als Quelle eines neuen Süßstoffs identifizieren. Deren Hauptkomponenten, genannt Balansine, aktivieren spezifisch den humanen Süßrezeptor. Chimäre Rezeptoren zeigten, dass die amino-terminalen Domänen der Süßrezeptoruntereinheiten, welche ein Großteil der Liganden des Süßrezeptors binden, für dessen Aktivierung durch Balansin A nicht notwendig sind.
Voraussetzung für die Anwendung zellbasierter Testsysteme zum Auffinden neuer Süßstoffe ist jedoch, dass süße Substanzen gesichert identifiziert werden, während nicht süße Substanzen zuverlässig keine Rezeptoraktivierung aufweisen. Während in HEK293 TAS1R2 TAS1R3To Galpha15i3-Zellen Süßrezeptoraktivierung gegenüber nicht süß schmeckenden Substanzen beobachtet wurde, konnte mit den HEK293PEAKrapid Galpha15-Zellen ein zuverlässiges Testsystem identifiziert, welches den Süßgeschmack der untersuchten Substanzen widerspiegelte.
Es fanden sich keine Hinweise, dass akzessorische Proteine oder verwandte Rezeptoren des Süßrezeptors das unterschiedliche Verhalten der Zellen verursachen. Es konnte gezeigt werden, dass die Verwendung unterschiedlicher G-Proteine die Signalamplituden des Süßrezeptors beeinflusst, die Unterschiede zwischen den Zellsystemen jedoch nicht vollständig erklärt. Keine der untersuchten Galpha-Proteinchimären spiegelte die intrinsische Süße der Substanzen wider.
Wenn auch nicht ursächlich für die Diskrepanz zwischen Süßrezeptoraktivierung in vitro und Süßgeschmack in vivo, so weisen die Ergebnisse dieser Arbeit auf eine Interaktion der Süßrezeptoruntereinheiten mit dem humanen Calcium-sensing Rezeptor hin. Vanillin und Ethylvanillin konnten als neue Agonisten des Calcium-sensing Rezeptors identifiziert werden.
Wie die vorliegende Arbeit zeigt, können sich kleine Unterschiede im Zellhintergrund deutlich auf die Funktionsweise heterolog exprimierter Rezeptoren auswirken. Dies zeigt wie wichtig die Wahl der Zellen für solche Screeningsysteme ist.
Application of hybridisation capture to investigate complete mitogenomes from ancient samples
(2015)
The coordination of cell polarity within the plane of the tissue layer (planar polarity) is crucial for the development of diverse multicellular organisms. Small Rac/Rho-family GTPases and the actin cytoskeleton contribute to planar polarity formation at sites of polarity establishment in animals and plants. Yet, upstream pathways coordinating planar polarity differ strikingly between kingdoms. In the root of Arabidopsis thaliana, a concentration gradient of the phytohormone auxin coordinates polar recruitment of Rho-of-plant (ROP) to sites of polar epidermal hair initiation. However, little is known about cytoskeletal components and interactions that contribute to this planar polarity or about their relation to the patterning machinery. Here, we show that ACTIN7 (ACT7) represents a main actin isoform required for planar polarity of root hair positioning, interacting with the negative modulator ACTIN-INTERACTING PROTEIN1-2 (AIP1-2). ACT7, AIP1-2 and their genetic interaction are required for coordinated planar polarity of ROP downstream of ethylene signalling. Strikingly, AIP1-2 displays hair cell file-enriched expression, restricted by WEREWOLF (WER)-dependent patterning and modified by ethylene and auxin action. Hence, our findings reveal AIP1-2, expressed under control of the WER-dependent patterning machinery and the ethylene signalling pathway, as a modulator of actin-mediated planar polarity.
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.
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.
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.
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.
Climate impacts on transocean dispersal and habitat in gray whales from the Pleistocene to 2100
(2015)
Arctic animals face dramatic habitat alteration due to ongoing climate change. Understanding how such species have responded to past glacial cycles can help us forecast their response to today's changing climate. Gray whales are among those marine species likely to be strongly affected by Arctic climate change, but a thorough analysis of past climate impacts on this species has been complicated by lack of information about an extinct population in the Atlantic. While little is known about the history of Atlantic gray whales or their relationship to the extant Pacific population, the extirpation of the Atlantic population during historical times has been attributed to whaling. We used a combination of ancient and modern DNA, radiocarbon dating and predictive habitat modelling to better understand the distribution of gray whales during the Pleistocene and Holocene. Our results reveal that dispersal between the Pacific and Atlantic was climate dependent and occurred both during the Pleistocene prior to the last glacial period and the early Holocene immediately following the opening of the Bering Strait. Genetic diversity in the Atlantic declined over an extended interval that predates the period of intensive commercial whaling, indicating this decline may have been precipitated by Holocene climate or other ecological causes. These first genetic data for Atlantic gray whales, particularly when combined with predictive habitat models for the year 2100, suggest that two recent sightings of gray whales in the Atlantic may represent the beginning of the expansion of this species' habitat beyond its currently realized range.
Based on niche theory, closely related and morphologically similar species are not predicted to coexist due to overlap in resource and habitat use. Local assemblages of bats often contain cryptic taxa, which co-occur despite notable similarities in morphology and ecology. We measured in two different habitat types on Madagascar levels of stable carbon and nitrogen isotopes in hair (n = 103) and faeces (n = 57) of cryptic Vespertilionidae taxa to indirectly examine whether fine-grained trophic niche differentiation explains their coexistence. In the dry deciduous forest (Kirindy), six sympatric species ranged over 6.0% in delta N-15, i.e. two trophic levels, and 4.2% in delta C-13 with a community mean of 11.3% in delta N-15 and - 21.0% in delta C-13. In the mesic forest (Antsahabe), three sympatric species ranged over one trophic level (delta N-15: 2.4%, delta C-13: 1.0%) with a community mean of 8.0% delta N-15 and - 21.7% in delta C-13. Multivariate analyses and residual permutation of Euclidian distances in delta C-13- delta N-15 bi-plots revealed in both communities distinct stable isotope signatures and species separation for the hair samples among coexisting Vespertilionidae. Intraspecific variation in faecal and hair stable isotopes did not indicate that seasonal migration might relax competition and thereby facilitate the local co-occurrence of sympatric taxa.
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.
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.
Electron transfer (ET) reactions play a crucial role in the metabolic pathways of all organisms. In biotechnological approaches, the redox properties of the protein cytochrome c (cyt c), which acts as an electron shuttle in the respiratory chain, was utilized to engineer ET chains on electrode surfaces. With the help of the biopolymer DNA, the redox protein assembles into electro active multilayer (ML) systems, providing a biocompatible matrix for the entrapment of proteins.
In this study the characteristics of the cyt c and DNA interaction were defined on the molecular level for the first time and the binding sites of DNA on cyt c were identified. Persistent cyt c/DNA complexes were formed in solution under the assembly conditions of ML architectures, i.e. pH 5.0 and low ionic strength. At pH 7.0, no agglomerates were formed, permitting the characterization of the NMR spectroscopy. Using transverse relaxation-optimized spectroscopy (TROSY)-heteronuclear single quantum coherence (HSQC) experiments, DNAs’ binding sites on the protein were identified. In particular, negatively charged AA residues, which are known interaction sites in cyt c/protein binding were identified as the main contact points of cyt c and DNA.
Moreover, the sophisticated task of arranging proteins on electrode surfaces to create functional ET chains was addressed. Therefore, two different enzyme types, the flavin dependent fructose dehydrogenase (FDH) and the pyrroloquinoline quinone dependent glucose dehydrogenase (PQQ-GDH), were tested as reaction partners of freely diffusing cyt c and cyt c immobilized on electrodes in mono- and MLs. The characterisation of the ET processes was performed by means of electrochemistry and the protein deposition was monitored by microgravimetric measurements. FDH and PQQ-GDH were found to be generally suitable for combination with the cyt c/DNA ML system, since both enzymes interact with cyt c in solution and in the immobilized state. The immobilization of FDH and cyt c was achieved with the enzyme on top of a cyt c monolayer electrode without the help of a polyelectrolyte. Combining FDH with the cyt c/DNA ML system did not succeed, yet. However, the basic conditions for this protein-protein interaction were defined. PQQ-GDH was successfully coupled with the ML system, demonstrating that that the cyt c/DNA ML system provides a suitable interface for enzymes and that the creation of signal chains, based on the idea of co-immobilized proteins is feasible.
Future work may be directed to the investigation of cyt c/DNA interaction under the precise conditions of ML assembly. Therefore, solid state NMR or X-ray crystallography may be required. Based on the results of this study, the combination of FDH with the ML system should be addressed. Moreover, alternative types of enzymes may be tested as catalytic component of the ML assembly, aiming on the development of innovative biosensor applications.