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Thermodynamic characterization of an engineered tetracycline-binding riboswitch
(2006)
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Michael Müller
Julia E. Weigand
Oliver Weichenrieder
Beatrix Süß
- Riboswitches reflect a novel concept in gene regulation that is particularly suited for technological adaptation. Therefore, we characterized thermodynamically the ligand binding properties of a synthetic, tetracycline (tc)-binding RNA aptamer, which regulates gene expression in a dose-dependent manner when inserted into the untranslated region of an mRNA. In vitro, one molecule of tc is bound by one molecule of partially pre-structured and conformationally homogeneous apo-RNA. The dissociation constant of 770 pM, as determined by fluorimetry, is the lowest reported so far for a small molecule-binding RNA aptamer. Additional calorimetric analysis of RNA point mutants and tc derivatives identifies functional groups crucial for the interaction and including their respective enthalpic and entropic contributions we can propose detailed structural and functional roles for certain groups. The conclusions are consistent with mutational analyses in vivo and support the hypothesis that tc-binding reinforces the structure of the RNA aptamer, preventing the scanning ribosome from melting it efficiently.
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Regulation und Funktion von Homeobox-Transkriptionsfaktoren in Endothelzellen
(2006)
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Jens-Florian Diehl
- Die funktionelle Integrität des Endothels ist von essentieller Bedeutung für den Organismus. Die Entstehung und Progression vaskulärer Erkrankungen, wie z.B. der Atherosklerose, ist daher oftmals ursächlich mit einer Dysfunktion des Endothels verbunden. Vor diesem Hintergrund ist insbesondere die Aufklärung der molekularen Grundlagen der Regulation von Endothelzellfunktionen, ein zentraler Aspekt heutiger Forschung. Homeobox- (Hox) Transkriptionsfaktoren nehmen eine Schlüsselposition bei der Regulation einer Vielzahl zellulärer Prozesse, wie Proliferation, Migration und Gewebe-spezifischer Differenzierung ein. Die Identifikation sowie die Analyse der Funktion und Regulation von Hox-Transkriptionsfaktoren in Endothelzellen, leistet deshalb einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der Endothelzellbiologie. Als ein zentraler Befund dieser Arbeit, konnte mit der Histon-Methyltransferase MLL erstmals die funktionelle Rolle eines epigenetischen Hox-Regulators auch in differenzierten Endothelzellen nachgewiesen werden. MLL erwies sich hierbei von essentieller Bedeutung für pro-angiogene Endothelzell-Funktionen. Die bedeutende Rolle von MLL bei der Migration von Endothelzellen konnte mit der transkriptionellen Regulation der beiden Hox-Transkriptionsfaktoren HoxA9 und HoxD3 in Verbindung gebracht werden, die hier erstmals als direkte Zielgene von MLL in Endothelzellen beschrieben wurden. Als funktionelle Mediatoren der MLLabhängigen Migration konnten zudem der EphB4-Rezeptor sowie die Integrine αVβ3 und α5β1, als Zielgene von HoxA9 bzw. HoxD3 nachgewiesen werden. Neben der Migration konnte für MLL auch eine essentielle Rolle für das Sprouting von Endothelzellen nachgewiesen werden, die sich im Gegensatz zur Migration, nicht auf die Regulation von HoxA9 oder HoxD3 zurückführen ließ. Diese Beobachtung lässt auf die Involvierung zusätzlicher MLLabhängiger Faktoren schließen, und verdeutlicht damit die zentrale Rolle von MLL bei der Regulation komplexer, pro-angiogener Prozesse in Endothelzellen. Über die genannte Rolle von MLL hinaus konnte im Rahmen dieser Arbeit das Wissen um Hox-Transkriptionsfaktoren mit funktioneller Relevanz für Endothelzellen, um die beiden Hox-Transkriptionsfaktoren HoxB4 und HoxB5 erweitert werden. Hier konnte für HoxB4 eine Rolle für die Fähigkeit von Endothelzellen zur Ausbildung zwei- und 3-dimensionaler Gefäßstrukturen nachgewiesen werden, während HoxB5 in die Proliferation, die Expression des endothelialen Markergens eNOS sowie die morphologische Beschaffenheit von Endothelzellen eingreift. Zusätzlich konnte die Rolle von transkriptionellen Hox Co-Faktoren, als Modulatoren von Hox-Funktionen, am Beispiel der Interaktion von Meis1 und HoxA9 bei der Transaktivierung des eNOS-Promoters aufgezeigt werden. Zusammenfassend leisten die hier gezeigten Daten einen Beitrag zum Verständnis der Rolle von Hox-Transkriptionsfaktoren als molekulare Regulatoren endothelialer Zellfunktionen.
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Biochemical and biotechnological approaches as basis for structure determination of pigment-protein complexes of oxygenic photosynthesis
(2006)
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Holger Fey
- Today the structure of photosystem II, which is the enzyme responsible for the evolution of molecular oxygen by plants, algae and cyanobacteria, is known up to a resolution of about 3.0 Å in cyanobacteria (Loll et al., 2005). Photosystem II of higher plants, which shows some differences compared to the photosystem II of cyanobacteria, is not resolved in such high detail, yet (8-10 Å) (Rhee et al., 1998; Hankamer et al., 2001a). Therefore, the molecular structure of PSII of higher plants and its adjacent antenna complexes remains in the focus of the current research. One of the major problems when working with photosystem II is its relative instability during isolation. Together with the antenna proteins and several other proteins, some of which still have an unclear function, PSII forms a huge multi-protein-complex, which tends to fall apart during classical preparation methods. In order to achieve a faster and milder method of purification for PSII, four different His-tags have been added to one of the subunits of PSII. The gene targeted in this study is called psbE and codes for the α-chain of cytochrome b559, an integral part of PSII. The gene for PsbE is encoded in the chloroplast genome. The His-tags, which were employed in this work, consist of six or ten consecutive histidine aminoacid residues, which were fused to the N-terminus of the protein, either with or without a cleavage site for the protease “Factor Xa”. The N-terminus of PsbE is located on the more accessible stromal side of the thylakoid membrane. After inserting the psbE gene in a vector plasmid, in which the recognition site for the restriction endonuclease SacI had been eliminated, the different His-tags were generated by PCR with purposefully altered primers. In a final cloning step, a gene, which confers resistance to the antibiotics spectinomycin and streptomycin, was added to the DNA construct. Subsequently, the so-called biolistic transformation method (“gene gun”) was applied to introduce this genetically engineered plasmid DNA to Nicotiana tabacum chloroplasts (Bock & Hagemann, 2000). Through the processes of homologous recombination that take place in the chloroplast, the plastid encoded wildtype psbE gene was replaced by its His-tag containing counterparts. After several rounds of regenerating plants on antibiotic-containing medium, successful transformation was confirmed through PCR methods. By self fertilisation of fully regenerated plants, seeds were produced from tobacco strains, which carried only the mutated psbE gene. Plants cultivated from these seeds showed no distinctive phenotype under the chosen growth conditions, in respect to wildtype plants. The presence of the His-tag in this F1 generation was again confirmed with PCR methods. Measurements of oxygen evolution and pulse amplitude modulated fluorescence (PAM), carried out with preparations of wildtype and transgenic tobacco strains, revealed no differences for photochemical or non-photochemical quenching between both types. However, the oxygen evolution capacity of transgenic tobacco thylakoids compared to the wildtype was significantly reduced, although the chlorophyll content in relation to the leaf area was almost identical. This hints at a reduced amount of photosystem II complexes in the thylakoid membranes of transgenic tobacco. This alteration could be related to the mutation of cytochrome b559, because, amongst other functions, this subunit was shown to be important for the assembly of photosystem II (Morais et al., 1998). If solubilised thylakoid preparations of His-tagged plant strains were applied to a Ni-NTA column, photosystem II was selectively bound to the matrix. After washing away most of the contaminations, photosystem II core complexes could be eluted with imidazole-containing buffer. Photosystem II prepared in this way, displayed a drastic reduction of the peripheral light-harvesting complexes (LHCI & LHCII) and photo-system I reaction centres. This could be demonstrated by the loss of chlorophyll b and xanthophyll bands (LHCs) in absorption spectra, a small blue-shift of the chlorophyll a Qy absorption (PSI) and the respective band patterns in polyacrylamide gel electro-phoresis. The photosystem II complexes prepared in this way can now be put to use in different structural studies, like two-dimensional or three-dimensional crystallisation and spectroscopic measurements. Another photosynthetic pigment-protein complex of interest is the fucoxanthin-chlorophyll a/c-binding protein of diatoms, because eukaryotic algae, like diatoms, are important factors of oceanic ecosystems and account for a large part of marine biomass production. In order to facilitate ultra-fast time-resolved transient absorption spectroscopy and subsequent modelling of the kinetic traces, FCPs were prepared by sucrose-gradient ultra-centrifugation and their pigment stoichiometries determined by HPLC. Combining the spectroscopic data (Papagiannakis et al., 2005) with protein sequence alignments (Eppard & Rhiel, 1998) and the structure of the homologous higher plant LHCIIb (Kühlbrandt et al., 1994), a hypothetical model for the structure of FCP could be proposed (Fig. IV.3)
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Von seltenen Vögeln : ein engagiertes Plädoyer zum Schutz bedrohter Arten
(2006)
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Thomas Junker
- Rezension zu: Anita Albus : Von seltenen Vögeln. Frankfurt am Main: S. Fischer Verlag, 2005, ISBN 3-10-000620-8, gebunden, 297 Seiten, zahlreiche Abbildungen, 48 Euro.
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Von pränataler Diagnostik bis Gentherapie : was kann biologische Forschung heute leisten?
(2006)
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Julia Groß
- Rezension zu: Dietmar Zimmer : Jenseits der Gene. Proteine – Schlüssel zum Verständnis des Lebens Klett Cotta Verlag, Stuttgart 2005, ISBN 3608943633, 190 Seiten, 19,50 Euro.
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Gemeinsam für den Erhalt der Artenvielfalt in Westafrika : deutsche und afrikanische Wissenschaftler setzen sich für die Biodiversität ein
(2006)
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Karen Hahn-Hadjali
Annika Wieckhorst
- Obwohl die reiche Artenvielfalt der westafrikanischen Savannenlandschaften erst in Ansätzen erforscht und dokumentiert ist, geht aus Beobachtungen der ansässigen Bevölkerung hervor, dass viele Pflanzenarten bedroht sind. Dies ist nicht nur ein ökologisches, sondern auch ein soziokulturelles Problem. So werden beispielsweise in Nord-Benin etwa 80 Prozent aller vorkommenden Pflanzen zu medizinischen Zwecken herangezogen und stellen damit die Basisgesundheitsversorgung besonders für die ländliche Bevölkerung dar. Neben der Verwendung der Pflanzen in der traditionellen Medizin kommt ihnen auch in der täglichen Ernährung, als Baumaterial und zur Herstellung von Kosmetika eine entscheidende Rolle zu. Das interdisziplinäre BIOTA-Projekt der Universitäten Frankfurt und Mainz, des Forschungsinstituts Senckenberg und der Universitäten Ouagadougou (Burkina Faso) und Abomey-Calavi (Benin) hat es sich zur Aufgabe gemacht, die biologische Artenvielfalt und das damit verbundene lokale Wissen zu erforschen, zu schützen und zu erhalten. Erste Erfolge konnten bereits durch die Anpflanzung besonders bedrohter Arten und die Einrichtung eines Medizinalpflanzengartens, gemeinsam mit lokalen Heilkundigen in Nord-Benin, erzielt werden.
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Vom Abfall zum Kraftstoff : neuer Hefetyp synthetisiert Biosprit aus Pflanzenabfällen
(2006)
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Eckhard Boles
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Untersuchungen zur funktionellen Struktur der carnassialen und postcarnassialen Zahnreihe im Viverridengebiss
(2006)
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Julia Hansen
- Julia Hansen hat zwischen März und Dezember 2006 Untersuchungen zu Funktion und Struktur der Okklusalflächen in der postcaninen Zahnreihe von Viverriden durchgeführt. Unter verschiedenen Ernährungsregimen bilden Höcker und Täler auf Zähnen, die sich im Gebiss gegenüber stehen, eine Funktionseinheit, mit der Schleichkatzen sowohl in der Lage sind, Früchte zu zerquetschen, als auch den Panzer von Insekten aufzuknacken. In ihrer Studie ist es Frau Hansen gelungen, konstruktive Unterschiede zwischen beiden Nutzungsweisen zu identifizieren. Diese Unterschiede hat sie an verschiedenen fossilen Einzelzähnen der Sammlung Koenigswald überprüft.
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Die Sensillen auf den Antennen der Grabwespe Liris niger (Hymenoptera, Sphecidae)
(2006)
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Werner Gnatzy
Martin Jatho
- Im Vergleich zu der Vielzahl von Einzeluntersuchungen liegen nur für wenige Insektenarten (z.B. Manduca sexta: SHIELDS & HILDEBRANDT 1999 a, b; Drosophila: SHANBHAG et al. 1999, 2000) detaillierte Befunde zur Feinstruktur, Zahl und Topographie antennaler Sensillen vor. Die jetzt an Liris niger gewonnenen Daten bilden, zusammen mit solchen früherer Untersuchungen (GNATZY 1996, 2001; ANTON & GNATZY 1998; GNATZY & FERBER 1999) die Basis für derzeit laufende immuncytochemische und elektrophysiologische Arbeiten insbesondere am olfaktorischen System dieser solitären Grabwespenart. Dabei gilt unser Interesse dem ausgeprägten Sexualdimorphismus im antennalen Sensilleninventar, wie er im Verlauf dieser Untersuchungen nachgewiesen werden konnte.
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Identification and characterization of genes and signaling pathways involved in proliferation and differentiation of mammary epithelial cells
(2006)
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Marcin Jankiewicz
- The mammary gland is a perfect system to study the pathways regulating organogenesis during development of an individual. The proper development of the mammary gland requires a tight coordination of expression of many genes involved in proliferation and differentiation. The aim of this work was to identify novel genes and pathways involved in the development of the mammary gland and to find possible correlations between the signaling pathways and their downstream targets that are activated during proliferation and functional differentiation of mammary epithelial cells. In this study rapamycin has been used to inhibit the mTOR protein to analyze its role during mammary gland development. Further a genomic approach was used to identify genes differently expressed during this process. The analysis of the effects caused by the inhibition of the mTOR signaling pathway by using rapamycin on mammary epithelial cells for the first time demonstrate that mTOR plays central role in the coordination of pathways governing the proliferation and differentiation of epithelial cells during mammary gland development. More detailed analysis led to the identification of Id1 and Id2 as two major downstream effectors of the mTOR signaling pathway regulating proliferation and differentiation respectively. The genomics analysis revealed several interesting genes involved in the regulation of a proliferative or secretory phenotype of normal epithelial cells in vitro. Various genes identified by microarray analysis are of high interest and to determine their role in mammary gland development. Among the identified genes some contribute to process of proliferation like Nol5 and Kpna2, whereas other genes are required for proper functional differentiation such as Nkd2 and Cited4. Importantly, the mentioned candidate genes are also interesting regarding cancer development, since deregulation of their expression might contribute to tumor formation. The findings described in this work clearly contribute to our better understanding of the mTOR signaling pathway regulating expression of the genes involved in the development of mammary gland. In addition, the presented results should allow broadening our view of the events that contribute to breast cancer development and help to design better anticancer therapies in the future.
