Universitätspublikationen
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Ordnung des Fachbereichs Biowissenschaften der Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt am Main für den Bachelorstudiengang Biowissenschaften mit dem Abschluss „Bachelor of Science“ (B. Sc.) vom 12.2.2007, geändert am 15.6.2009 : genehmigt vom Präsidium der Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt am Main am 13.10.2009
(2009)
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Promotionsordnung der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fachbereiche der Johann Wolfgang Goethe-Universität in Frankfurt am Main vom 26. Mai 1993 (ABL.1/94, S. 21) zuletzt geändert am 05.09.2007 (Uni-Report 13.11.2008) : genehmigt durch Beschluss des Präsidiums der Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt am Main am 27. Januar 2009 ; hier: Änderung
(2009)
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Habilitationsordnung der Mathematisch–Naturwissenschaftlichen Fachbereiche der Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt am Main vom 04.02.1992 (ABl. 1992, S.816 ff.), zuletzt geändert am 28. April 2002 (StAnz. 41/2003, S. 4024 – 4025) : genehmigt durch Beschluss des Präsidiums der Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt am Main am 27. Januar 2009 ; hier: Änderung bzw. Ergänzung
(2009)
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Initiation der Translation in halophilen Archaea
(2009)
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Oliver Hering
- Im Rahmen dieser Arbeit wurden die 5´- und 3´-Enden 23 ausgewählter Transkripte des halophilen Archaeons Halobacterium salinarum bestimmt. Die Daten wurden dazu verwendet, die Längen der untranslatierten Bereiche zu ermitteln, Konsensussequenzen für die Transkriptionsinitiation und -termination abzuleiten und die Rolle haloarchaealer UTRs bei der Translationsinitiation und -regulation zu untersuchen. Der experimentelle Ansatz wurde mit einer bioinformatischen Analyse des Genoms von H. salinarum vervollständigt. Dabei konnten die Konsensussequenzen der basalen Promotorelemente genauer definiert werden und ein neues Promotorelement konnte entdeckt werden. Weiterhin wurde ein Konsensusmotiv gefunden, welches wahrscheinlich für die Termination der Transkription wichtig ist. Alle 23 analysierten Transkripte hatten eine 3´-UTR mit einer durchschnittlichen Länge von 48 Nukleotiden und ihre 3´-Enden waren nicht posttranskriptionell modifiziert. Die experimentellen Ergebnisse und bioinformatischen Daten ergaben, dass die Mehrheit der haloarchaealen Transkripte keine 5´-UTR besitzt. Die meisten Transkripte mit 5´-UTRs enthielten unerwarteterweise keine Shine-Dalgarno (SD)-Sequenz. Die Analyse des H. salinarum Genoms machte deutlich, dass weniger als 10% aller Gene eine SD Sequenz vorrausgeht und dass sogar bei Genen, die distal im Operon liegen, meistens keine SD-Sequenz zu finden ist. Weiterhin wurde der Einfluss einer ausgewählten 5´-UTR ohne SD-Sequenz und einer 3´-UTR auf die Transkriptstabilität und die Translationseffizienz untersucht. Das Transkript mit 5´ UTR ohne SD-Sequenz wurde in H. salinarum effizient translatiert. In einer Studie an H. volcanii konnte das Gleiche für verschiedene 5´ UTRs ohne SD-Sequenz in Verbindung mit einem Reportergen gezeigt werden (Brenneis et al., 2007). An diesen Transkripten kann die Translation also nicht über den „bakteriellen“ Mechansimus durch Basenpaarung mit dem 3´-Ende der 16S rRNA initiiert werden. Im weiteren Verlauf der Arbeit wurde untersucht, ob es sich bei dem Mechanismus der Translationsinitiation an Transkripten mit 5´-UTR ohne SD-Sequenz um einen Scanning-Mechanismus wie bei Eukaryonten oder um einen neuen Mechanismus handelt. Für die Experimente wurde das zuvor erwähnte Reportergensystem aus H. volcanii verwendet. Neben AUG wurden GUG und UUG effizient als Startkodons an einem Transkript mit 5´-UTR genutzt, wohingegen AUG das einzige funktionierende Startkodon bei einem Transkript ohne 5´-UTR war. Verschiedene Deletionsversionen der 20 Nukleotide langen 5´-UTR wurden im Gegensatz zur kompletten 5´-UTR nur sehr ineffizient translatiert. Das Einfügen zusätzlicher AUGs stromaufwärts des natürlichen Startkodons hatte keinen Einfluss auf die Translationseffizienz am internen AUG. Ein zusätzliches AUG am 5´-Ende im gleichen Leseraster des natürlichen AUGs führte zur gleichzeitigen Nutzung beider Startkodons auf derselben mRNA. Eine stabile Haarnadelstruktur am 5´-Ende inhibierte die Translation nur am ersten AUG und hatte keinen Einfluss auf die Translationseffizienz am internen AUG. Zusammenfassend konnte durch die erhaltenen Ergebnisse ausgeschlossen werden, dass der Mechanismus der Translationsinitiation an Transkripten mit 5´-UTR ohne SD-Sequenz ein Scanning-Mechansimus wie bei Eukaryonten ist. Neben der Translationsinitiation an Transkripten ohne 5´-UTR und an Transkripten mit SD-Sequenz existiert also noch ein dritter, bis jetzt unbekannter Mechansimus zur Translationsinitiation in Haloarchaea. In initialen Versuchen zur genaueren Charakterisierung der drei verschiedenen Translationsinitiationsmechanismen, wurden Konstrukte hergestellt, bei denen alle drei verschiedenen Startkodons auf einer mRNA vorhanden sind. Es wurden erste Hinweise darauf gefunden, dass Stressbedingungen einen Einfluss auf die unterschiedlichen Initiationsmechansimen haben. Anders als erwartet führte die Mutation einer natürlichen SD-Sequenz nicht zu einer verminderten Translationseffizienz am entsprechenden Startkodon. Die Bestimmung des 5´-Endes eines Transkripts mit in silico vorhergesagter SD-Sequenz offenbarte, dass das Transkript keine 5´-UTR und somit auch keine SD-Sequenz besaß. Beide Ergebnisse machen deutlich, dass SD-Sequenzen eine noch viel geringere Rolle bei der haloarchaealen Translationsinitiation spielen, als anhand der Sequenz und UTR Analysen angenommen werden konnte.
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Die Gene sind nicht alleine schuld : wie wir durch unser Lebensumfeld die Gene prägen können
(2009)
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Anna Starzinski-Powitz
- »Das sind meine Gene – deswegen kann ich daran nichts ändern!« Wie oft hört man solche oder ähnliche Äußerungen von Menschen mit Fettsucht oder anderen Malaisen. Aber unterliegen Fettsucht oder komplexe Erkrankungen tatsächlich weitgehend unabänderlichen Naturgesetzen, oder sind sie doch beeinfl ussbar? Vor einigen Jahren noch hätten selbst gewiefte Genetiker keine oder wenigstens keine gute Antwort auf solche Fragen geben können. Mit dem Fortschreiten der Molekularbiologie in den vergangenen drei Jahrzehnten konnte sich jedoch ein Wissenschaftszweig, die bereits in den 1940er Jahren von Conrad Waddington definierte Epigenetik, zur Blüte entwickeln, der die Genetik und ihre (Aus-)Prägung durch Lebensumstände und die Umwelt zusammenbringt.
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Die Honigbiene: ein Modellorganismus der Neurobiologie : Kognition, Krankheiten und die Moleküle des Lernens bei einem sozialen Insekt
(2009)
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Bernd Grünewald
Christof Schneider
Stefan Fuchs
- Bienen sind wegen ihres Honigs beliebt und wegen ihrer Bestäubungsleistung wirtschaftlich unverzichtbar. Nicht nur in den Vereinigten Staaten nimmt das Bienensterben allerdings bisweilen dramatische Ausmaße an. Auch unsere heimischen Bienenvölker sind bedroht. Das hat eine Vielzahl von Forschungsprojekten zur Biologie der Biene und zu ihrem Schutz initiiert. Das Institut für Bienenkunde der Polytechnischen Gesellschaft und der Goethe-Universität in Oberursel untersucht in einem integrierten Forschungsansatz die kognitiven Leistungen von Bienen und wie sie durch Krankheit, Stress und Insektizidvergiftungen beeinträchtig werden.
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Von Rüppells Blausteißpapagei bis zum Fuß des Archaeopteryx : ornithologische Notizen aus Frankfurts Geschichte
(2009)
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Stephan M. Hübner
- Die Vogelkunde besitzt in Frankfurt eine weitreichende Tradition. So zum Beispiel engagierten sich Naturforscher und -liebhaber schon lange vor Gründung der Universität im Jahre 1914 in Vereinigungen wie der Senckenberg Gesellschaft für Naturforschung (SGN, gegründet 1817) oder der Zoologischen Gesellschaft Frankfurt (ZGF, gegründet 1858). Biografi sche Skizzen zeichnen den Weg von den Pionierzeiten der Frankfurter Ornithologie bis heute nach.
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The ubiquinone and inhibitor binding pocket of complex I from Yarrowia lipolytica : a structure-based mutagenesis study
(2009)
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Maja Aleksandra Tocilescu
- The NADH:ubiquinone oxidoreductase (complex I) is a large membrane bound protein complex coupling the redox reaction of NADH oxidation and quinone reduction to vectorial proton translocation across bioenergetic membranes. The mechanism of proton pumping is still unknown; it seems however that the reduction of quinone induces conformational changes which drive proton uptake from one side and release at the other side of the membrane. In this study the proposed quinone and inhibitor binding pocket located at the interface of the 49-kDa and PSST subunits was explored by a large number of point mutations introduced into complex I from the strictly aerobic yeast Yarrowia lipolytica. Point mutations were systematically chosen based on the crystal structure of the hydrophilic domain of complex I from Thermus thermophilus. In total, the properties of 94 mutants at 39 positions which completely cover the lining of the large putative quinone and inhibitor binding cavity are described and discussed here. A structure/function analysis allowed the identification of functional domains within the large putative quinone binding cavity. A possible quinone access path ranging from the N-terminal beta-sheet of the 49-kDa subunit into the pocket to tyrosine 144 could be defined, since all exchanges introduced here, caused an almost complete loss of complex I activity. A region located deeper in the proposed quinone binding pocket is apparently not important for complex I activity. In contrast, all exchanges of tyrosine 144, even the very conservative mutant Y144F, essentially abolished dNADH:DBQ oxidoreductase activity of complex I. However, with higher concentrations of Q1 or Q2 the dNADH:Q oxidoreductase activity was largely restored in the mutants with the more conservative exchanges. Proton pumping experiments showed that this activity was also coupled to proton translocation, indicating that these quinones were reduced at the physiological site. However, the apparent Km values for Q1 or Q2 were drastically increased, clearly demonstrating that tyrosine 144 is central for quinone binding and reduction. These results further prove that the enzymatically relevant quinone binding site of complex I is located at the interface of the 49-kDa and PSST subunits. The quinone binding pocket is thought to comprise the binding sites for a plethora of specific complex I inhibitors that are usually grouped into three classes. The large array of mutants targeting the quinone binding cavity was examined with a representative of each inhibitor class. Many mutants conferring resistance were identified which, depending on the inhibitor tested, clustered in well defined and partially overlapping regions of the large putative quinone and inhibitor binding cavity. Mutants with effects on type A (DQA) and type B (rotenone) inhibitors were found in a subdomain corresponding to the former [NiFe] site in homologous hydrogenases, whereby the type A inhibitor DQA seems to bind deeper in this domain. Mutants with effects on the type C inhibitor (C12E8) were found in a narrow crevice. Exchanging more exposed residues at the border of these well defined domains affected all three inhibitor types. Therefore, the results as a whole provide further support for the concept that different inhibitor classes bind to different but partially overlapping binding sites within a single large quinone binding pocket. In addition, they also indicate the approximate location of the binding sites within the structure of the large quinone and inhibitor binding cavity at the interface of the 49 kDa and the PSST subunit. It has been proposed earlier that the highly conserved HRGXE-motif in the 49-kDa subunit forms a part of the quinone binding site of complex I. Mutagenesis of the HRGXE-motif, revealed that these residues are rather critical for complex I assembly and seem to have an important structural role. The question why iron-sulfur cluster N1a is not detectable by EPR in many models organisms is not solved yet. Introducing polar and positively charged amino acid residues close to this cluster in order to increase its midpoint potential did not result in the appearance of the cluster N1a EPR signal in mitochondrial membranes from the mutants. Clearly, further research will be necessary to gain insights to the function of this iron-sulfur cluster in complex I. In an additional project, a new and simple in vivo screen for complex I deficiency in Y. lipolytica was developed and optimized. This assay probes for defects in complex I assembly and stability, oxidoreductase activity and also proton pumping activity by complex I. Most importantly, this assay is applicable to all Y. lipolytica strains and could be used to identify loss-of-function mutants, gain-of-functions mutants (i.e. resistance towards complex I inhibitors) and revertants due to mutations in both nuclear and mitochondrially encoded genes of complex I subunits.
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Die synaptische Architektur der äußeren plexiformen Schicht der Säugetierretina
(2009)
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Christian Puller
- In der äußeren plexiformen Schicht (OPL) der Säugetierretina sind die Photorezeptoren mit den Horizontal- und den Bipolarzellen verschaltet. Diese erste neuronale Verschaltungs-ebene des Sehsystems birgt eine hochkomplexe Architektur aus chemischen und elektrischen Synapsen. Sie ermöglicht die Modulation des Lichtsignals sowie die Aufspaltung der Signale in parallele Übertragungswege. In der vorliegenden Doktorarbeit wurden verschiedene Synapsensysteme in der OPL von Maus-, Kaninchen-, und Makakenretinae mittels immunhistochemischer Färbetechniken licht- und elektronen-mikroskopisch untersucht. In der Mausretina wurden die anatomischen Eigenschaften der Endfüßchen blau-empfindlicher (S-) Zapfen untersucht. Die S-Zapfenendfüßchen waren um 15 % kleiner als die der M-Zapfen, die Bereiche der Invaginierungen am S-Zapfenendfüßchen hingegen um 35 %. Eine deutliche Reduktion der Horizontalzellkontakte ging damit einher. Die Zahl der postsynaptisch von OFF-Bipolarzellen exprimierten Glutamatrezeptor- (GluR) Unterein-heiten GluR1 und GluR5 war am S-Zapfenendfüßchen um fast 50 % kleiner als an M-Zapfen. Dieser Befund spiegelte die geringe Anzahl synaptischer Kontakte von OFF-Bipolarzellen am S-Zapfen wider. Die OFF-Bipolarzelltypen 1 und/oder 2 waren für diese Reduktion verantwortlich. Diese Befunde sind ein erster Hinweis für den sogenannten Grün-OFF-Signalweg in der Mausretina. In der Makakenretina wurde die Verteilung von Protocadherin β16 (Pcdh β16) untersucht. Es konnte auf postsynaptischer Seite an den Photorezeptorterminalien gezeigt werden. Pcdh β16 lag auf den invaginierenden Spitzen von Dendriten der H1 Horizontalzellen sowie an ihren desmosome-like junctions unterhalb der Zapfenendfüßchen. An diesen Orten fielen die Pcdh β16-immunreaktiven Punkte mit den dort von H1 Zellen exprimierten GluR-Untereinheiten GluR2 - 4 und GluR6/7 zusammen. Im Zuge dieser Analyse wurde ebenfalls eine Kolokalisation dieser AMPA- (GluR2 - 4) und Kainat- (GluR6/7) Rezeptoren an den desmosome-like junctions festgestellt. Darüber hinaus zeigte eine elektronenmikroskopische Untersuchung, dass Pcdh β16 auch an flachen Synapsen in Triaden-assoziierter Position am Zapfenendfüßchen zu finden ist. Dies kann als Hinweis auf eine Expression durch flat midget Bipolarzellen oder Bipolarzellen des Typs DB3 gewertet werden. Dies lässt vermuten, dass dieses Protein an der Formation zelltypspezifischer Kontakte bzw. Synapsen beteiligt ist. In einer vergleichenden Studie der synaptischen Verteilung des zytoplasmatischen Gerüstproteins Zonula Occludens-1 (ZO-1) in Makaken-, Kaninchen- und Mausretinae zeigte sich ein sehr einheitliches sowie auch zelltypspezifisches Verteilungsmuster. ZO-1 fiel bei allen Spezies mit Connexin 36 (Cx36) an den gap junctions zwischen Photo-rezeptorterminalien und zwischen den Dendriten von OFF-Bipolarzellen zusammen. Außerdem ist ZO-1 mit gap junctions bestimmter Horizontalzellen assoziiert: In der OPL der Kaninchenretina fiel es mit Cx50 zusammen, dem Connexin der axonlosen A-Typ Horizontalzellen. An den großen gap junctions zwischen den Primärdendriten dieser Zellen bildete ZO-1 jedoch eine Zaun-ähnliche Struktur als Abgrenzung um die gap junctions herum, anstatt direkt mit den Connexinen kolokalisiert zu sein. Eine direkte Interaktion mit den Connexinen wird durch die räumliche Anordnung weitgehend ausgeschlossen, was auf eine Funktion von ZO-1 als tight- oder adherens junction Protein hindeutet. In der Mausretina fiel ZO-1 mit Cx57 an dendro-dendritischen gap junctions zwischen den Maus-Horizontalzellen zusammen. In der Makakenretina sind die Connexine der Horizontalzellen noch nicht bekannt. Trotzdem ließ sich ZO-1 den dendro-dendritischen gap junctions zwischen H1 Horizontalzellen zuordnen. Darüber hinaus zeigte sich eine enge Assoziation dieser dendro-dendritischen gap junctions mit den GluRs unterhalb der Zapfenendfüßchen an den desmosome-like junctions. Der von den GluRs ermöglichte Calcium-Einstrom könnte sich durch die räumliche Nähe zu den Connexinen modulierend auf die Leitfähigkeit der elektrischen Synapsen auswirken.
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Impact of climate change on freshwater snail species' ranges
(2009)
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Mathilde Cordellier
- Global warming is expected to be associated with diverse changes in freshwater habitats in north-western Europe. Increasing evaporation, lower oxygen concentration due to increased water temperature and changes in precipitation pattern are likely to affect the survival ratio and reproduction rate of freshwater gastropods (Pulmonata, Basommatophora). This work is a comprehensive analyse of the climatic factors influencing their ranges both in the past and in the near future. A macroecological approach showed that for a great proportion of genera the ranges were projected to contract by 2080, even if unlimited dispersal was assumed. The forecasted warming in the cooler northern ranges predicted the emergence of new suitable areas, but also reduced drastically the available habitat in the southern part of the studied region. In order to better understand the ranges dynamics in the past and the post glacial colonisation patterns, an approach combining ecological niche modelling and phylogeography was used for two model species, Radix balthica and Ancylus fluviatilis. Phylogeographic model selection on a COI mtDNA dataset confirmed that R. balthica most likely spread from two central European disjunct refuges after the last glacial maximum. The phylogeographic analysis of A. fluviatilis, using 16S and COI mtDNA datasets, also inferred central European refugia. The absence of niche conservatism (adaptive potential) inferred for A. fluviatilis puts a cautionary note on the use of climate envelope models to predict the future ranges of this species. However, the other model species exhibited strong niche conservatism, which allow putting confidence into such predictions. A profound faunal shift will take place in Central Europe within the next century, either permitting the establishment of species currently living south of the studied region or the proliferation of organisms relying on the same food resources. This study points out the need for further investigations on the dispersal modes of freshwaters snails, since the future range size of the species depend on their ability to establish in newly available habitats. Likewise, the mixed mating system of these organisms gives them the possibility to fund a new population from a single individual. It will probably affect the colonisation success and needs further investigation.
