OPUS 4 | Universitätspublikationen

Molekulargenetische Optimierung der Sphingoidbasen-Produktion der nicht-konventionellen Hefe Pichia ciferrii (2012)

Christoph Schorsch

Die nicht-konventionelle Hefe P. ciferrii produziert große Mengen der tetra-acetylierten Sphingoidbase Phytosphingosin (TAPS). Sphingoidbasen sind essentielle Komponenten des stratum corneums, der multilamellaren Barriere der menschlichen Haut, und daher in der Kosmetik-Industrie von großem Interesse. Im Rahmen dieser Arbeit sollte die biotechnologische Produktion der Sphingoidbasen Phytosphingosin, Sphinganin und Sphingosin auf molekularbiologischer Ebene in P. ciferrii charakterisiert und optimiert werden. Die Hefe P. ciferrii konnte durch Etablierung einer einfachen und hoch-effizienten Transformations-Methode auf genetischer Ebene leicht zugänglich gemacht werden. Durch Inaktivierung des für NHEJ essentiellen PcLIG4 Gens konnte die Effizienz zielgerichteter genomischer Integrationen von transformierten DNA-Konstrukten von 1 % auf 87 % erhöht werden. Die Etablierung des Cre-loxP Systems erlaubte das mehrfache Verwenden eines Selektions-Markers wodurch sukzessiv mehrere genomische Integrationen in einem Stamm ermöglicht wurden. Durch diese Errungenschaften konnte das Ziel „Optimierung der Sphingoidbasen-Produktion der nicht-konventionellen Hefe P. ciferrii“ im Folgenden erfolgreich verfolgt werden. Der initiale Schritt der Sphingoidbasen-Biosynthese ist die von der Serin-Palmitoyl-Transferase katalysierte Kondensation von L-Serin und Palmitoyl-CoA. Durch die Deletion von Genen, die am L-Serin-Katabolismus von P. ciferrii beteiligt sind (PcSHM1, PcSHM2und PcCHA1), konnte die de novo Sphingoidbasen-Biosynthese optimiert werden und führte in einem lig4? Stamm zu einer etwa dreifachen Erhöhung der TAPS-Produktion. Weitere Ansätze den (vermutlich durch L-Serin feed back regulierten) L-Serin-Biosyntheseweg bzw. die in vivo L-Serin-Verfügbarkeit zu optimieren, führten nicht zu einer gesteigerten TAPS-Produktion. Durch weitere Deletion und Überexpression von Genen des Sphingolipid-Stoffwechsels konnte die TAPS-Produktion jedoch um ein Vielfaches verbessert werden. So konnte ein Stamm konstruiert werden, der die Gene PcLCB1, PcLCB2 und PcSYR2 überexprimiert und Deletionen der Gene PcSHM1, PcSHM2, PcCHA1, PcLCB4 und PcORM12 trägt. Dieser Stamm (CSS.L4.O.L2.L1.S2) wies eine mehr als fünffach erhöhte maximale spezifische TAPS-Produktbildungsrate (q Pmax ) auf und produzierte mit 2 g * L rund siebenmal mehr TAPS als der lig4? Ausgangsstamm, weshalb ein Einsatz dieses Stammes für die industrielle TAPS-Produktion denkbar wäre. Ausgehend von einem für die TAPS- (und somit Sphingoidbasen-) Produktion optimierten Stamm sollten Stämme mit optimierter TriASa- oder TriASo-Produktion für industrielle Zwecke generiert werden. Es stellte sich allerding heraus, dass erhöhte Mengen dieser Sphingoidbasen wahrscheinlich wachstumshemmend für P. ciferrii sind, weshalb eine weitere Produktions-Optimierung nicht ohne Weiteres möglich ist. In einem Laborstamm gelang es jedoch, durch Konstruktion und anschließende Transformation eines optimierten integrativen Plasmids (trägt die Gene, die für die Produktion von Sphingosin bzw. TriASo nötig sind) eine TriASo-Produktion von bis zu 30 mg * g (BTM) zu erzielen, wobei gleichzeitig die Bildung des Nebenprodukts TriASa auf weniger als 4 mg * g (BTM)reduziert wurde. Weiterhin konnte durch Deletion von PcSCS7 in einem TriASo-Produktionsstamm die TriASa-Produktion mehr als vierfach reduziert werden. Die Bildung eines weiteren von P. ciferrii gebildeten Nebenproduktes [Tri-Acetyl-Sphingadienin (TriASd)] konnte durch Deletion des PcSLD1 Gens unterbunden werden. Nach Inaktivierung von PcSCH9 konnte eine fast 20 %ige Verbesserung der TriASo-Produktion erreicht werden. Es konnten zwei putative Acetyl-Transferasen identifiziert werden (PcAft2 und PcSli1), die an der Acetylierung von Phytosphingosin (zu TAPS), Sphinganin (zu TriASa) und Sphingosin (zu TriASo) beteiligt sind. Die Aufklärung und Optimierung dieser von PcAtf2 und PcSli1 katalysierten Schritte sind vielversprechende Ansatzpunkte die Sphingoidbasen-Produktion in P. ciferrii weiter zu optimieren.

Die Bedeutung von Zelltod-Prozessen während der Alterung des filamentösen Ascomyzeten Podospora anserina (2011)

Diana Brust

Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen führten zu folgenden Ergebnissen: 1. In-silico Analysen von putativen Apoptose-Faktoren im Genom von P. anserina Es konnten mehrere Gene, die in einer Apoptose-Maschinerie involviert sein könnten, im Genom von P. anserina identifiziert werden. Diese Homologen wurden in zwei Ka-tegorien unterteilt: (i) die nicht-mitochondrialen Proteine PaMCA1, PaMCA2 und PaPARP und (ii) die Homologen des Apoptose-induzierenden Faktors AIF. 2. Einfluss der Metacaspase-Aktivität auf programmierte Zelltodprozesse Mithilfe von Aktivitätsmessungen konnte eine Arginin-spezifische Aktivität der Meta-caspasen nachgewiesen werden. Diese Metacaspase-Aktivität nimmt in seneszenten Kulturen und nach H2O2-Behandlung signifikant zu. Diese Ergebnisse unterstützen die Hypothese eines programmierten, ROS-induzierten Zelltods im letzten Entwicklungs-stadium des Alternsmodell P. anserina. 3. Die Rolle von AIF-Homologen in der Entwicklung von P. anserina GFP-Fusionsproteine identifizierten eine mitochondriale Lokalisation der AIF-Homologen PaAIF2, PaAMID2 und PaPRG3. Desweiteren konnte eine altersabhängige PaAIF2-Translokation von den Mitochondrien zum Zellkern gezeigt werden, ähnlich der Apoptose-induzierenden Translokation von humanem AIF. Die Deletion von PaAif2 und PaAmid2 führte zu einer signifikanten Resistenz gegenüber oxidativem Stress und zu einer Verlängerung der Lebensspanne. Diese Befunde weisen auf einen ROS-induzierten, AIF-vermittelten Zelltod hin, der an der Lebensspannen-Kontrolle von P. anserina beteiligt ist. 4. Die Funktion des Proteins PaCYPD bei Seneszenz und programmiertem Zelltod Membranpotential-Messungen konnten einen Rückgang des mitochondrialen Memb-ranpotentials von 21 % bei den PaCYPD-Überexpressionsstämmen nachweisen. Durch die Behandlung mit dem spezifischen PaCYPD-Inhibitor CSA konnte das Membranpo-tential wieder normalisiert werden. Zusammen mit dem detektierten Verlust von 7 Zusammenfassung 125 Cytochrom c in den Mitochondrien der Überexpressionsstämme wird durch diese Studi-en die Vermutung einer PaCYPD-abhängigen Öffnung der mPTP untermauert. Die Pa-PaCypD-Deletion führte zu einer signifikanten Resistenz gegenüber mitochondrial-abhängigem, oxidativem Stress und gegenüber verschiedenen Apoptose-Induktoren. Die Überexpression von PaCypD hingegen führte zu einem beschleunigten Alterungspro-zess (Präseneszenz), einem verschlechterten Resistenzverhalten gegenüber Stress- und Apoptose-Induktoren und zu einer massiven Verkürzung der Lebensspanne. Die Le-bensspanne konnte aber durch die Behandlung mit CSA wieder auf Wildtyp-Niveau verbessert werden. Dies weist auf einen PaCYPD-vermittelte Zelltod hin. Interessan-terweise konnte durch das Wachstum auf CSA-haltigem Medium auch die Lebensspanne des Wildtyps verlängert werden. Um die hier nachgewiesene, lebensver-längernde Wirkung von CSA zu verifizieren, könnte diese Studie leicht auf andere Modellorganismen übertragen werden.

Strukturelle Organisation und Mobilisierung des Primaten-spezifischen Non-LTR-Retrotransposons SVA (2011)

Julija Raiz

SVA-Elemente repraesentieren die juengste Familie der Non-LTR-Retrotransposons, welche das humane Genom fortwaehrend modifizieren. SVA-Elemente zeichnen sich durch ihre Organisation aus zusammengesetzten repetitiven Elementen aus. Um Rueckschluesse auf den Assemblierungsprozess, der zur gegenwaertigen Organisation der SVA-Elemente fuehrte, und ueber transkriptionelle Regulation dieser Elemente zu ziehen, wurden Unterschiede in der Struktur der 116 SVA-Elemente, die auf humanem Chromosom 19 lokalisiert sind, detailliert untersucht. SVA-Elemente konnten in sieben unterschiedliche Strukturvarianten eingeteilt werden, einschliesslich neuer Varianten wie SVA2, 3`-verkuerzte Elemente und Elemente mit 5`- flankierenden Transduktionen. Ich habe auch eine extrem erfolgreiche human-spezifische 5`-Transduktionsgruppe identifiziert, SVA_F1, die trotz ihres jungen evolutionaeren Alters ca. 32% aller Mitglieder der SVA-Subfamilie SVA_F umfasst. Die transkriptionelle Kontrolle einer retrotransponierten und 5`-verkuerzten SVA_F-Kopie durch den Promotor des MAST2-Gens diente als urspruengliches Source-Element dieser umfangreichen 5`- Transduktionsgruppe, die mindestens 84 Elemente einschliesst. Die zusaetzlichen 5`- sowie 3`-Transduktionsereignisse der vollstaendigen Alu-Sequenzen bei Mitgliedern der SVA_F1-Transduktionsgruppe 4 weisen auf ihre wichtige Rolle in der erfolgreichen Expansion im humanen Genom hin. Diese nachtraeglich erworbenen Alu-Sequenzen machen SVA_F1-Familienmitglieder offensichtlich zum besseren Substrat fuer die Trans- Mobilisierung durch die L1-Proteinmaschinerie. Die unterschiedlichen konsekutiven 5`- Tansduktionsereignisse der SVA_F1-Familienmitglieder deuten auf transkriptionelle Kontrolle ihrer Source-Elemente durch eine Vielzahl externer zellulaerer Promotoren hin, die im Laufe der Evolution in Keimzellen aktiv waren. Ausserdem zeigt die Existenz von 5`-Transduktionen, dass SVA-Elemente sich die 5`-flankierenden Sequenzen aneignen koennen. Die Daten zeigen auch, dass SVA-vermittelte 5-Tansduktionsereignisse alternatives RNA-Spleissen an putativen Spleissstellen involvieren. Aus der EST- Datenbankanalyse ist ersichtlich, dass Mitglieder der SVA_F1-Subfamilie auch gegenwaertig transkribiert werden. SVA-Elemente sind hoch aktiv im humanen Genom, aber der Mechanismus ihrer Retrotransposition wurde bislang nicht aufgeklaert. Vorangehende Analysen genomischer SVA-Kopien liessen auf eine L1-vermittelte Mobilisierung schliessen; allerdings wurde der experimentelle Beweis dieser Hypothese bislang nicht geliefert. Mit Hilfe der Zellkultur-basierten Trans-Mobilisierungsassays wurde in dieser Arbeit zum ersten Mal experimentell bewiesen, dass SVA-Elemente tatsaechlich durch die L1-kodierten Proteine in trans mobilisiert werden. Zu diesem Zweck wurden HeLa-Zellen mit einem vollstaendigen oder mit einem 5`-verkuerzten SVA-Retrotranspositionsreporterkonstrukt sowie mit einem L1-Expressionsplasmid bzw. Leervektor kotransfiziert und dann die jeweiligen Raten der SVA-Retrotransposition anhand Neo-resistenter Kolonien, die mindestens ein de novo-Retrotranspositionsereignis widerspiegeln, bestimmt. Die Experimente zeigen, dass die Entstehung der Neo-resistenten Kolonien von der Koexpression L1-kodierter Proteine abhaengig ist. Ich konnte auch zeigen, dass das vollstaendige SVA-Testkonstrukt - im Gegensatz zum 5`-verkuerzten SVA-Konstrukt - mit einer signifikant hoeheren Retrotranspositionsrate als die Kontrollkonstrukte, die zur Generierung der prozessierten Pseudogenformation eingesetzt wurden, trans-mobilisiert wird. Die Ergebnisse der Trans-Mobilisierungsassays belegen, dass SVA-Elemente ein bevorzugtes Substrat fuer die L1-Proteinmaschinerie darstellen, und ihre 5`-Region einschliesslich der Alu-homologen Sequenz fuer die hohe Retrotranspositionsrate essentiell ist. Die elf analysierten SVA de novo-Integrationsereignisse weisen Merkmale der L1- vermittelten Retrotransposition auf, wie Poly(A)-Enden, L1-EN-spezifische Konsensus- Zielsequenz (NNAUNA), Zielsequenz-Verdoppelungen (TSDs), Mikrohomologien und zusaetzliche Guanosin-Nukleotide am 5`-UEbergang. Zusammenfassend demonstrieren die Ergebnisse dieser Studien, dass ein signifikanter Teil der Mitglieder der human-spezifischen SVA-Subfamilie aus transkriptioneller Kontrolle ihrer Source-Elemente durch externe Promotoren hervorgeht. Durch die in dieser Arbeit durchgefuehrten in silico-Analysen wurde auch gezeigt, dass SVA-vermittelte 5`- Transduktionsereignisse zur strukturellen Vielfalt der SVA-Elemente fuehren, und eine neue Art von genomischen Umstrukturierungen darstellen, die zur Plastizitaet des humanen Genoms beitragen. Ausserdem bestaetigen die Ergebnisse der Trans- Mobilisierungsassays die Hypothese, dass SVA-Elemente tatsaechlich durch die L1- kodierte Proteinmaschinerie trans-mobilisiert werden. Dabei sind Module am 5`-Ende der SVA-Elemente fuer diesen Prozess hoechst relevant. Die Ergebnisse der Dualen-Luciferase-Reportergen-Assays unterstuetzen die Hypothese, dass innerhalb der SINE-R-Sequenz von SVA H19_27 cis-aktive Elemente vorhanden sind, die auf aehnliche Weise wie die cis-aktiven Elemente innerhalb der 5`LTR von HERV-K reguliert werden. Ausserdem wurde in dieser Arbeit die Existenz interner reguatorischer Sequenzen innerhalb der SVA-Sequenz bestaetigt. Mit Hilfe der Dualen-Luciferase-Reportergen- Assays konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass SVA-Elemente cis-aktive Elemente enthalten, die hauptsaechlich in der SINE-R-Region lokalisiert sind. Diese cis-aktiven Elemente werden auf aehnliche Weise wie die cis-aktiven Elemente innerhalb der 5`LTR von HERV-K reguliert. Die starke transkriptionelle Aktivitaet des vollstaendigen SVA- Testelements und des L1RP-Promotors in den Teratokarzinom-Zelllinien bekraeftigen die Annahme, dass haeufige SVA-Mobilisierung in Keimzellen durch die gleichzeitig hochregulierte SVA- und L1-Transkription bedingt sein koennte. Es konnte gezeigt werden, dass SVA-Elemente cis-aktive Elemente enthalten, die hauptsaechlich in der SINE-R-Region lokalisiert sind, und auf aehnliche Weise wie die cis- aktiven Elemente innerhalb der 5`LTR von HERV-K reguliert werden. Die starke transkriptionelle Aktivitaet des vollstaendigen SVA-Testelements und des L1RP-Promotors in Teratokarzinom-Zelllinien bestaetigen die Annahme, dass haeufige SVA- Retrotransposition in Keimzellen durch die gleichzeitig hochregulierte SVA- und L1- Transkription bedingt sein koennte.

Die Rolle des Epstein-Barr-Virus bei der Entstehung des Burkitt-Lymphoms : virale microRNA-Expression und Erkennung viraler Genprodukte durch das angeborene Immunsystem (2012)

Sebastian Grömminger

Das Burkitt Lymphom ist ein aggressives B-Zelllymphom, das in tropischen Regionen Afrikas und in Neu Guinea endemisch auftritt und vor allem bei Kindern vorkommt. Die sporadische Form des Burkitt Lymphoms tritt weltweit in geringerer Häufigkeit auf und betrifft alle Altersschichten. In nahezu allen endemischen Fällen ist das Epstein-Barr Virus in den Tumorzellen nachweisbar, jedoch nur in ca. 20 % der sporadischen Fälle. Der Beitrag von EBV zur Entstehung EBV-positiver Burkitt Lymphome ist seit über 50 Jahren EBV-Forschung ungeklärt. Im Jahr 2004 wurden im Genom des Epstein-Barr Virus eine Reihe von microRNAs entdeckt, die potentiell für die Pathogenese des EBV-positiven Burkitt Lymphoms relevant sein könnten. Da die Expression der viralen microRNAs seither für das Burkitt Lymphom nur unvollständig beschrieben worden sind, wurden sie in dieser Arbeit systematisch analysiert und dadurch ein vollständiges Expressionsprofil erstellt. Es konnte dabei keine Unterscheidung zwischen endemischen und sporadischen Fällen erreicht werden, jedoch wurden hierbei erstmals Fälle identifiziert, die trotz nachgewiesener EBV-Assoziation keine viralen microRNAs enthielten. Neben den viralen microRNAs könnten im Burkitt Lymphom auch die zellulären microRNAs für die Tumorentstehung von Bedeutung sein. Deshalb wurde in dieser Arbeit auch die Expression der zellulären microRNAs aus Burkitt Lymphom-Biopsien charakterisiert. Durch hierarchisches „Clustering“ bildeten sich drei Gruppen, die hauptsächlich durch An- und Abwesenheit von zwei microRNAs (miR21 und miR92a) definiert wurden, denen onkogenes Potential zugeschrieben wird. Die Expressionsmuster der einzelnen Gruppen weisen auf zelluläre Mechanismen der Pathogenese des Burkitt Lymphoms hin. Die genetische Charakteristik des Burkitt Lymphoms ist eine Chromosomentranslokation, welche das Protoonkogen c MYC unter die Kontrolle von regulatorischen Elementen der Immunglobulingene bringt. Durch die somit erhöhte Transkription von c-MYC entfaltet das Genprodukt sein onkogenes Potential. Mutationen im offenen Leserahmen können dieses Potential zusätzlich verstärken. Da c MYC ein pleiotroper Transkriptionsfaktor ist und somit auf eine ganze Reihe zellulärer Prozesse Einfluss hat, bewirkt die Translokation massive Veränderungen in der Zelle. Vorangegangene Untersuchungen der Arbeitsgruppe zeigten, dass die antivirale Interferonantwort durch hohe c MYC-Expression unterdrückt wird. Diese Beobachtung liefert eine mögliche Erklärung für die Immunevasion von Burkitt Lymphom-Zellen, trotz Anwesenheit des EBV-Genoms. In Zelllinien, die aus Burkitt Lymphom-Biopsien generiert wurden, konnte gezeigt werden, dass EBV eine Interferoninduktion auslöst, die durch c-MYC unterdrückt wird. In dieser Arbeit konnte auch gezeigt werden, dass Epstein-Barr-virale Nukleinsäureprodukte durch den zytosolischen Rezeptor RIG-I Interferon induzieren, dieser aber durch die hohe c-MYC-Expression transkriptionell gehemmt wird. Neben RIG-I wurden weitere Rezeptoren und Mediatoren der Interferoninduktionskaskade identifiziert, die ebenfalls transkriptionell von c-MYC unterdrückt werden. Diese Ergebnisse stützen die Hypothese, dass c-MYC durch Unterdrückung der angeborenen Immunität die Immunevasion von Burkitt Lymphom-Zellen ermöglicht.

Die Stellung des Darwinismus zur mechanistischen und vitalistischen Weltanschauung : Antrittsvorlesung, gehalten an der Universität Frankfurt a. M. (1915)

Otto Steche

Ordnung des Fachbereichs Biowissenschaften der Johann Wolfgang Goethe für den Masterstudiengang Ökologie und Evolution mit dem Abschluss „Master of Science“ (M. Sc.) vom 16.Juni 2009 : Änderungen vom 04. Juni 2012 ; Berichtigung der Bekanntmachung vom 25.September 2012 (2012)

Ordnung des Fachbereichs Biowissenschaften der Johann Wolfgang Goethe-Universität für den Bachelorstudiengang Biowissenschaften mit dem Abschluss „Bachelor of Science“ (B. Sc.) vom 12. Februar 2007, in der Fassung vom 17. September 2010 : genehmigt durch das Präsidium der Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt am 28.09.2010 (2010)

Ordnung des Fachbereichs Biowissenschaften der Johann Wolfgang Goethe-Universität für den Masterstudiengang Molekulare Biotechnologie mit dem Abschluss "Master of Science" vom 12.07.2010 : vorläufig genehmigt vom Präsidium der Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt am 27.07.2010 (2010)

Ordnung des Fachbereichs Biowissenschaften der Johann Wolfgang Goethe-Universität für den Masterstudiengang Ökologie und Evolution mit dem Abschluss "Master of Science" (M.Sc.) vom 16. Juni 2009 : genehmigt vom Präsidium der Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt a. M. am 27.04.2010 (2010)

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)

Universitätspublikationen

Refine

Author

Year of publication

Document Type

Language

Has Fulltext

Keywords

Institute

380 search hits