Molecular genetics of the immotile short tail sperm defect

Hedelmättömyyttä aiheuttavan siittiöiden puolihäntävian molekyyligenetiikka Suomalaisissa Yorkshire karjuissa yleistyi 1990-luvun lopulla autosomaalisesti ja resessiivisesti periytyvä hedelmättömyyttä aiheuttava siittiöiden puolihäntävika (ISTS, immotile short tail sperm). Sairaus aiheuttaa normaalia lyhyemmän ja täysin liikkumattoman siittiön hännän muodostuksen. Muita oireita sairailla karjuilla ei ole havaittu ja emakot ovat oireettomia. Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli kartoittaa siittiöiden puolihäntävian aiheuttava geenivirhe ja kehittää DNA-testi markkeri- ja geeniavusteiseen valintaan. Koko genomin kartoituksessa vian aiheuttava alue paikannettiin sian kromosomiin 16. Paikannuksen perusteella kahden geenimerkin haplotyyppi kehitettiin käytettäväksi markkeri-avusteisessa valinnassa. Sairauteen kytkeytyneen alueen hienokartoitusta jatkettiin geenitestin kehittämiseksi kantajadiagnostiikkaan. Vertailevalla kartoituksella oireeseen kytkeytynyt alue paikannettiin 2 cM:n alueelle ihmisen kromosomiin viisi (5p13.2). Tällä alueella sijaitsevia geenejä vastaavista sian sekvensseistä löydetyn muuntelun perusteella voitiin tarkentaa sairauteen kytkeytyneitä haplotyyppejä. Haplotyyppien perusteella puolihäntäoireeseen kytkeytynyt alue rajattiin kahdeksan geenin alueelle ihmisen geenikartalla. Alueelle paikannetun kandidaattigeenin (KPL2) sekvensointi paljasti introniin liittyneen liikkuvan DNA-sekvenssin, Line-1 retroposonin. Tämä retroposoni muuttaa geenin silmikointia siten, että sitä edeltävä eksoni jätetään pois tai myös osa introni- ja inserttisekvenssiä liitetään geenin mRNA tuotteeseen. Molemmissa tapauksissa tuloksena on lyhentynyt KPL2 proteiini. Tähän retroposoni-inserttiin perustuva geenitesti on ollut sianjalostajien käytössä vuodesta 2006. KPL2 geenin ilmenemisen tarkastelu sialla ja hiirellä paljasti useita kudosspesifisiä silmikointimuotoja. KPL2 geenin pitkä muoto ilmenee pääasiassa vain kiveksessä, mikä selittää geenivirheen aiheuttamat erityisesti siittiön kehitykseen liittyvät oireet. KPL2 proteiinin ilmeneminen hiiren siittiön hännän kehityksen aikana ja mahdollinen yhteistoiminta IFT20 proteiinin kanssa viittaavat tehtävään proteiinien kuljetuksessa siittiön häntään. Mahdollisen kuljetustehtävän lisäksi KPL2 saattaa toimia myös siittiön hännän rakenneosana, koska se paikannettiin valmiin siittiön hännän keskiosaan. Lisäksi KPL2 proteiini saattaa myös toimia Golgin laitteessa sekä Sertolin solujen ja spermatidien liitoksissa, mutta nämä havainnot kuitenkin vaativat lisätutkimuksia. Tämän tutkimuksen tulokset osoittavat, että KPL2 geeni on tärkeä siittiön hännän kehitykselle ja sen rakennemuutos aiheuttaa siittiöiden puolihäntäoireen suomalaisilla Yorkshire karjuilla. KPL2 proteiinin ilmeneminen ja paikannus siittiön kehityksen aikana antaa viitteitä proteiinin toiminnasta. Koska KPL2 geenisekvenssi on erittäin konservoitunut, nämä tulokset tuovat uutta tietoa kaikkien nisäkkäiden siittiöiden kehitykseen ja urosten hedelmättömyyteen syihin.

Biosynthesis of Yersinia enterocolitica serotype O:3 lipopolysaccharide outer core

Lipopolysacharide (LPS) present on the outer leaflet of Gram-negative bacteria is important for the adaptation of the bacteria to the environment. Structurally, LPS can be divided into three parts: lipid A, core and O-polysaccharide (OPS). OPS is the outermost and also the most diverse moiety. When OPS is composed of identical sugar residues it is called homopolymeric and when it is composed of repeating units of oligosaccharides it is called heteropolymeric. Bacteria synthesize LPS at the inner membrane via two separate pathways, Lipid A-core via one and OPS via the other. These are ligated together in the periplasmic space and the completed LPS molecule is translocated to the surface of the bacteria. The genes directing the OPS biosynthesis are often clustered and the clusters directing the biosynthesis of heteropolymeric OPS often contain genes for i) the biosynthesis of required NDP-sugar precursors, ii) glycosyltransferases needed to build up the repeating unit, iii) translocation of the completed O-unit to the periplasmic side of the inner membrane (flippase) and iv) polymerization of the repeating units to complete OPS. The aim of this thesis was to characterize the biosynthesis of the outer core (OC) of Yersinia enterocolitica serotype O:3 (YeO3). Y. enterocolitica is a member of the Gram-negative Yersinia genus and it causes diarrhea followed sometimes by reactive arthritis. The chemical structure of the OC and the nucleotide sequence of the gene cluster directing its biosynthesis were already known; however, no experimental evidence had been provided for the predicted functions of the gene products. The hypothesis was that the OC biosynthesis would follow the pathway described for heteropolymeric OPS, i.e. a Wzy-dependent pathway. In this work the biochemical activities of two enzymes involved in the NDP-sugar biosynthesis was established. Gne was determined to be a UDP-N-acetylglucosamine-4-epimerase catalyzing the conversion of UDP-GlcNAc to UDP-GalNAc and WbcP was shown to be a UDP-GlcNAc- 4,6-dehydratase catalyzing the reaction that converts UDP-GlcNAc to a rare UDP-2-acetamido- 2,6-dideoxy-d-xylo-hex-4-ulopyranose (UDP-Sugp). In this work, the linkage specificities and the order in which the different glycosyltransferases build up the OC onto the lipid carrier were also investigated. In addition, by using a site-directed mutagenesis approach the catalytically important amino acids of Gne and two of the characterized glycosyltranferases were identified. Also evidence to show the enzymes involved in the ligations of OC and OPS to the lipid A inner core was provided. The importance of the OC to the physiology of Y. enterocolitica O:3 was defined by determining the minimum requirements for the OC to be recognized by a bacteriophage, bacteriocin and monoclonal antibody. The biological importance of the rare keto sugar (Sugp) was also shown. As a conclusion this work provides an extensive overview of the biosynthesis of YeO3 OC as it provides a substantial amount of information of the stepwise and coordinated synthesis of the Ye O:3 OC hexasaccharide and detailed information of its properties as a receptor.