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.

Molecular Mechanisms and Interactions in Regulation of Photosynthetic Reactions

In photosynthesis, light energy is converted to chemical energy, which is consumed for carbon assimilation in the Calvin-Benson-Bassham (CBB) cycle. Intensive research has significantly advanced the understanding of how photosynthesis can survive in the ever-changing light conditions. However, precise details concerning the dynamic regulation of photosynthetic processes have remained elusive. The aim of my thesis was to specify some molecular mechanisms and interactions behind the regulation of photosynthetic reactions under environmental fluctuations. A genetic approach was employed, whereby Arabidopsis thaliana mutants deficient in specific photosynthetic protein components were subjected to adverse light conditions and assessed for functional deficiencies in the photosynthetic machinery. I examined three interconnected mechanisms: (i) auxiliary functions of PsbO1 and PsbO2 isoforms in the oxygen evolving complex of photosystem II (PSII), (ii) the regulatory function of PGR5 in photosynthetic electron transfer and (iii) the involvement of the Calcium Sensing Receptor CaS in photosynthetic performance. Analysis of photosynthetic properties in psbo1 and psbo2 mutants demonstrated that PSII is sensitive to light induced damage when PsbO2, rather than PsbO1, is present in the oxygen evolving complex. PsbO1 stabilizes PSII more efficiently compared to PsbO2 under light stress. However, PsbO2 shows a higher GTPase activity compared to PsbO1, and plants may partially compensate the lack of PsbO1 by increasing the rate of the PSII repair cycle. PGR5 proved vital in the protection of photosystem I (PSI) under fluctuating light conditions. Biophysical characterization of photosynthetic electron transfer reactions revealed that PGR5 regulates linear electron transfer by controlling proton motive force, which is crucial for the induction of the photoprotective non-photochemical quenching and the control of electron flow from PSII to PSI. I conclude that PGR5 controls linear electron transfer to protect PSI against light induced oxidative damage. I also found that PGR5 physically interacts with CaS, which is not needed for photoprotection of PSII or PSI in higher plants. Rather, transcript profiling and quantitative proteomic analysis suggested that CaS is functionally connected with the CBB cycle. This conclusion was supported by lowered amounts of specific calciumregulated CBB enzymes in cas mutant chloroplasts and by slow electron flow to PSI electron acceptors when leaves were reilluminated after an extended dark period. I propose that CaS is required for calcium regulation of the CBB cycle during periods of darkness. Moreover, CaS may also have a regulatory role in the activation of chloroplast ATPase. Through their diverse interactions, components of the photosynthetic machinery ensure optimization of light-driven electron transport and efficient basic production, while minimizing the harm caused by light induced photodamage.

Association between protein feeding and reproductive efficiency in the dairy cow : specific emphasis on protein feeding in Finland

Selostus: Lypsylehmien valkuaisruokinnan ja hedelmällisyyden yhteys: kirjallisuustutkimus valkuaisruokinnan vaikutuksista Suomen olosuhteissa

Inactive endosialidase-based detection of bacterial and oncofetal polysialic acid

Polysialic acid is a carbohydrate polymer which consist of N-acetylneuraminic acid units joined by alpha2,8-linkages. It is developmentally regulated and has an important role during normal neuronal development. In adults, it participates in complex neurological processes, such as memory, neural plasticity, tumor cell growth and metastasis. Polysialic acid also constitutes the capsule of some meningitis and sepsis-causing bacteria, such as Escherichia coli K1, group B meningococci, Mannheimia haemolytica A2 and Moraxella nonliquefaciens. Polysialic acid is poorly immunogenic; therefore high affinity antibodies against it are difficult to prepare, thus specific and fast detection methods are needed. Endosialidase is an enzyme derived from the E. coli K1 bacteriophage, which specifically recognizes and degrades polysialic acid. In this study, a novel detection method for polysialic acid was developed based on a fusion protein of inactive endosialidase and the green fluorescent protein. It utilizes the ability of the mutant, inactive endosialidase to bind but not cleave polysialic acid. Sequencing of the endosialidase gene revealed that amino acid substitutions near the active site of the enzyme differentiate the active and inactive forms of the enzyme. The fusion protein was applied for the detection of polysialic acid in bacteria and neuroblastoma. The results indicate that the fusion protein is a fast, sensitive and specific reagent for the detection of polysialic acid. The use of an inactive enzyme as a specific molecular tool for the detection of its substrate represents an approach which could potentially find wide applicability in the specific detection of diverse macromolecules.

From Unspecific Quenching to Specific Signaling: Functional GTPase Assays Utilizing Quenching Resonance Energy Transfer (QRET) Technology

The aim of the work presented in this study was to demonstrate the wide applicability of a single-label quenching resonance energy transfer (QRET) assay based on time-resolved lanthanide luminescence. QRET technology is proximity dependent method utilizing weak and unspecific interaction between soluble quencher molecule and lanthanide chelate. The interaction between quencher and chelate is lost when the ligand binds to its target molecule. The properties of QRET technology are especially useful in high throughput screening (HTS) assays. At the beginning of this study, only end-point type QRET technology was available. To enable efficient study of enzymatic reactions, the QRET technology was further developed to enable measurement of reaction kinetics. This was performed using proteindeoxyribonuclei acid (DNA) interaction as a first tool to monitor reaction kinetics. Later, the QRET was used to study nucleotide exchange reaction kinetics and mutation induced effects to the small GTPase activity. Small GTPases act as a molecular switch shifting between active GTP bound and inactive GDP bound conformation. The possibility of monitoring reaction kinetics using the QRET technology was evaluated using two homogeneous assays: a direct growth factor detection assay and a nucleotide exchange monitoring assay with small GTPases. To complete the list, a heterogeneous assay for monitoring GTP hydrolysis using small GTPases, was developed. All these small GTPase assays could be performed using nanomolar protein concentrations without GTPase pretreatment. The results from these studies demonstrated that QRET technology can be used to monitor reaction kinetics and further enable the possibility to use the same method for screening.