Role of Rab5 in synaptic vesicle recycling

During synaptic transmission, NT-filled synaptic vesicles are released by Ca2+-triggered exocytosis at the active zone. Following exocytosis, SV membrane is immediately re-internalized and synaptic vesicles (SVs) are regenerated by a local recycling mechanism within the presynaptic terminal. It is debated whether an endosomal compartment is involved in this recycling process. In contrast, it is well known from cultured mammalian cells, that endocytic vesicles fuse to the early sorting endosome. The early endosome is a major sorting station of the cell where cargo is send into the degradative pathway to late endosome and lysosome or towards recycling. Each trafficking step is mediated by a certain protein of the Rab family. Rab proteins are small GTPases belonging to the Ras superfamily. They accumulate at their target compartments and have thereby been used as markers for the different endocytic organelles in cultured mammalian cells. Rab5 controls trafficking from the PM to the early endosome and has thereby been used as marker for this compartment. A second marker is based on the specific binding of the FYVE zinc finger protein domain to the lipid PI(3)P that is specifically generated at the early endosomal membrane. This study used the Drosophila NMJ as a model system to investigate the SV recycling process. In particular, three questions were addressed: First, is an endosomal compartment present at the synapse? Second, do SVs recycle through an endosome? Third, is Rab5 involved in SV recycling? We used GFP fusions of Rab5 and 2xFYVE to visualize endosomal compartments at the presynaptic terminal of Drosophila third instar larval NMJs. Furthermore, the endosomes are located within the pool of recycling SVs, labeled with the styryl-dye FM5-95. Using the temperature-sensitive mutation in Dynamin, shibirets, we showed that SV recycling involves trafficking through an intermediate endosomal compartment. In cultured mammalian cells, interfering with Rab5 function by expressing the dominant negative version, Rab5SN causes the fragmentation of the endosome and the accumulation of endocytic vesicles. In contrast, when Rab5 is overexpressed enlarged endosomal compartments were observed. In Drosophila, the endosomal compartment was disrupted when loss of function and dominant negative mutants of Rab5 were expressed. In addition, at the ultrastructural we observed an accumulation of endocytic vesicles in Rab5S43N expressing terminals and enlarged endosomes when Rab5 was overexpressed. Furthermore, interfering with Rab5 function using the dominant negative Rab5S43N caused a decrease in the SV recycling kinetics as shown by FM1-43 experiments. In contrast, overexpression of Rab5 or GFP-Rab5 caused an increase in the FM1-43 internalization rate. Finally, standard electrophysiological techniques were used to measure synaptic function. We found that the Rab5-mediated endosomal SV recycling pathway generates vesicles with a higher fusion efficacy during Ca2+-triggered release, compared to SVs recycled when Rab5 function was impaired. We therefore suggest a model in which the endosome serves as organelle to control the SV fusion efficacy and thereby the synaptic strength. Since changes in the synaptic strength are occuring during learning and memory processes, controlling endosomal SV recycling might be a new molecular mechanism involved in learning and memory.

The role of Ken&Barbie in JAK/STAT signalling during development of Drosophila melanogaster

Cell-cell interactions during embryonic development are crucial in the co-ordination of growth, differentiation and maintenance of many different cell types. To achieve this co-ordination each cell must properly translate signals received from neighbouring cells, into spatially and temporally appropriate developmental responses. A surprisingly limited number of signal pathways are responsible for the differentiation of enormous variety of cell types. As a result, pathways are frequently 'reused' during development. Thus, in mammals the JAK/STAT pathway is required during early embryogenesis, mammary gland formation, hematopoiesis and, finally, plays a pivotal role in immune response. In the canonical way, the JAK/STAT pathway is represented by a transmembrane receptor associated with a Janus kinase (JAK), which upon stimulation by an extra-cellular ligand, phosphorylates itself, the receptor and, finally, the signal transducer and activator of transcription (STAT) molecules. Phosphorylated STATs dimerise and translocate to the nucleus where they activate transcription of target genes. The JAK/STAT pathway has been conserved throughout evolution, and all known components are present in the genome of Drosophila melanogaster. Besides hematopoietic and immunity functions, the pathway is also required during development for processes including embryonic segmentation, tracheal morphogenesis, posterior spiracle formation etc. This study describes Drosophila Ken&Barbie (Ken) as a selective regulator of JAK/STAT signalling. ken mutations identified in a screen for modulators of an eye overgrowth phenotype, caused by over-expression of the pathway ligand unpaired, also interact genetically with the pathway receptor domeless (dome) and the transcription factor stat92E. Over-expression of Ken can phenocopy developmental defects known to be caused by the loss of JAK/STAT signalling. These genetic interactions suggest that Ken may function as a negative regulator of the pathway. Ken has C-terminal Zn-finger domain, presumably for DNA binding, and N-terminal BTB/POZ domain, often found in transcriptional repressors. Using EGFP-fused construct expressed in vivo revealed nuclear accumulation of Ken. Therefore, it is proposed that Ken may act as a suppresser of STAT92E target genes. An in vitro assay, termed SELEX, determined that Ken specifically binds to a DNA sequence, with the essential for DNA recognition core overlapping that of STAT92E. This interesting observation suggests that not all STAT92E sites may also allow Ken binding. Strikingly, when effects of ectopic Ken on the expression of putative JAK/STAT pathway target genes were examined, only a subset of the genes tested, namely vvl, trh and kni, were down-regulated by Ken, whereas some others, such as eve and fj, appeared to be unresponsive. Further analysis of vvl, one of the genes susceptible to ectopic Ken, was undertaken. In the developing hindgut, expression of vvl is JAK/STAT pathway dependent, but remains repressed in the posterior spiracles, despite the stimulation of STAT92E by Upd in their primordia. Importantly, ken is also expressed in the developing posterior spiracles. Strikingly, up-regulation of vvl is observed in these tissues in ken mutant embryos. These imply that while ectopic Ken is sufficient to repress the expression of vvl in the hindgut, endogenous Ken is also necessary to prevent its activation in the posterior spiracles. It is therefore conceivable that ectopic vvl expression in the posterior spiracles of the ken mutants may be the result of de-repression of endogenous STAT92E activity. Another consequence of these observations is a fine balance that must exist between STAT92E and Ken activities. Apparently, endogenous level of Ken is sufficient to repress vvl, but not other, as yet unidentified, JAK/STAT pathway targets, whose presumable activation by STAT92E is required for posterior spiracle development as the embryos mutant for dome, the receptor of the pathway, show severe spiracle defects. These defects are also observed in the embryos mis-expressing Ken. Though it is possible that the posterior spiracle phenotype caused by higher levels of Ken results from a JAK/STAT pathway independent activity, it seems to be more likely that Ken acts in a dosage dependent manner, and extra Ken is able to further antagonise JAK/STAT pathway target genes. While STAT92E binding sites required for target gene expression have been poorly characterised, the existence of genome data allows the prediction of candidate STAT92E sites present in target genes promoters to be attempted. When a 6kb region containing the putative regulatory domains flanking the vvl locus are examined, only a single potential STAT92E binding site located 825bp upstream of the translational start can be detected. Strikingly, this site also includes a perfect Ken binding sequence. Such an in silico observation, though consistent with both Ken DNA binding assay in vitro and regulation of STAT92E target genes in vivo, however, requires further analysis. The JAK/STAT pathway is implicated in a variety of processes during embryonic and larval development as well as in imago. In each case, stimulation of the same transcription factor results in different developmental outcomes. While many potential mechanisms have been proposed and demonstrated to explain such pleiotropy, the present study indicates that Ken may represent another mechanism, with which signal transduction pathways are controlled. Ken selectively down-regulates a subset of potential target genes and so modifies the transcriptional profile generated by activated STAT92E - a mechanism, which may be partially responsible for differences in the morphogenetic processes elicited by JAK/STAT signalling during development.

Studies of cap-independent mRNA translation in Drosophila melanogaster

Control of protein synthesis is a key step in the regulation of gene expression during apoptosis and the heat shock response. Under such conditions, cap-dependent translation is impaired and Internal Ribosome Entry Site (IRES)-dependent translation plays a major role in mammalian cells. Although the role of IRES-dependent translation during apoptosis has been mainly studied in mammals, its role in the translation of Drosophila apoptotic genes has not been yet studied. The observation that the Drosophila mutant embryos for the cap-binding protein, the eukaryotic initiation factor eIF4E, exhibits increased apoptosis in correlation with up-regulated proapoptotic gene reaper (rpr) transcription constitutes the first evidence for the existence of a cap-independent mechanism for the translation of Drosophila proapoptotic genes. The mechanism of translation of rpr and other proapoptotic genes was investigated in this work. We found that the 5 UTR of rpr mRNA drives translation in an IRES-dependent manner. It promotes the translation of reporter RNAs in vitro either in the absence of cap, in the presence of cap competitors, or in extracts derived from heat shocked and eIF4E mutant embryos and in vivo in cells transfected with reporters bearing a non functional cap structure, indicating that cap recognition is not required in rpr mRNA for translation. We also show that rpr mRNA 5 UTR exhibits a high degree of similarity with that of Drosophila heat shock protein 70 mRNA (hsp70), an antagonist of apoptosis, and that both are able to conduct IRES-mediated translation. The proapoptotic genes head involution defective (hid) and grim, but not sickle, also display IRES activity. Studies of mRNA association to polysomes in embryos indicate that both rpr, hsp70, hid and grim endogenous mRNAs are recruited to polysomes in embryos in which apoptosis or thermal stress was induced. We conclude that hsp70 and, on the other hand, rpr, hid and grim which are antagonizing factors during apoptosis, use a similar mechanism for protein synthesis. The outcome for the cell would thus depend on which protein is translated under a given stress condition. Factors involved in the differential translation driven by these IRES could play an important role. For this purpose, we undertook the identification of the ribonucleoprotein (RNP) complexes assembled onto the 5 UTR of rpr mRNA. We established a tobramycin-affinity-selection protocol that allows the purification of specific RNP that can be further analyzed by mass spectrometry. Several RNA binding proteins were identified as part of the rpr 5 UTR RNP complex, some of which have been related to IRES activity. The involvement of one of them, the La antigen, in the translation of rpr mRNA, was established by RNA-crosslinking experiments using recombinant protein and rpr 5 UTR and by the analysis of the translation efficiency of reporter mRNAs in Drosophila cells after knock down of the endogenous La by RNAi experiments. Several uncharacterized proteins were also identified, suggesting that they might play a role during translation, during the assembly of the translational machinery or in the priming of the mRNA before ribosome recognition. Our data provide evidence for the involvement of La antigen in the translation of rpr mRNA and set a protocol for purification of tagged-RNA-protein complexes from cytoplasmic extracts. To further understand the mechanisms of translation initiation in Drosophila, we analyzed the role of eIF4B on cap-dependent and cap-independent translation. We showed that eIF4B is mostly involved in cap-, but not IRES-dependent translation as it happens in mammals.

Die mikrobielle Besiedlung von Wurzeloberfläche und Rhizosphäre in ihrer Bedeutung für Stoffumsätze in Böden

Im Vordergrund der Arbeit stand die Erfassung der mikrobiellen Biomasse bzw. Residualmasse an der Wurzeloberfläche, im Rhizosphärenboden und im umgebenden Boden. Durch den Vergleich von verschiedenen Methoden zur Erfassung der mikrobiellen Biomasse wurden die Gehalte von pilzlichem und bakteriellem Kohlenstoff an der Rhizoplane und in der Rhizosphäre quantifiziert. Dabei wurde die Fumigations-Extraktions-Methode zur Erfassung der mikrobiellen Biomasse eingesetzt. Ergosterol diente als Indikator für die pilzliche Biomasse und die Aminozucker Glucosamin und Muraminsäure sollten Aufschluss geben über die bakterielle und pilzliche Biomasse bzw. Residualmasse in den drei Probenfraktionen. Dazu wurden Umrechnungsfaktoren erstellt, die zur Berechnung des bakteriellen und pilzlichen Kohlenstoffs aus den Gehalten von Muraminsäure und Pilz-Glucosamin dienten. Die Bestimmung von Aminozuckern wurde insoweit modifiziert, dass sowohl in Boden- als auch in Wurzelhydrolysaten die Messung von Glucosamin, Galactosamin, Muraminsäure und Mannosamin gleichzeitig als automatisiertes Standardverfahren mit Hilfe der HPLC erfolgen konnte. Es wurden drei Gefäßversuche durchgeführt: Im ersten Versuch wurde der Einfluss der Pflanzenart auf die mikrobielle Besiedlung der Wurzeloberflächen untersucht. Dabei wurden Wurzeln und Rhizosphärenboden von 15 verschiedenen Pflanzenarten miteinander verglichen. Im zweiten Versuch stand der Einfluss der mikrobiellen Biomasse eines Bodens auf die mikrobielle Besiedlung von Wurzeloberflächen im Vordergrund. Deutsches Weidelgras (Lolium perenne L.) wurde auf sieben verschiedenen Böden angezogen. Bei den Böden handelte es sich um sechs Oberböden, die sich hinsichtlich des Bodentyps und der Bewirtschaftungsform voneinander unterschieden, und einen Unterboden. Im dritten Versuch wurde die mikrobielle Besiedlung von Wurzeln nach teilweiser und vollständiger Entfernung der oberirdischen Biomasse beobachtet. Welsches Weidelgras (Lolium multiflorum Lam.) wurde 24 Tage nach der Aussaat beschnitten. Anschließend wurde über einen Versuchszeitraum von acht Tagen die mikrobielle Besiedlung an den Wurzeln und in den Bodenfraktionen bestimmt. Es bestätigte sich, dass der Einfluss der einzelnen Pflanzenart von entscheidender Bedeutung für die mikrobielle Besiedlung von Wurzeln ist. Bei fast allen Pflanzen wurde die mikrobielle Biomasse an den Wurzeln von Pilzen dominiert. Das Verhältnis von pilzlichem zu bakteriellem Kohlenstoff an den Wurzeln der 15 Pflanzenarten lag im Mittel bei 2,6. Bei der Betrachtung verschiedener Böden zeigte sich, dass die mikrobielle Besiedlung in tieferen Bodenschichten signifikant niedriger ist als in den Oberböden. Dabei war der Pilzanteil an der mikrobiellen Biomasse im Unterboden deutlich erhöht. Der Vergleich der Oberböden untereinander ergab, dass sowohl der Bodentyp als auch die Bewirtschaftungsform einen signifikanten Einfluss auf mikrobielle Besiedlung ausüben. Durch die teilweise oder vollständige Entfernung der oberirdischen Biomasse wurde eine Veränderung der mikrobiellen Besiedlung an den Wurzeln beobachtet. Das Verhältnis von pilzlichem zu bakteriellem Kohlenstoff sank in dem Versuchszeitraum von 2,5 auf 1,4. Dabei war die Förderung der Pilze in der Variante mit teilweise entfernter oberirdischer Biomasse relativ größer als in der Variante mit vollständig entfernter oberirdischer Biomasse. Entgegen der weit verbreiteten Annahme, dass bei den wurzelbesiedelnden Mikroorganismen die Bakterien gegenüber den Pilzen dominieren, zeigten die Ergebnisse ein gegensätzliches Bild. In allen drei Versuchen ergab sich gleichermaßen, dass sowohl im Boden als auch an den Wurzeln die Pilze gegenüber den Bakterien dominieren.

Characterization of the role of Drosophila JAK/STAT signalling in cellular proliferation

Der Janus Kinase / signal transducer and activator of transcription (JAK/STAT) Signal- transduktionsweg wird für viele Entwicklungsvorgänge benötigt und spielt eine zentrale Rolle bei der Hämatopoese und bei der Immunantwort. Obwohl der JAK/STAT-Signalweg in den vergangenen Jahren Gegenstand intensiver Forschung war, erschwert die Redundanz des Signalwegs bei Wirbeltieren genetische Untersuchungen zur Identifizierung derjenigen Mechanismen, die den JAK/STAT-Signalweg regulieren. Der JAK/STAT-Signaltransduktionsweg ist evolutionär konserviert und ebenfalls bei der Taufliege Drosophila melanogaster vorhanden. Im Gegensatz zu Wirbeltieren ist der Signaltransduktionsweg von Drosophila weniger redundant und beinhaltet folgende Hauptkomponenten: den Liganden Unpaired (Upd), den Transmembranrezeptor Domeless (Dome), die einzige JAK-Tyrosinkinase Hopscotch (hop), sowie den Transkriptionsfaktor STAT92E. In der vorliegenden Arbeit wird die Rolle des JAK/STAT-Signalwegs bei der zellulären Proliferation mithilfe der Modellsysteme der Flügel- und der Augen-Imaginalscheiben von Drosophila charakterisiert. "Loss-of-function"- und "Gain-of-function"-Experimente zur Verminderung beziehungs-weise Erhöhung der Signalaktivität zeigten, dass der JAK/STAT-Signalweg eine Rolle bei der zellulären Proliferation der Flügel-Imaginalscheiben spielte, ohne die Zellgröße oder Apoptose zu verändern. Bei der Flügelentwicklung während des zweiten und des frühen dritten Larvalstadiums war die Aktivität des JAK/STAT-Signalwegs sowohl notwendig für die zelluläre Proliferation als auch hinreichend, um Überproliferation anzutreiben. Allerdings änderte sich während der späten dritten Larvalstadien die JAK/STAT-Signalaktivität, sodass endogene STAT92E-Mengen einen anti-proliferativen Effekt im gleichen Gewebe aufwiesen. Weiterhin reichte die ektopische Aktivierung des JAK/STAT-Signalwegs zu diesem späten Entwicklungszeitpunkt aus, um die Mitose zu inhibieren und die Zellen in der Phase G2 des Zellzyklus zu arretieren. Diese Ergebnisse legen den Schluss nahe, dass der JAK/STAT-Signalweg sowohl pro-proliferativ in frühen Flügelscheiben als auch anti-proliferativ zu späten Stadien der Flügelscheiben-Entwicklung wirken kann. Dieser späte anti-proliferative Effekt wurde durch einen nicht-kanonischen Mechanismus der STAT92E-Aktivierung vermittelt, da späte hop defiziente Zellverbände im Vergleich zu Wildtyp-Zellen keine Veränderungen im Ausmaß der zellulären Proliferation aufwiesen. Ferner konnte gezeigt werden, dass eine während der Larvalstadien exprimierte dominant-negative und im N-Terminus deletierte Form von STAT92E (?NSTAT92E) nicht für den anti-proliferativen Effekt verantwortlich ist. Diese Tatsache ist ein weiteres Indiz dafür, dass das vollständige STAT92E den späten anti-proliferativen Effekt verursacht. Um Modulatoren für die von JAK/STAT vermittelte zelluläre Proliferation zu identifieren, wurde ein P-Element-basierter genetischer Interaktions-Screen in einem sensibilisierten genetischen Hintergrund durchgeführt. Insgesamt wurden dazu 2267 unabhängige P-Element-Insertionen auf ihre Wechselwirkung mit der JAK/STAT-Signalaktivität untersucht und 24 interagierende Loci identifiziert. Diese Kandidaten können in folgende Gruppen eingeordnet werden: Zellzyklusproteine, Transkriptionsfaktoren, DNA und RNA bindende Proteine, ein Mikro-RNA-Gen, Komponenten anderer Signaltransduktionswege und Zelladhäsionsproteine. In den meisten Fällen wurden mehrere Allele der interagierenden Kandidatengene getestet. 18 Kandidatengene mit übereinstimmend interagierenden Allelen wurden dann zur weiteren Analyse ausgewählt. Von diesen 18 Kandidaten-Loci wurden 7 mögliche JAK/STAT-Signalwegskomponenten und 6 neue Zielgene des Signalwegs gefunden. Zusammenfassend wurde das Verständnis um STAT92E verbessert. Dieses Protein hat die gleiche Funktion wie das STAT3-Protein der Wirbeltiere und treibt die zelluläre Proliferation voran. Analog zu STAT1 hat STAT92E aber auch einen anti-proliferativen Effekt. Ferner wurden 24 mögliche Modulatoren der JAK/STAT-Signalaktivität identifiziert. Die Charakterisierung dieser Wechselwirkungen eröffnet vielversprechende Wege zu dem Verständnis, wie JAK/STAT die zelluläre Proliferation reguliert und könnte bei der Entwicklung von neuartigen therapeutischen Targets zur Behandlung von Krebskrankheiten und Entwicklungsstörungen beitragen.

Interaktive Netzwerke zur Regulation des Wachstums-Differenzierungs-Übergangs bei Dictyostelium discoideum

Die Signaltransduktion in niederen und höheren Zellen gehört zu einem der intensivst beforschten, molekularen Mechanismen. Wie gelangt ein externer Stimulus in die Zelle, bzw. wie wird das entsprechende Signal von der Zelloberfläche in das Zellinnere übertragen? Welche Proteine, die in die Signaltransduktion involviert sind, benötigt die Zelle um auf diesen Stimulus zu reagieren – und wie reagiert die Zelle letztendlich auf dieses extrazelluläre Signal? In den letzten Jahren wurde deutlich, dass diese interaktiven Netzwerke hochkomplex sind und für die molekularbiologische Forschung nur dann einsehbar werden, wenn gezielt Mutanten hergestellt werden, die z.B. Rezeptoren oder interzelluläre Komponenten nicht mehr vorweisen können. Die Erforschung der Signaltransduktionsprozesse ist mittlerweile aus den Laboren der Grundlagenforschung auch in die molekularbiologischen Labors der pharmazeutischen Forschung übertragen worden. Aktuell wurden in den letzten Jahren mehrere Substanzen entwickelt, die z.B. für die Bekämpfung von bösartigen Tumoren geeignet sind, und diese Substanzen zeichnen sich dadurch aus, dass sie Komponenten der Signaltransduktion blockieren, bzw. Botenstoffe der Neoangiogenese aus dem Serum entfernen und so den Tumor „aushungern“. In Dictyostelium discoideum sind bereits zahlreiche Signaltransduktionskomponenten beschrieben worden und es finden sich die bekannten Systeme, wie z.B. Transmembranrezeptoren, G-Proteine oder ras-Proteine, die man aus anderen Organismen kennt wieder. Auch MAP-Kinase-Kaskaden sind vorhanden und verschiedene extrazelluläre Signalstoffe, wie z.B. cAMP, PSF oder CMF sind bekannt und teilweise charakterisiert. Dictyostelium discoideum eignet sich aus diesen Gründen und aus Gründen der biochemischen und zellbiologischen Verfügbarkeit dazu, Prozesse der Signalerkennung und deren Weiterleitung zu den Effektorproteinen zu erforschen. Das Primärziel dieser Arbeit war es, möglichst eine neue Komponente in einem der bereits bekannten Signalwege der Discoidin-Regulation durch Mutagenesen zu zerstören, um diese anschließend beschreiben und charakterisieren zu können.Dazu wurde die sog. REMI-Mutagenese am neu gegründeten Labor der Universität Kassel etabliert und ferner die Zellkulturtechnik von D. discoideum für den Routineeinsatz eingearbeitet. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Arbeit war das Screening bereits bekannter Zellinien, die durch einen auffälligen Phänotyp nach einer Mutagenese isoliert worden waren. Dieses Screening sollte mit Western-blot-Analysen des sog. Discoidin-Proteins durchgeführt werden. Zusätzlich sollten neue Methoden entwickelt werden, die es möglich machen die Interaktionen während des vegetativen Wachstums vom Dictyostelium in Klebsiella-Suspension zu beschreiben.

A semi-phenomenological approach to the structure and transport properties of macromolecules in solution

Motiviert durch die Lebenswissenschaften (Life sciences) haben sich Untersuchungen zur Dynamik von Makromolekülen in Lösungen in den vergangenen Jahren zu einem zukunftsweisenden Forschungsgebiet etabliert, dessen Anwendungen von der Biophysik über die physikalische Chemie bis hin zu den Materialwissenschaften reichen. Neben zahlreichen experimentellen Forschungsprogrammen zur räumlichen Struktur und den Transporteigenschaften grosser MolekÄule, wie sie heute praktisch an allen (Synchrotron-) Strahlungsquellen und den Laboren der Biophysik anzutreffen sind, werden gegenwärtig daher auch umfangreiche theoretische Anstrengungen unternommen, um das Diffusionsverhalten von Makromolekülen besser zu erklären. Um neue Wege für eine quantitative Vorhersagen des Translations- und Rotationsverhaltens grosser Moleküle zu erkunden, wurde in dieser Arbeit ein semiphänomenologischer Ansatz verfolgt. Dieser Ansatz erlaubte es, ausgehend von der Hamiltonschen Mechanik des Gesamtsystems 'Molekül + Lösung', eine Mastergleichung für die Phasenraumdichte der Makromoleküle herzuleiten, die den Einfluss der Lösung mittels effektiver Reibungstensoren erfasst. Im Rahmen dieses Ansatzes gelingt es z.B. (i) sowohl den Einfluss der Wechselwirkung zwischen den makromolekularen Gruppen (den sogenannten molekularen beads) und den Lösungsteilchen zu analysieren als auch (ii) die Diffusionseigen schaften für veschiedene thermodynamische Umgebungen zu untersuchen. Ferner gelang es auf der Basis dieser Näherung, die Rotationsbewegung von grossen Molekülen zu beschreiben, die einseitig auf einer Oberfläche festgeheftet sind. Im Vergleich zu den aufwendigen molekulardynamischen (MD) Simulationen grosser Moleküle zeichnet sich die hier dargestellte Methode vor allem durch ihren hohen `Effizienzgewinn' aus, der für komplexe Systeme leicht mehr als fünf Grössenordnungen betragen kann. Dieser Gewinn an Rechenzeit erlaubt bspw. Anwendungen, wie sie mit MD Simulationen wohl auch zukünftig nicht oder nur sehr zögerlich aufgegriffen werden können. Denkbare Anwendungsgebiete dieser Näherung betreffen dabei nicht nur dichte Lösungen, in denen auch die Wechselwirkungen der molekularen beads zu benachbarten Makromolekülen eine Rolle spielt, sondern auch Untersuchungen zu ionischen Flüssigkeiten oder zur Topologie grosser Moleküle.

On the function of the Dictyostelium Argonaute A protein (AgnA) in epigenetic gene regulation

With molecular biology methods and bioinformatics, the Argonaute proteins in Dictyostelium discoideum were characterized, and the function of the AgnA protein in RNAi and DNA methylation was investigated, as well as cellular features. Also interaction partners of the PAZ-Piwi domain of AgnA (PAZ-PiwiAgnA) were discovered. The Dictyostelium genome encodes five Argonaute proteins, termed AgnA/B/C/D/E. The expression level of Argonaute proteins was AgnB/D/E > AgnA > AgnC. All these proteins contain the characteristic conserved of PAZ and Piwi domains. Fluorescence microscopy revealed that the overexpressed C-terminal GFP-fusion of PAZ-PiwiAgnA (PPWa-GFP) localized to the cytoplasm. Overexpression of PPWa-GFP leaded to an increased gene silencing efficiency mediated by RNAi but not by antisense RNA. This indicated that PAZ-PiwiAgnA is involved in the RNAi pathway, but not in the antisense pathway. An analysis of protein-protein interactions by a yeast-two-hybrid screen on a cDNA library from vegetatively grown Dictyostelium revealed that several proteins, such as EF2, EF1-I, IfdA, SahA, SamS, RANBP1, UAE1, CapA, and GpdA could interact with PAZ-PiwiAgnA. There was no interaction between PAZ-PiwiAgnA and HP1, HelF and DnmA detected by direct yeast-two-hybrid analysis. The fluorescence microscopy images showed that the overexpressed GFP-SahA or IfdA fusion proteins localized to both cytoplasm and nuclei, while the overexpressed GFP-SamS localized to the cytoplasm. The expression of SamS in AgnA knock down mutants was strongly down regulated on cDNA and mRNA level in, while the expression of SahA was only slightly down regulated. AgnA knock down mutants displayed defects in growth and phagocytosis, which suggested that AgnA affects also cell biological features. The inhibition of DNA methylation on DIRS-1 and Skipper retroelements, as well as the endogenous mvpB and telA gene, observed for the same strains, revealed that AgnA is involved in the DNA methylation pathway. Northern blot analysis showed that Skipper and DIRS-1 were rarely expressed in Ax2, but the expression of Skipper was upregulated in AgnA knock down mutants, while the expression of DIRS-1 was not changed. A knock out of the agnA gene failed even though the homologous recombination of the disruption construct occurred at the correct site, which indicated that there was a duplication of the agnA gene in the genome. The same phenomenon was also observed in ifdA knock out experiments.

Über den Einfluss von Neuropeptid Y auf die Amplitude und die Entladungsrate axonterminaler Aktionspotenziale retinaler Ganglienzellen der Klasse R2 und R3 im Tectum opticum während visueller Stimulation der Rotbauchunke Bombina orientalis

Neuropeptid Y (NPY) ist ein potenter Neurotransmitter im zentralen und peripheren Nervensystem der Mammalia. Es ist an der Regulation einer Vielzahl von physiologischen Prozessen beteiligt und scheint auch im retino-tectalen Transfer des visuellen Systems von Anuren eine zentrale Funktion einzunehmen. Die Retina bildet die erste Funktionseinheit bei der Verarbeitung visuellen Inputs. Für die Weiterverarbeitung sind primär das Tectum opticum (TO) und das Praetectum verantwortlich. Es gilt als wahrscheinlich, dass der praetecto-tectale Transfer durch NPY inhibitorisch moduliert wird und damit wesentlichen Einfluss auf die visuelle Mustererkennung und die Dämpfung der tectalen Erregungsausbreitung hat. Die Applikation von NPY auf die Tectumoberfläche schwächt die anfängliche Erregungswelle visuell evozierter Feldpotenziale stark ab und NPY könnte somit Einfluss auf die Axonendknoten retinaler Ganglienzellen des Typs R2, R3 und auch R4 haben. Es können jedoch keine detaillierten Aussagen gemacht werden welche Neuronen in welchem Umfang daran beteiligt sind. Im Rahmen meiner Arbeit, sollte der Einfluss von NPY auf die Spike-Amplitude und die Spike-Rate retinaler Ganglienzellen R2 und R3 bei Bombina orientalis analysiert werden, da diese den größten Input bei der visuellen Mustererkennung liefern und unterschiedliche Funktionen in diesem neuronalen Netzwerk haben. Hierzu wurden visuell evozierte Aktionspotenziale von R2 und R3 Neuronen im TO von Bombina orientalis abgeleitet und mit Hilfe der Analysesoftware Spike 2 bearbeitet und analysiert. Es konnte nachgewiesen werden, dass die Spike-Amplituden der R2 Neuronen 20 min nach NPY Applikation auf die Tectumoberfläche reduziert werden. Nach einer Erholungsphase 10 min nach Beenden der NPY-Applikation konnte ein Wiederanstieg der Spike-Amplituden gemessen werden, 20 min nach Beenden der NPY-Applikation kam es zu einem Abfall der Spike-Amplituden dessen Ursache unbekannt ist. Ob es ein Artefakt ist oder ob es sich hierbei um einen spezifischen Effekt von R2 Neuronen handelt muss noch geklärt werden. Die Spike-Amplituden der R3 Neuronen waren bereits 10 min nach NPY-Applikation reduziert, ein weitere Abfall der Spike-Amplituden konnte nicht verzeichnet werden. 10 min nach Beenden der NPY-Applikation konnte ein Anstieg der Spike-Amplituden verzeichnet werden, der sich stetig fortsetzte. Bei beiden Neuronentypen wurden 20 min nach Beenden der NPY-Applikation Spike-Amplituden nahe der Ausgangsamplitudenhöhe gemessen. Aufgrund des Verlaufes der R3 Neuronen ist davon auszugehen, dass die Feldpotenziale eher durch R3 Neuronen als durch R2 Neuronen beeinflusst werden, da er dem der Feldpotenziale gleicht. Auch bei der Untersuchung der Spike-Raten konnte eine Beeinflussung durch NPY nachgewiesen werden. Die R2 Neuronen zeigten 10 min nach NPY-Applikation einen Abfall der Spike-Raten der sich nach 20 min weiter fortsetzte. 10 min nach Beenden der NPY-Applikation konnte ein Wiederanstieg der Spike-Raten verzeichnet werden der sich stetig fortsetzte, die Werte blieben jedoch deutlich unter den gemessenen Ausgangswerten ohne eine NPY-Beeinflussung. Bei den R3 Neuronen konnte ein Abfall der Spike-Raten deutlich zeitverzögert nachgewiesen werden. 20 min nach Beenden der NPY-Applikation konnte ein Anstieg der Spike-Rate verzeichnet werden, jedoch gab es keine signifikanten Unterschiede der Spike-Raten zu den Werten ohne NPY-Beeinflussung. Der Vergleich der R2 und R3 Neuronen zeigt, dass bei den der R2 Neuronen ein schnellerer Effekt von NPY nachweisbar ist als die den R3 Neuronen. Aufgrund der von mir nachgewiesene NPY-induzierte Spike-Amplitudenabnahme retinaler R2 und R3 Neuronen muss davon ausgegangen werden, dass die Reduktion der Feldpotential durch NPY eher auf den Einfluss anderer Neuronen als R2 und R3 Neuronen zurückzuführen ist. Weder bei den R2 noch bei den R3 Neuronen konnte eine so schnelle und so starke Beeinflussung der Spike- Amplituden verzeichnet werden. Weiterhin zeigen meine Ergebnisse neuronale Bestätigung der von Funke 2005 beschrieben geringeren Strahlungsintensität sowie der geringeren Glukosemetabolisierung bei der 14C-2-Desoxyglukose Technik. Dies ist in der Form nur auf den Einfluss von R2 und R3 Neuronen zurückzuführen. Die von mir erzielten Ergebnisse stützen die Hypothese, dass NPY den retino-tectalen Signaltransfer inhibitorisch steuert einhergehend mit einer reduzierten Ausschüttung des praetectotectalen Transmitters Glutamat und weisen darauf hin, dass NPY über zwei verschiedene second-messenger vermittelte Prozesse diesen Signaltransfer steuert. Interessant ist in diesem Zusammenhang, dass diese nachhaltige Beeinflussung der visuellen Informationsverarbeitung durch NPY bei Bombina orientalis einem phylogenetisch basalen Vertreter der Anuren nachgewiesen werden konnte. Dies lässt den Schluss zu, dass solche grundlegenden neurochemischen Effekte des retino-tectalen Informationsgefüges evolutionär konserviert sind.

Mögliche Komponenten in einem Signalweg zwischen endosomaler Verdauung und Partikelaufnahme in Dictyostelium discoideum

Die Amöbe Dictyostelium discoideum ist ein genetisch leicht manipulierbarer Organismus und dient als Modell für verschiedene zelluläre Prozesse, wie z.B. der Endocytose. Hierbei konnte vieles über die Funktion von beteiligten Proteinen anhand von Untersuchungen an spezifischen Mutanten gelernt werden. Bei AlyA handelt es sich um D. discoideum spezifisches Lysozym. GFP-modifiziertes AlyA lokalisiert in Phagosomen und in einer neuen Klasse von Vesikeln lysososomaler Enzyme. Über Rescue Mutanten konnte der Phänotyp alyA138 Knockout Mutanten, einer erhöhten Phagocytoserate einhergehend mit einem verbesserten Wachstum auf Bakterienrasen, der gerettet werden. In AlyA Null Zellen wurde eine erhöhte Expression von Gp70, einer lysosomalen Esterase, gefunden. Die Überexpression von Gp70 alleine führt mit geringen Unterschieden zu einem Phänotyp ähnlich der alyA Knockout Mutante. Demzufolge scheinen beide Enzyme eine Funktion in einer gemeinsamen Signalskaskade, ausgehend von der Degradation internalisierter Bakterien hin zu einer erhöhten Phagocytoserate, zu haben. Eine erhöhte Lysozymaktivität in Gp70 Überexprimierern wurde nicht gefunden. Mit H5 konnte mittels Microarray Analysen ein Protein identifiziert werden, welches in den alyA138 Knockout Zellen, jedoch nicht in Gp70 Überexprimierern, verstärkt exprimiert wird. Eine Funktion in einer Signalkette zwischen AlyA und Gp70, wie die erhöhte Expression vermuten lässt, konnte jedoch nicht bestätigt werden. So führt die Überexpression von H5 weder zu einer erhöhten Phagocytoserate noch zu einer verstärkten Expression von Gp70. Mittels der Microarray Analysen konnten weiterhin acht Gene identifiziert werden, die in den beiden Mutanten schwächer exprimiert vorliegen. Knockaout Mutanten zweier dieser Gene, sse346 und ssj758, wurden untersucht. Sse346 Null Zellen zeigen eine erhöhte Phagocytoserate einhergehend mit effizienterem Wachstum auf Bakterienrasen, während das Fehlen von Ssj758 nur zu vergrößerten Plaquedurchmessern führte. Beide proteine haben demnach eine Funktion in der postulierten Signalkaskade. Diese scheint, ausgehend von der Überexpression von Gp70, zweigeteilt zu verlaufen.

Biologische Charakterisierung von LC-FACS-Proteinen in Dictyostelium discoideum

Die Endozytose und die anschließende Verwertung der aufgenommenen Substanzen ist Gegenstand zahlreicher Untersuchungen. Dabei wird ein besonderes Augenmerk auf die Proteine gelegt, die an diesen Vorgängen beteiligt sind. In der hier vorliegenden Arbeit wird der Lipid-Status der Zelle und Enzyme des Lipid-Stoffwechsels berücksichtigt. Das Ausschalten einer Long Chain-Fatty Acyl CoA Synthetase 1 (LC-FACS), fcsB, in Dictyostelium discoideum hat eine Veränderung der Menge an neutralen Lipiden zur Folge. In diesen LC-FACS2 „Knock-Out“-Zellen wird ein Zusammenhang zwischen neutralen Lipiden und der Phagozytose von Hefen und Bakterien detektiert. Ein Einfluss auf den endozytotischen Transit kann in diesen Zellen nur induziert werden, wenn man zusätzlich den Triglycerid-Hydrolyse-Inhibitor LSD1 in den Zellen exprimiert. Mit Hilfe der Daten wird ein Modell erstellt, indem die Reduktion der Menge an neutralen Lipiden nicht direkt für diesen Phänotyp verantwortlich ist. Es ist vielmehr das Energie-Niveau der Zellen, das die Phagozytoserate beeinflusst. Möglich macht dies ein Pool aus Fettsäuren im Zytoplasma. Dieser besteht aus unaktivierten Fettsäuren und Acyl-CoAs. Auf ihn greifen Kompartimente wie Lipidtropfen, Mitochondrien und Peroxisomen zu, wenn Fettsäuren verstoffwechselt werden sollen. In LC-FACS2 „Knock-Out“-Zellen, wird das Gleichgewicht im Pool in Richtung der unaktivierten Fettsäuren verschoben. Anhand der Größe dieses Pools kann die Zelle ihren Energiestatus messen. Ein höherer Energie-Status führt dann zu einer Reduktion der Phagozytoserate. Vacuolin B Null Zellen (vacB-) zeigen eine extreme Verzögerung im endozytotischen Transit. Schaltet man in diesen Zellen die LC-FACS1 aus (vacB-/fcsA-), so reduziert man ebenfalls die Menge an Triglyceriden. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der Acyl-CoA Anteil des Fettsäure-Pools reduziert ist. Diese Reduktion resultiert hier in einer Beschleunigung des endozytotischen Transits. Die Exozytose von vacB--Zellen und vacB-/ fcsA--Zellen unterscheidet sich nicht. Daher wird die Ursache für diese Beschleunigung in veränderten Fusions- bzw. Fissionseigenschaften der Endosomen vermutet. Somit führt das Ausschalten von LC-FACS-Proteinen in Dictyostelium zu einer veränderten Zusammensetzung des Fettsäure-Pools. Dies hat im Fall der LC-FACS1 Modifikationen der Membran-Dynamik und im Fall der LC-FACS2 Änderungen des Energie-Spiegels zur Folge.

Heterochromatin und epigenetische Kontrolle der Centromere in Dictyostelium discoideum

Heterochromatin Protein 1 (HP1) is an evolutionarily conserved protein required for formation of a higher-order chromatin structures and epigenetic gene silencing. The objective of the present work was to functionally characterise HP1-like proteins in Dictyostelium discoideum, and to investigate their function in heterochromatin formation and transcriptional gene silencing. The Dictyostelium genome encodes three HP1-like proteins (hcpA, hcpB, hcpC), from which only two, hcpA and hcpB, but not hcpC were found to be expressed during vegetative growth and under developmental conditions. Therefore, hcpC, albeit no obvious pseudogene, was excluded from this study. Both HcpA and HcpB show the characteristic conserved domain structure of HP1 proteins, consisting of an N-terminal chromo domain and a C-terminal chromo shadow domain, which are separated by a hinge. Both proteins show all biochemical activities characteristic for HP1 proteins, such as homo- and heterodimerisation in vitro and in vivo, and DNA binding activtity. HcpA furthermore seems to bind to K9-methylated histone H3 in vitro. The proteins thus appear to be structurally and functionally conserved in Dictyostelium. The proteins display largely identical subnuclear distribution in several minor foci and concentration in one major cluster at the nuclear periphery. The localisation of this cluster adjacent to the nucleus-associated centrosome and its mitotic behaviour strongly suggest that it represents centromeric heterochromatin. Furthermore, it is characterised by histone H3 lysine-9 dimethylation (H3K9me2), which is another hallmark of Dictyostelium heterochromatin. Therefore, one important aspect of the work was to characterise the so-far largely unknown structural organisation of centromeric heterochromatin. The Dictyostelium homologue of inner centromere protein INCENP (DdINCENP), co-localized with both HcpA and H3K9me2 during metaphase, providing further evidence that H3K9me2 and HcpA/B localisation represent centromeric heterochromatin. Chromatin immunoprecipitation (ChIP) showed that two types of high-copy number retrotransposons (DIRS-1 and skipper), which form large irregular arrays at the chromosome ends, which are thought to contain the Dictyostelium centromeres, are characterised by H3K9me2. Neither overexpression of full-length HcpA or HcpB, nor deletion of single Hcp isoforms resulted in changes in retrotransposon transcript levels. However, overexpression of a C-terminally truncated HcpA protein, assumed to display a dominant negative effect, lead to an increase in skipper retrotransposon transcript levels. Furthermore, overexpression of this protein lead to severe growth defects in axenic suspension culture and reduced cell viability. In order to elucidate the proteins functions in centromeric heterochromatin formation, gene knock-outs for both hcpA and hcpB were generated. Both genes could be successfully targeted and disrupted by homologous recombination. Surprisingly, the degree of functional redundancy of the two isoforms was, although not unexpected, very high. Both single knock-out mutants did not show any obvious phenotypes under standard laboratory conditions and only deletion of hcpA resulted in subtle growth phenotypes when grown at low temperature. All attempts to generate a double null mutant failed. However, both endogenous genes could be disrupted in cells in which a rescue construct that ectopically expressed one of the isoforms either with N-terminal 6xHis- or GFP-tag had been introduced. The data imply that the presence of at least one Hcp isoform is essential in Dictyostelium. The lethality of the hcpA/hcpB double mutant thus greatly hampered functional analysis of the two genes. However, the experiment provided genetic evidence that the GFP-HcpA fusion protein, because of its ability to compensate the loss of the endogenous HcpA protein, was a functional protein. The proteins displayed quantitative differences in dimerisation behaviour, which are conferred by the slightly different hinge and chromo shadow domains at the C-termini. Dimerisation preferences in increasing order were HcpA-HcpA << HcpA-HcpB << HcpB-HcpB. Overexpression of GFP-HcpA or a chimeric protein containing the HcpA C-terminus (GFP-HcpBNAC), but not overexpression of GFP-HcpB or GFP-HcpANBC, lead to increased frequencies of anaphase bridges in late mitotic cells, which are thought to be caused by telomere-telomere fusions. Chromatin targeting of the two proteins is achieved by at least two distinct mechanisms. The N-terminal chromo domain and hinge of the proteins are required for targeting to centromeric heterochromatin, while the C-terminal portion encoding the CSD is required for targeting to several other chromatin regions at the nuclear periphery that are characterised by H3K9me2. Targeting to centromeric heterochromatin likely involves direct binding to DNA. The Dictyostelium genome encodes for all subunits of the origin recognition complex (ORC), which is a possible upstream component of HP1 targeting to chromatin. Overexpression of GFP-tagged OrcB, the Dictyostelium Orc2 homologue, showed a distinct nuclear localisation that partially overlapped with the HcpA distribution. Furthermore, GFP-OrcB localized to the centrosome during the entire cell cycle, indicating an involvement in centrosome function. DnmA is the sole DNA methyltransferase in Dictyostelium required for all DNA(cytosine-)methylation. To test for its in vivo activity, two different cell lines were established that ectopically expressed DnmA-myc or DnmA-GFP. It was assumed that overexpression of these proteins might cause an increase in the 5-methyl-cytosine(5-mC)-levels in the genomic DNA due to genomic hypermethylation. Although DnmA-GFP showed preferential localisation in the nucleus, no changes in the 5-mC-levels in the genomic DNA could be detected by capillary electrophoresis.

Molecular mechanisms controlling the precision of chemokine guided cell migration

By the end of the first day of embryonic development, zebrafish primordial germ cells (PGCs) arrive at the site where the gonad develops. In our study we investigated the mechanisms controlling the precision of primordial germ cell arrival at their target. We found that in contrast with our expectations which were based on findings in Drosophila and mouse, the endoderm does not constitute a preferred migration substrate for the PGCs. Rather, endoderm derivatives are important for later stages of organogenesis keeping the PGC clusters separated. It would be interesting to investigate the precise mechanism by which endoderm controls germ cell position in the gonad. In their migration towards the gonad, zebrafish germ cells follow the gradient of chemokine SDF-1a, which they detect using the receptor CXCR4b that is expressed on their membrane. Here we show that the C-terminal region of CXCR4b is responsible for down-regulation of receptor activity as well as for receptor internalization. We demonstrate that receptor molecules unable to internalize are less potent in guiding germ cells to the site where the gonad develops, thereby implicating chemokine receptor internalization in facilitating precision of migration during chemotaxis in vivo. We demonstrate that while CXCR4b activity positively regulates the duration of the active migration phases, the down-regulation of CXCR4b signalling by internalization limits the duration of this phase. This way, receptor signalling contributes to the persistence of germ cell migration, whereas receptor down-regulation enables the cells to stop and correct their migration path close to the target where germ cells encounter the highest chemokine signal. Chemokine receptors are involved in directing cell migration in different processes such as lymphocyte trafficking, cancer and in the development of the vascular system. The C-terminal domain of many chemokine receptors was shown to be essential for controlling receptor signalling and internalization. It would therefore be important to determine whether the role for receptor internalization in vivo as described here (allowing periodical corrections to the migration route) and the mechanisms involved (reducing the level of signalling) apply for those other events, too.

Structural characterization and distribution of zebrafish germ plasm during interphase and mitosis

In zebrafish, germ cells are responsible for transmitting the genetic information from one generation to the next. During the first cleavages of zebrafish embryonic development, a specialized part of the cytoplasm known as germ plasm, is responsible of committing four blastomeres to become the progenitors of all germ cells in the forming embryo. Much is known about how the germ plasm is spatially distributed in early stages of primordial germ cell development, a process described to be dependant on microtubules and actin. However, little is known about how the material is inherited after it reorganizes into a perinuclear location, or how is the symmetrical distribution regulated in order to ensure proper inheritance of the material by both daughter cells. It is also not clear whether there is a controlled mechanism that regulates the number of granules inherited by the daughter cells, or whether it is a random process. We describe the distribution of germ plasm material from 4hpf to 24hpf in zebrafish primordial germ cells using Vasa protein as marker. Vasa positive material appears to be conglomerate into 3 to 4 big spherical structures at 4hpf. While development progresses, these big structures become smaller perinuclear granules that reach a total number of approximately 30 at 24hpf. We investigated how this transformation occurs and how the minus-end microtubule dependent motor protein Dynein plays a role in this process. Additionally, we describe specific colocalization of microtubules and perinuclear granules during interphase and more interestingly, during all different stages of cell division. We show that distribution of granules follow what seems to be a regulated distribution: during cells division, daughter cells inherit an equal number of granules. We propose that due to the permanent colocalization of microtubular structures with germinal granules during interphase and cell division, a coordinated mechanism between these structures may ensure proper distribution of the material among daughter cells. Furthermore, we show that exposure to the microtubule-depolymerizing drug nocodazole leads to disassembly of the germ cell nuclear lamin matrix, chromatin condensation, and fusion of granules to a big conglomerate, revealing dependence of granular distribution on microtubules and proper nuclear structure.