3D-ultrastructure, functions and stress responses of rhogocytes from the freshwater gastropods Biomphalaria glabrata and Lymnaea stagnalis

Rhogocytes, also termed ‘pore cells’, exist free in the hemolymph or embedded in the connective tissue of different body parts of molluscs, notably gastropods. These unique cells can be round, elongated or irregularly shaped, and up to 30 μm in diameter. Their hallmark is the so-called slit apparatus: i.e. pocket-like invaginations of the plasma membrane creating extracellular lacunae, bridged by cytoplasmic bars. These bars form distinctive slits of ca. 20 nm width. A slit diaphragm composed of proteins establishes a molecular sieve with holes of 20 x 20 nm. Different functions have been assigned to this special molluscan cell type, notably biosynthesis of the hemolymph respiratory protein hemocyanin. It has further been proposed, but not proven, that in the case of red-blooded snail species rhogocytes might synthesize the hemoglobin. However, the secretion pathway of these hemolymph proteins, and the functional role of the enigmatic slit apparatus remained unclear. Additionally proposed functions of rhogocytes, such as heavy metal detoxification or hemolymph protein degradation, are also not well studied. This work provides more detailed electron microscopical, histological and immunobiochemical information on the structure and function of rhogocytes of the freshwater snails Biomphalaria glabrata and Lymnaea stagnalis. By in situ hybridization on mantle tissues, it proves that B. glabrata rhogocytes synthesize hemoglobin and L. stagnalis rhogocytes synthesize hemocyanin. Hemocyanin is present, in endoplasmic reticulum lacunae and in vesicles, as individual molecules or pseudo-crystalline arrays. The first 3D reconstructions of rhogocytes are provided by means of electron tomography and show unprecedented details of the slit apparatus. A highly dense material in the cytoplasmic bars close to the diaphragmatic slits was shown, by immunogold labeling, to contain actin. By immunofluorescence microscopy, the protein nephrin was localized at the periphery of rhogocytes. The presence of both proteins in the slit apparatus supports the previous hypothesis, hitherto solely based on similarities of the ultrastructure, that the molluscan rhogocytes are phylogenetically related to mammalian podocytes and insect nephrocytes. A possible secretion pathway of respiratory proteins that includes a transfer mechanism of vesicles through the diaphragmatic slits is proposed and discussed. We also studied, by electron microscopy, the reaction of rhogocytes in situ to two forms of animal stress: deprivation of food and cadmium contamination of the tank water. Significant cellular reactions to both stressors were observed and documented. Notably, the slit apparatus surface and the number of electron-dense cytoplasmic vesicles increased in response to cadmium stress. Food deprivation led to an increase in hemocyanin production. These observations are also discussed in the framework of using such animals as potential environmental biomarkers.

Zur Evolution des Cytoskeletts beim Sibirischen Stör Acipenser baeri

Im Rahmen meiner Arbeit wurden erstmals die Intermediärfilament-Proteine (IF-Proteine) des Sibirischen Störs Acipenser baeri (Strahlenflosser, Knorpelganoid) kloniert und sequenziert. Aus einer cDNA-Bank konnten die Sequenzen von 13 IF-Proteine gewonnen werden. Von insgesamt zehn Keratinen codieren sieben für Typ I-Keratine und drei für Typ II. Zusätzlich konnten noch Desmin, Vimentin und ein Lamin identifiziert werden. Je einem Typ I- (K13) und einem Typ-II-Keratin (K2) fehlen wenige Aminosäuren in der Head-Domäne.Cytoskelett-Präparationen aus Epidermis, Mitteldarm, Magen und Kieme wurden mittels 2D-PAGE aufgetrennt. Durch Einsatz des CKBB-Test und Immunoblots wurden die verschiedenen Typ I und II-Keratine sowie Desmin und Vimentin identifiziert. Die gewebsspezifische Expression der Keratine ermöglichte zumeist ihre Einteilung in 'E' (epidermal) und 'S' ('simple epithelial').Die MALDI-MS-Analyse einer 2D-PAGE-Koelektrophorese von Seitenflosse und Mitteldarm zeigte, daß die 34 vorhandenen Proteinflecke auf nur 13 verschiedene IF-Proteine zurückgehen. Neun dieser Flecke konnten Sequenzen zugewiesen werden. Zusammen mit den verbleibenden vier Proteinflecken ergeben sich für den Stör nunmehr insgesamt 17 bekannte IF-Proteine. Von drei biochemisch identifizierten IS-Keratinen kommt eines nur im Mitteldarm vor und nur einem konnte eine Sequenz zugeordnet werden (K18). Dem einzigen Typ IIS-Keratin konnte keine Sequenz zugeordnet werden, wahrscheinlich handelt es sich um dabei um das K8-Orthologe. Jedem der fünf Typ IE-Proteine konnte eine Sequenz zugeordnet werden (K10 bis K14), ebenso wie dem einzigen identifizierten Typ IIE-Keratin (K2). Von den Typ III-Proteinen wurden Desmin und Vimentin ihren Proteinflecken zugeordnet. Die nicht zugeordnete Sequenz aba-k1 codiert möglicherweise für ein IIE-Keratin, während aba-k15 vermutlich die Sequenz für ein IE-Keratin enthält. Bei den Proteinflecken, denen eine Sequenz zugeordnet werden konnten, kann für Aba-K2 die Zugehörigkeit zum IIE-Typ angenommen werden, während es sich bei Aba-K10 wahrscheinlich um ein IE-Keratin handelt.Durch Datenbankvergleiche und molekulare Stammbäume konnte die Zugehörigkeit der identifizierten Lamin-Sequenz zum B3-Subtyp der Vertebraten gezeigt werden.Die Daten der Biochemie und indirekten Immunfluoreszenzmikroskopie zeigen, daß Keratine in Epithelien und Vimentin in mesenchymalen Geweben vorkommen. Es existieren starke Hinweise, daß im letzten Gewebetyp Keratine auch koexprimiert werden. Desmin kommt in großen Mengen im Magen und im Mitteldarm vor und stellt dort das prominenteste Protein.Mit den gewonnenen Sequenzdaten wurden molekulare Stammbäume und Sequenzidentitäten berechnet. Die daraus resultierenden Konsequenzen für die Verwandtschaftsverhältnisse der verschiedenen IF-Proteine sowie der Wirbeltiere werden diskutiert.

On the inheritance and mechanism of baculovirus resistance of the codling moth, Cydia pomonella (L.)

Das Cydia pomonella Granulovirus (CpGV, Baculoviridae) wird seit Ende der 1980er Jahre als hoch-selektives und effizientes biologisches Bekämpfungsmittel zur Kontrolle des Apfelwicklers im Obstanbau eingesetzt. Seit 2004 wurden in Europa verschiedene Apfelwicklerpopulationen beobachtet die resistent gegenüber dem hauptsächlich angewendeten Isolat CpGV-M aufweisen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung der Vererbung und des Mechanismus der CpGV Resistenz. Einzelpaarkreuzungen zwischen einem empfindlichen Laborstamm (CpS) und einem homogen resistenten Stamm (CpRR1) zeigten, dass die Resistenz durch ein einziges dominantes Gen, das auf dem Z-Chromosom lokalisiert ist, vererbt wird. Massernkreuzungen zwischen CpS und einer heterogen resistenten Feldpopulation (CpR) deuteten zunächst auf einen unvollständig dominanten autosomalen Erbgang hin. Einzelpaarkreuzungen zwischen CpS und CpR bewiesen jedoch, dass die Resistenz in CpR ebenfalls monogen dominant und geschlechtsgebunden auf dem Z-Chromosom vererbt wird. Diese Arbeit diskutiert zudem die Vor- und Nachteile von Einzelpaarkreuzungen gegenüber Massernkreuzungen bei der Untersuchung von Vererbungsmechanismen. Die Wirksamkeit eines neuen CpGV Isolates aus dem Iran (CpGV-I12) gegenüber CpRR1 Larven, wurde in Bioassays getestet. Die Ergebnisse zeigen, dass CpGV-I12 die Resistenz in allen Larvenstadien von CpRR1 brechen kann und fast so gut wirkt wie CpGV-M gegenüber CpS Larven. Daher ist CpGV-I12 für die Kontrolle des Apfelwicklers in Anlagen wo die Resistenz aufgetreten ist geeignet. Um den der CpGV Resistenz zugrunde liegenden Mechanismus zu untersuchen, wurden vier verschiedene Experimente durchgeführt: 1) die peritrophische Membran degradiert indem ein optischer Aufheller dem virus-enthaltenden Futtermedium beigefügt wurde. Das Entfernen dieser mechanischen Schutzbarriere, die den Mitteldarm auskleidet, führte allerdings nicht zu einer Reduzierung der Resistenz in CpR Larven. Demnach ist die peritrophische Membran nicht am Resistenzmechanismus beteiligt. 2) Die Injektion von Budded Virus in das Hämocoel führte nicht zur Brechung der Resistenz. Folglich die die Resistenz nicht auf den Mitteldarm beschränkt, sondern auch in der Sekundärinfektion wirksam. 3) Die Replikation von CpGV in verschiedenen Geweben (Mitteldarm, Hämolymphe und Fettkörper) von CpS und CpRR1 wurde mittels quantitativer PCR verfolgt. In CpS Larven konnte in allen drei Gewebetypen sowohl nach oraler als auch nach intra-hämocoelarer Infektion eine Zunahme der CpGV Genome in Abhängigkeit der Zeit festgestellt werden. Dagegen konnte in den Geweben aus CpRR1 nach oraler sowie intra-hämocoelarer Infektion keine Virusreplikation detektiert werden. Dies deutet darauf hin, dass die CpGV Resistenz in allen Zelltypen präsent ist. 4) Um zu untersuchen ob ein humoraler Faktor in der Hämolymphe ursächlich an der Resistenz beteiligt ist, wurde Hämolymphe aus CpRR1 Larven in CpS Larven injiziert und diese anschließend oral mit CpGV infiziert. Es konnte jedoch keine Immunreaktion beobachtet und kein Faktor in der Hämolymphe identifiziert werden, der Resistenz induzieren könnte. Auf Grundlage dieser Ergebnisse kann festgestellt werden, dass in resistenten Apfelwicklerlarven die virale Replikation in allen Zelltypen verhindert wird, was auf eine Virus-Zell Inkompatibilität hinweist. Da in CpRR1 keine DNA Replikation beobachtet wurde, wird die CpGV Resistenz wahrscheinlich durch eine frühe Unterbindung der Virusreplikation verursacht.Das früh exprimierte Gen pe38 codiert für ein Protein, das wahrscheinlich für die Resistenzbrechung durch CpGV-I12 verantwortlich ist. Interaktionen zwischen dem Protein PE38 und Proteinen in CpRR1 wurden mit Hilfe des Yeast Two-Hybrid (Y2H) Systems untersucht. Die detektierten Interaktionen sind noch nicht durch andere Methoden bestätigt, jedoch wurden zwei mögliche Gene auf dem Z-Chromosom und eines auf Chromosom 15 gefunden, wie möglicherweise an der CpGV Resistenz beteiligt sind.

Methods and strategies to identify the mode of action of phytoactive compounds

Small molecules affecting biological processes in plants are widely used in agricultural practice as herbicides or plant growth regulators and in basic plant sciences as probes to study the physiology of plants. Most of the compounds were identified in large screens by the agrochemical industry, as phytoactive natural products and more recently, novel phytoactive compounds originated from academic research by chemical screens performed to induce specific phenotypes of interest. The aim of the present PhD thesis is to evaluate different approaches used for the identification of the primary mode of action (MoA) of a phytoactive compound. Based on the methodologies used for MoA identification, three approaches are discerned: a phenotyping approach, an approach based on a genetic screen and a biochemical screening approach.rnFour scientific publications resulting from my work are presented as examples of how a phenotyping approach can successfully be applied to describe the plant MoA of different compounds in detail.rnI. A subgroup of cyanoacrylates has been discovered as plant growth inhibitors. A set of bioassays indicated a specific effect on cell division. Cytological investigations of the cell division process in plant cell cultures, studies of microtubule assembly with green fluorescent protein marker lines in vivo and cross resistant studies with Eleusine indica plants harbouring a mutation in alpha-tubulin, led to the description of alpha-tubulin as a target site of cyanoacrylates (Tresch et al., 2005).rnII. The MoA of the herbicide flamprop-m-methyl was not known so far. The studies described in Tresch et al. (2008) indicate a primary effect on cell division. Detailed studies unravelled a specific effect on mitotic microtubule figures, causing a block in cell division. In contrast to other inhibitors of microtubule rearrangement such as dinitroanilines, flamprop-m-methyl did not influence microtubule assembly in vitro. An influence of flamprop-m-methyl on a target within the cytoskeleton signalling network could be proposed (Tresch et al., 2008).rnIII. The herbicide endothall is a protein phosphatase inhibitor structurally related to the natural product cantharidin. Bioassay studies indicated a dominant effect on dark-growing cells that was unrelated to effects observed in the light. Cytological characterisation of the microtubule cytoskeleton in corn tissue and heterotrophic tobacco cells showed a specific effect of endothall on mitotic spindle formation and ultrastructure of the nucleus in combination with a decrease of the proliferation index. The observed effects are similar to those of other protein phosphatase inhibitors such as cantharidin and the structurally different okadaic acid. Additionally, the observed effects show similarities to knock-out lines of the TON1 pathway, a protein phosphatase-regulated signalling pathway. The data presented in Tresch et al. (2011) associate endothall’s known in vitro inhibition of protein phosphatases with in vivo-effects and suggest an interaction between endothall and the TON1 pathway.rnIV. Mefluidide as a plant growth regulator induces growth retardation and a specific phenotype indicating an inhibition of fatty acid biosynthesis. A test of the cuticle functionality suggested a defect in the biosynthesis of very-long-chain fatty acids (VLCFA) or waxes. Metabolic profiling studies showed similarities with different groups of VLCFA synthesis inhibitors. Detailed analyses of VLCFA composition in tissues of duckweed (Lemna paucicostata) indicated a specific inhibition of the known herbicide target 3 ketoacyl-CoA synthase (KCS). Inhibitor studies using a yeast expression system established for plant KCS proteins verified the potency of mefluidide as an inhibitor of plant KCS enzymes. It could be shown that the strength of inhibition varied for different KCS homologues. The Arabidopsis Cer6 protein, which induces a plant growth phenotype similar to mefluidide when knocked out, was one of the most sensitive KCS enzymes (Tresch et al., 2012).rnThe findings of my own work were combined with other publications reporting a successful identification of the MoA and primary target proteins of different compounds or compound classes.rnA revised three-tier approach for the MoA identification of phytoactive compounds is proposed. The approach consists of a 1st level aiming to address compound stability, uniformity of effects in different species, general cytotoxicity and the effect on common processes like transcription and translation. Based on these findings advanced studies can be defined to start the 2nd level of MoA characterisation, either with further phenotypic characterisation, starting a genetic screen or establishing a biochemical screen. At the 3rd level, enzyme assays or protein affinity studies should show the activity of the compound on the hypothesized target and should associate the in vitro effects with the in vivo profile of the compound.

Leishmania major promastigote entry of an autophagy-like compartment and amastigote escape from the parasitophorous vacuole

In this thesis, we investigated the interaction of the obligate intracellular parasite Leishmania (L.) major with two phenotypes of human monocyte derived macrophages (hMDMs). Thereby we focused on the development and maturation of the parasitophorous vacuole (PV) and could show that compartment development is dependent on the parasite stage.rnFocusing on the ultrastructure of PVs containing axenic amastigotes, we demonstrated that the parasites are partially located in damaged PVs or in the cytoplasm of the host. Moreover, we visualized multiple amastigotes in a common PV 144 h p.i. in pro-inflammatory hMDM I but not in anti-inflammatory hMDM II indicating different PV development. rnRegarding the promastigote form, we demonstrated a different uptake of viable and apoptotic L. major promastigotes by hMDMs. Viable promastigotes are predominantly taken up via the flagellum tip whereas apoptotic promastigotes enter the cells via the parasite body. Analyzing compartment maturation, we found that 20-30% of the PVs get positive for the early maturation markers PI3P and EEA1 independent of the viability of the parasites and unaffected by the human macrophage type. Subsequently, 25-40% of the parasites acquire the autophagy marker LC3 on their PV, what is independent of the viability of the parasites as well. We quantified this and in hMDM II less LC3-positive compartments formed compared to hMDM I. Analyzing the ultrastructure, we investigated that the compartments consist of a single-membrane PV characteristic for LC3-associated phagocytosis (LAP). Involvement of LAP was confirmed by demonstrating that the protein kinase ULK1 is dispensable for LC3-compartment formation around Leishmania PVs. Visualizing compartment dynamics in real time showed that apoptotic promastigotes are degraded in LC3-positve compartments, whereas viable promastigotes are able to get rid of LC3-protein on their PV suggesting an involvement in parasite development and survival. In this thesis, we established a lentiviral based fluorescent imaging technique that we combined with High-Pressure-Freezing (HPF) and high-resolution 3D electron microscopy. We visualized a promastigote in a LC3-compartment whose ultrastructure showed an opening of the PV to the outside. To identify new LAP markers involved in Leishmania infection, we established an immuno-magnetic isolation protocol for the purification of Leishmania containing compartments.rnIn conclusion, this study suggests that L. major compartment biogenesis and maturation in pro- and anti-inflammatory human macrophages is dependent on the parasite stage and is different between axenic amastigotes, viable promastigotes and apoptotic promastigotes. Understanding the development and maturation of Leishmania parasites in human host cells is important to control and combat the neglected disease leishmaniasis in the future.rn