Proteins control in biomineralization processes of the freshwater pearl mussel Hyriopsis cumingii

Pearls are an amazing example of calcium carbonate biomineralization. They show a classic brick and mortar internal structure in which the predominant inorganic part is composed by aragonite and vaterite tablets. The organic matrix is disposed in concentric layers tightly associated to the mineral structures. Freshwater cultivate pearls (FWCPs) and shells nacreous layers of the Chinese mussel Hyriopsis cumingii were demineralized using an ion exchange resin in order to isolate the organic matrix. From both starting materials a soluble fraction was obtained and further analyzed. The major component of the soluble extracts was represented by a similar glycoprotein having a molecular weight of about 48 kDa in pearls and 44 kDa in shells. Immunolocalization showed their wide distribution in the organic sheet surrounding calcium carbonate tablets of the nacre and in the interlamellar and intertabular matrix. These acidic glycoprotein also contained inside the aragonite platelets, are direct regulators during biomineralization processes, participating to calcium carbonate precipitation since the nucleation step. Selective calcium carbonate polymorph precipitation was performed using the two extracts. The polysaccharides moiety was demonstrate to be a crucial factor in polymorphs selection. In particular, the higher content in sugar groups found in pearls extract was responsible of stabilization of the high energetic vaterite during the in vitro precipitation assay; while irregular calcite was obtained using shells protein. Furthermore these polypeptides showed a carbonic anhydrase activity that, even if not directly involved in polymorphs determination, is an essential regulator in CaCO3 formation by means of carbonate anions production. The structural and functional characterization of the proteins included in biocomposites, gives important hints for understanding the complicated process of biomineralization. A better knowledge of this natural mechanism can offer new strategies for producing environmental friendly materials with controlled structures and enhanced chemical-physical features.

Identifizierung und Charakterisierung neuer Proteine des Abwehrsystems der Porifera - ein Apoptoseregulator und ein antimikrobielles Protein aus dem Schwamm Suberites domuncula

Aufgrund ihrer Lebensweise und -umgebung sind effiziente Strategien zur Abwehr bedrohender Einflüsse essentiell für die Porifera. Eine dieser Strategien stellen die Apoptose in höheren Metazoen, sowie ein effizientes Immunsystem dar. Diese sichern sowohl das Überleben des Organismus als auch die Entfernung beschädigter, infizierter oder redundanter Zellen. Bei Untersuchungen der Porifera auf Moleküle, die an diesen Prozessen beteiligt sind, konnten in den letzten Jahren beachtliche Erfolge erzielt werden. So konnten das in der Apoptose involvierte Protein GCDD2 (proapoptotisch), die antiapoptotischen GCBHP1 und GCBHP2 Proteine (Wiens et al., 2001), sowie ein LPS induzierbarer TNF (Wiens et al., 2007) und zwei Caspasen (Wiens et al., 2003) in Schwämmen identifiziert werden. Um diese essentiellen Mechanismen besser verstehen zu können, sollte ein möglicher Tumor-Nekrose-Faktor-Rezeptor identifiziert werden. Hierzu wurde die SpongeBase Datenbank nach Proteinen mit Todesdomänen durchsucht und diese unter Anwendung von PCR- und Screening-Techniken in einer cDNA-Bank des marinen Schwammes S. domuncula komplettiert. Im Anschluss an ihre Sequenzierung wurde ein Klon ausgewählt, dessen Todesdomäne größte Homologie zu einem TNFR zeigte. Dieser Klon SD_TNFR-like (Suberites domuncula TNFR-homologes Protein) wurde anschließend diversen Sequenz- und Strukturanalysen unterzogen. Diese offenbarten die Existenz zweier funktional bedeutsamer Domänen (Ubiquitin-like und Todesdomäne). Vor allem die Todesdomäne impliziert eine Beteiligung des Proteins an apoptotischen Prozessen. Über einen „Yeast Two Hybrid Screen“ sollten Proteine identifiziert werden, welche mit dem Ausgangsprotein interagieren. Hierbei wurde ein Protein identifiziert, das Ähnlichkeit mit einem antimikrobiellen Peptid aufweist. Dieses Protein kann analog zu einer Gruppe von antimikrobiellen Peptiden, den α-helikalen kationischen Peptiden, in drei Teile gespalten werden. Das Signalpeptid sowie ein anionisches Propeptid werden abgespalten und es entsteht ein kationisches, antimykotisch wirksames Peptid. Beide Proteine sollten, sofern sie in die Abwehrreaktionen involviert sind, durch Inkubation mit mikrobiellen Strukturen vermehrt exprimiert werden. Eine Überprüfung der Transkription mittels Northern Blot Analysen bestätigte dies für das SD_TNFR-like nach Inkubation mit LPS und TNF- α sowie für SD_Brevinin-like nach Inkubation mit LPS, PAM und Hefe. Mit der Herstellung eines rekombinanten SD_TNFR-like-Proteins wurde die Immunisierung von Kaninchen und die folgende Gewinnung eines polyklonalen SD_TNFR-like-Antikörpers ermöglicht. Dieser gestattete den Nachweis der SD_TNFR-like -Expression mittels Western Blot-Analysen sowie die stressinduzierte erhöhte Expression mittels Dot Blot-Analysen auch auf Proteinebene. Um die Funktion des SD_TNFR-like Proteins zu charakterisierten, wurde ein Test mit RAW-Blue™-Zellen durchgeführt. Die Ergebnisse implizieren, dass das Protein Teil der Immunreaktion analog der der TLR- bzw. NLR- Reaktion ist. Auch die Interaktion mit einem antimikrobiellen Protein, welches für das Überleben des Organismus und die Bekämpfung der Mikroorganismen sorgt, deutet auf eine solche Beteiligung hin. Zusätzlich wird diese These durch ein Ergebnis der Strukturanalysen unterstützt, nämlich die Identifizierung einer TRAF2 Bindestelle. TRAF2 ist ein Adapterprotein der TNFR und aktiviert Überlebensfaktoren über den NF - B-Weg. Immunohistochemische Analysen zeigten, dass das SD_TNFR-like Protein im Organismus vor allem um die Bakteriozysten, um verschiedene Mikroorganismen und am Rand des Schwammes exprimiert wird, was ebenfalls für eine immunologische Funktionsweise spricht. Auch im restlichen Gewebe wird es kontinuierlich, auch ohne vorherige LPS Inkubation exprimiert. Diese Akkumulation zeigt deutlich, dass das Protein in einen Schutzmechanismus gegen äußere Bedrohungen involviert ist. Es scheint dabei direkt an den eindringenden Mikroorganismen zu wirken. Das SD_TNFR-like ist demnach ein potentieller Bestandteil der Immunantwort des Schwammes, welches Apoptose verhindern und Überlebensmechanismen aktivieren kann. Das SD_Brevinin-like Protein besitzt antimykotische Aktivität, wie in einem antimikrobiellen Test gezeigt werden konnte. Weiterhin scheint es für das SD_TNFR-like Protein als positiver bzw. negativer Regulator von Bedeutung zu sein, der eine Reaktion entweder beendet oder die Expression von Überlebensfaktoren verstärkt. Die in dieser Arbeit präsentierten Ergebnisse und Schlussfolgerungen demonstrieren somit die Identifizierung eines neuen Schwammproteins, welches eine Rolle in der Immunantwort spielt, sowie eines neuen antimikrobiellen Peptids, welches die Wirkung des TNFR-like moduliert. Es müssen jedoch noch weitere Funktionsanalysen folgen, um den Mechanismus des SD_TNFR-like Proteins und seine Regulation genauer charakterisieren zu können

Entwicklung eines immunologischen Testsystems zur Detektion des marinen Biotoxins Domoinsäure

Domoinsäure ist ein von mehreren Arten mariner Kieselalgen der Gattung Pseudonitzschia produziertes Toxin, welches während einer Algenblüte in Molluscen wie z.B. der Miesmuschel Mytilus sp. akkumuliert werden kann. Beim Verzehr solch kontaminierter Muscheln können sowohl beim Menschen als auch bei Tieren erhebliche Vergiftungserscheinungen auftreten, die von Übelkeit, Kopfschmerzen und Orientierungsstörungen bis hin zum Verlust des Kurzzeitgedächtnisses (daher auch als amnesic shellfish poisoning bekannt) reichen und in einigen Fällen tödlich enden. rnDie heute gängigen Methoden zur Detektion von Domoinsäure in Muschelgewebe wie Flüssigkeitschromatographie und Maus-Bioassay sind zeit- und kostenintensiv bzw. in Anbetracht einer Verbesserung des Tierschutzes aus ethischer Sicht nicht zu vertreten. Immunologische Testsysteme stellen eine erstrebenswerte Alternative dar, da sie sich durch eine vergleichsweise einfache Handhabung, hohe Selektivität und Reproduzierbarkeit auszeichnen.rnDas Ziel der vorliegenden Arbeit war es, ein solches immunologisches Testsystem zur Detektion von Domoinsäure zu entwickeln. Hierfür wurden zunächst Antikörper gegen Domoinsäure gewonnen, wofür das Toxin wiederum als erstes über die Carbodiimid-Methode an das Trägerprotein keyhole limpet hemocyanin (KLH) gekoppelt wurde, um eine Immunantwort auslösen zu können. Kaninchen und Mäuse wurden mit KLH-DO-Konjugaten nach vorgegebenen Immunisierungsschemata immunisiert. Nach vier Blutabnahmen zeigte das polyklonale Kaninchenantiserum eine ausreichend hohe Sensitivität zum Antigen; das nachfolgende Detektionssystem wurde mit Hilfe dieses polyklonalen Antikörpers aufgebaut. Zwar ist es gegen Ende der Arbeit auch gelungen, einen spezifischen monoklonalen Antikörper aus der Maus zu gewinnen, jedoch konnte dieser aus zeitlichen Gründen nicht mehr im Detektionssystem etabliert werden, was durchaus wünschenswert gewesen wäre. rnWeiterhin wurde Domoinsäure im Zuge der Entwicklung eines neuartigen Testsystems an die Trägerproteine Ovalbumin, Trypsininhibitor und Casein sowie an Biotin konjugiert. Die Kopplungserfolge wurden im ELISA, Western Blot bzw. Dot Blot nachgewiesen. Die Ovalbumin-gekoppelte sowie die biotinylierte Domoinsäure dienten im Folgenden als die zu messenden Größen in den Detektionsassays- die in einer zu untersuchenden Probe vorhandende, kompetitierende Domoinsäure wurde somit indirekt nachgewiesen. rnDer zulässige Höchstwert für Domoinsäure liegt bei 20 µg/g Muschelgewebe. Sowohl mit Biotin-DO als auch mit OVA-DO als den zu messenden Größen waren Domoinsäurekonzentrationen unterhalb dieses Grenzwertes nachweisbar; allerdings erwies sich der Aufbau mit Biotin-DO um das ca. 20-fache empfindlicher als jener mit OVA-DO. rnDie in dieser Arbeit präsentierten Ergebnisse könnten als Grundlage zur Etablierung eines kommerzialisierbaren immunologischen Testsystems zur Detektion von Domoinsäure und anderen Biotoxinen dienen. Nach erfolgreicher Validierung wäre ein solches Testsystem in seiner Handhabung einfacher als die gängige Flüssigkeitschromatographie und besser reproduzierbar als der Maus-Bioassay.rn

Calibration study of bivalve shells : implications for paleoenvironmental reconstruction

The accretionary shells of bivalve mollusks can provide environmental information, such as water temperature, precipitation, freshwater fluxes, primary productivity and anthropogenic activities in the form of variable growth rates and variable geochemical properties, such as stable oxygen and carbon isotopes. However, paleoenvironmental reconstructions are constrained by uncertainties about isotopic equilibrium fractionation during shell formation, which is generally acknowledged as a reasonable assumption for bivalves, but it has been disputed in several species. Furthermore, the variation in shell growth rates is accepted to rely on multiple environmental variables, such as temperature, food availability and salinity, but can differ from species to species. Therefore, it is necessary to perform species-specific calibration studies for both isotope proxies and shell growth rates before they can be used with confidence for environmental interpretations of the past. Accordingly, the principal objective of this Ph.D research is to examine the reliability of selected bivalve species, the long-lived Eurhomalea exalbida (Dillwyn), the short-lived and fast growing species Paphia undulata (Born 1778), and the freshwater mussel Margaritifera falcata (Gould 1850), as paleoenvironmental proxy archives.rnThe first part is focused on δ18Oshell and shell growth history of live-collected E. exalbida from the Falkland Islands. The most remarkable finding, however, is that E. exalbida formed its shell with an offset of -0.48‰ to -1.91‰ from the expected oxygen isotopic equilibrium with the ambient water. If this remained unnoticed, paleotemperature estimates would overestimate actual water temperatures by 2.1-8.3°C. With increasing ontogenetic age, the discrepancy between measured and reconstructed temperatures increased exponentially, irrespective of the seasonally varying shell growth rates. This study clearly demonstrates that, when the disequilibrium fractionation effect is taken into account, E. exalbida can serve as a high-resolution paleoclimate archive for the southern South America. The species therefore provides quantifiable temperature estimates, which yields new insights into long-term paleoclimate dynamics for mid to high latitudes on the southern hemisphere.rnThe stable carbon isotope of biogenic carbonates is generally considered to be useful for reconstruction of seawater dissolved inorganic carbon. The δ13Cshell composition of E. exalbida was therefore, investigated in the second part of this study. This chapter focuses on inter-annual and intra-annual variations in δ13Cshell. Environmental records in δ13Cshell are found to be strongly obscured by changes in shell growth rates, even if removing the ontogenetic decreasing trend. This suggests that δ13Cshell in E. exalbida may not be useful as an environmental proxy, but a potential tool for ecological investigations. rnIn addition to long-lived bivalve species, short-lived species that secrete their shells extremely fast, can also be useful for environmental reconstructions, especially as a high-resolution recorder. Therefore, P. undulata from Daya Bay, South China Sea was utilized in Chapter 4 to evaluate and establish a potential proxy archive for past variations of the East Asian monsoon on shorter time-scales. The δ18Oshell can provide qualitative estimates of the amount of monsoonal rain and terrestrial runoff and the δ13Cshell likely reflect the relative amount of isotopically light terrestrial carbon that reaches the ocean during the summer monsoon season. Therefore, shells of P. undulata can provide serviceable proxy archives to reconstruct the frequency of exceptional summer monsoons in the past. The relative strength of monsoon-related precipitation and associated changes in ocean salinity and the δ13C ratios of the dissolved inorganic carbon signature (δ13CDIC) can be estimated from the δ18Oshell and δ13Cshell values as well as shell growth patterns. rnIn the final part, the freshwater pearl shell M. falcata from four rivers in British Columbia, Canada was preliminarily studied concerning the lifespans and the shell growth rates. Two groups separated by the Georgia Strait can be clearly distinguished. Specimens from the western group exhibit a shorter lifespan, while the eastern group live longer. Moreover, the average lifespan seems to decrease from south to north. The computed growth equations from the eastern and western groups differ as well. The western group exhibits a lower growth rate, while bivalves from the eastern group grow faster. The land use history seems to be responsible for the differences in lifespans of the specimens from the two groups. Differences in growth rate may be induced by differences in water temperature or nutrient input also related to the land use activities.

Impact of anthropogenic stressors on the population genetics of the common bioindicator Dreissena polymorpha (Pallas, 1771)

Toxicant inputs from agriculture, industry and human settlements have been shown to severely affect freshwater ecosystems. Pollution can lead to changes in population genetic patterns through various genetic and stochastic processes. In my thesis, I investigated the impact of anthropogenic stressors on the population genetics of the zebra mussel Dreissena polymorpha. In order to analyze the genetics of zebra mussel populations, I isolated five new highly polymorphic microsatellite loci. Out of those and other already existing microsatellite markers for this species, I established a robust marker set of six microsatellite loci for D. polymorpha. rnMonitoring the biogeographical background is an important requirement when integrating population genetic measures into ecotoxicological studies. I analyzed the biogeographical background of eleven populations in a section of the River Danube (in Hungary and Croatia) and some of its tributaries, and another population in the River Rhine as genetic outgroup. Moreover, I measured abiotic water parameters at the sampling sites and analyzed if they were correlated with the genetic parameters of the populations. The genetic differentiation was basically consistent with the overall biogeographical history of the populations in the study region. However, the genetic diversity of the populations was not influenced by the geographical distance between the populations, but by the environmental factors oxygen and temperature and also by other unidentified factors. I found strong evidence that genetic adaptation of zebra mussel populations to local habitat conditions had influenced the genetic constitution of the populations. Moreover, by establishing the biogeographical baseline of molecular variance in the study area, I laid the foundation for interpreting population genetic results in ecotoxicological experiments in this region.rnIn a cooperation project with the Department of Zoology of the University of Zagreb, I elaborated an integrated approach in biomonitoring with D. polymorpha by combining the analysis techniques of microsatellite analysis, Comet assay and micronucleus test (MNT). This approach was applied in a case study on freshwater contamination by an effluent of a wastewater treatment plant (WWTP) in the River Drava (Croatia) and a complementary laboratory experiment. I assessed and compared the genetic status of two zebra mussel populations from a contaminated and a reference site. Microsatellite analysis suggested that the contaminated population had undergone a genetic bottleneck, caused by random genetic drift and selection, whereas a bottleneck was not detected in the reference population. The Comet assay did not indicate any difference in DNA damage between the two populations, but MNT revealed that the contaminated population had an increased percentage of micronuclei in hemocytes in comparison to the reference population. The laboratory experiment with mussels exposed to municipal wastewater revealed that mussels from the contaminated site had a lower percentage of tail DNA and a higher percentage of micronuclei than the reference population. These differences between populations were probably caused by an overall decreased fitness of mussels from the contaminated site due to genetic drift and by an enhanced DNA repair mechanism due to adaptation to pollution in the source habitat. Overall, the combination of the three biomarkers provided sufficient information on the impact of both treated and non-treated municipal wastewater on the genetics of zebra mussels at different levels of biological organization.rnIn my thesis, I could show that the newly established marker set of six microsatellite loci provided reliable and informative data for population genetic analyses of D. polymorpha. The adaptation of the analyzed zebra mussel populations to the local conditions of their habitat had a strong influence on their genetic constitution. We found evidence that the different genetic constitutions of two populations had influenced the outcome of our ecotoxicological experiment. Overall, the integrated approach in biomonitoring gave comprehensive information about the impact of both treated and non-treated municipal wastewater on the genetics of zebra mussels at different levels of biological organization and was well practicable in a first case study.