Charakterisierung und Stabilität von Arthropoden-Hämocyanin

Hämocyanine sind große, multimere Sauerstofftransport- proteine, die frei gelöst in der Hämolymphe von Arthropoden und Mollusken vorkommen.Zur Charakterisierung verschiedener Arthropoden-hämocyanine wurden deren molare Massen bestimmt. Die mit einer Vielwinkel-Laser-Lichtstreuapparatur ermittelten Molekulargewichte zeigten eine grosse Schwankungsbreite. Dies konnte auf Ungenauigkeiten der zur Berechnung der Molekulargewichte verwendeten spezifischen Extinktions- koeffizienten und Brechungsindex-Inkremente zurückgeführt werden.Mit der Methode der Massenspektrometrie (MALDI-TOF) bestimmte Molekulargewichte einzelner Untereinheiten des Hämocyanins der Vogelspinne Eurypelma californicum zeigten eine sehr gute Übereinstimmung mit aus der Sequenz errechneten Werten.Für das 24-mere Spinnenhämocyanin von Eurypelma californicum wurde die Stabilität gegenüber GdnHCl und der Temperatur auf den verschiedenen strukturellen Ebenen des Proteins untersucht.Viele Stabilitätsuntersuchungen werden an kleinen Proteinen durchgeführt, deren Entfaltung kooperativerfolgt. Bei größeren Proteinen mit unterschiedlichen strukturellen Bereichen (Domänen) ist der Entfaltungs-prozess weitaus komplexer. Ziel war es, durch die Denaturierung des Spinnen-Hämocyanins Erkenntnisse über die Stabilität und Entfaltung der verschiedenen strukturellen Ebenen eines so großen Proteinkomplexes zu gewinnen.Ein wichtiges Charakteristikum für die Interpretation der Entfaltungsexperimente ist die starke Löschung der Tryptophanfluoreszenz im oxygenierten Spinnen-Hämocyanin. Die Löschung kann vollständig durch Förster-Transfer erklärt werden kann. Sie bleibt auf die einzelnen Untereinheiten beschränkt und stellt somit ein reines O₂-Beladungssignal dar.Unter Einwirkung von GdnHCl dissoziiert das native, 24-mere Spinnen-Hämocyanin ohne die Entstehung langlebiger Inter- mediate. Die Untereinheiten werden durch das Oligomer stabilisiert. Die Entfaltung eines Monomers, der Unter- einheit e, folgt einer Hierarchie der verschiedenen strukturellen Ebenen des Moleküls. Die Entfaltung beginnt zunächst von außen mit der Auflockerung der Tertiärstruktur. Der Kern von Domäne II mit dem aktiven Zentrum weist hingegen eine besondere Stabilität auf.Die ausgeprägte Hitzestabilität des Eurypelma-Hämocyanins hängt vom Oligomerisierungsgrad, dem verwendeten Puffer und dessen Ausgangs-pH-Wert ab und spiegelt offensichtlich die extremen Lebensbedingungen im Habitat wider.

3D-Cryo-Elektronenmikroskopie des 4x6-Hämocyanins der Vogelspinne Eurypelma californicum unter Oxy- und Deoxybedingungen

Arthropodenhämocyanine und Molluskenhämocyanine, die extrazellulären Atmungsproteine der Arthropoden und Mollusken, unterscheiden sich grundsätzlich im Aufbau, besitzen aber ähnliche aktive Zentren, welche in ihrer oxydierten Form für die Blaufärbung der Hämocyanine verantwortlich sind. Sauerstoff wird im Bindungszentrum zwischen zwei, von sechs Histidinen ligandierten, Kupfer(I)Ionen gebunden. Arthropodenhämocyanine bauen sich artspezifisch aus 1, 2, 4, 6, oder 8 Hexameren mit D3-Symmetrie auf. Die Untereinheiten von je ca. 75 kDa falten sich in drei Domänen unterschiedlicher Funktionen. Der komplexe, hierarchische Zusammenbau der Arthropodenhämocyanine hängt von der Heterogenität der Untereinheiten ab. Die 7 verschieden Sequenzen des 4x6-Hämocyanins von Eurypelma californicum (EcHc) sind biochemisch in der Quartärstruktur lokalisiert. Bislang fehlte noch ein unabhängig erstelltes 3D-Modell der geometrischen Gesamtstruktur welche die hexamere und monomere Topographie eindeutig zeigt. Dessen Erstellung war Gegenstand dieser Arbeit, in Verbindung mit der Zielsetzung, die 3D-Rekonstruktion in den beiden extremen physiologischen Zuständen, mit und ohne gebundenen Sauerstoff, zu erzeugen. Dazu wurden in einer eigens entwickelten Atmosphären-Präparationskammer die Proteine in Lösung schockgefrorenen und mittels Cryo-3D-Elektronenmikroskopie gemessen. Aus den daraus gewonnen Projektionsbildern ließen sich mit der ”Single Particle Analyse“ die 3D-Informationen zurückberechnen. Die 3D-Rekonstruktionen wurden mit der publizierten Röntgenkristallstruktur des hexameren Referenz-Hämocyanins der Languste Panulirus interruptus verifiziert. Die Rekonstruktionen erlaubten die eindeutige Messung diverser in der Literatur diskutierter Parameter der Architektur des 4x6-EcHc und darüber hinaus weiterer geometrischer Parameter, welche hier erstmals veröffentlicht werden. SAXS-Daten sagen extreme Translationen und Rotationen von Teilquartärstrukturen zwischen oxy- und deoxy-EcHc voraus, was von den 3D-Rekonstruktionen der beiden Zustände nicht bestätigt werden konnte: Die 16 Å Rekonstruktion der Deoxyform weicht geometrisch nicht von der 21 Å Rekonstruktion der Oxyform ab. Die Einpassung der publizierten Röntgenstruktur der Untereinheit II des Hämocyanin des Pfeilschwanzkrebses Limulus polyphemus in die Rekonstruktionen unterstützt eine auf der hexameren Hierarchieebene lokalisierte Dynamik der Oxygenierung. Mittels Einpassung modellierter molekularer Strukturen der EcHc-Sequenzen konnte eine erste Vermutung zur Lokalisation der beiden zentralen Linker-Untereinheiten b und c des 4x6-Moleküls gemacht werden: Demnach würde Untereinheit b in den exponierten Hexameren des Moleküls liegen. Aussagen über die Quartärstrukturbindungen auf molekularer Ebene aufgrund der Einpassung modellierter molekularer Daten in die Rekonstruktionen sind als spekulativ einzustufen: a) Die Auflösung der Rekonstruktion ist verbesserungswürdig. b) Es gibt keine adäquate Vorlage für eine verlässliche Strukturvorhersage; die verschiedenen EcHc-Sequenzen liegen nur als Modellierung vor. c) Es wäre eine flexible Einpassung notwendig, um Ungenauigkeiten in den modellierten Strukturen durch Sekundärstrukturanpassung zu minimieren.

Molecular phylogenetic inferences on the position of the Mollusca within the Lophotrochozoa

Die phylogenetische Position der Mollusken innerhalb der Trochozoa sowie die interne Evolution der Klassen der Mollusca sind weitgehend unbekannt und wurden in meiner Arbeit anhand molekularer Merkmale untersucht. Phylogenomische Analysen zeigten in der Vergangenheit eine gute Auflösung für ursprüngliche Speziationsereignisse. Daher wurden hier drei neue EST Datensätze generiert: für Sipunculus nudus (Sipuncula), Barentsia elongata (Kamptozoa) und Lepidochitona cinerea, (Polyplacophora, Mollusca). Zusätzlich wurden gezielt Gene verschiedener Mollusken mittels RT-PCR amplifiziert. rnSowohl Kamptozoen als auch Sipunculiden wurden aufgrund morphologischer Kriterien bisher als mögliche Schwestergruppe der Mollusken gehandelt, aber die hier erzielten Ergebnisse zur Evolution der Hämerythrine, Gen-Anordnungen der mitochondrialen Genome und phylogenetische Analysen der ribosomalen und der mitochondriellen Proteine stützen diese Hypothese nicht. Die Position der Kamptozoa erwies sich hier generell als unbeständig; phylogenomische Analysen deuten eine Nähe zu den Bryozoen an, aber diese Position wird stark durch die Auswahl der Taxa beeinflusst. Dagegen weisen meine Analysen klar auf eine nähere Beziehung zwischen Annelida und Sipuncula hin. Die ribosomalen Proteine zeigen Sipuncula (und Echiura) sogar als Subtaxa der Anneliden. Wie den Mollusken fehlt den Sipunculiden jegliche Segmentierung und meine Ergebnisse legen hier die Möglichkeit des Verlusts dieses Merkmals innerhalb der Anneliden bei den Sipunculiden nahe. Innerhalb der Mollusken wurden die Solenogastren bereits als Schwestergruppe aller rezenten Mollusken vorgeschlagen. Im Rahmen meiner Arbeit wurden von drei verschiedenen Solenogastren-Arten die ersten zuverlässigen 18S rRNA-Sequenzen ermittelt, und es zeigte sich, dass alle bisher veröffentlichten 18S-Sequenzen dieser Molluskenklasse höchst unvollständig oder fehlerhaft sind. rnRibosomale Proteine sind gute phylogenetische Marker und hier wurden die Auswahl und Anzahl dieser Gene für phylogenetische Analysen optimiert. Über Sonden-basierte Detektion wurde eine sampling-Strategie getestet, die im Vergleich mit standard-phylogenomischen Ansätzen zukünftige molekulare Stammbaumrekonstruktionen mit größerem Taxonsampling ermöglicht.rn

3D-Strukturanalyse von Molluskenhämocyaninen aus elektronenmikroskopischen Bildern

Diese Arbeit präsentiert die bislang höchst aufgelösten KryoEM-Strukturen für ein Cephalopoden hämocyanin Dekamer (Nautilus pompilus Hämocyanin, NpH) und ein Gastropoden Hämocyanin Didekamer (keyhole limpet hemocyanin isoform 1). Durch die Methoden des “molecular modelling” und “rigid-body-fiting” wurde auch eine detaillierte Beschreibung beider Strukturen auf atomarem Niveau erstmalig möglich. Hämocyanine sind kupferhaltige Sauerstoff-Transportproteine die frei gelöst in Blut zahlreicher Arthropoden und Mollusken vorkommen. Allgemein sind Molluskenhämocyanine als Dekamere (Hohlzylinder aus 5 Untereinheiten-dimere) oder Didecamere (Zusammenlagerung von zwei Dekameren) zu finden. Durch Anlagerung weiterer Dekamere bilden sich teilweise tubuläre Multidekamere. Hämocyanine der Cephalopoden bestehen ausschließlich aus solitären Decameren. In Octopus und Nautilus bestehen die 10 Untereinheiten aus 7 funktionellen Einheiten(FU-a bis FU-g), wobei jede FU ein Sauerstoffmolekül binden kann. FUs a-f bilden die Wand des ringförmigen Moleküls und 10 Kopien der FU-g bilden einen sogenannten „inneren Kragenkomplex“. Das im Rahmen dieser Arbeit erstelltes molekulares Modell von NpH klärt die Struktur des Dekamers vollständig auf. Wir waren zum ersten Mal in der Lage das Untereinheiten-dimer, den Verlauf der Polypeptidkette und 15 unterschiedliche Kontaktstellen zwischen FUs zu identifizieren. Viele der inter-FU-Kontakte weisen Aminosäurenkonstellationen auf, die die Basis für die Übertragung allosterischer Wechselwirkungen zwischen FUs darstellen könnten und Hinweise für den Aufbau der allosterische Einheit geben. Potentielle Bindungsstellen für N-glykosidische Zucker und bivalente Kationen wurden auch identifiziert. Im Gegensatz zu NpH, kommen Gastropoden Hämocyanine (inkl. KLH) hauptsächlich als Didekamere vor und der Kragenkomplex wird in diesem Fall aus 2 FUs gebildet (Fu-g und FU-h). Die zusätzliche C'-terminale FU-h zeichnet sich durch eine spezielle Verlängerung von ~ 100 Aminosäuren aus. KLH stammt aus der kalifornische Schnecke Megathura crenulata und kommt seit mehreren Jahrzehnten als Immunostimulator in der immunologischen Grundlagenforschung und klinischen Anwendung zum Einsatz. KLH weist zwei Isoformen auf, KLH1 und KLH2. Das vorliegende Modell von KLH1 erlaubt die komplexe Architektur dieses riesigen Proteins in allen Details zu verstehen, sowie einen Vergleich zum dem NpH Dekamer auf atomare Ebene. Es wurde gefunden, dass das Untereinheitensegment a-b-c-d-e-f-g, sowie die equivalenten Kontaktstellen zwichen FUs stark konserviert sind. Dies deutet darauf hin, dass in Bezug auf die Übertragung allosterische Signale zwischen benachbarten FUs, grundlegende Mechanismen in beiden Molekülen beibehalten wurden. Weiterhin, konnten die Verbindungen zwischen den zwei Dekameren ertsmalig identifiziert werden. Schließlich, wurde die Topologie der N-glycosidischen Zucker, welche für die immunologische Eigenschaften von KLH1 von großer Bedeutung sind, auch aufgeklärt. Somit leistet die vorliegende Arbeit einen wesentlichen Schritt zum Verständnis der Quartärstruktur und Funktion der Molluskenhämocyanine.rn

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

Molekularbiologische Charakterisierung der beiden Untereinheiten des Mega-Hämocyanins der Schnecke Melanoides tuberculata

Bei dem 2010 von unserer Arbeitsgruppe entdeckten Mega-Hämocyanin handelt es sich um einen stark abgewandelten Typ des respiratorischen Proteins Hämocyanin, bestehend aus zwei flankierenden regulären Dekameren und einem zentralen Mega-Dekamer. Diese sind aus zwei immunologisch verschiedenen Untereinheiten mit ~400 bzw. ~550 kDa aufgebaut, die in unserer Arbeitsgruppe bereits proteinbiochemisch charakterisiert wurden. Im Zuge dieser Untersuchungen konnte zudem eine 3D-Rekonstruktion des Oligomers (13,5 MDa) mit einer Auflösung von 13Å erstellt werden. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Aufklärung der Primärstruktur beider Polypeptide bei der Schnecke Melanoides tuberculata (MtH). Es gelang, die cDNAs der beiden Untereinheiten vollständig zu sequenzieren. Die zu typischen Dekameren assemblierende MtH400-Untereinheit umfasst 3445 Aminosäuren und besitzt eine theoretische Molekularmasse von 390 kDa. Nach dem Signalpeptid von 23 Aminosäuren Länge folgen die für Gastropoden-Hämocyanine typischen funktionellen Einheiten FU-a bis FU-h. Insgesamt verfügt die MtH400-Untereinheit über sechs potentielle N-Glykosylierungsstellen. Die MtH550-Untereinheit, welche mit 10 Kopien das Mega-Dekamer bildet, umfasst 4999 Aminosäuren und besitzt eine theoretische Molekularmasse von 567 kDa. Damit handelt es sich bei dieser Untereinheit um die zweitgrößte jemals bei einem Protein detektierte Polypeptidkette. Die MtH550-Untereinheit besteht aus einem Signalpeptid von 20 Aminosäuren Länge und den typischen Wand-FUs (FU-a bis FU-f). Daran anschließend folgen sechs weitere Varianten der FU-f (FU-f1 bis FU-f6). Die MtH550-Untereinheit verfügt über insgesamt zwölf potentielle N-Glykosylierungsstellen. Anhand der ermittelten Primärstrukturdaten wird klar, dass der auffällig vergrößerte Kragenbereich des Mega-Dekamers aus je 10 Kopien der FU-f1 bis FU-f6 besteht. Die ermittelten Sequenzdaten der beiden MtH-Untereinheiten weisen im Vergleich zu anderen Hämocyanin Sequenzen einige sehr charakteristische Indels sowie unübliche N-Glykosylierungsstellen auf. Es war zudem möglich, anhand einer molekularen Uhr den Entstehungszeitpunkt des Mega-Hämocyanins zu datieren (145 ± 35 MYA). Sowohl die Topologie als auch die berechneten Trennungszeitpunkte des an allen Verzweigungen gut unterstützten Stammbaums stimmen mit den bisher publizierten und auf Hämocyanindaten basierenden molekularen Uhren überein.

Charakterisierung und Expression zweier multimerer Hämolympheproteine der Schnecke Biomphalaria glabrata

Die tropische Süsswasserschnecke Biomphalaria glabrata gehört zu der Familie der Planorbidae, welche als einziges Taxon der Gastropoden Hämoglobin als Sauerstofftransportprotein verwenden. Als Zwischenwirt des Bilharzioseerregers Schistosoma mansoni ist B. glabrata von tropenmedizinischer Interesse. Das extrazelluläre BgHb zeigt sich mit einem Anteil von 95% als Hauptprotein in der Hämolymphe. Dieses setzt sich aus Polypeptidketten mit je 240kDa zusammen. Diese wiederrum lassen sich in 13-Häm-Domänen und eine deutlich kleinere N-terminalen nicht Häm-Domäne untergliedern. Die Sequenzierung von zwei der drei Untereinheiten des BgHb (BgHb1, BgHb2) ermöglichte die rekombinante Expression ganzer Untereinheiten in Insektenzellen, und die Expression einiger BgHb2-Konstrukte in E. coli Zellen. Im Rahmen meiner Arbeit gelang es, BgHb1 in biologisch aktiver Form in Insektenzellen zu exprimieren. Das aus dem Überstand der Insektenzellen aufgereinigte rekombinante BgHb1 zeigte eine immunologische Identität mit nativen BgHb. Strukturelle Analysen belegten zudem die Assemblierung des rekombinanten BgHb1 zu einer dem nativen Protein gleichenden Quartärstruktur. Demnach konnte in meiner Arbeit der Nachweis erbracht werden, dass eine einzelne Isoform in der Lage ist, zur Quartärstruktur zu assemblieren. Zusätzlich ergaben Sauerstoffbindungsanalysen, dass das rekombinante BgHb1 reversibel Sauerstoff binden kann.rnIn den restlichen 5% der B. glabrata Hämolymphe zeigt sich ein rudimentäres Hämocyanin, welches für den Sauerstofftransport keine Rolle zu spielen scheint, und ein rosettenförmiges Protein, das es aufzuklären galt. Durch massenspektrometrische Analysen erhaltene Peptidfragmente zeigten eine hohe Sequenzähnlichkeit zu den löslichen Acetylcholin -Bindeproteinen anderer Mollusken. Diese AChBP zeigen eine hohe Sequenzähnlichkeit zur Ligandenbindedomäne von Rezeptoren der Cys-Loop-Proteinfamilie.rnDatenbankrecherchen deckten die Existenz zweier Isoformen auf

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 Karbonatsedimentologie, Biofazies und sequenzstratigraphischen Architektur eines fossilen Hochenergie-Schelfs aus dem Neogen der Algarve (Miozän, Südportugal)

Die neogene Lagos-Portimão Formation (Unter- bis Mittelmiozän) bildet einen Teil der Steilküste der Algarve (S-Portugal) und besteht aus einer zyklischen Wechsellagerung von Karbonaten und Sand-steinen. Die vorliegende Arbeit bietet ein Modell zur sedimentologischen, faziellen und stratigraphischen Entwicklung dieser Einheit an. Basierend auf Profilen entlang der gesamten lateralen Erstreckung der Einheit wurden verschiedene Gelände- und Labormethoden angewandt, um ein Modell entwickeln zu können. Messungen des Sr87/86-Isotopenverhältnisses sollten Klarheit bezüglich der stratigraphischen Position bringen. Die laterale Korrelation der Profile erfolgte über lithologische und fazielle Ansprachen. Unterstützend wurden einzelne Profile mit einem tragbaren Gammaray-Spektrometer gemessen. Es wurden vier Leithorizonte etabliert, die sich durch fazielle Merkmale und spezielle Fossilführung defi-nieren lassen. Die Mikrofazies wurde qualitativ und quantitativ analysiert. Als statistisches Verfahren wurde unter anderem eine hierarchische Clusteranalyse durchgeführt, über welche fünf Biofaziestypen des warm-temperierten Klimabereichs unterschieden werden. Die Fossilführung wird von Mollusken, Bryozoen und Rotalgen dominiert. Ausnahmen bilden stratigraphisch isolierte Vorkommen von kolo-nialen Korallen, die jedoch keine Riffkörper aufbauen. Die Ergebnisse aller zuvor erwähnten Untersuchungen deuten auf Ablagerungen eines nicht-tropischen Hochenergie-Schelfs hin. Sedimentäre Zyklen sind oftmals unvollständig, es treten Hartgründe und Auf-arbeitungs- bzw- Kondesationshorizonte auf. Die geochemische Altersdatierung weist Alterssprünge und -inversionen auf. Ein Vergleich mit dem SW-australischen Schelf und dem von James et al. (1994) eingeführten Modell des shaved shelf bietet sich aufgrund der Ähnlichkeit der Sedimentgesteine und des ozeanographischen Settings an. Weiterhin werden zeitgleiche bzw. faziell ähnliche Becken vergleichend diskutiert. Das Sedimentationsgeschehen der Lagos-Portimão Formation wird maßgeblich durch eine halokinetisch bedingte unregelmäßige Subsidenz und Hebung beeinflußt. Der Salzdom von Albufeira war während der Sedimentation der Einheit mehrfach in Bewegung. Rutschungspakete, Entlastungsspalten und Sanddikes zeugen davon. Die sequenzstratigraphische Interpretation bietet einen neuen Ansatz, in dem sie von Hochstand-Sandsteinen und Tiefstand-Karbonaten ausgeht.

Cryptic invertebrates on subtidal rocky reefs vary with microhabitat structure and protection from fishing

The deployment of flat concrete blocks on subtidal rocky reefs can replicate natural reef microhabitats and provides a means for standardized sampling of cryptic invertebrates. The shape of the cavity beneath the block is related to reef topography and may influence the invertebrate community by affecting the amount of space for cryptic fauna to colonise and influencing the effectiveness of their predator-defence mechanisms. To determine the effect of sub-block reef structure and different levels of external predators on cryptic molluscs and echinoderms, I deployed concrete blocks at locations inside and outside the Maria Island marine reserve in eastern Tasmania, Australia. Relationships between sub-block reef structure and the cryptic invertebrate assemblage were evident between locations, whereas only a small but significant proportion of variation of assemblages between blocks within location was explained by reef surface area. No clear association with external predation pressure was evident in multivariate analyses of variation in assemblage structure. Juvenile abalone Haliotis rubra were not influenced by micro-habitat structure but were significantly less abundant at protected locations, the only species to exhibit such a response. This result follows a decline of emergent adult abalone in the marine reserve and raises the possibility of recruitment failure of abalone at some fully protected locations in the longer term.

Assessing the effectiveness of a long-standing rocky intertidal protected area and its contribution to the regional conservation of species, habitats and assemblages

1. The acceptance of reserves as a useful management strategy relies on evidence of their effectiveness in preserving stocks of harvested species and conserving biodiversity. A history of ad hoc decisions in terrestrial and marine protected area planning has meant that many of these areas are contributing inefficiently to conservation goals. The conservation value of existing protected areas should be assessed when planning the placement of additional areas in a reserve network. 2. This study tested (1) the effectiveness of protection for intertidal molluscs of a marine reserve (Bouddi Marine Extension, NSW, Australia) established in 1971, and (2) the contribution of the protected area to the conservation of regional species, assemblages, and habitats. 3. The shell length and population density of one harvested (Cellana tramoserica), and three non-harvested species (Bembicium nanum, Morula marginalba, Nerita atramentosa) of intertidal molluscs were examined in the protected area and two reference locations over two seasons. 4. The heavily collected limpet C. tramoserica was significantly larger in the protected area and was the only species to exhibit a significant difference. No species significantly differed in population density between the protected area and reference locations. 5. Temporally replicated surveys of macro-molluscs at 21 locations over 75km of coastline identified that the existing protected area included 50% of species, two of five assemblage types and 19 of 20 intertidal rocky shore habitats surveyed in the study region. Reservation of a further three rocky reefs would protect a large proportion of species (71%), a representative of each assemblage and all habitat types. 6. Despite originally being selected in the absence of information on regional biodiversity, the protected area is today an effective starting point for expansion to a regional network of intertidal protected areas.

Sediment core fossils in ancient Lake Ohrid: testing for faunal change since the Last Interglacial

Ancient Lake Ohrid is probably of early Pleistocene or Pliocene origin and amongst the few lakes in the world harbouring an outstanding degree of endemic biodiversity. Although there is a long history of evolutionary research in Lake Ohrid, particularly on molluscs, a mollusc fossil record has been missing up to date. For the first time, gastropod and bivalve fossils are reported from the basal, calcareous part of a 2.6 m long sediment succession (core Co1200) from the north-eastern part of Lake Ohrid. Electron spin resonance (ESR) dating of mollusc shells from the same stratigraphic level yielded an age of 130 ± 28 ka. Lithofacies III sediments, i.e. a stratigraphic subdivision comprising the basal succession of core Co1200 between 181.5–263 cm, appeared solid, greyish-white, and consisted almost entirely of silt-sized endogenic calcite (CaCO3>70%) and intact and broken mollusc shells. Here we compare the faunal composition of the thanatocoenosis with recent mollusc associations in Lake Ohrid. A total of 13 mollusc species (9 gastropod and 4 bivalve species) could be identified within Lithofacies III sediments. The value of sediment core fossils for reconstructing palaeoenvironmental settings was evaluated and the agreement between sediment and palaeontological proxies was tested. The study also aims at investigating major faunal changes since the Last Interglacial and searching for signs of extinction events. The combined findings of the ecological study and the sediment characteristics suggest deposition in a shallow water environment during the Last Interglacial. The fossil fauna exclusively included species also found in the present fauna, i.e. no extinction events are evident for this site since the Last Interglacial. The thanatocoenosis showed the highest similarity with recent Intermediate Layer (5–25 m water depth) mollusc assemblages. The demonstrated existence of a mollusc fossil record in Lake Ohrid sediment cores also has great significance for future deep drilling projects. It can be hoped that a more far reaching mollusc fossil record will then be obtained, enabling insight into the early evolutionary history of Lake Ohrid.

Molluscan memory of injury: evolutionary insights into chronic pain and neurological disorders.

Molluscan preparations have yielded seminal discoveries in neuroscience, but the experimental advantages of this group have not, until now, been complemented by adequate molecular or genomic information for comparisons to genetically defined model organisms in other phyla. The recent sequencing of the transcriptome and genome of Aplysia californica, however, will enable extensive comparative studies at the molecular level. Among other benefits, this will bring the power of individually identifiable and manipulable neurons to bear upon questions of cellular function for evolutionarily conserved genes associated with clinically important neural dysfunction. Because of the slower rate of gene evolution in this molluscan lineage, more homologs of genes associated with human disease are present in Aplysia than in leading model organisms from Arthropoda (Drosophila) or Nematoda (Caenorhabditis elegans). Research has hardly begun in molluscs on the cellular functions of gene products that in humans are associated with neurological diseases. On the other hand, much is known about molecular and cellular mechanisms of long-term neuronal plasticity. Persistent nociceptive sensitization of nociceptors in Aplysia displays many functional similarities to alterations in mammalian nociceptors associated with the clinical problem of chronic pain. Moreover, in Aplysia and mammals the same cell signaling pathways trigger persistent enhancement of excitability and synaptic transmission following noxious stimulation, and these highly conserved pathways are also used to induce memory traces in neural circuits of diverse species. This functional and molecular overlap in distantly related lineages and neuronal types supports the proposal that fundamental plasticity mechanisms important for memory, chronic pain, and other lasting alterations evolved from adaptive responses to peripheral injury in the earliest neurons. Molluscan preparations should become increasingly useful for comparative studies across phyla that can provide insight into cellular functions of clinically important genes.

The role of glucosinolates and the jasmonic acid pathway in resistance of Arabidopsis thaliana against molluscan herbivores

Although slugs and snails play important roles in terrestrial ecosystems and cause considerable damage on a variety of crop plants, knowledge about the mechanisms of plant immunity to molluscs is limited. We found slugs to be natural herbivores of Arabidopsis thaliana and therefore investigated possible resistance mechanisms of this species against several molluscan herbivores. Treating wounded leaves with the mucus residue (‘slime trail’) of the Spanish slug Arion lusitanicus increased wound-induced jasmonate levels, suggesting the presence of defence elicitors in the mucus. Plants deficient in jasmonate biosynthesis and signalling suffered more damage by molluscan herbivores in the laboratory and in the field, demonstrating that JA-mediated defences protect A. thaliana against slugs and snails. Furthermore, experiments using A. thaliana mutants with altered levels of specific glucosinolate classes revealed the importance of aliphatic glucosinolates in defending leaves and reproductive structures against molluscs. The presence in mollusc faeces of known and novel metabolites arising from glutathione conjugation with glucosinolate hydrolysis products suggests that molluscan herbivores actively detoxify glucosinolates. Higher levels of aliphatic glucosinolates were found in plants during the night compared to the day, which correlated well with the nocturnal activity rhythms of slugs and snails. Our data highlight the function of well-known antiherbivore defence pathways in resistance against slugs and snails and suggest an important role for the diurnal regulation of defence metabolites against nocturnal molluscan herbivores.

Quantification of biotic responses to rapid climatic changes around the Younger Dryas — a synthesis

To assess the presence or absence of lags in biotic responses to rapid climatic changes, we: (1) assume that the δ18O in biogenically precipitated carbonates record global or hemispheric climatic change at the beginning and at the end of the Younger Dryas without any lag at our two study sites of Gerzensee and Leysin, Switzerland; (2) derive a time scale by correlating the δ18O record from these two sites with the δ18O record of the GRIP ice core; (3) measure δ18O records in ostracods and molluscs to check the record in the bulk samples and to detect possible hydrological changes; (4) analyse at Gerzensee and Leysin as well as at two additional sites (that lack carbonates and hence a δ18O record) pollen, plant macrofossils, chironomids, beetles and other insects, and Cladocera; (5) estimate our sampling resolution using the GRIP time scale for the isotope stratigraphies and the biostratigraphies; and (6) summarise the major patterns of compositional change in the biostratigraphies by principal component analysis or correspondence analysis. We conclude that, at the major climatic shifts at the beginning and end of the Younger Dryas, hardly any biotic lags occur (within the sampling resolution of 8–30 years) and that upland vegetation responded as fast as aquatic invertebrates. We suggest that the minor climatic changes associated with the Gerzensee and Preboreal oscillations were weakly recorded in the biostratigraphies at the lowland site, but were more distinct at higher altitudes. Individualistic responses of plant and animal species to climatic change may reflect processes in individuals (e.g. productivity and phenology), in populations (e.g. population dynamics), in spatial distributions (e.g. migrations), and in ecosystems (e.g. trophic state). We suggest that biotic responses may be telescoped together into relatively short periods (50 to 150 years), perhaps disrupting functional interactions among species and thus destabilising ecosystems.