Isolation and functional characterization of Hrp65-binding proteins in Chironomus tentans

It is well-established that the organization of nuclear components influences gene expression processes, yet little is known about the mechanisms that contribute to the spatial co-ordination of nuclear activities. The salivary gland cells of Chironomus tentans provide a suitable model system for studying gene expression in situ, as they allow for direct visualization of the synthesis, processing and export of a specific protein-coding transcript, the Balbiani ring (BR) pre-mRNA, in a nuclear environment in which chromatin and non-chromatin structures can easily be distinguished. The RNAbinding protein Hrp65 has been identified in this model system as a protein associated with non-chromatin nucleoplasmic fibers, referred to as connecting fibers (CFs). The CFs associate with BR RNP particles in the nucleoplasm, suggesting that Hrp65 is involved in mRNA biogenesis at the post-transcriptional level. However, the function of Hrp65 is not known, nor is the function or the composition of CFs. In the work described in this thesis, we have identified by yeast two-hybrid screening and characterized different proteins that bind to Hrp65. These proteins include a novel hnRNP protein in C. tentans named Hrp59, various isoforms of Hrp65, the splicing- and mRNA export factor HEL/UAP56, and a RING-domain protein of unknown function. Immuno-electron microscopy experiments showed that Hrp59 and HEL are present in CFs, and in larger structures in the nucleoplasm of C. tentans salivary gland cells. Hrp59 is a C. tentans homologue of human hnRNP M, and it associates cotranscriptionally with a subset of pre-mRNAs, including its own transcript, in a manner that does not depend quantitatively on the amount of synthesized RNA. Hrp59 accompanies the BR pre-mRNA from the gene to the nuclear envelope, and is released from the BR mRNA at the nuclear pore complex. We have identified the preferred RNA targets of Hrp59 in Drosophila cells, and we have shown that Hrp59 binds preferentially to exonic splicing enhancer sequences. Hrp65 self-associates through an evolutionarily conserved domain that can also mediate heterodimerization of Hrp65 homologues. Different isoforms of Hrp65 interact with each other in all possible combinations, and Hrp65 can oligomerize into complexes of at least six molecules. The interaction between different Hrp65 isoforms is crucial for their intracellular localization, and we have discovered a mechanism by which Hrp65-2 is imported into the nucleus through binding to Hrp65-1. Hrp65 binds to HEL/UAP56 in C. tentans cells. We have analyzed the distribution of the two proteins on polytene chromosomes and in the nucleoplasm of salivary gland cells, and our results suggest that Hrp65 and HEL become associated during posttranscriptional gene expression events. HEL binds to the BR pre-mRNP cotranscriptionally, and incorporation of HEL into the pre-mRNP does not depend on the location of introns along the BR pre-mRNA. HEL accompanies the BR mRNP to the nuclear pore and is released from the BR mRNP during translocation into the cytoplasm.

Funktionale Analyse des CpY/DmX Gens aus Chironomus und Drosophila melanogaster

Zusammenfassung: Funktionale Analyse des CpY/DmX Gens aus Chironomus und Drosophila melanogaster Bei CpY und DmX handelt es sich um homologe neuartige Gene aus den Dipteren Chironomus piger und Drosophila melanogaster. CpY und DmX bestehen aus 15 Exons, die für eine mRNA von ca. 11,5 kb kodieren.Das Gen hat eine genomische Länge von ca. 15 kb. Die abgeleiteten Genprodukte sind durch eine hohe Anzahl von WD-Repeats gekennzeichnet.WD-Proteine besitzen in der Regel regulatorische Funktionen in allen möglichen Bereichen. Ein Strukturvergleich mit homologen Genen legt die Vermutung nahe, daß sich sowohl am N- als auch am C-Terminus eine WD-Propellerstruktur befindet. CpY aus Chironomus piger ist in einem hromosomalen Abschnitt lokalisiert, der den Kern eines evolvierendenGeschlechtschromosoms darstellt. Dieses Gen besitzt im Gegensatz zu DmX geschlechtsspezifisch in Introns integrierte Transposons und wird quantitativ geschlechtsspezifisch gespleißt. DmX ist auf dem X-Chromosom im Bereich 5D6-5E1 lokalisiert, es konnte jedoch kein geschlechtsspezifisches Expressionsmuster diagnostiziert werden. Die Transkriptionsanalyse ergab,daß DmX während der Oogenese und der gesamten Embryonalentwicklung transkribiert wird. Dabei wird neben einer ubiquitären Grundexpression DmX in einer gewebespezifischen Weise exprimiert. Die DmX-Transkriptewandern offensichtlich - wie die CpY-Transkripte - in großer Menge in die reifende Oozyte. Bei DmX/CpY könnte es sich also um ein maternales Effektgen handeln. Während der Embryogenese können zunächst DmX-Transkripte am posterioren Pol nachgewiesen werden. Danach färben die vorderen und hinteren Mitteldarmvorläufer, dann spezifische Zellen im ZNS und in reifen Embryonen das gesamte ZNS, Sinnesorgan-Anlagen im Kopf, sowie der Enddarm. Das dem DmX benachbarte Gen DmSPX, welchen mit diesem einen gemeinsamen 174 bp großen bidirektionalen Promoter besitzt, zeigt ein von DmX unterschiedliches Transkriptionsmuster. Mit einer Reihe von Keimbahntransformationen konnten die für eine ordnungsgemäße Expression hinreichenden regulatorischen Bereiche identifiziert werden. In Versuchen, mittels verschiedener 'Antisense'-Strategien einen Phänotyp zu generieren, konnte kein spezifischer Phänotyp nachgewiesen werden. Durch die erfolgreiche Keimbahntranformationeines Rettungsvektors, welcher ein intaktes DmX-Gen enthält, konnte der Phänotyp von EMS-DmX-Mutanten identifiziert werden: Nach anfänglich normaler Embryonalentwicklung werden die Larven im Laufe des L1-Stadiums schlaff und inaktiv, jedoch nicht paralytisch und stellen Bewegung und Nahrungsaufnahme ein. Kurz nachdem wildtypische Larven das L2-Stadium erreichen, sterben die Mutanten ab. Der Phänotyp wei'st starke Ähnlichkeit zu Synaptotagmin I-Mutanten und zu alpha-Adaptin-Mutanten auf. Das Transkriptionsmuster ähnelt dem von alpha-Adaptin und AP50. Alle diese Gene spielen in der Endozytose eine Rolle

Die molekulare Evolution der Hämoglobin-Genfamilie in Chironomus tentans

Zusammenfassung In der vorliegenden Arbeit wurden 74736 bp genomischer DNA-Sequenzder Hämoglobingen-Gruppe D aus der Chironomiden Art Chironomus tentansentschlüsselt und analysiert. Durch Datenbankrecherchen undSequenz-Vergleiche wurden 29 vollständige Hämoglobin-Geneidentifiziert und klassifiziert. Es zeigt sich, daß alle derzeitbekannten Hämoglobin-Gene der Chironomiden auch in Chironomus tentansvorhanden sind. Zusätzlich konnten in Chironomus tentans sechs neueHämoglobin-Varianten identifiziert werden, die bislang weder aufProtein- noch auf Gen-Ebene in anderen Spezies nachgewiesenwurden. Die Hämoglobin-Gene liegen in dichter Abfolge innerhalbdes Clusters, wobei durchschnittlich etwa alle 2 kb ein Gen zufinden ist. Die Abfolge der Hämoglobin-Gene innerhalb derGengruppe wird nur an einer Stelle durch ein interspergiertes Genaus der Familie der Glukosetransporter unterbrochen. Desweiterenkonnten zwei retrotransponierbare Elemente der SINE-Klasse (CP1)innerhalb des Hämoglobingen-Clusters identifiziert werden. AlleGene besitzen die für ihre Expression erforderlichenSignalsequenzen, so daß es sich höchstwahrscheinlich um aktiveGene handelt. Die abgeleiteten Aminosäure-Sequenzen weisen alleCharakteristika sauerstofftransportierender Moleküle auf. Da es sich bei den Hämoglobinen um eine sehr alte Genfamiliehandelt, kann die vergleichende Analyse derHämoglobin-Genstruktur bei Vertebraten, Invertebraten, Pflanzenund Protozoen zur Rekonstruktion der Intron-Evolution genutztwerden. Die Konservierung von Intronpositionen in homologen Genenverschiedener Taxa gilt dabei als Maß für das relativestammesgeschichtliche Alter der Introns. Eine Vielzahl derHämoglobin-Gene von Invertebraten weisen ein Intron im zentralenGenbereich auf. Auch bei einigen Chironomiden-Arten konntendiese 'zentralen Introns' nachgewiesen werden. DieHämoglobin-Gene von Chironomus tentans galten hingegen bislang als intronlos.Die vorliegende Untersuchung zeigt, daß auch zweiHämoglobin-Gene dieser Spezies je ein kurzes Intron aufweisen.Der Vergleich der Intronverteilung in den Hämoglobin-Genen derChironomiden führt zu dem Ergebnis, daß alle vorhandenen Intronsam sparsamsten (im Sinne des 'maximum parsimony'-Prinzips) durchunabhängige Insertionen in ein intronlosesVorläufer-Hämoglobin-Gen erklärt werden können. Alle bislangin Chironomiden beschriebenen Introns sind mit großerWahrscheinlichkeit nicht ortholog (Hankeln et al., 1997; dieseArbeit). Das Vorläufer-Hämoglobin-Gen in Chironomiden besaßdaher vermutlich kein 'zentrales Intron'. Die in Chironomidengefundenen Verhältnisse stellen somit die von Go (1981)formulierte Hypothese der Ursprünglichkeit des 'zentralenIntrons' in Hämoglobin-Genen in Frage. Die in Invertebraten undPflanzen beschriebenen 'zentralen Introns' sind vermutlich nichthomolog und dementsprechend auch nicht auf ein Intron imanzestralen Globin zurückzuführen. Vielmehr implizieren die inhohem Maße variablen Positionen der 'zentralen Introns' beiPflanzen und Invertebraten ihre unabhängige Insertion in diejeweiligen Globin-Gene nach der Aufspaltung der Taxa. Grundsätzlich können zwei Klassen von Hämoglobin-Genen inChironomiden unterschieden werden. Die überwiegende Mehrzahl derHämoglobine wird von Genen kodiert, die nur in einer Kopie imGenom vorliegen. Sie werden dementsprechend als 'single copy'Varianten bezeichnet. Für andere Hämoglobin-Varianten konntehingegen eine Vielzahl leicht unterschiedlicher Gene beschriebenwerden. Diese bilden sogenannte Gen-Subfamilien. In Chironomus tentans konntegezeigt werden, daß neben den 7B-Genen auch die 7A-Gene eineeigene Subfamilie bilden. Die 'single copy' Varianten zeichnensich im Interspezies-Vergleich durch ihre konservierteNukleotid-Sequenz aus: Sie unterliegen während ihrer Evolutionoffenbar einer stabilisierenden Selektion, d.h. Veränderungenihrer Protein-Sequenzen werden nur in geringem Maße toleriert.Auch ihre räumliche Anordnung innerhalb der Gengruppe istzwischenartlich konserviert. Der Vergleich der 'single copy'Varianten innerhalb einer Art zeigt, daß diese sehr deutlicheSequenz-Unterschiede zueinander aufweisen. Sie bilden somit einkonserviertes Sortiment an Hämoglobin-Genen, das weitgehend vorder Radiation der Arten entstanden ist und eine über dieArtgrenzen hinweg unveränderte 'Hämoglobin-Grundausstattung'gewährleistet. Im Gegensatz hierzu zeichnen sich die Mitglieder vonHämoglobin-Gen-Sub-familien durch eine hohe Variabilität aus:Nukleotid-Sequenz, Anzahl und Organisation der Gene innerhalb derGenfamilie weisen im zwischenartlichen Vergleich zahlreicheUnterschiede auf. Es ist daher nur selten möglich allein aufGrundlage der Nukleotid-Sequenzen orthologe Genpaare zuidentifizieren. Die orthologen Gene der 7B-Subfamilie aus Chironomus tentansund chth konnten ausschließlich anhand korrespondierenderIntergen-Sequenzen einander zugeordnet werden. Somit sind dieGen-Subfamilien präferenziell an der Entstehung einesspeziesspezifischen Gen-Repertoires beteiligt. Variationen derNukleotid-Sequenz, Gen-Anzahl und Gen-Organisation innerhalb derSubfamilie werden im Gegensatz zu den 'single copy' Varianten ineinem hohen Maße toleriert. Aufgrund der hohen Sequenz-Übereinstimmungen zwischen denMitgliedern der Gen-Subfamilien unterliegen diese einer Vielzahlvon Rearrangements, die in Gen-Duplikationen, Deletionen undSequenz-Homogenisierungen resultieren. So führten beispielsweiseGenduplikationen durch ungleiches, homologes Crossing-over mitgroßer Wahrscheinlichkeit zur Entstehung und Expansion der7A-Subfamilie. Auch die Gene Cte12-1 und Cte 12-2 sind vermutlichdas Ergebnis eines rezenten Duplika-tions-Ereignisses. DerMechanismus der Retrotransposition, der zu einer Duplika-tioneines 3`-untranslatierten Bereichs innerhalb der 7A-Subfamilieführte, scheint für die Entstehung derHämoglobin-Multiplizität in Chironomiden hingegen wenigerbedeutsam zu sein. Innerhalb der 7A-Subfamilie ist eineAngleichung der Gene durch konzertierte Sequenz-Evolution zubeobachten. Der nukleotidweise Vergleich von Gen-Sequenzen zeigtam Beispiel der Gene 7A7 und 7A8, daß die konzertierte Evolutiondieser Gen-Varianten auf dem Mechanismus der Genkonversionberuht. Auch die Gen-Subfamilie 7B unterliegt offenbar in hohemMaße einer solchen Sequenz-Homogenisierung. Im Sinne einer molekularen Uhr sollten synonyme Basenaustauscheweitgehend neutral sein und sich proportional zur Zeit in denGenen anhäufen. Der Vergleich der Hämoglobin-Gen-Sequenzenzeigt, daß große Unterschiede in der Anzahl der synonymenBasenaustausche zwischen orthologen Genen nicht zwangsläufig dasErgebnis einer frühen Trennung dieser Gene sind. Die Übertragungvon Sequenzen zwischen paralogen Genen kann die Anzahl dersynonymen Basenaustausche orthologer Gene in kürzester Zeitverändern und den tatsächlichen Zeitpunkt der Trennung zweierorthologen Gene überdecken. Werden Genkonversionen nichterkannt, weil beispielsweise nicht alle Gene der Gruppevollständig erfaßt werden konnten, führt der Vergleichorthologer Gen-Sequenzen zwangsläufig zu falschen evolutionärenGendistanzen. Da die Mitglieder der Hämoglobin-Genfamiliebesonders häufig Rekombinations-Prozessen unterliegen, sind siedaher möglicherweise weniger nützliche Kanditaten für dieErmittlung evolutionärer Distanzen zwischen den verschiedenenChironomiden-Arten. Insgesamt zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, daß anhanddetaillierter phylogenetischer Analysen sich die Evolution derHämoglobin-Multigenfamilie von Chironomiden umfassendbeschreiben läßt. Ob einzelne, besonders gut konservierteGen-Varianten (wie z. B. die Gene Cte 8 und Cte W) einespezifische physiologische Funktion erfüllen oder ob dieGen-Subfamilien, die ein speziesspezifisches Genrepertoirebilden, an der Einnischung der verschiedenen Arten beteiligtsind, sollte durch weiterführende Untersuchungen (z. B. derGenexpression sowie der physiologischen Eigenschaften einzelnerVarianten) ermittelt werden können.

Regelmechanismen und Determinanten der Transkription in Polytänchromosomen von Chironomus und Drosophila

Die kumulative Habil.‐Schrift gründet sich auf 6 Originalpublikationen, die beschreiben: [Sass, H. (1982), Cell 28: 269‐278]. RNA polymerase B in polytene chromosomes: Immunofluorescent and autoradiographic analysis during stimulated and repressed RNA synthesis. Elektronenmikroskopie charakterisierte das C. tentans Balbianiring BR2‐Gen von Speicheldrüsenchromosomen als hoch aktives 5‐6 μm langes single‐copy Gen, das 33/μm RNAPolymerasen B (Pol II) transkribieren (Diss., Sass, H., 1978, Univ. Tübingen). Diese Immunfluoreszenzstudie ortet Pol II in allen Interbanden von Region IV‐3B10‐3B5 des nichtinduzierten BR2. Prominente Fluoreszenz im BR2‐Genort 3B9/10 zeigt, das BR2‐Gen ist präaktiv, wie erwartet. 3H‐Autoradiogramme beweisen, in allen fluoreszierenden BR2, BR1, BR3, Puffs, aufgelockerten Banden, Interbanden und Loci ohne Puffing, synthetisiert Pol II RNA. Die genomweite ständige Pol II‐Präsenz zeigt, dass, wie beim nichtinduzierten BR2‐Gen, bereits schon gebundene Pol II wohl auch andere Gene präaktiviert. So erfolgt die Regulation der Transkription mehr über die transkriptionelle Elongation. Auch durch α‐Amanitin, oder Actinomycin D, oder Hitzeschock in vivo kollabierte BR2, BR1, BR3 besitzen Pol II. [Sass, H. (1984), Chromosoma 90: 20‐25]. Gene identification in polytene chromosomes: some Balbiani ring 2 gene sequences are located in an interband‐like region of Chironomus tentans. Immunfluoreszenz und 3H‐Autoradiographie zeigen, dass Injektionen von DRB in Larven die Balbianiringe (BR) sowie andere Puffs und deren Pol II‐Konzentration dramatisch reduzieren. Trotzdem zeigen 3H‐Uridin markierte Speicheldrüsenchromosomen, dass RNA‐Synthese doch in nichtinduzierten BR2, BR1, BR3 erfolgt, aber nur auf reduziertem Level. Das widerspricht der von Egyházi E. (1975, PNAS 73:947‐950) propagierten „Inhibition of Balbiani ring RNA synthesis at the initiation level“ durch DRB. Vielmehr sieht es so aus, DRB wirkt bei der transkriptionellen Elongation inhibierend. Durch in situ‐Hybridisierung von Sequenzen klonierter BR2‐DNA wurde in Speicheldrüsenchromosom IV das BR2‐Gen in Region 3B9/10 direkt identifiziert. [Sass, H. and Pederson, T. (1984), J. Mol. Biol. 180: 911‐926]. Transcription‐dependent localization of U1 and U2 small nuclear ribonucleoproteins at major sites of gene activity in polytene chromosomes. Immunolokalisation von Sm‐, U1‐ und U2snRNP‐spezifischen Antigenen in Speicheldrüsenchromosomen von C. tentans hat zur Entdeckung der beim Spleißen von prä‐mRNA beteiligten U1/U2snRNPs in Balbianiringen BR2, BR1, BR3 sowie anderen Puffs und aufgelockerten Banden geführt. Die überraschenden BR‐Daten zeigen erstmals: (i) Der Spleiß‐Apparat ist in Genloci mit intensiver RNA‐Synthese schon vorhanden. (ii) Immunfluoreszenz reflektiert den Exon‐Intron‐Bau dieser BR‐Gene. (iii) Transkription und spleißosomales Ausschneiden von Introns sind koordiniert. [Sass, H. (1989), Nucleic Acids Research 17: 10508]. Hsp82‐neo transposition vectors to study insertional mutagenesis in Drosophila melanogaster and tissue culture cells; [Sass, H. (1990), Gene 89: 179‐186]. P‐transposable vectors expressing a constitutive and thermoinducible hsp82‐neo fusion gene for Drosophila germline transformation and tissue‐culture transfection. Beschrieben sind Design, Konstruktion und Expression der Genfusion hsp82‐neo als ein in vivo selektierbares Reporter‐/Markergen, die Transposons P{hsp82‐neo/Adh} sowie P{hsp82‐neo} und Transformations‐Vektoren pHS22, pHS24, pHS85, pHS103 und pHS104. Sie stellen das von der Fliege gebildete Enzym bakteriellen Ursprungs, Neomycin‐Phosphotransferase II, für die G418‐Selektion bereit, um die Position, Struktur, Expression und Funktion von Genen mittels hsp82‐neo‐Mutagenese zu erforschen. [Sass, H. and Meselson, M. (1991), Proc. Natl. Acad. Sci. USA 88: 6795‐6799]. Dosage compensation of the Drosophila pseudoobscura Hsp82 gene and the D. melanogaster Adh gene at ectopic sites in D. melanogaster. Quantitative Unterschiede in der Dosiskompensation des X‐chromosomalen hsp82‐Gens von D. pseudoobscura und autosomalen Adh‐Gens von D. melanogaster wurden als Erhöhung der RNAMenge in D. melanogaster gemessen. Beide Transgene sind dosiskompensiert, sprang P{hsp82‐ neo/Adh} in euchromatische Regionen des D. melanogaster X‐Chromosoms. Beide Transgene sind nicht dosiskompensiert, insertierte P{hsp82‐neo/Adh} ins β‐Heterochromatin in Region 20 an der Basis des X. Keine der zehn autosomalen Insertionen ist dosiskompensiert. Die Ergebnisse lassen vermuten, dass X‐chromosomale regulatorische Sequenzen, die für die Verstärkung der Genaktivität um Faktor 2 in Männchen verantwortlich sind, gehäuft im X vorkommen, jedoch im β‐ Heterochromatin und den Autosomen fehlen. Das Kompensationsverhalten der transponierten Gene wird durch das neue chromosomale Milieu des Insertionsortes bestimmt.

Charakterisierung und Analyse der geschlechtsbestimmenden Region von Chironomus riparius

Die durch eine männchenspezifisch auftretende heterochromatische Bande und ein hemizygotes Cla-Element-Cluster gekennzeichnete geschlechtsbestimmende Region („sex determining region“: SDR) auf Chromosom III von C. riparius stellt ein frühes Stadium in der Evolution von Geschlechtschromosomen dar. Diese eindeutig lokalisierte chromosomale Region, die den molekular noch unbekannten männchen¬bestimmenden Faktor M enthalten muss, ist im Vergleich zu den Y-Chromosomen anderer Dipterenarten wie unter anderem M. domestica, die ebenfalls einen dominanten Männchenbestimmer besitzen, relativ klein. Aus diesem Grund bietet die SDR von C. riparius eine Möglichkeit, den männchenbestimmenden Faktor einzugrenzen und zu identifizieren. In der vorliegenden Arbeit konnte ein Bereich einer Größe von ca. 200 kb aus der SDR von C. riparius charakterisiert und analysiert werden. Durch bioinformatische Sequenzanalysen konnten an 20 Stellen der SDR mögliche Genstrukturen nachgewiesen werden. Von den gefundenen möglichen Genen ist bisher die Funktion in C. riparius unbekannt. Bei den Genen mit vermuteter Funktion deutet nichts eindeutig auf eine Beteiligung an der Geschlechtsbestimmung von C. riparius hin. Da allerdings davon auszugehen ist, dass für die Funktion des Männchenbestimmers M ein Gen rekrutiert wurde, welches zur Interaktion mit dem nachgeschalteten Gen der Geschlechts¬bestimmungskaskade fähig ist, muss die geschlechtsbestimmende Funktion des Gens M nicht unbedingt offensichtlich sein. Aus geschlechtsbestimmenden Genkaskaden anderer Dipteren bekannte Gene wie transformer und doublesex konnten im analysierten Bereich nicht nachgewiesen werden, obwohl zumindest zu doublesex homologe Gene im Genom von C. riparius vorkommen. Um möglicherweise proto-X- und proto-Y-Chromosom miteinander vergleichen zu können und einen Hinweis auf die chromosomale Herkunft der analysierten Sequenzen aus der SDR zu erlangen, wurden Sequenzen von 31 teilweise parallel liegenden BAC-Klonen aus der untersuchten Region verglichen. Dabei zeigte sich, dass die Klone zwei Gruppen bilden, deren Sequenzen sich durch 500 SNPs und 110 Indels unterschiedlicher Größe (1-800 Bp) unterscheiden, was für eine Herkunft von zwei sich erst seit kurzer Zeit unterscheidenden Geschlechtschromosomen spricht. Die zwölf größten dieser Indels wurden auf geschlechtsspezifische Unterschiede hin untersucht. Dabei zeigte sich, dass die Unterschiede zwischen den beiden Klongruppen zwar im 30 Jahre alten Laborstamm, der auch für die Konstruktion der durchsuchten BAC-Bibliotheken verwendet wurde, tatsächlich geschlechtsspezifisch sind, in zwei Wildfangpopulationen jedoch keine derartige Geschlechtsspezifität aufweisen. Somit kann keine Aussage zur Herkunft der untersuchten Klone aus der SDR von C. riparius getroffen werden, und es bleibt unklar, ob die analysierten Sequenzen vom proto-X oder vom proto-Y-Chromosom stammen.

Vergleichende Analyse der Gene und der Genomstruktur der geschlechtsbestimmenden Chromosomenregion von Chironomus und Camptochironomus

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein Bereich aus der geschlechtsbestimmenden Chromosomenregion, der „Contig SDR“, von C. tentans mit einer Größe von ~87 kb untersucht. Zur Erstellung des Contigs wurden 8 BAC-Klone aus C. tentans isoliert, teilweise subkloniert und sequenziert. Innerhalb des Contigs SDR konnten insgesamt 13 Gene sowie ein Teilbereich des Gens rpS5-like im distalen Bereich des Contigs SDR identifiziert werden. Hierbei handelt es sich um dieselben Gene, welche schon im Contig SDR von C. thummi identifiziert werden konnten. Ein Vergleich der beiden Contigs zeigt, dass die Abfolge der Gene zwischen den beiden Arten C. thummi und C. tentans identisch ist. Weiterhin konnten im Contig SDR von C. tentans sechs Bereiche lokalisiert werden, in denen repetitive oder transposable Elemente zu finden sind. Ein Vergleich der larvalen Transkripte (L4-Stadium) von 11 Genen des Contigs SDR aus C. thummi ♂ und C. thummi ♀ per RT-PCR und Hochdurchsatz-Sequenzierung zeigte mit Ausnahme der Gene luc7(p)-like sowie fs(1)K10-like bislang keine weiteren geschlechtsspezifischen Unterschiede. Im Gen luc7(p)-like konnte in C. thummi ♀ und C. piger ♀ ein alternativ gespleißtes Intron im eigentlichen Exon 2 identifiziert werden. Bei fs(1)K10-like konnte in C. thummi ♂ eine Duplikation des Gens nachgewiesen werden. Weiterhin wurden mit Hilfe des RACE-Verfahrens die 5’UTR- und 3’UTR-Bereiche der Transkripte analysiert. Hierdurch konnten differentielle Spleißprodukte identifiziert werden, welche jedoch nicht geschlechtsspezifisch auftreten. Die bioinformatische Bearbeitung der von den Genen der SDR kodierten Proteine auf konservierte Domänen zeigt vier Proteine, die möglicherweise als Transkriptions- oder Spleißfaktoren wirken können. Hierbei handelt es sich um die Proteine der Gene mi-er1-like, luc7(p)-like, polyhomeotic-like sowie rpn5-like. Für das auf Grund der männchenspezifischen Duplikation in C. thummi in den Fokus geratene Genprodukt von fs(1)K10-like konnten keine Domänen vorhergesagt werden. Somit kann nicht gesagt werden, ob das Protein im Rahmen der Geschlechtsdetermination eine Funktion haben könnte. Die Sequenzidentität der abgeleiteten AS-Sequenz liegt für alle Gene außer mi-er1-like (87,6 %) zwischen den beiden Arten C. tentans und C. thummi bei 93,3 %.

An extracytoplasmic function sigma factor operon regulates Myxococcus xanthus developmental gene expression

Myxococcus xanthus is a Gram-negative soil bacterium that undergoes multicellular development when high-density cells are starved on a solid surface. Expression of the 4445 gene, predicted to encode a periplasmic protein, commences 1.5 h after the initiation of development and requires starvation and high density conditions. Addition of crude or boiled supernatant from starving high-density cells restored 4445 expression to starving low-density cells. Addition of L-threonine or L-isoleucine to starving low-density cells also restored 4445 expression, indicating that the high-density signaling activity present in the supernatant might be composed of extracellular amino acids or small peptides. To investigate the circuitry integrating these starvation and high-density signals, the cis- and trans-acting elements controlling 4445 expression were identified. The 4445 transcription start site was determined by primer extension analysis to be 58 by upstream of the predicted translation start site. The promoter region contained a consensus sequence characteristic of e&barbelow;xtrac&barbelow;ytoplasmic f&barbelow;unction (ECF) sigma factor-dependent promoters, suggesting that 4445 expression might be regulated by an ECF sigma factor-dependent pathway, which are known to respond to envelope stresses. The small size of the minimum regulatory region, identified by 5′-end deletion analysis as being only 66 by upstream of the transcription start site, suggests that RNA polymerase could be the sole direct regulator of 4445 expression. To identify trans-acting negative regulators of 4445 expression, a strain containing a 4445-lacZ was mutagenized using the Himar1-tet transposon. The four transposon insertions characterized mapped to an operon encoding a putative ECF sigma factor, ecfA; an anti-sigma factor, reaA; and a negative regulator, reaB. The reaA and the reaB mutants expressed 4445 during growth and development at levels almost 100-fold higher than wild type, indicating that these genes encode negative regulators. The ecfA mutant expressed 4445-lacZ at basal levels, indicating that ecfA is a positive regulator. High Mg2+ concentrations over-stimulated this ecfA pathway possibly due to the depletion of exopolysaccharides and assembled type IV pili. These data indicate that the ecfA operon encodes a new regulatory stress pathway that integrates and transduces starvation and cell density cues during early development and is also responsive to cell-surface alterations.^

Molecular and genetic analysis of Myxococcus xanthus early *development

To identify more mutations that can affect the early development of Myxococcus xanthus, the synthetic transposon TnT41 was designed and constructed. By virtue of its special features, it can greatly facilitate the processes of mutation screening/selection, mapping, cloning and DNA sequencing. In addition, it allows for the systematic discovery of genes in regulatory hierarchies using their target promoters. In this study, the minimal regulatory region of the early developmentally regulated gene 4521 was used as a reporter in the TnT41 mutagenesis. Both positive (P) mutations and negative (N) mutations were isolated based on their effects on 4521 expression.^ Four of these mutations, i.e. N1, N2, P52 and P54 were analyzed in detail. Mutations N1 and N2 are insertion mutations in a gene designated sasB. The sasB gene is also identified in this study by genetic and molecular analysis of five UV-generated 4521 suppressor mutations. The sasB gene encodes a protein without meaningful homology in the databases. The sasB gene negatively regulates 4521 expression possibly through the SasS-SasR two component system. A wild-type sasB gene is required for normal M. xanthus fruiting body formation and sporulation.^ Cloning and sequencing analysis of the P52 mutation led to the identification of an operon that encodes the M. xanthus high-affinity branched-chain amino acid transporter system. This liv operon consists of five genes designated livK, livH, livM, livC, and livF, respectively. The Liv proteins are highly similar to their counterparts from other bacteria in both amino acid sequences, functional motifs and predicted secondary structures. This system is required for development since liv null mutations cause abnormality in fruiting body formation and a 100-fold decrease in sporulation efficiency.^ Mutation P54 is a TnT41 insertion in the sscM gene of the ssc chemotaxis system, which has been independently identified by Dr. Shi's lab. The sscM gene encodes a MCP (methyl-accepting chemotaxis protein) homologue. The SscM protein is predicted to contain two transmembrane domains, a signaling domain and at least one putative methylation site. Null mutations of this gene abolish the aggregation of starving cells at a very early stage, though the sporulation levels of the mutant can reach 10% that of wild-type cells. ^

The SasS -SasR two-component signal transduction system required for early Myxococcus xanthus multicellular *development

Initiation of Myxococcus xanthus multicellular development requires both nutrient limitation and high cell density. The extracellular signal, A signal, which consists of a set of amino acids at specific concentrations, serves as a cell density signal in M. xanthus early development. A reporter gene, designated 4521, that requires both starvation and A signal for developmental expression was used to identify mutations in the signal transduction pathways. A group of point mutations located in the chromosomal sasB locus that bypasses both requirements was previously isolated. One of these point mutations, sasB7, was mapped to the sasS gene, which is predicted to encode a transmembrane histidine protein kinase required for normal development. SasS is a positive regulator of 4521 and a candidate A signal sensor. This dissertation continues the characterization of the sasB locus, focusing on the sasR gene and the functional relationship of SasS and SasR. ^ The sasR gene is located 2.2-kb downstream of sasS. It is predicted to encode an NtrC-like response regulator, which belongs to the family of sigma54 transcriptional activators. SasR is a positive regulator of 4521 gene and is required for normal development. The sasR mutant displays phenotypes similar to that of sasS mutant. Both SasS and SasR are required for the A-signal-dependent 4521 expression. Genetic epistasis analysis indicates that SasR functions downstream of SasS. Biochemical studies show that SasS has autokinase activity, and phosphorylated SasS is able to transfer its phosphate to SasR. We propose that SasS and SasR form a two-component signal transduction system in the A signal transduction pathway. ^ To search for the genes regulated by SasS and SasR, expression patterns of a group of developmental genes were compared in wild-type and sasS null mutant backgrounds. SasS and SasR were found to positively regulate sasN and 4521. The sasN gene was previously identified as a negative regulator of 4521, located at about 170-bp downstream of sasR. It is required for normal fruiting body development. Based on the above data, a regulatory network consisting of sasS, sasR, sasN, and 4521 is hypothesized, and the interactions of the components in this network can now be further studied. ^

The LPS O -antigen is required for Myxococcus xanthus social motility and multicellular development

The gliding bacterium Myxococcus xanthus aggregates to form spore-filled fruiting bodies when starved at high density. All of the identified M. xanthus lipopolysaccharide (LPS) O-antigen biosynthesis mutants exhibit defective motility and fruiting-body development. To determine the cause of these phenotypes, the cell-surface properties of the LPS O-antigen mutants were compared to wild-type cells. The binding characteristics of wild-type and LPS O-antigen-defective strains to cationic resin indicate that the mutant cell surfaces are more electronegative. Antibiotic sensitivity and hexadecane adhesion assays indicate that the wild-type M. xanthus cell surface is hydrophobic, supporting the idea that phospholipids are present in the outer leaflet of the outer membrane. The absence of the LPS O-antigen appears to expose charges associated with phospholipids and LPS core/lipid A, resulting in a dramatic alteration of the cell-surface organization and charge. These differences may affect the interaction of the LPS O-antigen mutants with their substratum and neighboring cells, leading to defects in social and single-cell gliding motility and thus, deficiencies in fruiting body formation. ^ The LPS O-antigen biosynthetic mutations also bypass the requirement of 4521 gene expression for the cell-density signal, A signal. The 4521 gene is overexpressed in these mutants. This 4521 overexpression is dependent on the sensor kinase SasS. Co-development with wild-type cells, or the addition of crude polysaccharides or membrane vesicles restores the ability of LPS O-antigen mutants to form fruiting bodies and lowers 4521 developmental gene expression to wild-type levels. Wild-type vesicles may attach or incorporate into the outer membrane of the mutants that lack LPS O-antigen, restoring a wild-type periplasmic status and allowing for normal levels of 4521 activity and fruiting body formation. We propose that the LPS composition and the configuration of the outer membrane are important elements for the complex behavioral response of M. xanthus fruiting body development. ^

Loss of social behaviors by Myxococcus xanthus during evolution in an unstructured habitat

Social behaviors are often targets of natural selection among higher organisms, but quantifying the effects of such selection is difficult. We have used the bacterium Myxococcus xanthus as a model system for studying the evolution of social interactions. Changes in the social behaviors of 12 M. xanthus populations were quantified after 1,000 generations of evolution in a liquid habitat, in which interactions among individuals were continually hindered by shaking and low cell densities. Derived lineages were compared with their ancestors with respect to maximum growth rate, motility rates on hard and soft agar, fruiting body formation ability, and sporulation frequency during starvation. Improved performance in the liquid selective regime among evolved lines was usually associated with significant reductions in all of the major social behaviors of M. xanthus. Maintenance of functional social behaviors is apparently detrimental to fitness under asocial growth conditions.

Effect of cellular filamentation on adventurous and social gliding motility of Myxococcus xanthus

Filamentous bacterial cells often provide biological information that is not readily evident in normal-size cells. In this study, the effect of cellular filamentation on gliding motility of Myxococcus xanthus, a Gram-negative social bacterium, was investigated. Elongation of the cell body had different effects on adventurous and social motility of M. xanthus. The rate of A-motility was insensitive to cell-body elongation whereas the rate of S-motility was reduced dramatically as the cell body got longer, indicating that these two motility systems work in different ways. The study also showed that filamentous wild-type cells glide smoothly with relatively straight, long cell bodies. However, filamentous cells of certain social motility mutants showed zigzag, tangled cell bodies on a solid surface, apparently a result of a lack of coordination between different fragments within the filaments. Further genetic and biochemical analyses indicated that the uncoordinated movements of these mutant filaments were correlated with the absence of cell surface fibril materials, indicating a possible new function for fibrils.

Unexpected homology between inducible cell wall protein QID74 of filamentous fungi and BR3 salivary protein of the insect Chironomus

A gene, qid74, of mycoparasitic filamentous fungus Trichoderma harzianum and its allies encodes a cell wall protein that is induced by replacing glucose in the culture medium with chitin (simulated mycoparasitism conditions). Because no trace of this gene can be detected in related species such as Gibberella fujikuroi and Saccharomyces cerevisiae, the qid74 gene appears to have arisen de novo within the genus Trichoderma. Qid74 protein, 687 residues long, is now seen as highly conserved tandem repeats of the 59-residue-long unit. This unit itself, however, may have arisen as tandem repeats of the shorter 13-residue-long basic unit. Within the genus Trichoderma, the amino acid sequence of Qid74 proteins has been conserved in toto. The most striking is the fact that Qid74 shares 25.3% sequence identity with the carboxyl-terminal half of the 1,572-residue-long BR3 protein of the dipteran insect Chironomus tentans. BR3 protein is secreted by the salivary gland of each aquatic larva of Chironomus to form a tube to house itself. Furthermore, the consensus sequence derived from these 59-residue-long repeating units resembles those of epidermal growth factor-like domains found in divergent invertebrate and vertebrate proteins as to the positions of critical cysteine residues and homology of residues surrounding these cysteines.

Cell density regulates cellular reversal frequency in Myxococcus xanthus.

Myxococcus xanthus is a Gram-negative bacterium that aggregates to form fruiting bodies when nutrients are limiting. Previous studies showed that the frz mutants that are defective in chemotaxis exhibited irregular and infrequent patterns of cellular reversal. In contrast, wild-type cells, when examined individually, reverse relatively frequently, about once every 6 min. It is not known how the change of reversal frequency effects cellular aggregation during fruiting body formation in M. xanthus. In this study, we stained cells with a tetrazolium dye so that we could track the reversal frequencies of single cells and cells in groups. We found that developmental cells in large groups reverse much less than cells in small groups or as single cells. This reduced cellular reversal frequency is related to the frz signal transduction system and correlated with the methylation of FrzCD (a methyl-accepting chemotaxis protein). Cells containing a mutation in the frz genes or in the genes required for social motility do not respond in this way. The reduction in cellular reversals as developmental cells accumulate in groups suggests a simple hypothesis for the aggregation of cells into discrete mounds during fruiting body formation. We also found that M. xanthus cells glide with equal frequency in the forward or reverse directions, indicating that cells do not contain a "head" or "tail."

C factor, a cell-surface-associated intercellular signaling protein, stimulates the cytoplasmic Frz signal transduction system in Myxococcus xanthus.

C factor, an intercellular signaling protein, is required for aggregation and sporulation of the social bacterium, Myxococcus xanthus. We report that C factor, which normally is associated with the cell surface, provides input to the Frz signal transduction cascade. Elements of this cascade have sequence homology to bacterial chemotaxis systems and are known to control the frequency of gliding reversal. Exposure of developing cells of a C-factor-less mutant (csgA) to purified C factor increases the ratio of methylated to nonmethylated FrzCD protein, the Frz homolog of the methyl-accepting chemotaxis proteins. Methylation depends on the cognate methyltransferase FrzF, and its extent increases with the concentration of C factor. C-factor-induced methylation also depends on the product of a gene, called class II, which is necessary in vivo for all known responses to C factor. A model for aggregation is proposed in which C factor stimulates the Frz cascade and thereby decreases cell reversals in a way that preferentially leads cells into an aggregate.