Biologische Funktionsanalyse und Identifizierung neuer Substrate der Methyltransferase Dnmt2

Obwohl die DNA Methyltransferase 2 (Dnmt2) hoch konserviert ist und zu der am weitesten verbreiteten eukaryotischen MTase-Familie gehört, ist ihre biologische Funktion nach wie vor unklar. Nachdem lange Zeit keine DNA Methylierungsaktivität nachgewiesen werden konnte, wurde vor einigen Jahren über geringe Mengen an 5-Methylcytosin (5mC) in Retroelementen der “Dnmt2-only”-Organismen D. melanogaster, D. discoideum und E. histolytica berichtet (Kunert et al. 2003; Fisher et al. 2004; Kuhlmann et al. 2005; Phalke et al. 2009). Als kurze Zeit später robuste Methylierung der tRNAAsp durch humane Dnmt2 gezeigt wurde (Goll et al. 2006), wurde zunächst eine Dualspezifität des Enzyms vorgeschlagen (Jeltsch et al. 2006). Neuere Daten zum 5mC-Status verschiedener „Dnmt2-only“-Organismen bilden Anlass für kontroverse Diskussionen über Ausmaß und Bedeutung der DNA Methyltransferaseaktivität von Dnmt2 (Schaefer et al. 2010a; Krauss et al. 2011). Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die Identifizierung neuer RNA Substrate des Dnmt2-Homologs DnmA aus D. discoideum sowie die biologische Bedeutung der tRNA-Methylierung durch Dnmt2. Wie in anderen Organismen beschrieben, fungiert auch DnmA als tRNAAsp(GUC) MTase in vitro und in vivo. Zusätzlich konnte in vitro tRNAGlu(UUC) als neues Substrat der Dnmt2-Homologe aus D. discoideum und dem Menschen identifiziert werden. In einem Kooperationsprojekt wurde außerdem auch tRNAAsp-Methylierungsaktivität für das Dnmt2-Homolog aus S. pombe (Pmt1) nachgewiesen. Crosslink-RNA-Immunopräzipitationen (RNA-CLIP) mit anschließender Next-Generation-Sequenzierung der mit DnmA assoziierten RNAs zeigen, dass DnmA mit tRNA Fragmenten interagiert, die sich vom Anticodonloop bis in den T-loop erstrecken. Neben der tRNAAsp(GUC) und tRNAGlu(UUC/CUC) sind Fragmente der tRNAGly(GCC) verstärkt angereichert. Inwiefern diese Fragmente eine biologische Funktion haben oder spezifische Degradationsprodukte darstellen, ist noch ungeklärt. Interessanterweise sind von einigen tRNAs wenige Sequenzen von antisense-Fragmenten in den RNA-CLIP Daten zu finden, die etwas kürzer, jedoch exakt komplementär zu den genannten sense-Fragmenten sind. Besonders stark sind diese Fragmente der tRNAGlu(UUC) vertreten. In einem weiteren RNA-CLIP Experiment wurden U-snRNAs, snoRNA und intergenische Sequenzen mit DnmA angereichert. Bei nachfolgenden in vitro Methylierungsstudien konnte ausschließlich die U2-snRNA als potentielles Nicht-tRNA-Substrat der hDnmt2 und DnmA identifiziert werden. Da tRNA Modifikationen im Anticodonloop die Codonerkennung beeinflussen können, wurde ein System etabliert um die Translationseffizienz eines GFP-Reportergens in Wildtyp- und dnmAKO-Zellen zu messen. In D. discoideum wird das Aspartat-Codon GAU ca. zehnmal häufiger genutzt als das GAC Codon, allerdings ist nur eine tRNAAsp(GUC) im Genom der Amöbe kodiert. Aus diesem Grund wurde zusätzlich die Frage adressiert, inwiefern die DnmA-abhängige Methylierung dieser tRNA das „Wobbling“ beeinflusst. Dazu wurde dem Reportergen jeweils eine (GAU)5- und (GAC)5-Leadersequenz vorgeschaltet. Entgegen der Annahme wurde der (GAC)5-Leader in beiden Stämmen etwas effizienter translatiert. Insgesamt zeigte der dnmAKO-Stamm eine leicht erhöhte Translationseffizienz der Reportergene. Vergleichende Analysen zur Aufnahme von Fremd-DNA zeigten signifikant reduzierte Transformationseffizienzen mit einem integrierenden Plasmid in dnmAKO-Zellen. Ein weiterer dnmAKO-Stamm zeigte diesen Effekt jedoch nicht, wobei bei derselben Mutante eine deutlich reduzierte Aufnahme eines extrachromosomalen Plasmids zu verzeichnen war. Untersuchungen zum Einfluss von DnmA auf die Regulation des Retroelements skipper ergaben keinen Zusammenhang zwischen der Generierung kleiner RNAs und der erhöhten Transkription des Retrotransposons in dnmAKO-Zellen (Kuhlmann et al. 2005). Durch Kompensationsversuche sowie Experimente mit einer weiteren dnmAKO-Mutante konnte die Mobilisierung des Retrotransposons nicht eindeutig als DnmA-Funktion eingeordnet werden. In einem weiteren Projekt wurden die Bindung des m5C-bindenden Proteins EhMLBP aus E. histolytica an DNA mittels Rasterkraftmikroskopie abgebildet (Lavi et al. 2006). Neben vermutlich unspezifischen Endbindungsereignissen konnte eine bevorzugte Bindungsstelle des Proteins an LINE DNA (long intersperesed nuclear element) identifiziert werden. Möglicherweise fällt diese mit einem von zwei A/T-reichen Bereichen der LINE DNA zusammen, von denen vermutet wird, dass diese für die Bindung von EhMLBP an DNA von Bedeutung sind. Insgesamt bestätigen die Ergebnisse dieser Arbeit die tRNAAsp Methylierungsaktivität als konservierte Dnmt2-Funktion. Darüber hinaus erweitern sie das Substratspektrum der Dnmt2-Methyltransferasen im Bereich der tRNA. Außerdem wird erstmals ein potentielles Nicht-tRNA Substrat vorgeschlagen. Zusätzlich geben neu entdeckte Phänotypen Hinweise auf vielfältige zelluläre Dnmt2-Funktionen.

Physiological analysis of central and peripheral insect circadian pacemaker neurons

Alle bisher untersuchten Lebewesen besitzen (circadiane) innere Uhren, die eine endogene Perioden-länge von ungefähr 24 Stunden generieren. Eine innere Uhr kann über Zeitgeber mit der Umwelt synchronisiert werden und ermöglicht dem Organismus, rhythmische Umweltveränderungen vorweg zu nehmen. Neben einem zentralen Schrittmacher, der Physiologie und Verhalten des Organismus steuert, gibt es in unterschiedlichen Organen auch periphere Uhren, die die zeitlichen Abläufe in der spezifischen Funktion dieser Organe steuern. In dieser Arbeit sollten zentrale und periphere Schrittmacherneurone von Insekten physiologisch untersucht und verglichen werden. Die Neurone der akzessorischen Medulla (AME) von Rhyparobia maderae dienten als Modellsystem für zentrale Schrittmacher, während olfaktorische Rezeptorneurone (ORNs) von Manduca sexta als Modellsystem für periphere Schrittmacher dienten. Die zentralen Schrittmacherneurone wurden in extrazellulären Ableitungen an der isolierten AME (Netzwerkebene) und in Patch-Clamp Experimenten an primären AME Zellkulturen (Einzelzellebene) untersucht. Auf Netzwerkebene zeigten sich zwei charakteristische Aktivitätsmuster: regelmäßige Aktivität und Wechsel zwischen hoher und niedriger Aktivität (Oszillationen). Es wurde gezeigt, dass Glutamat ein Neurotransmitter der weitverbreiteten inhibitorischen Synapsen der AME ist, und dass in geringem Maße auch exzitatorische Synapsen vorkommen. Das Neuropeptid pigment-dispersing factor (PDF), das von nur wenigen AME Neuronen exprimiert wird und ein wichtiger Kopplungsfaktor im circadianen System ist, führte zu Hemmungen, Aktivierungen oder Oszillationen. Die Effekte waren transient oder langanhaltend und wurden wahrscheinlich durch den sekundären Botenstoff cAMP vermittelt. Ein Zielmolekül von cAMP war vermutlich exchange protein directly activated by cAMP (EPAC). Auf Einzelzellebene wurde gezeigt, dass die meisten AME Neurone depolarisiert waren und deshalb nicht feuerten. Die Analyse von Strom-Spannungs-Kennlinien und pharmakologische Experimente ergaben, dass unterschiedliche Ionenkanäle vorhanden waren (Ca2+, Cl-, K+, Na+ Kanäle sowie nicht-spezifische Kationenkanäle). Starke, bei hohen Spannungen aktivierende Ca2+ Ströme (ICa) könnten eine wichtige Rolle bei Ca2+-abhängiger Neurotransmitter-Ausschüttung, Oszillationen, und Aktionspotentialen spielen. PDF hemmte unterschiedliche Ströme (ICa, IK und INa) und aktivierte nicht-spezifische Kationenströme (Ih). Es wurde angenommen, dass simultane PDF-abhängige Hyper- und Depolarisationen rhythmische Membranpotential-Oszillationen verursachen. Dieser Mechanismus könnte eine Rolle bei PDF-abhängigen Synchronisationen spielen. Die Analyse peripherer Schrittmacherneurone konzentrierte sich auf die Charakterisierung des olfaktorischen Corezeptors von M. sexta (MsexORCO). In anderen Insekten ist ORCO für die Membran-Insertion von olfaktorischen Rezeptoren (ORs) erforderlich. ORCO bildet Komplexe mit den ORs, die in heterologen Expressionssystemen als Ionenkanäle fungieren und Duft-Antworten vermitteln. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass MsexORCO in pheromonsensitiven ORNs in vivo nicht als Teil eines ionotropen Rezeptors sondern als Schrittmacherkanal fungiert, der unterschwellige Membranpotential-Oszillationen generiert. MsexORCO wurde mit vermeintlichen Pheromonrezeptoren in human embryonic kidney (HEK 293) Zellen coexprimiert. Immuncytochemie und Ca2+ Imaging Experimente zeigten sehr schwache Expressionsraten. Trotzdem war es möglich zu zeigen, dass MsexORCO wahrscheinlich ein spontan-aktiver, Ca2+-permeabler Ionenkanal ist, der durch den ORCO-Agonisten VUAA1 und cyclische Nucleotide aktiviert wird. Außerdem wiesen die Experimente darauf hin, dass MsexOR-1 offensichtlich der Bombykal-Rezeptor ist. Eine weitere Charakterisierung von MsexORCO in primären M. sexta ORN Zellkulturen konnte nicht vollendet werden, weil die ORNs nicht signifikant auf ORCO-Agonisten oder -Antagonisten reagierten.

Structural insights into the allosteric activation mechanism of cGMP-dependent protein kinase I

Cyclic GMP-dependent protein kinase (PKG) is a key transducer in the NO-cGMP signaling pathway. In this line, PKG has been considered an important drug target for treating hypertensive cardiovascular and pulmonary diseases. However, the investigation of PKG’s allosteric activation mechanism has been hampered by a lack of structural information. One of the fundamental questions on the cGMP-dependent activation of PKG is how the enzyme can distinguish cGMP over cAMP and selectively respond to cGMP. To ensure proper signaling, PKG must have developed unique features to ensure its activation upon the right activation signal. In this thesis, the cGMP-selective activation mechanism of PKG was studied through determining crystal structures of three truncated constructs of the regulatory domain [CNB-A (92-227), CNB-B (271-369), and CNB-A/B (92-351)] of PKG Iβ in the absence or presence of cyclic nucleotides. Herein, two individual CNB domain structures with biochemical data revealed that the C-terminal CNB domain (CNB-B) is responsible for cGMP selectivity, while the N-terminal CNB-domain (CNB-A) has a higher binding affinity for both cGMP and cAMP without showing any selectivity. Based on these crystal structures, mutagenesis studies were performed in which the critical residues for cyclic nucleotide selectivity and activation were identified. Furthermore, we discovered that the conformational changes of the C-terminal helix of the CNB-B that bridges between the regulatory and catalytic domains including the hydrophobic capping interaction are crucial for PKG activation. In addition, to observe the global conformation of the activated R-domain, I solved a co-crystal structure of the CNB-A/B with cGMP. Although a monomeric construct was crystallized, the structure displays a dimer. Strikingly, the CNB-A domain and its bound cGMP provide a key interface for this dimeric interaction. Using small angle X-ray scattering (SAXS), the existence of the cGMP-mediated dimeric interface within the CNB domains was confirmed. Furthermore, measuring cGMP-binding affinities (EC50) of the dimeric interface mutants as well as determining activation constants (Ka) revealed that the interface formation is important for PKG activation. To conclude, this thesis study provides a new mechanistic insight in PKG activation along with a newly found interface that can be targeted for designing PKG-specific activity modulators.

Epigenética: definición, bases moleculares e implicaciones en la salud y en la evolución humana

La Epigenética se refiere a los cambios heredables en el ADN e histonas que no implican alteraciones en la secuencia de nucleótidos y modifican la estructura y condensación de la cromatina, por lo que afectan la expresión génica y el fenotipo. Las modificaciones epigenéticas son metilación del ADN y modificaciones de histonas. Objetivo: hacer una revisión de la literatura sobre el concepto de epigenética y su impacto en la salud. Materiales y métodos: se realizó una revisión de la bibliografía sobre el concepto de epigenética, sus bases biológicas, el impacto sobre la salud y la enfermedad y su relación con la evolución. Resultados: los mecanismos epigenéticos han cobrado cada vez más importancia debido a la creciente asociación con enfermedades complejas y comunes, así como por su impacto en la salud de generaciones futuras y en la evolución humana. Conclusiones: la Epigenética tiene un claro impacto en la salud del individuo, en la de su descendencia y en la evolución de la especie humana.

Plant U13 orthologues and orphan snoRNAs identified by RNomics of RNA from Arabidopsis nucleoli

Small nucleolar RNAs (snoRNAs) and small Cajal body-specific RNAs (scaRNAs) are non-coding RNAs whose main function in eukaryotes is to guide the modification of nucleotides in ribosomal and spliceosomal small nuclear RNAs, respectively. Full-length sequences of Arabidopsis snoRNAs and scaRNAs have been obtained from cDNA libraries of capped and uncapped small RNAs using RNA from isolated nucleoli from Arabidopsis cell cultures. We have identified 31 novel snoRNA genes (9 box C/D and 22 box H/ACA) and 15 new variants of previously described snoRNAs. Three related capped snoRNAs with a distinct gene organization and structure were identified as orthologues of animal U13snoRNAs. In addition, eight of the novel genes had no complementarity to rRNAs or snRNAs and are therefore putative orphan snoRNAs potentially reflecting wider functions for these RNAs. The nucleolar localization of a number of the snoRNAs and the localization to nuclear bodies of two putative scaRNAs was confirmed by in situ hybridization. The majority of the novel snoRNA genes were found in new gene clusters or as part of previously described clusters. These results expand the repertoire of Arabidopsis snoRNAs to 188 snoRNA genes with 294 gene variants.

Molecular characterization of Iranian wheat stripe virus shows its taxonomic position as a distinct species in the genus Tenuivirus

The full lengths of three genome segments of Iranian wheat stripe virus (IWSV) were amplified by reverse transcription (RT) followed by polymerase chain reaction (PCR) using a primer complementary to tenuivirus conserved terminal sequences. The segments were sequenced and found to comprise 3469, 2337, and 1831 nt, respectively. The gene organization of these segments is similar to that of other known tenuiviruses, each displaying an ambisense coding strategy. IWSV segments, however, are different from those of other viruses with respect to the number of nucleotides and deduced amino acid sequence for each ORF. Depending on the segment, the first 16-22 nt at the 5' end and the first 16 nt at the 3' end are highly conserved among IWSV and rice hoja blanca virus (RHBV), rice stripe virus (RSV) and maize stripe virus ( MStV). In addition, the first 15-18 nt at the 5' end are complementary to the first 16-18 nt at the 3' end. Phylogenetic analyses showed close similarity and a common ancestor for IWSV, RHBV, and Echinochloa hoja blanca virus (EHBV). These findings confirm the position of IWSV as a distinct species in the genus Tenuivirus.

Sequential genome-wide association studies for monitoring adverse events in the clinical evaluation of new drugs

Pharmacovigilance, the monitoring of adverse events (AEs), is an integral part in the clinical evaluation of a new drug. Until recently, attempts to relate the incidence of AEs to putative causes have been restricted to the evaluation of simple demographic and environmental factors. The advent of large-scale genotyping, however, provides an opportunity to look for associations between AEs and genetic markers, such as single nucleotides polymorphisms (SNPs). It is envisaged that a very large number of SNPs, possibly over 500 000, will be used in pharmacovigilance in an attempt to identify any genetic difference between patients who have experienced an AE and those who have not. We propose a sequential genome-wide association test for analysing AEs as they arise, allowing evidence-based decision-making at the earliest opportunity. This gives us the capability of quickly establishing whether there is a group of patients at high-risk of an AE based upon their DNA. Our method provides a valid test which takes account of linkage disequilibrium and allows for the sequential nature of the procedure. The method is more powerful than using a correction, such as idák, that assumes that the tests are independent. Copyright © 2006 John Wiley & Sons, Ltd.

Direct repeats in the flavivirus 3' untranslated region; a strategy for survival in the environment?

Previously, direct repeats (DRs) of 20-70 nucleotides were identified in the 3' untranslated regions (3'UTR) of flavivirus sequences. To address their functional significance, we have manually generated a pan-flavivirus 3'UTR alignment and correlated it with the corresponding predicted RNA secondary structures. This approach revealed that intra-group-conserved DRs evolved from six long repeated sequences (LRSs) which, as approximately 200-nucleotide domains were preserved only in the genomes of the slowly evolving tick-borne flaviviruses. We propose that short DRs represent the evolutionary remnants of LRSs rather than distinct molecular duplications. The relevance of DRs to virus replication enhancer function, and thus survival, is discussed.

Molecular characterization of Iranian wheat stripe virus shows its taxonomic position as a distinct species in the genus Tenuivirus

The full lengths of three genome segments of Iranian wheat stripe virus (IWSV) were amplified by reverse transcription (RT) followed by polymerase chain reaction (PCR) using a primer complementary to tenuivirus conserved terminal sequences. The segments were sequenced and found to comprise 3469, 2337, and 1831 nt, respectively. The gene organization of these segments is similar to that of other known tenuiviruses, each displaying an ambisense coding strategy. IWSV segments, however, are different from those of other viruses with respect to the number of nucleotides and deduced amino acid sequence for each ORF. Depending on the segment, the first 16-22 nt at the 5' end and the first 16 nt at the 3' end are highly conserved among IWSV and rice hoja blanca virus (RHBV), rice stripe virus (RSV) and maize stripe virus ( MStV). In addition, the first 15-18 nt at the 5' end are complementary to the first 16-18 nt at the 3' end. Phylogenetic analyses showed close similarity and a common ancestor for IWSV, RHBV, and Echinochloa hoja blanca virus (EHBV). These findings confirm the position of IWSV as a distinct species in the genus Tenuivirus.

The poliovirus 2C cis-acting replication element-mediated uridylylation of VPg is not required for synthesis of negative-sense genomes

Nucleotides in the terminal loop of the poliovirus 2C cis-acting replication element (2C(CRE)), a 61 nt structured RNA, function as the template for the addition of two uridylate (U) residues to the viral protein VPg. This uridylylation reaction leads to the formation of VPgpUpU, which is used by the viral RNA polymerase as a nucleotide-peptide primer for genome replication. Although VPg primes both positive- and negative-strand replication, the specific requirement for 2C(CRE)-mediated uridylylation for one or both events has not been demonstrated. We have used a cell-free in vitro translation and replication reaction to demonstrate that 2C(CRE) is not required for the initiation of the negative-sense strand, which is synthesized in the absence of 2C(CRE)-mediated VPgpUpU formation. We propose that the 3' poly(A) tail could serve as the template for the formation of a VPg-poly(U) primer that functions in the initiation of negative-sense strands.

Determination of some water-soluble aroma precursors in goat meat and their enrolment on flavour profile of goat meat

Selected water-soluble precursors, including sugars, free amino acids and nucleotides, were quantified in raw and cooked goat meat, as a part of a study which the main aim was to better understand the aroma formation in goat meat. When compared with the same precursors in beef, lamb and chicken, levels in goat meat were generally similar, except for fructose and glycine, which were present at higher concentrations in goat meat. Fructose, glucose, IMP, and cysteine suffered the greatest losses during the cooking process and seem to be most involved in aroma formation in goat meat. The effects of these precursor changes on the volatile compound composition and formation process of them on cooked goat meat are discussed.

Control of DNA conformation using 3'-S-phosphorothiolate-modified linkages

An in-depth study into the incorporation of multiple 3'-S-phosphorothiolate modifications into oligodeoxynucleotides (ODNs) and their subsequent effect on ODN/DNA and ODN/RNA duplex stability. 3'-S-Phosphorothiolate linkages increase the stability of ODN/RNA duplexes and decrease the stability of ODN/DNA duplexes.

Enhancing the catalytic repertoire of nucleic acids: a systematic study of linker length and rigidity

The incorporation of potentially catalytic groups in DNA is of interest for the in vitro selection of novel deoxyribozymes, A series of 10 C5-modified analogues of 2'-deoxyuridine triphosphate have been synthesised that possess side chains of differing flexibility and bearing a primary amino or imidazole functionality, For each series of nucleotide analogues differing degrees of flexibility of the C5 side chain was achieved through the use of alkynyl, alkenyl and alkyl moieties, The imidazole function was conjugated to these CS-amino-modified nucleotides using either imidazole 4-acetic acid or imidazole 4-acrylic acid (urocanic acid), The substrate properties of the nucleotides (fully replacing dTTP) with Taq polymerase during PCR have been investigated in order to evaluate their potential applications for in vitro selection experiments, 5-(3-Aminopropynyl)dUTP and 5-(E-3-aminopropenyl)dUTP and their imidazole 4-acetic acid- and urocanic acid-modified conjugates were found to be substrates, In contrast, C5-amino-modified dUTPs with alkane or Z-alkene linkers and their corresponding conjugates were not substrates, The incorporation of these analogues during PCR has been confirmed by inhibition of restriction enzyme digestion using XbaI and by mass spectrometry of the PCR products.

Stabilization of multi-stranded nucleic acid structures using 3'-S-phosphorothiolate linkages

3 '-S-Phosphorothiolate linkages incorporated into an oligodeoxynucleotide have been shown to stabilise duplex formation with a complementary RNA strand, but destabilise a duplex formed with a complementary DNA strand. The four-stranded i-motif structure is also stabilised this modification.

Synthesis of 3 '-S-phosphorothiolate oligonucleotides for their potential use in RNA interference

The potency of RNA interference (RNAi) undoubtedly can be improved through chemical modifications to the small interfering RNAs (siRNA). By incorporation of the 3′-S-phosphorothiolate modification into strands of RNA, it is hoped that specific regions of a siRNA duplex can be stabilised to enhance the target binding affinity of a selected antisense strand into the activated RNA-induced silencing complex (RISC*). Oligonucleotides composed entirely of this modification are desirable so unconventional 5′ → 3′ synthesis is investigated, with initial solution-phase testing proving successful. The phosphoroamidite monomer required for solid-phase synthesis has also been produced.