Untersuchungen zur Globinexpression in Karpfenfischen

In der vorliegenden Arbeit untersuchte ich die Diversität und die sauerstoffabhängige Expression der Globine von Karpfenfischen. Mit Globin X konnte ein fünfter Globintyp identifiziert werden, dessen Vorkommen auf Fische und Amphibien beschränkt ist. Globin X wird sowohl auf mRNA- als auch auf Proteinebene in zahlreichen Geweben exprimiert. Zur Aufklärung der genauen Funktion müssen noch weitere Analysen durchgeführt werden. Phylogenetische Untersuchungen ergaben eine ursprüngliche Verwandtschaft zwischen Neuroglobin und Globin X und deuten darauf hin, dass der letzte gemeinsame Vorfahre der Protostomia und Deuterostomia bereits zwei verschiedene Globintypen besessen hat. Im Zebrabärbling und im Goldfisch konnte ich eine Myoglobin-Expression neben dem Herzen auch in Hirn, Kieme, Leber und Niere nachweisen und somit zeigen, dass Myoglobin nicht nur im Muskelgewebe lokalisiert ist. Des Weiteren konnte eine hirnspezifische Myoglobin-Isoform im Goldfisch identifiziert werden, deren Funktion noch unklar ist und weiterer Untersuchungen bedarf. Das Vorhandensein der zweiten Isoform ist innerhalb der Cyprinidae (Karpfenfische) aufgrund einer Genomduplikation bei den Cyprininae (Kärpflinge) auf diese Unterfamilie beschränkt. Durch Hypoxieexperimente konnte gezeigt werden, dass die Expression der Globine von der Intensität des Sauerstoffmangels abhängig ist und gewebe- und artspezifisch erfolgt. Im Zebrabärbling wurde eine Abnahme der Hämoglobin- und Globin X-Konzentration beobachtet, während das Cytoglobin-Expressionsniveau nahezu unverändert blieb. Im Fall von Myoglobin und Neuroglobin konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass die hypoxieinduzierte Zunahme der mRNA-Menge auch mit einer verstärkten Expression des jeweiligen Proteins korreliert ist. Im Vergleich dazu war die Veränderung der Expression der meisten Globine im Goldfisch gering, lediglich Myoglobin wurde im Fischkörper auf mRNA-Ebene nach Hypoxie deutlich verstärkt exprimiert. Durch einen Vergleich der konstitutiven Neuroglobin-Expression beider Karpfenfische konnte in Auge und Hirn des hypoxietoleranten Goldfisches eine 3- bzw. 5-fach höhere Neuroglobin-Konzentration als im hypoxiesensitiven Zebrabärbling nachgewiesen werden. Meine Ergebnisse stützen somit die Hypothese, dass Neuroglobin eine myoglobinähnliche Funktion einnimmt und den aeroben Stoffwechsel im neuronalen Gewebe auch unter Sauerstoffmangel aufrechterhält.

Das Globingen-Repertoire von Amphibien und Teleostiern

Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurde die molekulare Evolution von Globinen in Amphibien und Teleostiern untersucht und Analysen zur Genexpression ausgewählter Globine durchgeführt. Die bisher besonders für die neueren Mitglieder der Superfamilie der Globine – Neuroglobin und Cytoglobin – schwerpunktmäßig in Mammaliern erbrachten Daten sollten durch die Analyse in Amphibien und Teleostiern auf ihre generelle Gültigkeit für Vertebraten überprüft werden. Die Analysen zur Genexpression wurden sowohl in silico, basierend auf genomischen wie EST-Daten, als auch experimentell durch qualitative und quantitative RT-PCR-Nachweise durchgeführt. Die mRNA-Lokalisation wurde durch in situ-Hybridisierungen an Gewebeschnitten beziehungsweise durch Whole mount in situ-Hybridisierung an ganzen Embryonen detektiert. In einem ersten Teil der Arbeit wurde das Globin-Repertoire von Xenopus tropicalis umfassend analysiert. Die Expressionsanalyse der gefundenen Globine umfasste nicht nur adulte Tiere, sonder erstmals auch detailliert die Entwicklungsstadien eines Vertebraten. Dabei wurde festgestellt, dass die vorwiegend neuronale Expression des streng konservierten Neuroglobins ein generelles Charakteristikum aller Tetrapoden ist und bereits in der frühembryonalen Entwicklung auftritt. Auch für das als Einzelkopie im Amphibiengenom vertretene Cytoglobin konnte eine strenge Sequenzkonservierung gezeigt werden. Das Expressionsmuster des Amphibien-Cytoglobins stimmte mit dem aus Mammaliern bekannten überein und zeigte konservierte Charakteristika dieses Globins bei Tetrapoden auf. Die Analyse des Xenopus-Genoms ergab zudem, dass Krallenfrösche nicht über Myoglobin verfügen. Genomische Vergleiche syntäner Genregionen ließen auf Rearrangements in diesem Genombereich im Verlauf der Evolution schließen, in deren Folge das Myoglobingen in den Krallenfröschen deletiert wurde. Die Hämoglobine wurden in Xenopus tropicalis erstmals in einem Amphibium umfassend analysiert. Die Gene zeigten demnach eine geclusterte Anordnung: der tropische Krallenfrosch verfügte über je ein funktionelles α- bzw. β-adultes und sieben bzw. vier α- bzw. β-larvale Hämoglobine, die während der Entwicklung bzw. in adulten Tieren charakteristisch exprimiert wurden. Die Analyse der Hämoglobine hinsichtlich ihrer Lage in einem Cluster, ihrer phylogenetischen Relation zueinander und nicht zuletzt ihres Expressionsmusters ließen Rückschlüsse auf ihre Evolution zu. Zusätzlich zu diesen bereits bekannten Globinen konnte im Rahmen dieser Dissertation das Globingen-Repertoirs von Xenopus um zwei weitere, bisher unbekannte Globine erweitert werden. Diese wurden entsprechend ihrer bisher unbekannten Funktion als GlobinX und GlobinY bezeichnet. Während GlobinY bisher ausschließlich in Amphibien nachgewiesen werden konnte, wurde GlobinX zudem in Teleostiern detektiert und repräsentiert damit ein auf Anamnia beschränktes Globin. Die rekombinante Proteinexpression von Neuroglobin, Cytoglobin, GlobinX und GlobinY des tropischen Krallenfrosches zeigte ein hexakoordiniertes Bindungsschema dieser Globine in ihrem Deoxy-Zustand. In einem zweiten Teil dieser Dissertation wurden Neuroglobin und Cytoglobin in Teleostiern untersucht und die Analyse für diese zwei Gene somit über die Tetrapoden hinaus auf den gesamten Stammbaum der Vertebraten ausgedehnt. Dabei wurde deutlich, dass die vorwiegend neuronale Expression des seit 420 Millionen Jahren streng konservierten Neuroglobins ein generelles Merkmal dieses Globins in allen Vertebraten ist. Der in Amphibien und Teleostiern erbrachte und mit Ergebnissen in Mammaliern übereinstimmende Nachweis von Neuroglobin in neuronalen Geweben mit einem hohen Stoffwechsel lässt derzeit eine Funktion dieses Globins im Sauerstoffmetabolimus als wahrscheinlich erscheinen. Ob Neuroglobin dabei als kurzzeitiger Sauerstoffspeicher, O2-Transoprter oder aber in der Detoxifikation reaktiver Sauerstoff- bzw. Stickstoffspezies agiert, bleibt zu untersuchen. Für Cytoglobin konnte eine offenbar alle Teleostier betreffende Genduplikation nachgewiesen werden. Phylogenetische Analysen zeigen die Monophylie der Vertebraten-Cytoglobine. Der Vergleich der paralogen Cytoglobine der Teleostier mit dem syntänen Genombereich des humanen Cytoglobins zeigte die wahrscheinliche Entstehung der Fisch-Cytoglobine durch eine Genomduplikation in einem Vorfahren aller Teleostier vor etwa 300-450 Millionen Jahren. Die paralogen Cytoglobine zeigten in Danio rerio und Tetraodon nigroviridis differierende, charakteristische Expressionsmuster, die mit der Theorie der Subfunktionalisierung von Genen in Folge eines Duplikationsereignisses kompatibel sind. Die Analyse zeigte, dass Cygb-1 prädominant in Gehirn und Herz exprimiert wurde, Cygb-2 hingegen bevorzugt in Gehirn und Auge. Dies bestätigte indirekt die Hypothese, nach der das Cytoglobin der Mammalier zwei unterschiedliche Funktionen in differenten Geweben wahrnimmt. Die rekombinante Expression von Cygb-1 des Zebrabärblings zeigte zudem, das auch dieses Globin in seiner Deoxy-Form über ein hexakoordiniertes Bindungsschema verfügt.

Amphibian biodiversity in Taita Hills, Kenya

Species richness varies greatly across geographical regions. Eastern Arc Mountains (EAM) of Kenya and Tanzania is one of the global biodiversity hotspots. Despite this, high species diversity the explanatory factors have remained largely unexplored. Herein, this study first investigated amphibian species richness patterns in the EAM and particularly the reasons for the low richness in Taita Hills. It tested the hypothesis that the low richness is due to past forest loss or other factors. The results demonstrated that the regional species richness pattern was influenced largely by mean annual rainfall and not forest area. Secondly, using the 26 currently recorded amphibians in the Taita Hills, it investigated the relationship between amphibian species composition along anthropogenic habitat disturbance and elevation gradients. It tested the hypothesis that sites with similar environmental characteristics (temperature, rainfall and elevation), in close proximity and with similar disturbance levels (habitat types) harbour similar species composition. It was found that amphibian species composition differed in terms of elevation and was explained by both temperature and rainfall. Therefore sites with similar environmental characteristics, disturbance levels and in close proximity geographically have similar amphibian composition. Thirdly, diagnostic characters, distribution, basic life history characteristics and conservation status of all currently known amphibians in the Taita Hills were provided. Finally, first long term life history and ecological characteristics of a brevicipitid frog (Callulina sp) was provided. The results showed that this frog abundance and distribution is influenced mainly by mean monthly temperature, breeds during the long dry season and exhibit parental care. Results of this study strongly recommend increasing indigenous forest cover in order to enhance the conservation of the endemic indigenous forest associated amphibians such as Callulina sp, Boulengerula taitana and Boulengerula niedeni.

Die Schleimkeratine TK-alpha and TK-gamma des Zebrabärblings Danio rerio

Die Schleimkeratine TKα und TKγ aus dem Schleimaal Eptatretus stoutii besitzten für Keratine außergewöhnliche Eigenschaften. In speziellen Drüsen reifen die Schleimkeratine zu 3 µm dicken und bis zu 60 cm langen kabelartigen Filamenten heran und werden anschließend zur Feindabwehr ins umgebende Wasser extrazellulär sezerniert, wodurch die viskoelastischen Eigenschaften des Schleims modifiziert werden. Mittlerweile wurden die Schleimkeratine auch in höheren Wirbeltiergruppen (Knochenfische und Amphibien) entdeckt. Zu Beginn meiner Promotion war jedoch bis auf EST-Verteilungsprofile noch nichts über die Expression und Funktion der Schleimkeratine in diesen Organismen bekannt. rnIm Rahmen meiner Arbeit wurden die Schleimkeratine TKα und TKγ erstmalig im Zebrabärbling Danio rerio identifiziert und näher charakterisiert. Mittels rekombinanter Expression wurden TKα und TKγ in ausreichenden Mengen hergestellt und auf ihre Bindungseigenschaften hin untersucht. Hierbei konnte ich zeigen, dass TKα und TKγ einerseits miteinander Heteromere formen und andererseits, dass das TKα in der Lage ist, auch homopolymere Strukturen auszubilden. Letztere Eigenschaft wurde bisher noch bei keinem bekannten cytoplasmatischen Keratin beschrieben. Ergänzend zu diesen Untersuchungen wurde eine Expressionsanalyse durchgeführt. Hierbei konnte gezeigt werden, dass die Schleimkeratine im Zebrabärbling nicht extrazellulär sezerniert werden und zum anderen keine höheren, kabelartigen Strukturen ausformen. Vielmehr werden die Schleimkeratine bei adulten Tieren in den basalen Zellschichten der Epidermis exprimiert, welche keinen mechanischen Schutz in Form von Schuppen aufweisen (Stirnhautepidermis, Epidermis in Geweben zwischen den Flossenstrahlen). Innerhalb dieser Zellen formen die Schleimkeratine ein filamentöses Netzwerk aus, dass sich an der basalen Zellseite konzentriert. Eine mögliche Funktion von TKα und TKγ könnte demnach in der Erhöhung der mechanischen Integrität von stark beanspruchten Geweben liegen, die keinen Schutz in Form von Schuppen aufweisen. So werden TKα und TKγ in larvalen Entwicklungsstadien in der Epidermis, sowie im mechanisch stark beanspruchten Notochord koexprimiert. rnDa das Notochord im Zebrabärbling auch in entwicklungsbiologischen Vorgängen eine entscheidende Rolle spielt und weiterhin in aktuellen Untersuchungen am glatten Krallen-frosch Xenopus laevis Funktionen der Schleimkeratine TKα und TKγ innerhalb von Degenerationsprozessen während der Metamorphose nachgewiesen werden konnten, sind auch im Zebrabärbling Danio rerio Funktionen der Schleimkeratine TKα und TKγ im Rahmen von Entwicklungsprozessen denkbar.rn

Unmittelbare, dauerhafte sowie evolutionäre Anpassung an Fremdstoffexpositionen

Eine der Hauptursachen für unerwünschte oder reduzierte Wirkungen von Medikamenten ist die Induktion von Enzymen und Transportern des Medikamentenstoffwechsels. Diese Induktion stellt ursprünglich eine physiologische Reaktion auf die Aufnahme von potentiell schädlichen Fremdstoffen aus der Umwelt dar und sichert so die Gesundheit und Fortpflanzungsfähigkeit von Lebewesen. Beim Menschen sowie anderen Säugetieren werden Fremdstoffe hauptsächlich von den nukleären Rezeptoren PXR und CAR in der Leber und im Dünndarm detektiert. Zu den Medikamenten, welche über PXR und CAR wirken, gehören unter anderem Antikonvulsiva, Statine, antiretrovirale Medikamente, Glucocorticoide sowie Antimykotika. Die durch Fremdstoffe aktivierten Transkriptionsfaktoren PXR und CAR steigern die Menge der Enzyme und Transporter des Fremdstoffmetabolismus. Hierzu zählen vor allem die Cytochrom P450-Enzyme (Cyp-Enzyme) mit breitem Substratspektrum oder der Transporter MDR1, welcher eine Vielzahl von Substraten über Membranen transportiert. Durch die Biotransformation werden die induzierenden, lipophilen Substanzen so modifiziert, dass sie leichter über den Urin oder die Galle ausgeschieden werden können. \r\nDie Dauer der Induktion sollte auf die Zeit der Fremdstoffexposition beschränkt sein, um Störungen des endogenen Stoffwechsels zu vermindern. In dieser Arbeit werden jedoch Hinweise auf dauerhafte und sogar generationsübergreifende Effekte von Medikamenten in Mäusen geliefert. Nachkommen von Müttern, welche bereits vor ihrer Verpaarung einmalig mit TCPOBOP, einem Liganden des murinen CAR, injiziert wurden, hatten eine ungefähr 100-fach gesteigerte Genexpression von Cyp2b10. Auch gab es Expressionsänderungen von Genen, deren Produkte eine Rolle im Lipidstoffwechsel sowie bei Immunkrankheiten spielen. Eine Hochdurchsatz-RNA-Sequenzierung der injizierten Elterngeneration ergab außerdem dauerhafte Expressionsveränderungen anderer Gene des Medikamentenstoffwechsels sowie von Genen mit Verbindung zum Energiemetabolismus. \r\nBerücksichtigt man die enge evolutionäre Verwandtschaft der nukleären Rezeptoren CAR und PXR, sind Langzeitveränderungen auch für PXR möglich und wurden im Verlauf dieser Arbeit ebenfalls untersucht. Eine Hochdurchsatz-Sequenzierung ergab für Mäuse, welche mit dem PXR-Aktivator PCN induziert wurden, dass selbst noch drei Monate nach der Exposition Gene verändert exprimiert waren, welche im Zusammenhang mit Lebernekrosen stehen. Bei Nachkommen von PCN-injizierten Müttern wurden Gene unterschiedlich exprimiert, welche eine Rolle bei der Energiehomöostase sowie im Glukosestoffwechsel spielen. Im Erwachsenenalter sind bei diesen Nachkommen darüber hinaus noch Gene unterschiedlich exprimiert, deren Produkte eine Funktion in der Immunantwort haben. \r\nDa Erwachsene aufgrund ihrer Lebensdauer sowie der absoluten Krankheitshäufigkeit wesentlich öfter Kontakt mit Fremdstoffen haben, war medizinisch von besonderem Interesse, ob anhaltende Genexpressionsänderungen auch bei Erwachsenen zu beobachten sind. So konnte im Rahmen dieser Arbeit gezeigt werden, dass auch einmalig exponierte Adulttiere Gene dauerhaft verändert exprimieren und die Veränderungen im Medikamentenstoffwechsel an die nächste Generation übertrugen. \r\n\r\nBisher sind klinische Studien zur Risikobewertung von Medikamenten (Pharmakovigilanz) nicht generationsübergreifend angelegt. Diese Arbeit gibt Anstöße dafür, dass dies in Zukunft für viel mehr Medikamente notwendig werden könnte. Neben Veränderungen im Medikamentenstoffwechsel ergeben sich Nebenwirkungen von PXR- und CAR-Liganden vor allem aus ihrer Beteiligung an endogenen Stoffwechselwegen. Nach Aktivierung von CAR, welcher viele metabolische Stoffwechselwege steuert, treten beispielsweise Störungen des Energiestoffwechsels auf. Ein tieferes Verständnis der Rezeptoraktivität von CAR samt einer gezielten Modulierung seiner Aktivität würde wichtige Beiträge zum Verständnis der Regulation des Fremdstoffmetabolismus sowie der Entstehung von Nebenwirkungen durch eine Behandlung mit CAR-Liganden leisten. Dauerhafte Veränderungen endogener Stoffwechselwege könnten dann möglicherweise über eine pharmakologische Modulierung der CAR-Aktivität reduziert werden. \r\nZu diesem Zweck wurden im Verlauf dieser Arbeit die CAR-Rezeptoren der Amphibien (Xenopus tropicalis, Xenopus laevis) und Reptilien (Anolis carolinensis) erstmals kloniert, als Proteine exprimiert und charakterisiert. Vergleiche zwischen Tierarten ermöglichen ein besseres Verständnis von humanen Proteinen. Funktionelle Analysen ergaben Ähnlichkeiten des Xenopus laevis-CAR mit dem PXR der Säugetiere: eine niedrige basale Aktivität sowie eine starke Induzierbarkeit durch Liganden. In weiteren funktionellen Analysen wurden die Determinanten der basalen Aktivität des Xenopus laevis-CAR untersucht. Die basale Aktivität war nicht abhängig von der subzellulären Lokalisation, sondern ergab sich aus der Proteinstruktur, welche nur beim CAR der Landvertebraten in einer aktiven Konformation fixiert ist. Ähnlich dem PXR der Säugetiere besitzt CAR der Amphibien eine Aktivierungsdomäne, welche erst durch Ligandenbindung in eine aktive Konformation gebracht wird. Mutationen einzelner Aminosäuren zum jeweils humanen Homolog erhöhten die basale Aktivität des Xenopus laevis-CAR auf die des humanen Rezeptors. Diese Mutanten mit erhöhter basalen Aktivität zeigten eine verstärkte Interaktion mit dem Kofaktor PGC-1a, einem Regulator des Energiestoffwechsels bei Säugetieren. Die hepatischen Zielgene des CAR der Amphibien überlappen zum Teil mit den humanen Zielgenen und spielen ebenfalls eine Rolle im Energiestoffwechsel.

Die Microsauria des mitteleuropäischen Rotliegend

ZusammenfassungrnAlle bekannten Exemplare der Amphibien-Gruppe Microsauria des mitteleuropäischen Rotliegend wurden untersucht sowie – für die kladistische Untersuchung – ihre nächsten Verwandten. Im Saar-Nahe-Becken sind vier Arten aus zwei Microsauria-Gattungen nachzuweisen: Batropetes niederkirchensis n. sp., Batropetes palatinus n. sp., Batropetes appelensis n. sp. und Altenglanerpeton schroederi n. sp.. Aus dem Döhlen-Becken bei Dresden stammt Batropetes fritschi.rnDie Rekonstruktionen legen nahe, dass die in Seeablagerungen gefundenen Batropetes-Arten kleine, terrestrisch lebende Microsaurier waren, die sich von Insekten oder deren Larven ernährten. Ihre mittlere Gesamtlänge beträgt fast 8 cm, ihr Rumpf ist auffallend kurz mit je nach Art 17 oder 19 Präsakralwirbeln. Sie besitzen große von Wülsten umgebene Augenöffnungen, ein großes Pinealforamen, drei längs angeordnete Grübchen auf den Frontalia, dreispitzige Zähne, einen zahnlosen Gaumen und vier kurze kräftige Extremitäten. Becken- und Schultergürtel sind komplett verknöchert, außer den bei Batropetes appelensis und Batropetes fritschi knorpeligen Coracoid-Anteilen. Die Batropetes-Arten unterscheiden sich bezüglich Form, Proportionen bzw. Verknöcherungsgrad einiger Knochen im cranialen und postcranialen Skelett. rnDie kladistischen Untersuchungen ergeben für die Arten der monophyletische Gattung Batropetes, dass Batropetes appelensis den übrigen Arten gegenübersteht und Batropetes palatinus mit Batropetes fritschi eine Schwestergruppe zu Batropetes niederkirchensis bildet. Mit den etwas jüngeren texanischen Gattungen Carrolla und Quasicaecilia bildet Batropetes die monophyletische Familie Brachystelechidae. rnAltenglanerpeton schroederi, nur durch ein schlecht erhaltenes Exemplar überliefert, besitzt einen massiv gebauten Schädel, kaum länger als breit mit annähernd dreieckigem Umriss, ohne Anzeichen für Seitenlinien, mit kleiner rundlicher Orbita, sehr breiter Interorbitalregion und bis weit vor die Orbita reichendem Jugale. Sein langer Rumpf umfasst mindestens 30 lepospondyle Präsakralwirbel. Wegen der unvollkommenen Entwicklung der Gliedmaßen kann diese Art nicht auf vier Beinen gelaufen sein und lebte möglicherweise in der Laubschicht wühlend oder in Sümpfen. Altenglanerpeton ist keiner bestimmten Microsauria-Familie zuzuordnen und steht den Pantylidae, Gymnarthridae, Goniorhynchidae und Ostodolepidae am nächsten, wobei zu letzteren die meisten morphologischen Ähnlichkeiten bestehen.rnAußerdem sind mit isolierten Einzelknochen, insbesondere Wirbeln, Microsauria und andere Gruppen lepospondyler Amphibien ohne Bestimmung der Gattung und Art aus wenigen stratigraphischen Niveaus des Saar-Nahe-Beckens überliefert. rn

Apparent survival of the salamander

Background Understanding the demographic processes underlying population dynamics is a central theme in ecology. Populations decline if losses from the population (i.e., mortality and emigration) exceed gains (i.e., recruitment and immigration). Amphibians are thought to exhibit little movement even though local populations often fluctuate dramatically and are likely to go exinct if there is no rescue effect through immigration from nearby populations. Terrestrial salamanders are generally portrayed as amphibians with low migratory activity. Our study uses demographic analysis as a key to unravel whether emigration or mortality is the main cause of "losses" from the population. In particular, we use the analysis to challenge the common belief that terrestrial salamanders show low migratory activity. Results The mark-recapture analysis of adult salamanders showed that monthly survival was high (> 90%) without a seasonal pattern. These estimates, however, translate into rather low rates of local annual survival of only ~40% and suggest that emigration was important. The estimated probability of emigration was 49%. Conclusion Our analysis shows that terrestrial salamanders exhibit more migratory activity than commonly thought. This may be due either because the spatial extent of salamander populations is underestimated or because there is a substantial exchange of individuals between populations. Our current results are in line with several other studies that suggest high migratory activity in amphibians. In particular, many amphibian populations may be characterized by high proportions of transients and/or floaters.

Impact of copper mine tailings (stamp sand) on survival and development of aquatic organisms near Gay, Michigan

Heavy metal-rich copper mine tailings, called stamp sands, were dumped by mining companies directly into streams and along the Lake Superior shoreline, degrading Keweenaw Peninsula waterways. One of the largest disposal sites is near Gay, Michigan, where tailings have been moved along the shoreline by currents since mining ceased. As a result, the smallest sand particles have been washed into deeper water and are filling the interstitial spaces of Buffalo Reef, a critical lake trout spawning site. This research is the first to investigate if stamp sand is detrimental to survival and early development of eggs and larvae of lake sturgeon, lake trout, and Northern leopard frogs, and also examines if the presence of stamp sands influences substrate selection of earthworms. This study found that stamp sand had significantly larger mean particle sizes and irregular shapes compared to natural sand, and earthworms show a strong preference for natural substrate over any combination that included stamp sand. Additionally, copper analysis (Cu2+) of surface water over stamp sand and natural sand showed concentrations were significantly higher in stamp sand surface water (100 μg/L) compared to natural sand surface water (10 μg/L). Frog embryos had similar hatch success over both types of sand, but tadpoles reared over natural sand grew faster and had higher survival rates. Eggs of lake sturgeon showed similar hatch success and development over natural vs. stamp sand over 17 days, while lake trout eggs hatched earlier and developed faster when incubated over stamp sand, yet showed similar development over a 163 day period. Copper from stamp sand appears to impact amphibians more than fish species in this study. These results will help determine what impact stamp sand has on organisms found throughout the Keweenaw Peninsula which encounter the material at some point in their life history.

Amphibian Biodiversity Survey - Wetland Area Southwest of Montana Tech

The primary goal of this project was to launch a pilot population study in the spring-fed wetland area southwest of Montana Tech to establish baseline data on density, distribution, abundance, and diversity of amphibians in the area. The current confirmed species at the select site is the Columbia spotted frog (Rana luteiventris). Based on preliminary habitat assessment and existing literature, other species possibilities included the long-toed salamander (Ambrystoma macrodactylum) boreal chorus frog (Pseudacris maculata), the Rocky Mountain tailed frog (Ascaphus montanus), and the leopard frog (Rana pipiens), (Werner et al. 2004) though the latter species is considered unlikely based on the specie’s declining status (Werner 2003; Werner et al. 2004). The project’s secondary goal was to collect basic habitat and environmental data: vegetation, precipitation, temperature. The third goal was to explore correlations between species prevalence and environmental data to expand the scientific understanding of population dynamics in the field of amphibian studies (see: Ferner, 2007; Dodd, 2010).

Effects of Chemical Deicers on Amphibian Communites

Roads and highways present a unique challenge to wildlife as they exhibit substantial impacts on the surrounding ecosystem through the interruption of a number of ecological processes. With new roads added to the national highway system every year, an understanding of these impacts is required for effective mitigation of potential environmental impacts. A major contributor to these negative effects is the deposition of chemicals used in winter deicing activities to nearby surface waters. These chemicals often vary in composition and may affect freshwater species differently. The negative impacts of widespread deposition of sodium chloride (NaCl) have prompted a search for an `environmentally friendly' alternative. However, little research has investigated the potential environmental effects of widespread use of these alternatives. Herein, I detail the results of laboratory tests and field surveys designed to determine the impacts of road salt (NaCl) and other chemical deicers on amphibian communities in Michigan's Upper Peninsula. Using larval amphibians I demonstrate the lethal impacts of a suite of chemical deicers on this sensitive, freshwater species. Larval wood frogs (Lithobates sylvatica) were tolerant of short-term (96 hours) exposure to urea (CH4N2O), sodium chloride (NaCl), and magnesium chloride (MgCl2). However, these larvae were very sensitive to acetate products (C8H12CaMgO8, CH3COOK) and calcium chloride (CaCl2). These differences in tolerance suggest that certain deicers may be more harmful to amphibians than others. Secondly, I expanded this analysis to include an experiment designed to determine the sublethal effects of chronic exposure to environmentally realistic concentrations of NaCl on two unique amphibian species, L. sylvatica and green frogs (L. clamitans). L. sylvatica tend to breed in small, ephemeral wetlands and metamorphose within a single season. However, L. clamitans breed primarily in more permanent wetlands and often remain as tadpoles for one year or more. These species employ different life history strategies in this region which may influence their response to chronic NaCl exposure. Both species demonstrated potentially harmful effects on individual fitness. L. sylvatica larvae had a high incidence of edema suggesting the NaCl exposure was a significant physiologic stressor to these larvae. L. clamitans larvae reduced tail length during their exposure which may affect adult fitness of these individuals. In order to determine the risk local amphibians face when using these roadside pools, I conducted a survey of the spatial distribution of chloride in the three northernmost counties of Michigan. This area receives a relatively low amount of NaCl which is confined to state and federal highways. The chloride concentrations in this region were much lower than those in urban systems; however, amphibians breeding in the local area may encounter harmful chloride levels arising from temporal variations in hydroperiods. Spatial variation of chloride levels suggests the road-effect zone for amphibians may be as large as 1000 m from a salt-treated highway. Lastly, I performed an analysis of the use of specific conductance to predict chloride concentrations in natural surface water bodies. A number of studies have used this regression to predict chloride concentrations from measurements of specific conductance. This method is often chosen in the place of ion chromatography due to budget and time constraints. However, using a regression method to characterize this relationship does not result in accurate chloride ion concentration estimates.

Accumulation of the pathogenic fungus Batrachochytrium dendrobatidis on the regressing tail of midwife toads Alytes obstetricans undergoing metamorphosis

Batrachochytrium dendrobatidis (Bd) is a fungus infecting the skin of amphibians. On metamorphosing animals the infection is difficult to detect because of the limited information concerning the location of Bd on the animals during this stage. Histological investigation revealed that Bd accumulated on the reabsorbing tail of metamorphosing animals. This observation may facilitate the detection of Bd in metamorphosing amphibians.

A study of xlcaax-1: Patterns of localization, possible function and usefulness as a developmental marker

Morphogenesis is the process by which the 3-dimensional structure of the developing embryo takes shape. We are studying xlcaax-1, a gene whose product can be used as a molecular marker for several morphogenetic events. We report here the cellular and subcellular localization of the xlcaax-1 protein during development of Xenopus laevis. Whole mount immunocytochemistry and immunoperoxidase staining of tissue sections showed that during development the xlcaax-1 protein accumulation was coincident with the differentiation of the epidermis, pronephros and mesonephros. In the pronephros and mesonephros the xlcaax-1 protein was localized to the basolateral membrane of differentiated tubule epithelial cells. Thus, the xlcaax-1 protein served as a marker for tubule formation and polarization during Xenopus kidney development. Xlcaax-1 may also be used as a marker for the functional differentiation of the epidermis and the epidermally derived portions of the lens and some cranial nerves. The xlcaax-1 protein was most abundant in kidney and immunogold EM analysis showed that the xlcaax-1 protein was highly enriched in the basal infoldings of the basolateral membrane of the epithelial cells in adult kidney distal tubules. The xlcaax-1 protein was also localized in other ion transporting epithelia. The localization pattern and preliminary functional assays of xlcaax-1 suggest that the protein may function in association with an ion transport channel or pump.^ Cell migration and cell-cell interactions play important roles in numerous processes during morphogenesis. One of these is the formation of the pronephric (wolffian) duct (PD), which connects the pronephros to the cloaca. It is currently accepted that in most amphibians the pronephric duct is formed by active migration of the pronephric duct rudiment (PDR) cells along a pre-determined pathway. However, there is evidence that in Xenopus, the PD may be formed entirely by in situ segregation of cells out of the lateral mesoderm. In this study, we showed, using PDR ablation and X. laevis - X. borealis chimeras, that PD elongation in Xenopus required both active cell migration and an induced recruitment of cells from the posterior lateral plate mesoderm. We also showed that PDR cell migration was limited to only a few stages during development and that this temporal control is due, at least in part, to changes in the competence of the PD pathway to support cell migration. In addition, our data suggested that an alkaline phosphatase (APase) adhesion gradient may be involved in determining this competence. ^

H2B histone gene expression during {\it Xenopus laevis\/} development

Histone gene expression is replication-independent during oogenesis and early embryogenesis in amphibians; however, it becomes replication-dependent during later embryogenesis and remains replication-dependent through adulthood. In order to understand the mechanism for this switch in transcriptional regulation of histone gene expression during amphibian development, linker-scanning mutations were made in a Xenopus laevis H2B histone gene promoter by oligonucleotide site-directed mutagenesis and assayed by microinjection into oocytes and embryos. The Xenopus H2B gene has a relatively simple promoter containing several transcriptional regulatory elements, including TFIID, CCAAT, and ATF motifs, required for maximal transcription in both oocytes and embryos. Factors binding to the CCAAT and ATF motifs are present in oocytes and embryos and increase slightly in abundance during early development. A sequence (CTTTACAT) in the frog H2B promoter resembling the conserved octamer motif (ATTTGCAT), the target for cell-cycle regulation of a human H2B gene, is additionally required for maximal H2B transcription in frog embryos. Oocytes and embryos contain multiple octamer-binding proteins that are expressed in a sequential manner during early development. Sequences encoding three novel octamer-binding proteins were isolated from Xenopus cDNA libraries by virtue of their similarity with the DNA binding (POU) domain of the ubiquitously expressed transcription factor Oct-1. The protein encoded by one of these genes, termed Oct-60, was localized mainly in the cytoplasm of oocytes and was also present in early embryos until the gastrula stage of development. Proteins encoded by the other two genes, Oct-25 and Oct-91, were present in embryos after the mid-blastula stage of development and decreased by early neurula stage. The activity of the Xenopus H2B octamer motif in embryos is not specifically associated with increased binding by Oct-1 or the appearance of novel octamer-binding proteins but requires the presence of an intact CCAAT motif. We found that synergistic interactions among promoter elements are important for full H2B promoter activity. The results suggest that transcription of the Xenopus H2B gene is replication-dependent when it is activated at the mid-blastula stage of development and that replication-dependent H2B transcription is mediated by Oct-1. ^

CYTOPLASMIC MALATE DEHYDROGENASE IS THE AROMATIC ALPHA-KETO ACID REDUCTASE IN MAN (PHENYLKETONURIA, PKU, TYROSINE)

This dissertation presents evidence to support the hypothesis that cytoplasmic malate dehydrogenase (MDH-1) is the enzyme in humans which catalyzes the reduction of aromatic alpha-keto acids in the presence of NADH, and the enzyme which has been described in the literature as aromatic alpha-keto acid reductase (KAR; E.C. 1.1.1.96) is actually a secondary activity of cytoplasmic malate dehydrogenase.^ Purified MDH and purified KAR have the same molecular weight, subunit structure, heat-inactivation profile and tissue distribution. After starch gel electrophoresis, and using p-hydroxyphenylpyruvic acid (HPPA) as substrate, KAR activity co-migrates with MDH-1 in all species studied except some marine animals. Inhibition with malate, the end-product of malate dehydrogenase, substantially reduces or totally eliminates KAR activity. Purified cytoplasmic MDH from human erythrocytes has an alpha-keto acid reductase activity with identical mobility. All electrophoretic variants of MDH-1 seen in the fresh-water bony fish Xiphophorus, the amphibians Rana and humans exhibited identical variation for KAR, and the two traits co-segregated in the small group of offspring from one Rana heterozygote studied. Both enzymes show almost no electrophoretic variation among humans from many ethnic groups, and among several inbred strains of mice both MDH-s and KAR co-migrate with no variation. MDH-1 and KAR in mouse and Chinese hamster fibroblasts show identical mobility differences between species. Antisera raised against purified chicken cytoplasmic MDH totally inhibited both MDH-1 and KAR in chickens and humans. Mitochondrial MDH from tissue homogenates has no detectable KAR activity but purified MDH-2 does.^ The previous claim that the gene for KAR is on human chromosome 12 is disputed because both MDH-1 and LDH bands appear with slightly different mobility approximately midway between the human and hamster controls in somatic cell hybrid studies, and the meaning of this artifact is discussed. ^