Origin and impact of the oldest metazoan bioclastic sediments

The emergence of soft-bodied metazoans and the radiation of the earliest skeletal organisms substantially changed the ecological dynamics of Ediacaran environments, leading to the genesis of biogenic hard-part deposits for the fi rst time in Earth's history. The impact of bioclast origin on sedimentary processes is analyzed herein, focusing on the sedimentology and taphonomy of shell concentrations dominated by the Ediacaran index fossil Cloudina from the Itapucumí Group, Paraguay. Skeletal concentrations include both dense accumulations of parautochthonous, disarticulated specimens (Type 1 deposits) and in situ specimens preserved as loosely packed assemblages (Type 2 deposits). At that time, Cloudina was the critical source of durable biomineralized hard parts in an environment nearly free of other bioclasts. The simple fabric and geometry of these accumulations are typical of Cambrian-style shell beds. Despite their Precambrian age, these deposits indicate that the establishment of the Phanerozoic style of marine substrates and preservation in early shell beds was determined more by the acquisition of hard parts than by environmental changes. © 2013 Geological Society of America.

SmTRC1, a novel Schistosoma mansoni DNA transposon, discloses new families of animal and fungi transposons belonging to the CACTA superfamily

Abstract Background The CACTA (also called En/Spm) superfamily of DNA-only transposons contain the core sequence CACTA in their Terminal Inverted Repeats (TIRs) and so far have only been described in plants. Large transcriptome and genome sequence data have recently become publicly available for Schistosoma mansoni, a digenetic blood fluke that is a major causative agent of schistosomiasis in humans, and have provided a comprehensive repository for the discovery of novel genes and repetitive elements. Despite the extensive description of retroelements in S. mansoni, just a single DNA-only transposon belonging to the Merlin family has so far been reported in this organism. Results We describe a novel S. mansoni transposon named SmTRC1, for S. mansoni Transposon Related to CACTA 1, an element that shares several characteristics with plant CACTA transposons. Southern blotting indicates approximately 30–300 copies of SmTRC1 in the S. mansoni genome. Using genomic PCR followed by cloning and sequencing, we amplified and characterized a full-length and a truncated copy of this element. RT-PCR using S. mansoni mRNA followed by cloning and sequencing revealed several alternatively spliced transcripts of this transposon, resulting in distinct ORFs coding for different proteins. Interestingly, a survey of complete genomes from animals and fungi revealed several other novel TRC elements, indicating new families of DNA transposons belonging to the CACTA superfamily that have not previously been reported in these kingdoms. The first three bases in the S. mansoni TIR are CCC and they are identical to those in the TIRs of the insects Aedes aegypti and Tribolium castaneum, suggesting that animal TRCs may display a CCC core sequence. Conclusion The DNA-only transposable element SmTRC1 from S. mansoni exhibits various characteristics, such as generation of multiple alternatively-spliced transcripts, the presence of terminal inverted repeats at the extremities of the elements flanked by direct repeats and the presence of a Transposase_21 domain, that suggest a distant relationship to CACTA transposons from Magnoliophyta. Several sequences from other Metazoa and Fungi code for proteins similar to those encoded by SmTRC1, suggesting that such elements have a common ancestry, and indicating inheritance through vertical transmission before separation of the Eumetazoa, Fungi and Plants.

Mitochondrial Genomics: structure, inheritance and phylogenetic utility of the Mitochondrial genome in Bivalvia and Insecta

This PhD Thesis is the result of my research activity in the last three years. My main research interest was centered on the evolution of mitochondrial genome (mtDNA), and on its usefulness as a phylogeographic and phylogenetic marker at different taxonomic levels in different taxa of Metazoa. From a methodological standpoint, my main effort was dedicated to the sequencing of complete mitochondrial genomes, and the approach to whole-genome sequencing was based on the application of Long-PCR and shotgun sequences. Moreover, this research project is a part of a bigger sequencing project of mtDNAs in many different Metazoans’ taxa, and I mostly dedicated myself to sequence and analyze mtDNAs in selected taxa of bivalves and hexapods (Insecta). Sequences of bivalve mtDNAs are particularly limited, and my study contributed to extend the sampling. Moreover, I used the bivalve Musculista senhousia as model taxon to investigate the molecular mechanisms and the evolutionary significance of their aberrant mode of mitochondrial inheritance (Doubly Uniparental Inheritance, see below). In Insects, I focused my attention on the Genus Bacillus (Insecta Phasmida). A detailed phylogenetic analysis was performed in order to assess phylogenetic relationships within the genus, and to investigate the placement of Phasmida in the phylogenetic tree of Insecta. The main goal of this part of my study was to add to the taxonomic coverage of sequenced mtDNAs in basal insects, which were only partially analyzed.

Mitglieder der Immunglobulin-Superfamilie aus dem marinen Schwamm Geodia cydonium

Der evolutionär älteste Tierstamm der Metazoa, die Schwämme (Porifera), bietet sich als Modellorganismus zur Untersuchung der Selbst/Fremd-Erkennung an. Diese Unterscheidung wurde bei der Evolution von einzelligen zu mehrzelligen Tieren wichtig. Schwämme besitzen ein angeborenes Immunsystem. Ob sie auch Vorläufer der Immunrezeptoren aufweisen, sollte in dieser Arbeit untersucht werden. Einen ersten Schritt stellte die Identifizierung weiterer Gene mit Immunglobulin-ähnlichen Domänen dar. Mit der Isolierung der beiden 'Schwamm-Adhäsionsmoleküle' GCSAML und GCSAMS durch ein Homologiescreening ist dies gelungen. Die Beteiligung dieser Moleküle an einer Immunantwort wurde mit Hilfe von Transplantationsexperimenten untersucht. Die Gewebe von Autotransplantaten fusionierten, während es bei Allotransplantaten zu einer Abstoßung des eingesetzten Gewebes kam. Durch Immunfluoreszenz-Untersuchungen sowohl an Geodia cydonium- als auch an Suberites domuncula-Zellen konnte gezeigt werden, daß Moleküle mit Immunglobulin-ähnlichen Domänen an den Transplantationsprozessen beteiligt sind. Northern Blot-Analysen zeigten die Beteiligung speziell von GCSAML an der Autotransplantation. Western Blot-Analysen bestätigten diese Ergebnisse und weiteten sie auf Allotransplantationen aus. Beide GCSAM-Gene können der Immunglobulin-Superfamilie zugeordnet werden. GCSAML kann durch die Existenz des sogenannten ITIM-Motives weiter in die spezielle Klasse der inhibitorischen Rezeptoren gruppiert werden und stellt damit einen Vorläufer der Immunrezeptoren dar.

Struktur, Funktion und potentielle Anwendung der PKC- und SNZ,SNO-Promotoren aus Geodia cydonium und Suberites domuncula

Die Schwämme (Porifera) sind eine reiche Quelle bioaktiver Naturstoffe. Viele dieser Naturstoffe besitzen das Potential, als Pharmazeutika, molekulare Sonden usw. eingesetzt oder weiterentwickelt zu werden. Die Beschaffung dieser Naturstoffe in ausreichenden Mengen stellt jedoch eines der größten Probleme bei der Testung und Produktion vielversprechender Substanzen dar. Der Transfer von DNA in Schwammzellen bzw. in komplette Organismen wäre ein vielversprechender Ansatz, dieses Problem zu lösen. Das Ziel dieser Arbeit war es deshalb, die Funktion und Struktur homologer Promotoren zu untersuchen und eine Methode des Gentransfers in Schwammzellen auszuarbeiten. Zu diesem Zweck wurde zusätzlich zu der bereits vorhandenen 5'-flankierenden Region des conventional PKC-Gens aus Geodia cydonium eine genomische Bibliothek von Suberites domuncula konstruiert, um diese mit Hilfe des DNA-Homologiescreenings nach den 5'-flankierenden Regionen des cPKC- und des SNZ (SnooZe)-Gens (SD_SNZG) zu durchsuchen. Die Klonierung und Sequenzierung sowohl des 5'-Bereichs als auch die Charakterisierung der Exon-Intron Struktur beider Gene wurde erfolgreich durchgeführt. In der 5'-Region des SNZ-Gens konnte dabei ein weiteres Gen (SD_SNO; SNZ proximal Open Reading Frame) identifiziert werden, das in einer 'Kopf-an-Kopf' Anordnung zu SD_SNZG orientiert ist. Sowohl SD_SNZG als auch SD_SNO wurden hochkonservierten Genfamilien zugeordnet, deren Vorkommen in Metazoen hier erstmals beschrieben wird.Funktionelle Studien mit Hilfe der Reportergene Luciferase und Enhanced Green Fluorescent Protein (EGFP) im heterologen System der NIH 3T3 Zellen wiesen sowohl dem cPKC-Promotor aus G. cydonium als auch dem SNZ-Promotor aus S. domuncula eine starke Promotoraktivität im Verhältnis zum SV40-Promotor nach. Die Aktivität des cPKC-Promotors aus S. domuncula dagegen war relativ schwach. Darüber hinaus konnte geklärt werden, daß die 5'-flankierende Region des SNZ-Gens bidirektionale Promotoraktivität aufweist und daß der G. cydonium cPKC-Promotor keine TATA-Box besitzt, sondern eine GC-Box für die basale Funktion benötigt.Als geeignete Methode zur Transfektion von Zellen des Schwamms S. domuncula erwies sich der ballistische Gentransfer mit Hilfe der Gene Gun. Homologe Promotoren konnten die sichtbare Expression des Reportergens EGFP jedoch nicht bewirken. Nur der virale CMV-Promotor erwies sich als hierfür geeignet.

Identifizierung eines adaptiven antibakteriellen Abwehrmechanismus des marinen Schwammes Suberites domuncula

Schwämme (Porifera) sind die phylogenetisch ältesten Metazoa. Sie besitzen komplexe Abwehrsysteme, welche vor allem auf der Synthese bioaktiver niedermolekularer Sekundärmetaboliten beruhen und diese Tiere zu einer der reichhaltigsten Quellen für medizinisch nutzbare Wirkstoffe machen. Besonders der marine Einsiedler-Korkschwamm (Suberites domuncula) hat sich in den letzten Jahren zur Untersuchung der molekularen Zusammenhänge dieser Abwehrmechanismen als besonders geeignet herausgestellt. So wurden in diesem Schwamm beispielsweise zwei lyso-PAF (plättchenaktivierender Faktor) Derivate (1-O Hexadecyl-sn-glycero-3-phosphatidylcholin und 1-O-Octadecyl-sn-glycero-3-phosphatidylcholin) identifiziert und charakterisiert, sowie deren ausgeprägte antibakterielle Aktivität besonders gegenüber gramnegativen Bakterien demonstriert. Eine Behandlung mit der Modellsubstanz zur Simulation einer bakteriellen Infektion, dem Endotoxin Lipopolysaccharid (LPS), für insgesamt 72 Stunden resultierte in einem Anstieg der Expressionslevel zweier an der Biosynthese dieser bioaktiven Etherphospholipide beteiligten Proteine. Unter Anwendung der Methode des Differential Display konnte einerseits das Schlüsselenzym der Etherphospholipid Biosynthese Alkyl- Dihydroxyacetonphosphat (DHAP)-Synthase und andererseits die regulatorische Untereinheit der PAF-deacetylierenden PAF Acetylhydrolase I

Klonierung und Charakterisierung der Luziferase und des Luziferin regenerierenden Enzyms aus dem marinen Schwamm Suberites domuncula

Bereits 1971 erkannte Reiswig bei einigen Schwämmen in der Kontraktion des Osculums eine Reaktion auf Licht. Nachfolgend konnte für eine Reihe von Schwämmen die Existenz von Lichtreaktionen beobachtet werden (Wapstra & van Soest, 1987). In dieser Arbeit sollten Gene eines Luziferin/Luziferase Systems im marinen Schwamm Suberites domuncula identifiziert werden, die eine Rolle bei der Bio¬lumineszenz spielen. Mit Hilfe der PCR-Technik konnten die in der cDNA-Bank identifizierten Fragmente einer Luziferase und eines Luziferin regenerierenden Enzyms erfolgreich vervollständigt, kloniert und analysiert werden. Datenbank¬analysen der abgeleiteten Aminosäuresequenzen ergeben sowohl für die Luziferase als auch für das Luziferin regenerierende Enzym Ähnlichkeiten zu den entsprechenden Proteinen aus Leuchtkäfern, wie z. B. Photinus pyralis. Ausgehend von der cDNA wurden zunächst beide Enzyme in E. coli rekombinant exprimiert und affinitätschromatographisch aufgereinigt. Für die Luziferase gelang es, spezifische Antikörper herzustellen, die im Anschluss an den im Western Blot durchgeführten Nachweis eine Identifizierung in histologischen Schwamm¬schnitten ermöglichte. Weitere Analysen konnten für Suberites domuncula sowohl im Schwammgewebe, im Proteinextrakt als auch für das rekombinante Protein die Licht-generierende Fähigkeit nachweisen. Das ermittelte in vitro Biolumineszenz-Emissionsspektrum der rekombinanten Luziferase weist eine Lichtemission im gelb-grünen Bereich des Spektrums mit einem Maximum bei 548 nm und einer Schulter bei 590 nm auf. Ausserdem bestätigte die Funktionanalyse des rekombinanten Enzyms die für Luziferasen bekannte ATP- und Temperatur¬abhängigkeit sowie den stimulierenden Effekt von Coenzym A. Die Existenz einer bioaktiven Luziferase in einem der ältesten, rezent vertretenen Metazoa deutet darauf hin, dass sich die Oxygenasefunktion der Luziferasen bereits früher entwickelte, als bisher von Viviani* vermutet. Die bisherigen Daten über die optischen Eigenschaften der Spiculae liefern gemeinsam mit den Ergebnissen dieser Arbeit – einer Licht-emittierenden Luziferase in S. domuncula – die Voraussetzungen für die mögliche Existenz eines Photorezeptionssystems in Schwämmen.

Aspects of poriferan (Suberites domuncula) apoptosis and innate immune system and evolutionary implications

Survivin, a unique member of the family of inhibitors of apoptosis (IAP) proteins, orchestrates intracellular pathways during cell division and apoptosis. Its central regulatory function in vertebrate molecular pathways as mitotic regulator and inhibitor of apoptotic cell death has major implications for tumor cell proliferation and viability, and has inspired several approaches that target survivin for cancer therapy. Analyses in early-branching Metazoa so far propose an exclusive role of survivin as a chromosomal passenger protein, whereas only later during evolution the second, complementary antiapoptotic function might have arisen, concurrent with increased organismal complexity. To lift the veil on the ancestral function(s) of this key regulatory molecule, a survivin homologue of the phylogenetically oldest extant metazoan taxon (phylum Porifera) was identified and functionally characterized. SURVL of the demosponge Suberites domuncula shares significant similarities with its metazoan homologues, ranging from conserved exon/intron structures to the presence of localization signal and protein-interaction domains, characteristic of IAP proteins. Whereas sponge tissue displayed a very low steady-state level, SURVL expression was significantly up-regulated in rapidly proliferating primmorph cells. In addition, challenge of sponge tissue and primmorphs with cadmium and the lipopeptide Pam3Cys-Ser-(Lys)4 stimulated SURVL expression, concurrent with the expression of newly discovered poriferan caspases (CASL and CASL2). Complementary functional analyses in transfected HEK-293 revealed that heterologous expression of poriferan survivin in human cells not only promotes cell proliferation but also augments resistance to cadmium-induced cell death. Taken together, these results demonstrate both a deep evolutionary conserved and fundamental dual role of survivin, and an equally conserved central position of this key regulatory molecule in interconnected pathways of cell cycle and apoptosis. Additionally, SDCASL, SDCASL2, and SDTILRc (TIR-LRR containing protein) may represent new components of the innate defense sentinel in sponges. SDCASL and SDCASL2 are two new caspase-homolog proteins with a singular structure. In addition to their CASc domains, SDCASL and SDCASL2 feature a small prodomain NH2-terminal (effector caspases) and a remarkably long COOH-terminal domain containing one or several functional double stranded RNA binding domains (dsrm). This new caspase prototype can characterize a caspase specialization coupling pathogen sensing and apoptosis, and could represent a very efficient defense mechanism. SDTILRc encompasses also a unique combination of domains: several leucine rich repeats (LRR) and a Toll/IL-1 receptor (TIR) domain. This unusual domain association may correspond to a new family of intracellular sensing protein, forming a subclass of pattern recognition receptors (PRR).

Biomass and bioturbation in surface sediments of the Arctic Ocean

Little is known about the benthic communities of the Arctic Ocean's slope and abyssal plains. Here we report on benthic data collected from box cores along a transect from Alaska to the Barents Abyssal Plain during the Arctic Ocean Section of 1994. We determined: (1) density and biomass of the polychaetes, foraminifera and total infauna; (2) concentrations of potential sources of food (pigment concentration and percent organic carbon) in the sediments; (3) surficial particle mixing depths and rates using downcore 210Pb profiles; and (4) surficial porewater irrigation using NaBr as an inert tracer. Metazoan density and biomass vary by almost three orders of magnitude from the shelf to the deep basins (e.g. 47 403 individuals m**-2 on the Chukchi Shelf to 95 individuals m**-2 in the Barents Abyssal Plain). Water depth is the primary determinant of infaunal density, explaining 39% of the total variability. Potential food concentration varies by almost two orders of magnitude during the late summer season (e.g. the phaeopigment concentration integrated to 10 cm varies from 36.16 mg m**-2 on the Chukchi Shelf to 0.94 mg m**-2 in the Siberia Abyssal Plain) but is not significantly correlated with density or biomass of the metazoa. Most stations show evidence of particle mixing, with mixing limited to <=3 cm below the sediment-water interface, and enhanced pore water irrigation occurs at seven of the nine stations examined. Particle mixing depths may be related to metazoan biomass, while enhanced pore water irrigation (beyond what is expected from diffusion alone) appears to be related to total phaeopigment concentration. The data presented here indicate that Arctic benthic ecosystems are quite variable, but all stations sampled contained infauna and most stations had indications of active processing of the sediment by the associated infauna.

Biomass of the main elements of the planktonic community in the Equatorial Pacific upwelling

Based on samples with a 140-liter bottles in the upwelling region of the equatorial Pacific, an analysis was made of vertical distribution of various members of the plankton community of organisms (small and large phytoplankton, bacteria, different groups of protozoans, small and large, mainly herbivorous and predatory, animals). There is a distinct vertical divergence between layers of dominance of groups with similar feeding habits against the background of uneven quantitative distribution. Contrariwise, there are masses of consumers in the layers of high concentration of their potential prey.

Phospholipids in sediments of the deep Arabian Sea

Eight different sites from 2300 to 4420 m water depth in the Arabian Sea were sampled for a biochemical quantification of phospholipid concentrations in the sediments. This method serves as a measure of microbial biomass in marine sediments comprising all small-sized organisms, including bacteria, fungi, protozoa and metazoa. Phospholipid concentrations can be converted to carbon units as an estimate of total microbial biomass in the sediments. The average phospholipid concentrations in the surface sediments (0-1 cm) of the 4 abyssal sites ranged from 7 nmol cm?3 at the southern site (SAST, 10°N 65°E, 4425 m) to 29 nmol/cm**3 at the western site (WAST, 16°N 60°E, 4045 m). The high values detected at the abyssal station WAST exceeded those in the literature for other abyssal sites and were comparable to values from the upper continental slope of the NE-Atlantic and the Arctic. At the four continental slope sites in the Arabian Sea, average phospholipid concentrations ranged from 9 to 53 nmol/cm**3 with the maximum values at stations A (2314 m) and D (3142 m) close to the Omani coast. Records of particulate organic carbon flux to the deep sea are available for four of the investigated locations, allowing a test of the hypothesis that the standing stock of benthic microorganisms in the deep sea is controlled by substrate availability, i.e. particle sedimentation. Total microbial biomass in the surface sediments of the Arabian Sea was positively correlated with sedimentation rates, consistent with previous studies of other oceans. The use of the measurement of phospholipid concentrations as a proxy for input of particulate organic matter is discussed.