海湾扇贝超氧化物歧化酶家族基因结构、表达和多态性分析

海湾扇贝Argopecten irradian Lamarck于1982年从美国引种到中国，由于具有较快的生长速度和很高的经济效益，海湾扇贝成为中国最主要的养殖贝类之一。近年来海湾扇贝养殖遇到了死亡率高等问题，深入开展海湾扇贝功能基因的研究，尤其是免疫相关基因及其机制研究并在此基础上寻找扇贝疾病防治的有效方法对海湾扇贝的健康养殖十分重要。 对于贝类免疫系统来说，其血细胞在先天性免疫防御中起着重要的作用。当受到外界病原侵染时，贝类血细胞的一个重要免疫反应就是吞噬作用。在吞噬病原过程中，受到病原侵染的贝类还会产生其他多种免疫反应，这些免疫反应将消耗大量的能量（ATP），产能的呼吸链会加速运转，由此也会引发与呼吸链相耦联的活性氧（ROS）的大量产生。这些活性氧具有极强的反应特性，能破坏病原微生物的结构和功能分子，实现对入侵病原的杀灭。利用活性氧对被吞噬的病原进行杀灭，这是吞噬作用消除病原抵御侵染的重要机制。但由于活性氧分子反应的非特异性，它们也会破坏宿主机体细胞内的功能蛋白分子、不饱和脂肪酸分子和核酸等，对细胞造成严重的伤害，进而导致机体生理机能的损伤和免疫系统的破坏。所以，及时消除病原感染机体内过量产生的ROS，维持相关细胞的正常代谢，对提高机体抵抗力和免疫力具有重要的作用。O2-是生物体内产生的第一种活性氧分子，其他的活性氧分子也是由它衍生而来，消除过量O2-是消除过量活性氧危害的第一步也是关键一步。生物体内，超氧化物歧化酶（SOD）是催化O2-发生歧化反应，消除O2-的关键酶。 首先，本文通过RACE方法获得了海湾扇贝SOD家族全部三种基因的cDNA全长并对其进行了序列的生物信息学分析，海湾扇贝AiCuZnSOD全长cDNA为1047个碱基，其中开放阅读框为459个碱基，编码152个氨基酸，与栉孔扇贝Chlamys farreri的CuZnSOD相似度为77.5%，与长牡蛎Crassostrea gigas的相似度为75%，与人的相似度为74.7%。AiMnSOD全长cDNA为1207个碱基，其中开放阅读框为678个碱基，编码226个氨基酸，序列比对结果发现AiMnSOD的氨基酸序列与虾夷扇贝Mizuhopecten yessoensis和皱纹盘鲍Haliotis discus hannai的相似度分别为85%和78.4%，与哺乳动物相似度也在68%~72%之间。AiECSOD全长cDNA为893个碱基，其中开放阅读框为657个碱基，编码218个氨基酸。AiECSOD与其它物种ECSOD相似度比较低。与线虫Brugia pahangi的相似度为27.9%，与疟蚊Anopheles gambiae的相似度为31.4%，与斑马鱼Danio rerio的相似度为27.8%，与人的相似度也只有28.6%，与同是贝类的长牡蛎ECSOD也只有28.1%的相似性。主要原因是AiECSOD的信号肽和肝磷脂结合区域在各物种中无同源性。 其次，采用qRT-PCR（quantitative real time PCR）方法分析三种SOD基因在不同组织中的表达情况，结果表明三种SOD基因的组织表达有所差异。AiCuZnSOD基因在鳃中表达水平最高，其次是血细胞和性腺，在外套膜、闭壳肌和肝胰脏表达水平较低。AiMnSOD基因在鳃中表达水平最高，其次是外套膜，在血细胞、性腺，而在肝胰脏和闭壳肌表达较弱。AiECSOD基因在血细胞中表达水平最高，其次是肝胰脏，在鳃、闭壳肌表达水平较低，而性腺和外套膜没有检测到。同时，采用qRT-PCR对鳗弧菌Vibrio angullarum感染后海湾扇贝血细胞中三种SOD基因mRNA表达变化进行了检测。AiCuZnSOD表达量在各个时间段没有显著差异(P > 0.05)。AiMnSOD的表达量在1.5 h时略有下降，在3 h时达到最高表达量，是空白组（0h）的3倍(P < 0.01)，从6 h到24 h表达量逐渐下降，24 h时表达量是空白组的1.6倍，24 h到48 h又稍有升高。AiECSOD的表达量在1.5 h时有所下降，是空白组的0.3倍（P < 0.05)，随后逐渐升高，在12 h时达到最高表达量，是空白组（0h）的4.5倍（P < 0.01），从24 h到48 h表达量逐渐下降并恢复到空白组的水平。在对照组，各个时间点没有显著差异（P > 0.05）。在鳗弧菌感染后，海湾扇贝三种SOD的表达并不一致，且差异比较显著。AiCuZnSOD被认为是构成性表达基因，其受外界刺激的影响最小，AiMnSOD和AiECSOD受刺激后表达上调比较明显。 第三，采用Genome-walking的方法得到了海湾扇贝三种SOD基因的基因组全长和近端启动子序列并对其进行了相关分析。AiCuZnSOD的基因组序列全长为4279bp，包含有4个外显子和3个内含子。AiMnSOD的基因组序列全长为10692bp，包含有4个外显子和3个内含子。AiECSOD的基因组序列全长为5276bp，包含有5个外显子和4个内含子。三种基因外显子和内含子的结合处序列遵循-AT/GT-原则。我们把海湾扇贝SOD家族的三个基因的近端启动子进行了比较分析。发现三种SOD在靠近起始密码子的位置都有Oct-1结合位点。三种SOD共有的转录位点有：Oct-1、C/EBPalp、Oct2.1、Sp-1和GATA-1。AiCuZnSOD和AiMnSOD共有的转录位点有：ICSBP、Ftz、TATA-box、C/EBPbeta和Antp。AiCuZnSOD和AiECSOD共有的转录位点有：AP-1和NFκB。AiMnSOD和AiECSOD共有的转录位点有：GR和ER。AiCuZnSOD独有的位点有：SRF、YY-1和NF-1。AiMnSOD独有的位点有：HNF-1、Hb、MEB、NF-muE1、Pit-1a和Eve。AiECSOD独有的位点有：CREB、RATA-alph、Kruppel-like和AP-3。 此外，通过构建原核表达载体，本研究对AiCuZnSOD和AiECSOD基因进行了体外重组表达，并对纯化的重组蛋白进行了酶活分析。酶活分析表明，重组AiCuZnSOD蛋白有较高的酶活和稳定性。 最后，我们对海湾扇贝三种SOD基因的部分区域，包括启动子、编码区，部分内含子区域进行了SNP检测，并对SOD基因部分SNP位点多态性和鳗弧菌敏感性进行了相关分析。三种SOD基因中，我们共发现了59个SNP位点，其中AiECSOD的SNP位点最多，特别是在启动子区，AiCuZnSOD和AiMnSOD多态性较低。其中AiCuZnSOD启动子区的-1739 T-C 位点的基因型和等位基因，AiECSOD启动子区的-498 A-T和-267 G-A等位基因频率，AiECSOD的第一个外显子38 Thr-Lys的多态性在敏感和抗菌群体中存在显著差异（P < 0.05）。

Characterization of human 3β-hydroxysteroid dehydrogenase/Δ5-Δ4-isomerase gene and its expression in mammalian cells

Three β-hydroxysteroid dehydrogenase/Δ5-Δ4-isomerase (3β-HSD) catalyze the oxidative conversion of Δ5-3β-hydroxysteroids to the Δ4-3-keto configuration and is therefore essential for the biosynthesis of all classes of hormonal steroids, namely progesterone, glucocorticoids, mineralocorticoids, androgens, and estrogens. Using human 3β-HSD cDNA as probe, a human 3β-HSD gene was isolated from a λ-EMBL3 library of leucocyte genomic DNA. A fragment of 3β-HSD genomic DNA was also obtained by amplification of genomic DNA using the polymerase chain reaction. The 3β-HSD gene contains a 5′-untranslated exon of 53 base pairs (bp) and three successive translated exons of 232, 165, and 1218 bp, respectively, separated by introns of 129, 3883, and 2162 bp. The transcription start site is situated 267 nucleotides upstream from the ATG initiating codon. DNA sequence analysis of the 5′-flanking region reveals the existence of a putative TATA box (ATAAA) situated 28 nucleotides upstream from the transcription start site while a putative CAAT binding sequence is located 57 nucleotides upstream from the TATA box. Expression of a cDNA insert containing the coding region of 3β-HSD in nonsteroidogenic cells shows that the gene encodes a single 42-kDa protein containing both 3β-hydroxysteroid dehydrogenase and Δ5-Δ4-isomerase activities. Moreover, all natural steroid substrates tested are transformed with comparable efficiency by the enzyme. In addition to its importance for studies of the regulation of expression of 3β-HSD in gonadal as well as peripheral tissues, knowledge of the structure of the human 3β-HSD gene should permit investigation of the molecular defects responsible for 3β-HSD deficiency, the second most common cause of adrenal hyperplasia in children.

Plant rhizosphere specificity and variability in the insect and plant adhesins, Madl and Mad2, within the genus Metarhizium suggest plant adaptation as an evolutionary force

Metarhizium is a soil-inhabiting fungus currently used as a biological control agent against various insect species, and research efforts are typically focused on its ability to kill insects. In section 1, we tested the hypothesis that species of Metarhizium are not randomly distributed in soils but show plant rhizosphere-specific associations. Results indicated an association of three Metarhizium species (Metarhizium robertsii, M. brunneum and M. guizhouense) with the rhizosphere of certain types of plant species. M. robertsii was the only species that was found associated with grass roots, suggesting a possible exclusion of M. brunneum and M. guizhouense, which was supported by in vitro experiments with grass root exudate. M. guizhouense and M. brunneum only associated with wildflower rhizosphere when co-occurring with M. robertsii. With the exception of these co-occurrences, M. guizhouense was found to associate exclusively with the rhizosphere of tree species, while M. brunneum was found to associate exclusively with the rhizosphere of shrubs and trees. These associations demonstrate that different species of Metarhizium associate with specific plant types. In section 2, we explored the variation in the insect adhesin, Madl, and the plant adhesin, Mad2, in fourteen isolates of Metarhizium representing seven different species. Analysis of the transcriptional elements within the Mad2 promoter region revealed variable STRE, PDS, degenerative TATA box, and TATA box-like regions. Phylogenetic analysis of 5' EF-Ia, which is used for species identification, as well as Madl and Mad2 sequences demonstrated that the Mad2 phylogeny is more congruent with 5' EF-1a than Madl. This suggests Mad2 has diverged among Metarhizium lineages, contributing to clade- and species-specific variation. While other abiotic and biotic factors cannot be excluded in contributing to divergence, it appears that plant associations have been the driving factor causing divergence among Metarhizium species.

Variability in the Insect and Plant Adhesins, Mad1 and Mad2, within the Fungal Genus Metarhizium Suggest Plant Adaptation as an Evolutionary Force

Several species of the insect pathogenic fungus Metarhizium are associated with certain plant types and genome analyses suggested a bifunctional lifestyle; as an insect pathogen and as a plant symbiont. Here we wanted to explore whether there was more variation in genes devoted to plant association (Mad2) or to insect association (Mad1) overall in the genus Metarhizium. Greater divergence within the genus Metarhizium in one of these genes may provide evidence for whether host insect or plant is a driving force in adaptation and evolution in the genus Metarhizium. We compared differences in variation in the insect adhesin gene, Mad1, which enables attachment to insect cuticle, and the plant adhesin gene, Mad2, which enables attachment to plants. Overall variation for the Mad1 promoter region (7.1%), Mad1 open reading frame (6.7%), and Mad2 open reading frame (7.4%) were similar, while it was higher in the Mad2 promoter region (9.9%). Analysis of the transcriptional elements within the Mad2 promoter region revealed variable STRE, PDS, degenerative TATA box, and TATA box-like regions, while this level of variation was not found for Mad1. Sequences were also phylogenetically compared to EF-1a, which is used for species identification, in 14 isolates representing 7 different species in the genus Metarhizium. Phylogenetic analysis demonstrated that the Mad2 phylogeny is more congruent with 59 EF-1a than Mad1. This would suggest that Mad2 has diverged among Metarhizium lineages, contributing to clade- and species-specific variation, while it appears that Mad1 has been largely conserved. While other abiotic and biotic factors cannot be excluded in contributing to divergence, these results suggest that plant relationships, rather than insect host, have been a major driving factor in the divergence of the genus Metarhizium.

Variability in the Insect and Plant Adhesins, Mad1 and Mad2, within the Fungal Genus Metarhizium Suggest Plant Adaptation as an Evolutionary Force

Several species of the insect pathogenic fungus Metarhizium are associated with certain plant types and genome analyses suggested a bifunctional lifestyle; as an insect pathogen and as a plant symbiont. Here we wanted to explore whether there was more variation in genes devoted to plant association (Mad2) or to insect association (Mad1) overall in the genus Metarhizium. Greater divergence within the genus Metarhizium in one of these genes may provide evidence for whether host insect or plant is a driving force in adaptation and evolution in the genus Metarhizium. We compared differences in variation in the insect adhesin gene, Mad1, which enables attachment to insect cuticle, and the plant adhesin gene, Mad2, which enables attachment to plants. Overall variation for the Mad1 promoter region (7.1%), Mad1 open reading frame (6.7%), and Mad2 open reading frame (7.4%) were similar, while it was higher in the Mad2 promoter region (9.9%). Analysis of the transcriptional elements within the Mad2 promoter region revealed variable STRE, PDS, degenerative TATA box, and TATA box-like regions, while this level of variation was not found for Mad1. Sequences were also phylogenetically compared to EF-1a, which is used for species identification, in 14 isolates representing 7 different species in the genus Metarhizium. Phylogenetic analysis demonstrated that the Mad2 phylogeny is more congruent with 59 EF-1a than Mad1. This would suggest that Mad2 has diverged among Metarhizium lineages, contributing to clade- and species-specific variation, while it appears that Mad1 has been largely conserved. While other abiotic and biotic factors cannot be excluded in contributing to divergence, these results suggest that plant relationships, rather than insect host, have been a major driving factor in the divergence of the genus Metarhizium.

Regulation of gene expression in the dinoflagellate Lingulodinium polyedrum

Les dinoflagellés sont des eucaryotes unicellulaires que l’on retrouve autant en eau douce qu’en milieu marin. Ils sont particulièrement connus pour causer des fleurs d’algues toxiques nommées ‘marée-rouge’, ainsi que pour leur symbiose avec les coraux et pour leur importante contribution à la fixation du carbone dans les océans. Au point de vue moléculaire, ils sont aussi connus pour leur caractéristiques nucléaires uniques, car on retrouve généralement une quantité immense d’ADN dans leurs chromosomes et ceux-ci sont empaquetés et condensés sous une forme cristalline liquide au lieu de nucléosomes. Les gènes encodés par le noyau sont souvent présents en multiples copies et arrangés en tandem et aucun élément de régulation transcriptionnelle, y compris la boite TATA, n’a encore été observé. L’organisation unique de la chromatine des dinoflagellés suggère que différentes stratégies sont nécessaires pour contrôler l’expression des gènes de ces organismes. Dans cette étude, j’ai abordé ce problème en utilisant le dinoflagellé photosynthétique Lingulodinium polyedrum comme modèle. L. polyedrum est d’un intérêt particulier, car il a plusieurs rythmes circadiens (journalier). À ce jour, toutes les études sur l’expression des gènes lors des changements circadiens ont démontrées une régulation à un niveau traductionnel. Pour mes recherches, j’ai utilisé les approches transcriptomique, protéomique et phosphoprotéomique ainsi que des études biochimiques pour donner un aperçu de la mécanique de la régulation des gènes des dinoflagellés, ceci en mettant l’accent sur l’importance de la phosphorylation du système circadien de L. polyedrum. L’absence des protéines histones et des nucléosomes est une particularité des dinoflagellés. En utilisant la technologie RNA-Seq, j’ai trouvé des séquences complètes encodant des histones et des enzymes modifiant les histones. L polyedrum exprime donc des séquences conservées codantes pour les histones, mais le niveau d’expression protéique est plus faible que les limites de détection par immunodétection de type Western. Les données de séquençage RNA-Seq ont également été utilisées pour générer un transcriptome, qui est une liste des gènes exprimés par L. polyedrum. Une recherche par homologie de séquences a d’abord été effectuée pour classifier les transcrits en diverses catégories (Gene Ontology; GO). Cette analyse a révélé une faible abondance des facteurs de transcription et une surprenante prédominance, parmi ceux-ci, des séquences à domaine Cold Shock. Chez L. polyedrum, plusieurs gènes sont répétés en tandem. Un alignement des séquences obtenues par RNA-Seq avec les copies génomiques de gènes organisés en tandem a été réalisé pour examiner la présence de transcrits polycistroniques, une hypothèse formulée pour expliquer le manque d’élément promoteur dans la région intergénique de la séquence de ces gènes. Cette analyse a également démontré une très haute conservation des séquences codantes des gènes organisés en tandem. Le transcriptome a également été utilisé pour aider à l’identification de protéines après leur séquençage par spectrométrie de masse, et une fraction enrichie en phosphoprotéines a été déterminée comme particulièrement bien adapté aux approches d’analyse à haut débit. La comparaison des phosphoprotéomes provenant de deux périodes différentes de la journée a révélée qu’une grande partie des protéines pour lesquelles l’état de phosphorylation varie avec le temps est reliées aux catégories de liaison à l’ARN et de la traduction. Le transcriptome a aussi été utilisé pour définir le spectre des kinases présentes chez L. polyedrum, qui a ensuite été utilisé pour classifier les différents peptides phosphorylés qui sont potentiellement les cibles de ces kinases. Plusieurs peptides identifiés comme étant phosphorylés par la Casein Kinase 2 (CK2), une kinase connue pour être impliquée dans l’horloge circadienne des eucaryotes, proviennent de diverses protéines de liaison à l’ARN. Pour évaluer la possibilité que quelques-unes des multiples protéines à domaine Cold Shock identifiées dans le transcriptome puissent moduler l’expression des gènes de L. polyedrum, tel qu’observé chez plusieurs autres systèmes procaryotiques et eucaryotiques, la réponse des cellules à des températures froides a été examinée. Les températures froides ont permis d’induire rapidement un enkystement, condition dans laquelle ces cellules deviennent métaboliquement inactives afin de résister aux conditions environnementales défavorables. Les changements dans le profil des phosphoprotéines seraient le facteur majeur causant la formation de kystes. Les phosphosites prédits pour être phosphorylés par la CK2 sont la classe la plus fortement réduite dans les kystes, une découverte intéressante, car le rythme de la bioluminescence confirme que l’horloge a été arrêtée dans le kyste.

Changes in gene expression in Arabidopsis shoots during phosphate starvation and the potential for developing smart plants

Our aim was to generate and prove the concept of "smart" plants to monitor plant phosphorus (P) status in Arabidopsis. Smart plants can be genetically engineered by transformation with a construct containing the promoter of a gene up-regulated specifically by P starvation in an accessible tissue upstream of a marker gene such as beta-glucuronidase (GUS). First, using microarrays, we identified genes whose expression changed more than 2.5-fold in shoots of plants growing hydroponically when P, but not N or K, was withheld from the nutrient solution. The transient changes in gene expression occurring immediately (4 h) after P withdrawal were highly variable, and many nonspecific, shock-induced genes were up-regulated during this period. However, two common putative cis-regulatory elements (a PHO-like element and a TATA box-like element) were present significantly more often in the promoters of genes whose expression increased 4 h after the withdrawal of P compared with their general occurrence in the promoters of all genes represented on the microarray. Surprisingly, the expression of only four genes differed between shoots of P-starved and -replete plants 28 h after P was withdrawn. This lull in differential gene expression preceded the differential expression of a new group of 61 genes 100 h after withdrawing P. A literature survey indicated that the expression of many of these "late" genes responded specifically to P starvation. Shoots had reduced P after 100 h, but growth was unaffected. The expression of SQD1, a gene involved in the synthesis of sulfolipids, responded specifically to P starvation and was increased 100 h after withdrawing P. Leaves of Arabidopsis bearing a SQD1::GUS construct showed increased GUS activity after P withdrawal, which was detectable before P starvation limited growth. Hence, smart plants can monitor plant P status. Transferring this technology to crops would allow precision management of P fertilization, thereby maintaining yields while reducing costs, conserving natural resources, and preventing pollution.

Caracterização dos genes scMUTM1 e scMUTM2 de cana-de-açúcar

Plants are organisms sessile and because of this they are susceptible to genotoxic effects due to environmental exposure such as light [including ultraviolet (UV)], heat, drought and chemicals agents. Therefore, there are differents pathways in order to detect a lesion and correct. These pathways are not well known in plants. The MutM/Fpg protein is a DNA glycosylase that is responsible for detect and correct oxidative lesions. In the sugarcane genome, it was found two possible cDNAs that had homology to this protein: scMUTM1 and scMUTM2. The aim of this work was to characterize the role of these cDNAs in plants. In order to do this, the expression level after oxidative stress was evaluated by semiquantitative RT-PCR. Another point analyzed in order to obtain the full-length gene, it was to use a sugarcane genomic library that was hybridized with both cDNAs as a probe. It was found two clones that will bought and sequenced. The promoter region was also cloned. It was obtained sequences only for scMUTM2 promoter region. The sequences obtained were divided into six groups. It was found regulatory motifs such as TATA-box, CAAT-box, oxidative stress element response and regulatory regions that response to light. The other point analyzed was to characterize the N-terminal region by PCR constructs. These constructs have deletions at 5 region. These sequences were introduce into Escherichia coli wild type strain (CC104) and double mutant (CC104mutMmutY). The results showed that proteins with deletions of scMUTM1 N-terminal region were able to complement the Fpg and MutY-glycosylase deficiency in CC104 mutMmutY reducing the spontaneous mutation frequency

Genomic organization of the Neurospora crassa gsn gene: possible involvement of the STRE and HSE elements in the modulation of transcription during heat shock

Glycogen synthase, an enzyme involved in glycogen biosynthesis, is regulated by phosphorylation and by the allosteric ligand glucose-6-phosphate (G6P). In addition, enzyme levels can be regulated by changes in gene expression. We recently cloned a cDNA for glycogen synthase (gsn) from Neurospora crassa, and showed that gsn transcription decreased when cells were exposed to heat shock (shifted from 30degreesC to 45degreesC). In order to understand the mechanisms that control gsn expression, we isolated the gene, including its 5' and 3' flanking regions, from the genome of N. crassa. An ORF of approximately 2.4 kb was identified, which is interrupted by four small introns (II-V). Intron I (482 bp) is located in the 5'UTR region. Three putative Transcription Initiation Sites (TISs) were mapped, one of which lies downstream of a canonical TATA-box sequence (5'-TGTATAAA-3'). Analysis of the 5'-flanking region revealed the presence of putative transcription factor-binding sites, including Heat Shock Elements (HSEs) and STress Responsive Elements (STREs). The possible involvement of these motifs in the negative regulation of gsn transcription was investigated using Electrophoretic Mobility Shift Assays (EMSA) with nuclear extracts of N. crassa mycelium obtained before and after heat shock, and DNA fragments encompassing HSE and STRE elements from the 5'-flanking region. While elements within the promoter region are involved in transcription under heat shock, elements in the 5'UTR intron may participate in transcription during vegetative growth. The results thus suggest that N. crassa possesses trans-acting elements that interact with the 5'-flanking region to regulate gsn transcription during heat shock and vegetative growth.

Modelo dinâmico e estatístico aplicado a transição de fase

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Tandem repetitive DNA: Stabilität und Wirkung auf die Genexpression im transgenen System

Zusammenfassung In der vorliegenden Arbeit wurden unterschiedliche Eigenschaften von tandem repetitiver DNA (trDNA) analysiert. Drei der untersuchten trDNA-Familien (Cla-Elemente, Alu-Elemente, 1,688-Satelliten-DNA) stammen aus der genomischen DNA von Insekten, während ein trDNA-Cluster artifiziell aus Hsp70 Promotoren hergestellt wurde. Untersucht wurde die Stabilität dieser trDNA-Sequenzfamilien innerhalb eines Plasmidvektors in E. coli bzw. nach Integration der trDNA auch im Genom von D. melanogaster. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt jedoch in der Analyse des Einflusses von trDNA auf die Expression eines benachbarten Reportergens in D. melanogaster.Ziel der Untersuchungen zur Stabilität war es, Eigenschaften von trDNA-Clustern und Mechanismen aufzuzeigen, die die Stabilität derselben in E. coli und im Genom von D. melanogaster beeinflussen. Mit Ausnahme der Alu-Elemente zeigen alle trDNA-Familien eine deutliche Instabilität in E. coli. Am Beispiel der Cla-Elemente wurde gezeigt, daß spezifische Eigenschaften der trDNA-Familie, wie etwa die sequenzbedingte Krümmung der Helixachse, keinen Einfluß auf die Stabilität des trDNA-Clusters haben, sondern die Orientierung des trDNA-Clusters innerhalb des Vektors ausschlaggebend ist. Ein entscheidender Faktor könnte die Orientierung des trDNA-Clusters relativ zur Wanderungsrichtung der Replikationsgabel in E. coli sein. Am Beispiel des trDNA-Clusters aus artifiziellen Hsp70 Promotoren konnte gezeigt werden, daß verschiedene Rekombinationssysteme an der Instabilität in E. coli beteiligt sind. Die meisten beobachteten Deletionen von trDNA sind RecA-abhängig. Zusätzlich findet jedoch in einem kleinen Teil der Plasmide auch eine RecA-unabhängige Rekombination statt. Sowohl in E. coli als auch in D. melanogaster wurde als vorherrschender Mechanismus der trDNA-Instabilität die homologe Rekombination identifiziert. TrDNA-Cluster, die in E. coli deutlich instabil sind, können jedoch im Genom von D. melanogaster weitgehend stabil sein. Auch Faktoren, die in E. coli die Stabilität eines trDNA-Clusters beeinflussen, wie etwa die Orientierung, zeigen in D. melanogaster keinen Einfluß auf die Stabilität der trDNA-Cluster. Ergebnisse aus Stabilitätsuntersuchungen in E. coli können damit nicht ohne Überprüfung auf andere Organismen übertragen werden. Im Hauptteil der Arbeit sollte geklärt werden, ob trDNA generell die Expression benachbarter Gene beeinflußt und welche Eigenschaften der trDNA für diesen inhibitorischen oder stimulierenden Effekt verantwortlich sind. Keine der untersuchten trDNA-Familien zeigt einen inhibitorischen Effekt auf ein benachbartes Reportergen. Entgegen dem Modell von Dorer und Henikoff (1994) führen trDNA-Cluster nicht per se zu der Entstehung von Heterochromatin. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, daß sowohl ein trDNA-Cluster aus Cla-Elementen als auch aus Hsp70 Promotor-Elementen eine deutliche Steigerung der Expression des miniwhite-Reportergens bewirken. Diese Steigerung ist für beide trDNA-Familien unabhängig von der chromosomalen Lage des Transgens im Euchromatin. In beiden Fällen ist der Effekt von der Orientierung des trDNA-Clusters abhängig und verstärkt sich mit wachsender Kopienzahl der trDNA-Einheiten. Während eines der trDNA-Cluster aus trDNA-Einheiten besteht, die bekanntermaßen eine Promotoraktivität aufweisen (Hsp70 Promotoren), war für die Cla-Elemente kein Einfluß auf die Expression eines benachbarten Gens bekannt. Damit wurde für eine trDNA-Familie aus Chironomus nachgewiesen, daß sie auf ein benachbartes Gen ähnlich wirkt wie zusätzliche Promotoren. Die experimentellen Befunde unterstützen ein Modell, demzufolge die Cla-Elemente in gleicher Weise wie tandem repetitive Promotoren auf ein benachbartes Gen expressionssteigernd wirken. Die TATA-Box ist für das Modell ein wichtiges Strukturelement, da diese in beiden expressionssteigernden DNA-Sequenzen der trDNA-Cluster vorkommt und ausschließlich in einer Orientierung wirkt. Das Modell besagt, daß durch die Verbindung einer offenen Chromatinstruktur mit korrekt orientierten Bindungsstellen für TBP der Aufbau von vollständigen Transkriptionskomplexen an den tandem repetitiven Promotoren initiiert wird. Einer Perlenschnur ähnlich wären die Transkriptionskomplexe direkt verfügbar, nachdem ein Transkriptionskomplex den Promotor zur Transkription verlassen hat (Abb. 32). Dies würde zu der beobachteten Steigerung der Expression des Reportergens sowohl durch die tandem repetitiven Hsp70 Promotoren als auch durch die Cla-Elemente führen.

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.

Genomische Struktur und Promotorcharakterisierung des humanen ADAM10-Gens

Das ADAM10-Gen kodiert für eine membrangebundene Disintegrin-Metalloproteinase, die das Amyloidvorläuferprotein spaltet. Im Mausmodell konnte bewiesen werden, dass die Überexpression von ADAM10 die Plaquebildung vermindern und das Langzeitgedächtnis verbessert. Aus diesem Grund ist es für einen möglichen Therapieansatz für die Alzheimer’sche Erkrankung erforderlich, die Organisation des humanen ADAM10-Gens und seines Promotors aufzuklären. Beim Vergleich der genomischen Sequenzen von humanem und murinem ADAM10 zeigte sich eine hohe Übereinstimmung. Beide Gene umfassen 160 kbp und bestehen aus 16 Exons. Die ersten 500 bp stromaufwärts vom Translationsstartpunkt zwischen dem Menschen, der Maus und der Ratte sind hoch konserviert. Diese Region beinhaltet spezifische regulatorische Elemente, die die ADAM10-Transkription modulieren. In den ersten 2179 bp stromaufwärts vom humanen ADAM10-Translationsstartpunkt fanden sich einige potentiellen Transkriptionsfaktor-bindungsstellen (Brn-2, SREBP, Oct-1, Creb1/cJun, USF, Maz, MZF-1, NFkB und CDPCR3HD). Es wurde eine charakteristische GC-Box und eine CAAT-Box, aber keine TATA-Box identifiziert. Nach Klonierung dieser 2179 bp großen Region wurde eine starke Promotoraktivität, insbesondere in neuronalen Zelllinien, gefunden. Bei der Analyse von Deletionskonstrukten wurde die Region zwischen -508 und -300 als essentiell für die Transkriptionsaktivierung bestimmt. Die Promotoraktivität wird zudem streng herunterreguliert, wenn in die Region 317 bp stromaufwärts vom Startpunkt der Translation eine Punktmutation eingeführt wird. Diese per Computeranalyse als USF-Bindungsstelle deklarierte Region spielt eine zentrale Rolle bei der ADAM10-Transkription. Im EMSA wurde eine Protein-DNA-Interaktion für diese Region gezeigt. Durch transienten Transfektionen in Schneider Drosophila Insektenzellen konnte nachgewiesen werden, dass die Überexpression von Sp1 und USp3 für die ADAM10-Promotoraktivität entscheidend ist. In EMSA-Studien bestätigte sich eine Protein-DNA-Interaktion für die Region -366 bp stromaufwärts vom Translationsstartpunkt. Die Punktmutation in der CAAT-Box veränderte die die Promotoraktivität nicht. Da weiterhin für diese potentielle Bindungsstelle kein Bindungsfaktor vorausgesagt wurde, scheint die CAAT-Box keine Bedeutung bei der Promotorregulation zu spielen. Schließlich fand sich im EMSA eine Protein-DNA-Interaktion für die Bindungsstelle 203 bp stromaufwärts vom Translationsstartpunkt. Diese in Computeranalysen als RXR-Bindungsstelle identifizierte Region ist ebenfalls von Bedeutung in der Promotorregulation. Auf der Suche nach Substanzen, die die ADAM10-Promotoraktivität beeinflussen, wurde ein negativer Effekt durch die apoptoseauslösende Substanz Camptothecin und ein positiver Effekt durch die zelldifferenzierungsauslösende Substanz all-trans Retinsäure festgestellt. Mit dieser Arbeit wurde die genomische Organisation des ADAM10-Gens zusammen mit dem zugehörigen Promotor aufgeklärt und ein neuer Regulationsmechanismus für die Hochregulation der Expression der alpha-Sekretase ADAM10 gefunden. Im Weiteren sollen nun die genauen Mechanismen bei der Hochregulation der alpha-Sekretase ADAM10 durch Retinsäure untersucht und durch Mikroarray-Analysen an RNA-Proben transgener Mäuse, welche ADAM10 überexpremieren, neue therapeutische Ansätze zur Behandlung der Alzheimer´schen Erkrankung identifiziert werden.

Differentielle Expression und molekulare Evolution von Mollusken-Hämocyanin

Molekularbiologische und biochemische Untersuchungen an den zwei Gastropoden-Arten Haliotis tuberculata und Haliotis asinina zeigten, dass diese jeweils zwei unterscheidbare Hämocyanin-Isoformen (HtH1/HaH1 und HtH2/HaH2) besitzen, die in unterschiedlichen Mengen in der Hämolymphe vorkommen. In situ-Hybridisierungsversuche an H. asinina ergaben, dass die beiden Hämocyanin-Isoformen sowohl entwicklungsspezifisch als auch gewebsspezifisch exprimiert werden. Die Transkription der Hämocyanin-Gene setzt bereits 9 Stunden nach der Befruchtung ein und ist von diesem Zeitpunkt an in allen Stadien der Larvalentwicklung nachweisbar. Während dieser Entwicklungsphase sind die Expressionsmuster der beiden Isoformen weitgehend überlappend, wohingegen in adulten Tieren in verschiedenen Geweben isoformspezifische Expressionsmuster auftreten. Diese Ergebnisse deuten auf funktionelle Unterschiede der beiden Hämocyanin-Isoformen hin, und somit darauf, dass Hämocyanin neben dem Transport von Sauerstoff noch weitere Funktionen ausüben könnte (Streit et al., 2005). Weiterhin wurden Untersuchungen zur Primär- und Sekundärstruktur der Hämocyanine aus H. tuberculata und zwei weiteren Arten (Megathura crenulata und Aplysia californica) durchgeführt. Von den Vetigastropoden M. crenulata und H. tuberculata konnten die für die beiden Hämocyanin-Isoformen kodierenden cDNA-Sequenzen vervollständigt werden. Von HtH1 und HtH2 wurden zudem die Gensequenzen komplettiert. Die Sequenzen des KLH1-Gens wurden bis auf 24 bp der 5’UTR und die für das Signalpeptid 1 kodierenden 33 bp ermittelt. Erstmals ist es gelungen, Promotorsequenzen von Mollusken-Hämocyanin-Genen zu sequenzieren. Für HtH2 wurden 181 bp und für KLH2 906 bp des Promotors analysiert. Beide Gensequenzen weisen das konservierte Sequenzmotiv der TATA-Box auf. Wie bei H. tuberculata treten auch bei M. crenulata die beiden Isoformen in unterschiedlichen Mengenverhältnissen in der Hämolymphe auf. In den bisher analysierten Sequenzen dieser beiden Gastropoden konnten keine regulatorischen Elemente identifiziert werden, welche die differentielle Expression bedingen könnten. Die Genstruktur des Hämocyanins von A. californica konnte ebenfalls aufgeklärt werden. Die kodierenden Bereiche des AcH-Gens werden durch insgesamt 45 interne Introns fragmentiert. Im Gen liegen neun Insertionspositionen vor, in denen paraloge Introns inserieren. Zudem sind neun Introns ortholog zu internen Introns anderer Mollusken-Hämocyanin-Gene. Im Fall der paralogen und orthologen Introns handelt es sich um sehr ursprüngliche Introns, die bereits vor der Radiation der Mollusken inserierten. Damit widerlegen diese Ergebnisse die bisherige Annahme („Intron late”-Hypothese), der zufolge die Insertion interner Introns erst nach der Trennung der Gastropoden und Cephalopoden eingesetzt haben soll. Im Zuge dieser Sequenzanalysen ergaben sich zudem Hinweise auf die Existenz einer weiteren AcH-Isoform, da 13 Fragmente ermittelt wurden, die in den kodierenden Bereichen Sequenzunterschiede von bis zu 20% zu AcH 1 aufweisen. Die detaillierten Studien der Haliotis-Hämocyanine deckten einen weitreichenden phylogenetischen Informationsgehalt der Hämocyanin-Sequenzen auf. In weiterführenden Analysen wurden Teilsequenzen der Hämocyanin-Gene von 12 verschiedenen Haliotis-Arten amplifiziert. Der daraus rekonstruierte Stammbaum liefert entsprechend spezifischer Indels eine deutliche Auftrennung der Haliotidae in eine nordpazifische und eine europäischaustralasische Abstammungslinie. Anhand dieser Analyse lassen sich der phylogeographische Ursprung der Haliotiden aufzeigen (Streit et al., 2006) und deren Wanderungsbewegungen nachvollziehen. Hämocyanin-Daten wurden des Weiteren für phylogenetische Analysen auf höherem taxonomischem Niveau eingesetzt. Innerhalb der Klasse der Polyplacophoren wurden interfamiliäre Verwandtschaftsverhältnisse rekonstruiert. Für diese Analyse wurden Teilsequenzen der Hämocyanin-Gene 17 unterschiedlicher Arten ermittelt. Die phylogenetische Untersuchung zeigt, dass sich die Polyplacophoren eindeutig in die beiden Ordnungen der Lepidopleurida und Chitonida auftrennen, da die Chitonida eine spezifische „Deletion” aufweisen. Anhand dieses Merkmals kann auch Callochiton bouveti, der diese „Deletion” besitzt und dessen phylogenetische Einordnung bisweilen umstritten war, eindeutig den Chitonida zugeordnet werden. Innerhalb der Chitonida bilden sowohl die Chitonina als auch die Acanthochitonina monophyletische Gruppen.

Identification of the p53 family-responsive element in the promoter region of the tumor suppressor gene hypermethylated in cancer 1

The tumor suppressor gene hypermethylated in cancer 1 (HIC1), located on human chromosome 17p13.3, is frequently silenced in cancer by epigenetic mechanisms. Hypermethylated in cancer 1 belongs to the bric à brac/poxviruses and zinc-finger family of transcription factors and acts by repressing target gene expression. It has been shown that enforced p53 expression leads to increased HIC1 mRNA, and recent data suggest that p53 and Hic1 cooperate in tumorigenesis. In order to elucidate the regulation of HIC1 expression, we have analysed the HIC1 promoter region for p53-dependent induction of gene expression. Using progressively truncated luciferase reporter gene constructs, we have identified a p53-responsive element (PRE) 500 bp upstream of the TATA-box containing promoter P0 of HIC1, which is sequence specifically bound by p53 in vitro as assessed by electrophoretic mobility shift assays. We demonstrate that this HIC1 p53-responsive element (HIC1.PRE) is necessary and sufficient to mediate induction of transcription by p53. This result is supported by the observation that abolishing endogenous wild-type p53 function prevents HIC1 mRNA induction in response to UV-induced DNA damage. Other members of the p53 family, notably TAp73beta and DeltaNp63alpha, can also act through this HIC1.PRE to induce transcription of HIC1, and finally, hypermethylation of the HIC1 promoter attenuates inducibility by p53.