Polymorphisms in FGFBP1 and FGFBP2 genes associated with carcass and meat quality traits in chickens

In the past, the focus of broiler breeding programs on yield and carcass traits improvement led to problems related to meat quality. Awareness of public concern for quality resulted in inclusion of meat quality traits in the evaluation process. Nevertheless, few genes associated with meat quality attributes are known. Previous studies mapped quantitative trait loci for weight at 35 and 42 days in a region of GGA4 flanked by the microsatellite markers, MCW0240 and LEI0063. In this region, there are 2 fibroblast growth factor binding protein (FGFBP) genes that play an important role in embryogenesis, cellulardifferentiation, and proliferation in chickens. The objective of this study was to identify and associate single nucleotide polymorphisms (SNPs) in FGFBP1 and FGFBP2 with performance, carcass, and meat quality in experimental and commercial chicken populations. In the commercial population, SNP g.2014G>A in FGFBP1 was associated with decreased carcass weight (P < 0.05), and SNP g.651G>A in FGFBP2 was associated with thawing loss and meat redness content (P < 0.05). Four haplotypes were constructed based on 2 SNPs and were associated with breast weight, thawing loss, and meat redness content. The diplotypes were associated with thawing loss, lightness, and redness content. The SNPs evaluated in the present study may be used as markers in poultry breeding programs to aid in improving growth and meat quality traits. © FUNPEC-RP.

Expression profiling in developing peach seed and mesocarp as affected by growth regulators

Jasmonates (JAs) and spermidine (Sd) influence fruit (and seed) development and ripening. In order to unravel their effects in peach fruit, at molecular level, field applications of methyl jasmonate (MJ) and propyl dihydrojasmonate (PDJ), and Sd were performed at an early developmental stage (late S1). At commercial harvest, JA-treated fruit were less ripe than controls. Realtime RT-PCR analyses confirmed a down-regulation of ethylene biosynthetic, perception and signaling genes, and flesh softening-related genes. The expression of cell wall-related genes, of a sugar-transporter and hormone-related transcript levels was also affected by JAs. Seeds from JA-treated fruit showed a shift in the expression of developmental marker genes suggesting that the developmental program was probably slowed down, in agreement with the contention that JAs divert resources from growth to defense. JAs also affected phenolic content and biosynthetic gene expression in the mesocarp. Levels of hydroxycinnamic acids, as well as those of flavan-3-ols, were enhanced, mainly by MJ, in S2. Transcript levels of phenylpropanoid pathway genes were up-regulated by MJ, in agreement with phenolic content. Sd-treated fruits at harvest showed reduced ethylene production and flesh softening. Sd induced a short-term and long-term response patterns in endogenous polyamines. At ripening the up-regulation of the ethylene biosynthetic genes was dramatically counteracted by Sd, leading to a down-regulation of softening-related genes. Hormone-related gene expression was also altered both in the short- and long-term. Gene expression analyses suggest that Sd interfered with fruit development/ripening by interacting with multiple hormonal pathways and that fruit developmental marker gene expression was shifted ahead in accord with a developmental slowing down. 24-Epibrassinolide was applied to Flaminia peaches under field conditions early (S1) or later (S3) during development. Preliminary results showed that, at harvest, treated fruit tended to be larger and less mature though quality parameters did not change relative to controls.

Die Leber als Latenzort des murinen Cytomegalovirus: Identifizierung und Charakterisierung des latent infizierten Zelltyps

Die Untersuchungen der murinen Cytomegalovirus (mCMV) Infektion im BALB/c Mausmodell konzentrierten sich bislang auf die Lunge, da diese einen Hauptort der mCMV Latenz darstellt. Da latentes CMV auch häufig durch Lebertransplantationen übertragen wird, wurde in dieser Arbeit die Leber als ein weiteres medizinisch relevantes Organ der CMV Latenz und Reaktivierung untersucht. Um zunächst die zellulären Orte der mCMV Latenz in der Leber zu ermitteln, wurden verschiedengeschlechtliche Knochenmarktransplantationen (KMT) mit männlichen tdy-positiven Spendern und weiblichen, tdy-negativen Empfängern, mit anschließender mCMV Infektion durchgeführt, um latent infizierte Mäuse mit geschlechtschromosomalem Chimärismus zu generieren. Diese Chimären erlaubten eine Unterscheidung zwischen tdy-positiven Zellen hämatopoetischen Ursprungs und tdy-negativen stromalen und parenchymalen Gewebszellen. Die Separation von Leberzellen der Chimären mittels zentrifugaler Elutriation und anschließender DNA Quantifizierung viraler und zellulärer Genome durch eine quantitative real-time PCR ergab einen ersten Hinweis, dass Endothelzellen ein zellulärer Ort der mCMV Latenz sind. Die darauf folgende immunomagnetische Zelltrennung lokalisierte latente virale DNA in der CD31-positiven Zellfraktion. Die Koexpression von CD31 mit dem endothelzellspezifischen Oberflächenmarker ME-9F1 identifizierte die sinusoidalen Endothelzellen der Leber (LSEC) als die Zellen, die latente virale DNA beherbergen. In den zytofluorometrisch aufgereinigten CD31+/ME-9F1+ LSEC waren bei gleichzeitigem Rückgang der männlichen tdy Markergene virale Genome angereichert, was darauf hinwies, dass Zellen, die virale DNA enthalten, vom Knochenmark-Empfänger stammen. Durch zytofluorometrische Analysen isolierter LSEC konnte eine vom Spender abstammende Subpopulation MHCII+/CD11b+ LSEC identifiziert werden. Anschließende Quantifizierungen viraler DNA aus latent infizierten Mäusen detektierten eine Abnahme viraler Genome mit zunehmender Menge an tdy-positiven Zellen, was beweist, dass MHCII+/CD11b+ LSEC keinen Ort der mCMV Latenz darstellen. Die limiting dilution Untersuchungen der isolierten latent infizierten LSEC ergaben eine Frequenz von einer latent infizierten Zelle unter ~1,9x104 LSEC und eine Anzahl von 7 bis 19 viralen Genomen pro latent infizierter Zelle. Nach 24 Stunden Kultivierung der LSEC konnte mittels quantitativer real-time RT-PCR mit Gesamt-RNA aus LSEC ein Anstieg der Genexpression der immediate early Gene ie1 und ie3 sowie eine Induktion des early Gens e1 gezeigt werden. Eine Erhöhung der transkriptionellen Reaktivierung durch die Inkubation der LSEC mit unterschiedlichen HDAC Inhibitoren konnte allerdings nicht erzielt werden, da sowohl die Menge der isolierten RNA aus behandelten Kulturen, als auch die Anzahl viraler Transkripte im Vergleich zu den unbehandelten Kulturen erniedrigt war. Aufgrund der kurzen Lebensdauer isolierter LSEC in vitro konnte durch Kokultivierungen latent infizierter LSEC zusammen mit murinen embryonalen Fibroblasten keine Virusreaktivierung induziert werden. Im Gegensatz dazu wurden durch den Transfer gereinigter ME-9F1+/CD31+ LSEC aus latent infizierten Spendern in immunsupprimierte Empfänger virale Rekurrenzen in Lungenexplantatkulturen des Rezipienten detektiert. Damit konnten LSEC eindeutig als zellulärer Ort von mCMV Latenz und Reaktivierung in der Leber identifiziert werden.

Funktionelle Analyse der Gliazellwanderung im Drosophila-Embryo

Gliazellen kommen in allen höheren Organismen vor und sind sowohl für die korrekte Entwicklung, als auch für die Funktionalität des adulten Nervensystems unerlässlich. Eine der mannigfachen Funktionen dieses Zelltyps ist die Umhüllung von Axonen im zentralen und peripheren Nervensystem (ZNS und PNS). Um eine vollständige Umhüllung zu gewährleisten, wandern Gliazellen während der Neurogenese zum Teil über enorme Distanzen von ihrem Entstehungsort aus. Dies trifft insbesondere auf die Gliazellen zu, durch deren Membranausläufer die distalen Axonbereiche der peripheren Nerven isoliert werden.rnIn dieser Arbeit wurde die Migration von Gliazellen anhand des Modelorganismus Drosophila untersucht. Ein besonderes Interesse galt dabei der Wanderung einer distinkten Population von Gliazellen, den sogenannten embryonalen Peripheren Gliazellen (ePG). Die ePGs werden überwiegend im sich entwickelnden ventralen Bauchmark geboren und wandern anschließend entlang der peripheren Nerventrakte nach dorsal aus, um diese bis zum Ende der Embryogenese zu umhüllen und dadurch die gliale Blut-Nerv-Schranke zu etablieren. Das Hauptziel dieser Arbeit bestand darin, neue Faktoren bzw. Mechanismen aufzudecken, durch welche die Migration der ePGs reguliert wird. Dazu wurde zunächst der wildtypische Verlauf ihrer Wanderung detailliert analysiert. Es stellte sich heraus, dass in jedem abdominalen Hemisegment eine invariante Anzahl von 12 ePGs von distinkten neuralen Vorläuferzellen generiert wird, die individuelle Identitäten besitzen und mittels molekularer Marker auf Einzelzellebene identifiziert werden können. Basierend auf der charakteristischen Lage der Zellen erfolgte die Etablierung einer neuen, konsistenten Nomenklatur für sämtliche ePGs. Darüber hinaus offenbarten in vivo Migrationsanalysen, dass die Wanderung individueller ePGs stereotyp verläuft und demzufolge weitestgehend prädeterminiert ist. Die genaue Kenntnis der wildtypischen ePG Migration auf Einzelzellebene diente anschließend als Grundlage für detaillierte Mutantenanalysen. Anhand derer konnte für den ebenfalls als molekularen Marker verwendeten Transkriptionsfaktor Castor eine Funktion als zellspezifische Determinante für die korrekte Spezifizierung der ePG6 und ePG8 nachgewiesen werden, dessen Verlust in einem signifikanten Migrationsdefekt dieser beiden ePGs resultiert. Des Weiteren konnte mit Netrin (NetB) der erste diffusible und richtungsweisende Faktor für die Migration von ePGs enthüllt werden, der in Interaktion mit dem Rezeptor Uncoordinated5 speziell die Wanderung der ePG6 und ePG8 leitet. Die von den übrigen Gliazellen unabhängige Navigation der ePG6 und ePG8 belegt, dass zumindest die Migration von Gruppen der ePGs durch unterschiedliche Mechanismen kontrolliert wird, was durch die Resultate der durchgeführten Ablationsexperimente bestätigt wird. rnFerner konnte gezeigt werden, dass während der frühen Gliogenese eine zuvor unbekannte, von Neuroblasten bereitgestellte Netrinquelle an der initialen Wegfindung der Longitudinalen Gliazellen (eine Population Neuropil-assoziierter Gliazellen im ZNS) beteiligt ist. In diesem Kontext erfolgt die Signaldetektion bereits in deren Vorläuferzelle, dem Longitudinalen Glioblasten, zellautonom über den Rezeptor Frazzled. rnFür künftige Mutantenscreens zur Identifizierung weiterer an der Migration der ePGs beteiligter Faktoren stellt die in dieser Arbeit präsentierte detaillierte Beschreibung eine wichtige Grundlage dar. Speziell in Kombination mit den vorgestellten molekularen Markern liefert sie die Voraussetzung dafür, individuelle ePGs auch im mutanten Hintergrund zu erfassen, wodurch selbst subtile Phänotypen überhaupt erst detektiert und auf Einzelzellebene analysiert werden können. Aufgrund der aufgezeigten voneinander unabhängigen Wegfindung, erscheinen Mutantenanalysen ohne derartige Möglichkeiten wenig erfolgversprechend, da Mutationen vermutlich mehrheitlich die Migration einzelner oder weniger ePGs beeinträchtigen. Letzten Endes wird somit die Aussicht verbessert, weitere neuartige Migrationsfaktoren im Modellorganismus Drosophila zu entschlüsseln, die gegebenenfalls bis hin zu höheren Organismen konserviert sind und folglich zum Verständnis der Gliazellwanderung in Vertebraten beitragen.

Early steps in ventral nerve cord development in chelicerates and myriapods and formation of brain compartments in spiders

The central point of this work is the investigation of neurogenesis in chelicerates and myriapods. By comparing decisive mechanisms in neurogenesis in the four arthropod groups (Chelicerata, Crustacea, Insecta, Myriapoda) I was able to show which of these mechanisms are conserved and which developmental modules have diverged. Thereby two processes of embryonic development of the central nervous system were brought into focus. On the one hand I studied early neurogenesis in the ventral nerve cord of the spiders Cupiennius salei and Achaearanea tepidariorum and the millipede Glomeris marginata and on the other hand the development of the brain in Cupiennius salei.rnWhile the nervous system of insects and crustaceans is formed by the progeny of single neural stem cells (neuroblasts), in chelicerates and myriapods whole groups of cells adopt the neural cell fate and give rise to the ventral nerve cord after their invagination. The detailed comparison of the positions and the number of the neural precursor groups within the neuromeres in chelicerates and myriapods showed that the pattern is almost identical which suggests that the neural precursors groups in these arthropod groups are homologous. This pattern is also very similar to the neuroblast pattern in insects. This raises the question if the mechanisms that confer regional identity to the neural precursors is conserved in arthropods although the mode of neural precursor formation is different. The analysis of the functions and expression patterns of genes which are known to be involved in this mechanism in Drosophila melanogaster showed that neural patterning is highly conserved in arthropods. But I also discovered differences in early neurogenesis which reflect modifications and adaptations in the development of the nervous systems in the different arthropod groups.rnThe embryonic development of the brain in chelicerates which was investigated for the first time in this work shows similarities but also some modifications to insects. In vertebrates and arthropods the adult brain is composed of distinct centres with different functions. Investigating how these centres, which are organised in smaller compartments, develop during embryogenesis was part of this work. By tracing the morphogenetic movements and analysing marker gene expressions I could show the formation of the visual brain centres from the single-layered precheliceral neuroectoderm. The optic ganglia, the mushroom bodies and the arcuate body (central body) are formed by large invaginations in the peripheral precheliceral neuroectoderm. This epithelium itself contains neural precursor groups which are assigned to the respective centres and thereby build the three-dimensional optical centres. The single neural precursor groups are distinguishable during this process leading to the assumption that they carry positional information which might subdivide the individual brain centres into smaller functional compartments.rn

Regelmechanismen und Determinanten der Transkription in Polytänchromosomen von Chironomus und Drosophila

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

Genexpressionsanalyse boviner mesenchymaler Stammzellen und deren in-vitro-differenzierten Folgelinien

Mesenchymale Stamzellen (MSC) sind Vertreter der adulten Stammzellen. Sie bergen durch ihre große Plastizität ein immenses Potential für die klinische Nutzung in Form von Stammzelltherapien. Zellen dieses Typs kommen vornehmlich im Knochenmark der großen Röhrenknochen vor und können zu Knochen, Knorpel und Fettzellen differenzieren. MSC leisten einen wichtigen Beitrag im Rahmen regenerativer Prozesse, beispielsweise zur Heilung von Frakturen. Breite Studien demonstrieren bereits jetzt auch bei komplexeren Erkrankungen (z.B. Osteoporose) therapeutisch vielversprechende Einsatzmöglichkeiten. Oft kommen hierbei aus MSC gezielt differenzierte Folgelinien aus Zellkulturen zum Einsatz. Dies bedingt eine kontrollierte Steuerung der Differenzierungsprozesse in vitro. Der Differenzierung einer Stammzelle liegt eine komplexe Veränderung ihrer Genexpression zugrunde. Genexpressionsmuster zur Erhaltung und Proliferation der Stammzellen müssen durch solche, die der linienspezifischen Differenzierung dienen, ersetzt werden. Die mit der Differenzierung einhergehende, transkriptomische Neuausrichtung ist für das Verständnis der Prozesse grundlegend und wurde bislang nur unzureichend untersucht. Ziel der vorliegenden Arbeit ist eine transkriptomweite und vergleichende Genexpressionsanalyse Mesenchymaler Stammzellen und deren in vitro differenzierten Folgelinien mittels Plasmid - DNA Microarrays und Sequenziertechniken der nächsten Generation (RNA-Seq, Illumina Plattform). In dieser Arbeit diente das Hausrind (Bos taurus) als Modellorganismus, da es genetisch betrachtet eine hohe Ähnlichkeit zum Menschen aufweist und Knochenmark als Quelle von MSC gut verfügbar ist. Primärkulturen Mesenchymaler Stammzellen konnten aus dem Knochenmark von Rindern erfolgreich isoliert werden. Es wurden in vitro Zellkultur - Versuche durchgeführt, um die Zellen zu Osteoblasten, Chondrozyten und Adipozyten zu differenzieren. Zur Genexpressionsanalyse wurde RNA aus jungen MSC und einer MSC Langzeitkultur („alte MSC“), sowie aus den differenzierten Zelllinien isoliert und für nachfolgende Experimente wo nötig amplifiziert. Der Erfolg der Differenzierungen konnte anhand der Genexpression von spezifischen Markergenen und mittels histologischer Färbungen belegt werden. Hierbei zeigte sich die Differenzierung zu Osteoblasten und Adipozyten erfolgreich, während die Differenzierung zu Chondrozyten trotz diverser Modifikationen am Protokoll nicht erfolgreich durchgeführt werden konnte. Eine vergleichende Hybridisierung zur Bestimmung differentieller Genexpression (MSC vs. Differenzierung) mittels selbst hergestellter Plasmid - DNA Microarrays ergab für die Osteogenese mit Genen wie destrin und enpp1, für die undifferenzierten MSC mit dem Gen sema3c neue Kandidatengene, deren biologische Funktion aufzuklären in zukünftigen Experimenten vielversprechende Ergebnisse liefern sollte. Die Analyse der transkriptomweiten Genexpression mittels NGS lieferte einen noch umfangreicheren Einblick ins Differenzierungsgeschehen. Es zeigte sich eine hohe Ähnlichkeit im Expressionsprofil von jungen MSC und Adipozyten, sowie zwischen den Profilen der alten MSC (eine Langzeitkultur) und Osteoblasten. Die alten MSC wiesen deutliche Anzeichen für eine spontane Differenzierung in die osteogene Richtung auf. Durch Analyse der 100 am stärksten exprimierten Gene jeder Zelllinie ließen sich für junge MSC und Adipozyten besonders Gene der extrazellulären Matrix (z.B col1a1,6 ; fn1 uvm.) auffinden. Sowohl Osteoblasten, als auch die alten MSC exprimieren hingegen verstärkt Gene mit Bezug zur oxidativen Phosphorylierung, sowie ribosomale Proteine. Eine Betrachtung der differentiellen Genexpression (junge MSC vs. Differenzierung) mit anschließender Pathway Analyse und Genontologie Anreicherungsstatistik unterstützt diese Ergebnisse vor allem bei Osteoblasten, wo nun jedoch zusätzlich auch Gene zur Regulation der Knochenentwicklung und Mineralisierung in den Vordergrund treten. Für Adipozyten konnte mit Genen des „Jak-STAT signaling pathway“, der Fokalen Adhäsion, sowie Genen des „Cytokine-cytokine receptor interaction pathway“ sehr spannende Einsichten in die Biologie dieses Zelltyps erlangt werden, die sicher weiterer Untersuchungen bedürfen. In undifferenzierten MSC konnte durch differentielle Genexpressionsanalyse die Rolle des nicht kanonischen Teils des WNT Signalweges als für die Aufrechterhaltung des Stammzellstatus potentiell äußerst einflussreich ermittelt werden. Die hier diskutierten Ergebnisse zeigen beispielhaft, dass besonders mittels Genexpressionsanalyse im Hochdurchsatzverfahren wertvolle Einblicke in die komplexe Biologie der Stammzelldifferenzierung möglich sind. Als Grundlage für nachfolgende Arbeiten konnten interessante Gene ermittelt und Hypothesen zu deren Einfluss auf Stammzelleigenschaften und Differenzierungsprozesse aufgestellt werden. Um einen besseren Einblick in den Differenzierungsverlauf zu ermöglichen, könnten künftig NGS Analysen zu unterschiedlichen Differenzierungszeitpunkten durchgeführt werden. Zudem wären weitere Anstrengungen zur erfolgreichen Etablierung der chondrogenen Differenzierung zur vollständigen Analyse der Genexpression des trilinearen Differenzierungspotentials von MSC wünschenswert.

Regulation of chromatin structure, Smad binding and AFP expression by the Forkhead box transcription factor: Foxa1

Transcription factors must be able to access their DNA binding sites to either activate or repress transcription. However, DNA wrapping and compaction into chromatin occludes most binding sites from ready access by proteins. Pioneer transcription factors are capable of binding their DNA elements within a condensed chromatin context and then reducing the level of nucleosome occupancy so that the chromatin structure is more accessible. This altered accessibility increases the probability of other transcription factors binding to their own DNA binding elements. My hypothesis is that Foxa1, a ‘pioneer’ transcription factor, activates alpha-fetoprotein (AFP) expression by binding DNA in a chromatinized environment, reducing the nucleosome occupancy and facilitating binding of additional transcription factors.^ Using retinoic-acid differentiated mouse embryonic stem cells, we illustrate a mechanism for activation of the tumor marker AFP by the pioneer transcription factor Foxa1 and TGF-β downstream effector transcription factors Smad2 and Smad4. In differentiating embryonic stem cells, binding of the Foxa1 forkhead box transcription factor to chromatin reduces nucleosome occupancy and levels of linker histone H1 at the AFP distal promoter. The more accessible DNA is subsequently bound by the Smad2 and Smad4 transcription factors, concurrent with activation of transcription. Chromatin immunoprecipitation analyses combined with siRNA-mediated knockdown indicate that Smad protein binding and the reduction of nucleosome occupancy at the AFP distal promoter is dependent on Foxa1. In addition to facilitating transcription factor binding, Foxa1 is also associated with histone modifications related to active gene expression. Acetylation of lysine 9 on histone H3, a mark that is associated active transcription, is dependent on Foxa1, while methylation of H3K4, also associated with active transcription, is independent of Foxa1. I propose that Foxa1 potentiates a region of chromatin to respond to Smad proteins, leading to active expression of AFP.^ These studies demonstrate one mechanism whereby a transcription factor can alter the accessibility of additional transcription factors to chromatin, by altering nucleosome positions. Specifically, Foxa1 exposes DNA so that Smad4 can bind to its regulatory element and activate transcription of the tumor-marker gene AFP.^

Regulation of myogenesis and suppression of {\it mck\/} 5$\sp\prime$ enhancer elements by TGF$\beta$ and RAS

The regulation of muscle differentiation, like cell differentiation in general, is only now beginning to be understood. Here are described several key features to myogenesis: a beginning, some intermediary events, and an endpoint. Muscle differentiation proceeds spontaneously when myoblasts are cultured in serum-poor medium. Transforming growth factor type $\beta$ (TGF$\beta$), a component of fetal serum, was found to potently suppress muscle differentiation. Prolonged blockade of differentiation required replenishing TGF$\beta$. When TGF$\beta$ was removed, cells rapidly differentiated. Both TGF$\beta$ and RAS, which also blocks myogenesis, suppress the genes for a series of muscle-specific proteins. Regions that regulate transcription of one such gene, muscle creatine kinase (mck), were located by linking progressively smaller parts of the mck 5$\sp\prime$ region to the marker gene cat and testing the constructs for regulated expression of cat in myoblasts and muscle cells. The mck promoter is not muscle-specific but requires activation. Two enhancers were found: a weak, developmentally regulated enhancer within the first intron, and a strong, compact, and tightly developmentally regulated enhancer about 1.2 Kb upstream of the transcription start site. Activity of this enhancer is eliminated by activated ras. Suppression of activated N-RAS restores potency to the upstream enhancer. Further deletion shows the mck 5$\sp\prime$ enhancer to contain an enhancer core with low but significant muscle-specific activity, and at least one peripheral element that augments core activity. The core and this peripheral element were comprised almost entirely of factor-binding motifs. The peripheral element was inactive as a single copy, but was constitutively active in multiple copies. Regions flanking the peripheral element augmented its activity and conferred partial muscle-specificity. The enhancer core is also modulated by its 5$\sp\prime$ flanking region in a complex manner. Site-specific mutants covering most of the enhancer core and interesting flanking sequences have been made; all mutants tested diminish the activity of the 5$\sp\prime$ enhancer. Alteration of the site to which MyoD1 is reported to bind completely inactivates the enhancer. A theoretical analysis of cooperativity is presented, through which the binding of a constitutively expressed nuclear factor is shown to have weak positive cooperativity. In summary, TGF$\beta$, RAS, and enhancer-binding factors are found to be initial, intermediary, and final regulators, respectively, of muscle differentiation. ^

Effect of the Legume Plant Host on Rhizobial Soil Population Dynamics

Rhizobium leguminosarum bv viciae (Rlv) is a soil bacterium able to establish specific root-nodule symbioses with legumes of four different genera: Pisum, Vicia, Lens and Lathyrus. Rlv isolates from nodules of any of these legumes can nodulate any of them; however, it has been shown that plants select specific rhizobial genotypes from those present in the soil (1,2). We have previously shown this at the genomic level by following a population genomics approach. Pool genomic sequences from 100 isolates from each of four plant species: P. sativum, L. culinaris, V. faba and V. sativa, show different, specific profiles at the single nucleotide polymorphism (SNP) level for relevant genes. In this work, the extent of Rlv selection from a well-characterized soil population by different legume plant hosts: P. sativum, L. culinaris, V. faba and V. sativa, after a medium-term mesocosm study is described. Direct soil isolates from each of these mesocosm studies have been tested for specific rhizobial genes (glnII and fnrN) and symbiotic genes (nodC and nifH). Different populations were characterized further by Sanger sequencing of both the rpoB phylogenetic marker gene and the symbiotic genes nodC and nifH. The distribution and size of the rhizobial population for each legume host showed changes during the medium-term mesocosm study. Particularly, a non-symbiotic group of rhizobia was enriched by all four hosts, in contrast to the symbiotic rhizobia profile, which was specific for each legume plant host.

Removal of LIF (leukemia inhibitory factor) results in increased vitamin A (retinol) metabolism to 4-oxoretinol in embryonic stem cells

Retinoids, vitamin A (retinol) and its metabolic derivatives, are required for normal vertebrate development. In murine embryonic stem (ES) cells, which remain undifferentiated when cultured in the presence of LIF (leukemia inhibitory factor), little metabolism of exogenously added retinol takes place. After LIF removal, ES cells metabolize exogenously added retinol to 4-hydroxyretinol and 4-oxoretinol and concomitantly differentiate. The conversion of retinol to 4-oxoretinol is a high-capacity reaction because most of the exogenous retinol is metabolized rapidly, even when cells are exposed to physiological (≈1 μM) concentrations of retinol in the medium. No retinoic acid or 4-oxoRA synthesis from retinol was detected in ES cells cultured with or without LIF. The cytochrome P450 enzyme CYP26 (retinoic acid hydroxylase) is responsible for the metabolism of retinol to 4-oxoretinol, and CYP26 mRNA is greatly induced (>15-fold) after LIF removal. Concomitant with the expression of CYP26, differentiating ES cells grown in the absence of LIF activate the expression of the differentiation marker gene FGF-5 whereas the expression of the stem cell marker gene FGF-4 decreases. The strong correlation between the production of polar metabolites of retinol and the differentiation of ES cells upon removal of LIF suggests that one important action of LIF in these cells is to prevent retinol metabolism to biologically active, polar metabolites such as 4-oxoretinol.

Metabolic pathway engineering in cotton: Biosynthesis of polyhydroxybutyrate in fiber cells

Alcaligenes eutrophus genes encoding the enzymes, β-ketothiolase (phaA), acetoacetyl-CoA reductase (phaB), and polyhydroxyalkanoate synthase (phaC) catalyze the production of aliphatic polyester poly-d-(−)-3-hydroxybutyrate (PHB) from acetyl-CoA. PHB is a thermoplastic polymer that may modify fiber properties when synthesized in cotton. Endogenous β-ketothiolase activity is present in cotton fibers. Hence cotton was transformed with engineered phaB and phaC genes by particle bombardment, and transgenic plants were selected based on marker gene, β-glucuronidase (GUS), expression. Fibers of 10 transgenic plants expressed phaB gene, while eight plants expressed both phaB and phaC genes. Electron microscopy examination of fibers expressing both genes indicated the presence of electron-lucent granules in the cytoplasm. High pressure liquid chromatography, gas chromatography, and mass spectrometry evidence suggested that the new polymer produced in transgenic fibers is PHB. Sixty-six percent of the PHB in fibers is in the molecular mass range of 0.6 × 106 to 1.8 × 106 Da. The presence of PHB granules in transgenic fibers resulted in measurable changes of thermal properties. The fibers exhibited better insulating characteristics. The rate of heat uptake and cooling was slower in transgenic fibers, resulting in higher heat capacity. These data show that metabolic pathway engineering in cotton may enhance fiber properties by incorporating new traits from other genetic sources. This is an important step toward producing new generation fibers for the textile industry.

Enhancement of induced disease resistance by simultaneous activation of salicylate- and jasmonate-dependent defense pathways in Arabidopsis thaliana

The plant-signaling molecules salicylic acid (SA) and jasmonic acid (JA) play an important role in induced disease resistance pathways. Cross-talk between SA- and JA-dependent pathways can result in inhibition of JA-mediated defense responses. We investigated possible antagonistic interactions between the SA-dependent systemic acquired resistance (SAR) pathway, which is induced upon pathogen infection, and the JA-dependent induced systemic resistance (ISR) pathway, which is triggered by nonpathogenic Pseudomonas rhizobacteria. In Arabidopsis thaliana, SAR and ISR are effective against a broad spectrum of pathogens, including the foliar pathogen Pseudomonas syringae pv. tomato (Pst). Simultaneous activation of SAR and ISR resulted in an additive effect on the level of induced protection against Pst. In Arabidopsis genotypes that are blocked in either SAR or ISR, this additive effect was not evident. Moreover, induction of ISR did not affect the expression of the SAR marker gene PR-1 in plants expressing SAR. Together, these observations demonstrate that the SAR and the ISR pathway are compatible and that there is no significant cross-talk between these pathways. SAR and ISR both require the key regulatory protein NPR1. Plants expressing both types of induced resistance did not show elevated Npr1 transcript levels, indicating that the constitutive level of NPR1 is sufficient to facilitate simultaneous expression of SAR and ISR. These results suggest that the enhanced level of protection is established through parallel activation of complementary, NPR1-dependent defense responses that are both active against Pst. Therefore, combining SAR and ISR provides an attractive tool for the improvement of disease control.

Absence of fetal liver hematopoiesis in mice deficient in transcriptional coactivator core binding factor beta.

Core binding factor beta (CBF beta) is considered to be a transcriptional coactivator that dimerizes with transcription factors core binding factor alpha 1 (CBFA1), -2, and -3, and enhances DNA binding capacity of these transcription factors. CBF beta and CBFA2, which is also called acute myeloid leukemia 1 gene, are frequently involved in chromosomal translocations in human leukemia. To elucidate the function of CBF beta, mice carrying a mutation in the Cbfb locus were generated. Homozygous mutant embryos died between embryonic days 11.5-13.5 due to hemorrhage in the central nervous system. Mutant embryos had primitive erythropoiesis in yolk sac but lacked definitive hematopoiesis in fetal liver. In the yolk sac of mutant embryos, no erythroid or myeloid progenitors of definitive hematopoietic origin were detected, and the expression of flk-2/flt-3, the marker gene for early precursor cells of definitive hematopoiesis, was absent. These data suggest that Cbfb is essential for definitive hematopoiesis in liver, especially for the commitment to early hematopoietic precursor cells.

Stress signaling in plants: a mitogen-activated protein kinase pathway is activated by cold and drought.

Yeast and animals use mitogen-activated protein (MAP) kinase cascades to mediate stress and extracellular signals. We have tested whether MAP kinases are involved in mediating environmental stress responses in plants. Using specific peptide antibodies that were raised against different alfalfa MAP kinases, we found exclusive activation of p44MMK4 kinase in drought- and cold-treated plants. p44MMK4 kinase was transiently activated by these treatments and was correlated with a shift in the electrophoretic mobility of the p44MMK4 protein. Although transcript levels of the MMK4 gene accumulated after drought and cold treatment, no changes in p44MMK4 steady state protein levels were observed, indicating a posttranslational activation mechanism. Extreme temperatures, drought, and salt stress are considered to be different forms of osmotic stress. However, high salt concentrations or heat shock did not induce activation of p44MMK4, indicating the existence of distinct mechanisms to mediate different stresses in alfalfa. Stress adaptation in plants is mediated by abscisic acid (ABA)-dependent and ABA-independent processes. Although ABA rapidly induced the transcription of an ABA-inducible marker gene, MMK4 transcript levels did not increase and p44MMK4 kinase was not activated. These data indicate that the MMK4 kinase pathway mediates drought and cold signaling independently of ABA.