Isolation, purification, characterization and application of proteinaceous protease inhibitor from marine bacterium Pseudomonas mendocina BTMW 301

The microorganisms are recognized as important sources of protease inhibitors which are valuable in the fields of medicine, agriculture and biotechnology. The protease inhibitors of microbial origin are found to be versatile in their structure and mode of inhibition that vary from those of other sources. Although surplus of low molecular weight non-protein protease inhibitors from microorganisms have been reported, there is a dearth of reports on proteinaceous protease inhibitors. The search for new metabolites from marine organisms has resulted in the isolation of more or less 10,000 metabolites (Fuesetani and Fuesetani, 2000) many of which are gifted with pharmacodynamic properties. The existence of marine microorganisms was reported earlier, and they were found to be metabolically and physiologically dissimilar from terrestrial microorganisms. Marine microorganisms have potential as important new sources of enzyme inhibitors and consequently a detailed study of new marine microbial inhibitors will provide the basis for future research (Imada, 2004).

“Reconstruction of Gene Regulatory Network from Expression Profile of Plasma RNA Data of Colorectal Cancer Patients using Soft Computing Techniques”

Microarray data analysis is one of data mining tool which is used to extract meaningful information hidden in biological data. One of the major focuses on microarray data analysis is the reconstruction of gene regulatory network that may be used to provide a broader understanding on the functioning of complex cellular systems. Since cancer is a genetic disease arising from the abnormal gene function, the identification of cancerous genes and the regulatory pathways they control will provide a better platform for understanding the tumor formation and development. The major focus of this thesis is to understand the regulation of genes responsible for the development of cancer, particularly colorectal cancer by analyzing the microarray expression data. In this thesis, four computational algorithms namely fuzzy logic algorithm, modified genetic algorithm, dynamic neural fuzzy network and Takagi Sugeno Kang-type recurrent neural fuzzy network are used to extract cancer specific gene regulatory network from plasma RNA dataset of colorectal cancer patients. Plasma RNA is highly attractive for cancer analysis since it requires a collection of small amount of blood and it can be obtained at any time in repetitive fashion allowing the analysis of disease progression and treatment response.

Isolation of a pathogenic strain of Vibrio alginolyticus from necrotic larvae of Macrobrachium rosenbergii (de Man)

Giant freshwater prawn, Macrobrachium rosenbergii (de Man), is an important commercial species with considerable export value, ideal for cultivation under low saline conditions and in freshwater zones (Kurup 1994). However, despite more than a decade of research on its larval production systems, vibriosis still hampers seed production resulting in high mortality rates. Among the different species of vibrios, Vibrio alginolyticus has been isolated frequently from diseased shrimp as the aetiological agent of vibriosis and has been described as a principal pathogen of both penaeids and nonpenaeids (Lightner 1988; Baticados, Cruz-Lacierda, de la Cruz, Duremdez-Fernandez, Gacutan, Lavilla- Pitogo & Lio-Po 1990; Mohney, Lightner & Bell 1994; Lee, Yu, Chen, Yang & Liu 1996). Vibrio fluvialis, V. alginolyticus, V. cholerae non-O1 (Fujioka & Greco 1984), Aeromonas liquifaciens and V. anguillarum (Colorni 1985) have been isolated from the larvae of M. rosenbergii. A profound relationship between the abundance of members of the family Vibrionaceae and larval mortality (Singh 1990) and the predominance of Vibrio in eggs, larvae and post-larvae of M. rosenbergii (Hameed, Rahaman, Alagan & Yoganandhan 2003) was reported. The present paper reports the isolation, characterization, pathogenicity and antibiotic sensitivity of V. alginolyticus associated with M. rosenbergii larvae during an occurrence of severe mass mortality at the ninth larval stage.

Isolation and characterization of broad spectrum bacteriophages lytic to Vibrio harveyi from shrimp farms of Kerala, India

Of 33 phages isolated from various shrimp farms in Kerala, India, six were segregated to have broad spectrum lytic efficiency towards 87 isolates of Vibrio harveyi with cross-infecting potential to a few other important aquaculture pathogens. They were further tested on beneficial aquaculture micro-organisms such as probiotics and nitrifying bacterial consortia and proved to be noninfective. Morphological characterization by transmission electron microscopy (TEM) and molecular characterization by RAPD and SDS-PAGE proved them distinct and positioned under Caudovirales belonging to Myoviridae and Siphoviridae

Protease inhibitor from Moringa oleifera leaves: Isolation, purification, and characterization

Protease inhibitors have great demand in medicine and biotechnology. We report here the purification and characterization of a protease inhibitor isolated from mature leaf extract of Moringa oleifera that showed maximum inhibitor activity. The protease inhibitor was purified to 41.4-fold by Sephadex G75 and its molecular mass was calculated as 23,600 Da. Inhibitory activity was confirmed by dot-blot and reverse zymogram analyses. Glycine, glutamic acid, alanine, proline and aspartic acid were found as the major amino acids of the inhibitor protein. Maximal activity was recorded at pH 7 and at 40 ◦C. The inhibitor was stable over pH 5–10; and at 50 ◦C for 2 h. Thermostability was promoted by CaCl2, BSA and sucrose. Addition of Zn2+ and Mg2+, SDS, dithiothreitol and -mercaptoethanol enhanced inhibitory activity, while DMSO and H2O2 affected inhibitory activity. Modification of amino acids at the catalytic site by PMSF and DEPC led to an enhancement in the inhibitory activity. Stoichiometry of trypsin–protease inhibitor interaction was 1:1.5 and 0.6 nM of inhibitor effected 50% inhibition. The low Ki value (1.5 nM) obtained indicated scope for utilization of M. oliefera protease inhibitor against serine proteases

Isolation, Stabilization and Characterization of Xanthophyll from Marigold Flower- Tagetes Erecta-L

The present paper deals with the chemistry, isolation, separation, characterisation and stabilisation of the Marigold oleoresin and its application as a natural food colorant. Marigold (Tagetes Erecta L), an ornamental plant belonging to the composite family, has a rich source of natural antioxidant-Lutein. A natural pigment, xanthophylls offer an alternative to synthetic dyes as a food colorant, due to its non-toxicity. Chromatographic separations of saponified and unsaponified oleoresin were performed and Trans-Lutein identified as the major constituent. Well-preserved flowers exhibit a high yield of Xanthophyll content (105.19 g/Kg) in contrast to the unpreserved flower sample (54.87 g/Kg), emphasizing the significance of flower preservation in the extraction of xanthophyll. The stability and amount of xanthophyll also increased from 105.19 g/Kg to 226.88 g/Kg on saponification and subsequent purification with Ethylene Dichloride

Mosquito larvae borne viruses from the central travancore region of kerala: isolation and characterization

The present study was initiated when several massive outbreaks of Chikungunya, Dengue and Japanese Encephalitis were frequently reported across the State of Kerala. Multiple symptoms persisted among the affected individuals and the public health officials were in search of aetiological agents responsible for the out breaks and, other than clinical samples no resources were available. In this context, a study was undertaken to focus on mosquito larvae to investigate the viruses borne by them which remain silently prevalent in the environment. The study was not a group specific investigation limited to either arbovirus or enterovirus, but had a broad spectrum approach. The study encompassed the viral pathogens that could be isolated, their impact when passaged through cell lines, growth kinetics, titer of the working stocks in specific cell line, the structure by means of transmission electron microscopy(TEM), the one step growth and molecular characterization using molecular tools.

Provenance, Isolation and Characterisation of Organic Matter in the Cochin Estuarine Sediment-“a Diagenetic Amino Acid Marker Scenario

Cochin estuarine system is among the most productive aquatic environment along the Southwest coast of India, exhibits unique ecological features and possess greater socioeconomic relevance. Serious investigations carried out during the past decades on the hydro biogeochemical variables pointed out variations in the health and ecological functioning of this ecosystem. Characterisation of organic matter in the estuary has been attempted in many investigations. But detailed studies covering the degradation state of organic matter using molecular level approach is not attempted. The thesis entitled Provenance, Isolation and Characterisation of Organic Matter in the Cochin Estuarine Sediment-“ A Diagenetic Amino Acid Marker Scenario” is an integrated approach to evaluate the source, quantity, quality, and degradation state of the organic matter in the surface sediments of Cochin estuarine system with the combined application of bulk and molecular level tools. Sediment and water samples from nine stations situated at Cochin estuary were collected in five seasonal sampling campaigns, for the biogeochemical assessment and their distribution pattern of sedimentary organic matter. The sampling seasons were described and abbreviated as follows: April- 2009 (pre monsoon: PRM09), August-2009 (monsoon: MON09), January-2010 (post monsoon: POM09), April-2010 (pre monsoon: PRM10) and September- 2012 (monsoon: MON12). In order to evaluate the general environmental conditions of the estuary, water samples were analysed for water quality parameters, chlorophyll pigments and nutrients by standard methods. Investigations suggested the fact that hydrographical variables and nutrients in Cochin estuary supports diverse species of flora and fauna. Moreover the sedimentary variables such as pH, Eh, texture, TOC, fractions of nitrogen and phosphorous were determined to assess the general geochemical setting as well as redox status. The periodically fluctuating oxic/ anoxic conditions and texture serve as the most significant variables controlling other variables of the aquatic environment. The organic matter in estuary comprise of a complex mixture of autochthonous as well as allochthonous materials. Autochthonous input is limited or enhanced by the nutrient elements like N and P (in their various fractions), used as a tool to evaluate their bioavailability. Bulk parameter approach like biochemical composition, stoichiometric elemental ratios and stable carbon isotope ratio was also employed to assess the quality and quantity of sedimentary organic matter in the study area. Molecular level charactersation of free sugars and amino acids were carried out by liquid chromatographic techniques. Carbohydrates are the products of primary production and their occurrence in sediments as free sugars can provide information on the estuarine productivity. Amino acid biogeochemistry provided implications on the system productivity, nature of organic matter as well as degradation status of the sedimentary organic matter in the study area. The predominance of carbohydrates over protein indicated faster mineralisation of proteinaceous organic matter in sediments and the estuary behaves as a detrital trap for the accumulation of aged organic matter. The higher lipid content and LPD/CHO ratio pointed towards the better food quality that supports benthic fauna and better accumulation of lipid compounds in the sedimentary environment. Allochthonous addition of carbohydrates via terrestrial run off was responsible for the lower PRT/CHO ratio estimated in thesediments and the lower ratios also denoted a detrital heterotrophic environment. Biopolymeric carbon and the algal contribution to BPC provided important information on the better understanding the trophic state of the estuarine system and the higher values of chlorophyll-a to phaeophytin ratio indicated deposition of phytoplankton to sediment at a rapid rate. The estimated TOC/TN ratios implied the combined input of both terrestrial and autochthonous organic matter to sedimentsAmong the free sugars, depleted levels of glucose in sediments in most of the stations and abundance of mannose at station S5 was observed during the present investigation. Among aldohexoses, concentration of galactose was found to be higher in most of the stationsRelative abundance of AAs in the estuarine sediments based on seasons followed the trend: PRM09-Leucine > Phenylalanine > Argine > Lysine, MON09-Lysine > Aspartic acid > Histidine > Tyrosine > Phenylalanine, POM09-Lysine > Histadine > Phenyalanine > Leucine > Methionine > Serine > Proline > Aspartic acid, PRM10-Valine > Aspartic acid > Histidine > Phenylalanine > Serine > Proline, MON12-Lysine > Phenylalanine > Aspartic acid > Histidine > Valine > Tyrsine > MethionineThe classification of study area into three zones based on salinity was employed in the present study for the sake of simplicity and generalized interpretations. The distribution of AAs in the three zones followed the trend: Fresh water zone (S1, S2):- Phenylalanine > Lysine > Aspartic acid > Methionine > Valine ῀ Leucine > Proline > Histidine > Glycine > Serine > Glutamic acid > Tyrosine > Arginine > Alanine > Threonine > Cysteine > Isoleucine. Estuarine zone (S3, S4, S5, S6):- Lysine > Aspartic acid > Phenylalanine > Leucine > Valine > Histidine > Methionine > Tyrosine > Serine > Glutamic acid > Proline > Glycine > Arginine > Alanine > Isoleucine > Cysteine > Threonine. Riverine /Industrial zone (S7, S8, S9):- Phenylalanine > Lysine > Aspartic acid > Histidine > Serine > Arginine > Tyrosine > Leucine > Methionine > Glutamic acid > Alanine > Glycine > Cysteine > Proline > Isoleucine > Threonine > Valine. The abundance of AAs like glutamic acid, aspartic acid, isoleucine, valine, tyrosine, and phenylalanine in sediments of the study area indicated freshly derived organic matter.

Differential induction, isolation, physicochemical and molecular characterization of temperate phages of environmental Vibrio cholerae as evidence of phage mediated Horizontal Gene Transfer

The resurgence of the enteric pathogen Vibrio cholerae, the causative organism of epidemic cholera, remains a major health problem in many developing countries like India. The southern Indian state of Kerala is endemic to cholera. The outbreaks of cholera follow a seasonal pattern in regions of endemicity. Marine aquaculture settings and mangrove environments of Kerala serve as reservoirs for V. cholerae. The non-O1/non-O139 environmental isolates of V. cholerae with incomplete ‘virulence casette’ are to be dealt with caution as they constitute a major reservoir of diverse virulence genes in the marine environment and play a crucial role in pathogenicity and horizontal gene transfer. The genes coding cholera toxin are borne on, and can be infectiously transmitted by CTXΦ, a filamentous lysogenic vibriophages. Temperate phages can provide crucial virulence and fitness factors affecting cell metabolism, bacterial adhesion, colonization, immunity, antibiotic resistance and serum resistance. The present study was an attempt to screen the marine environments like aquafarms and mangroves of coastal areas of Alappuzha and Cochin, Kerala for the presence of lysogenic V. cholerae, to study their pathogenicity and also gene transfer potential. Phenotypic and molecular methods were used for identification of isolates as V. cholerae. The thirty one isolates which were Gram negative, oxidase positive, fermentative, with or without gas production on MOF media and which showed yellow coloured colonies on TCBS (Thiosulfate Citrate Bile salt Sucrose) agar were segregated as vibrios. Twenty two environmental V. cholerae strains of both O1 and non- O1/non-O139 serogroups on induction with mitomycin C showed the presence of lysogenic phages. They produced characteristic turbid plaques in double agar overlay assay using the indicator strain V. cholerae El Tor MAK 757. PCR based molecular typing with primers targeting specific conserved sequences in the bacterial genome, demonstrated genetic diversity among these lysogen containing non-O1 V. cholerae . Polymerase chain reaction was also employed as a rapid screening method to verify the presence of 9 virulence genes namely, ctxA, ctxB, ace, hlyA, toxR, zot,tcpA, ninT and nanH, using gene specific primers. The presence of tcpA gene in ALPVC3 was alarming, as it indicates the possibility of an epidemic by accepting the cholera. Differential induction studies used ΦALPVC3, ΦALPVC11, ΦALPVC12 and ΦEKM14, underlining the possibility of prophage induction in natural ecosystems, due to abiotic factors like antibiotics, pollutants, temperature and UV. The efficiency of induction of prophages varied considerably in response to the different induction agents. The growth curve of lysogenic V. cholerae used in the study drastically varied in the presence of strong prophage inducers like antibiotics and UV. Bacterial cell lysis was directly proportional to increase in phage number due to induction. Morphological characterization of vibriophages by Transmission Electron Microscopy revealed hexagonal heads for all the four phages. Vibriophage ΦALPVC3 exhibited isometric and contractile tails characteristic of family Myoviridae, while phages ΦALPVC11 and ΦALPVC12 demonstrated the typical hexagonal head and non-contractile tail of family Siphoviridae. ΦEKM14, the podophage was distinguished by short non-contractile tail and icosahedral head. This work demonstrated that environmental parameters can influence the viability and cell adsorption rates of V. cholerae phages. Adsorption studies showed 100% adsorption of ΦALPVC3 ΦALPVC11, ΦALPVC12 and ΦEKM14 after 25, 30, 40 and 35 minutes respectively. Exposure to high temperatures ranging from 50ºC to 100ºC drastically reduced phage viability. The optimum concentration of NaCl required for survival of vibriophages except ΦEKM14 was 0.5 M and that for ΦEKM14 was 1M NaCl. Survival of phage particles was maximum at pH 7-8. V. cholerae is assumed to have existed long before their human host and so the pathogenic clones may have evolved from aquatic forms which later colonized the human intestine by progressive acquisition of genes. This is supported by the fact that the vast majority of V. cholerae strains are still part of the natural aquatic environment. CTXΦ has played a critical role in the evolution of the pathogenicity of V. cholerae as it can transmit the ctxAB gene. The unusual transformation of V. cholerae strains associated with epidemics and the emergence of V. cholera O139 demonstrates the evolutionary success of the organism in attaining greater fitness. Genetic changes in pathogenic V. cholerae constitute a natural process for developing immunity within an endemically infected population. The alternative hosts and lysogenic environmental V. cholerae strains may potentially act as cofactors in promoting cholera phage ‘‘blooms’’ within aquatic environments, thereby influencing transmission of phage sensitive, pathogenic V. cholerae strains by aquatic vehicles. Differential induction of the phages is a clear indication of the impact of environmental pollution and global changes on phage induction. The development of molecular biology techniques offered an accessible gateway for investigating the molecular events leading to genetic diversity in the marine environment. Using nucleic acids as targets, the methods of fingerprinting like ERIC PCR and BOX PCR, revealed that the marine environment harbours potentially pathogenic group of bacteria with genetic diversity. The distribution of virulence associated genes in the environmental isolates of V. cholerae provides tangible material for further investigation. Nucleotide and protein sequence analysis alongwith protein structure prediction aids in better understanding of the variation inalleles of same gene in different ecological niche and its impact on the protein structure for attaining greater fitness of pathogens. The evidences of the co-evolution of virulence genes in toxigenic V. cholerae O1 from different lineages of environmental non-O1 strains is alarming. Transduction studies would indicate that the phenomenon of acquisition of these virulence genes by lateral gene transfer, although rare, is not quite uncommon amongst non-O1/non-O139 V. cholerae and it has a key role in diversification. All these considerations justify the need for an integrated approach towards the development of an effective surveillance system to monitor evolution of V. cholerae strains with epidemic potential. Results presented in this study, if considered together with the mechanism proposed as above, would strongly suggest that the bacteriophage also intervenes as a variable in shaping the cholera bacterium, which cannot be ignored and hinting at imminent future epidemics.

Das RNA-bindende Protein Orb2 und seine regulatorische Funktion in der Spermatogenese von Drosophila melanogaster

Das Protein Orb2, welches zum Xenopus CPEB homolog ist, erfüllt während der Spermatogenese von Drosophila melanogaster eine wesentliche Funktion. Das teilweise Ausschalten von orb2 führt zu Störungen in der Individualisierung der Spermatiden, Veränderung in der Morphologie und Lokalisation der Spermatidenkerne und damit verbunden zu männlicher Sterilität. Der weit gestreute Phänotyp spricht für eine regulatorische Funktion des Proteins, wie es aufgrund der Homologie zu CPEB zu erwarten ist. Orb2 mutante Weibchen zeigen dagegen keinen Phänotyp. Die Sterilität konnte mit spezifischen Rettungskonstrukten rückgängig gemacht werden, wobei die beiden Proteinformen in ihrer Funktion höchstwahrscheinlich äquivalent sind, da eine größere Menge an kleinem Protein das Fehlen des größeren ausgleichen kann. Beide Proteinformen lokalisieren in fast alle Stadien der Spermatogenese, wobei nur das kleinere auch in reifen Spermien persistiert. Zur Untersuchung der regulatorischen Funktion des Proteins Orb2 wurden zunächst drei mögliche Protein-Interaktionskandidaten analysiert. Obwohl ähnliche mutante Phänotypen in Gap und Cup ausgelöst wurden, lässt sich eine Interaktion bis jetzt mit diesen Kandidaten weder ausschließen noch bestätigen. Daneben zeigte das Protein Tob eine ähnliche Lokalisierung und einen deutlich ähnlicheren mutanten Phänotyp, wie er für Orb2 beschrieben wurde. Besonders auffällig ist die Lokalisation der Tob mRNA an die Spermatidenenden und die Verringerung der Transkriptmenge in der orb2-Mutante. Ob dieser Phänotyp durch den Verlust der regulatorischen Funktion von Orb2 hervorgerufen wird oder durch den späten Zeitpunkt der Transkription bedingt ist, muß in späteren Experimenten geklärt werden. Mit Hilfe eines Co-Immunpräzipitations-Experimentes wurde nach weiteren Proteininteraktionspartnern sowie nach Ziel-mRNAs gesucht, die durch Orb2 reguliert werden könnten. Dabei ergaben die massenspektrometrischen Analysen zwar Proteine, die mit der Translation selbst in Zusammenhang stehen, sowie einige regulatorische RNA-bindende Proteine, wiesen aber auch in Gestalt eines häufig nachgewiesenen Anhangsdrüsenproteins auf deutliche systematische Probleme hin. Auf genetischem Wege war bereits der Nachweis gelungen, dass die Protamine und mst77F, die strukturelle Komponenten der kompaktierten Kern-DNA sind, durch Orb2 in ihrer Translation reprimiert werden. Dieses Ergebnis wurde zum Teil bestätigt durch den Nachweis der Protamin mRNAs in den Eluaten aus dem Co-Immunpräzipitationsexperiment. Damit konnte zum ersten Mal in der Drosophila Spermatogenese das regulatorische Protein zu einer translationskontrollierten mRNA identifiziert werden.

Involvements of the Plant 3'-5' Exonuclease ERL1 in Chloroplast Ribosomal RNA Biogenesis and RNA Silencing Pathways

ERI-1 und ihm homologe Proteine sind 3‘-5‘ Exoribonukleasen mit konservierten Funktionen in der Regulation von RNA Silencing sowie der Prozessierung ribosomaler RNA. Caenorhabditis elegans ERI-1 (Enhanced RNAi 1) enthält eine konservierte ERI-1_3’hExo_like EXOIII-Domäne, die siRNAs in vitro bindet und degradiert, und deren Inaktivierung eine RNAi-Hypersensitivität zur Folge hat. ERI-1 ist phylogenetisch konserviert, und homologe Proteine wurden Reiche-übergreifend in einer Vielzahl von Modellorganismen identifiziert. RNA-Silencing-reprimierende Eigenschaften dieser Proteine wurden in einigen Fällen charakterisiert. Zusätzlich wurde für eine Untergruppe ERI-1-homologer Proteine eine Funktion in der Biogenese der 5.8S ribosomalen RNA aufgezeigt: Katalyse des letzten Prozessierungsschritts während der Reifung des 5.8S rRNA 3‘-Endes. Diese Doppelfunktion ERI-1-homologer Proteine schlägt eine interessante Brücke zwischen evolutionär weit entfernten auf nicht-codierender RNA basierenden Mechanismen. In dieser Arbeit werden Ergebnisse präsentiert, die Charakteristika des pflanzlichen ERI-1-Homologs ERL1 in verschiedenen regulatorischen Zusammenhängen zum Gegenstand haben. ERL1 lokalisiert in Chloroplasten und zeigt keinerlei messbare Aktivität in Bezug auf die Regulierung von RNA Silencing. Im Gegensatz dazu konnte gezeigt werden, dass ERL1 eine wichtige Rolle während der Reifung der chloroplastischen 5S rRNA spielt. ERL1-supprimierende bzw. -überexprimierende transgene Pflanzen, zeigen unterschiedliche phänotypische Aberrationen. Diese beinhalten vielfarbige Blätter, reduziertes Wachstum und Fruchtbarkeit, sowie den Verlust Photosynthese-kompetenter Chloroplasten in gebleichten Sektoren. Diese Defekte werden dadurch verursacht, dass die Plastid-Entwicklung in einem frühen Stadium blockiert wird. Dies führt zu defekten Plastiden, die keine kanonischen internen Strukturen, einschließlich Grana, bilden können. Die gestörte Plastid-Entwicklung ist ein Resultat fehlerhafter Prozessierung ribosomaler RNAs und dem daraus folgenden Verlust plastidärer Transkription und Translation. Wenn ERL1 runterreguliert oder überexprimiert ist, akkumulieren 3‘-elongierte 5S rRNA-Moleküle, was Störungen in der Produktion der Ribosomen hervorruft. Die Reifung der 5S rRNA ist leit langem als Prozess bekannt, der viele aufeinander folgende endonukleolytische Spaltungen sowie exonukleolytische Rezessionen beinhaltet. Bis dato war die Gesamtheit der Exonukleasen während dieser Reifung jedoch nur lückenhaft bekannt. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass ERL1 eine wichtige Rolle in der Plastid-Entwicklung spielt, indem ERL1 den finalen Reifungsschritt des 5S rRNA 3‘-Endes katalysiert.

Artificial micro RNA system in Dictyostelium discoideum

Dictyostelium discoideum is a social amoeba that serves as a model system for RNA interference and related mechanisms. Its position between plants and animals enables evolutionary snapshot of mechanisms and protein machinery involved in investigated subjects. MiRNAs are small regulatory RNAs that are evolutionary conserved and present in animals, plants, viruses and some prokaryotes. They have roles in development, cell growth and differentiation, apoptosis and their miss-regulation is associated with many diseases such as cancer, neurodegenerative disorders and diabetes. Recently, through sequencing of DNA libraries miRNAs have been discovered in D. discoideum. In this work, it has been shown that heterologues miRNA let-7 can be expressed and processed in D. discoideum. Expression of let-7 miRNA in social amoeba resulted in a strong developmental phenotype suggesting an overload of the processing/silencing system or/and endogenous targets. The various effects on prel-7 strain have been observed and characterized, serving as a background for postulation of miRNA roles. An artificial miRNA system has been established and imposed to D. discoideum, showing that miRNAs in Dictyostelium could mediate gene expression on the level of mRNA stability and on the posttranscriptional level. Furthermore, presence of translational inhibition as a type of gene control was shown for the first time in this organism. Due to it new structures representing co-localities of miRNA and target mRNA have been detected. Taken together, this work shows functional artificial miRNA system and postulates roles of endogenous small RNA in social amoeba.

Molekularbiologische Charakterisierung der Argonauten Proteine AgnA und AgnB innerhalb der RNA vermittelten Genregulation in D. discoideum

Argonauten Proteine übernehmen vielfältige Funktionen in RNA vermittelten Signalwegen zur Genregulation und sind in eukaryotischen Organismen hoch konserviert. Obwohl das Repertoire an kleinen regulatorischen RNAs in D. discoideum schon früh untersucht wurde und dabei sowohl siRNAs als auch miRNAs identifiziert werden konnten, war die Funktion der fünf kodierten Argonauten Proteine zu Beginn meiner Arbeit noch völlig unbekannt. Im Fokus meiner Untersuchung standen die zwei Homologe AgnA und AgnB. Die molekularbiologische Charakterisierung von AgnA hat gezeigt, dass das Protein eine essentielle Funktion bei der posttranskriptionellen Regulation des Retrotransposons DIRS-1 hat. AgnA wird für die Generierung von über 90 % der DIRS-1 siRNAs benötigt, wobei unklar ist, ob die Slicer-Aktivität des Proteins relevant ist oder ob AgnA andere Proteine zur Generierung der kleinen RNAs rekrutiert. Mit Hilfe der Deep Sequencing Analyse kleiner RNAs im AgnA KO konnte die Abreicherung der DIRS-1 siRNAs bestätigt werden. Die Anreicherung von DIRS-1 sense und antisense Transkripten weist deutlich auf eine Deregulation des Retrotransposons bei Abwesenheit von AgnA hin. Der Verlust der AgnA abhängigen Regulationsebene ist nicht nur auf RNA- sondern auch auf DNA-Ebene nachweisbar, da im AgnA Knockout einzelsträngige extrachromosomale DIRS-1 Intermediate nachweisbar sind. Die Analyse dieser Strukturen mit Hilfe von Rasterkraftmikroskopie zeigt, dass die extrachromosomale DNA mit Proteinen assoziiert ist. Das Erscheinungsbild legt die Vermutung nahe, dass es sich um Virus ähnliche Partikel handeln könnte. Die Transposition der DIRS-1 Elemente konnte nicht nachgewiesen werden. Sie schlägt vermutlich fehl, da der zur Integration notwendige DNA-Doppelstrang nicht gebildet wird. Auch wenn der genaue Mechanismus der AgnA abhängigen DIRS-1 Regulation nicht vollständig aufgeklärt werden konnte, weisen die Ergebnisse darauf hin, dass AgnA nicht nur an der Biogenese der kleinen DIRS-1 siRNAs beteiligt ist, sondern auch weiter downstream, vermutlich innerhalb von Effektorkomplexen, als Regulator aktiv ist. AgnB ist nicht an der negativen Regulation des DIRS-1 Retrotransposons beteiligt. Im Gegenteil haben Experimente gezeigt, dass das Protein die Transkription des Elementes und die Bildung von DNA-Intermediaten eher positiv beeinflusst. Im Fall des Retrotransposons Skipper ist unklar, ob die wenigen siRNAs, die identifiziert worden sind, tatsächlich für die Regulation dieses Elementes genutzt werden. Der Knockout von AgnA hat eine Anreicherung der Skipper siRNAs zur Folge, wobei diese sehr variabel ist. Es konnten Skipper Transkripte nachgewiesen werden (Hinas et al., 2007), die wahrscheinlich die Vorläufermoleküle der siRNAs darstellen. Die Menge dieser Transkripte unterscheidet sich allerdings im Wildtyp und den untersuchten Knockout-Stämmen nicht. Bei der Untersuchung der miRNAs zeigte sich eine signifikante Anreicherung dieser regulatorischen RNAs im AgnA Knockout. Die Akkumulation kann durch die Expression von rekombinantem AgnA wieder auf Wildtyp Niveau gebracht werden. Die genaue Funktion von AgnA im miRNA Signalweg konnte aber nicht näher spezifiziert werden. Im Fall der beiden miRNAs konnte im Rahmen dieser Arbeit nachgewiesen werden, dass sie keine 2‘-O Methylierung besitzen und fast ausschließlich im Cytoplasma der Zelle vorliegen. Letzteres weist darauf hin, dass die untersuchten miRNAs ihre Zielgene vermutlich posttranskriptionell regulieren. Die Akkumulation von miRNAs im AgnA KO konnte ebenfalls durch Deep Sequencing Analysen verifiziert werden. Weiterhin wurden tRNA Fragmente gefunden, die im AgnA KO wesentlich stärker vertreten sind. Northern Blot Analysen haben gezeigt, dass ein zusätzliches Fragment der tRNA Asp akkumuliert, wenn AgnA nicht exprimiert wird. Möglicherweise ist AgnA am Umsatz der tRNA beteiligt. Die biologische Funktion der tRNA Fragmente in D. discoideum ist jedoch bisher ungeklärt. Bei der Suche nach putativen Interaktionspartnern konnte im Fall von AgnA das Protein DDB_G0268914 mittels Massenspektrometrie als putativer Interaktionspartner identifiziert werden. Dieses Protein zeigt Homologien zu MOV10 aus H. sapiens, das ebenfalls mit Argonauten Proteinen interagiert (Hock et al., 2007) und die Replikation von Retroviren unterdrückt (Burdick et al., 2010). Die Interaktion zwischen AgnA und dem MOV10 Homolog konnte bisher nicht mit anderen Ansätzen bestätigt werden. Darüber hinaus bleibt zu klären, ob der putative Interaktionsparter ebenfalls an der Regulation des Retrotransposons DIRS-1 beteiligt ist.

HelF und sein Interaktionspartner Xrn1: zwei Regulatoren der RNA-Interferenz in D. discoideum

Hauptziel dieser Arbeit ist die Identifizierung, Verifizierung und Charakterisierung von Interaktionspartnern von HelF, einem Negativregulator der RNA-Interferenz in Dictyostelium discoideum (Popova et al. 2006). Es ist gelungen, die Interaktion von HelF und der 5‘ 3‘ Exonuklease Xrn1 nachzu-weisen, aber alle anderen Versuchen, bisher unbekannte Protein-Interaktionspartner zu identifizieren, schlugen fehl. Xrn1 ist in den Organismen D. melanogaster (Orban und Izaurralde 2005), C. elegans (Newbury und Woollard 2004) und A. thaliana (Gazzani et al. 2004) bereits als Regulator der RNA-Interferenz bekannt. Mit Aufreinigungen nach der TAP-Methode und mit dem Nanotrap wurde ebenfalls versucht, RNA-Interaktionspartner von HelF zu identifizieren. Es konnten in einigen Aufreinigungen putative, für HelF spezifische RNAs identifiziert werden, doch entweder es handelte sich nachweislich nicht um RNA oder die Reproduktion der Daten schlug trotz mehrfacher Versuche fehl. Bezüglich der zellulären Lokalisation von HelF und Xrn1 konnte gezeigt werden, dass HelF zusätzlich zur bekannten Lokalisation in Foci im Nukleus (Popova et al. 2006) vermutlich auch im Cytoplasma und dort angeordnet in mehreren Granula zu finden ist. Xrn1 ist nahezu ausschließlich im Cytoplasma lokalisiert, wo es in mehreren Foci organisiert ist. Es wird vermutet, dass es sich bei diesen Foci um Processing-Bodies (P-Bodies) handelt und dass möglicherweise Xrn1 und HelF in eben diesen P-Bodies co-lokalisieren. In der Entwicklung vom Einzeller zum mehrzelligen Organismus zeigen die Xrn1KO- und die HelFKO-Mutante jeweils einen eindeutigen Phänotyp, der vom Wildtyp abweicht. Die Phänotypen der beiden Mutanten unterscheiden sich deutlich voneinander. Beim Mischen von HelF-Knockout-Zellen mit grün fluoreszierenden Wildtyp-Zellen zeigt sich, dass beide Stämme innerhalb des sich entwickelnden Organismus an definierten Stellen lokalisieren. Entgegen den Erwartungen befinden sich die Zellen der Mutante in den Stadien „Finger“ und „Slug“ nicht hauptsächlich im vorderen Teil des Organismus, sondern sind auch im hinteren Teil, der später die Sporenmasse bildet, vertreten. Dies lässt vermuten, dass HelF-Knockout-Mutanten in gleichem Maße wie Wildtypzellen als Sporen in die nächste Generation übergehen. Weitere Mix-Experimente, in denen HelFKO-Zellen und Xrn1KO-Zellen mit grün fluoreszierenden Wildtypzellen gemischt wurden, belegen eindeutig, dass beide Knockoutmutanten in Konkurrenz zum Wildtyp bei der Generierung von Sporen und somit beim Übergang in die nächste Generation benachteiligt sind. Dies steht im Gegensatz zu den Ergebnissen der vorher beschriebenen Mix-Experimente, in denen der Organismus als Ganzes betrachtet wurde. Weiterhin konnte herausgefunden werden, dass Xrn1 ebenso wie HelF (Popova et al. 2006) eine Rolle als Negativregulator in der RNA-Interferenz innehat. Fraglich ist aber, ob HelF wie bisher angenommen auch Einfluss auf den Weg der Generierung von miRNAs nimmt, da in HelFKO für keinen der beiden miRNA-Kandidaten eine Hoch- bzw. Runterregulierung der reifen miRNAs im Vergleich zum Wildtyp beobachtet werden kann. Im Xrn1KO hingegen ist die reife miRNA ddi-mir-1176 im Vergleich zum Wildtyp hochreguliert. In Bezug auf die Generierung von siRNAs konnte herausgefunden werden, dass Xrn1 und HelF im Fall der Generierung von Skipper siRNAs regulierend eingreifen, dass aber nicht alle siRNAs von der negativen Regulierung durch HelF und Xrn1betroffen sind, was am Beispiel der DIRS-1-siRNAs belegt werden kann. Das von B. Popova entwickelte Modell (Popova 2005) bezüglich der Rolle von HelF in der RNA-Interferenz wurde basierend auf den neu gewonnenen Daten weiterentwickelt und um Xrn1 ergänzt, um die Funktionen von HelF und Xrn1 als Antagonisten der RNA-Interferenz näher zu beleuchten. Literatur: Gazzani, S., T. Lawrenson, et al. (2004). "A link between mRNA turnover and RNA interference in Arabidopsis." Science 306(5698): 1046-8. Newbury, S. and A. Woollard (2004). "The 5'-3' exoribonuclease xrn-1 is essential for ventral epithelial enclosure during C. elegans embryogenesis." Rna 10(1): 59-65. Orban, T. I. and E. Izaurralde (2005). "Decay of mRNAs targeted by RISC requires XRN1, the Ski complex, and the exosome." Rna 11(4): 459-69. Popova, B. (2005). HelF, a suppressor of RNAi mediated gene silencing in Dictyostelium discoideum. Genetik. Kassel, Universität Kassel. PhD: 200. Popova, B., M. Kuhlmann, et al. (2006). "HelF, a putative RNA helicase acts as a nuclear suppressor of RNAi but not antisense mediated gene silencing." Nucleic Acids Res 34(3): 773-84.