Identifizierung und Charakterisierung neuer Proteine des Abwehrsystems der Porifera - ein Apoptoseregulator und ein antimikrobielles Protein aus dem Schwamm Suberites domuncula

Aufgrund ihrer Lebensweise und -umgebung sind effiziente Strategien zur Abwehr bedrohender Einflüsse essentiell für die Porifera. Eine dieser Strategien stellen die Apoptose in höheren Metazoen, sowie ein effizientes Immunsystem dar. Diese sichern sowohl das Überleben des Organismus als auch die Entfernung beschädigter, infizierter oder redundanter Zellen. Bei Untersuchungen der Porifera auf Moleküle, die an diesen Prozessen beteiligt sind, konnten in den letzten Jahren beachtliche Erfolge erzielt werden. So konnten das in der Apoptose involvierte Protein GCDD2 (proapoptotisch), die antiapoptotischen GCBHP1 und GCBHP2 Proteine (Wiens et al., 2001), sowie ein LPS induzierbarer TNF (Wiens et al., 2007) und zwei Caspasen (Wiens et al., 2003) in Schwämmen identifiziert werden. Um diese essentiellen Mechanismen besser verstehen zu können, sollte ein möglicher Tumor-Nekrose-Faktor-Rezeptor identifiziert werden. Hierzu wurde die SpongeBase Datenbank nach Proteinen mit Todesdomänen durchsucht und diese unter Anwendung von PCR- und Screening-Techniken in einer cDNA-Bank des marinen Schwammes S. domuncula komplettiert. Im Anschluss an ihre Sequenzierung wurde ein Klon ausgewählt, dessen Todesdomäne größte Homologie zu einem TNFR zeigte. Dieser Klon SD_TNFR-like (Suberites domuncula TNFR-homologes Protein) wurde anschließend diversen Sequenz- und Strukturanalysen unterzogen. Diese offenbarten die Existenz zweier funktional bedeutsamer Domänen (Ubiquitin-like und Todesdomäne). Vor allem die Todesdomäne impliziert eine Beteiligung des Proteins an apoptotischen Prozessen. Über einen „Yeast Two Hybrid Screen“ sollten Proteine identifiziert werden, welche mit dem Ausgangsprotein interagieren. Hierbei wurde ein Protein identifiziert, das Ähnlichkeit mit einem antimikrobiellen Peptid aufweist. Dieses Protein kann analog zu einer Gruppe von antimikrobiellen Peptiden, den α-helikalen kationischen Peptiden, in drei Teile gespalten werden. Das Signalpeptid sowie ein anionisches Propeptid werden abgespalten und es entsteht ein kationisches, antimykotisch wirksames Peptid. Beide Proteine sollten, sofern sie in die Abwehrreaktionen involviert sind, durch Inkubation mit mikrobiellen Strukturen vermehrt exprimiert werden. Eine Überprüfung der Transkription mittels Northern Blot Analysen bestätigte dies für das SD_TNFR-like nach Inkubation mit LPS und TNF- α sowie für SD_Brevinin-like nach Inkubation mit LPS, PAM und Hefe. Mit der Herstellung eines rekombinanten SD_TNFR-like-Proteins wurde die Immunisierung von Kaninchen und die folgende Gewinnung eines polyklonalen SD_TNFR-like-Antikörpers ermöglicht. Dieser gestattete den Nachweis der SD_TNFR-like -Expression mittels Western Blot-Analysen sowie die stressinduzierte erhöhte Expression mittels Dot Blot-Analysen auch auf Proteinebene. Um die Funktion des SD_TNFR-like Proteins zu charakterisierten, wurde ein Test mit RAW-Blue™-Zellen durchgeführt. Die Ergebnisse implizieren, dass das Protein Teil der Immunreaktion analog der der TLR- bzw. NLR- Reaktion ist. Auch die Interaktion mit einem antimikrobiellen Protein, welches für das Überleben des Organismus und die Bekämpfung der Mikroorganismen sorgt, deutet auf eine solche Beteiligung hin. Zusätzlich wird diese These durch ein Ergebnis der Strukturanalysen unterstützt, nämlich die Identifizierung einer TRAF2 Bindestelle. TRAF2 ist ein Adapterprotein der TNFR und aktiviert Überlebensfaktoren über den NF - B-Weg. Immunohistochemische Analysen zeigten, dass das SD_TNFR-like Protein im Organismus vor allem um die Bakteriozysten, um verschiedene Mikroorganismen und am Rand des Schwammes exprimiert wird, was ebenfalls für eine immunologische Funktionsweise spricht. Auch im restlichen Gewebe wird es kontinuierlich, auch ohne vorherige LPS Inkubation exprimiert. Diese Akkumulation zeigt deutlich, dass das Protein in einen Schutzmechanismus gegen äußere Bedrohungen involviert ist. Es scheint dabei direkt an den eindringenden Mikroorganismen zu wirken. Das SD_TNFR-like ist demnach ein potentieller Bestandteil der Immunantwort des Schwammes, welches Apoptose verhindern und Überlebensmechanismen aktivieren kann. Das SD_Brevinin-like Protein besitzt antimykotische Aktivität, wie in einem antimikrobiellen Test gezeigt werden konnte. Weiterhin scheint es für das SD_TNFR-like Protein als positiver bzw. negativer Regulator von Bedeutung zu sein, der eine Reaktion entweder beendet oder die Expression von Überlebensfaktoren verstärkt. Die in dieser Arbeit präsentierten Ergebnisse und Schlussfolgerungen demonstrieren somit die Identifizierung eines neuen Schwammproteins, welches eine Rolle in der Immunantwort spielt, sowie eines neuen antimikrobiellen Peptids, welches die Wirkung des TNFR-like moduliert. Es müssen jedoch noch weitere Funktionsanalysen folgen, um den Mechanismus des SD_TNFR-like Proteins und seine Regulation genauer charakterisieren zu können

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

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

Identifizierung, Expression und Charakterisierung des Nanos-verwandten Proteins aus dem marinen Schwamm Suberites domuncula

Im Rahmen dieser Arbeit konnte in dem marinen Schwamm Suberites domuncula ein Gen identifiziert werden, dessen C-terminale konservierte Domäne eine hohe Sequenzähnlichkeit zu den Zinkfingerdomänen der Nanos-Proteine aufweist. Weiter konnte ein N-terminales Sequenzmotiv identifiziert werden, das eine hohe Sequenzidentität zu den konservierten NIM Motiven (CNOT1-interagierendes-Motiv) von Nanos zeigt. Nach der Klonierung der cDNA erfolgte die Expression des als Sd_nrp bezeichneten Proteins in E. coli Bakterien, für dessen 231 Aminosäuren umfassende Polypeptidkette eine theoretische Molekülmasse von 25.8 kDa berechnet wurde. Anschließend gelang ein Nachweis des Proteins mithilfe eines polyklonalen, gegen Sd_nrp gerichteten Antikörpers in drei Gewebetypen, dem Pinacoderm, den Primmorphen (3D-Zellaggregate) und den Gemmulae (Dauerstadien der Schwämme). Dabei konnte die höchste Expression von Sd_nrp in den als totipotent geltenden Stammzellen der Schwämme, den Archaeocyten innerhalb der Gemmulae beobachtet werden. Die Identifizierung der Zellstrukturen, erfolgte dabei aufgrund morphologischer Vergleiche. Speziell die Merkmale der Zellen in den Gemmulae, der große Nukleus, die amöboide Form sowie die granulären Reservesubstanzen, entsprechen den typischen morphologischen Eigenschaften der Archaeocyten, und bestätigen die Interpretation der Ergebnisse. Weiter konnte mit Hilfe des Anti-Sd_nrp Antikörpers das native Protein in Proteinextrakten aus Gewebe adulter Tiere nachgewiesen werden. Die vergleichende Sequenzanalyse von Sd_nrp mit dem Nanos-verwandten Protein der Schwammspezies Ephydatia fluviatilis und die phylogenetische Stammbaum-Analyse mit Nanos-Homologen unterschiedlicher Invertebraten und Vertebraten lässt die Schlussfolgerung zu, dass es sich bei dem hier identifizierten Protein Sd_nrp um ein Nanos-verwandtes Protein handelt. Darüber hinaus konnte anhand eines Homologiemodells bestätigt werden, dass es sich bei der konservierten C-terminalen Domäne des Proteins Sd_nrp um die für Nanos-Proteine spezifische Zinkfingerstruktur mit dem konservierten Sequenzmotiv CCHC handelt. Dieses Ergebnis konnte auch bei einem Vergleich der Zinkfingerdomäne von Sd_nrp mit den Zinkfingerdomänen der Nanos-Homologen unterschiedlicher Invertebraten- und Vertebratenspezies bestätigt werden.

Investigation of Quaternary foraminifera in sediment core CRP-1 from the Ross Sea, Antarctica

Foraminifera are examined in twenty-six samples from a 44 metre succession of Quaternary glacial sediments recovered from the CRP-1 drillhole on Roberts Ridge, southwestern Ross Sea, Antarctica. In situ marine assemblages were documented in at least three of the six lithostratigraphic units, and it is likely that the remaining three interbedded diamicton units are also marine in origin. Peak foraminiferal diversities are documented in Unit 3.1 (73 species) and Unit 2.2 (32 species). Calcareous benthics dominate the assemblages, but may be accompanied by abundant occurrences of the planktonic Neogloboquadrina pachyderma. Low diversity agglutinated faunas appear in the uppermost strata of Units 4.1 and 2.2. A close relationship between lithofacics and foraminiferal biofacies points to marine environments that alternated between proximity to and distance from active glaciers and iceshelf fronts, with associated variations in salinity, sea-surface ice cover and the levels of rainout from debris-laden ice.

Organic geochemistry of upper Jurassic-Cretaceous sediments at DSDP Hole 71-511

Cretaceous and Jurassic sediments 435 m thick were drilled at Site 511, in the basin province of the Falkland Plateau, during DSDP Leg 71. The calcareous Unit 3 and the clayey zeolitic Unit 4, both of Senonian age, revealed poorly preserved organic matter indicative of oxidized environments. The same characteristics prevailed for the clayey Unit 5 of Turonian to Albian age. Strictly reducing environments existed for black facies along Unit 6 of earliest Albian to Late Jurassic age and allowed the preservation of a rich organic material that is marine in origin. Besides the transition from reducing conditions in Unit 6 to oxidizing conditions in Unit 5, there are 20 meters of sediments in Cores 56-58 where detrital, nonmarine and then marine organic matter, both implying more or less reducing environments, are interlain by poorly preserved material. In the black shales of the bottom Cores 69 and 70, some nonmarine detritus is mixed with the predominantly marine organic material. An immature stage of evolution can be assigned to all of the samples studied. The chapter also undertakes a comparison with contemporaneous lithologies at adjacent Sites 327 and 330 and attempts some reconstruction of the geography of the eastern Falkland Plateau during the Mesozoic.

Geochemistry of Albian to Santonian black shale sequences on the Demerara Rise, South American margin

Ocean Drilling Program Leg 207 recovered thick sequences of Albian to Santonian organic-carbon-rich claystones at five drill-sites on the Demerara Rise in the western equatorial Atlantic Ocean. Dark-colored, finely laminated, Cenomanian-Santonian black shale sequences contain between 2% and 15% organic carbon and encompass Oceanic Anoxic Events 2 and 3. High Rock-Eval hydrogen indices signify that the bulk of the organic matter in these sequences is marine in origin. However, d13Corg values lie mostly between -30 per mil and -27 per mil, and TOC/TN ratios range from 15 to 42, which both mimic the source signatures of modern C3 land plants. The contradictions in organic matter source indicators provide important implications about the depositional conditions leading to the black shale accumulations. The low d13Corg values, which are actually common in mid-Cretaceous marine organic matter, are consequences of the greenhouse climate prevailing at that time and an associated accelerated hydrologic cycle. The elevated C/N ratios, which are also typical of black shales, indicate depressed organic matter degradation associated with low-oxygen conditions in the water column that favored preservation of carbon-rich forms of marine organic matter over nitrogen-rich components. Underlying the laminated Cenomanian-Santonian sequences are homogeneous, dark-colored, lower to middle Albian siltstones that contain between 0.2% and 9% organic carbon. The organic matter in these rocks is mostly marine in origin, but it occasionally includes large proportions of land-derived material.

Age determination of sediment core MD07-3088

The Southern Ocean plays a prominent role in the Earth's climate and carbon cycle. Changes in the Southern Ocean circulation may have regulated the release of CO2 to the atmosphere from a deep-ocean reservoir during the last deglaciation. However, the path and exact timing of this deglacial CO2 release are still under debate. Here we present measurements of deglacial surface reservoir 14C age changes in the eastern Pacific sector of the Southern Ocean, obtained by 14C dating of tephra deposited over the marine and terrestrial regions. These results, along with records of foraminifera benthic-planktic 14C age and d13C difference, provide evidence for three periods of enhanced upwelling in the Southern Ocean during the last deglaciation, supporting the hypothesis that Southern Ocean upwelling contributed to the deglacial rise in atmospheric CO2. These independently dated marine records suggest synchronous changes in the Southern Ocean circulation and Antarctic climate during the last deglaciation.

Sulphur isotope analyses in the southern ocean and the central Dronning Maud Land, East Antarctica

Sulphur isotope analyses are an important tool for the study of the natural sulphur cycle. On the northern hemisphere such studies of the atmospheric part of the cycle are practically impossible due to the high emission rate of anthropogenic sulphur. Merely in remote areas of the world such as the Antarctic 34S analyses can be used to identify the various sulphur sources (sea spray, biogenic und volcanic sources). We report here results of 34S measurements on sulphates from recent atmospheric precipitations (snow), lake waters, and salt efflorescences sampled in the Schirmacher Oasis and the Gruber Mountains, central Dronning Maud Land, East Antarctica. By plotting the delta 34S of precipitation versus % sea-spray sulphate the isotopic composition of the excess sulphate (which is probably of marine-biogenic origin) is extrapolated to be +4 per mil. Lake water sulphate and atmospheric precipitations have a comparable sulphur isotope composition (about +5 per mil). The analyzed secondary sulphates from the salt efflorescences, mainly gypsum and a few water-soluble sulphatcs (hexahydrite, epsomite, burkeite. and pickeringite), vary in their isotopic composition between about -12 and +8 per mil. This wide scatter is probably due to chemical weathering of primary sulphides having different delta 34S values in the substratum.

(Table 1) CPI17-23, hopanoic acid, and n-C35 + lycopane/n-C31 ratios as well as 17beta(H), 21beta(H) homohopane, long-chain alkanes, and alkenones concentrations in IODP Exp302

During Integrated Ocean Drilling Program Expedition 302 (Arctic Coring Expedition (ACEX)) a more than 200 m thick sequence of Paleogene organic carbon (OC)-rich (black shale type) sediments was drilled. Here we present new biomarker data determined in ACEX sediment samples to decipher processes controlling OC accumulation and their paleoenvironmental significance during periods of Paleogene global warmth and proposed increased freshwater discharge in the early Cenozoic. Specific source-related biomarkers including n-alkanes, fatty acids, isoprenoids, carotenoids, hopanes/hopenes, hopanoic acids, aromatic terpenoids, and long-chain alkenones show a high variability of components, derived from marine and terrestrial origin. The distribution of hopanoic acid isomers is dominated by compounds with the biological 17beta(H), 21beta(H) configuration indicating a low level of maturity. On the basis of the biomarker data the terrestrial OC supply was significantly enriched during the late Paleocene and part of the earliest Eocene, whereas increased aquatic contributions and euxinic conditions of variable intensity were determined for the Paleocene-Eocene thermal maximum and Eocene thermal maximum 2 events as well as the middle Eocene time interval. Furthermore, samples from the middle Eocene are characterized by the occurrence of long-chain alkenones, high proportions of lycopane, and high ratios (>0.6) of (n-C35 + lycopane)/n-C31. The occurrence of C37-alkenenones, which were first determined toward the end of the Azolla freshwater event, indicates that the OC becomes more marine in origin during the middle Eocene. Preliminary UK'37- based sea surface temperature (SST) values display a longterm temperature decrease of about 15C during the time interval 49-44.5 Ma (25° to 10°C), coinciding with the global benthic d18O cooling trend after the early Eocene climatic optimum. At about 46 Ma, parallel with onset of ice-rafted debris, SST (interpreted as summer temperatures) decreased to values <15°C. For the late early Miocene a SST of 11°-15°C was determined. Most of the middle Eocene ACEX sediments are characterized by a smooth short-chain n-alkane distribution, which may point to natural oil-type hydrocarbons from leakage of petroleum reservoirs or erosion of related source rocks and redeposition.

Macro and micro plastics in an urbanized and non-urbanized fjord estuary in the Northeast Pacific Ocean

Senior thesis written for Oceanography 445

N-3,5 '-cycloxanthosine, the first natural occurrence of a cyclonucleoside

An Eryus sp. of marine sponge from the Great Australian Bight has yielded the first reported natural occurrence of a cyclonucleoside, N-3,5'-cycloxanthosine. The structure of N-3,5'-cycloxanthosine was confirmed by detailed spectroscopic analysis and total synthesis.

1,3-Dimethylisoguanine

The structure of 1,3-dimethylisoguanine [ or 6-amino-1,3-dimethyl-1H-purin- 2(3H)- one], C7H9N5O, has been redetermined and the correct assignment of H atoms on the heterocycle is now reported. Intermolecular hydrogen-bonding interactions confirm that this form is the correct molecular structure; this form is also in agreement with an earlier reported structure of the trihydrate form.

Spatial, geomorphological, and seasonal variability of CDOM in estuaries of the Florida Coastal Everglades

This paper demonstrates the usefulness of fluorescence techniques for long-term monitoring and assessment of the dynamics (sources, transport and fate) of chromophoric dissolved organic matter (CDOM) in highly compartmentalized estuarine regions with non-point water sources. Water samples were collected monthly from a total of 73 sampling stations in the Florida Coastal Everglades (FCE) estuaries during 2001 and 2002. Spatial and seasonal variability of CDOM characteristics were investigated for geomorphologically distinct sub-regions within Florida Bay (FB), the Ten Thousand Islands (TTI), and Whitewater Bay (WWB). These variations were observed in both quantity and quality of CDOM. TOC concentrations in the FCE estuaries were generally higher during the wet season (June–October), reflecting high freshwater loadings from the Everglades in TTI, and a high primary productivity of marine biomass in FB. Fluorescence parameters suggested that the CDOM in FB is mainly of marine/microbial origin, while for TTI and WWB a terrestrial origin from Everglades marsh plants and mangroves was evident. Variations in CDOM quality seemed mainly controlled by tidal exchange/mixing of Everglades freshwater with Florida Shelf waters, tidally controlled releases of CDOM from fringe mangroves, primary productivity of marine vegetation in FB and diagenetic processes such as photodegradation (particularly for WWB). The source and dynamics of CDOM in these subtropical estuaries is complex and found to be influenced by many factors including hydrology, geomorphology, vegetation cover, landuse and biogeochemical processes. Simple, easy to measure, high sample throughput fluorescence parameters for surface waters can add valuable information on CDOM dynamics to long-term water quality studies which can not be obtained from quantitative determinations alone.

Radiocarbon, stable isotopic compositions and seawater chemical properties of Black Sea core-top sediments and CTD stations

Chloropigments and their derivative pheopigments preserved in sediments can directly be linked to photosynthesis. Their carbon and nitrogen stable isotopic compositions have been shown to be a good recorder of recent and past surface ocean environmental conditions tracing the carbon and nitrogen sources and dominant assimilation processes of the phytoplanktonic community. In this study we report results from combined compound-specific radiocarbon and stable carbon and nitrogen isotope analysis to examine the time-scales of synthesis and fate of chlorophyll-a and its degradation products pheophytin-a, pyropheophytin-a, and 132,173-cyclopheophorbide-a-enol until burial in Black Sea core-top sediments. The pigments are mainly of marine phytoplanktonic origin as implied by their stable isotopic compositions. Pigment ?15N values indicate nitrate as the major uptake substrate but 15N-depletion towards the open marine setting indicates either contribution from N2-fixation or direct uptake of ammonium from deeper waters. Radiocarbon concentrations translate into minimum and maximum pigment ages of approximately 40 to 1200 years. This implies that protective mechanisms against decomposition such as association with minerals, storage in deltaic anoxic environments, or eutrophication-induced hypoxia and light limitation are much more efficient than previously thought. Moreover, seasonal variations of nutrient source, growth period, and habitat and their associated isotopic variability are likely at least as strong as long-term trends. Combined triple isotope analysis of sedimentary chlorophyll and its primary derivatives is a powerful tool to delineate biogeochemical and diagenetic processes in the surface water and sediments, and to assess their precise time-scales.

Organic carbon and nitrogen, sediment composition, and clay mineralogy of Deep Sea Drilling Project Site 603, western Atlantic Ocean

Sediment and interstitial water samples recovered during DSDP Leg 93 at Site 603 (lower continental rise off Cape Hatteras) were analyzed for a series of geochemical facies indicators to elucidate the nature and origin of the sedimentary material. Special emphasis was given to middle Cretaceous organic-matter-rich turbidite sequences of Aptian to Turanian age. Organic carbon content ranges from nil in pelagic claystone samples to 4.2% (total rock) in middle Cretaceous carbonaceous mudstones of turbiditic origin. The organic matter is of marine algal origin with significant contributions of terrigenous matter via turbidites. Maturation indices (vitrinite reflectance) reveal that the terrestrial humic material is reworked. Maturity of autochthonous material (i.e., primary vitrinite) falls in the range of 0.3 to 0.6% Carbohydrate, hydrocarbon, and microscopic investigations reveal moderate to high microbial degradation. Unlike deep-basin black shales of the South and North Atlantic, organic-carbon-rich members of the Hatteras Formation lack trace metal enrichment. Dissolved organic carbon (DOC) in interstitial water samples ranges from 34.4 ppm in a sandstone sample to 126.2 ppm in an organic-matter-rich carbonaceous claystone sample. One to two percent of DOC is carbohydratecarbon.