The puzzle assembled: Ediacaran guide fossil Cloudina reveals an old proto-Gondwana seaway

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Comparative analysis of spermatids of Rhipicephalus sanguineus sensu lato (Ixodidae) and Ornithodoros rostratus ticks (Argasidae): morphophysiology aimed at systematics

The phylogenetic relationships among tick species (Acari: Ixodida) have been revisited by several researchers over the last decades. Two subfamilies, Rhipicephalinae (Ixodidae) and Ornithodorinae (Argasidae), deserve special attention. The male reproductive system morphology, as well as the ultrastructure of the germ cells, may provide important information for phylogeny and systematics of metazoan groups, with spermatozoa exhibiting characters that can be used for this purpose. With that information in mind, this study aimed at evaluating, through a comparative analysis, the morphology of the male reproductive systems and germ cells of ticks species Rhipicephalus sanguineus and Ornithodoros rostratus. In order to do that, histology and scanning electron microscopy techniques were used. The results have shown that despite the similarities in the general morphology of the male reproductive system among studied Ixodida so far, there are morphological differences among the species studied herein, mainly the U-shaped testis (ancestral character) in O. rostratus and the pair testes (derived character) in R. sanguineus, and the general morphology of germ cells (spermatids V). Besides that, the morphological changes observed during the spermiogenesis appear to be different between the species studied here, probably characterizing the two families considered. The data generated in this study showed the importance of comparative internal morphology studies, mainly in regard to spermatology, despite the morphological data obtained herein not being enough to product a cladogram (sperm cladistics), it was already possible to observe clear differences among families Argasidae and Ixodidae in regard to the organization of their male reproductive systems and concerning the external morphology of spermatids. Data yet to be obtained through transmission electron microscopy techniques will allow the application of spermiocladistics and spermiotaxonomy as tools for tick systematics.

Caracterização e análise das comunidades e infracomunidades de parasitos metazoários de Plagioscion squamosissimus (Heckel, 1840) capturados no reservatório de Promissão, rio Tietê, estado de São Paulo

Pós-graduação em Medicina Veterinária - FCAV

Aplicação das técnicas de microscopia eletrônica de transmissão e histologia para análise de mixozoários parasitos de peixes do Rio Batalha, médio Rio Tietê, São Paulo, Brasil

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Biodiversidade dos parasitas de peixes provenientes do rio Sapucaí-Mirim, Estado de São Paulo, Brasil

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Estrutura da comunidade parasitária de duas espécies de peixes autóctones da RPPN Foz do rio Aguapeí, Alto rio Paraná

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Evolutionary history of exon shuffling

Exon shuffling has been characterized as one of the major evolutionary forces shaping both the genome and the proteome of eukaryotes. This mechanism was particularly important in the creation of multidomain proteins during animal evolution, bringing a number of functional genetic novelties. Here, genome information from a variety of eukaryotic species was used to address several issues related to the evolutionary history of exon shuffling. By comparing all protein sequences within each species, we were able to characterize exon shuffling signatures throughout metazoans. Intron phase (the position of the intron regarding the codon) and exon symmetry (the pattern of flanking introns for a given exon or block of adjacent exons) were features used to evaluate exon shuffling. We confirmed previous observations that exon shuffling mediated by phase 1 introns (1-1 exon shuffling) is the predominant kind in multicellular animals. Evidence is provided that such pattern was achieved since the early steps of animal evolution, supported by a detectable presence of 1-1 shuffling units in Trichoplax adhaerens and a considerable prevalence of them in Nematostella vectensis. In contrast, Monosiga brevicollis, one of the closest relatives of metazoans, and Arabidopsis thaliana, showed no evidence of 1-1 exon or domain shuffling above what it would be expected by chance. Instead, exon shuffling events are less abundant and predominantly mediated by phase 0 introns (0-0 exon shuffling) in those non-metazoan species. Moreover, an intermediate pattern of 1-1 and 0-0 exon shuffling was observed for the placozoan T. adhaerens, a primitive animal. Finally, characterization of flanking intron phases around domain borders allowed us to identify a common set of symmetric 1-1 domains that have been shuffled throughout the metazoan lineage.

Expression profiling and cross-species RNA interference (RNAi) of desiccation-induced transcripts in the anhydrobiotic nematode Aphelenchus avenae

Abstract Background Some organisms can survive extreme desiccation by entering a state of suspended animation known as anhydrobiosis. The free-living mycophagous nematode Aphelenchus avenae can be induced to enter anhydrobiosis by pre-exposure to moderate reductions in relative humidity (RH) prior to extreme desiccation. This preconditioning phase is thought to allow modification of the transcriptome by activation of genes required for desiccation tolerance. Results To identify such genes, a panel of expressed sequence tags (ESTs) enriched for sequences upregulated in A. avenae during preconditioning was created. A subset of 30 genes with significant matches in databases, together with a number of apparently novel sequences, were chosen for further study. Several of the recognisable genes are associated with water stress, encoding, for example, two new hydrophilic proteins related to the late embryogenesis abundant (LEA) protein family. Expression studies confirmed EST panel members to be upregulated by evaporative water loss, and the majority of genes was also induced by osmotic stress and cold, but rather fewer by heat. We attempted to use RNA interference (RNAi) to demonstrate the importance of this gene set for anhydrobiosis, but found A. avenae to be recalcitrant with the techniques used. Instead, therefore, we developed a cross-species RNAi procedure using A. avenae sequences in another anhydrobiotic nematode, Panagrolaimus superbus, which is amenable to gene silencing. Of 20 A. avenae ESTs screened, a significant reduction in survival of desiccation in treated P. superbus populations was observed with two sequences, one of which was novel, while the other encoded a glutathione peroxidase. To confirm a role for glutathione peroxidases in anhydrobiosis, RNAi with cognate sequences from P. superbus was performed and was also shown to reduce desiccation tolerance in this species. Conclusions This study has identified and characterised the expression profiles of members of the anhydrobiotic gene set in A. avenae. It also demonstrates the potential of RNAi for the analysis of anhydrobiosis and provides the first genetic data to underline the importance of effective antioxidant systems in metazoan desiccation tolerance.

Klonierung, Charakterisierung und Funktion der beiden SAPK-Mitglieder JNK und p38 MAPK des marinen Schwamms S. domuncula

Zusammenfassung der Dissertation von Markus Böhm 'Klonierung, Sequenzierung und Funktion der beiden SAPK-Mitglieder JNK und p38 MAPK des marinen Schwamms S. domuncula' am Fachbereich Biologie der Johannes Gutenberg-Universität Mainz: Da Schwämme zu den einfachsten Metazoen gehören, eignen sie sich gut zur Erforschung von Signaltransduktionsprozessen. Die SAPKs stellen hoch konservierte Signalmoleküle dar, die durch viele Zellstress-auslösende Faktoren aktiviert werden und in zahlreichen biologischen Prozessen involviert sind.Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei SAPK-Gene aus S. domuncula isoliert. Ihre abgeleiteten Aminosäuresequenzen wiesen die höchsten Homologien zu den Mitgliedern der SAPK1/JNK- und SAPK2/p38 MAPK-Subfamilie der Metazoen auf. Die geringste Übereinstimmung existierte gegenüber der einzigen SAPK der Hefe (HOG1). Beide Gene des Schwamms besaßen zudem eine außerordentlich hohe Übereinstimmung hinsichtlich ihrer Exon/Intron-Strukturen. Diese Ergebnisse deuten daraufhin, dass die SAPKs der multizellulären Tiere durch Duplikation eines HOG1-verwandten Vorläufergens entstanden sind. Durch den Vergleich der Intronpositionen mit denen von SAPK-Genen aus D. melanogaster, C. elegans und H. sapiens wurde ersichtlich, dass die Positionen der nichtkodierenden Sequenzbereiche dieser Gene hoch konserviert sind. Western Blot-Analysen demonstrierten, dass beide Schwamm-Kinasen durch hyperosmotischen Stress, LPS und den Phosphataseinhibitor Okadainsäure aktiviert werden. Außerdem wurde durch Versuche mit HOG1-defizienten Hefemutanten gezeigt, dass sie die Funktion des HOG1-Proteins in S. cerevisiae vollständig übernehmen können. Da die aktivierten Kinasen des Schwamms wie HOG1 im Nukleus der Hefezellen akkumuliert werden, müssen die Kerntransportmechanismen der SAPKs ebenfalls evolutionär erhalten sein.

Bcl-2-homologe Proteine aus dem Schwamm Geodia cydonium

'Bcl-2-homologe Proteine aus dem Schwamm Geodia cydonium: Klonierung, Charakterisierung und Funktionsanalyse von Apoptose-Regulatoren der Porifera'. Auf der Suche nach der molekularbiologischen Grundlage der Apoptose in den Porifera, dem phylogenetisch ältesten Metazoen-Tierstamm, wurden Mitglieder der apoptoseregulatorischen Bcl?2 Familie unter Anwendung diverser Techniken im Schwamm G. cydonium identifiziert: GCBHP1 und GCBHP2. Detaillierte Analysen offenbarten Bcl-2-charakteristische Signaturen sowie eine durch apoptotische Stimuli induzierbare Expression. Die parallele HSP70-Induktion zeugte von der GCBHP2-Expression als Teil einer antiapoptotischen Streßantwort zum Schutz des Organismus'. Die kontinuierliche Transkription des im Rahmen dieser Arbeit gleichfalls klonierten Proliferationsmarkers SEP1 veranschaulichte zudem die Effektivität dieser Streßreaktion. Mit der Herstellung eines rekombinanten Proteins und der Gewinnung eines Antiserums konnte auch die streßinduzierte Proteinexpression des GCBHP2 verfolgt werden. Zum Zweck der Funktionsstudie wurden Säugetierzellen (HEK-293, NIH/3T3) mit einem GCBHP2-Konstrukt stabil transfiziert und auf die Expression des Schwammproteins untersucht. Diese Zellen unterschieden sich bereits phänotypisch von mock-transfizierten Zellen. Immunzytochemische Untersuchungen enthüllten eine für antiapoptotische Bcl-2 Proteine charakteristische Assoziation mit Mitochondrien. Unter dem Einfluß zweier apoptotischer Stimuli wurde für GCBHP2-transfizierte Zellen eine vierzehn-/sechsmal höhere Vitalität und eine reduzierte Aktivierung der Caspase-Kaskade registriert (im Vergleich zu mock-transfizierten Kontrollen). Somit wurde der antiapoptotische Charakter des GCBHP2 und die Existenz apoptotischer Mechanismen in den Porifera bestätigt.

Identifizierung eines adaptiven antibakteriellen Abwehrmechanismus des marinen Schwammes Suberites domuncula

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

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

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

Phylogenomische Untersuchungen zur Aufklärung des Metazoa-Stammbaums

Zentrales Thema der Arbeit war die Aufklärung von Verwandtschaftsverhältnissen im „Tree of Life“ der vielzelligen Tiere (Metazoa) unter Einsatz großer DNA-Sequenzdatensätze und phylogenomischer Methoden. Zur Untersuchung der internen Phylogenie der Syndermata (= meist freilebende Rädertiere („Rotifera“) + endoparasitische Kratzwürmer (Acanthocephala)) sowie ihrer Position im Metazoen-Stammbaum wurden insgesamt sieben neue mitochondriale (mt) Genome sowie neue Transkriptom-Sequenzdaten von sieben verschiedenen Syndermata-Spezies generiert und/oder analysiert. Die Stammbaumrekonstruktionen auf Grundlage dieser sowie orthologer Sequenzen anderer Spezies in Form von phylogenomischen Datensätzen mit bis zu 82.000 Aminosäurepositionen ergaben folgende Aussagen zur Evolution: (i) Innerhalb der Acanthocephala bilden monophyletische Palaeacanthocephala das Schwestertaxon zu den Eoacanthocephala. Die Archiacanthocephala sind Schwestertaxon zu allen vorgenannten. (ii) Innerhalb der Syndermata bilden die epizoisch lebenden Seisonidea das Schwestertaxon zu den endoparasitischen Acanthocephala (= Pararotatoria), die Bdelloidea sind das Schwestertaxon zu den Pararotatoria (= Hemirotifera) und die Monogononta das Schwestertaxon zu den Hemirotifera. Die klassischen Eurotatoria (= Bdelloidea + Monogononta) sind demnach paraphyletisch. (iii) Innerhalb der Metazoa bilden die Syndermata gemeinsam mit den Gnathostomulida die Gnathifera. Diese sind die Schwestergruppe zu allen anderen Spiralia-Taxa, welche sich in Rouphozoa (= Platyhelminthes + Gastrotricha) sowie die Lophotrochozoa aufspalten. Die Platyzoa (= Gnathifera + Platyhelminthes + Gastrotricha) sind demnach paraphyletisch. Diese phylogenetischen Hypothesen wurden im Hinblick auf ihre Implikationen für die Evolution morphologischer und ökologischer Merkmale interpretiert. Demnach sind während der Evolution dieser Tiergruppen mehrfach sekundäre Verlustereignisse von komplexen morphologischen Merkmalen aufgetreten (laterale sensorische Organe innerhalb der Acanthocephala und das Räderorgan (Corona) innerhalb der Syndermata), was die Verwendung dieser Merkmale im Sinne einer klassisch-morphologischen Phylogenetik kritisch erscheinen lässt. Der Endoparasitismus der Acanthocephala hat sich wahrscheinlich über ein epizoisches Zwischenstadium, wie man es heute noch bei den Seisonidea findet, entwickelt. Der letzte gemeinsame Vorfahre der Spiralia war vermutlich klein und unsegmentiert und besaß keine echte Leibeshöhle (Coelom). Demnach hätten sich Segmentierung und Coelome innerhalb der Metazoa mehrfach unabhängig voneinander (konvergent) entwickelt. Die Arbeit beinhaltete folgende weitere, zum Teil methodische Aspekte: (i) die Analyse der Architektur der mt Genome der Monogononta bestätigte die aberrante Organisation in zwei Subgenomen für die Brachionidae. (ii) Eine Prüfung der Tauglichkeit ribosomaler Proteine für molekular-phylogenetische Arbeiten ergab das Vorhandensein widersprüchlicher phylogenetischer Signale in diesen speziellen Proteinsequenzen. (iii) Es konnte nachgewiesen werden, dass systematische Fehler wie „long-branch attraction“ bei der Positionierung der Syndermata im Stammbaum der Metazoa eine große Rolle spielen und adressiert werden müssen.

Untersuchungen zur Lokalisation und Expression des respiratorischen Proteins Neuroglobin bei Säugetieren

In der vorliegenden Arbeit wurde Neuroglobin (Ngb), ein evolutiv altes und in Metazoen konserviertes respiratorisches Protein, funktionell untersucht. Mittels des induzierbaren Tet on / Tet off Systems wurde Ngb ektopisch in der murinen Leber und im Gehirn überexprimiert. Die Transkriptome von Leber und Gehirnregionen Ngb-transgener Mäuse wurden mittels Microarrays und RNA-Seq im Vergleich zum Wildtyp analysiert, um Auswirkungen der Ngb-Überexpression zu ermitteln. Die Transkriptom-Analyse in Leber und Gehirn zeigte eine nur geringe Anzahl differenziell regulierter Gene und Stoffwechselwege nach Ngb-Überexpression. Ngb transgene Mäuse wurden CCl4-induziertem ROS-Stress ausgesetzt und die Leberfunktion untersucht. Zudem wurden primäre Hepatozyten-Kulturen etabliert und in diesen in vitro die extrinsische Apoptose induziert. Die Stressversuche zeigten: (i) Die Ngb-Überexpression hat keine protektive Wirkung in der Leber in vivo. (ii) In Leberzellen in vitro hingegen verminderte eine Ngb-Überexpression effizient die Aktivierung der apoptotischen Kaskade. Eine protektive Wirkung von Ngb ist vermutlich von betrachtetem Gewebe und dem verwendeten Stressor abhängig und keine generelle, selektierte Funktion des Proteins.rnWeiterhin wurde eine Ngb-KnockOut-Mauslinie mit einem LacZ-KnockIn-Genotyp etabliert. Hierbei zeigten die KO-Mäuse keinen offensichtlichen Phänotyp in ihrer Entwicklung, Fortpflanzung und Retina-Funktion. Unter Verwendung des LacZ-Knockin-Konstrukts konnten kontrovers diskutierte Ngb-Expressionsorte im adulten Mausgehirn (Hippocampus, Cortex und Cerebellum) sowie in Testes experimentell bestätigt werden. Parallel wurden öffentlich verfügbare RNA-Seq Datensätze ausgewertet, um die regionale Ngb-Expression systematisch ohne Antikörper-assoziierte Spezifitätsprobleme zu charakterisieren. Eine basale Ngb-Expression (RPKM: ~1-5) wurde im Hippocampus, Cortex und Cerebellum, sowie in Retina und Testes ermittelt. Eine 20-40fach höhere, starke Expression (RPKM: ~160) wurde im Hypothalamus bzw. im Hirnstamm nachgewiesen. Die „digitale“ Expressionsuntersuchung wurde mittels qRT-PCR und Western Blot bestätigt. Dieses Expressionsprofil von Ngb in der Maus weist auf eine besondere funktionelle Bedeutung von Ngb im Hypothalamus hin. Eine Funktion von Ngb in der Sauerstoffversorgung der Retina und eine generelle Funktion von Ngb in der Protektion von Neuronen sind mit dem beobachteten Expressionsspektrum weniger gut vereinbar.

Conservation of the RNA Transport Machineries and Their Coupling to Translation Control across Eukaryotes

Restriction of proteins to discrete subcellular regions is a common mechanism to establish cellular asymmetries and depends on a coordinated program of mRNA localization and translation control. Many processes from the budding of a yeast to the establishment of metazoan embryonic axes and the migration of human neurons, depend on this type of cell polarization. How factors controlling transport and translation assemble to regulate at the same time the movement and translation of transported mRNAs, and whether these mechanisms are conserved across kingdoms is not yet entirely understood. In this review we will focus on some of the best characterized examples of mRNA transport machineries, the "yeast locasome" as an example of RNA transport and translation control in unicellular eukaryotes, and on the Drosophila Bic-D/Egl/Dyn RNA localization machinery as an example of RNA transport in higher eukaryotes. This focus is motivated by the relatively advanced knowledge about the proteins that connect the localizing mRNAs to the transport motors and the many well studied proteins involved in translational control of specific transcripts that are moved by these machineries. We will also discuss whether the core of these RNA transport machineries and factors regulating mRNA localization and translation are conserved across eukaryotes.