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.

Diagnostische Kompetenzen angehender Biologie-Lehrkräfte im Bereich der naturwissenschaftlichen Erkenntnisgewinnung

Das Beurteilen von Schülerleistungen, das Erfassen ihrer unterschiedlichen Lernvoraussetzungen und das Beobachten und Beurteilen von Schülerlernprozessen stellen wichtige Handlungsroutinen im Alltag von Lehrkräften dar. Dem gegenüber steht die Tatsache, dass sich noch bis vor einigen Jahren nur wenige Arbeiten und Projekte explizit mit der Diagnosekompetenz von angehenden und praktizierenden Lehrkräften beschäftigt haben. Die vorliegende Arbeit, die ein Teilprojekt innerhalb eines größeren interdisziplinären Projektes zur Diagnosekompetenz von Lehramtsstudierenden darstellt, möchte einen Beitrag leisten zur Debatte um die diagnostische Kompetenz. Ihr Hauptaugenmerk richtet sie dabei auf die diagnostische Kompetenz von Biologie-Lehramtsstudierenden im Bereich der naturwissenschaftlichen Erkenntnisgewinnung. Im Zuge der notwenigen theoretischen Konzeptionierung präsentiert die Arbeit einen im Gesamtprojekt erarbeiteten Vorschlag für eine Modellierung der (fachbezogenen) Diagnosekompetenz von Lehramtsstudierenden. Ergänzend dazu findet im Rahmen der Arbeit eine Klärung der in der Forschungsliteratur oftmals uneinheitlich benutzten Begrifflichkeiten zur diagnostischen Kompetenz statt. Weiterhin wird ein Vergleich von verschiedenen in der Literatur verwendeten Konzeptualisierungsansätzen vorgenommen. Da in der Forschungsliteratur keine geeigneten Instrumente zum Erfassen der hier im Speziellen betrachteten diagnostischen Kompetenz vorlagen, mussten diese im Rahmen der Arbeit neu entwickelt werden. Ein wesentlicher Ansatz dabei war eine Unterscheidung von status- und prozessdiagnostischen Kompetenzen und die Entwicklung entsprechend geeigneter Erhebungsinstrumente. Die neu entwickelten Testinstrumente wurden bei zwei Studierenden-Jahrgängen an verschiedenen Zeitpunkten im Verlauf ihres Studiums eingesetzt. Im Test zur Messung ihrer statusdiagnostischen Kompetenzen hatten die Studierenden Schülerlösungen aus dem Bereich der naturwissenschaftlichen Erkenntnisgewinnung zu analysieren und zu beurteilen. Dabei zeigte sich als ein zentraler Befund, dass die Probanden das Leistungsniveau der Schülerlösungen umso schlechter korrekt beurteilen konnten, je höher es war. Weiterhin wurde deutlich, dass die diagnostische Kompetenz der Lehramtsstudierenden für die typischen Teilschritte im Rahmen der Erkenntnisgewinnung unterschiedlich hoch ausgeprägt ist. So fiel es ihnen am leichtesten, die Schülerlösungen zum Teilschritt „Datenanalyse“ zu beurteilen, wohingegen sie deutlich größere Schwierigkeiten hatten, das Leistungsniveau der Schülerlösungen zum Teilschritt „Planen einer Untersuchung“ korrekt einzuschätzen. Im Test zum Erfassen der prozessdiagnostischen Fähigkeiten der Studierenden wurde ihnen ein Experimentierprozess zweier Schüler vorgelegt. Auffällig in Bezug auf ihre diagnostische Kompetenz waren die massiven Schwierigkeiten beim Beurteilen des Schülerumgangs mit den Variablen. Im Vergleich der status- und prozessdiagnostischen Fähigkeiten erwies sich die Prozessdiagnostik als die für die Studierenden schwierigere Tätigkeit. Ein wesentliches Plus in Bezug auf das Gewinnen von Informationen über die diagnostische Kompetenz brachte der Einsatz von Videoanalysen zusätzlich zu den beschriebenen paper-pencil basierten Testinstrumenten. Über eine Analyse der Testbearbeitungsprozesse der Studierenden wurde untersucht, aus welchen Beweggründen und auf Basis welcher Annahmen diese zu ihren diagnostischen Urteilen gekommen waren. Mit Hilfe der auf diese Weise gewonnenen prozessbezogenen Informationen war es möglich, die spezifischen Schwierigkeiten der Studierenden beim Diagnostizieren genauer herauszuarbeiten. Neben den genannten Untersuchungen zu den Ausprägungen von diagnostischer Kompetenz im Bereich Erkenntnisgewinnung wurden im Rahmen der Arbeit auch ihre postulierten Bedingungsfaktoren untersucht: das fachmethodische Vorwissen der Studierenden und ihr Wissenschaftsverständnis. Nur für ersteres konnte ein wenngleich geringer, aber doch signifikanter Zusammenhang festgestellt werden. Ergänzend zum Blick auf die möglichen Bedingungsfaktoren wurden auch Zusammenhänge zwischen der diagnostischen Kompetenz und verschiedenen ausgewählten Personen- und Kontextvariablen untersucht (z.B. die von den Studierenden gewählte Lehramtsform, ihre Fächerkombination, ihr Geschlecht und ihre Abiturnote). Von allen untersuchten Variablen erwies sich die von den Studierenden gewählte Lehramtsform als derjenige Faktor, der den wenngleich ebenfalls nur schwachen, aber doch durchgängig vorhandensten Zusammenhang aufwies. Zusätzlich zu der (objektiven) Erfassung der diagnostischen Kompetenzen mit Hilfe der Messinstrumente präsentiert die Arbeit Ergebnisse zum Verlauf der subjektiven Selbsteinschätzungen der Studierenden hinsichtlich ihres diagnostischen Wissens. Es zeigte sich, dass die Studierenden das Studium für die Ausbildung ihrer diagnostischen Kompetenz als weniger hilfreich empfinden als für den Aufbau der anderen Bereiche ihres Professionswissens. Die Arbeit endet mit einem Fazit zu den Testinstrument-Entwicklungen und den in den verschiedenen Untersuchungen gewonnenen Befunden, verbunden mit einem Ausblick auf mögliche Implikationen für die Lehrerausbildung und sich anschließende Forschungsvorhaben.

Einfluss der kognitiven Leistungsfähigkeit von Schülerinnen und Schülern auf die Bewertungskompetenz im bilingualen Biologieunterricht

In der vorliegenden wissenschaftlichen Hausarbeit zur Ersten Staatsprüfung für das Lehramt an Gymnasien im Fach Biologie wurde der Einfluss der kognitiven Leistungsfähigkeit von Schülerinnen und Schülern auf die Bewertungskompetenz im bilingualen Biologieunterricht empirisch untersucht. Die theoretische Grundlage der Untersuchung bildet die Cognitive Load Theory von John Sweller, die besagt, dass der Mensch nur über ein limitiertes Arbeitsgedächtnis verfügt, sodass bei Überforderung kein Lernprozess einsetzen kann. Basierend auf dieser Theorie wurden die Hypothesen aufgestellt, dass Schülerinnen und Schüler, die bilingualen Biologieunterricht belegen, in komplexen und abstrakten Unterrichtsinhalten kognitiv überfordert sind, und folglich schlechtere Leistungen bringen können. Untersucht wurden dabei beispielhaft die Themenkomplexe Bioethik und nachhaltige Entwicklung, abgefragt wurde die Bewertungskompetenz der Schülerinnen und Schüler gemäß der Bildungsstandards der KMK. Jeder Teilnehmer an der Befragung füllte einen Fragebogen aus, anhand dessen einerseits die kognitive Leistungsfähigkeit, andererseits die Bewertungskompetenz ermittelt wurde. Letztlich wurden die Werte korreliert, um die Hypothesen zu überprüfen, wobei herauskam, dass die Schülerinnen und Schüler aus bilingualen Kursen keine signifikant schlechteren Leistungen erzielten als die Teilnehmer aus den Regelklassen. Somit wurde nachgewiesen, dass bilingualer Biologieunterricht auch in sehr komplexen und abstrakten Unterrichtseinheiten keine kognitive Überforderung darstellt.

Zelluläre und biochemische Charakterisierung der bifunktionalen Methyltransferase Dnmt2

Seit der Entdeckung der Methyltransferase 2 als hoch konserviertes und weit verbreitetes Enzym sind zahlreiche Versuche zur vollständigen Charakterisierung erfolgt. Dabei ist die biologische Funktion des Proteins ein permanent umstrittener Punkt. In dieser Arbeit wird dnmA als sensitiver Oszillator bezüglich des Zellzyklus und weiterer Einflüsse gezeigt. Insgesamt liegt der Hauptfokus auf der Untersuchung der in vivo Charakterisierung des Gens, der endogenen subzellulären Verteilung, sowie der physiologischen Aufgaben des Proteins in vivo in D. discoideum. Um Hinweise auf Signalwege in vivo zu erhalten, in denen DnmA beteiligt ist, war es zunächst notwendig, eine detaillierte Analyse des Gens anzufertigen. Mit molekularbiologisch äußerst sensitiven Methoden, wie beispielsweise Chromatin‐IP oder qRT‐PCR, konnte ein vollständiges Expressionsprofil über den Zell‐ und Lebenszyklus von D. discoideum angelegt werden. Besonders interessant sind dabei die Ergebnisse eines ursprünglichen Wildtypstammes (NC4), dessen dnmA‐Expressionsprofil quantitativ von anderen Wildtypstämmen abweicht. Auch auf Proteinebene konnten Zellzyklus‐abhängige Effekte von DnmA bestimmt werden. Durch mikroskopische Untersuchungen von verschiedenen DnmA‐GFP‐Stämmen wurden Lokalisationsänderungen während der Mitose gezeigt. Weiterhin wurde ein DnmA‐GFP‐Konstrukt unter der Kontrolle des endogenen Promotors generiert, wodurch das Protein in der Entwicklung eindeutig als Zelltypus spezifisches Protein, nämlich als Präsporen‐ bzw. Sporenspezifisches Protein, identifiziert werden konnte. Für die in vivo Analyse der katalytischen Aktivität des Enzyms konnten nun die Erkenntnisse aus der Charakterisierung des Gens bzw. Proteins berücksichtigt werden, um in vivo Substratkandidaten zu testen. Es zeigte sich, dass von allen bisherigen Substrat Kandidaten lediglich die tRNA^Asp als in vivo Substrat bestätigt werden konnte. Als besondere Erkenntnis konnte hierbei ein quantitativer Unterschied des Methylierungslevels zwischen verschiedenen Wildtypstämmen detektiert werden. Weiterhin wurde die Methylierung sowie Bindung an einen DNA‐Substratkandidaten ermittelt. Es konnte gezeigt werden, dass DnmA äußerst sequenzspezifisch mit Abschnitten des Retrotransposons DIRS‐1 in vivo eine Bindung eingeht. Auch für den Substrakandidaten snRNA‐U2 konnte eine stabile in vitro Komplexbildung zwischen U2 und hDnmt2 gezeigt werden. Insgesamt erfolgte auf Basis der ermittelten Expressionsdaten eine erneute Charakterisierung der Aktivität des Enzyms und der Substrate in vivo und in vitro.

Der Einfluss veränderter Wintertemperaturverläufe auf die mikrobielle C und N Nutzung aus Ernterückständen und die Überlebensrate pilzlicher Phytopathogene

Die vorliegende Dissertation wurde im Rahmen des vom Niedersächsischen Ministerium für Wissenschaft und Kultur geförderten Forschungsverbundes „KLIFF – Klimafolgenforschung in Niedersachsen“ an der Universität Kassel im Fachbereich Ökologische Agrarwissenschaften im Fachgebiet Bodenbiologie und Pflanzenernährung angefertigt. Die Arbeit wurde von der Universität Kassel gefördert und ist mit dem DFG-Graduiertenkolleg 1397 assoziiert.

Lokalisation und Funktion von Mitgliedern der Familie der short-chain Dehydrogenasen/Reduktasen in Dictyostelium discoideum

Dictyostelium discoideum wird als Modellorganismus für diverse Krankheitsbilder benutzt. Darunter zählen lysosomale, neurodegenerative Störungen sowie Stoffwechselerkrankungen. Werden diese Amöben mit einer Fettsäure gefüttert, so wird die Biogenese von lipid droplets (LDs) initiiert. Diese dynamischen Organellen dienen der Neutrallipidspeicherung. Das Proteom der LDs konnte für D. discoideum entschlüsselt werden. Unter den rund 70 Proteinen, befinden sich ca. 15, die eine Funktion im Lipidstoffwechsel haben. Darunter befinden sich auch Mitglieder der Enzymklasse der short-shain Dehydrogenasen/Reduktasen. Diese zeigen, wie viele andere LD-Proteine auch, eine duale Lokalisation im Endoplasmatischen Retikulum (ER) und auf LDs. In dieser Arbeit konnten die Sequenzen, die den Wechsel von einer doppelte Phospholipidschicht (ER) auf eine einfache Membran (LDs) möglich machen, entschlüsselt werden. Im Fall der Proteine SdrB/C/D/E/F handelt es sich dabei um ein membranständiges N-terminales Peptid gefolgt von einer Membrandomäne. Helix-brechende Aminosäuren wie Prolin und Glycin in diesen Domänen erzeugen einen Knick, sodass sowohl die C- als auch N-Termini fusioniert an ein Reporterprotein cytoplasmatisch lokalisieren können. Direkt nach der Membrandomäne befindet sich ein kurzer Abschnitt mit basischen, positiv geladenen Aminosäuren, die mit der negativ geladenen Oberfläche der LDs interagieren. Die Membrandomäne allein ist zwar für eine ER-Lokalisation ausreichend, eine LD-Verteilung kann jedoch nur in Kombination mit dem basischen Abschnitt erfolgen. Des Weiteren konnte die Lokalisation von SdrG aufgeklärt werden. Dieses Protein lokalisiert sowohl im ER, als auch auf LDs und den Peroxisomen. Die knockouts einzelner Sdr-Gene zeigten keinen Phänotyp. Auch der Doppel-knockout von SdrB und SdrC blieb Phänotyp-frei. Aus diesem Grund wurden die tandemartig im Genom vorliegenden Gene SdrD-F in einem Triple-knockout untersucht, ebenso wie ein Penta-knockout der Gene SdrB-F. Weiterhin konnten keine Auswirkungen auf die Phagocytose bzw. auf die Verwertung von Fettsäuren und die Mitoserate festgestellt werden. Ebenfalls verläuft der Aufbau und die Degradation von lipid droplets wildtypisch. Mittels Gaschromatographie gekoppelter Massenspektrometrie konnte jedoch ein geringer Unterschied in der Fettsäurekomposition der LDs festgestellt werden. Sobald diese fünf Proteine nicht mehr vorhanden sind, werden 5% weniger 18:1 Δ11 Fettsäuren gebildet und es verbleiben mehr 16:0 Fettsäuren in den LDs. Eine Übernahme der Funktion als Δ9 Desaturase, nach dem Abschnüren der LDs vom Endoplasmatischen Retikulum ist wahrscheinlich.

Posttranslationale Modifikationen und Interaktionspartner der Heterochromatin Protein 1-Homologe HcpA und HcpB in Dictyostelium discoideum

Die Epigenetik repräsentiert einen Teilbereich der Genetik, der sich mit Regulationsmechanismen befasst, welche Einfluss auf die Genexpression nehmen und dabei nicht auf Veränderungen in der DNA-Sequenz beruhen. Ein verbreiteter Mechanismus beruht auf der Kontrolle des Kondensationsgrades der DNA durch posttranslationale Modifizierung von Proteinen. Die Proteine können ein struktureller Bestandteil des Chromatins oder aber an dessen Etablierung und Aufrechterhaltung beteiligt sein. Heterochromatin Protein 1 (HP1) ist ein Schlüsselprotein bei der Bildung und Aufrechterhaltung heterochromatischer Strukturen. Zudem erfüllt es eine Reihe weiterer Funktionen und interagiert mit einer Vielzahl von Proteinen. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass die HP1-Homologe aus Dictyostelium discoideum umfangreich mit posttranslationalen Modifikationen versehen sind. Eine in der als Interaktionsdomäne bezeichneten Chromo-Shadow-Domäne gelegene Acetylierung steht zumindest in HcpB im Zusammenhang mit der Bildung von Heterochromatin. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass HcpB physisch mit der Histonmethyltransferase SuvA interagiert. Der Einfluss der oben genannten Acetylierung auf die Bildung von Heterochromatin könnte dabei sowohl auf der Kontrolle der Homo- bzw. Heterodimerisierung als auch auf der Kontrolle der Interaktion mit SuvA beruhen. Die hohe Konservierung von HP1-Proteinen führt zu der Frage, ob das humane Homolog HP1α die endogenen HP1-Homologe in Dictyostelium discoideum kompensieren kann. Während humanes HP1α in der Lage ist im Einzel-Knockout mit heterochromatischen Strukturen zu assoziieren scheint der Knockout des zweiten Homologes letal zu sein. Dies legt nahe, dass HP1α nur einen Teil der Funktionen übernehmen kann. Um Interaktionspartner von HcpA und HcpB zu bestimmen wurden mit bioinformatischen Methoden drei Proteine aus Dictyostelium als potentielle Komponenten des Chromatin Assembly Factor 1 (CAF1) identifiziert und untersucht. Vorhergehende Experimente aus anderen Arbeiten stützen die Annahme, dass es sich hierbei um Komponenten des Chromatin Assembly Factor 1 handelt.

Funktion und Biogenese kleiner RNAs in Dictyostelium discoideum

RNA mediated gene silencing pathways are highly conserved among eukaryotes and they have been well investigated in animals and in plants. Longer dsRNA molecules trigger the silencing pathways: RNase III proteins and their dsRNA binding protein (dsRBP) partners recognize those molecules as a substrate and process 21 nucleotide long microRNAs (miRNAs) or small interfering RNAs (siRNAs). Some organisms encode RNA dependent RNA polymerases (RdRPs), which are able to expand the pool of existing siRNAs. Argonaute proteins are able to bind small regulatory RNAs and are subsequently recruited to target mRNAs by base complementary. This leads in turn to transcriptional or posttranscriptional silencing of respective genes. The Dictyostelium discoideum genome encodes two Dicer homologues (DrnA and DrnB), five Argonaute proteins (AgnA to AgnE) and three RdRPs (RrpA to RrpC). In addition, the amoeba is known to express miRNAs and siRNAs, while the latter derive mainly from the DIRS-1 retrotransposon. One part of this work focused on the miRNA biogenesis pathway of D. discoideum. It was shown that the dsRNA binding protein RbdB is a necessary component for miRNA processing in the amoeba. There were no mature miRNAs detectable by Northern blot analysis in rbdB- strains, which is also true for drnB mutants. Moreover, primary miRNA-transcripts (pri-miRNAs) accumulated in rbdB- and drnB- strains. Fluorescence microscopy studies showed a nuclear localization of RbdB. RbdB accumulated in distinct perinucleolar foci. These were reminiscent of plant dicing bodies that contain essential protein components for miRNA processing. It is well known that RNase III enzymes and dsRBPs work together during miRNA processing in higher eukaryotes. This work demonstrated that the same is true for members of the amoebozoa supergroup. In Arabidopsis the nuclear zinc finger protein Serrate (SE) is also necessary for miRNA processing. The D. discoideum homologue SrtA, however, is not relevant which has been shown by the analysis of the respective knockdown strain. MiRNAs are known to be differentially expressed in several RNAi knockout strains. The accumulation of miRNAs in agnA- strains and a strong decrease in rbdB- strains were criteria that could thus be successfully used (among others) to identify and validate new miRNAs candidates by Illumina®-RNA sequencing. In another part of this study, the silencing and amplification of the DIRS-1 retrotransposons was analyzed in more detail. It was already known that DIRS-1 transcripts and extrachromosomal DIRS-1 DNA molecules accumulated in agnA- strains. This phenotype was correlated with the loss of endogenous DIRS-1 siRNAs in the knockout strain. By deep sequencing analysis of small RNAs from the AX2 wild type and the agnA- strain, the strong decrease of endogenous DIRS-1 siRNAs in the mutant strain (accounting for 70 %) could be confirmed. Further analysis of the data revealed an unequal distribution of DIRS-1 derived siRNAs along the retroelement in the wild type strain, since only very few of them matched the inverted terminal repeats (ITRs) and the 5’- half of the first open reading frame (ORF). Besides, sense and antisense siRNAs were asymmetrically distributed, as well. By using different reporter constructs it was shown indirectly that AgnA is necessary for the RrpC mediated production of secondary DIRS-1 siRNAs. These analyses also demonstrated an amplification of siRNAs in 5’- and in 3’-direction. Further analysis of the agnA- strain revealed that not only DIRS-1 sense transcripts but also ORF2 and ORF3 encoded proteins were enriched. In contrast, the ORF1 encoded protein GAG was equally expressed in the mutant and the wild type. This might reflect the unequal distribution of endogenous DIRS-1 siRNAs along the retrotransposon. Southern Blot and PCR-analyses showed that extrachromosomal DIRS-1 DNA molecules are present in the cytoplasm of angA- strains and that they are complementary to sense transcripts of intact DIRS-1 elements. Thus, the extrachromosomal DIRS-1 intermediates are likely incomplete cDNA molecules generated by the DIRS-1 encoded reverse transcriptase. One could hypothesize that virus like particles (VLPs) are the places of DIRS-1 cDNA synthesis. At least, DIRS-1 GAG proteins interact and fluorescence microscopy studies showed that they localize in distinct cytoplasmic foci which accumulate in close proximity to the nuclei.

Analysen der beiden cis-regulierenden Sequenzelemente translational control element (TCE) und cytoplasmic polyadenylation element (CPE) in der Drosophila-Spermatogenese

Ein essentieller Bestandteil in dem Mechanismus der Translationskontrolle sind RNA-Pro­tein-Wechselwirkungen. Solche Interaktionen konnten in Translationssystemen an zwei unabhängigen cis-regulierenden Elementen durch in vitro-Bindungsanalysen mit individu­ellen rekombinanten Proteinen dokumentiert werden. Im Fall des translational control elements (TCE), welches ein konserviertes Sequenz-Ele­ment in der Mst(3)CGP-Genfamilie darstellt, wird eine negative Translationskontrolle durch die Bindung der Proteine CG3213, CG12470, CG1898, dFMR1, Exuperantia und Orb2 an diese Sequenz vermittelt (Stinski, 2011). Neben den in Bindungsstudien positiv getesteten Kandidaten dFMR1 und Orb2 (Stinski, 2011) wurde in der vorliegenden Dis­sertation CG3213 als weiterer direkter Bindungspartner an das TCE dokumentiert. Ein Abgleich der genomweiten Zusammenstellung von Proteininteraktionen in der Datenbank InterologFinder lieferte zwei weitere potentielle Kandidaten: CG34404 und CG3727. Al­lerdings schließen Northern-Analysen und das Proteinexpressionsmuster eine zentrale Rolle in der Drosophila-Spermatogenese für diese nahezu aus. In Kolokalisationsstudien einiger TCE-Komplex-Kandidaten mit CG3213 als Referenz konnten eindeutige Überein­stimmungen der Fluoreszenzmuster mit CG12470 in der postmeiotischen Phase be­schrieben werden, wohingegen mit Orb2 (postmeiotisch) und CG1898 (prämeiotisch) nur eine geringe Kolokalisation erkannt wurde. Punktstrukturen in den Verteilungsmustern sowohl von CG3213 als auch von CG12470 ließen sich nicht mit ER- und mitochondrien­spezifischen Markern korrelieren. Im Anschluss der Meiose konnte eine deutliche Intensitätserhöhung des CG3213-Proteins beobachtet werden, was eventuell durch eine veränderte Translationseffizienz zustande kommen könnte. Exuperantia (Exu) stellt einen bekannten Regulator für eine Reihe von translationskontrollierten mRNAs dar (Wang und Hazelrigg, 1994). Die Quantifizierungen der CG3213-mRNA in exu-mutantem Hintergrund bestätigen, dass auch die Transkript­menge der CG3213-mRNA durch Exu reguliert wird, was die obige Interpretation stützen würde. Für das zweite cis-regulierende Element, das cytoplasmic polyadenylation element (CPE), konnte eine direkte Bindung mit dem CPEB-Homolog in Drosophila (Orb2) gezeigt wer­den, welches auch eine Komponente des mst87F-RNP-Komplexes ist. Ein vermuteter Interaktionspartner dieses CPEBs ist Tob, weshalb die Verteilung beider Proteine in einem Kombinationsstamm verglichen wurde. In dem teilweise übereinstimmenden Fluoreszenz­muster ist Tob an den distalen Spermatidenenden auffallend konzentriert. Das gesamte Tob-Muster jedoch legt eine Verteilung in den Mitochondrien nahe, wie die MitoTracker®-Färbung belegt. Somit wurde erstmals ein Mitglied der Tob/BTG-Genfamilie in der Droso­phila-Spermatogenese mit Mitochondrien in Verbindung gebracht. Die Lokalisierung die­ser Proteine ist bislang unklar, jedoch konnte eine Kernlokalisation trotz der N-terminalen NLS-Sequenz mit Hilfe einer Kernfärbung ausgeschlossen werden.

Strukturelle und funktionelle Charakterisierung des Dnmt2-Homologs DnmA von Dictyostelium discoideum

In dieser Arbeit wurde die DNA Methyltransferase 2 aus Dictyostelium discoideum strukturell und funktionell untersucht. Sie vermittelt die Methylierung des Cytosin an Position 38 nahe des Anticodons der tRNAAsp (Goll et al., 2006; Müller et al., 2013). Jedoch ist die biologische Funktion dieser Methylierung bis heute nicht hinreichend geklärt. In der Vergangenheit konnten erhebliche Unterschiede in der in vivo- und in vitro-Methylierungsaktivität von DnmA, dem Dnmt2-Homolog aus D. discoideum, beobachtet werden. So wurde bis jetzt ausschließlich tRNAAsp als in vivo-Substrat des Proteins identifiziert. In vitro methyliert rekombinant gewonnenes DnmA aus E. coli allerdings auch Transkripte der tRNAGlu und tRNAGly (Müller et al., 2013). Aus diesem Grund sollten in dieser Arbeit posttranslationaler Proteinmodifikationen von DnmA identifiziert werden. Diese können an dem Protein aus D. discoideum, jedoch nicht oder verändert an dem Protein aus E. coli auftreten und deshalb zu einer abweichenden Methylierungsaktivität von DnmA führen. Es konnte gezeigt werden, dass DnmA aus D. discoideum isoliert, zahlreiche Proteinmodifikationen aufweist, wobei elf Methylierungen, drei Phosphorylierungen und drei Acetylierungen identifiziert werden konnten. Die als methyliert identifizierten Aminosäuren K205, K236, K276 und R341 und die phosphorylierte Aminosäure T239 wurden detaillierter untersucht. Dazu wurden sie jeweils zu Alanin mutiert. Keine der Aminosäureaustausch-mutationen führte zu einem erheblichen Strukturverlust des Proteins und alle Proteine zeigten in vitro-Methylierungsaktivität mit tRNAAsp, tRNAGlu und tRNAGly. Die Mutations-proteine DnmAK276A und R341A wurden überdies in vivo untersucht und zeigten eine verringerte Methylierungsaktivität. Diese Ergebnisse liefern erste Hinweise darauf, dass posttranslationale Proteinmodifikationen die Aktivität von DnmA in vivo beeinflussen könnten. Außerdem konnte gezeigt werden, dass auch DnmA, welches in D. discoideum überexprimiert und daraus gereinigt wurde, in vitro-Methylierungsaktivität mit tRNAGly besitzt. Da tRNAGly kein Substrat für DnmA in vivo darstellt (Müller et al., 2013), konnte dadurch nachgewiesen werden, dass das Protein, auch wenn es in D. discoideum exprimiert wird, in vivo und in vitro abweichende Substratspezifität aufweist. Weiterhin wurde versucht, Protein-Interaktionspartner von DnmA zu identifizieren. Mittels Immunpräzipitation und anschließender massenspektrometrischer Analyse konnten eine Vielzahl von Kandidaten identifiziert werden. Erste Versuche, die Ergebnisse zu verifizieren, zeigten allerdings keine Bestätigung der direkten Interaktion der Proteine CulB, CulE und Nola1 mit DnmA. Wie in vorherigen Untersuchungen (Dissertation Vladimir Maksimov, 2010; Dissertation Sara Müller, 2011), konnten auch im Rahmen dieser Arbeit keine direkt mit DnmA assoziierten Proteine in D. discoideum identifiziert werden. Im dritten Projekt der vorliegenden Arbeit wurde ein Zusammenhang zwischen der DnmA-vermittelten tRNA-Methylierung am C38 und einer weiteren tRNA-Modifikation, Queuosin an Position 34, gezeigt. Die Methylierung der tRNAAsp durch DnmA war signifikant erhöht, wenn das Nährmedium von D. discoideum mit Queuin supplementiert wurde. Allerdings ist Queuosin für die DnmA-vermittelte tRNA-Methylierung nicht unabdingbar. In vivo konnte nach Überexpression von DnmA ebenfalls eine Queuosin-unabhängige tRNAAsp-Methylierung detektiert werden. Weiterhin wurde gezeigt, dass Queuosin-enthaltende tRNAs kein generelles Substrat für DnmA darstellen. Nach Gabe von Queuin wiesen die anderen Queuosin-enthaltenden tRNAs tRNAAsn, tRNAHis und tRNATyr keine Methylierung putativer DnmA-targets auf. Auch an tRNAGlu und tRNAGly konnte unter diesen Bedingungen keine in vivo-Methylierung des C38 bzw. C37 gezeigt werden. Weiterhin wurden erste Untersuchungen zur Bestimmung der Funktion der DnmA-vermittelten Methylierung in Zusammenhang mit der Queuosin-Modifikation durchgeführt. Bereits 1985 wurde beschrieben, dass Queuin im Nährmedium die tRNA-Menge von tRNAAsp und tRNATyr in Wildtyp Dictyostelium-Zellen um das Zweifache erhöht (Ott and Kersten, 1985). Hier konnten diese Ergebnisse bestätigt und außerdem gezeigt werden, dass dieser Effekt in einem dnmA- -Stamm nicht auftritt. Interessanterweise stellte tRNATyr jedoch kein Methylierungssubstrat für DnmA dar. Dennoch konnte in einem dnmA- -Stamm ebenfalls keine erhöhte Menge dieser tRNA beobachtet werden, obwohl die Zellen mit Queuin kultiviert wurden. In wieweit ein indirekter Effekt, welcher nicht die DnmA-vermittelte Methylierung darstellt, weitere tRNA-Modifikationen oder andere Proteine an diesem Regulationsmechanismus beteiligt sind, muss in zukünftigen Analysen geklärt werden.

Differentielle Zellzykluskontrolle bei Spiraliern und ihre Bedeutung für die Determination der Blastomeren

Bei inäqual furchenden Spiraliern, wie Platynereis dumerilii, entstehen durch die ersten beiden Furchungen vier unterschiedlich große und auch bereits unterschiedlich determinierte Blastomeren. Im allgemeinen ist die größte der vier Blastomeren die Gründerzelle des D-Quadranten (Dorresteijn und Fischer 1988). Dieser Quadrant etabliert die dorsoventrale Körperachse im Keim, indem er das Schicksal benachbarter Blastomeren über Zell-Zell-Interaktionen positionsgerecht bestimmt (Damen und Dictus 1996). Der D-Quadrant erhält bei Platynereis einen überproportional großen Anteil (60%) des gesamten dotterfreien Zytoplasmas im Keim (Dorresteijn 1990). Sein Schicksal wird durch morphogenetische Faktoren innerhalb des dotterfreien Zytoplasmas bestimmt. Der Gehalt an dotterfreiem Zytoplasma bestimmt nicht nur das Schicksal der Blastomeren, sondern korreliert auch direkt mit den jeweils unterschiedlichen Zellzyklusgeschwindigkeiten der Blastomeren. Die plasmareichen Zellen des D-Quadranten, aber auch bereits die Vorläuferzelle CD, teilen sich im Vergleich mit den jeweils anderen Blastomeren im Keim besonders rasch (Dorresteijn 1990). In dieser Arbeit wurde unter verschiedenen Aspekten untersucht (a) inwieweit die Etablierung der dorsoventralen Körperachse von der raschen Proliferation der D-Zellinie abhängt, (b) inwieweit Zellzyklusregulatoren Bestandteil der oben genannten morphogenetischen Faktoren sein könnten und (c) wie die unterschiedlichen Zellzyklusgeschwindigkeiten auf molekularer Ebene reguliert werden.Zum einen wurden die frühen Furchungsstadien von Aplysia californica volumetrisch vermessen. Anders als bei den meisten inäqual furchenden Spiraliern wird bei Aplysia nicht der größte, sondern einer der kleineren embryonalen Quadranten als D-Quadrant determiniert. Ich konnte zeigen, daß die CD-Blastomere (27% des Eivolumens) dennoch, ähnlich wie bei Platynereis, bei der ersten Furchungsteilung überproportional viel dotterfreies Zytoplasma (40%) erhält und so als Vorläuferzelle des D-Quadranten determiniert wird. Bei der zweiten Furchung teilt sich die CD-Blastomere jedoch, anders als bei Platynereis, symmetrisch. Welche der beiden Tochterzellen von CD als definitiver D-Quadrant determiniert wird, erfordert also zusätzliche (induktive?) Mechanismen. Auch bei Aplysia sind die Zellzyklusgeschwindigkeiten der Blastomeren mit ihren jeweiligen Anteilen am dotterfreiem Zytoplasma korreliert. Das Postulat, daß die rasche Proliferation des D-Quadranten und seiner Vorläuferzelle CD für die Etablierung der dorsoventralen Körperachse und für die Determination der Blastomeren in Keimen inäqual furchender Spiralier erforderlich sind, konnte ich zusätzlich bestätigen, indem ich die Teilungsabfolge im Keim von Platynereis mit Hilfe des Cdc2-spezifischen Inhibitors Olomoucin experimentell abänderte. Durch pulse chase-Behandlung mit Olomoucin wurde erreicht, daß die Blastomeren die vierte Mitose, anders als im normalen Keim, synchron einleiteten. Die so behandelten Keime entwickelten sich zu Trochophorae, die keine oder nur eine stark reduzierte dorsoventrale Polarität erkennen ließen. Das dorsoventrale Muster entsteht in Keimen von Spiraliern durch die Organisatorwirkung der Blastomeren 3D und 4d und bei Platynereis eventuell auch 2d (Damen und Dictus 1996, Dorresteijn und Eich 1991). Der Teilungsvorsprung, den diese Blastomeren normalerweise gegenüber anderen Zellinien haben, war in den mit Olomoucin-behandelten Keimen stark vermindert. Dadurch haben diese Blastomeren ihre induktiven Kapazitäten möglicherweise nicht, oder nicht rechtzeitig erwerben können, um die benachbarten Zellen gemäß ihrer Position entlang der dorsoventralen Körperachse zu determinieren. Insofern ist die differentielle Zellzyklusregulation fest in das Determinationsgeschehen integriert. Das bedeutet auch, daß zellzyklusregulierende Faktoren Bestandteil der anfangs genannten