10 Å cryo-EM structure of Drosophila melanogaster hexamerin and Limulus polyphemus hemocyanin

In the present study, the quaternary structures of Drosophila melanogaster hexamerin LSP-2 and Limulus polyphemus hemocyanin, both proteins from the hemocyanin superfamily, were elucidated to a 10 Å resolution with the technique of cryo-EM 3D-reconstruction. Furthermore, molecular modelling and rigid-body fitting allowed a detailed insight into the cryo-EM structures at atomic level. The results are summarised as follows: Hexamerin 1. The cryo-EM structure of Drosophila melanogaster hexamerin LSP-2 is the first quaternary structure of a protein from the group of the insect storage proteins. 2. The hexamerin LSP-2 is a hexamer of six bean-shaped subunits that occupy the corners of a trigonal antiprism, yielding a D3 (32) point-group symmetry. 3. Molecular modelling and rigid-body fitting of the hexamerin LSP-2 sequence showed a significant correlation between amino acid inserts in the primary structure and additional masses of the cryo-EM structure that are not present in the published quaternary structures of chelicerate and crustacean hemocyanins. 4. The cryo-EM structure of Drosophila melanogaster hexamerin LSP-2 confirms that the arthropod hexameric structure is applicable to insect storage proteins. Hemocyanin 1. The cryo-EM structure of the 8×6mer Limulus polyphemus hemocyanin is the highest resolved quaternary structure of an oligo-hexameric arthropod hemocyanin so far. 2. The hemocyanin is build of 48 bean-shaped subunits which are arranged in eight hexamers, yielding an 8×6mer with a D2 (222) point-group symmetry. The 'basic building blocks' are four 2×6mers that form two 4×6mers in an anti-parallel manner, latter aggregate 'face-to-face' to the 8×6mer. 3. The morphology of the 8×6mer was gauged and described very precisely on the basis of the cryo-EM structure. 4. Based on earlier topology studies of the eight different subunit types of Limulus polyphemus hemocyanin, eleven types of interhexamer interfaces have been identified that in the native 8×6mer sum up to 46 inter-hexamer bridges - 24 within the four 2×6mers, 10 to establish the two 4×6mers, and 12 to assemble the two 4×6mers into an 8×6mer. 5. Molecular modelling and rigid-body fitting of Limulus polyphemus and orthologous Erypelma californicum sequences allowed to assign very few amino acids to each of these interfaces. These amino acids now serve as candidates for the chemical bonds between the eight hexamers. 6. Most of the inter-hexamer contacts are conspicuously histidine-rich and evince constellations of amino acids that could constitute the basis for the allosteric interactions between the hexamers. 7. The cryo-EM structure of Limulus polyphemus hemocyanin opens the door to a fundamental understanding of the function of this highly cooperative protein.

Comparación entre el análisis discriminante y la regresión logística en la clasificación de una colonia de cangrejos herradura (Limulus polyphemus)

El problema planteado en este trabajo consiste en estudiar la efectividad de clasificación entre los métodos “Análisis Discriminante”, que consiste en ubicar a los individuos en una determinada población con base a características medibles y observadas en los individuos; y la “Regresión Logística”, que se utiliza para estimar las probabilidades de que un individuo pertenezca a un determinado grupo dado que las características del individuo han tomado ciertos valores concretos. El objetivo fundamental de este trabajo es ver la efectividad de los métodos “Análisis Discriminante” y la “Regresión Logística” clasificando el cangrejo herradura hembra con o sin individuos satélites, partiendo de características como el peso, el ancho de caparazón, el color y el estado de las espinas del cangrejo herradura hembra.

Numerous gene rearrangements in the mitochondrial genome of the wallaby louse, Heterodoxus macropus (Phthiraptera)

The complete arrangement of genes in the mitochondrial (mt) genome is known for 12 species of insects, and part of the gene arrangement in the mt genome is known for over 300 other species of insects. The arrangement of genes in the mt genome is very conserved in insects studied, since all of the protein-coding and rRNA genes and most of the tRNA genes are arranged in the same way. We sequenced the entire mt genome of the wallaby louse, Heterodoxus macropus, which is 14,670 bp long and has the 37 genes typical of animals and some noncoding regions. The largest noncoding region is 73 bp long (93% A+T), and the second largest is 47 bp long (92% AST). Both of these noncoding regions seem to be able to form stem-loop structures. The arrangement of genes in the mt genome of this louse is unlike that of any other animal studied. All tRNA genes have moved and/or inverted relative to the ancestral gene arrangement of insects, which is present in the fruit fly Drosophila yakuba. At least nine protein-coding genes (atp6, atp8, cox2, cob, nad1-nad3, nad5, and nad6) have moved; moreover, four of these genes (atp6, atp8, nad1, and nad3) have inverted. The large number of gene rearrangements in the mt genome of H. macropus is unprecedented for an arthropod.

The value of idiosyncratic markers and changes to conserved tRNA sequences from the mitochondrial genome of hard ticks (Acari: Ixodida: Ixodidae) for phylogenetic inference

Idiosyncratic markers are features of genes and genomes that are so unusual that it is unlikely that they evolved more than once in a lineage of organisms. Here we explore further the potential of idiosyncratic markers and changes to typically conserved tRNA sequences for phylogenetic inference. Hard ticks were chosen as the model group because their phylogeny has been studied extensively. Fifty-eight candidate markers from hard ticks ( family Ixodidae) and 22 markers from the subfamily Rhipicephalinae sensu lato were mapped onto phylogenies of these groups. Two of the most interesting markers, features of the secondary structure of two different tRNAs, gave strong support to the hypothesis that species of the Prostriata ( Ixodes spp.) are monophyletic. Previous analyses of genes and morphology did not strongly support this relationship, instead suggesting that the Prostriata is paraphyletic with respect to the Metastriata ( the rest of the hard ticks). Parallel or convergent evolution was not found in the arrangements of mitochondrial genes in ticks nor were there any reversals to the ancestral arthropod character state. Many of the markers identified were phylogenetically informative, whereas others should be informative with study of additional taxa. Idiosyncratic markers and changes to typically conserved nucleotides in tRNAs that are phylogenetically informative were common in this data set, and thus these types of markers might be found in other organisms.

The role of hemocytes in the immunity of the spider Acanthoscurria gomesiana

Invertebrates protect themselves against microbial infection through cellular and humoral immune defenses. Since the available information on the immune system of spiders is scarce, the main goat of the present study was to investigate the role of hemocytes and antimicrobial peptides (AMPs) in defense against microbes of spider Acanthoscurria gomesiana. We previously described the purification and characterization of two AMPs from the hemocytes of naive spider A. gomesiana, gomesin and acanthoscurrin. Here we show that 57% of the hemocytes store both gomesin and acanthoscurrin, either in the same or in different granules. Progomesin labeling in hemocyte granules indicates that gomesin is addressed to those organelles as a propeptide. In vivo and in vitro experiments showed that lipopolysaccharide (LPS) and yeast caused the hemocytes to migrate. Once they have reached the infection site, hemocytes may secrete coagulation cascade components and AMPs to cell-free hemolymph. Furthermore, our results suggest that phagocytosis is not the major defense mechanism activated after microbial challenge. Therefore, the main reactions involved in the spider immune defense might be coagulation and AMP secretion. (C) 2007 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Klonierung und funktionelle Charakterisierung von zwei Zelladhäsionsmolekülen aus den marinen Schwämmen Geodia cydonium und Suberites domuncula

ZusammenfassungAus dem Schwamm Geodia cydonium konnte die vollständige cDNA-Sequenz eines mutmaßlichen Bestandteiles des Aggregationsfaktors kloniert werden. Durch einen Northern-Blot konnte gezeigt werden, daß der gefundene Klon das vollständige Transkript repräsentiert. Das entsprechende Protein wurde in E. coli als Fusionsprotein rekombinant hergestellt. Mit einem Western-Blot-Experiment wurde der Nachweis geführt, daß es sich bei dem gefundenen Protein tatsächlich um einen Bestandteil des Aggregationsfaktors handelt. Der in diesem Western-Blot eingesetzte Antikörper wurde verwendet, um das Protein in histologischen Schnitten nachzuweisen. Das rekombinante Protein wurde in einem Aggregationsassay auf seine Funktionalität hin untersucht. Es stellte sich heraus, daß es einen Einfluß auf die Zellaggregation hat. Die Bindung des rekombinanten Aggregationsfaktors an das Lektin aus Geodia cydonium konnte gezeigt werden. Aus dem Schwamm Suberites domuncula wurde ein cDNA-Klon isoliert. Das durch diese cDNA kodierte Protein zeigt eine hohe Übereinstimmung mit einem in Vertebraten und in Limulus polyphemus vorkommendem Protein der extrazellulären Matrix, welches dort eine Rolle bei der Zellaggregation spielt. Die Vollständigkeit des Klons konnte anhand eines Northern-Blot gezeigt werden. Das Protein wurde in E. coli rekombinant hergestellt. Das rekombinante Protein führt in vitro zu einer verstärkten Aggregation von dissoziierten Schwammzellen.

3D-Cryo-Elektronenmikroskopie des 4x6-Hämocyanins der Vogelspinne Eurypelma californicum unter Oxy- und Deoxybedingungen

Arthropodenhämocyanine und Molluskenhämocyanine, die extrazellulären Atmungsproteine der Arthropoden und Mollusken, unterscheiden sich grundsätzlich im Aufbau, besitzen aber ähnliche aktive Zentren, welche in ihrer oxydierten Form für die Blaufärbung der Hämocyanine verantwortlich sind. Sauerstoff wird im Bindungszentrum zwischen zwei, von sechs Histidinen ligandierten, Kupfer(I)Ionen gebunden. Arthropodenhämocyanine bauen sich artspezifisch aus 1, 2, 4, 6, oder 8 Hexameren mit D3-Symmetrie auf. Die Untereinheiten von je ca. 75 kDa falten sich in drei Domänen unterschiedlicher Funktionen. Der komplexe, hierarchische Zusammenbau der Arthropodenhämocyanine hängt von der Heterogenität der Untereinheiten ab. Die 7 verschieden Sequenzen des 4x6-Hämocyanins von Eurypelma californicum (EcHc) sind biochemisch in der Quartärstruktur lokalisiert. Bislang fehlte noch ein unabhängig erstelltes 3D-Modell der geometrischen Gesamtstruktur welche die hexamere und monomere Topographie eindeutig zeigt. Dessen Erstellung war Gegenstand dieser Arbeit, in Verbindung mit der Zielsetzung, die 3D-Rekonstruktion in den beiden extremen physiologischen Zuständen, mit und ohne gebundenen Sauerstoff, zu erzeugen. Dazu wurden in einer eigens entwickelten Atmosphären-Präparationskammer die Proteine in Lösung schockgefrorenen und mittels Cryo-3D-Elektronenmikroskopie gemessen. Aus den daraus gewonnen Projektionsbildern ließen sich mit der ”Single Particle Analyse“ die 3D-Informationen zurückberechnen. Die 3D-Rekonstruktionen wurden mit der publizierten Röntgenkristallstruktur des hexameren Referenz-Hämocyanins der Languste Panulirus interruptus verifiziert. Die Rekonstruktionen erlaubten die eindeutige Messung diverser in der Literatur diskutierter Parameter der Architektur des 4x6-EcHc und darüber hinaus weiterer geometrischer Parameter, welche hier erstmals veröffentlicht werden. SAXS-Daten sagen extreme Translationen und Rotationen von Teilquartärstrukturen zwischen oxy- und deoxy-EcHc voraus, was von den 3D-Rekonstruktionen der beiden Zustände nicht bestätigt werden konnte: Die 16 Å Rekonstruktion der Deoxyform weicht geometrisch nicht von der 21 Å Rekonstruktion der Oxyform ab. Die Einpassung der publizierten Röntgenstruktur der Untereinheit II des Hämocyanin des Pfeilschwanzkrebses Limulus polyphemus in die Rekonstruktionen unterstützt eine auf der hexameren Hierarchieebene lokalisierte Dynamik der Oxygenierung. Mittels Einpassung modellierter molekularer Strukturen der EcHc-Sequenzen konnte eine erste Vermutung zur Lokalisation der beiden zentralen Linker-Untereinheiten b und c des 4x6-Moleküls gemacht werden: Demnach würde Untereinheit b in den exponierten Hexameren des Moleküls liegen. Aussagen über die Quartärstrukturbindungen auf molekularer Ebene aufgrund der Einpassung modellierter molekularer Daten in die Rekonstruktionen sind als spekulativ einzustufen: a) Die Auflösung der Rekonstruktion ist verbesserungswürdig. b) Es gibt keine adäquate Vorlage für eine verlässliche Strukturvorhersage; die verschiedenen EcHc-Sequenzen liegen nur als Modellierung vor. c) Es wäre eine flexible Einpassung notwendig, um Ungenauigkeiten in den modellierten Strukturen durch Sekundärstrukturanpassung zu minimieren.

Die Kristallstruktur zweier Atmungsproteine: das Hämoglobin des Meerschweinchens und das 24-mere Hämocyanin des Kaiserskorpions

Im Verlauf der vorgestellten Arbeit konnten die Kristallstrukturen zweier Atmungsproteine gelöst werden. Da diese Strukturen mit verschiedenen Auflösungen gelöst wurden, wurden für die beiden Modelle unterschiedliche Methoden verwendet.rnrnDie Kristalle des Hämoglobins des Meerschweinchens Cavia porcellus erlaubten eine Messung von Streureflexen bis zu einer Auflösung von 1.7 Ǻ. Damit konnten das Molecular Replacement und das folgende Refinement mit geringen Vorgaben durchgeführt werden.rnAnhand der ermittelten Struktur konnte gezeigt werden, dass die Höhenadaptation des Hämoglobins des Meerschweinchens auf einer Stabilisierung des R2-Zustandes und einer gleichzeitigen Destabilisierung des T-Zustandes beruht. Die zu Grunde liegenden Aminosäureaustausche konnten identifiziert und der resultierende Mechanismus postuliert werden. Die Durchführung von Mutagenese-Experimenten am Hämoglobin des Meerschweinchens könnte die vorgestellte Hypothese bestätigen.rnrnDie Kristallstruktur des 24-meren Hämocyanins aus Pandinus imperator konnte durch eine Kombination von Röntgenkristallographie und Homologiemodellierung mit einer Auflösung von 6.5 Ǻ gelöst werden. Allerdings wäre die Bestimmung der Phasen durch Molecular Replacement ohne die vor kurzem publizierte Kryo-EM Struktur nicht möglich gewesen [Cong et al., 2009].rnDamit ist es durch die Kombination verschiedener Methoden erstmalig gelungen die Struktur eines Hämocyanins dieser Größe (Mw = 1.7 MDa) zu lösen. Die Auflösung von 6.5 Ǻ, eine für die Kristallographie relativ geringe Auflösung, erlaubte die Bestimmung des Cα-Traces des Proteins mit hoher Genauigkeit.rnDurch die Kristallstruktur konnte das zu Grunde liegende Kryo-EM Modell aus [Cong et al., 2009] bestätigt werden. Insbesondere die Position der α-Helices konnte mittels Kristallographie mit einer höheren Genauigkeit bestimmt werden. Durch die Verwendung von OMIT-Maps wurde sichergestellt, dass die Struktur nicht "kopiert" wurde. Die Übereinstimmung ist deshalb auf die Struktur des Hämocyanins im gemessenen Kristall zurückzuführen, nicht auf einen Bias bei der Auswertung.rnAnhand der Kristallstruktur konnten für die Kooperativität im Trimer potentiell entscheidende Aminosäuren identifiziert werden. Diese Aminosäuren könnten im Vergleich zur bekannten trimeren Struktur aus Limulus polyphemus zur Ausbildung zusätzlicher Bindungen zwischen den Untereinheiten führen. Diese Bindungen könnten eine wichtige Rolle beim Konformationsübergang zwischen dem T- und R-Zustand spielen.rn

Funktionelle Charakterisierung der Metalloendopeptidasen Meprin alpha und Meprin beta unter besonderer Berücksichtigung pathologischer Umstände in der menschlichen Dermis

Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei neuentdeckte Astacin-ähnliche-Proteasen LAST undrnLAST_MAM aus dem Pfeilschwanzkrebs Limulus polyphemus funktionell charakterisiert.rnInsbesondere LAST_MAM, eignet sich zur phylogenetischen Untersuchung, hinsichtlich derrnEvolution von Astacin-ähnlichen-Proteasen mit MAM-Domäne, zu denen auch die Meprinernzählen. Es wurde deutlich, dass LAST_MAM nicht unmittelbar mit anderen Astacinen, diernüber eine MAM-Domäne verfügen, verwandt ist, und dass von einer divergenten Entwicklungrndieser Proteasen und der MAM-Domäne selbst ausgegangen werden muss.rnMeprin Metalloendopeptidasen werden in membrangebundener und sezernierter Form,rnvorwiegend in Epithelien aber auch in intestinalen Leukozyten und bestimmten Krebszellenrnexprimiert. Meprin

3D-Elektronenmikroskopie dreier respiratorischer Proteine unter Verbesserung der bioinformatischen Abläufe

Die Transmissionselektronenmikroskopie gepaart mit bioinformatischen Methoden zur digitalen Bildverarbeitung ist ein schneller Weg zur Erstellung dreidimensionaler Rekonstruktionen großer Proteinkomplexe. Durch die Kombination der 3D-Elektronenmikroskopie mit der Röntgenstruktur von Untereinheiten erhält man ein pseudoatomares Modell der Quartärstruktur.rnIn dieser Arbeit wurden auf diese Weise die Quartärstrukturen von drei unterschiedlichen respiratorischen Proteinen analysiert (einem Hämoglobin und zwei Hämocyaninen). Zudem wurden spezielle Software-Tools entwickelt, um vorhandene Softwarepakete besser miteinander kombinieren zu können.rnDie ca. 15Å 3D-Rekonstruktion des Hämoglobins vom Wasserfloh Daphnia pulex klärt die umstrittene Frage, wie viele Untereinheiten die Quartärstruktur aufbauen: Es sind 16 (mit je zwei Häm-Domänen), angeordnet in zwei Schichten als D4-symmetrisches Sandwich. Die ca. 15 Å 3D-Rekonstruktion des 2x6meren Hämocyanins des Flusskrebses Astacus leptodactylus gibt neue Einblicke in die Kontaktstelle zwischen den beiden Hexameren; sie liegt im Bereich der Domäne 3. Bei dem aus 48 Untereinheiten bestehenden Hämocyanin des Pfeilschwanzes Limulus polyphemus wurde eine Auflösung von ca. 7 Å erreicht. Die Homologiemodelle der Untereinheiten wurden flexibel gefittet. An einer der Kontaktstellen zwischen den beiden Halbmolekülen wurden Molekulardynamik (MD)-Simulationen durchgeführt, um mehr über die Art der chemischen Bindung an dieser Kontaktstelle zu erfahren.rnSpeziell für die Kombination von 3D-Elektronenmikroskopie und MD-Simulation wurden verschiedene bioinformatische Werkzeuge und eine leicht zu erweiternde universelle grafische Benutzeroberfläche (GUI) entwickelt.

Phylogenetic assessment of length variation at a microsatellite locus

Sixty-six haplotypes at a locus containing a simple dinucleotide (CA)n microsatellite repeat were isolated by PCR–single-strand conformational polymorphism from populations of the horseshoe crab Limulus polyphemus. These haplotypes were sequenced to assess nucleotide variation directly. Thirty-four distinct sequences (alleles) were identified in a region 570 bp long that included the microsatellite motif. In the repeat region itself, CA-number varied in integer values from 5 to 11 across alleles, except that a (CA)8 class was not observed. Differences among alleles were due also to polymorphisms at 22 sites in regions immediately flanking the microsatellite repeats. Nucleotide substitutions in these regions were used to estimate phylogenetic relationships among alleles, and the gene phylogeny was used to trace the evolution of length variation and CA repeat numbers. A low correlation between size variation and genealogical relationships among alleles suggests that absolute fragment size (as normally scored in microsatellite assays) is an unreliable indicator of historical affinities among alleles. This finding on the molecular fine structure of microsatellite variation suggests the need for caution in the use of repeat counts at microsatellite loci as secure indicators of allelic relationships.

Deciphering a neural code for vision

Deciphering the information that eyes, ears, and other sensory organs transmit to the brain is important for understanding the neural basis of behavior. Recordings from single sensory nerve cells have yielded useful insights, but single neurons generally do not mediate behavior; networks of neurons do. Monitoring the activity of all cells in a neural network of a behaving animal, however, is not yet possible. Taking an alternative approach, we used a realistic cell-based model to compute the ensemble of neural activity generated by one sensory organ, the lateral eye of the horseshoe crab, Limulus polyphemus. We studied how the neural network of this eye encodes natural scenes by presenting to the model movies recorded with a video camera mounted above the eye of an animal that was exploring its underwater habitat. Model predictions were confirmed by simultaneously recording responses from single optic nerve fibers of the same animal. We report here that the eye transmits to the brain robust “neural images” of objects having the size, contrast, and motion of potential mates. The neural code for such objects is not found in ambiguous messages of individual optic nerve fibers but rather in patterns of coherent activity that extend over small ensembles of nerve fibers and are bound together by stimulus motion. Integrative properties of neurons in the first synaptic layer of the brain appear well suited to detecting the patterns of coherent activity. Neural coding by this relatively simple eye helps explain how horseshoe crabs find mates and may lead to a better understanding of how more complex sensory organs process information.

Nucleotide sequence of the cDNA encoding the proenzyme of phenol oxidase A1 of Drosophila melanogaster.

Clones encoding pro-phenol oxidase [pro-PO; zymogen of phenol oxidase (monophenol, L-dopa:oxygen oxidoreductase, EC 1.14.18.1)] A1 were isolated from a lambda gt10 library that originated from Drosophila melanogaster strain Oregon-R male adults. The 2294 bp of the cDNA included a 13-bp 5'-noncoding region, a 2070-bp encoding open reading frame of 690 amino acids, and a 211-bp 3'-noncoding region. A hydrophobic NH2-terminal sequence for a signal peptide is absent in the protein. Furthermore, there are six potential N-glycosylation sites in the sequence, but no amino sugar was detected in the purified protein by amino acid analysis, indicating the lack of an N-linked sugar chain. The potential copper-binding sites, amino acids 200-248 and 359-414, are highly homologous to the corresponding sites of hemocyanin of the tarantula Eurypelma californicum, the horseshoe crab Limulus polyphemus, and the spiny lobster Panulirus interruptus. On the basis of the phylogenetic tree constructed by the neighbor-joining method, vertebrate tyrosinases and molluscan hemocyanins constitute one family, whereas pro-POs and arthropod hemocyanins group with another family. It seems, therefore, likely that pro-PO originates from a common ancestor with arthropod hemocyanins, independently to the vertebrate and microbial tyrosinases.

Ctenosaura similis (Black Spiny-Tailed Iguana), ,i>Gopherus Polyphemus (Gopher Tortoise) Concurrent Burrow Use

Ctenosaura similis is exotic to Florida (Meshaka et al. 2004. The Exotic Amphibians and Reptiles of Florida, Krieger Publ. Co., Malabar, Florida. 155 pp.), whereas Gopherus polyphemus is listed as a species of special concern by the state of Florida (Florida Wildlife Code Chap. 39 F.A.C.), and as a threatened species by the Florida Committee on Rare and Endangered Plants and Animals (FCREPA) (Moler 1992. Rare and Endangered Biota of Florida: Volume III, Reptiles and Amphibians. University Press of Florida, Gainesville, Florida. 291 pp.).

Ca2+/calmodulin-binding peptides block phototransduction in Limulus ventral photoreceptors: Evidence for direct inhibition of phospholipase C

Phototransduction in Limulus photoreceptors involves a G protein-mediated activation of phospholipase C (PLC) and subsequent steps involving InsP3-mediated release of intracellular Ca2+. While exploring the role of calmodulin in this cascade, we found that intracellular injection of Ca2+/calmodulin-binding peptides (CCBPs) strongly inhibited the light response. By chemically exciting the cascade at various stages, we found the primary target of this effect was not in late stages of the cascade but rather at the level of G protein and PLC. That PLCδ1 contains a calmodulin-like structure raised the possibility that PLC might be directly affected by CCBPs. To test this possibility, in vitro experiments were conducted on purified PLC. The activity of this enzyme was strongly inhibited by CCBPs and also inhibited by calmodulin itself. Our results suggest that the calmodulin-like region of PLC has an important role in regulating this enzyme.