Stabilizing molecular self-assemblies via on-surface reactions

Für die Realisierung zukünftiger Technologien, wie z.B. molekulare Elektronik, werden Strategien benötigt, um funktionale Strukturen direkt auf Oberflächen zu erzeugen. Für die Bewältigung dieser Aufgabe ist die molekulare Selbstanordnung ein äußerst vielversprechender Bottom-up-Ansatz. Hierbei ist eine der größten Herausforderungen das Zusammenspiel aus intramolekularer Wechselwirkung und der Wechselwirkung zwischen Substrat und Molekülen in ein Gleichgewicht zu bringen. Da jedoch die wirkenden Kräfte der molekularen Selbstanordnung ausschließlich reversibler Natur sind, ist eine langfristige Stabilität fragwürdig. Somit ist die kovalente Verknüpfung der gebildeten Strukturen durch Reaktionen direkt auf der Oberfläche unerlässlich, um die Stabilität der Strukturen weiter zu erhöhen. Hierzu stellt die vorliegende Arbeit eine ausführliche Studie zu molekularer Selbstanordnung und der zielgerichteten Modifikation ebensolcher Strukturen dar. Durch den Einsatz von hochauflösender Rasterkraftmikroskopie im Ultrahochvakuum, welche es erlaubt einzelne Moleküle auf Nichtleitern abzubilden, wurde der maßgebliche Einfluss von Ankerfunktionalitäten auf den Prozess der molekularen Selbstanordnung gezeigt. Des Weiteren konnte die Stabilität der selbst angeordneten Strukturen durch neue Oberflächenreaktionskonzepte entschieden verbessert werden. Der Einfluss von Ankerfunktionen, die elektrostatische Wechselwirkung zwischen Molekül und Substrat vermitteln, auf den Strukturbildungsprozess der molekularen Selbstanordnung wird eingehend durch den Vergleich eines aromatischen Moleküls und seines vierfach chlorierten Derivates gezeigt. Für diese beiden Moleküle wurde ein deutlich unterschiedliches Verhalten der Selbstanordnung beobachtet. Es wird gezeigt, dass die Fähigkeit zur Bildung selbst angeordneter, stabiler Inseln entscheidend durch die Substituenten und die Abmessungen des Moleküls beeinflusst wird. Auch wird in dieser Arbeit die erste photochemische Reaktion organischer Moleküle auf einem Isolator gezeigt. Qualitative und quantitative Ergebnisse liefern ein detailliertes Bild darüber, wie die Abmessungen des Substratgitters die Richtung der Reaktion gezielt beeinflussen. Des Weiteren wird ein allgemeines Konzept zur selektiven Stabilisierung selbstangeordneter Molekülstrukturen durch den kontrollierten Transfer von Elektronen präsentiert. Durch die gezielte Steuerung der Menge an Dotierungsatomen wird die Desorptionstemperatur der molekularen Inseln signifikant erhöht und das Desorptionsverhalten der Inseln entschieden verändert. Diese Arbeit präsentiert somit erfolgreich durchgeführte Strategien um den Prozess der molekularen Selbstanordnung zu steuern, sowie entscheidende Mechanismen um die Stabilisierung und Modifizierung von selbst angeordneten Strukturen zu gewährleisten.

Modellierung der Oberflächenreaktionen von Vesikeln und Proteinen mit Hilfe dynamischer Monte-Carlo-Simulationen

Die vorliegende Arbeit behandelt die Adsorption von Phospholipidvesikeln, Proteinen und Latex Beads an funktionalisierten festkörpergestützten Oberflächen. Der Schwerpunkt der Abhandlung liegt in der Modellierung der Kinetik mit Hilfe eines Simulationsprogramms unter Berücksichtigung des Massentransports in Staupunktgeometrie, der Adsorption und nachfolgender konformativer Änderungen adhärierter Partikel. Das Simulationsprogramm basiert auf einem RSA (random sequential adsorption) Algorithmus und erlaubt es aufgrund zusätzlich implementierter Optionen, z.B. zur Behandlung elektrostatischer Abstoßung, von Spreitprozessen oder von Desorptionsereignissen, den Adsorptionsprozess unter realistischen physikalischen Bedingungen nachzuempfinden und spezifische biologische Fragestellungen zu beantworten. Aus Anpassungen von Simulationen an experimentelle Daten ergeben sich dynamische Parameter, wie z.B. die Transport-, Adsorptions-, Spreit- und die Desorptionsrate. Die experimentellen Daten wurden mit Hilfe der Quarzmikrowaagetechnik (QCM), der Impedanzspektroskopie (IS) und der Rasterkraftmikroskopie (AFM) erhoben. Zusätzlich zur Kinetik gibt die graphische Ausgabe des Simulationsprogramms Aufschluss über die Oberflächenverteilung der adsorbierten und gespreiteten Partikel. Bei der Untersuchung von Systemen, in denen die Adsorption reversibel ist und infolge dessen Desorptionsprozesse eine wichtige Rolle spielen, wurde mit Hilfe des Simulationsprogramms ein völlig neuartiges Sensorkonzept in Aussicht gestellt. Es wurde gezeigt, dass aus der Analyse des Leistungsspektrums der Fluktuationen in der Belegung die Kinetik von Adsorption und Desorption ermittelt werden kann. Dies ist aus sensorischer Sicht interessant, da eine Vielzahl störender Einflüsse, wie z.B: der Massentransport und die elektronische Drift in diesem Fall nicht berücksichtigt werden müssen.

Molekulare Mechanismen der Helicobacter pylori-Infektion : Rolle von gastrischen Epithelzellen und Granulozyten

Helicobacter pylori; pathogenicity factors; type IV secretion; AGS cells; PMNs; real time PCR; interleukin-8; toll-like receptors

Ultradünne molekulare Filme auf Isolatoreinkristalloberflächen : strukturelle und infrarotoptische Eigenschaften

Surfaces, insulators, thin films, low-energy electron diffraction, infrared-spectroscopy, helium atom scattering, quantum chemistry

Molekulare Funktion von Cortactin in der Signaltransduktion und Pathogenese von gastrischen Epithelzellen

Magdeburg, Univ., Fak. für Naturwiss., Diss., 2009

Molekulare Eigenschaften des Integrin-regulierenden ADAP-SKAP55-Signalkomplexes

Magdeburg, Univ., Fak. für Naturwiss., Diss., 2012

Molekulare Charakterisierung der Interaktion des COP9-Signalosoms mit NF-[Kappa]B/RelA und I[Kappa]Bα

Magdeburg, Univ., Fak. für Naturwiss., Diss., 2014

Analyse des Kolonkarzinoms in Bezug auf epidemiologische, klinische, histopathologische und molekulare Unterschiede in Abhängigkeit von der Lokalisation : eine unizentrische Untersuchung

Magdeburg, Univ., Med. Fak., Diss., 2014

Morphologische, funktionelle und molekulare Charakterisierung der Ösophagusmukosa bei erosiver und nicht-erosiver gastroösophagealer Refluxerkrankung

Universität Magdeburg, Univ., Habilitation, 2015

Silbernanoteilchen auf Magnesiumoxid - Über den Vergleich von optischer Spektroskopie, Rasterkraftmikroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie

In der vorliegenden Arbeit wurde das Wachstum von Silbernanoteilchen auf Magnesiumoxid und dabei insbesondere deren Größen- und Formrelation untersucht. Hierzu wurden Silbernanoteilchen auf ausgedehnten Magnesiumoxidsubstraten sowie auf Magnesiumoxid-Nanowürfeln präpariert. Zur Charakterisierung wurde die optische Spektroskopie, die Rasterkraftmikroskopie und die Transmissionselektronenmikroskopie eingesetzt. Während die Elektronenmikroskopie direkt sehr exakte Daten bezüglich der Größe und Form der Nanoteilchen liefert, kann mit den beiden anderen in dieser Arbeit verwendeten Charakterisierungsmethoden jeweils nur ein Parameter bestimmt werden. So kann man die Größe der Nanoteilchen indirekt mit Hilfe des AFM, durch Messung der Teilchananzahldichte, bestimmen. Bei der Bestimmung der Form mittels optischer Spektroskopie nutzt man aus, dass die spektralen Positionen der Plasmonresonanzen in dem hier verwendeten Größenbereich von etwa 2 - 10~nm nur von der Form aber nicht von der Größe der Teilchen abhängen. Ein wesentliches Ziel dieser Arbeit war es, die Ergebnisse bezüglich der Form und Größe der Nanoteilchen, die mit den unterschiedlichen Messmethoden erhalten worden sind zu vergleichen. Dabei hat sich gezeigt, dass die mit dem AFM und dem TEM bestimmten Größen signifikant voneinander Abweichen. Zur Aufklärung dieser Diskrepanz wurde ein geometrisches Modell aufgestellt und AFM-Bilder von Nanoteilchen simuliert. Bei dem Vergleich von optischer Spektroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie wurde eine recht gute Übereinstimmung zwischen den ermittelten Teilchenformen gefunden. Hierfür wurden die gemessenen optischen Spektren mit Modellrechnungen verglichen, woraus man die Relation zwischen Teilchengröße und -form erhielt. Eine Übereinstimmung zwischen den erhaltenen Daten ergibt sich nur, wenn bei der Modellierung der Spektren die Form- und Größenverteilung der Nanoteilchen berücksichtigt wird. Insgesamt hat diese Arbeit gezeigt, dass die Kombination von Rasterkraftmikroskopie und optischer Spektroskopie ein vielseitiges Charakterisierungsverfahren für Nanoteilchen. Die daraus gewonnenen Ergebnisse sind innerhalb gewisser Fehlergrenzen gut mit der Transmissionselektronenmikroskopie vergleichbar.

Molekulare Untersuchungen zur Phylogenie der Gattung Fosterella (Bromeliaceae)

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit sollten mit Hilfe molekularer Techniken die Verwandtschaftsbeziehungen innerhalb der Gattung Fosterella (Bromeliaceae) geklaert und eine umfassende Phylogenie erstellt werden. Im Vordergrund standen dabei die folgenden Fragen: Sind die aufgrund von morphologischen Merkmalen bzw. ihrer geographischen Verbreitung bisher beschriebenen 30 Fosterella-Arten auch molekular voneinander abgrenzbar und wie sind die einzelnen Arten miteinander verwandt? Lassen sich innerhalb der Gattung evolutionaere Linien identifizieren? Sind Akzessionen, die bisher noch keiner Art zugeordnet werden konnten, genetisch distinkt? Laesst sich eine Schwestergattung von Fosterella herausstellen? Zwei verschiedene molekulare Techniken, die AFLP-Methode (amplified fragment length polymorphism, Vos et al. 1995) und die vergleichende Sequenzierung verschiedener Mitochondrien- und Chloroplasten-DNA-Regionen wurden zur phylogenetischen Untersuchung der Gattung Fosterella etabliert und optimiert. Diese beiden Methoden wurden anschliessŸend vergleichend fuer die molekularsystematischen Studien eingesetzt. Folgende Ergebnisse konnten erzielt werden: Fuer die erstmals innerhalb der Gattung Fosterella eingesetzte AFLP-Methode wurden acht Primerkombinationen fuer die Hauptanalysen ausgewaehlt. Die AFLP-Bandenmuster erwiesen sich als komplex, distinkt und reproduzierbar und sowohl intra- als auch interspezifisch informativ. Insgesamt wurden mit 77 Proben aus mindestens 18 der bisher beschriebenen 30 Arten 310 informative AFLP-Merkmale erzeugt und mittels verschiedener Analyseverfahren ausgewertet. Die Darstellung der Ergebnisse erfolgte in Form von Phaenogrammen, Kladogrammen und in einem €ždreidimensionalen Koordinatensystem€œ (Hauptkoordinatenanalyse). Zur statistischen Absicherung wurden Bootstrap-Analysen durchgefuehrt. Die Topologien der einzelnen Baeume untereinander stimmten weitgehend ueberein, wobei sich insgesamt 12 Artengruppen definieren liessŸen, die statistisch unterschiedlich gut abgesichert waren. In einigen Gruppen liessŸen sich enge Verwandtschaftsbeziehungen feststellen, die bis auf wenige Ausnahmen, nicht befriedigend aufgeloest sind. Einige der in diese Untersuchung einbezogenen, bisher noch keiner Art zugeordneten Taxa liessŸen sich z. T. in die entstandenen Artengruppen einordnen oder aufgrund ihrer distinkten Position in den Stammbaeumen vermuten, dass es sich um neue Arten handelt. Fuer die vergleichende DNA-Sequenzierung wurde zunaechst die Eignung verschiedener Chloroplasten- und Mitochondrien-DNA-Regionen getestet. Die Bereiche atpB-rbcL, psbB-psbH und rps16-Intron wurden fuer die vergleichende Sequenzierung der Chloroplasten-DNA als geeignet befunden, waehrend alle untersuchten Mitochondrien-Loci eine so geringe Sequenzvariabilitaet aufwiesen, dass sie nicht weiter in Betracht gezogen wurden. Die drei Chloroplastenloci wurden mit 61 Akzessionen aus 24 der bisher 30 beschriebenen Fosterella-Arten sowie 44 Akzessionen aus sechs der acht Unterfamilien (nach Givnish et al. im Druck) sowohl einzeln, als auch kombiniert ausgewertet. Die Merkmalsmatrix wurde sowohl mit einem Distanzverfahren, als auch mit Maximum Parsimonie-, Maximum Likelihood- und Bayes´schen-Methoden analysiert. Die mit den verschiedenen Methoden erhaltenen Baumtopologien waren weitgehend kongruent. Es konnte gezeigt werden, dass die Gattung Fosterella monophyletisch ist. Zudem besteht eine sehr gut gestuetzte Schwestergruppenbeziehung der Gattung zu einer Gruppe aus den Gattungen Dyckia, Encholirium und Deuterocohnia. Die in Givnish et al. (im Druck) gezeigte Einordnung von Fosterella in die Pitcairnioideae s. str. wurde ebenfalls bestaetigt. Basal laesst sich die Gattung Fosterella in zwei Linien einteilen, von denen eine auf die F. penduliflora-Gruppe entfaellt und die andere alle anderen sechs Gruppen vereint. Insgesamt laesst sich festhalten, dass der GrossŸteil der bisher beschriebenen 30 Fosterella-Arten auch molekular voneinander abgrenzbar ist, sie also genetisch distinkte Taxa (Monophyla) darstellen. Die meisten Spezies lassen sich Artengruppen zuordnen, innerhalb derer die Verwandtschaft allerdings z. T. ungeklaert bleibt. Diese Speziesgruppen bilden monophyletische Linien mit unterschiedlicher statistischer Unterstuetzung. Einige bisher nur morphologisch definierte Taxa zeigen eine enorme genetische Variabilitaet Die Beziehungen zwischen den einzelnen Gruppen der Gattung Fosterella sind zum Teil nur wenig aufgelaest. Die Ergebnisse der beiden in der vorliegenden Arbeit eingesetzten Techniken sind weitgehend kongruent und fuer die Verwandtschaftsanalyse der Gattung Fosterella als geeignet einzustufen. Die Aufloesung der AFLP-Baeume deutet allerdings auf eine noch bessere Nuetzlichkeit fuer die Untersuchung innerhalb der einzelnen Artengruppen hin, waehrend die vergleichende Sequenzierung durch Ergaenzung weiterer Regionen relativ klare Strukturen innerhalb der Gattung Fosterella erkennen laesst (vgl. Rex et al. 2006).

Molekulare Studien zur Evolution der Myrmekophytie in der Gattung Macaranga (Euphorbiaceae)

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine detaillierte phylogenetische Analyse der Ameisenpflanzen aus der Gattung Macaranga (Euphorbiaceae) und ihres verwandtschaftlichen Umfelds mit Hilfe von AFLP-Fingerprinting („amplified fragment length polymorphisms“) sowie vergleichender Analyse von mehreren nichtkodierenden Chloroplasten-DNA-Loci vorgenommen. Anhand dieser Untersuchungen sollten im Wesentlichen die folgenden Fragen geklärt werden: (1) Wie stellen sich die Verwandtschaftsverhältnisse zwischen den myrmekophytischen Macaranga-Sektionen Pachystemon, Winklerianae und Pruinosae dar? (2) Wie sind die einzelnen Arten dieser Sektionen miteinander verwandt? (3) Wie oft ist die Lebensweise ”Myrmekophytie” unabhängig voneinander entstanden? Gibt es Hinweise auf Reversionen? (4) Wo liegt genealogisch und auch geographisch der Ursprung der Symbiose zwischen den myrmekophytischen Macaranga-Arten und ihren Partnerameisen? (5) Welche Bedeutung spielen koevolutive Entwicklungen für das Macaranga-Crematogaster-Symbiosesystem? Ist Myrmekophytie im Sinne einer Schlüsselinnovation (Givnish, 1997) als Stimulus für eine adaptive Radiation zu betrachten? (1) Für die AFLP-Analyse wurden 108 Proben aus 43 Macaranga-Arten und 5 unbeschriebenen Morphospezies in die phylogenetische Untersuchung einbezogen. Auf der Basis von 426 Merkmalen wurden Phänogramme sowie Kladogramme rekonstruiert. Zur statistischen Absicherung wurden Bootstrap-Analysen durchgeführt und im Falle der Kladogramme darüber hinaus der „consistency“-Index bestimmt. Die AFLP-Datensätze wurden zusätzlich einer Hauptkomponentenanalyse unterzogen. Mit Hilfe der verschiedenen Untersuchungsmethoden konnten weitgehend übereinstimmende Gruppierungen bzw. evolutive Linien identifiziert werden. Die Sektionen Pachystemon und Pruinosae bilden eine jeweils gut gestützte monophyletische Gruppe. Beide sind vermutlich Schwestergruppen und damit gleich alt. Für die Monophylie der nur aus zwei Arten bestehenden Sektion Winklerianae ergab sich keine Unterstützung. Die Arten der Sektion Pruinosae sind im AFLP-Baum gut aufgelöst. Die nicht myrmekophytische M. gigantea sitzt dabei an der Basis und ist Schwestergruppe zu den myrmekophytischen Arten. Innerhalb der Sektion Pachystemon wurden mit Hilfe der AFLP-Analyse vier gut gestützte Gruppen identifiziert. Für die puncticulata-Gruppe konnte hier erstmals auf molekularer Ebene eine Zugehörigkeit zur Sekt. Pachystemon nachgewiesen werden. Der von Davies (2001) vorgenommene Ausschluss von M. recurvata aus der Sekt. Pachystemon konnte bestätigt werden. Die Verwandtschaftsbeziehungen einzelner Arten zueinander sind in den AFLP-Bäumen nicht aufgelöst. (2) Für die vergleichende Chloroplasten-Sequenzierung wurden nach Maßgabe der Sequenzvariabilität in Testsequenzierungen die Bereiche atpB-rbcL und psbI-trnS für die phylogenetische Untersuchung ausgewählt. Für die Chloroplasten-Phylogenie wurden für jeden Locus mehr als 100 Sequenzen analysiert. Neben 29 Pachystemon-Arten inkl. vier unbekannter Morphospezies, acht Pruinosae-Arten inkl. eines möglichen Hybriden und den beiden Arten der Sekt. Winklerianae wurden 22 weitere Macaranga- und 10 Mallotus-Arten in die Untersuchung einbezogen. Zwischen den südostasiatischen Arten bestanden nur geringe Sequenzunterschiede. Maximum-Parsimonie-Kladogramme wurden rekonstruiert und die Sequenzen der beiden Loci wurden sowohl einzeln, als auch kombiniert ausgewertet. Indels wurden kodiert und als separate Merkmalsmatrix an die Sequenzdaten angehangen. Innerhalb von Macaranga konnten nur wenige abgesicherte Gruppen identifiziert werden. Deutlich war die Zusammengehörigkeit der afrikanischen Arten und ihr Entstehung aus den südostasiatischen Arten. Die von Davies (2001) der Sektion Pruinosae zugeordnete M. siamensis steht deutlich außerhalb dieser Sektion. Die Arten der Sektionen Pruinosae, Pachystemon und Winklerianae bilden keine statistisch gesicherten monophyletischen Gruppen. Während der Pilotstudien stellte sich heraus, dass die Chloroplastensequenzen nahe verwandter Arten der Sektion Pachystemon weniger nach den Artgrenzen, sondern vielmehr nach geographischen Kriterien gruppierten. (3) Es wurde daher zusätzlich eine phylogeographische Analyse der Chloroplasten-Sequenzen auf der Basis eines Parsimonie-Netzwerks durchgeführt. Neben dem atpB-rbcL-Spacer und einer Teilsequenze des psbI-trnS-Locus (ccmp2) wurde dafür zusätzlich der ccmp6-Locus (ein Abschnitt des ycf3-Introns) sequenziert. Die phylogeographische Untersuchung wurde mit 144 Proben aus 41 Macaranga-Arten durchgeführt. Darin enthalten waren 29 Arten (inkl. vier Morphospezies) mit 112 Proben der Sektion Pachystemon, sieben 7 Arten (inkl. eines potentiellen Hybriden) mit 22 Proben der Sekt. Pruinosae und zwei Arten mit 5 Proben der Sekt. Winklerianae. Das voll aufgelöste statistische Parsimonie-Netzwerk umfasste 88 Haplotypen. Die Sektionen Pachystemon und Pruinosae bilden jeweils eine monophyletische Gruppe. Das geographische Arrangement der Haplotypen unabhängig von der Artzugehörigkeit könnte durch Introgression und/oder „lineage sorting“ bedingt sein. Mit Hilfe der im Rahmen dieser Arbeit gewonnenen Ergebnisse kann man davon ausgehen, dass eine enge Ameisen-Pflanzen-Symbiose innerhalb der Gattung Macaranga mindestens drei-, möglicherweise viermal unabhängig voneinander entstanden ist Eine Reversion hat mindestens einmal, möglicherweise häufiger in der bancana-Gruppe stattgefunden. Ob sich die Symbiose dabei in Westmalaysia oder in Borneo entwickelt hat, kann man nicht sicher sagen; Ob und inwieweit die große Artenzahl in der bancana-Gruppe als eine Folge der Myrmekophytie anzusehen ist, bleibt zunächst offen. Wesentliche Teile der vorliegenden Arbeit liegen bereits in publizierter Form vor (AFLP-Analyse: Bänfer et al. 2004; Chloroplasten-Analyse: Vogel et al. 2003; Bänfer et al. 2006).

Molekulare Mechanismen der cAMP-vermittelten Signaltransduktion

Zusammenfassung - Der sekundäre Botenstoff zyklisches Adenosinmonophosphat (cAMP) reguliert viele fundamentale zelluläre Prozesse wie Zellproliferation, Differenzierung, Energiemetabolismus und Genexpression. In eukaryotischen Zellen vermittelt die cAMP-abhängige Proteinkinase (PKA) die meisten biologischen Funktionen von cAMP. Die PKA besteht aus jeweils zwei regulatorischen (R) und katalytischen (C) Untereinheiten, die zusammen einen inaktiven Holoenzymkomplex bilden, der durch cAMP aktiviert wird. In dieser Arbeit wurde die Bindung von cAMP und cAMP-Analoga an die R Untereinheit der PKA unter funktionellen und mechanistischen Aspekten untersucht. Eine neue, auf Fluoreszenzpolarisation basierende Methode wurde entwickelt, um die Affinität von cAMP-Analoga in einem homogenen Ansatz schnell, reproduzierbar und nicht radioaktiv zu quantifizieren. Zur detaillierten Untersuchung des Bindungsmechanismus von cAMP und cAMP Analoga (Agonisten und Antagonisten) wurden thermodynamische Studien im direkten Vergleich mittels isothermaler Titrationskalorimetrie und kinetischen Analysen (Oberflächenplasmonresonanz, SPR) durchgeführt, wodurch thermodynamische Signaturen für das Bindungsverhalten der Nukleotide an die R Untereinheit der PKA erhalten werden konnten. Durch Interaktionsstudien an mutagenisierten R Untereinheiten wurde der intramolekulare Aktivierungsmechanismus der PKA in Bezug auf cAMP-Bindung, Holoenzymkomplex-Formierung und -Aktivierung untersucht. Die dabei erhaltenen Ergebnisse wurden mit zwei Modellen der cAMP-induzierten Konformationsänderung verglichen, und ein Aktivierungsmechanismus postuliert, der auf konservierten hydrophoben Aminosäuren basiert. Für in vivo Untersuchungen wurden zusammen mit Kooperationspartnern membranpermeable, fluoreszierende cAMP Analoga entwickelt, die Einblicke in die Dynamik der cAMP-Verteilung in Zellen erlauben. Neu entwickelte, Festphasen gebundene cAMP-Analoga (Agonisten und Antagonisten) wurden in einem (sub)proteomischen Ansatz dazu genutzt, natürliche Komplexe der R Untereinheit und des PKA-Holoenzyms aus Zelllysaten zu isolieren und zu identifizieren. Diese Untersuchungen fließen letztlich in einem systembiologischen Ansatz zusammen, der neue Einblicke in die vielschichtigen cAMP gesteuerten Netzwerke und Regulationsprozesse erlaubt.

Molekulare Systematik der Gattung Suaeda (Chenopodiaceae) und Evolution des C4-Photosynthesesyndroms

Mit der vorliegenden Arbeit wird eine Synthese aus molekularer Phylogenie und Merkmalsentwicklung für die Unterfamilie Suaedoideae der Chenopodiaceae präsentiert. Anhand von rekonstruierten Stammbäumen aus den Sequenzunterschieden von DNA-Abschnitten zweier unabhängiger Genome (Kern, Chloroplast) werden monophyletische Gruppen herausgearbeitet und die Variabilität der molekularen Merkmale in Bezug auf die bekannten Arten diskutiert. Insgesamt wurden für alle molekularen Analysen 294 Sequenzen ausgewertet. Mit 254 Sequenzen von Arten der Unterfamilie Suaedoideae und 18 Sequenzen von Arten der Unterfamilie Salicornioideae wurde eine vergleichende molekulare Analyse mit den DNA-Regionen ITS, atpB-rbcL und psbB-psbH durchgeführt. Mit der Einbeziehung von ca. 65 bekannten Suaeda-Arten sind damit je nach Artauffassung bis zu 80% aller Arten der Gattung berücksichtigt. Mittels Fossildaten werden die wichtigsten Divergenzereignisse zeitlich fixiert. Die molekularen Stammbäume dienen weiterhin als Grundlage für die Bewertung der Arten sowie ihrer morphologischen und anatomischen Merkmale. Ein wichtiger Aspekt bildet dabei die Entwicklung der C4-Photosynthese mit den zugehörigen Blatttypen. Die folgenden vier Themenkomplexe bzw. Fragestellungen sollten bearbeitet werden (für ausführliche Darstellung vgl. Kap. 1.3): 1. Monophyletische Gruppen und ihre Beziehungen 2. Prinzipien der Evolution und Artbildung in der untersuchten Gruppe, Abgrenzung der Arten. 3. Entwicklung des C4-Photosynthesesyndroms 4. Entwicklung und Variabilität systematisch relevanter Merkmale Die Ergebnisse der auf vergleichender DNA-Sequenzierung beruhenden molekularen Analyse und die Synthese mit weiteren Daten führen als Resultat der vorliegenden Arbeit zusammenfassend zu folgenden Ergebnissen: 1.) Die drei sequenzierten DNA-Regionen ITS, atpB-rbcL und psbB-psbH zeigen im Vergleich eine sehr unterschiedliche Variabilität, ITS ist die variabelste aller Regionen. Die in den Alignments gefundenen Merkmale in Form von Punkt- und Längenmutationen zwischen den Einzelsequenzen waren zahlenmäßig ausreichend und qualitativ geeignet, um mit den drei Verfahren Maximum Parsimony, Maximum Likelihood und Bayes’scher Analyse aussagekräftige und in wesentlichen Aussagen kongruente molekulare Phylogenien zu rekonstruieren. Die Chloroplasten-Daten wurden für die Berechnungen kombiniert. 2.) Die beiden DNA-Regionen ITS und atpB-rbcL evolvieren mit sehr unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Die mit der Glättungsmethode PL berechneten durchschnittlichen Substitutionsraten weisen für ITS eine 5,5fach höhere Substitutionsrate gegenüber atpB-rbcL nach. Die ITS-Sequenzen sind daher wesentlich diverser und für einige Sippen, bei identischen atpB-rbcL-Sequenzen, unterschiedlich. Eine direkte Homologisierung von molekularer und morphologischer Variabilität oder die molekulare Limitierung von Arten ist daher nur in einigen Fällen möglich. 3.) Die Gattungen Suaeda, Alexandra und Borszczowia bilden eine monophyletische Gruppe, die den Salicornioideae als Schwestergruppe gegenübersteht. Dies bestätigt die Ergebnisse der Phylogenie der Chenopodiaceae (Kadereit et al. 2003). Im traditionellen Verständnis ist damit die Gattung Suaeda paraphyletisch. Durch taxonomische Umkombination (Schütze et al. 2003. Kapralov et al. 2006) werden die Gattungen Alexandra und Borszczowia in Suaeda eingegliedert, womit das Monophylie-Kriterium für die Gattung wieder erfüllt ist. Die molekularen Daten unterstützen diese nomenklatorische Neubewertung. Der nachfolgend verwendete Gattungsname Suaeda bezieht sich auf die neue Fassung. 4.) Bienertia gehört nicht in die unter 2.) beschriebene monophyletische Gruppe. Die Stellung dieser Gattung ist intermediär. Im ITS-Baum bildet sie die Schwestergruppe zu den Salicornioideae, im Chloroplasten-Baum diejenige zu Suaeda. Da Bienertia aufgrund morphologischer Merkmale Suaeda ähnlicher ist als den Salicornioideae wird sie in die intern neu gegliederte Unterfamilie der Suaedoideae einbezogen, die weitgehend der in Ulbrich (1934) vertretenen Auffassung entspricht. 5.) Suaeda teilt sich in zwei sehr deutlich getrennte Gruppen, die in einer neuen Gliederung als Untergattungen Brezia und Suaeda definiert werden. Die Trennung datiert mit etwa 30 Mio. Jahren in das Oligozän. Zur Untergattung Brezia gehören alle Arten der Sektion Brezia nach bisheriger taxonomischer Auffassung, die Untergattung Suaeda vereint alle übrigen Arten und wird in weitere Sektionen untergliedert. 6.) Die Untergattung bzw. Sektion Brezia zeigt im ITS-Baum eine deutliche Dreigliederung in 3 Subclades, die allerdings von den Chloroplasten-Bäumen nicht verifiziert wird und auch durch morphologische Merkmale nicht zu rechtfertigen ist. Die Subclades der Untergattung Suaeda entsprechen in Grundzügen den bisherigen Sektionen und sind durch synapomorphe Merkmale gekennzeichnet. Für die Gattung Suaeda leiten sich nach monophyletischen Gruppen oder singulären Linien folgende Sektionen ab: Brezia, Alexandra, Borszczowia, Schanginia, Schoberia Salsina (inkl. der früheren Sektionen Limbogermen, Immersa und Macrosuaeda), Suaeda, Physophora und Glauca (neu). 7.) Hybridisierung und Polyploidisierung sind wichtige Prozesse der sympatrischen Artbildung innerhalb der Suaedoideae und waren wahrscheinlich immer mit Arealerweiterungen gekoppelt. Mehrere Linien sind durch Vervielfachung des Chromosomensatzes charakterisiert, wobei auch die recht seltene Form der Dekaploidie erreicht wird. Vieles spricht dafür, dass sowohl Auto- als auch Allopolyploidie eine Rolle spielt. Auf Autopolyplodie beruhen höchstwahrscheinlich die unterschiedlichen Chromosomenrassen von S. corniculata. Durch Inkongruenzen zwischen Chloroplasten- und ITS (Kern)-Stammbäumen konnten einige Arten mit hoher Wahrscheinlichkeit als etablierte, allopolyploide Hybridsippen identifiziert werden (Suaeda kulundensis, S. sibirica). Es ist damit erwiesen, dass die Diversifizierung durch retikulate Evolution beeinflusst wird. 8.) Die Ergebnisse der molekularen Phylogenien belegen sehr deutlich, dass sich die C4-Photosynthese innerhalb der Suaedoideae viermal unabhängig mit vier vollkommen unterschiedlichen Blatttypen entwickelt hat. Dazu gehören zwei Blatttypen mit single cell C4-photosynthesis, ein bis vor kurzem bei Landpflanzen unbekanntes Phänomen. Innerhalb der Sektionen Schoberia, Salsina und Borszczowia datiert die Entstehung in das späte Miozän, bei Bienertia entstand die C4-Photosynthese möglicherweise noch früher. 9.) Als systematisch äußerst bedeutsame Merkmale haben sich die schon von Iljin (1936a) benutzten Pistill-Formen sowie spezifische Blattmerkmale herausgestellt. Mit diesen Merkmalen können Sektionen, die auf monophyletischen Gruppen beruhen, gut definiert werden. Synapomorphe Merkmale des Pistills sind die Zahl und Ausbildung der Narben sowie die Form ihrer Insertion im Ovar. Bei den Blatttypen sind es vor allem die vier histologisch hoch differenzierten C4-Blatttypen, die als gemeinsam abgeleitetes Merkmal rezenter, teilweise aufgespaltener Linien gewertet werden. 10.) Die früher z.T. überbewerteten Merkmale des Perianths (Verwachsungen, Flügel, Anhänge und Umbildungen) können nur zur Beschreibung einzelner Sippen oder lokaler Gruppen herangezogen werden. Ebenso ist das Merkmal der Lebensformen (Therophyten, Chamaephyten) kaum zur Charakterisierung von Gruppen geeignet. Wie das Beispiel Brezia sehr deutlich zeigt, kam es allein in dieser Gruppe mehrfach zur Entwicklung ausdauernder, verholzender Sippen. Der umgekehrte Prozess fand bei der Entstehung der annuellen S. aegyptiaca und S. arcuata statt. Mit Hilfe von DNA-basierten Stammbäumen ist es in der vorliegenden Arbeit möglich geworden, die evolutionäre Geschichte der Gattung nachzuzeichnen und eine auf monophyletischen Gruppen basierende Gliederung abzuleiten. Damit wird eine Grundlage für ein verbessertes Artkonzept der Gattung Suaeda geschaffen. Für die praktische Taxonomie ist dies aber nur teilweise bedeutend. Die morphologisch nachvollziehbare Abgrenzung von Arten bleibt, gerade in den diversen Sektionen Brezia und Salsina, umstritten und kaum nachvollziehbar. Ein Großteil der Arten hat offenbar keine interspezifischen Kompatibilitätsschranken, es handelt sich daher um Morpho- oder Semispecies, möglicherweise sogar nur geographische Rassen, die allerdings mit schnell evolvierenden DNA-Regionen wie ITS differenzierbar sind. Ausgehend von den Ergebnissen der vorliegenden Arbeit verbleibt genügend Raum für weiterführende, vertiefende systematische und populationsbiologische Studien.

Die molekulare Evolution der Hämoglobin-Genfamilie in Chironomus tentans

Zusammenfassung In der vorliegenden Arbeit wurden 74736 bp genomischer DNA-Sequenzder Hämoglobingen-Gruppe D aus der Chironomiden Art Chironomus tentansentschlüsselt und analysiert. Durch Datenbankrecherchen undSequenz-Vergleiche wurden 29 vollständige Hämoglobin-Geneidentifiziert und klassifiziert. Es zeigt sich, daß alle derzeitbekannten Hämoglobin-Gene der Chironomiden auch in Chironomus tentansvorhanden sind. Zusätzlich konnten in Chironomus tentans sechs neueHämoglobin-Varianten identifiziert werden, die bislang weder aufProtein- noch auf Gen-Ebene in anderen Spezies nachgewiesenwurden. Die Hämoglobin-Gene liegen in dichter Abfolge innerhalbdes Clusters, wobei durchschnittlich etwa alle 2 kb ein Gen zufinden ist. Die Abfolge der Hämoglobin-Gene innerhalb derGengruppe wird nur an einer Stelle durch ein interspergiertes Genaus der Familie der Glukosetransporter unterbrochen. Desweiterenkonnten zwei retrotransponierbare Elemente der SINE-Klasse (CP1)innerhalb des Hämoglobingen-Clusters identifiziert werden. AlleGene besitzen die für ihre Expression erforderlichenSignalsequenzen, so daß es sich höchstwahrscheinlich um aktiveGene handelt. Die abgeleiteten Aminosäure-Sequenzen weisen alleCharakteristika sauerstofftransportierender Moleküle auf. Da es sich bei den Hämoglobinen um eine sehr alte Genfamiliehandelt, kann die vergleichende Analyse derHämoglobin-Genstruktur bei Vertebraten, Invertebraten, Pflanzenund Protozoen zur Rekonstruktion der Intron-Evolution genutztwerden. Die Konservierung von Intronpositionen in homologen Genenverschiedener Taxa gilt dabei als Maß für das relativestammesgeschichtliche Alter der Introns. Eine Vielzahl derHämoglobin-Gene von Invertebraten weisen ein Intron im zentralenGenbereich auf. Auch bei einigen Chironomiden-Arten konntendiese 'zentralen Introns' nachgewiesen werden. DieHämoglobin-Gene von Chironomus tentans galten hingegen bislang als intronlos.Die vorliegende Untersuchung zeigt, daß auch zweiHämoglobin-Gene dieser Spezies je ein kurzes Intron aufweisen.Der Vergleich der Intronverteilung in den Hämoglobin-Genen derChironomiden führt zu dem Ergebnis, daß alle vorhandenen Intronsam sparsamsten (im Sinne des 'maximum parsimony'-Prinzips) durchunabhängige Insertionen in ein intronlosesVorläufer-Hämoglobin-Gen erklärt werden können. Alle bislangin Chironomiden beschriebenen Introns sind mit großerWahrscheinlichkeit nicht ortholog (Hankeln et al., 1997; dieseArbeit). Das Vorläufer-Hämoglobin-Gen in Chironomiden besaßdaher vermutlich kein 'zentrales Intron'. Die in Chironomidengefundenen Verhältnisse stellen somit die von Go (1981)formulierte Hypothese der Ursprünglichkeit des 'zentralenIntrons' in Hämoglobin-Genen in Frage. Die in Invertebraten undPflanzen beschriebenen 'zentralen Introns' sind vermutlich nichthomolog und dementsprechend auch nicht auf ein Intron imanzestralen Globin zurückzuführen. Vielmehr implizieren die inhohem Maße variablen Positionen der 'zentralen Introns' beiPflanzen und Invertebraten ihre unabhängige Insertion in diejeweiligen Globin-Gene nach der Aufspaltung der Taxa. Grundsätzlich können zwei Klassen von Hämoglobin-Genen inChironomiden unterschieden werden. Die überwiegende Mehrzahl derHämoglobine wird von Genen kodiert, die nur in einer Kopie imGenom vorliegen. Sie werden dementsprechend als 'single copy'Varianten bezeichnet. Für andere Hämoglobin-Varianten konntehingegen eine Vielzahl leicht unterschiedlicher Gene beschriebenwerden. Diese bilden sogenannte Gen-Subfamilien. In Chironomus tentans konntegezeigt werden, daß neben den 7B-Genen auch die 7A-Gene eineeigene Subfamilie bilden. Die 'single copy' Varianten zeichnensich im Interspezies-Vergleich durch ihre konservierteNukleotid-Sequenz aus: Sie unterliegen während ihrer Evolutionoffenbar einer stabilisierenden Selektion, d.h. Veränderungenihrer Protein-Sequenzen werden nur in geringem Maße toleriert.Auch ihre räumliche Anordnung innerhalb der Gengruppe istzwischenartlich konserviert. Der Vergleich der 'single copy'Varianten innerhalb einer Art zeigt, daß diese sehr deutlicheSequenz-Unterschiede zueinander aufweisen. Sie bilden somit einkonserviertes Sortiment an Hämoglobin-Genen, das weitgehend vorder Radiation der Arten entstanden ist und eine über dieArtgrenzen hinweg unveränderte 'Hämoglobin-Grundausstattung'gewährleistet. Im Gegensatz hierzu zeichnen sich die Mitglieder vonHämoglobin-Gen-Sub-familien durch eine hohe Variabilität aus:Nukleotid-Sequenz, Anzahl und Organisation der Gene innerhalb derGenfamilie weisen im zwischenartlichen Vergleich zahlreicheUnterschiede auf. Es ist daher nur selten möglich allein aufGrundlage der Nukleotid-Sequenzen orthologe Genpaare zuidentifizieren. Die orthologen Gene der 7B-Subfamilie aus Chironomus tentansund chth konnten ausschließlich anhand korrespondierenderIntergen-Sequenzen einander zugeordnet werden. Somit sind dieGen-Subfamilien präferenziell an der Entstehung einesspeziesspezifischen Gen-Repertoires beteiligt. Variationen derNukleotid-Sequenz, Gen-Anzahl und Gen-Organisation innerhalb derSubfamilie werden im Gegensatz zu den 'single copy' Varianten ineinem hohen Maße toleriert. Aufgrund der hohen Sequenz-Übereinstimmungen zwischen denMitgliedern der Gen-Subfamilien unterliegen diese einer Vielzahlvon Rearrangements, die in Gen-Duplikationen, Deletionen undSequenz-Homogenisierungen resultieren. So führten beispielsweiseGenduplikationen durch ungleiches, homologes Crossing-over mitgroßer Wahrscheinlichkeit zur Entstehung und Expansion der7A-Subfamilie. Auch die Gene Cte12-1 und Cte 12-2 sind vermutlichdas Ergebnis eines rezenten Duplika-tions-Ereignisses. DerMechanismus der Retrotransposition, der zu einer Duplika-tioneines 3`-untranslatierten Bereichs innerhalb der 7A-Subfamilieführte, scheint für die Entstehung derHämoglobin-Multiplizität in Chironomiden hingegen wenigerbedeutsam zu sein. Innerhalb der 7A-Subfamilie ist eineAngleichung der Gene durch konzertierte Sequenz-Evolution zubeobachten. Der nukleotidweise Vergleich von Gen-Sequenzen zeigtam Beispiel der Gene 7A7 und 7A8, daß die konzertierte Evolutiondieser Gen-Varianten auf dem Mechanismus der Genkonversionberuht. Auch die Gen-Subfamilie 7B unterliegt offenbar in hohemMaße einer solchen Sequenz-Homogenisierung. Im Sinne einer molekularen Uhr sollten synonyme Basenaustauscheweitgehend neutral sein und sich proportional zur Zeit in denGenen anhäufen. Der Vergleich der Hämoglobin-Gen-Sequenzenzeigt, daß große Unterschiede in der Anzahl der synonymenBasenaustausche zwischen orthologen Genen nicht zwangsläufig dasErgebnis einer frühen Trennung dieser Gene sind. Die Übertragungvon Sequenzen zwischen paralogen Genen kann die Anzahl dersynonymen Basenaustausche orthologer Gene in kürzester Zeitverändern und den tatsächlichen Zeitpunkt der Trennung zweierorthologen Gene überdecken. Werden Genkonversionen nichterkannt, weil beispielsweise nicht alle Gene der Gruppevollständig erfaßt werden konnten, führt der Vergleichorthologer Gen-Sequenzen zwangsläufig zu falschen evolutionärenGendistanzen. Da die Mitglieder der Hämoglobin-Genfamiliebesonders häufig Rekombinations-Prozessen unterliegen, sind siedaher möglicherweise weniger nützliche Kanditaten für dieErmittlung evolutionärer Distanzen zwischen den verschiedenenChironomiden-Arten. Insgesamt zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, daß anhanddetaillierter phylogenetischer Analysen sich die Evolution derHämoglobin-Multigenfamilie von Chironomiden umfassendbeschreiben läßt. Ob einzelne, besonders gut konservierteGen-Varianten (wie z. B. die Gene Cte 8 und Cte W) einespezifische physiologische Funktion erfüllen oder ob dieGen-Subfamilien, die ein speziesspezifisches Genrepertoirebilden, an der Einnischung der verschiedenen Arten beteiligtsind, sollte durch weiterführende Untersuchungen (z. B. derGenexpression sowie der physiologischen Eigenschaften einzelnerVarianten) ermittelt werden können.