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Microcystine (MCs) und Nodularine (NODs) sind zyklische Hepatotoxine, die wegen ihrer strukturellen Modifikationen eine hohe Diversität aufweisen. Da Cyanobakterien, die diese Toxine produzieren, an vielen Standorten wachsen können, stellt eine Vergiftung durch MCs und NODs weltweit ein ernstes gesundheitliches Problem für Mensch und Tier dar.
Die Überwachung von Gewässern erfolgt bislang auf die rechtlich relevanten MCs MC-LR, MC-RR und MC-YR mit Hilfe einer HPLC-UV-Vis-Messmethode gemäß der Norm ISO 20179. Dabei werden aber die ebenfalls vorkommenden MCs, NOD und die entsprechenden Desmethyl-Varianten, über deren Struktur-Wirkungsbeziehung wenig bekannt ist, nicht voneinander getrennt und gemeinsam miterfasst.
Durch diese Arbeit sollte die Auswirkung einer Hemmung von Proteinphosphatasen (PP1 und PP2A), über welche MCs und NODs in vivo und in vitro auf Hepatozyten Einfluss nehmen, in primären Ratten- und Humanhepatozyten untersucht werden. Außerdem sollte der Zusammenhang zwischen chemischer Struktur und toxikologischer Relevanz von MCs und NODs und ihrer Desmethyl-Varianten aufgeklärt werden.
Sowohl in primären Ratten- als auch in Humanhepatozyten konnte bestätigt werden, dass nicht nur die rechtlich relevanten MCs MC-LR, MC-RR und MC-YR für eine Überwachung von Lebensmitteln und Gewässern entscheidend sind, sondern alle getesteten MCs und NODs und deren desmethylierten Kongenere ein hohes zytotoxisches Potential aufweisen. Dabei kann aber keine direkte Abhängigkeit einer PP-Inhibierung und Zytotoxizität gesetzt werden. Vielmehr spielt die Toxikokinetik wie die Aufnahme der Toxine über spezifische Transporter (OATP) in die Leber und die Entgiftung über den Glutathion-Detoxifizierungsweg eine wichtige Rolle. Weiterhin konnte festgestellt werden, dass die zytotoxische Wirkung auf primäre humane Hepatozyten um ein Vielfaches geringer war als auf primäre Rattenhepatozyten, weshalb von einer Speziesabhängigkeit gesprochen werden kann.
Weiterhin wird durch diese Arbeit belegt, dass die MC- und NOD-vermittelte PP-Hemmung zeit- und konzentrationsabhängig sowohl Apoptosen auslöst und als auch in der Lage ist Apoptosemarker wie Bax und Bcl-xL zu beeinflussen und die MAPK-Signalkette aktiviert, was mit Zellproliferation in Verbindung steht. Dabei wies NOD eine stärkere Wirkung auf als MC-LR. Der ebenfalls untersuchte Akt-Signalweg zeigte interessanterweise keine Veränderung in der Kaskade, was auf eine mögliche Gegenregulation zurückgeführt werden kann.
Die in vitro Daten weisen darauf hin, dass die Exposition mit hohen Konzentrationen an MCs und NODs in vivo akut starke Leberschäden bis hin zum Tod verursachen. Geringere Konzentrationen dagegen bei einer Langzeitexposition mit kontaminiertem Wasser, Nahrungsergänzungsmitteln und Lebensmitteln MAPK-vermittelt tumorpromovierend und kanzerogen wirken können.
Cyanobacteria are the only prokaryotes with the ability to conduct oxygenic photosynthesis,
therefore having major influence on the evolution of life on earth. Their diverse morphology
was traditionally the basis for taxonomy and classification. For example, the genus
Chroococcidiopsis has been classified within the order Pleurocapsales, based on a unique
reproduction modus by baeocytes. Recent phylogenetic results suggested a closer
relationship of this genus to the order Nostocales. However, these studies were based
mostly on the highly conserved 16S rRNA and a small selection of Chroococcidiopsis
strains. One aim of this present thesis was to investigate the evolutionary relationships of
the genus Chroococcidiopsis, the Pleurocapsales and remaining cyanobacteria using
16S rRNA, rpoC1 and gyrB gene. Including the single gene, as the multigene analyses of
97 strains clearly showed a separation of the genus Chroococcidiopsis from the
Pleurocapsales. Furthermore, a sister relationship between the genus Chroococcidiopsis
and the order Nostocales was confirmed. Consequently, the monogeneric family
Chroococcidiopsidaceae Geitler ex. Büdel, Donner & Kauff familia nova is justified. The
phylogenetic analyses also revealed the polyphyly of the remaining Pleurocapsales, due to
the fact that the strain Pleurocapsa PCC 7327 was always separated from other strains.
This is supported by differences in their metabolism, ecology and physiology.
A second aim of this study was to investigate the thylakoid arrangement of
Chroococcidiopsis and a selection of cyanobacterial strains. The investigation of 13 strains
with Low Temperature Scanning Electron Microscopy revealed two unknown thylakoidal
arrangements within Chroococcidiopsis (parietal and stacked). This result revised the
knowledge of the thylakoid arrangement in this genus. Previously, only a coiled
arrangement was known for three strains. Based on the data of 66 strains, the feature
thylakoid arrangement was tested as a potential feature for morphological identification of
cyanobacteria. The results showed a strong relationship between the group assignment of
cyanobacteria and their thylakoid arrangements. Hence, it is in general possible to
conclude from this certain phenotypic character the affiliation to a particular family, order
or genus.
The third aim of this study was to investigate biogeographical patterns of the worldwide
distributed genus Chroococcidiopsis. The phylogenetic analysis suggested that the genus do not have biogeographical patterns, which is in contrast with a recent study on hypolithic
living Chroococcidiopsis strains and the majority of phylogeographic analysis of
microorganisms. Further analysis showed no separation of different life-strategies within
the genus. These results could be related to the genetic markers utilized, which may not
contain biogeographical information. Hence the present study can neither exclude nor
prove the possibility of biogeographic and life-strategy patterns in the genus
Chroococcidiopsis.
Future research should be focused on finding appropriate genetic markers investigate of
evolutionary relationships and biogeographical patterns within Chroococcidiopsis.
Cyanobacteria of biological soil crusts (BSCs) represent an important part of circumpolar
and Alpine ecosystems, serve as indicators for ecological condition and climate
change, and function as ecosystem engineers by soil stabilization or carbon and nitrogen
input. The characterization of cyanobacteria from both polar regions remains
extremely important to understand geographic distribution patterns and community
compositions. This study is the first of its kind revealing the efficiency of combining
denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE), light microscopy and culture-based
16S rRNA gene sequencing, applied to polar and Alpine cyanobacteria dominated
BSCs. This study aimed to show the living proportion of cyanobacteria as an extension
to previously published meta-transcriptome
data of the same study sites.
Molecular fingerprints showed a distinct clustering of cyanobacterial communities
with a close relationship between Arctic and Alpine populations, which differed from
those found in Antarctica. Species richness and diversity supported these results,
which were also confirmed by microscopic investigations of living cyanobacteria
from the BSCs. Isolate-based
sequencing corroborated these trends as cold biome
clades were assigned, which included a potentially new Arctic clade of Oculatella.
Thus, our results contribute to the debate regarding biogeography of cyanobacteria
of cold biomes.