Kaiserslautern - Fachbereich Biologie
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Im Rahmen dieser Arbeit konnte die physiologische Funktion des AtENT1 weitestgehend aufgeklärt werden. Durch Untersuchungen an RNAi- und Überexpressionslinien konnte gezeigt werden, dass dieser Nukleosidtransporter in unterschiedlichen Geweben verschiedene Aufgaben erfüllt. Die verringerte Expression des AtENT1 in den RNAi-Pflanzen hat hauptsächlich Auswirkungen auf den Nukleotidhaushalt in Pollen. Diese zeigen eine geringere Keimungsrate, eine niedrigere Nukleosidaufnahme sowie verringerte Mengen an intra- und extrazellulärem ATP. Daraus kann man schließen, dass der AtENT1 eine wichtige Funktion in der Versorgung von Pollen mit Nukleosiden während der Entwicklung und zu Beginn der Keimung hat. Die veränderte Menge an eATP in den RNAi-Pollen führt möglicherweise zu einer veränderten Signaltransduktion, was ebenfalls ein Grund für die schlechtere Keimungsrate im Vergleich mit WT-Pollen sein könnte. Weiterhin deutet die verminderte Aufnahme von Adenosin in RNAi-Pollen darauf hin, dass AtENT1 in diesen Zellen in der Plasmamembran lokalisiert ist. Sowohl in Blatt-Rohextrakten als auch in isolierten Vakuolen der AtENT1-RNAi-Pflanzen konnte ein erhöhter Adenosingehalt festgestellt werden, während dieser in Blättern und Vakuolen der AtENT1-35S-Pflanzen deutlich verringert war. Weiterhin konnte an Liposomen mit rekostituiertem Tonoplastenprotein aus Überexpressionspflanzen ein höherer Adenosinexport verglichen mit Liposomen mit WT-Tonoplastenprotein beobachtet werden. Als wahrscheinlichste Quelle der Nukleoside konnte der in der Vakuole stattfindende RNA-Abbau mit Nukleosiden als End- und 2‘3‘-cAMP als Zwischenprodukt nachgewiesen werden. Ein gesteigerter Nukleosidtransport aus der Vakuole durch Überexpression des AtENT1 führt zu einem Anstieg der zytosolischen Nukleosidkonzentration. Als Reaktion darauf sind die Aktivitäten der Enzyme des „salvage pathway“ in den entsprechenden Mutanten erhöht. Ein Anstieg der zytosolischen Adenosinkonzentration führt durch Feedback-Inhibierung zu einer Verringerung der Transmethylierungsreaktionen. In der stärksten Überexpressionspflanze konnte, als Folge dieser Inhibierung, eine verringerte Zellwandmethylierung beobachtet werden. Betrachtet man alle Ergebnisse der Untersuchungen in vegetativem Gewebe ist eine Lokalisierung des AtENT1 im Tonoplasten sehr wahrscheinlich. Der letzte Teil der Arbeit befasste sich mit der biochemischen Charakterisierung der putativen Nukleosidtransporter StENT1 und StENT3 aus Solanum tuberosum. Dabei konnte gezeigt werden dass es sich beim StENT1 um einen hoch affinen Transporter für Purin- und Pyrimidinnukleoside handelt. Aufgrund der Ähnlichkeit der Transporteigenschaften zum AtENT1 und der ebenfalls vorhandenen möglichen Signalsequenz für eine tonoplastidäre Lokalisierung könnte StENT1 auch ein physiologisches Homolog zum AtENT1 sein. StENT3 vermittelt einen hoch affinen, pyrimidinspezifischen Nukleosidtransport. Dieser Transporter könnte vor allem in Knollen für die Aufnahme von Pyrimidinen aus der Erde oder dem Phloem zuständig sein.
Der TRPV5 Ionenkanal ist ein hoch selektiver Kalziumkanal, der in der Niere exprimiert wird und dort für den transzellulären Kalziumtransport im distalen Konvolut verantwortlich ist. TRPV5 Transkripte sind auch in anderen Geweben, wie z.B. der Plazenta, identifiziert worden. In dieser Arbeit wurde versucht, das TRPV5 Protein in verschiedenen Geweben nachzuweisen und den Kanal sowie eventuell daran assoziierte Proteine aus der Plazenta zu isolieren. Hierzu wurden verschiedene Strategien verfolgt. Zum einen wurden vier polyklonale Peptidantikörper generiert, einer gegen einen N- und drei gegen C-terminale Bereiche des humanen TRPV5 Proteins. Diese wurden eingehend mittels ELISA, Peptidblot-Analysen, Western Blot Analysen und immunhistochemischen Färbungen bezüglich ihrer Spezifität und Affinität charakterisiert. Alle generierten Antikörper erkennen spezifisch nur die antigenen Bindungsregionen in Glutathion-S-Transferase (GST)-TRPV5-Fusionsproteinen und detektieren das endogen in humaner Plazenta exprimierte Protein. Der Antikörper, der gegen den absoluten C-Terminus des TRPV5 Ionenkanals gerichtet ist (982/3), erwies sich zum Nachweis des TRPV5 Proteins im distalen Konvolut in Mausnieren als geeignet, allerdings zum Nachweis des TRPV5 Proteins im Synzytiotrophoblasten der humanen Plazenta, ist einer der anderen C-terminalen TRPV5 Antikörper besser geeignet. Der Antikörper 982/3 wurde auch in Immunpräzipitationen und Antikörper-Affinitäts-chromatographien eingesetzt. Mit diesen beiden Methoden konnte das TRPV5 zwar in kleinen Mengen aus humanem Plazentagewebe bzw. Mausnieregewebe angereichert und im anschließenden Western Blot detekiert werden, allerdings war die Menge des isolierten Proteins so gering, dass eine massenspektrometrische Identifikation nicht möglich war. Parallel wurden GST-Pulldown Versuche mit Fusionsproteinen, die den N- und C-Terminus des TRPV5 Proteins enthalten, mit Proteinextrakten der humanen Plazenta durchgeführt. Hierbei wurden insgesamt 38 Proteine als putative Interaktionspartner von TRPV5 identifiziert. Darunter befinden sich bereits in der Literatur beschriebene Interaktionspartner, wie NHERF2 und Galectin-1, und zahlreiche potentielle TRPV5 bindende Proteine. Zu den häufigsten identifizierten Proteinen zählen die Proteine 11ß-HSD2, Ku70 und Calpain-6. Ihre Bindung an N- und C-terminale Bereiche des Ionenkanals, nicht aber an GST konnte in weiteren GST-Pulldown-Experimenten und anschließender Identifikation im Western Blot bestätigt werden. Zusammenfassend zeigen diese Ergebnisse, dass das TRPV5 Protein in der humanen Plazenta an der Blut-Plazenta Schranke exprimiert wird. Aller Wahrscheinlichkeit nach ist dort das Protein mit anderen Proteinen assembliert. Inwiefern diese Interaktionen die Kanalaktivität beeinflussen müsste in weiteren Experimenten untersucht werden.
Vor kurzem wurde MOT1 als Molybdat-Transportprotein in Arabidopsis thaliana identifiziert. Unter Zuhilfenahme von GFP-Fusionsproteinen konnte als subzelluläre Lokalisierung des Proteins die Membran des Endoplasmatischen Retikulums (ER) in dieser Arbeit identifiziert werden. Auch wurde hier demonstriert, dass das mit Abstand nächste Homolog des Proteins, MOT2, ist in der vakuolären Membran, dem Tonoplasten, lokalisiert ist. Unter Standarbedingungen zeigten mot1-KO-Pflanzen reduzierte Molybdatgehalte im Blatt und Keimlinge wiesen Wachstumsdefizite in Abwesenheit von Molybdat auf. Dies führte zu der Annahme, dass MOT1 nicht, wie bislang angenommen, den Hauptimporter für Molybdat in die Zelle darstellt. Durch die Quantifizierung vakuolärer Molybdatgehalte konnte einerseits die Vakuole als Hauptspeicherort für Molybdat in der pflanzlichen Mesophyllzelle und andererseits MOT1 als wichtigstes Protein zur Beladung der Vakuole mit dem Spurenelement identifiziert werden. Die Blätter von mot2-KO-Pflanzen zeigten erhöhte Molybdatgehalte und die Bedeutung des Proteins für die Remobilisierung des essentiellen Molybdats während der Seneszenz konnte mittels Transkriptanalysen und Molybdatquantifizierung in Samen und seneszenten Blättern gezeigt werden. Mittels Fluoreszenzanalysen konnte zusätzlich eine wichtige Determinante der Zielsteuerung von Proteinen zum Tonoplasten identifiziert werden. Durch Mutagenese zweier Leucinreste am N-Terminus von MOT2 ist das korrekte Targeting in die vakuoläre Membran gestört und das Protein lokalisiert fälschlicherweise in der Plasmamembran. Es konnte ein Modell für den intrazellulären Molybdattransport vorgestellt werden. So transportiert MOT1 das Anion ins ER, von wo aus es über Vesikelfluss zur Vakuole gelangt. MOT2 stellt das tonoplastidäre Protein für den Export des Spurenelements aus der Vakuole, besonders während der Seneszenz, dar. Auch konnte eine Korrelation zwischen dem Molybdatgehalt und der Konzentration von Moco, sowie dessen Vorstufe MPT, identifiziert werden. Dies liefert Hinweise auf eine Regulation der Moco-Biosynthese in Abhängigkeit von der zellulären Molybdatkonzentration.
Proteins of the intermembrane space of mitochondria are generally encoded by nuclear genes that are synthesized in the cytosol. A group of small intermembrane space proteins lack classical mitochondrial targeting sequences, but these proteins are imported in an oxidation-driven reaction that relies on the activity of two components, Mia40 and Erv1. Both proteins constitute the mitochondrial disulfide relay system. Mia40 functions as an import receptor that interacts with incoming polypeptides via transient, intermolecular disulfide bonds. Erv1 is an FAD-binding sulfhydryl oxidase that activates Mia40 by re-oxidation, but the process how Erv1 itself is re-oxidized has been poorly understood. Here, I show that Erv1 interacts with cytochrome c which provides a functional link between the mitochondrial disulfide relay system and the respiratory chain. This mechanism not only increases the efficiency of mitochondrial inport by the re-oxidation of Erv1 and Mia40 but also prevents the formation of deleterious hydrogen peroxide within the intermembrane space. Thus, the miochondrial disulfide relay system is, analogous to that of the bacterial periplasm, connected to the electron transport chain of the inner membrane, which possibly allows an oxygen-dependend regulation of mitochondrial import rates. In addition, I modeled the structure of Erv1 on the basis of the Saccharomyces cerevisiae Erv2 crystal structure in order to gain insight into the molecular mechanism of Erv1. According to the high degree of sequence homologies, various characteristics found for Erv2 are also valid for Erv1. Finally, I propose a regulatory function of the disulfide relay system on the respiratory chain. The disulfide relay system senses the molecular oxygen levels in mitochondria and, thus, is able to adapt respiratory chain activity in order to prevent wastage of NADH and production of ROS.
Die Entwicklung von beta-Laktam-Resistenz in dem Pathogen Streptococcus pneumoniae (S. pneu-moniae) stellt einen komplexen Prozess dar, welcher auf einer Modifikation der Penicillin-Bindeproteine (PBP), der Targetstrukturen von beta-Laktam-Antibiotika beruht. PBP sind Membran-gebundene Enzyme, welche essentielle Reaktionen bei der bakteriellen Zellwand-Synthese katalysieren. Diese Proteine werden im Zuge der Resistenzentstehung so verändert, dass beta-Laktame nicht mehr oder nur noch mit geringer Affinität gebunden werden, das physiologische Substrat aber noch erkannt werden muß. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem PBP2x von S. pneumoniae, das als essentielles PBP und wichtigste primäre Resistenzdeterminante einen hohen Stellenwert bei der Entstehung von beta-Laktam-Resistenz in diesem Organismus einnimmt. Obwohl dieses PBP zu den am besten untersuchten PBP gehört, bleiben die Resistenzrelevanz einzelner Punktmutationen und die mit der Veränderung des Proteins einhergehenden physiologischen Folgen für die Zelle weitgehend unklar. Zentraler Inhalt dieser Arbeit war die Untersuchung des Effekts von PBP2x-Mutationen auf die Resistenz, Funktionalität von PBP2x und Zellphysiologie im Kontext mit der sekundären Resistenzdeterminante PBP1a und den beiden Zwei-Komponenten-Systemen CiaRH, welches in die Cefotaxim-Resistenz, genetische Kompetenz und Virulenz involviert ist und ComDE, das die genetische Kompetenz reguliert. Besonderes Interesse galt dabei der Position Thr338, welche sich unmittelbar benachbart zum aktiven Serin befindet und in den meisten resistenten klinischen Isolaten zu Alanin, Prolin oder Glycin mutiert ist. Durch eine gerichtete Mutagenese dieser Position im Wildtyp R6 konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass eine Thr338-Punktmutation einen selektionierbaren Resistenz-Phänotyp in vivo vermittelt, wobei abhängig von dem jeweiligen Austausch unterschiedliche Resistenzniveaus und Kreuzresistenzspektren zu beobachten waren. Abgesehen von einem nur moderaten Beitrag zur Resistenz, betraf eine solche Substitution offenbar auch die Funktionalität von PBP2x, was sich auf dramatische Art und Weise in Abwesenheit eines intakten CiaRH-Regulationssystems äußerte: Es kam zu Wachstumsdefekten, insbesondere einer verfrühten und verstärkten Autolyse, morphologischen Aberrationen und einer verminderten Lebensfähigkeit. Entgegen aller Erwartungen führte die Präsens eines Mosaik-PBP1a in dem genetischen Hintergrund der Thr338-Mutation nicht zu einem weiteren Anstieg der Resistenz, sondern bewirkte sogar einen leichten Abfall. Dennoch komplementierte das Mosaik-PBP1a die durch das Fehlen eines funktionsfähigen CiaRH-Systems hervorgerufenen Wachstumsdefizienzen. Der Vergleich zwischen dem PBP2x mit Thr338-Punktmutation und einem Mosaik-PBP2x deckte gravierende Unterschiede im Hinblick auf das Resistenzpotential und die physiologischen Auswirkungen auf. Anders als bei der PBP2x-Punktmutation waren bei dem Mosaik-PBP2x fast keine Wachstumseinbußen zu verzeichnen, wenn es mit einem inaktiven Zwei-Komponenten-System CiaRH kombiniert wurde, und die Anwesenheit eines Mosaik-PBP1a brachte eine starke Erhöhung der Cefotaxim-Resistenz mit sich. Beiden pbp2x-Allelen war jedoch gemeinsam, dass die Abwesenheit eines PBP1a massive Defekte im Wachstum zur Folge hatte. Alle diese Beobachtungen deuteten auf eine mögliche Interaktion zwischen PBP2x und PBP1a hin. Die Analyse der Zellwand einer Mutante mit zwei PBP2x-Aminosäureaustauschen, von denen einer in resistenten klinischen Stämmen anzutreffen ist, ergab eine biochemisch modifizierte Zellwand, in der bei einem fast gleichbleibenden Anteil an verzweigten Dimeren, Monomere erhöht, und lineare Dimere und Trimere reduziert waren. Diese Befunde ließen auf eine enzymatische Beeinträchtigung dieses PBP2x schließen. Ein von CiaRH ausgehender Effekt konnte nicht festgestellt werden. Eine Inaktivierung des für den Export des Kompetenz-stimulierenden Peptids CSP verantwortlichen ABC-Transporters ComAB in Kombination mit einem nicht-funktionellen CiaRH-System bewirkte im Wildtyp eine vollständige, in PBP2x-Punktmutanten eine nur teilweise Aufhebung der vorzeitigen stationären Phase-Autolyse. Darüber hinaus machte sich bei einem der PBP2x-Derivate, welches zusätzlich über eine Cefotaxim-Resistenz-vermittelnde Aminosäuresubstitution in CiaH verfügte, bei ciaR-Inaktivierung sowohl ein Verlust der CiaH- als auch eine partielle Einbuße der PBP2x-Resistenz bemerkbar, bei comAB-Inaktivierung hingegen aber ausschließlich ersteres. Hieraus konnte zum einen auf einen direkten Bezug des Lyse-Phänotyps zu der Kompetenz und der CiaRH-Resistenz zu ComAB geschlossen werden, zum anderen auf einen CiaRH-unabhängigen Einfluss von PBP2x auf die Kompetenz und Autolyse. Tatsächlich bestätigte eine Bestimmung der Transformationseffizienz von Mutanten mit verschiedenen Konstellationen aus niederaffinen und unmodifizierten PBP, dass das Kompetenzmuster bzw. -ausmaß von der jeweiligen PBP-Ausstattung moduliert wird. Auch eine Microarray-basierte globale Transkriptomanalyse dieser Mutanten sowie spontan resistenter Labormutanten mit PBP2x- und CiaH-Mutationen suggerierte eine von CiaRH-entkoppelte Einflussnahme der PBP auf die Kompetenz. Zudem zeugten die Transkriptionsmuster von einem vielschichtigen Regulationsnetzwerk der Resistenzentwicklung unter Beteiligung von Kompetenz, Bakteriocinproduktion, Virulenz, Metabolismus, Transportprozessen und Energiestatus, was möglicherweise eine indirekte Folge einer gestörten Zellwand- und Membranintegrität darstellt. Durch die Extraktion von intergenen Bereichen, sowie potentiellen neuen Resistenzdeterminanten bzw. Resistenz-unterstützenden Genen, wie den Gen-Clustern spr1545-spr1549 und spr0096-spr0110 oder den Genen des Purinstoffwechsels wurde die Basis für weiterführende Untersuchungen geschaffen. Die hier vorgestellten Daten demonstrieren, dass der Erwerb von beta-Laktam-Resistenz nicht nur von Vorteil ist, sondern auch physiologische Konsequenzen für die Zelle hat, die sie kompensiert, um ein möglichst stabiles Wachstum zu gewährleisten. Über die Zellwand-Zusammensetzung und Kompetenz konnte erstmalig eine Verbindung von PBP2x zu CiaRH hergestellt werden. Eine konkrete kompensatorische Wirkung dieses Regulons hinsichtlich PBP2x-Mutationen wurde mit der Repression der Kompetenzlyse ausfindig gemacht. Im letzten Teil dieser Arbeit wurde basierend auf einer früheren Veröffentlichung, in der eine Inaktivierung des Gens für das PBP2b von S. pneumoniae erfolglos blieb, erneut versucht, eine solche Mutante herzustellen. Obwohl lebensfähige Transformanten generiert werden konnten, war es nicht möglich eine pbp2b-Inaktivierungs- bzw. Deletionsmutante zu isolieren, sodass PBP2b in diesem Organismus weiterhin als essentielles Protein angesehen werden kann.
Prostate cancer preferentially metastasizes to the skeleton and abundant evidence exists that osteoblasts specifically support the metastatic process, including cancer stem cell niche formation. At early stages of bone metastasis, crosstalk of prostate cancer cells and osteoblasts through soluble molecules results in a decrease of cancer cell proliferation, accompanied by altered adhesive properties and increased expression of bone-specific genes, or osteomimicry. Osteoblasts synthesize a plethora of biologically active factors, which comprise the unique bone microenvironment. By means of quantitative real-time RT-PCR it was determined that exposure to the osteoblast secretome induced gene expression changes in prostate cancer cells, including the upregulation of osteomimetic genes such as BMP2, AP, COL1A1, OPG and RANKL. IL6 and TGFbeta1 signaling pathway components also became upregulated at early time points. Moreover, osteoblast-released IL6 and TGFbeta1 contributed to the upregulation of OPG mRNA in LNCaP. Thus, the earliest response of prostate cancer cells to osteoblast-released factors, which ultimately cause metastatic cells to assume an osteomimetic phenotype, involved activation of paracrine and autocrine IL6 and TGFbeta signaling. On the other hand, a microarray analysis showed that osteoblasts exposed to the secretome of prostate cancer cells exhibited gene expression alterations suggestive of repressed proliferation, decreased matrix synthesis and inhibited immune response, which together indicate enhanced preosteocytic differentiation. TGFbeta signaling, known to inhibit osteoblast maturation, was strongly suppressed, as shown by elevated expression of negative regulators, downregulation of pathway components and of numerous target genes. Transcriptional downregulation of osteoblast inhibitory molecules such as DKK1 and FST also occurred, with concomitant upregulation of the osteoinductive molecules ADM, STC1 and BMP2, and of the transcription factors CBFA1 and HES1, which promote osteoblast differentiation. Finally, the mRNA encoding NPPB, the precursor of a molecule implicated in the inhibition of TGFbetaeffects, in bone formation and in stem cell maintenance, became upregulated after coculture both in osteoblasts and in prostate cancer cells. These results provide an insight into potential mechanisms of dysregulated bone formation in metastatic prostate cancer, as well as mechanisms by which osteoblasts might enhance the invasive, osteomimetic and stem cell-like properties of the tumor cells. In particular, the differential modulation of TGFbetasignaling in prostate cancer cells and osteoblasts appears to merit further research.
Verteilung von Na+/Ca2+-Austauschern während der Ontogenese des auditorischen Hirnstamms der Ratte
(2009)
Die Homöostase der intrazellulären Ca2+-Konzentration ist eine essenzielle Aufgabe in allen Zellen, da Ca2+ an diversen zellulären Prozessen beteiligt ist. Besonders Neurone des auditorischen Hirnstamms sind auf eine optimale Ca2+-Regulation angewiesen, da ihr Überleben und ihre Entwicklung von der intrazellulären Ca2+-Konzentration abhängen. Neben Ca2+-bindenden Proteinen und Ca2+-ATPasen sind besonders Na+/Ca2+-Austauscher, welche sich in die Familien NCX (NCX1-3), NCKX (NCKX1-5) und CCX (NCKX6) gliedern, in vielen neuronalen und nicht-neuronalen Strukturen maßgeblich für die Ca2+-Regulation verantwortlich. In meiner Arbeit wurde die Verteilung von NCX1-3 sowie NCKX2-6 im Nucleus cochlearis(CN), superioren Olivenkomplex (SOC) und inferioren Colliculus (IC), welche Strukturen des auditorischen Hirnstamms darstellen, untersucht. Dies erfolgte auf Boten-Ribonukleinsäure(messenger ribonucleic acid, mRNA)-Ebene qualitativ mittels reverser Transkription (RT)gefolgt von genspezifischer Polymerasekettenreaktion (PCR) sowie quantitativ mittels realtime-PCR, auf Proteinebene qualitativ mittels Immunhistochemie. Um auch ontogenetische Aspekte der Ca2+-Homöostase zu berücksichtigen, wurden Ratten in einem unreifen Entwicklungsstadium (P4) sowie junge adulte Ratten (P60) analysiert. Die Genexpression aller untersuchten ncx- und nckx-Isoformen wurde mittels RT-PCR in beiden Entwicklungsstadien in CN, SOC und IC nachgewiesen. Besonders auffallend war bei den ncx-Isoformen eine im Verlauf der Entwicklung meist verstärkte Transkription, während die nckx-Isoformen in den meisten Fällen eine verminderte Transkription im adulten Tier zeigten. Mittels Immunhistochemie zeigt meine Arbeit zum ersten Mal eine entwicklungsabhängige Umverteilung der Austauscher. Während die Isoformen bei P4 hauptsächlich im Neuropil lokalisiert waren, zeigte sich im Gegensatz dazu bei P60 eine verstärkte Immunfluoreszenz innerhalb der Somata. Ausnahme war hier NCKX2, welcher im CN auch bei P60 hauptsächlich im Neuropil exprimiert wurde. Die Expression von NCX1-3 und NCKX2 im Neuropil junger auditorischer Hirnstammneurone legt eine Ca2+-regulierende Funktion im Bereich dendritischer Synapsen nahe. Die Synapsen befinden sich in diesem Alter noch in einem unreifen Zustand, so dass die Na+/Ca2+-Austauscher einen maßgeblichen Einfluss auf die synaptische Plastizität ausüben können. Abschließend deutet die Verteilung der Na+/Ca2+-Austauscher darauf hin, dass alle NCX- und NCKX-Isoformen, im Zusammenspiel mit weiteren Ca2+-regulierenden Proteinen, an der Ca2+-Homöostase in den Strukturen des auditorischen Hirnstamms beteiligt sind.
I) Die Untersuchungen zum vakuolären Malat-Carrier AtTDT unterstützen die Annahme, dass seine Aktivität in den Schließzellen zum Öffnen und Schließen der Stomata beiträgt. Zudem erhöht wahrscheinlich die Aktivität von TDT in den Mesophyllzellen die Stomata-Dichte und den Stomata-Index. Im Rahmen einer osmotischen Anpassung vermittelt der Transporter eine Malat-Akkumulation, die in den TDT-Knockout-Mutanten beeinträchtigt ist und durch erhöhte Citrat-Gehalte kompensiert wird. Darüber hinaus beschleunigt TDT unter Kurztag-Bedingungen den Eintritt in die generative Phase. Eine Funktion von TDT in der Salztoleranz kann nach metabolischen und phänotypischen Analysen ausgeschlossen werden. II) Die tonoplastidären Monosaccharid-Transporter regulieren bei Kälte in Blättern nicht nur die Monosaccharid-Gehalte, sondern wirken auch positiv auf Photosynthese und Stärkegehalte. Das Ausschalten der TMT-Gene führt unter den gewählten Kältebedingungen zu einer erhöhten Synthese von Saccharose und zu einer gesteigerten Respirationsrate. Insbesondere unter Wassermangel wirkt sich die Aktivität der tonoplastidären Monosaccharid-Transporter positiv auf die Keimungsrate aus. III) Die Bestimmung von Zuckergehalten in Blättern indiziert, dass die tonoplastidären Transportproteine AtERD6.7 und BvIMP Glukose aus der Vakuole transportieren, während AtERD6.5 womöglich Fruktose aus der Vakuole transportiert. Als Transportmechanismus wird aufgrund der Homologie zu den GLUT-Proteinen eine erleichterte Diffusion angenommen. Die Aktivität der Carrier scheint insbesondere nach Kältephasen von Bedeutung zu sein, wenn vakuolär gespeicherte Zucker mobilisiert werden. ERD6.7 fördert gemäß den durchgeführten Keimungstests die Samen-Dormanz.
Das Zwei-Komponenten System CiaRH von S. pneumoniae ist an der ß-Laktam-Resistenz, Regulation der genetischen Kompetenz, Lyse und Virulenz beteiligt. Unter den 16 Promotoren, die von diesem System kontrolliert werden, befanden sich die fünf stärksten Promotoren in intergenen Regionen. Hieraus resultierte die Vermutung, dass diese Promotoren die Expression von kleinen nichtkodierenden RNAs steuern könnten. Mittels Northern-Analyse konnte nachgewiesen werden, dass von diesen Promotoren aus kleine RNAs mit einer Größe von 87 bis 151 Basen exprimiert werden. Im Stamm mit deletierten ciaR waren diese RNAs nicht bzw. kaum detektierbar. Die fünf CiaRH-abhängigen kleinen RNAs wurden csRNAs benannt (cia controlled small RNAs). Durch Northern-Analyse an vier verschiedenen Zeitpunkten des Wachstums konnte gezeigt werden, dass die csRNAs in hoher Konzentration sowohl während der exponentiellen als auch in der stationären Wachstumsphase in den Zellen von S. pneumoniae vorhanden sind. Mittels 3´-RACE-Analyse wurde die Länge der csRNAs auf die Base genau bestimmt. csRNA1, csRNA2, csRNA3 und csRNA4 bestehen aus 87 bis 101 Nukleotiden. csRNA5 besitzt dagegen eine Länge aus 151 Basen. Die Promotoren der stromabwärts der kleinen RNAs liegenden Gene wurden mittels 5´-RACE-Analyse kartiert und ihre Expression mittels realtime RT-PCR-Analyse im Wildtyp, im ciaR-Deletionsstamm und einem Stamm mit aktiviertem CiaRH-System untersucht. Hierbei konnte gezeigt werden, dass diese Gene unabhängig von CiaRH exprimiert werden. Um die Beteiligung der csRNAs an den CiaRH-assoziierten Phänotypen aufzuklären, wurden die Gene für alle fünf csRNAs deletiert und mit verschiedenen Antibiotika-Resistenz-Genen ersetzt. Durch Kombination aller Deletionen wurde der Stamm S. pneumoniae RK12345 konstruiert, welcher keine csRNA mehr exprimiert. In Stamm RK12345 konnte eine erniedrigte Transformationseffizienz und eine erhöhte Lyserate im Vergleich zum Wildtyp S. pneumoniae R6 beobachtet werden. Hierdurch wurde gezeigt, dass die csRNAs eine Rolle bei den CiaRH-regulierten Prozessen spielen. Kleine RNAs üben ihren regulatorischen Effekt meist durch Wechselwirkung mit der mRNA ihrer Zielgene aus. Die beiden RNA-Moleküle interagieren hierbei über komplementäre Sequenzbereiche. Durch diese Basenpaarungen kommt es zur Hemmung oder Aktivierung der Translation bzw. zum Abbau des RNA-RNA-Interaktionskomplexes. Um die Ursachen der csRNA-vermittelten phänotypischen Veränderungen bestimmen zu können, wurde die Identifizierung der csRNA-Zielgene angestrebt. Mittels bioinformatischer Analyse wurde eine große Anzahl putativer Zielgene vorhergesagt, wovon nach Anlegung verschiedener Kriterien letztendlich 13 zu den weiteren Untersuchungen eingesetzt wurden. Um diese teilweise uncharakterisierten Gene auf eine posttranskriptionelle Regulation durch die csRNAs untersuchen zu können, wurde ein integratives Translations Probe Plasmid namens pTP3 konstruiert. Dieses Plasmid ermöglicht die Klonierung von 5´-Genfragmenten vor das ´lacZ-Gen, wodurch in frame-Zielgen´-´lacZ-Fusionsproteine entstehen. Die Expression des entstandenen Fusionsgens erfolgt hierbei von einem konstitutiven CiaRH-unabhängigen Promotor, namens PvegT. Die Klonierung und Untersuchung der ß-Galaktosidase- Expression der Zielgen´-´lacZ-Fusionsproteine ergab, dass die klonierten Fragmente der Gene spr0081, comC, spr1645 und cibB durch die csRNAs reguliert werden. Die Untersuchung dieser vier Zielgene bei Expression von den eigenen Promotoren und Intaktheit der entsprechenden mRNAs zeigte, dass letztendlich zwei Gene posttranskriptionell negativ durch die csRNAs reguliert werden. Interessanterweise ist eines dieser Zielgene das comC-Gen, welches für das Vorläuferpeptid des Kompetenz-Phäromons CSP kodiert. Diese Beobachtung könnte eine mögliche Ursache für die csRNA-abhängige veränderte Transformierbarkeit von Stamm RK12345 darstellen. Das zweite Zielgen der csRNAs, spr0081, kodiert für einen bisher uncharakterisierten ABC-Transporter, welcher möglicherweise am Transport eines Kohlenhydrats beteiligt ist. Letztendlich wurde die direkte Interaktion der in vitro produzierten mRNA dieser beiden Zielgene mit den csRNAs durch die Entwicklung und Etablierung einer neuartigen Methode der Bandshift-Analyse untersucht. Hierbei konnte nachgewiesen werden, dass die mRNA von comC mit allen fünf csRNAs Interaktions-komplexe bildet und die mRNA von spr0081 befähigt ist mit vier csRNAs Interaktionskomplexe zu bilden. Schließlich wurde der Effekt einzelner RNAs auf die Expression des ComC´-´lacZ-Fusionsproteins getestet. Hierbei konnte gezeigt werden, dass csRNA1, csRNA2 und csRNA3 einerseits bzw. csRNA4 und csRNA5 andererseits genügen, um den Effekt aller fünf RNAs ausüben zu können. Die stärkste Hemmungsaktivität einer einzelnen csRNA konnte bei csRNA4 festgestellt werden.
In my doctoral thesis, I present new information about the developmental expression pattern of the potassium chloride cotransporter KCC2 in the rat auditory brain stem and the morphometrical effects caused by KCC2 gene silencing in mice. The thesis is divided into 3 Chapters. Chapter 1 is a general introduction which gives a brief outline of the primary ascending auditory pathway in mammals. Also, it provides information about the presence of a large number of inhibitory inputs in the auditory system and how these inputs develop; the involvement of inhibition in the acoustic processing is mentioned. In addition, the role of the KCC2 cotransporter in the shift of GABA/glycine transmission, and thus, in maintaining the normal level of inhibition in the mature brain, is described. The focus of Chapter 2 was to investigate the KCC2 immunofluorescent signal from postnatal day (P) 0 to P60 in four major nuclei of the rats superior olivary complex (SOC), namely the medial nucleus of the trapezoid body (MNTB), the medial superior olive (MSO), the lateral superior olive (LSO), and the superior paraolivary nucleus (SPN). The lack of a correlation between the continuous presence of KCC2 mRNA/protein in the postnatal rat brain stem on one side, and the shift in GABA/glycinergic polarity (i.e. KCC2 functionality) on the other side, prompted me to search for a specific cellular expression pattern of the KCC2 protein that might correlate with the switch in GABA/glycine signalling. To do so, the KCC2 immunoreactivity was analysed using high-resolution confocal microscopy in three cellular regions of interest: the soma surface, the soma interior, and the neuropil. In the soma surface, I observed an increase of the KCC2 immunofluorescent signal intensity, yet with a moderate magnitude (1.1 to 1.6-fold). Therefore, I conclude that the change in the soma surface signal is only of minor importance and does not explain the change in KCC2 functionality. The KCC2 signal intensity in the soma interior decreased in all nuclei (1.4 to 2-fold) with the exception of the MNTB where no statistically significant change was found. The decrease in the soma interior was probably related to the increase in the soma surface immunoreactivity and the proposed (weak) intracellular trafficking process of the KCC2 protein. The main developmental reorganization (in qualitative as well as in quantitative aspects) of the KCC2 immunofluorescence in the SOC nuclei was observed in the neuropil. The signal changed its pattern from a diffusely stained neuropil early in development (P0-P4) to a crisp and membrane-confined signal later on (P8-P60), with single dendrites becoming apparent. The exception was found in the MNTB, where the neuropil became almost unlabeled. Quantification revealed a statistically significant decrease (2.2 to 3.8-fold) in the neuropil immunoreactivity in all four nuclei, although the remaining KCC2-stained dendrites became thicker and the signal became stronger. I suppose that, at least in part, the neuropil reorganization can be explained by an age-related reduction of dendritic branches via a pruning mechanism and with the absence of an abnormal Cl- load via extrasynaptic GABAA receptors. This is consistent with the proposed additional role of KCC2, namely to maintain the cellular ionic homeostasis and to prevent dendritic swelling (Gulyás et al., 2001). In conclusion, neither the increase in the KCC2 soma surface signal intensity, nor the reorganization in the neuropil can be strictly related to the developmental switch in the GABA/glycine polarity and the onset of KCC2 function, although some correlation (the appearance of a specific membrane-confined dendritic pattern) between structure and function was found. Further implication of different molecular methods, regarding the proposed posttranslational modification of KCC2, will shed light upon the question of what leads to the functional activation of the cotransporter. In Chapter 3, the advantage of loss-of-function KCC2 mice made it possible, via manipulating the duration of the depolarizing phase of GABA/glycine transmission, to analyse the effect of disturbed Cl- regulation and, thus, the effect of disrupted GABA/glycine neurotransmission (lack of inhibition). I asked the following question: how important is the Cl- homeostasis to maintain general aspects (brain weight) and specific aspects (nucleus volume, neuron number, and soma cross-sectional area) of brain development? Brain stem slices from KCC2 knock-out animals (-/-), with a trace amount of transporter (~5%), as well as from wild type animals (+/+) at P3 and P12 were stained for Nissl substance and the analyses were performed with the help of basic morphometrical and stereological methods. In KCC2 (-/-) animals, body growth impairment was observed, in part related to the seizure activity preventing normal feeding (Woo et al., 2002). However, their brains, in terms of brain weight, were less affected. Therefore, I conclude that Cl- homeostasis is not essential per se to maintain the brain weight. Four auditory nuclei (MNTB, MSO, LSO, and ventral cochlear nucleus (VCN)), were compared with respect to the KCC2 null mutation. The SOC nuclei were not influenced by the lack of KCC2 at P3 considering the morphometric parameters. A difference in the number of neurons occurred in the VCN at P3. I suggest to perform additional immunohistochemical studies of glial presence related to its involvement in the structural and functional support of the neurons and their survival. At P12, the volume of the auditory nuclei in KCC2 (-/-) animals was smaller than in (+/+) animals. However, this is likely to be an epiphenomenon since the brain weight increase was also impaired with the same magnitude. Therefore, I suppose that the Cl- homeostasis is not crucial for the nucleus volume increase in the VCN, the MNTB and the MSO during development. An exception was found for the LSO. Regarding the other morphometric parameters at P12, the four nuclei behaved in a different way: (1) in the VCN, after P3, no parameter underwent a disproportional change due to impaired Cl- homeostasis; (2) the MNTB and the LSO showed less pronounced neuropil in mutants in comparison to age-matched controls and two reasons were proposed: first, the depolarizing GABA/glycine transmission in mutants may contribute to excessive Ca2+ load, excitotoxicity and dendrite damage; second, a decrease of some trophic factors may prevent dendrite development in addition to impaired normal body growth; (3) the MSO neurons in P12 (-/-) animals had smaller soma cross-sectional area than in P12 (+/+) animals. I conclude that the normal Cl- homeostasis is required in the MSO at older ages (P12) to achieve and maintain a proper soma size; (4) the lack of KCC2 did not prevent the process of neuronal differentiation in the VCN and the MNTB during development in both mutant and control animals. In conclusion, the various auditory nuclei have to be discussed independently regarding the influence of Cl- homeostasis on some morphometric parameters. Presumably, this is related to the different time of the shift in the GABA/glycine polarity i.e., the onset of KCC2 function (Srinivasan et al., 2004a). Taken together, my thesis accumulated data about the immunohistological expression pattern of KCC2 in various auditory brain stem nuclei and the influence of impaired Cl- homeostasis on some morphometric features in these nuclei. This information will be helpful for further investigations involved to discover the mechanisms and the events that govern the inhibition and the inhibitory pathway in the central auditory system.