Fakultät für Biologie - Digitale Hochschulschriften der LMU - Teil 02/06

Ludwig-Maximilians-Universität München

Die Universitätsbibliothek (UB) verfügt über ein umfangreiches Archiv an elektronischen Medien, das von Volltextsammlungen über Zeitungsarchive, Wörterbücher und Enzyklopädien bis hin zu ausführlichen Bibliographien und mehr als 1000 Datenbanken reicht. Auf iTunes U stellt die UB unter anderem eine Auswahl an Dissertationen der Doktorandinnen und Doktoranden an der LMU bereit. (Dies ist der 2. von 6 Teilen der Sammlung 'Fakultät für Biologie - Digitale Hochschulschriften der LMU'.)

  1. 23/11/2007

    Ecological diversity and low light adaptation of green sulfur bacteria

    This study focuses on one brown-colored representative of the green sulfur bacteria, Chlorobium sp. BS-1, that survives by means of anoxygenic photosynthesis even at very low light intensities. This unusual representative of the green sulfur bacteria lives in the chemocline of the Black Sea, which is located at 80 to 120 m depth, offering only 0.0005 % (winter) to 0.002 % (summer) of surface irradiance (0.00075 to 0.0022 µmol Quanta m-2 s-1). The Black Sea represents the world’s biggest anoxic water body, and it is permanently stratified. An overview of the habitat Black Sea and the research on phyotosynthetic bacteria in the Black Sea chemocline gives the article Anoxygenic phototrophic bacteria in the Black Sea chemocline (pages 53 ff.) In the second article, Physiology and phylogeny of green sulfur bacteria forming a monospecific phototrophic assemblage at 100 m depth in the Black Sea (pages 75 ff.), it is shown that Chl. sp. BS-1 represents a novel phylotype in the marine cluster of green sulfur bacteria and is the only detectable phylotype of green sulfur bacteria in the Black Sea chemocline. It was shown that Chl. sp. BS-1 is the first organism known to date which fixes 14CO2 under laboratory conditions even at light intensities as low as 0.015 µmol Quanta m-2 s-1 which is much lower than the light intensity in any typical habitat of green sulfur bacteria. Therefore it is the best adapted species to extremely low light intensities documented. The major adaptive mechanism to extremely low light intensities might be a significant change in the secondary homologs of the main photosynthetic pigment, bacteriochlorophyll e (BChl e). The dominance of farnesyl esters and the presence of four unusual geranyl ester homologs of BChl e were revealed by HPLC analysis in cells shifted from 3 to 0.1 µmol Quanta m-2 s-1. Together with in situ light measurements and in situ BChl e concentrations, the growth experiments allowed for the calculation of doubling times and significance of the photosynthetic activity for the carbon and sulfur cycle in the Black Sea chemocline. With doubling times of a minimum of 3.1 years (for summer light intensity) and the contribution of only 0.002 - 0.01 % to total sulfide oxidation in the chemocline Chl. sp. BS-1 represents the slowest growing population of green sulfur bacteria known to date and does not contribute significantly to the carbon or sulfur cycle. The article Subfossil DNA sequences of green sulfur bacteria as indicators for past water column anoxia in the Black Sea (page 119 ff.) gives insight into the history of the strain Chl. sp. BS-1 and the green sulfur bacteria in the Black Sea during the last few thousand years. The Black Sea today is considered as closest contemporary analogue to past sulfidic oceans and its biogeography over several thousand years is well documented in its stratified sedimentary record. Since the 16S rRNA gene sequence of Chl. sp. BS-1 might be a useful indicator for past photic zone anoxia, the presence of its fingerprints in past periods of the Black Sea was investigated. 16S rRNA gene sequences of green sulfur bacteria from samples of Black Sea sediments up to 7 m below seafloor were amplified and sequenced. Nine green sulfur bacterial 16S rRNA gene sequences were identified. Surprisingly, not only green sulfur bacterial fingerprints were found but also closely related species clustering at the basis of the green sulfur bacterial subtree, together with not yet cultured species detected all over the world. The new cluster was called “deep-branching green sulfur bacteria” though it was not possible to enrich live organisms with medium for photosynthetic green sulfur bacteria. The chemocline strain Chl. sp. BS-1, found in Units III, II and I (>9000 years b.p. until today), and two other sequences, found in sediments of Unit IIb (between 8200 yr. b.p. and 5000 yr.b.p) only, were the only two sequences clustering with the marine green sulfur bacteria. The other green sulfur bacterial sequences clustered with freshwater or low-salt adapted species, indicating an allochthonous introduction of these sequences to the Black Sea sediments. A long-distance transport of green sulfur bacteria even through oxygenated water is possible since the group has protective mechanisms agains oxygen intoxication. In the article An obligately photosynthetic bacterial anaerobe from a deep-sea hydrothermal vent (pages 105 ff.) a strain is presented which was enriched from beneath a deep sea hydrothermal vent, Chlorobium bathyomarinum GSB1. It was shown to resist more than 16 days of oxygenated medium. Since this strain was isolated only from the vicinity of a vent and was shown to depend on photosynthesis, it might survive photosynthetically by exclusively using geothermal radiation. It might be the first green sulfur bacterium which is adapted to light intensities even lower than in the Black Sea chemocline. A lot of newly obtained sequences during this study evoked the necessity of a phylogenetic analysis. The article Biodiversity and Phylogeny of the family Chlorobiaceae based on comparison of multiple genetic regions (pages 145 ff.) discusses the phylogenetic system of the green sulfur bacteria, which is to date not satisfactory with respect to resolution of the group. A new system is presented which is based on green sulfur bacterial sequences of isolated strains and environmental sequences from the NCBI database (www.ncbi.nlm.nih.gov). The 16S rRNA gene phylogenetic tree revealed the need for a revised phylogenetic system of green sulfur bacteria and showed a close correlation of ecology, i.e. the habitat of the respective species, and phylogeny. Consequently, functional genes might reflect the adaptation to different habitats better than 16S rRNA gene sequences. Three different markers were used for an alternative phylogenetic analysis: ITS (16S-23S rRNA intergenic spacer region), bchG, and sigma factor A, respectively. Only sigma factor A showed a significantly higher resolution of the phylogenetic system of green sulfur bacteria and should be considered as more powerful tool than the16S rRNA gene to classify green sulfur bacteria.

  2. 22/11/2007

    Characterization of the symbiotic bacterial partners in phototrophic consortia

    Bacterial interactions play a major role in nature, but are poorly understood, because of the lack of adequate model systems. Phototrophic consortia represent the most highly developed type of interspecific bacterial association due to the precise spatial arrangement of phototrophic green sulfur bacteria (GSB) around a heterotrophic central bacterium. Therefore, they are valuable model systems for the study of symbiosis, signal transduction, and coevolution between different bacteria. This thesis summarizes a series of laboratory experiments with the objective of elucidating the molecular, physiological and phylogenetical properties of the two bacterial partners in the symbiotic phototrophic consortium "Chlorochromatium aggregatum". The central bacterium of “C. aggregatum” had been identified as a Betaproteobacterium, however, it could not be characterized further due to the low amount of consortia in enrichment cultures. In this work a suitable method for enrichment and isolation of DNA of the central bacterium of "C. aggregatum" has been established using cesium chloride-bisbenzimidazole equilibrium density gradient centrifugation (Chapter 3). In density gradients, genomic DNA of the central bacterium of “C. aggregatum” formed a distinct band, which could be detected by real-time PCR. Using this method, the GC-content of the central bacterium was estimated to be 55.6%. Furthermore, its precise phylogenetic position was determined and it was shown to represent a novel and phylogenetically isolated lineage of the Comamonadaceae within the -subgroup of the Proteobacteria. Chapter 4 describes the detection of a new, highly diverse subcluster of Betaproteobacteria, which contains several central bacteria of phototrophic consortia. Genomic DNA of the central bacterium of “C. aggregatum” was enriched several hundred fold by employing a selective method for growth of consortia in a monolayer biofilm followed by a purification of the central bacterial genome by density gradient centrifugation. A combination of molecular methods revealed that two rrn operons of the central bacterium are arranged in a tandem fashion. This rare gene order was exploited to screen various natural microbial communities. A diverse and previously unknown subgroup of Betaproteobacteria was discovered in the chemocline of Lake Dagow, Eastern Germany. All 16S rRNA gene sequences recovered are related to that of the central bacterium of “C. aggregatum”. Phylogenetic analyses showed, that the central, chemotrophic symbionts of phototrophic consortia have a polyphyletic origin, just like their phototrophic counterparts. This indictates that not only different GSB but also different Betaproteobacteria have adapted to life in this type of symbiosis. Chapter 5 focuses on the isolation of the epibiont of “C. aggregatum” from a consortia enrichment culture and its description as Chlorobium chlorochromatii strain CaD. It represents a novel species within the genus Chlorobium and is characterized by physiological properties typical for GSB. However, the symbiotic strain differs from free-living GSB in the distribution of its chlorosomes and the presence of a conspicuous additional structure at the attachment-site to the central bacterium. Its capability to grow in pure culture indicates that it is not obligately symbiotic. The natural habitat of GSB and phototrophic consortia is the chemocline of stratified lakes. Therefore, the physiological response to oxygen exposure of the epibiont and the free-living GSB Chlorobium limicola has been investigated (Chapter 6). It was shown that GSB are able to survive oxygen exposure and have developed several strategies for oxygen detoxification. Genome annotation revealed the presence of several enzymes involved in oxygen detoxification in all currently sequenced GSB genomes. Phylogenetic analyses showed that most of these enzymes likely were present in the common ancestor of this group. The activity of some of those enzymes could be confirmed. Since carotenoids also act as antioxidants, the carotenoid composition of the epibiont was investigated. In contrast to all other GSB it lacks chlorobactene, the major carotenoid in green-coloured GSB. In addition, 7,8-dihydro--carotene has been identified in the epibiont as a novel carotenoid in nature. Substantial progress has been made in the course of this study not only with the establishment of a method facilitating genome sequencing of the central bacterium of “C. aggregatum”, but also with the developement of a molecular screening tool for central bacteria of phototrophic consortia. The resulting sequences will enable the direct comparison of the phylogeny of both bacterial partners in different phototrophic consortia and hence will provide the unique opportunity to assess for the first time the process of the coevolution of a bacteria-bacteria-symbiosis.

  3. 21/11/2007

    Regulation von Apoptose und Überleben durch Signalwege von LMP1 und TNF-Rezeptor 1

    TRADD spielt als Adaptermolekül eine zentrale Rolle in der Signaltransduktion von LMP1 und TNF-Rezeptor 1. Während es allerdings durch den TNFR1 neben der Aktivierung verschiedener Signalwege auch zur Induktion von Apoptose und Nekrose kommt, handelt es sich bei LMP1 um ein Protein mit transformierendem Potential. Bei den jeweiligen TRADD-Bindestellen von LMP1 und TNFR1 handelt es sich um zwei strukturell vollkommen unterschiedliche Domänen. Und auch auf der Seite von TRADD wird die Bindung über zwei verschiedene Domänen vermittelt. Im Rahmen dieser Doktorarbeit sollte die Frage beantwortet werden, ob die TRADD-Bindestelle intrinsisch die biologischen Effekte der Signaltransduktion bestimmt oder ob diese durch den Rezeptorkontext festgelegt werden. Zur Beantwortung dieser Frage wurde in einem Domain Swapping Experiment die TRADD-Bindestelle des konstitutiv aktiven LMP1-TNFR1 sowie des TNFR1 gegen die putative TRADD-Bindestelle von LMP1 ausgetauscht. Es konnte erstmals gezeigt werden, dass die Aminosäuren 370-386 die vollständige TRADD-Bindestelle von LMP1 umfassen. Weiter konnte gezeigt werden, dass diese Aminosäuren im LMP1-TNFR1- sowie im TNFR1-Kontext ausreichend sind, um den NF-κB und den JNK1 Signalweg zu aktivieren. Die Aktivierung des JNK1 Signalweges durch LMP1-TNFR1-CTAR2 verläuft unabhängig von TRAF2 und abhängig von TRAF6 und auch die Aktivierung des NF-κB Signalweges durch dieses Rezeptorkonstrukt verläuft TRAF6-abhängig. Damit konnte gezeigt werden, dass die LMP1-spezifischen Charakteristika der Signaltransduktion durch die TRADD-Bindestelle festgelegt und mit ihr zusammen übertragen werden. Obwohl die Aminosäuren 370-386 von LMP1 funktionell sind, sind sie auch im LMP1-TNFR1 sowie im TNFR1 Kontext nicht in der Lage Apoptose zu induzieren. Damit konnte im Rahmen dieser Doktorarbeit gezeigt werden, dass die Aminosäuren 370-386 von LMP1 intrinsisch und unabhängig vom Rezeptorkontext den nicht-apoptotischen Phänotyp der Signaltransduktion festlegen. Außerdem wurde im Rahmen dieser Doktorarbeit die Beteiligung von TRAF7 an der Signaltransduktion von LMP1 untersucht. Dazu wurde traf7 aus einer cDNA kloniert. Zusätzlich wurden verschiedene Deletionsmutanten sowie Fusionen mit dem fluoreszierenden Protein mRFP hergestellt. Es konnte eine Threonin-Phosphorylierung von TRAF7(1-383) nachgewiesen werden. Mittels Fluoreszenzmikroskopie konnte eine Lokalisierung von TRAF7 in vesikulären Strukturen beobachtet werden. Eine Mutante, der der RING- sowie der Zink-Finger fehlen, zeigte hingegen eine gleichmäßige zytosolische Verteilung. Außerdem konnte in dieser Doktorarbeit mit Hilfe von spezifischer siRNA gezeigt werden, dass TRAF7 an der Aktivierung des JNK1 Signalweges durch LMP1 beteiligt ist.

  4. 08/11/2007

    Interaktionen zwischen löslichen Komponenten des flagellenspezifischen Typ III-Sekretionssystems von Escherichia coli K12

    Für die Assemblierung des bakteriellen Flagellums müssen die externen Untereinheiten an ihren Bestimmungsort transportiert werden. Dies geschieht wie bei allen Gram-negativen Bakterien auch in Escherichia coli mit Hilfe des flagellären Typ III-Sekretionssystems (fTTSS). Dabei ist der flagelläre Exportapparat mit seinen cytoplasmatischen Komponenten FliH, FliI und FliJ von Bedeutung. Der Exportapparat ist im Basalkörper des Flagellums lokalisiert und liefert die Energie für den Export der Substrate, wie z. B. das Hakenkappenprotein FlgD und das Hakenprotein FlgE. Die Substrate benötigen ihrerseits ein Signal für die Erkennung durch den Exportapparat. Im Rahmen dieser Arbeit konnten Interaktionen zwischen den löslichen Komponenten FliH, FliI und FliJ des flagellären Typ III-Sekretionssystems von E. coli K12 festgestellt werden. Zudem wurden begonnene Arbeiten zur Lokalisation und Beschaffenheit einer Erkennungssequenz für den Exportapparat beim Substrat FlgD weitergeführt und auch das Substrat FlgE näher untersucht. Mit Hilfe der Affinitätschromatographie konnte ein Komplex, bestehend aus FliH, FliI und FliJ, aus dem Cytosol von E. coli BL21 (DE3) präpariert werden. Dafür wurden zuvor die Gene fliH, fliI und fliJ zusammen in den Vektor pASK-IBA 45 kloniert und dann exprimiert. Parameter für Interaktionen und Affinitäten zwischen zuvor einzeln präpariertem FliH, FliI und FliJ konnten mit Hilfe von isothermaler Titrationskalorimetrie (ITC) und Surface Plasmon Resonance (SPR) ermittelt werden. Unter Verwendung eines bereits etablierten Testsystems für das fTTSS in E. coli CC181-Mutanten konnte der Export der Hybridproteine FlgDPhoA bzw. FlgEPhoA untersucht werden. Dabei wurden von FlgD auch N- oder C-terminale Verkürzungen sowie auf Nukleotid- oder Aminosäureebene veränderte Sequenzen eingesetzt. Die Untersuchungen ergaben ein Signal für den Export des Hakenkappenproteins FlgD auf Proteinebene und nicht auf der Ebene der mRNA. Zudem konnte das Exportsignal auf die N terminalen 71 Aminosäuren von FlgD eingegrenzt und eine Bedeutung des möglichen zweiten Startcodons an Position 52 in flgD für den Export ausgeschlossen werden. FlgE wurde in seiner gesamten Länge vom fTTSS transportiert. Im Gegensatz zu FlgD führten jedoch alle C-terminalen Verkürzungen von FlgE zum Transportverlust.

  5. 31/10/2007

    Die Bedeutung von Alb4 in der Biogenese der Chloroplasten

    Mitglieder der evolutionär konservierten Oxa-Proteinfamilie wirken an der korrekten Insertion von integralen Membranproteinen in Bakterien, Mitochondrien und Chloroplasten mit. In den sehr proteinreichen Thylakoidmembranen der Chloroplasten höherer Pflanzen spielt das Oxa-Homolog Alb3 eine essentielle Rolle bei der Integration von LHC-Proteinen und weiteren Komponenten des Photosynthese-Apparates. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein weiteres Protein aus Arabidopsis identifiziert und als neues Mitglied der Oxa-Proteinfamilie beschrieben. Die experimentell gestützte Annotation zeigt, dass das Alb4-Protein eine zentrale 60KD_IMP-Domäne besitzt, welche für die Oxa-Proteine charakteristisch ist. Die Zugehörigkeit zur Oxa-Proteinfamilie konnte funktionell durch die Komplementation einer Hefe-oxa1-Mutante bestätigt werden. Immunologische und fluoreszenzmikroskopische Untersuchungen konnten weiterhin zeigen, dass es sich bei Alb4 um ein chloroplastidäres Protein handelt, welches als integrales Membranprotein in den Thylakoiden lokalisiert ist. Durch die Analyse von T-DNA-Insertions- und RNAi-Linien konnte gezeigt werden, dass eine Reduktion des Alb4-Gehaltes zu vergrößerten und nicht länger linsenförmigen Chloroplasten führt, in denen die Thylakoidmembranen aufgelockerter erscheinen. Ein Verlust der Lebensfähigkeit konnte jedoch nicht beobachtet werden, selbst wenn der Alb4-Gehalt in den Chloroplasten der Pflanzen um mehr als 90% reduziert war. Im Vergleich zu Cyanobakterien besitzt die Thylakoidmembran von Arabidopsis mit Alb4 und Alb3 gleich zwei Oxa-Homologe. Möglicherweise ist nach der Umwandlung des cyanobakteriellen Endosymbionten zu einem eukaryotischen Organell diese Duplizierung nötig geworden, um sowohl die Ausbildung als auch den Erhalt der Thylakoidstruktur zu gewährleisten. Zusätzlich zur Identifizierung von Alb4 konnte durch Transkript-Analysen desweiteren gezeigt werden, dass auch der N-Terminale Teil des ehemaligen Genmodells F21J9.13 (Artemis, nun Alb4 und RWK1) für ein eigenständiges Gen kodiert. Das abgeleitete Protein aus dem N-terminalen Teil, RWK1, ähnelt dem Rezeptor-Teil von pflanzlichen Rezeptor-Kinasen, eine entsprechende Kinase-Domäne fehlt jedoch vollständig. RWK1 kommt in zwei Spleißvarianten vor, der für die meisten eukaryotischen mRNAs typische polyA-Schwanz fehlt jedoch beiden Varianten. RWK1 könnte als neuartiger Rezeptor ein weiteres Glied in der internen Kommunikationskette der Zelle bilden.

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