TY  - THES
A1  - Slaby, Beate Magdalena
T1  - Exploring the microbiome of the Mediterranean sponge \(Aplysina\) \(aerophoba\) by single-cell and metagenomics
T1  - Untersuchungen am Mikrobiom des Mittelmeerschwamms \(Aplysina\) \(aerophoba\) mittels Einzelzell- und Metagenomik
N2  - Sponges (phylum Porifera) are evolutionary ancient, sessile filter-feeders that harbor a largely diverse microbial community within their internal mesohyl matrix. Throughout this thesis project, I aimed at exploring the adaptations of these symbionts to life within their sponge host by sequencing and analyzing the genomes of a variety of bacteria from the microbiome of the Mediterranean sponge Aplysina aerophoba. Employed methods were fluorescence-activated cell sorting with subsequent multiple displacement amplification and single-cell / ‘mini-metagenome’ sequencing, and metagenomic sequencing followed by differential coverage binning. These two main approaches both aimed at obtaining genome sequences of bacterial symbionts of A. aerophoba, that were then compared to each other and to references from other environments, to gain information on adaptations to the host sponge environment and on possible interactions with the host and within the microbial community.
Cyanobacteria are frequent members of the sponge microbial community. My ‘mini-metagenome’ sequencing project delivered three draft genomes of “Candidatus Synechococcus spongiarum,” the cyanobacterial symbiont of A. aerophoba and many more sponges inhabiting the photic zone. The most complete of these genomes was compared to other clades of this symbiont and to closely related free-living cyanobacterial references in a collaborative project published in Burgsdorf I*, Slaby BM* et al. (2015; *shared first authorship). Although the four clades of “Ca. Synechococcus spongiarum” from the four sponge species A. aerophoba, Ircinia variabilis, Theonella swinhoei, and Carteriospongia foliascens were approximately 99% identical on the level of 16S rRNA gene sequences, they greatly differed on the genomic level. Not only the genome sizes were different from clade to clade, but also the gene content and a number of features including proteins containing the eukaryotic-type domains leucine-rich repeats or tetratricopeptide repeats. On the other hand, the four clades shared a number of features such as ankyrin repeat domain-containing proteins that seemed to be conserved also among other microbial phyla in different sponge hosts and from different geographic locations. A possible novel mechanism for host phagocytosis evasion and phage resistance by means of an altered O antigen of the lipopolysaccharide was identified.
To test previous hypotheses on adaptations of sponge-associated bacteria on a broader spectrum of the microbiome of A. aerophoba while also taking a step forward in methodology, I developed a bioinformatic pipeline to combine metagenomic Illumina short-read sequencing data with PacBio long-read data. At the beginning of this project, no pipelines to combine short-read and long-read data for metagenomics were published, and at time of writing, there are still no projects published with a comparable aim of un-targeted assembly, binning and analysis of a metagenome. I tried a variety of assembly programs and settings on a simulated test dataset reflecting the properties of the real metagenomic data. The developed assembly pipeline improved not only the overall assembly statistics, but also the quality of the binned genomes, which was evaluated by comparison to the originally published genome assemblies.
The microbiome of A. aerophoba was studied from various angles in the recent years, but only genomes of the candidate phylum Poribacteria and the cyanobacterial sequences from my above-described project have been published to date. By applying my newly developed assembly pipeline to a metagenomic dataset of A. aerophoba consisting of a PacBio long-read dataset and six Illumina short-read datasets optimized for subsequent differential coverage binning, I aimed at sequencing a larger number and greater diversity of symbionts. The results of this project are currently in review by The ISME Journal. The complementation of Illumina short-read with PacBio long-read sequencing data for binning of this highly complex metagenome greatly improved the overall assembly statistics and improved the quality of the binned genomes. Thirty-seven genomes from 13 bacterial phyla and candidate phyla were binned representing the most prominent members of the microbiome of A. aerophoba. A statistical comparison revealed an enrichment of genes involved in restriction modification and toxin-antitoxin systems in most symbiont genomes over selected reference genomes. Both are defense features against incoming foreign DNA, which may be important for sponge symbionts due to the sponge’s filtration and phagocytosis activity that exposes the symbionts to high levels of free DNA. Also host colonization and matrix utilization features were significantly enriched. Due to the diversity of the binned symbiont genomes, a within-symbionts genome comparison was possible, that revealed three guilds of symbionts characterized by i) nutritional specialization on the metabolization of carnitine, ii) specialization on sulfated polysaccharides, and iii) apparent nutritional generalism. Both carnitine and sulfated polysaccharides are abundant in the sponge extracellular matrix and therefore available to the sponge symbionts as substrates. In summary, the genomes of the diverse community of symbionts in A. aerophoba were united in their defense features, but specialized regarding their nutritional preferences.
N2  - Schwämme (Phylum Porifera) sind evolutionär alte, sessile Filtrierer, die eine äußerst vielfältige mikrobielle Gemeinschaft in ihrer internen Mesohylmatrix beherbergen. Das Ziel meiner Doktorarbeit war es, die Anpassungen dieser Symbionten an das Leben in ihrem Schwammwirt zu erforschen. Dazu habe ich die Genome einer Vielzahl von Bakterien aus dem Mikrobiom des Mittelmeer-Schwammes Aplysina aerophoba sequenziert und analysiert. Meine angewandten Methoden waren die fluoreszenzaktivierte Zellsortierung mit anschließender so genannter „multiple displacement amplification“ und Einzelzell- / „Mini-Metagenom“-Sequenzierung und metagenomischer Sequenzierung gefolgt von „differential coverage binning“. Diese beiden Ansätze zielten darauf ab, Genomsequenzen von bakteriellen Symbionten von A. aerophoba zu erhalten, die dann sowohl miteinander, als auch mit Referenzen aus anderen Habitaten verglichen wurden. So sollten Informationen gewonnen werden über Anpassungen an ein Leben im Wirtsschwamm und über mögliche Interaktionen mit dem Wirt und innerhalb der mikrobiellen Gemeinschaft.
Cyanobakterien sind häufig Mitglieder der bakteriellen Gemeinschaft in Schwämmen. Mein "Mini-Metagenom"-Sequenzierprojekt lieferte drei Genom-Entwürfe von „Candidatus Synechococcus spongiarum,“ dem cyanobakteriellen Symbionten von A. aerophoba und vieler weiterer Schwämme, die die photische Zone bewohnen. Das vollständigste dieser Genome wurden mit anderen Kladen dieses Symbionten verglichen und mit nah verwandten, freien lebenden Cyanobakterien-Referenzen in Burgsdorf I *, Slaby BM * et al. (2015; * geteilte Erstautorenschaft). Obwohl die vier Kladen von „Ca. Synechococcus spongiarum“ aus den vier Schwammarten A. aerophoba, Ircinia variabilis, Theonella swinhoei und Carteriospongia foliascens auf der Ebene der 16S-rRNA-Gensequenzen zu etwa 99% identisch waren, unterschieden sie sich deutlich auf Genom-Ebene. Nicht nur die Genomgrößen waren von Klade zu Klade verschieden, sondern auch der Gengehalt und eine Reihe von Merkmalen, einschließlich Proteinen mit genannten „eukaryotic-like domains,“ leucinreiche „repeats“ oder Tetratricopeptid-„repeats“. Auf der anderen Seite teilten die vier Kladen eine Reihe von Merkmalen wie Ankyrin-„repeat“-Domänen-haltige Proteine, die auch in anderen Phyla von Schwammsymbionten in verschiedenen Wirtsschwämmen und aus verschiedenen geografischen Orten konserviert zu sein schienen. Ein möglicher neuartiger Mechanismus zur Phagozytose-Vermeidung und zur Phagenresistenz mittels eines veränderten O-Antigens des Lipopolysaccharids wurde identifiziert.
Um vorherige Hypothesen über die Anpassung von Schwamm-assoziierten Bakterien auf ein breiteres Spektrum des Mikrobioms von A. aerophoba zu testen und gleichzeitig in der Methodik voran zu schreiten, entwickelte ich einen bioinformatischen Arbeitsablauf, um metagenomische Illumina-„short-read“-Sequenzdaten mit PacBio-„long-reads“ zu kombinieren. Zu Beginn dieses Projektes gab es keine veröffentlichte Methodik zur Verknüpfung von „short-reads“ und „long-reads“ für die Metagenomik, und auch jetzt gibt es keine veröffentlichten Projekte mit einem vergleichbaren Ziel von nicht-gezieltem „Assembly“, „Binning“ und Analyse eines Metagenoms. Ich habe eine Auswahl von „Assembly“-Programmen und Einstellungen auf einem simulierten Testdatensatz getestet, der die Eigenschaften der realen metagenomischen Daten widerspiegelt. Die entwickelte „Assembly“-Methode verbesserte nicht nur die Gesamtstatistik, sondern auch die Qualität der einzelnen, „gebinnten“ Genome, die durch Vergleich zu den ursprünglich veröffentlichten Genom-Sequenzen evaluiert wurde.
Das Mikrobiom von A. aerophoba wurde in den letzten Jahren aus verschiedenen Blickwinkeln untersucht, aber nur Genome des Candidatus-Phylum Poribakterien und die Cyanobakteriensequenzen aus meinem oben beschriebenen Projekt wurden bisher veröffentlicht. Durch die Anwendung meiner neu entwickelten „Assembly“-Methodik auf einen metagenomischen Datensatz von A. aerophoba bestehend aus einem PacBio-„long-read“-Datensatz und sechs Illumina-„short-read“-Datensätzen, die für das anschließende „differential coverage binning“ optimiert waren, zielte ich darauf ab, eine größere Anzahl und Vielfalt von Symbionten zu sequenzieren. Die Ergebnisse dieses Projektes sind derzeit bei The ISME Journal in Review. Die Komplementierung von Illumina „short-read“ mit PacBio „long-read“-Sequenzdaten für das „binning“ dieses hochkomplexen Metagenoms hat die Gesamt-„assembly“-Statistik sowie die Qualität der „gebinnten“ Genome deutlich verbessert. Siebenunddreißig Genome aus 13 Bakterienphyla und Candidatus-Phyla wurden „gebinnt“, die die prominentesten Mitglieder des Mikrobioms von A. aerophoba darstellten. Ein statistischer Vergleich zeigte eine Anreicherung von Genen, die mit Restriktionsmodifikationen und Toxin-Antitoxin-Systemen zusammenhängen, in den meisten Symbionten-Genomen im Vergleich zu ausgewählten Referenzgenomen. Beides sind Mechanismen zur Verteidigung gegen eindringende Fremd-DNA, die für Schwamm-Symbionten aufgrund der Schwamm-Filtration und Phagozytose-Aktivität wichtig sein können, die die Symbionten hohen Konzentrationen von freier DNA aussetzen. Auch mögliche Wirtskolonisations- und Matrixnutzungsmechanismen waren signifikant angereichert. Wegen der Vielfalt der „gebinnten“ Symbionten-Genome war ein Genom-Vergleich innerhalb der Symbionten möglich, der drei Gilden von Symbionten zum Vorschein brachte, die gekennzeichnet waren durch i) Ernährungsspezialisierung auf die Metabolisierung von Carnitin, ii) Spezialisierung auf sulfatierte Polysaccharide und iii) scheinbaren Nahrungs-Generalismus. Sowohl Carnitin als auch sulfatierte Polysaccharide sind in der extrazellulären Schwammmatrix reichlich vorhanden und stehen so den Schwammsymbionten als Substrat zur Verfügung. Die Genome der diversen Symbionten-Gemeinschaft in A. aerophoba waren in ihren Verteidigungsmechanismen vereint, aber spezialisiert hinsichtlich ihrer Ernährung.
KW  - Metagenom
KW  - metagenomics
KW  - single-cell genomics
KW  - sponge microbiome
KW  - differential coverage binning
KW  - PacBio sequencing
KW  - Illumina HiSeq
KW  - hybrid assembly
KW  - Aplysina aerophoba
KW  - Mikroorganismus
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-151869
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TY  - THES
A1  - Müller, Stephanie
T1  - Plant thermotolerance: The role of heat stress-induced triacylglycerols in \(Arabidopsis\) \(thaliana\)
T1  - Thermotoleranz in Pflanzen: Die Rolle von Hitzestress induzierten Triacylglycerolen in \(Arabidopsis\) \(thaliana\)
N2  - Plants are exposed to high temperature, especially during hot summer days. Temperatures are typically lowest in the morning and reach a maximum in the afternoon. Plants can tolerate and survive short-term heat stress even on hot summer days. A. thaliana seedlings have been reported to tolerate higher temperatures for different time periods, a phenomenon that has been termed basal thermotolerance. In addition, plants have the inherent capacity to acclimate to otherwise lethal temperatures. Arabidopsis thaliana seedlings acclimate at moderately elevated temperatures between 32–38° C. During heat acclimation, a genetically programmed heat shock response (HSR) is triggered that is characterized by a rapid activation of heat shock transcription factors (HSFs), which trigger a massive accumulation of heat shock proteins that are chiefly involved in protein folding and protection. 
Although the HSF-triggered heat-shock response is well characterized, little is known about the metabolic adjustments during heat stress. The aim of this work was to get more insight into heat-responsive metabolism and its importance for thermotolerance. 
In order to identify the response of metabolites to elevated temperatures, global metabolite profiles of heat-acclimated and control seedlings were compared. Untargeted metabolite analyses revealed that levels of polyunsaturated triacylglycerols (TG) rapidly increase during heat acclimation. TG accumulation was found to be temperature-dependent in a temperature range from 32–50° C (optimum at 42° C). Heat-induced TG accumulation was localized in extra-chloroplastic compartments by chloroplast isolation as well as by fluorescence microscopy of A. thaliana cell cultures. 
Analysis of mutants deficient in all four HSFA1 master regulator genes or the HSFA2 gene revealed that TG accumulation occurred independently to HSF. Moreover, the TG response was not limited to heat stress since drought and salt stress (but not short-term osmotic, cold and high light stress) also triggered an accumulation of TGs. 
In order to reveal the origin of TG synthesis, lipid analysis was carried out. Heat-induced accumulation of TGs does not derive from massive de novo fatty acid (FA) synthesis. On the other hand, lipidomic analyses of A. thaliana seedlings indicated that polyunsaturated FA from thylakoid galactolipids are incorporated into cytosolic TGs during heat stress. This was verified by lipidomic analyses of A. thaliana fad7/8 transgenic seedlings, which displayed altered FA compositions of plastidic lipids. In addition, wild type A. thaliana seedlings displayed a rapid conversion of plastidic monogalactosyldiacylglycerols (MGDGs) into oligogalactolipids, acylated MGDGs and diacylglycerols (DGs). For TG synthesis, DG requires a FA from the acyl CoA pool or phosphatidylcholine (PC). Seedlings deficient in phospholipid:diacylglycerol acyltransferase1 (PDAT1) were unable to accumulate TGs following heat stress; thus PC appears to be the major FA donor for TGs during heat treatment. These results suggest that TG and oligogalactolipid accumulation during heat stress is driven by post-translationally regulated plastid lipid metabolism. 
TG accumulation following heat stress was found to increase basal thermotolerance. Pdat1 mutant seedlings were more sensitive to severe heat stress without prior acclimatization, as revealed by a more dramatic decline of the maximum efficiency of PSII and lower survival rate compared to wild type seedlings. In contrast, tgd1 mutants over-accumulating TGs and oligogalactolipids displayed a higher basal thermotolerance compared to wild type seedlings. These results therefore suggest that accumulation of TGs increases thermotolerance in addition to the genetically encoded heat shock response.
N2  - Pflanzen sind besonders während der Sommerzeit hohen Temperaturschwankungen ausgesetzt. Temperaturen sind am Morgen meist niedrig und erreichen ihr Maximum während des Nachmittags. Pflanzen können Hitzestress im Sommer jedoch für eine kurze Zeit tolerieren. Arabidopsis thaliana Keimlinge können höhere Temperaturen für verschiedene Zeitspannen tolerieren, was als Basale Thermotoleranz beschrieben wird. Zusätzlich können Pflanzen durch Akklimatisierung eine Toleranz zu andernfalls letalen Temperaturen erwerben. A. thaliana Keimlinge beginnen sich bereits bei moderat erhöhten Temperaturen zwischen 32–38° C zu akklimatisieren. Während der Hitzeakklimatisierung wird eine genetisch programmierte Hitzeschockantwort (HSR) ausgelöst, welche durch eine rasche Aktivierung von Hitzeschock-Transkriptionsfaktoren (HSF) eingeleitet wird. Dies führt wiederum zu einem enormen Anstieg von einer Reihe von Hitzeschockproteinen (HSP), welche an der Faltung und dem Schutz der Proteine beteiligt sind. 
Obwohl die HSF-induzierte Hitzeschockantwort bereits gut charakterisiert ist, ist über die metabolomische Anpassung während des Hitzestress nur wenig bekannt. Das Ziel dieser Arbeit war es mehr Kenntnisse von hitze-respondierenden Metaboliten zu erhalten sowie deren Bedeutung für die Thermotoleranz. Zur Identifizierung von thermosensitiven Metaboliten, wurden die Metabolitprofile von Hitze akklimatisierten und Kontrollkeimlingen miteinander verglichen. Mittels ungerichteter Metabolit Analyse wurde ein rascher Anstieg von vielfach ungesättigten Triacylglycerolen (TG) während der Hitzeakklimatisierung nachgewiesen. Der TG Anstieg ist temperaturabhängig in einem Bereich von 32–50° C (Optimum bei 42° C).
Der hitzeinduzierte TG Anstieg konnte mittels Chloroplastenisolierung sowie der separaten Analyse von Wurzel und Spross in den extrachloroplastidären Kompartimenten lokalisiert werden. Dies konnte durch Fluoreszenz Mikroskopie in Zellkulturen von A. thaliana bestätigt werden. 
Die Analyse von Mutanten, die einen Defekt in allen vier HSFA1 Masterregulatoren oder in dem HSFA2 Gen besitzen, zeigte, dass der Anstieg der TGs keine Abhängigkeit von den HSFs aufweist. Zudem ist der TG Anstieg nicht nur auf die Hitzestressantwort begrenzt, sondern auch durch Trockenheit und Salzstress induzierbar, jedoch nicht durch kurzzeitigen osmotischen-, Kälte- und Hochlichtstress. 
Zur Aufklärung des Ursprungs der TG Synthese wurde eine Lipidanalyse durchgeführt. Die hitzeinduzierte TG Akkumulation durch eine massive De Novo Fettsäuresynthese konnte ausgeschlossen werden. Die Untersuchung des Lipidoms von A. thaliana Keimlingen nach Hitze bot jedoch Hinweise auf einen Einbau von vielfach ungesättigten Fettsäuren aus thylakoiden Galaktolipiden in zytosolische TGs. Dies konnte durch die Untersuchung des Lipidoms von fad7/8 transgenen A. thaliana Keimlingen mit veränderter Fettsäure Komposition der plastidären Lipide bestätigt werden.
Der Wildtyp von A. thaliana wies zudem eine rasche Umwandlung von plastidärem Monogalactosyldiacylglycerolen  (MGDGs) zu Oligogalaktolipiden, acylierten MGDGs und Diacylglycerolen (DGs) auf. Für die TG Biosynthese wird eine Fettsäure aus dem Acyl-CoA Pool oder von Phosphatidylcholin (PC) auf ein DG übertragen. Keimlinge, die einen Defekt in der Phosolipid:Diacylglycerol Acyltransferase (PDAT1) aufweisen, waren nicht in der Lage TGs nach Hitzestress zu akkumulieren, auf PC als der wesentliche Fettsäure-Donor für TGs nach Hitzestress hinweist. Die Ergebnisse deuten auf einen TG und Oligogalaktolipid Anstieg durch einen posttranskriptionell regulierten Lipidumbau während des Hitzestress hin. 
Es konnte gezeigt werden, dass der TG Anstieg nach Hitzestress zu einer erhöhten Thermotoleranz führt. Keimlinge der pdat1 Mutanten waren ohne Akklimatisierung empfindlicher gegenüber massiven Hitzestress, da sowohl ein dramatischer Abfall der maximalen Effizienz des Photosystems II und eine niedrigere Überlebensrate im Vergleich zu Keimlingen des Wildtyps nachgewiesen wurden. Im Gegensatz dazu zeigten tgd1 Mutanten, welche eine Überakkumulation von TGs und Oligogalaktolipiden aufweisen, eine höhere Thermotoleranz auf als Keimlinge des Wildtyps. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass die TG Akkumulation die Thermotoleranz zusätzlich zu der genetisch kodierten Hitzeschockantwort erhöht.
KW  - Triglyceride
KW  - Ackerschmalwand
KW  - Hitzestress
KW  - thermotolerance
KW  - Thermotoleranz
KW  - lipid remodeling
KW  - Lipidumbau
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-152829
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TY  - THES
A1  - Horn, Hannes
T1  - Analysis and interpretation of (meta-)genomic data from host-associated microorganisms
T1  - Analyse und Interpretation von (meta-)genomischen Daten aus Wirt-assoziierten Mikroorganismen
N2  - Host–microbe interactions are the key to understand why and how microbes inhabit specific environments. With the scientific fields of microbial genomics and metagenomics, evolving on an unprecedented scale, one is able to gain insights in these interactions on a molecular and ecological level. The goal of this PhD thesis was to make (meta–)genomic data accessible, integrate it in a comparative manner and to gain comprehensive taxonomic and functional insights into bacterial strains and communities derived from two different environments: the phyllosphere of Arabidopsis thaliana and the mesohyl interior of marine sponges.

This thesis focused first on the de novo assembly of bacterial genomes. A 5–step protocol was developed, each step including a quality control. The examination of different assembly software in a comparative way identified SPAdes as most suitable. The protocol enables the user to chose the best tailored assembly. Contamination issues were solved by an initial filtering of the data and methods normally used for the binning of metagenomic datasets. This step is missed in many published assembly pipelines. The described protocol offers assemblies of high quality ready for downstream analysis.

Subsequently, assemblies generated with the developed protocol were annotated and explored
in terms of their function. In a first study, the genome of a phyllosphere bacterium, Williamsia sp. ARP1, was analyzed, offering many adaptions to the leaf habitat: it can deal with temperature shifts, react to oxygen species, produces mycosporins as protection against UV–light, and is able to uptake photosynthates. Further, its taxonomic position within the Actinomycetales was infered from 16S rRNA and comparative genomics showing the close relation between the genera Williamsia and Gordonia.

In a second study, six sponge–derived actinomycete genomes were investigated for secondary metabolism. By use of state–of–the–art software, these strains exhibited numerous gene clusters, mostly linked to polykethide synthases, non–ribosomal peptide synthesis, terpenes, fatty acids and saccharides. Subsequent predictions on these clusters offered a great variety of possible produced compounds with antibiotic, antifungal or anti–cancer activity. These analysis highlight the potential for the synthesis of natural products and the use of genomic data as screening toolkit.

In a last study, three sponge–derived and one seawater metagenomes were functionally compared. Different signatures regarding the microbial composition and GC–distribution were observed between the two environments. With a focus on bacerial defense systems, the data indicates a pronounced repertoire of sponge associated bacteria for bacterial defense systems, in particular, Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, restriction modification system, DNA phosphorothioation and phage growth limitation. In addition, characterizing genes for secondary metabolite cluster differed between sponge and seawater microbiomes. Moreover, a variety of Type I polyketide synthases were only found within the sponge microbiomes. With that, metagenomics are shown to be a useful tool for the screening of secondary metabolite genes. Furthermore, enriched defense systems are highlighted as feature of sponge-associated microbes and marks them as a selective trait.
N2  - Mikroben–Wirt Interaktionen sind der Schlüssel, um zu verstehen “Wie?” und “Warum?” Mikroben in bestimmten Umgebungen vorkommen. Mithilfe von Genomik und Metagenomik lassen sich Einblicke auf dem molekularen sowie ökolgischen Level gewinnen. Ziel dieser Arbeit war es, diese Daten zugänglich zu machen und zu vergleichen, um Erkenntnisse auf taxonomischer und funktionaler Ebene in bakterielle Isolate und bakterielle Konsortien zu erhalten. Dabei wurden Daten aus zwei verschiedenen Umgebungen erhoben: der Phyllosphäre von Arabidopsis thaliana und aus der Mesohyl–Matrix mariner Schwämme.

Das Ziel war zunächst, bakterieller Genome denovo zu assemblieren. Dazu wurde ein Protokoll, bestehend aus 5 Schritten, entwickelt. Durch Verwendung verschiedener Soft- ware zum Assemblieren konnte SPAdes als am besten geeignet für die gegebenen Daten herausgearbeitet werden. Durch anfängliches Filtern der Daten konnte erste Kontamina- tion entfernt werden. Durch das Anwenden weiterer Methoden, welche ursprünglich für metagenomische Datensätze entwickelt wurden, konnten weitere Kontaminationen erkannt und von den “echten” Daten getrennt werden. Ein Schritt, welcher in den meisten pub- lizierten Assembly–Pipelines fehlt. Das Protokoll ermöglicht das Erstellen hochqualitativer Assemblies, welche zur weiteren Analyse nicht weiter aufbereitet werden müssen.
Nachfolgend wurden die generierten Assemblies annotiert. Das Genom von William- sia sp. ARP1 wurde untersucht und durch dessen Interpretation konnten viele Anpassungen an die Existenz in der Phyllosphäre gezeigt werden: Anpassung an Termperaturveränderun- gen, Produktion von Mycosporinen als Schutz vor UV–Strahlung und die Möglichkeit, von der Pflanze durch Photosynthese hergestellte Substanzen aufzunehmen. Seine taxonomische Position wurde aufgrund von 16S rRNA sowie vergleichende Genomik bestimmt. Dadurch konnte eine nahe Verwandtschaft zwischen den Gattungen Williamsia und Gordonia gezeigt werden.

In einer weiteren Studie wurden sechs Actinomyceten–Genome, isoliert aus Schwämmen, hinsichtlich ihres Sekundärmetabolismus untersucht. Mihilfe moderner Software konnten in zahlreiche Gen–Cluster identifiziert werden. Zumeist zeigten diese eine Zugehörigkeit zu Polyketidsynthasen, Nichtribosomalen Peptidsynthasen, Terpenen, Fettsäuren oder Sac- chariden. Durch eine tiefere Analyse konnten die Cluster mit chemischen Verbindungen assoziiert werden, welche antibakterielle oder fungizide Eigenschaften besitzen.

In der letzten Untersuchung wurden Metagenome von drei Schwämmen sowie Meerwasser auf funktioneller Ebene verglichen. Beobachtet wurden Unterschiede in deren mikrobiellen Konsortien und GC–Gehalt. Schwamm–assoziierte Bakterien zeigten ein ausgeprägtes Inventar an Verteidigungsmechanismen gegenüber deren Vertretern aus dem Meerwasser. Dies beinhaltete vor allem: Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, das Restriktions-Modifikationssystem, DNA Phosphorothioation, oder Gene, welche das Wachstum von Phagen hemmen können. Gene für Sekundärmetabolite waren zwischen Schwamm– und Meerwasser–Metagenomen unterschiedlich stark ausgeprägt. So konnten Typ I Polyketidsynthasen ausschließlich in den Schwamm–Metagenomen gefunden werden. Dies zeigt, dass metagenomische Daten ebenso wie genomische Daten zur Untersuchung des Sekundärmetabolismus genutzt werden können. Des Weiteren zeigt die Anhäufung an Verteidigungsmechanismen eine Anpassung von Schwamm–assoziierten Mikroben an ihre Umgebung und ist ein Hinweis auf deren mögliche selektive Eigenschaft.
KW  - Bakterien
KW  - Meeresschwämme
KW  - Metagenom
KW  - Phyllosphäre
KW  - Ackerschmalwand
KW  - Metagenomics
KW  - Genomics
KW  - Phyllosphere
KW  - Sponges
KW  - Bacteria
KW  - Deep sequencing
KW  - Arabidopsis thaliana
KW  - Bioinformatics
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-152035
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TY  - THES
A1  - Gehring, Jennifer
T1  - Functional analysis of the latrophilin homolog dCirl in Drosophila melanogaster
T1  - Funktionelle Analyse des latrophilin Homologs dCirl in Drosophila melanogaster
N2  - Latrophilin, alternatively named calcium-independent receptor of α-latrotoxin (CIRL), resembles a prototype of the adhesion class G-protein coupled receptors (GPCRs). Initially identified as a high-affinity receptor for α-latrotoxin, a component of the black widow spider, latrophilins are now associated with various distinct functions, such as synaptic exocytosis, tissue polarity and fertility (Tobaben et al., 2002; Langenhan et al., 2009; Promel et al., 2012). Despite these exploratory efforts the precise subcellular localisation as well as the endogenous ligand of CIRL still remains elusive. In this work genetic experiments, imaging approaches and behavioural studies have been used to unravel the localisation and physiological function of the latrophilin homolog dCirl in Drosophila melanogaster. Containing only one latrophilin homolog together with its genetic accessibility and well-established transgenic approaches, Drosophila seemed an ideally suited model organism. The present study showed that dCirl is widely expressed in the larval central nervous system including moto- and sensory neurons. Further, this work revealed that removal of the latrophilin homolog does not greatly affect synaptic transmission but it seems that aspects of the postsynaptic structural layout are controlled by dCIRL in the fruit fly. Additionally, dCirl expression at the transcriptional level was confirmed in larval and adult chordotonal organs, specialised mechanosensors implicated in proprioception (Eberl, 1999). Expression of dCIRL at the protein level could not yet been confirmed in moto- and sensory neurons likely due to low endogenous expression. However, behavioural studies using dCirl knockout mutant larvae indicated a putative mechanosensory function of dCIRL regarding touch sensitivity and locomotion behaviour.
The second part of this thesis presents a strategy to examine interactions between several presynaptic proteins in living cells. The attempt described in this work is based on the discovery that GFP when split into two non-fluorescent fragments can form a fluorescent complex. The association of the fragments can be facilitated by fusing them to two proteins that interact with each other. Therefore, the split GFP method enables direct visualization of synaptic protein interactions in living cells. In initial experiments I could show that full length reporter protein fusions with n-Synaptobrevin (n-Syb), Synaptotagmin (Syt) and Syntaxin (Syx) allow expression in Drosophila and confirmed that fusion to either end of each synaptic protein did not impair expression or influence the viability of transgenic flies. Further, transgenes containing protein fusions of Syx, Syt, and n-Syb with split GFP fragments were established in previous studies (Gehring, 2010). The present work characterises the interaction of these protein fusions during different stages of synaptic vesicle turnover at active zones such as synaptic vesicle docking at the presynaptic membrane and vesicle fusion. These results suggest that the spGFP assay seems only partly suitable for resolving fast and transient protein-protein interactions at larval Drosophila active zones in vivo.
N2  - Latrophilin, auch als Calcium-unabhängiger Rezeptor für α-Latrotoxin (CIRL) bezeichnet, repräsentiert einen Prototyp der  Adhäsions G-Protein gekoppelten Rezeptorklasse. Ursprünglich als hoch-affiner Rezeptor für α-Latrotoxin entdeckt, werden Latrophiline heute mit zahlreichen verschiedenen Funktionen, wie synaptischer Exozytose, Gewebepolarität und Fertilität assoziiert (Tobaben et al., 2002; Langenhan et al., 2009; Promel et al., 2012). Trotz dieser Fortschritte sind die genaue subzelluläre Lokalisation sowie der endogene Ligand noch weitgehend unbekannt. Diese Studie verwendet genetische Ansätze, bildgebende Verfahren und Verhaltensstudien, um die Lokalisation und physiologische Funktion des Latrophilinhomologs dCirl in Drosophila melanogaster aufzuklären. Die Tatsache, dass Drosophila nur ein einziges Latrophilin Homolog besitzt, zusammen mit den genetischen Möglichkeiten und den sehr gut etablierten transgenen Methoden, machen die Fruchtfliege zu einem idealen Modellorganismus. Die erhobenen Daten belegen, dass dCirl verstärkt im larvalen Nervensystem, einschließlich motorischer und sensorischer Neurone, exprimiert wird. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass in dCirl Knockout-Mutanten die basale synaptische Transmission unverändert ist, vermutlich aber Teile der postsynaptischen Struktur durch dCIRL in der Fruchtfliege kontrolliert werden. Zusätzlich konnte nachgewiesen werden, dass dCirl auf Transkriptionsebene in den larvalen und adulten Chordotonalorganen exprimiert wird, spezifische Mechanosensoren, die an der Propriozeption beteiligt sind (Eberl, 1999). Die Expression von dCIRL auf Proteinebene in motorischen und sensorischen Neuronen konnte aufgrund niedriger endogener Expressionslevel noch nicht verifiziert werden. Allerdings deuten Verhaltensstudien, die Berührungsempfindlichkeit und Lokomotion untersuchen, auf eine mögliche mechanosensorische Funktion von dCIRL in den Larven von Drosophila hin. 
Der zweite Teil dieser Arbeit zeigt eine Strategie auf, die es ermöglicht, das Zusammenspiel verschiedener präsynaptischer Proteine in vivo zu untersuchen. Die hier beschriebene Methode basiert auf der Entdeckung, dass sich zwei nicht-fluoreszierende Fragmente des grün leuchtenden Proteins (GFP), zu einem fluoreszierenden Komplex zusammenlagern können. Diese geteilten GFP-Fragmente (split-GFPs) werden mit zwei unterschiedlichen Proteinen fusioniert, die miteinander interagieren. Die split-GFP Methode ermöglicht so eine direkte Visualisierung von Protein-Protein-Interaktionen in lebenden Zellen. In ersten Experimenten konnte ich zeigen, dass Synaptobrevin (n-Syb), Synaptotagmin (Syt) und Syntaxin (Syx), die mit vollständigen Fluorophoren markiert wurden, für die Expression in Drosophila geeignet sind und bestätigen, dass sowohl die N-terminale als auch die C-terminale Proteinfusion möglich ist. Zudem konnte durch diese Versuche die Überlebensfähigkeit der transgenen Fliegen überprüft werden. In vorangegangenen Studien wurden Transgene hergestellt, die Proteinfusionen von n-Syb, Syt und Syx mit split-GFP Fragmenten enthalten (Gehring, 2010). Die vorliegende Arbeit charakterisiert die Wechselwirkung dieser Proteinfusionen während unterschiedlicher Stufen der synaptischen Vesikelfreisetzung an der aktiven Zone, wie beispielsweise dem Vesikel-docking an der präsynaptischen Membran und der Vesikelfusion. Die Ergebnisse dieser Studie deuten darauf hin, dass die split-GFP Technik nur bedingt geeignet ist um schnelle und transiente Protein-Protein Interaktionen an der larvalen aktiven Zone von Drosophila in vivo darzustellen.
KW  - Taufliege
KW  - G-Protein gekoppelte Rezeptor
KW  - Drosophila melanogaster
KW  - Cirl
KW  - Latrophilin
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-101061
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TY  - THES
A1  - Gao, Shiqiang
T1  - Characterizing new photoreceptors to expand the Optogenetic toolbox
T1  - Charakterisierung neuer Photorezeptoren zur Erweiterung der Optogenetik
N2  - Optogenetics is a method to control the cell activity with light by expression of a natural or engineered photoreceptor via genetic modification technology. Optogenetics early success came with the light-gated cation channel "Channelrhodopsin-2" in neurons and expanded from neuroscience to other research fields such as cardiac research and cell signaling, also due to the enrichment by new photoreceptors. In this study, I focus on searching and characterizing new photoreceptors to expand the optogenetic tool box. In this work I characterize three newly discovered microbial rhodopsins and some engineered mutants of them.
The first rhodopsin is a proton pump from the diatom Fragilariopsis cylindrus, Fragilariopsis Rhodopsin or abbreviated: FR. I cloned the full-length FR and proved it to be a light-activated proton pump with high efficacy in comparison to Bacteriorhodopsin (BR). During this study, I also developed a new method to improve the plasma membrane targeting of several microbial rhodopsins. I also obtained a FR mutant (channel-like FR or chFR) which behaves like a light-gated proton channel. FR can be used for optogenetic hyperpolarization or alkalization of a cell while the chFR could be used for depolarization or lowering of the cellular pH. The induction of FR expression under iron-limited conditions in the diatom indicated an alternative energy generation mechanism of F. cylindrus when iron-containing enzymes are scarce. 
I then characterized a new microbial rhodopsin with novel light-regulated Guanylyl Cyclase (GC) activity. This rhodopsin guanylyl cyclase from the fungus Blastocladiella emersonii (B.e. CyclaseOpsin or BeCyclOp) has been proven by me to be an efficient light-gated GC with high specificity and fast kinetics. BeCyclOp also has a novel structure with eight transmembrane helices, containing a long cytosolic N-terminus which participates in the tight regulation of the GC activity. In collaboration with Prof. Alexander Gottschalk (Univ. Frankfurt/M.), BeCyclOp has been tested in muscle cells and sensory neurons of Caenorhabditis elegans and proven to be a powerful optogenetic tool in a living animal. I also generated a BeCyclOp mutant with enhanced light sensitivity.
Already more than ten years ago, guanylyl cyclase rhodopsins were suggested to exist in Chlamydomonas reinhardtii by analyzing genomic sequence data. But until now no functional proof existed. By further cloning and sequencing I discovered such a rhodopsin with light-regulated guanylyl cyclase activity. This functional Cyclaseopsin (COP6c) is quite different to BeCyclOp, as it was proven to be a light-inhibited GC. Cop6c is much larger than BeCyclOp with a His-Kinase and a response regulator domain between the rhodopsin and the cyclase domain.
I also introduced a new strategy for generating optogenetic tools by fusing the photoactivated adenylyl cyclase bPAC to two different CNG channels. These new tools function via light-gated cAMP production and subsequent CNG channel activation. These tools combined the properties of bPAC (highly sensitive to blue light) and CNG channels (high single-channel conductance and high Ca2+ permeability), as demonstrated by expression in Xenopus oocytes. As a further benefit the fusing of bPAC to CNG channels leads to a bPAC with a more than tenfold reduced dark activity which is a valuable improvement for bPAC itself as an optogenetic tool.
N2  - Als Optogenetik wird die Technik bezeichnet, durch genetische Veränderung Photorezeptoren in Zellen einzubringen, um die Zellaktivität mit Licht zu steuern. Frühe Erfolge der Optogenetik wurden mit dem Licht-gesteuerten Kationenkanal "Channelrhodopsin-2" in Neuronen von lebenden Tieren erzielt. Die Anwendung erweiterte sich von den Neurowissenschaften zu anderen Forschungsfeldern, wie Herzforschung und Zellbiologie, auch durch die Bereicherung mit neuen Photorezeptoren. Hier konzentriere ich mich auf die Suche und Charakterisierung neuer Photorezeptoren. In dieser Arbeit werden drei neu entdeckte, natürliche mikrobielle Rhodopsine, sowie ausgewählte Mutanten, charakterisiert.
Das erste Rhodopsin ist eine Protonenpumpe aus der Kieselalge (Diatomee) Fragilariopsis cylindrus, Fragilariopsis-Rhodopsin, abgekürzt FR. Ich klonierte FR und bewies, dass FR eine Licht-aktivierte Protonenpumpe mit hoher Wirksamkeit ist. In dieser Studie zeige ich auch eine Methode, um die Plasmamembran-Lokalisation von FR und mehreren anderen Rhodopsinen zu verbessern. Ich identifizierte eine FR-Mutante (chFR), die sich wie ein Licht-gesteuerter Protonenkanal verhält. FR kann für die Licht-gesteuerte Hyperpolarisation oder Alkalisierung der Zelle verwendet werden, während chFR möglicherweise verwendet werden könnte, um den zellulären pH Licht-gesteuert abzusenken. Die Induktion der FR-Expression unter Eisenmangel-Bedingungen legt einen neuen Energieerzeugungsmechanismus von F. cylindrus nahe, wenn Eisen-haltige Enzyme in den Chloroplasten fehlen.
Ich habe dann ein neues mikrobielles Rhodopsin mit Licht-geregelter Guanylylcyclase (GC) Aktivität untersucht. Für dieses Cyclaseopsin aus dem Pilz Blastocladiella emersonii (BeCyclOp) konnte ich zeigen, dass es sich um eine effiziente lichtgesteuerte GC mit hoher Spezifität und schneller Kinetik handelt. BeCyclOp hat eine für ein Opsin neuartige Struktur mit acht Transmembranhelices. Für den langen cytosolischen N-Terminus zeigte ich eine Beteiligung an der Regulierung der GC-Aktivität. BeCyclOp wurde im Labor von Prof. A. Gottschalk (Univ. Frankfurt/M.) in den Muskelzellen und sensorischen Neuronen von Caenorhabditis elegans getestet und erwies sich als ein leistungsfähiges Werkzeug in optogenetisch veränderten, lebenden Tieren. Ich habe dann auch eine BeCyclOp Mutante mit verbesserter Lichtempfindlichkeit hergestellt.
Bereits vor über zehn Jahren wurden anhand genomischer Daten Guanylylcyclase-Rhodopsine in Chlamydomonas reinhardtii postuliert, konnten aber funktionell bisher nicht nachgewiesen werden. Durch Klonieren von verschiedenen Chlamydomonas reinhardtii Stämmen gelang es mir, solch ein Opsin (Cop6c) zu entdecken, dessen Guanylylcyclase-Aktivität eindeutig Licht-reguliert ist. COP6c ist ganz anders als BeCyclOp, nicht nur weil die GC-Aktivität durch Licht inhibiert wird. Außerdem ist Cop6c ein viel größeres Protein mit einer zusätzlichen His-Kinase-, sowie einer Transducer-Domäne zwischen der Rhodopsin- und der Cyclase-Domäne.
Schlussendlich zeige ich auch eine neue Strategie zur Erzeugung von optogenetischen Werkzeugen durch Fusion der Licht-aktivierten Adenylyl-Cyclase (AC) bPAC mit CNG-Kanälen. Diese neuen "Werkzeuge" funktionieren über Licht-gesteuerte cAMP-Produktion und die anschließende Aktivierung eines cAMP-sensitiven Kationen-(CNG-) Kanals. Hierbei werden die positiven Eigenschaften von bPAC (sehr empfindlich auf blaues Licht) und CNG-Kanälen (hohe Leitfähigkeit bei hoher Ca2+-Durchlässigkeit) kombiniert. Darüber hinaus konnte ich demonstrieren, dass  die Fusion der bPAC an den CNG-Kanal zu einer bPAC mit stark reduzierter AC-Aktivität im Dunkeln führte, was allein schon eine gute Verbesserung der bPAC als optogenetische Werkzeug ist.
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KW  - Characterizing New Photoreceptors to Expand the Optogenetic Toolbox
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Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-112941
ER  -