576 Genetik und Evolution
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MicroRNAs sind kurze, nicht-kodierende Ribonukleinsäuren, die eine wichtige Rolle bei der Genregulation spielen. Sie sind an vielen physiologischen Prozessen beteiligt und werden als vielversprechende Kandidaten für eine neue Generation von Biomarkern gehandelt. Die Quantifizierung von miRNAs aus Blut oder anderen Körperflüssigkeiten verspricht eine frühe Diagnose verschiedener Krankheitsbilder. Dazu zählen neben zahlreichen Krebsformen unter anderem auch Autoimmun- oder Herz-Kreislauferkrankungen. Um diese Biomarker schnell, sensitiv und spezifisch detektieren zu können, werden geeignete Detektionssysteme benötigt. Dabei liegt ein besonderer Fokus auf der Entwicklung von Point-of-Care-Systemen, die eine automatisierte Durchführung mit einfacher Handhabung verlangen.
Mikrochips können als leistungsfähige technische Hilfsmittel für eine robuste und miniaturisierte Signalerfassung an biochemischen Grenzflächen dienen. Auf der Grundlage eines CMOS-Chips mit einem Sensorarray aus interdigitalen Gold-Elektroden sollte in dieser Arbeit eine quantitative und multiplexfähige miRNA-Detektionsmethode mit elektrochemischer Signaltransduktion entworfen und untersucht werden. Weitere wichtige Zielfaktoren waren eine einfache und schnelle Durchführbarkeit, eine hohe Spezifität und eine gute Sensitivität bei gleichzeitigem Verzicht auf Amplifikation und Vormarkierung des Ausgangsmaterials.
Es wurden verschiedene Methoden entworfen, überprüft, untersucht, optimiert und weiterentwickelt. Das beste Ergebnis wurde letztlich mit einem als Sandwich-Ligations-Methode bezeichneten Verfahren erzielt. Dabei wird zunächst ein aus zwei doppelsträngigen Assay-Komponenten und der Ziel-miRNA bestehender dreiteiliger Hybridisierungskomplex gebildet, der eine beidseitige spezifische Ligation der miRNA mit einem auf der Sensoroberfläche immobilisierten Fängerstrang und einem enzymmarkierten Reporterstrang vermittelt. Durch einen anschließenden Waschschritt werden alle überschüssigen Markierungen vom Detektionsbereich entfernt, so dass bei der Detektion nur Reporterenzyme ausgelesen werden, die über die Ziel-miRNA kovalent mit dem immobilisierten Strang verbunden sind. Dieses Signal ist daher proportional zur Ausgangskonzentration der gesuchten miRNA.
Die Methode wurde mit Hilfe von synthetischen miRNAs etabliert und optimiert. Sie erreichte eine analytische Sensitivität von unter 1 pM Ziel-Nukleinsäure bei einer Gesamt-Versuchsdauer von nur 30 Minuten. Konzentrationsreihen demonstrierten einen linearen dynamischen Messbereich zwischen 1 pM und 1 nM, der eine verlässliche Quantifizierung der detektierten miRNAs in diesem Bereich ermöglicht. Die sehr gute Spezfifität des Assays zeigte sich bei der Untersuchung des Einflusses verschiedener IsomiRs auf das Messergebnis sowie im Rahmen von Experimenten mit miRNAs der let-7-Familie. Dabei konnten Ziel-Nukleinsäuren mit Einzelbasenunterschieden klar differenziert werden. Die Multiplexfähigkeit der vorgestellten Methode wurde durch die gleichzeitige Quantifizierung von bis zu acht miRNAs auf einem CMOS-Chip demonstriert, zuzüglich Kontrollen.
Die Validierung der Detektionsmethode erfolgte mit Gesamt-RNA-Extrakten aus Vollblutproben. Dazu wurde ein kardiales Panel aus acht miRNAs, die auf Basis von Studien zu zirkulierenden miRNAs bei Herzerkrankungen ausgewählt wurden, festgelegt. Mit Hilfe der entsprechenden optimierten Detektionskomponenten wurden aus Spenderblut gewonnene endogene miRNAs analysiert. Dabei zeigte sich für fünf der acht Kandidaten sowohl eine solide Korrelation zwischen eingesetzter Gesamt-RNA-Menge und Messsignal, als auch eine gute Reproduzierbarkeit der Ergebnisse.
Die Konzentrationen der übrigen drei miRNAs lagen nah am unteren Detektionslimit und lieferten daher keine verlässlichen Daten. Mit Hilfe sogenannter branched DNA zur Signalamplifikation könnte bei Bedarf die Sensitivität des Assays noch verbessert werden, was durch weitere Experimente dieser Arbeit demonstriert wurde.
Ein Vergleichsexperiment zwischen der Sandwich-Ligations-Methode und qRT-PCR zeigte nur eine schwache Korrelation der Messergebnisse. Dies ist jedoch konsistent mit anderen Studien zur Vergleichbarkeit unterschiedlicher Detektionsmethoden.
Abschließend wurden die miRNAs des kardialen Panels in Gesamt-RNA-Extrakten aus Vollblut von Herzinfarktpatienten und Kontrollen mit der entwickelten Detektionsmethode analysiert und die Ergebnisse verglichen. Dabei konnten Abweichungen in den Konzentrationen von miR-15a und miR-425 aufgedeckt werden. Eine entsprechende diagnostische Untersuchung mit der hier vorgelegten und validierten Detektionsmethode könnte eine Alternative oder Ergänzung zu aktuell eingesetzten proteinbasierten Tests bieten.
In vertebrates, one of the first recognizable sex differences in embryos is the onset of meiosis, known to be regulated by retinoic acid (RA) in mammals. We investigated in medaka a possible meiotic function of RA during the embryonic sex determination (SD) period and in mature gonads. We found RA mediated transcriptional activation in germ cells of both sexes much earlier than the SD stage, however, no such activity during the critical stages of SD. In adults, expression of the RA metabolizing enzymes indicates sexually dimorphic RA levels. In testis, RA acts directly in Sertoli, Leydig and pre-meiotic germ cells. In ovaries, RA transcriptional activity is highest in meiotic oocytes. Our results show that RA plays an important role in meiosis induction and gametogenesis in adult medaka but contrary to common expectations, not for initiating the first meiosis in female germ cells at the SD stage.
13-Lipoxygenase-derived oxylipins, such as jasmonates act as potent signaling molecules in plants. Although experimental evidence supports the impact of oxylipins generated by the 9-Lipoxygenase (9-LOX) pathway in root development and pathogen defense, their signaling function in plants remains largely elusive. Based on the root growth inhibiting properties of the 9-LOX-oxylipin 9-HOT (9-hydroxy-10,12,15-octadecatrienoic acid), we established a screening approach aiming at identifying transcription factors (TFs) involved in signaling and/or metabolism of this oxylipin. Making use of the AtTORF-Ex (Arabidopsis thaliana Transcription Factor Open Reading Frame Expression) collection of plant lines overexpressing TF genes, we screened for those TFs which restore root growth on 9-HOT. Out of 6,000 lines, eight TFs were recovered at least three times and were therefore selected for detailed analysis. Overexpression of the basic leucine Zipper (bZIP) TF TGA5 and its target, the monoxygenase CYP81D11 reduced the effect of added 9-HOT, presumably due to activation of a detoxification pathway. The highly related ETHYLENE RESPONSE FACTORs ERF106 and ERF107 induce a broad detoxification response towards 9-LOX-oxylipins and xenobiotic compounds. From a set of 18 related group S-bZIP factors isolated in the screen, bZIP11 is known to participate in auxin-mediated root growth and may connect oxylipins to root meristem function. The TF candidates isolated in this screen provide starting points for further attempts to dissect putative signaling pathways involving 9-LOX-derived oxylipins.
Draft genome of the \(Arabidopsis\) \(thaliana\) phyllosphere bacterium, \(Williamsia\) sp. ARP1
(2016)
The Gram-positive actinomycete \(Williamsia\) sp. ARP1 was originally isolated from the \(Arabidopsis\) \(thaliana\) phyllosphere. Here we describe the general physiological features of this microorganism together with the draft genome sequence and annotation. The 4,745,080 bp long genome contains 4434 protein-coding genes and 70 RNA genes. To our knowledge, this is only the second reported genome from the genus \(Williamsia\) and the first sequenced strain from the phyllosphere. The presented genomic information is interpreted in the context of an adaptation to the phyllosphere habitat.
Costly signaling with mobile devices: An evolutionary psychological perspective on smartphones
(2016)
In the last decade, mobile device ownership has largely increased. In particular, smartphone ownership is constantly rising (A. Smith, 2015; Statista, 2016a), and there is a real hype for luxury brand smartphones (Griffin, 2015). These observations raise the question of which functions smartphones serve in addition to their original purposes of making and receiving calls, searching for information, and organizing. Beyond these obvious functions, studies suggest that smartphones express fashion, lifestyle, and one’s economic status (e.g., Bødker et al., 2009; Statista, 2016b; Vanden Abeele, Antheunis, & Schouten, 2014). Specifically, individuals seem to purchase and use conspicuous luxury brand smartphones to display and enhance status (D. Kim et al., 2014; Müller-Lietzkow et al., 2014; Suki, 2013). But how does owning a conspicuous, high-status smartphone contribute to status, and which benefits may these status boosts provide to their owners? From an evolutionary perspective, status carries a lot of advantages, particularly for males; high status grants them priority access to resources and correlates with their mating success (van Vugt & Tybur, 2016). In this sense, research suggests that men conspicuously display their cell phones to attract mates and to distinguish themselves from rivals (Lycett & Dunbar, 2000). In a similar vein, evolutionarily informed studies on conspicuous consumption indicate that the purchase and display of conspicuous luxuries (including mobile phones and smartphones) relate to a man’s interest in uncommitted sexual relationships and enhance his desirability as a short-term mate (Hennighausen & Schwab, 2014; Saad, 2013; Sundie et al., 2011). Drawing on these findings, this doctoral dissertation investigated how a man is perceived given that he is an owner of a high-status (vs. nonconspicuous, low-status) smartphone as a romantic partner and male rival. This was done in three experiments. In addition, it was examined how male conspicuous consumption of smartphones interacted with further traits that signal a man’s mate quality, namely facial attractiveness (Studies 1 and 2) and social dominance (Study 3). Study 1 revealed that men and women perceived a male owner of a conspicuous smartphone as a less desirable long-term mate and as more inclined toward short-term mating. Study 2 replicated these results and showed that men and women assigned traits that are associated with short-term mating (e.g., low loyalty, interest in flirts, availability of tangible resources) to a male owner of a conspicuous smartphone and perceived him as a stronger male rival and mate poacher, and less as a friend. The results of Study 2 further suggested that specifically more attractive men might benefit from owning a conspicuous smartphone in a short-term mating context and might be hence considered as stronger male rivals. Study 3 partially replicated the findings of Studies 1 and 2 pertaining to the effects of owning a conspicuous smartphone. Study 3 did not show different effects of conspicuous consumption of smartphones on perceptions of a man dependent on the level of his social dominance.
To conclude, the findings of this doctoral dissertation suggest that owning a conspicuous, high-status smartphone might not only serve proximate functions (e.g., making and receiving calls, organization) but also ultimate functions, which relate to mating and reproduction. The results indicate that owning a conspicuous smartphone might yield benefits for men in a short-term rather than in a long-term mating context. Furthermore, more attractive men appear to benefit more from owning a conspicuous smartphone than less attractive men. These findings provide further insights into the motivations that underlie men’s purchases and displays of conspicuous, high-status smartphones from luxury brands that reach beyond the proximate causes frequently described in media and consumer psychological research. By applying an evolutionary perspective, this doctoral dissertation demonstrates the power and utility of this research paradigm for media psychological research and shows how combining a proximate and ultimate perspective adds to a more profound understanding of smartphone phenomena.
Animals acquire predictive values of sensory stimuli through reinforcement. In the brain of Drosophila melanogaster, activation of two types of dopamine neurons in the PAM and PPL1 clusters has been shown to induce aversive odor memory. Here, we identified the third cell type and characterized aversive memories induced by these dopamine neurons. These three dopamine pathways all project to the mushroom body but terminate in the spatially segregated subdomains. To understand the functional difference of these dopamine pathways in electric shock reinforcement, we blocked each one of them during memory acquisition. We found that all three pathways partially contribute to electric shock memory. Notably, the memories mediated by these neurons differed in temporal stability. Furthermore, combinatorial activation of two of these pathways revealed significant interaction of individual memory components rather than their simple summation. These results cast light on a cellular mechanism by which a noxious event induces different dopamine signals to a single brain structure to synthesize an aversive memory.
Staphylococcus aureus is a frequent human commensal bacterium and pathogen. Here we report the complete genome sequence of strain 6850 (spa type t185; sequence type 50 [ST50]), a highly cytotoxic and clinically virulent methicillin-sensitive strain from a patient with complicated S. aureus bacteremia associated with osteomyelitis and septic arthritis.
Background: Plants have evolved an astonishing array of survival strategies. To defend against insects, for example, damaged plants emit volatile organic compounds that attract the herbivore’s natural enemies. So far, plant volatile responses have been studied extensively in conjunction with leaf chewing and sap sucking insects, yet little is known about the relationship between plant volatiles and gall-inducers, the most sophisticated herbivores. Here we describe a new role for volatiles as gall-insects were found to benefit from this plant defence.
Results: Chemical analyses of galls triggered by the gregarious aphid Slavum wertheimae on wild pistachio trees showed that these structures contained and emitted considerably higher quantities of plant terpenes than neighbouring leaves and fruits. Behavioural assays using goats as a generalist herbivore confirmed that the accumulated terpenes acted as olfactory signals and feeding deterrents, thus enabling the gall-inducers to escape from inadvertent predation by mammals.
Conclusions: Increased emission of plant volatiles in response to insect activity is commonly looked upon as a “cry for help” by the plant to attract the insect’s natural enemies. In contrast, we show that such volatiles can serve as a first line of insect defences that extends the ‘extended phenotype’ represented by galls, beyond physical boundaries. Our data support the Enemy hypothesis insofar that high levels of gall secondary metabolites confer protection against natural enemies.
Circadianes und Stress-System sind zwei physiologische Systeme, die dem Organismus helfen sich an Veränderungen ihrer Umwelt anzupassen. Während letzteres spontane und schnelle Antworten auf akute, unvorhersehbare Umweltreize liefert, sagt das circadiane System täglich wiederkehrende Ereignisse vorher and bereitet den Organismus so vorzeitig auf diese nahende Umweltveränderung vor. Dennoch, trotz dieser unterschiedlichen Reaktionsmechanismen agieren beide Systeme nicht komplett autonom. Studien der vergangen Jahre belegen vielmehr eine Interaktion beider Systeme. So postulieren sie zum einem Unterschiede in der Stressantwort in Abhängigkeit von der Tageszeit zu der der Reiz auftritt und weisen zugleich auf eine Zunahme von gestörten biologischen Tagesrhythmen, wie zum Beispiel Schlafstörungen, in Folge von unkontrollierten oder exzessiven Stress hin. Ebenso liefern kürzlich durchgeführte Studien an Vertebraten und Pilzen Hinweise, dass mit p38, eine Stress-aktivierte Kinase, an der Signalweiterleitung zur inneren Uhr beteiligt ist (Hayashi et al., 2003), sogar durch dieses endogene Zeitmesssystem reguliert wird (Vitalini et al., 2007; Lamb et al., 2011) und deuten damit erstmals eine mögliche Verbindung zwischen Stress-induzierten und regulären rhythmischen Anpassungen des Organismus an Umweltveränderungen an. Molekulare und zelluläre Mechanismen dieser Verknüpfung sind bisher noch nicht bekannt.
Während die Rolle von p38 MAPK bei der Stress- und Immunantwort in Drosophila melanogaster gut charakterisiert ist, wurden Expression und Funktion von p38 in der inneren Uhr hingegen bislang nicht untersucht. Die hier vorliegende Arbeit hatte daher zum Ziel mittels immunhistochemischer, verhaltensphysiologischer und molekularer Methoden eine mögliche Rolle der Stress-aktivierten Kinase im circadianen System der Fliege aufzudecken. Antikörperfärbungen sowie Studien mit Reporterlinien zeigen deutliche Färbesignale in den s-LNv, l-LNv und DN1a und erbringen erstmals einen Nachweis für p38 Expression in den Uhrneuronen der Fliege. Ebenso scheint die Aktivität von p38 MAPK in den DN1a uhrgesteuert zu sein. So liegt p38 vermehrt in seiner aktiven Form in der Dunkelphase vor und zeigt, neben seiner circadian regulierten Aktivierung, zusätzlich auch eine Inaktivierung durch Licht. 15-Minuten-Lichtpulse in der subjektiven Nacht führen zu einer signifikanten Reduktion von aktivierter, phosphorylierter p38 MAPK in den DN1a von Canton S Wildtypfliegen im Vergleich zu Fliegen ohne Lichtpuls-Behandlung. Aufzeichnungen der Lokomotoraktivität offenbaren zusätzlich die Notwendigkeit von p38 MAPK für wildtypisches Timing der Abendaktivität sowie zum Erhalt von 24-Stunden-Verhaltensrhythmen unter konstanten Dauerdunkel-Bedindungen. So zeigen Fliegen mit reduzierten p38 Level in Uhrneuronen einen verzögerten Beginn der Abendaktivität und stark verlängerte Freilaufperioden. In Übereinstimmung mit Effekten auf das Laufverhalten scheint darüber hinaus die Expression einer dominant-negativen Form von p38b in Drosophila’s wichtigsten Uhrneuronen eine verspätete nukleäre Translokation von Period zur Folge zu haben. Westernblots legen zusätzlich einen Einfluss von p38 auf den Phosphorylierungsgrad von Period nahe und liefern damit einen mögliche Erklärung für den verspäteten Kerneintritt des Uhrproteins. Abschließende Stützung der Westernblotergebnisse bringen in vitro Kinasenassays und deuten auf p38 als eine potentielle „Uhrkinase“ hin, welche auch in vivo Period an Serin 661 sowie weiteren potentiellen Phosphorylierungsstellen phosphorylieren könnte.
Zusammengenommen deuten die Ergebnisse der hier vorliegenden Arbeit eindeutig auf eine bedeutende Rolle von p38, neben dessen Funkion im Stress-System, auch im circadianen System der Fliege hin und offenbaren damit die Möglichkeit, dass p38 als Schnittstelle zwischen beider Systeme fungiert.
More than 95% of the human population is infected with human herpesvirus-6 (HHV-6) during early childhood and maintains latent HHV-6 genomes either in an extra-chromosomal form or as a chromosomally integrated HHV-6 (ciHHV-6). In addition, approximately 1% of humans are born with an inheritable form of ciHHV-6 integrated into the telomeres of chromosomes. Immunosuppression and stress conditions can reactivate latent HHV-6 replication, which is associated with clinical complications and even death. We have previously shown that Chlamydia trachomatis infection reactivates ciHHV-6 and induces the formation of extra-chromosomal viral DNA in ciHHV-6 cells. Here, we propose a model and provide experimental evidence for the mechanism of ciHHV-6 reactivation. Infection with Chlamydia induced a transient shortening of telomeric ends, which subsequently led to increased telomeric circle (t-circle) formation and incomplete reconstitution of circular viral genomes containing single viral direct repeat (DR). Correspondingly, short t-circles containing parts of the HHV-6 DR were detected in cells from individuals with genetically inherited ciHHV-6. Furthermore, telomere shortening induced in the absence of Chlamydia infection also caused circularization of ciHHV-6, supporting a t-circle based mechanism for ciHHV-6 reactivation.
Author Summary:
Human herpesviruses (HHVs) can reside in a lifelong non-infectious state displaying limited activity in their host and protected from immune responses. One possible way by which HHV-6 achieves this state is by integrating into the telomeric ends of human chromosomes, which are highly repetitive sequences that protect the ends of chromosomes from damage. Various stress conditions can reactivate latent HHV-6 thus increasing the severity of multiple human disorders. Recently, we have identified Chlamydia infection as a natural cause of latent HHV-6 reactivation. Here, we have sought to elucidate the molecular mechanism of HHV-6 reactivation. HHV-6 efficiently utilizes the well-organized telomere maintenance machinery of the host cell to exit from its inactive state and initiate replication to form new viral DNA. We provide experimental evidence that the shortening of telomeres, as a consequence of interference with telomere maintenance, triggers the release of the integrated virus from the chromosome. Our data provide a mechanistic basis to understand HHV-6 reactivation scenarios, which in light of the high prevalence of HHV-6 infection and the possibility of chromosomal integration of other common viruses like HHV-7 have important medical consequences for several million people worldwide.