610 Medizin und Gesundheit
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Base J, β-D-glucosyl-hydroxymethyluracil, is a chromatin modification of thymine in the nuclear DNA of flagellated protozoa of the order Kinetoplastida. In Trypanosoma brucei, J is enriched, along with histone H3 variant (H3.V), at sites involved in RNA Polymerase (RNAP) II termination and telomeric sites involved in regulating variant surface glycoprotein gene (VSG) transcription by RNAP I. Reduction of J in T. brucei indicated a role of J in the regulation of RNAP II termination, where the loss of J at specific sites within polycistronic gene clusters led to read-through transcription and increased expression of downstream genes. We now demonstrate that the loss of H3.V leads to similar defects in RNAP II termination within gene clusters and increased expression of downstream genes. Gene derepression is intensified upon the subsequent loss of J in the H3.V knockout. mRNA-seq indicates gene derepression includes VSG genes within the silent RNAP I transcribed telomeric gene clusters, suggesting an important role for H3.V in telomeric gene repression and antigenic variation. Furthermore, the loss of H3.V at regions of overlapping transcription at the end of convergent gene clusters leads to increased nascent RNA and siRNA production. Our results suggest base J and H3.V can act independently as well as synergistically to regulate transcription termination and expression of coding and non-coding RNAs in T. brucei, depending on chromatin context (and transcribing polymerase). As such these studies provide the first direct evidence for histone H3.V negatively influencing transcription elongation to promote termination.
While gene expression is a fundamental and tightly controlled cellular process that is regulated at multiple steps, the exact contribution of each step remains unknown in any organism. The absence of transcription initiation regulation for RNA polymerase II in the protozoan parasite Trypanosoma brucei greatly simplifies the task of elucidating the contribution of translation to global gene expression. Therefore, we have sequenced ribosome-protected mRNA fragments in T. brucei, permitting the genome-wide analysis of RNA translation and translational efficiency. We find that the latter varies greatly between life cycle stages of the parasite and ∼100-fold between genes, thus contributing to gene expression to a similar extent as RNA stability. The ability to map ribosome positions at sub-codon resolution revealed extensive translation from upstream open reading frames located within 5' UTRs and enabled the identification of hundreds of previously un-annotated putative coding sequences (CDSs). Evaluation of existing proteomics and genome-wide RNAi data confirmed the translation of previously un-annotated CDSs and suggested an important role for >200 of those CDSs in parasite survival, especially in the form that is infective to mammals. Overall our data show that translational control plays a prevalent and important role in different parasite life cycle stages of T. brucei.
Die Schlafkrankheit hat ihren Schrecken seit den Zeiten Robert Kochs und Paul Ehrlichs nicht verloren. Die zielgerichtete Entwicklung neuer Medikamente ist für die Menschen in den Endemiegebieten damals wie heute von elementarer Bedeutung. Die Naphtylisochinolin-Alkaloide stellen eine neue chemische Substanzklasse dar, die gute Kandidaten für die Entwicklung neuer Medikamente enthält. Mit GBAP 94 im speziellen liegt eine Substanz vor, die gute Startvorrausetzungen hierfür mitbringt. Diese sind eine sehr gute Wirksamkeit gegen Trypanosomen, gepaart mit einer hohen Selektivität durch einen sehr wahrscheinlich relativ spezifisch anti-trypanosomalen Wirkmechanismus. Die verwendeten Naphtylisochinolin-Alkaloide GBAP 94 und GBAP 146 wurden nach unterschiedlichen Gesichtspunkten ausgewählt. GBAP 94 wurde aufgrund seiner guten antitrypanosomalen Wirkung und seiner hohen Selektivität für Trypanosomen ausgewählt. Die IC50 liegt mit 0,383 µmol/l im Vergleich zu den aktuell verwendeten Medikamenten sehr niedrig. Die Selektivitätsindices (IC50 Trypanosoma brucei brucei / IC50 Makrophagen J774.1) mit 85,6 und (IC50 Try-panosoma brucei brucei / IC50 Leishmania major) mit 15,1 liegen in einem sehr günstigen Bereich. GBAP 146 wurde hauptsächlich wegen seiner guten Fluoreszenz-Eigenschaften ausgewählt. Die antitrypanosomale Aktivität ist mit einer IC50 von 0,289 µmol/l zwar sehr gut, eine große Selektivität ist aber nicht gegeben. Die beiden Alkaloide waren aufgrund ihrer Eigenfluoreszenz gut fluoreszenz-mikroskopisch in den Parasiten zu detektieren. Nach 10 min war in den ersten Trypanosomen die Anreicherung der Wirkstoffe erkennbar. Nach 30 min war bei fast allen Parasiten eine Färbung erkennbar. Die Wirkstoffe reicherten sich zunächst in mehreren kleinen Vakuolen an. Bei längeren Inkubationszeiten zeigte sich eine fast homogene Verteilung innerhalb des kompletten Parasiten. Durch-gängig ausgespart blieb eine vakuolische Struktur. Diese entwickelte oder vergrößerte sich im Verlauf der Inkubationszeit im vorderen Drittel des Parasiten, etwa im Bereich des Kinetoplasten. Diese Vakuole konnte auch lichtmikroskopisch in der Giemsa-Färbung nachgewiesen werden. Der Anteil der veränderten Trypanosomen lag bei diesen Untersuchungen nach 1 h bei 25,4%, stieg bis zum Zeitpunkt 2 h auf 46,6% und stabilisierte sich nach 4 h bei 44,8%. Die vakuolische Struktur führte durch ihre Vergrößerung zur zunehmenden Verplumpung der Trypanosomen bis zu einer kugelförmigen Zellform mit geisselartig-wirkender Flagelle. Aufgrund der veränderten Form wurden die Zellorganellen verdrängt. Dies konnte durch die Fluoreszenzmarkierung des Mitochondriums mit Rodamine B Hexylester und der sauren Kompartimente, besonders des Lysosoms, mit LysoTracker® gezeigt werden. Die Vakuolisierung von Trypanosomen im Zusammenhang mit Apoptose ist bekannt. Die neu entstehende Vakuole konnte weder mit LysoTracker® green, noch mit dem endosomalen Farbstoff FM 4-64 angefärbt werden. Damit können eine lysosomale und eine endosomale Herkunft der Vakuole ausgeschlossen werden. Eine genaue Klärung der Genese der Vakuole steht noch aus. In den Untersuchungen mit Annexin V und Propidium-Jodid im FACS® konnte gezeigt werden, dass die Wirkung der NIQs sehr wahrscheinlich Apoptose induziert. Annexin V ist auch bei Trypanosomen als Marker für Apoptose etabliert. Zudem zeigte sich ein Anstieg der Anzahl apoptotischer Trypanosomen mit Periode von 6 h – 8 h. Diese Dauer entspricht ungefähr der Dauer des trypanosomalen Zellzyklus. Ein Eingriff der NIQs in den Zellzyklus ist somit sehr wahrscheinlich. Eine Hemmung von Teilen des Zellzyklus ist als Auslöser für Apoptose bekannt. Über die genaue Zielstruktur der NIQs kann allerdings nur spekuliert werden. Die apotose-induzierende Wirkung anderer Alkaloide auf Trypanosomen ist inzwischen nachgewiesen. Ein weiteres Indiz ist, dass die Ergebnisse von Ponte-Sucre mit den NIQs bei Leishmanien ebenfalls in Richtung Apoptose weisen.