Fakultät für Biologie - Digitale Hochschulschriften der LMU - Teil 01/06 Archiv

Ribonukleoproteinpartikel (RNPs) sind Komplexe aus RNA und Proteinen, die entscheidende Funktionen bei Prozessen wie Translation, Telomer-Synthese, Protein-Import in das endoplasmatische Retikulum oder RNA-Prozessierung übernehmen. Obwohl stets neue Beispiele die Bedeutung von RNPs untermauern, sind grundlegende Aspekte ihrer Funktion noch unklar. So stellte sich zu Beginn dieser Arbeit die Frage, wie sich die Komponenten von RNPs zu funktionellen Gebilden zusammenlagern. In frühen in-vitro-Studien war beobachtet worden, dass sich RNPs spontan ausbilden und dieser Vorgang keine weiteren Faktoren benötigt. Daraus war die Hypothese abgeleitet worden, dass dies möglicherweise auch der in vivo Situation entsprechen könnte. Unerwartete Einblicke in die Biogenese von RNPs lieferten schliesslich Studien zum "survival motor neurons"-Protein (SMN), dem Krankheitsgenprodukt der spinalen Muskelatrophie. Antikörper gegen SMN und seinem Bindungspartner Gemin2 inhibierten in Xenopus laevis Oocyten die Ausformung von RNP-Untereinheiten des Spleißosoms - den U snRNPs und nährten den Verdacht, dass diese Proteine Hilfsfaktoren der U snRNP-Biogenese sein könnten. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war daher, mechanistische Details über die Zusammenlagerung von U snRNPs in vivo zu ermitteln und die Rolle von SMN und Gemin2 zu untersuchen. Die wesentlichen Schritte der Biogenese von U snRNPs können experimentell in X. laevis Oocyten verfolgt werden. Nach dem Export der U snRNAs U1, U2, U4 und U5 in das Cytosol lagern sich dort jeweils sieben sogenannte Sm-Protein an ein gemeinsames Motiv der U snRNAs an und formen so die Grundstruktur jedes U snRNPs, die Sm-Core-Domäne. Hierauf folgen die Hypermethylierung der U snRNA-Kappe und der Import der Sm-Core-Domäne in den Zellkern, wo sich U snRNP-spezifische Proteine anlagern, ehe die reifen snRNPs am Spleißprozess teilnehmen. In der vorliegenden Arbeit wurde zunächst ein zellfreies System entwickelt, durch das die Zusammenlagerung von U snRNPs in der Komplexität des Cytosols untersucht werden konnte. Unter Verwendung von Extrakten aus Xenopus laevis-Eiern oder HeLa-Zellen konnte gezeigt werden, dass die Ausbildung der Sm-Core-Domäne, entgegen bisheriger Vermutungen, nicht spontan erfolgt, sondern Energie in Form von ATP benötigt. Aus Depletionsversuchen wurde deutlich, dass SMN unter diesen zellähnlichen Bedingungen für die snRNP-Biogenese unbedingt erforderlich ist. SMN, dies zeigten immunbiochemische Reinigungen, ist in der Zelle mit 17 verschiedenen Proteinen assoziiert, die hier erstmals vollständig identifiziert wurden. Dieser SMN-Komplex enthält bereits alle Sm-Proteine, jedoch keine U snRNAs. Anhand direkten Sm-Protein-Transferstudien wurde klar, dass der SMN-Komplex allein nicht nur notwendig sondern auch hinreichend für die Ausbildung der Sm-Core-Domäne, ist. Dennoch konnte mit dem pICln-Komplex ein Proteinkomplex entdeckt werden, der mit dem SMN-Komplex interagiert und dessen Aktivität erheblich steigert. Der pICln-Komplex enthält eine neuartige Methyltransferase, die Arginylreste in den Sm-Proteinen B/B’, D1 und D3 zu symmetrischen Dimethylargininen modifiziert. Es ist bekannt, dass hierdurch die Bindung von Sm-Proteinen an SMN verstärkt wird. Die vorliegenden Daten weisen darauf hin, dass SMN- und pICln-Komplexe eine funktionelle Einheit bilden, in der Modifikation und Transfer der Sm-Proteine koordiniert ablaufen. Erste Erkenntnisse aus Versuchen mit HeLa-Zellen und Patientenzelllinien deuten an, dass reduzierte Menge des SMN-Komplexes mit einer reduzierten U snRNP-Zusammenlagerungsaktivität einhergehen, und dass dies einen biochemischen Defekt in Spinaler Muskelatrophie darstellen könnte. In einem weiteren Projekt wurde mit Hilfe von Datenbankanalysen und biochemischen Strategien das SMN-homologe Protein SMNrp identifiziert und charakterisiert. Biochemische Studien zeigten, dass SMNrp eine Komponente des U2 snRNPs ist und eine essentielle Rolle beim Spleißen ausführt. Kernextrakte die kein SMNrp enthalten wiesen einen Defekt der Spleißosomen-Zusammenlagerung auf der Stufe des „prä-Spleißosoms“ auf. SMNrp ist demnach ein Zusammenlagerungsfaktor des Spleißosoms und bezüglich dieser Funktion dem U snRNP-Zusammenlagerungsfaktor SMN ähnlich.

Konventionelle Kinesine sind Mikrotubuli assoziierte Motorproteine. Sie benutzen die Energie der ATP-Hydrolyse, um gerichtete Bewegungen entlang des Zytoskeletts zu ermöglichen. Tierische konventionelle Kinesine sind aus zwei schweren Ketten und zwei leichte Ketten aufgebaut. Die niederen Organismen, wie Pilze, besitzen dagegen nur die zwei schweren Ketten. Das konventionelle Kinesin des roten Brotschimmels Neurospora crassa (NcKin) bewegt sich wie auch andere Pilzkinesine in vitro im mikroskopischen Gleittest mit Geschwindigkeiten, die etwa drei- bis fünffach höher sind (zwischen 2,0 und 2,6 µm/s), als die der tierischen Kinesine (zwischen 0,2 und 0,8 µm/s). Trotz der hohen Sequenzähnlichkeit von Tier- und Pilzkinesinen, sind spezifische Unterschiede festgestellt worden, vor allem im Halsbereich. Weil es bisher keine zufrieden stellende Erklärung der schnellen Gleitgeschwindigkeit von NcKin gibt, liegt es nahe, in diesen pilzspezifischen Sequenzbereichen die Grundlage hierfür zu vermuten. In dieser Dissertation wurde daher untersucht, welchen Einfluss die einzelnen Kinesin-Domänen auf die Motilität und den ATP-Umsatz haben. Zu diesem Zweck wurden (i) bakterielle Expressionsvektoren hergestellt, die für C-terminal verkürzte Kinesinkonstrukte kodieren. Hierbei wurden zunächst rekombinante Motoren hergestellt, die an den Domänengrenzen endeten, wie sie durch kristallografische Modelle und Sekundärstrukturvorhersagen abgeleitet worden waren. Aufgrund der Ergebnisse an diesen Proteinen wurden weitere C-terminal verkürzte Kinesine konstruiert, die eine genauere funktionelle Kartierung der Scharnierdomäne zum Ziel hatten. Mit diesen Konstrukten wurden kinetische Studien durchgeführt, um ein Gesamtbild von deren ATPase-Aktivität und Prozessivität zu bekommen. Da ähnliche Studien an dem homologen Drosophila Kinesin durchgeführt worden waren, war ein direkter Vergleich zu diesen Vertretern der Tierkinesine möglich. (ii) Um den Beitrag der einzelnen Domänen zur hohen Geschwindigkeit von NcKin zu ermitteln, wurden in einem zweiten Teil der vorliegenden Arbeit gezielt NcKin Domänen in die entsprechenden Bereiche des humanen Kinesins eingeführt, und die entstandenen Chimären auf einen Geschwindigkeitszuwachs getestet.

Die Segmentierung in der Fliege Drosophila melanogaster ist weitgehend verstanden. Als sogenannter "Langkeimer" entwickelt sich die Fliege jedoch anders als die meisten anderen Insekten: Bei der Fliege entstehen alle Segmente auf einmal im Blastoderm. Im Mehlkäfer Tribolium castaneum und den meisten anderen Insekten entstehen in diesem Stadium aber nur die vorderen Segmente, während die abdominales Segmente nacheinander von einer posterioren Wachstumszone gebildet werden. Um die Unterschiede in der abdominalen Segmentierung zu untersuchen, wurde das Homolog des abdominalen Gapgens "giant" aus dem Mehlkäfer "Tribolium castaneum" isoliert und seine Funktion beschrieben. Mehrere fundamentale Unterschiede zu "Drosophila giant" wurden deutlich: 1) die Expression von Tribolium giant ist 5 Segmente weiter anterior 2) die Funktion des Gens kann nicht auf dem Aufbau eines kurzreichweitigen Gradienten beruhen (dem aus Drosophila beschriebenen "klassischen" Gapgen-Mechanismus). Zusammen zeigen die Ergebnisse, dass dass die Segmentierung im Abdomen des Käfers anders funktioniert als in der Fliege.

In human diploid fibroblasts (HDFs) the cell nucleus is oval in shape, quite large in xy-diameter (10-20µm), but flat in z-direction (5µm). In these nuclei chromosome territories typically lie side by side or slightly above each other. The question whether these arrangements are ordered or variable has yielded conflicting answers. We hybridised an improved 7-fluorochrome MFISH probe set on 3D-preserved cell nuclei, fixed with buffered 4% paraformaldehyde. A LEICA wide field microscope with an 8-filter-wheel and an automated z-step motor was used for imaging of the 7 fluorochromes plus DAPI. Multicolor images from nuclei were taken as serial sections in z-direction. After deconvolution, a specifically developed Program goldFISH Saracoglu K. et al. 2001 was used to classify the images according to the labelling scheme. The classification algorithm corresponds to the procedure previously used for metaphase spreads, now adopted to 3-D studies of chromosome territory arrangements in the cell nucleus. The analysis of 30 G0-fibroblast nuclei and 30 prometaphase rosettes revealed a pronounced variability of chromosome territory neighbourhoods, as described by Allison D. C. et al. 1999, but in contrast to Nagele R. et al. 1995. However we noted a distinct radial order: small chromosomes were located close to the centre while large chromosomes were positioned towards the nuclear rim. This non-random radial positioning could also be observed in prometaphase rosettes

Das Protein Ubiquitin kann posttranslational an Proteine geknüpft werden. Dieser Vorgang ist für den Abbau von Proteinen durch das Proteasom notwendig.Neben dieser Funktion hat die Modifikation mit Ubiquitin noch weitere Funktionen,die nicht zum Abbau des Proteins führen.Ubiquitin- ähnlichen Proteine,wie beispielsweise SUMO,sind ebenfalls nicht direkt am Proteinabbau beteiligt.Die Konsequenz der Modifikation,und das Zusammenspiel Ubiquitin-ähnlicher-Systeme mit dem Ubiquitin-System sind bisher allerdings wenig verstanden. PCNA (Proliferating Cell Nuclear Antigen)ist eine zentrale Komponente der DNA-Replikation und DNA-Reparatur.Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden,daß PCNA über drei verschiedene posttranslationale Modifikationen reguliert wird.In der S-Phase des Zellzyklus wird PCNA durch SUMO modifiziert.Nach DNA-Schädigung wird PCNA dagegen durch Komponenten des RAD6 -DNA-Reparaturwegs mono-oder multiubiquitiniert. Alle drei Modifikationen finden am gleichen,zwischen eukaryontischen Spezies kon servierten Lysin statt.Der RAD6 -DNA-Reparaturweg reguliert postreplikative DNA-Reparatur.Eine Schlüsselstellung innerhalb dieses Reparaturwegs nehmen zwei Ubiquitin-konjugierende Enzyme,RAD6 sowie das Heterodimer UBC13/MMS2,die über die RING-Finger Prote ine RAD18 bzw.RAD5 an das Chromatin rekrutiert werden,ein.Interessanterweise interagiert neben PCNA auch das SUMO-konjugierende Enzym UBC9 mit den beiden RING-Finger Proteinen sowie mit PCNA selbst und ist so ebenfalls mit dem RAD6 -Reparaturweg assoziiert.Nach DNA-Schädigung wird PCNA von RAD6/RAD18 monoubiquitiniert.Alternativ kann PCNA durch das hierfür zusätzlich notwendige Heterodimer UBC13/MMS2 und das RING-Finger- Protein RAD5 mit speziellen,Lysin-63-verknüpften Ubiquitinketten, multiubiquitiniert werden.PCNA-Ubiquitinierung ist essentiell für DNA- Reparatur,da eine PCNA-Mutante,die nicht mehr modifiziert wird,starke Sensitivität gegenüber DNA-Schädigung besitzt. Es konnte gezeigt werden,daß die verschiedenen Modifikationen unterschiedlich auf die Funktionen von PCNA einwirken können. SUMOylierung von PCNA wirkt inhibierend auf RAD6 -abhängige DNA- Reparatur.PCNA-Multiubiquitinierung durch Lysin-63-verknüpfte Ubiquitinketten aktiviert PCNA in dem UBC13/MMS2/RAD5-abhängigen Zweig RAD6 -abhängiger DN A -Reparatur,der fehlerfrei arbeitet.PCNA- Monoubiquitinierung scheint dagegen den fehlerhaften Zweig RAD6 - abhängiger DNA-Reparatur zu aktivieren.ˇ

Die Eph-Familie von Rezeptortyrosinkinasen und ihre Liganden, die Ephrine, sind die größte Gruppe von axonalen Zielführungsmolekülen. Die membrangebundenen Ephrine und ihre Rezeptoren sind jedoch nicht ausschließlich für die Etablierung neuronaler Konnektivität, sondern auch für Entwicklungsvorgänge außerhalb des Nervensystems wie die Ausbildung des Blutgefäßsystems und die Steuerung von Zellmigration von Bedeutung. Als charakteristisches Merkmal dieser Molekülfamilie kann jeder einzelne Rezeptor durch eine Vielzahl verschiedener Ephrine aktiviert werden, was eine starke funktionelle Redundanz zur Folge hat. Konventionelle knock-out Experimente liefern daher nur ein unvollständiges Bild von der Funktion dieser Proteine, da eine genetische Deletion von Einzelmolekülen zumindest partiell von anderen Vertretern der Eph-Familie kompensiert werden kann. Im ersten Teil der Arbeit wurde eine transgene Mauslinie etabliert, welche im gesamten Nervensystem ein sezerniertes, Antikörper-ähnliches Fusionsprotein, einen sog. Rezeptorkörper, exprimiert. In dieser Mauslinie sollte der Rezeptorkörper alle Ephrine der sog. A-Subfamilie zugleich binden und neutralisieren, und damit die funktionelle Redundanz der A-Ephrine überwinden. Hierzu wurde in einem ersten Schritt der Rezeptorkörper kloniert, in Zellinien exprimiert und hinsichtlich seiner Funktionalität charakterisiert. In einem zweiten Schritt wurde nun das Mikrotubuli bindende Protein Tau gegen die cDNA des Rezeptorkörpers ersetzt (sog. knock-in), und nach Keimbahntransmission des rekombinanten Allels wurde durch Rückkreuzung gegen den Inzuchtstamm C57BL/6 eine congenische Mauslinie erzeugt. In dieser Mauslinie wurde der Rezeptorkörper mit dem räumlich-zeitlichen Expressionsmuster von tau exprimiert. Im zweiten Teil der Arbeit wurden einige Eigenschaften der knock-in Mauslinie charakterisiert. Die vollständige Deletion des Tau-Proteins sowie die pan-neuronale Expression des Rezeptorkörpers wurden mit Hilfe von Northern-Transfer, mRNA in-situ Hybridisierung, RT-PCR sowie mit Western-Transfer und immunhistochemischen Experimenten belegt. Tiere mit dem rekombinanten Allel waren fertil, zeigten keine Hinweise für eine erhöhte prä- oder postnatale Letalität, und das äußere Erscheinungsbild der Mäuse war weitgehend unauffällig. Eine erste Analyse der Hirnanatomie mit Hilfe klassischer histologischer Färbemethoden lieferte keine Hinweise auf starke, offensichtliche morphologische Veränderungen. Mit einem Immunassay wurde die Gewebekonzentration des Rezeptorkörpers zu verschiedenen embryonalen und postnatalen Entwicklungsstufen quantifiziert. Auf subzellulärer Ebene wurde mittels immuncytochemischer Färbungen dissoziierter Neuronen demonstriert, daß der Rezeptorkörper nicht auf das Soma der Zellen beschränkt, sondern auch in Nervenfortsätzen lokalisiert war. Die Analyse der Mauslinie auf spezifische Veränderungen im dritten Teil der Arbeit konzentrierte sich auf sensorische Projektionen in Peripherie und Rückenmark, sowie auf physiologische Aspekte des visuellen Systems und Blutgefäße. In neugeborenen Tieren wurden keine offensichtlichen Veränderungen der topographischen Projektionen von Spinalganglien in das Rückenmark detektiert. In der Peripherie wurde in dem knock-in hingegen eine signifikante Zunahme von Nervenverzweigungen in verschiedenen Strukturen beobachtet, die bei der Innervierung von Extremitäten sowie bei Interkostalnerven zwischen dem 12. und dem 14. Tag der Embryonalentwicklung (E12-14) besonders ausgeprägt war. Die Untersuchung der Blutgefäße im zentralen Nervensystem adulter Mäuse mit Hilfe von Korrosionsausgüssen ließ in der Mutante keine offensichtlichen Veränderungen erkennen. Mit Hilfe der in Anwendung auf Mäuse neuartigen Technik „Intrinsic Signal Optical Imaging“ wurde die Repräsentation der Retina im Primären Visuellen Cortex juveniler und adulter Mäuse untersucht. Zentraler Befund dieser Experimente war eine Verzerrung der retinotopen Karte in dem knock-in, die in jungen Mäusen erheblich stärker war als in adulten Tieren.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem proteolytischen System des Chloroplasten höherer Pflanzen und hier speziell mit dem des Thylakoidsystems. Vorderstes Ziel war die Isolierung und Charakterisierung neuer, bislang unbekannter Komponenten. Zu diesem Zweck wurden zwei unterschiedliche Ansätze erprobt: Einmal der rein biochemische Weg, bei dem der Versuch unternommen wurde, speziell lichtinduzierte proteolytische Aktivitäten des Thylakoidlumens nachzuweisen, anzureichern, und, falls möglich, aufzureinigen. Mit dem zweiten Ansatz wurde zunächst versucht, in Sequenzvergleichen auf molekularbiologischer Ebene homologe Gene zu bekannten bakteriellen und cyanobakteriellen Proteasen im pflanzlichen Genom ausfindig zu machen, und ausgehend von diesen dann die zugehörigen Genprodukte zu isolieren und charakterisieren. 1. Nachweis, Charakterisierung und Aufreinigung lichtstreßinduzierter Proteasen des Thylakoidlumens: Die zu diesem Ansatz durchgeführten Experimente konnten im Thylakoidlumen von Erbsenchloroplasten durch den Einsatz von Aktivitätstests auf substrathaltigen Polyacrylamidgelen mindestens fünf distinkte proteolytische Aktivitäten sichtbar machen. Diese Aktivitäten erwiesen sich als eindeutig induzierbar durch Hochlicht. Sie wurden jedoch sämtlich durch in äußerst geringer Menge vorliegende Komponenten des Lumens hervorgerufen. An der dadurch, sowie zusätzlich durch einen Lichtadaptationseffekt des Pflanzenmaterials, bedingten schlechten Reproduzierbarkeit der Aktivitäten scheiterten schließlich sowohl die Charakterisierung der unbekannten Proteasen als auch deren weitere Aufreinigung. Die Arbeiten sind dennoch dazu angetan, eine Vorstellung von der Größe und Komplexität des proteolytischen Systems alleine des Thylakoidlumens zu vermitteln. 2. Klonierung der Gene neuer plastidärer Proteasen und Charakterisierung der zugehörigen Genprodukte: Im Rahmen der Arbeit wurden die Gene zweier zuvor nicht beschriebener mutmaßlicher Proteasen aus Arabidopsis thaliana L. isoliert, beides Homologe zu bekannten Proteasen aus E. coli. hhoA: Das Produkt dieses Gens stellt ein Mitglied der ubiquitär verbreiteten HtrA-Familie von Serinproteasen dar, deren Zahl sich in Arabidopsis auf mittlerweile vierzehn beläuft. Es besitzt die typische katalytische Triade der Familie, läßt jedoch die zumindest für die meisten charakterisierten Homologe typische sogenannte PDZ-Domäne im N-terminalen Bereich vermissen. In den Experimenten zur Kartierung des Gens konnte gezeigt werden, daß dieses in singulärer Kopienzahl auf Chromosom IV lokalisiert ist. Anschließende Untersuchungen zur Expression konnten in Pflanzen jedoch weder unter normalen Anzuchtsbedingungen, noch nach Streßexperimenten mit Hochlicht und Hitzestreß ein spezifisches Transkript nachweisen. In vitro-Experimente belegten die Transkribier- und Translatierbarkeit des Gens; dessen Produkt im in organello-Importexperiment als lösliche Komponente im Thylakoidlumen akkumulierte. Weitere Untersuchungen an Chloroplastenfraktionen aus Spinat und Arabidopsis unter Zuhilfenahme eines gegen das heterolog exprimierte gereifte Genprodukt produzierten polyklonalen Antikörpers bewiesen, daß hhoA auch in vivo synthetisiert wird und wie im Importexperiment im Thylakoidlumen lokalisiert ist. Verschiedene Versuche zur Funktion des Proteins brachten kein eindeutiges Ergebnis. Die Transformation von Arabidopsis mit Sinnund Gegensinnkonstrukten des Gens war zwar erfolgreich, erzeugte jedoch Pflanzen ohne erkennbar vom Wildtyp abweichenden Phänotyp. sppA: Das Homolog zu der Signalpeptid-prozessierenden Protease aus E. coli, Protease IV, stellt das bislang einzige beschriebene in höheren Pflanzen dar. Das Gen ist, wie in Experimenten zu seiner Kartierung gezeigt wurde, in singulärer Kopienzahl im Genom vorhanden, lokalisiert auf Chromosom I. In Untersuchungen zur Expression konnte das Transkript unter normalen Anzuchtsbedingungen nicht nachgewiesen werden. Bei Behandeln der Pflanzen mit Lichtstreß über längere Zeit wurde jedoch ein nach mehrstündiger Latenzzeit einsetzendes Ansteigen der Transkriptrate beobachtet. Das Genprodukt wurde nach in vitro-Transkription und -Translation im in organello-Importexperiment als peripher mit der stromalen Oberfläche der Thylakoidmembran assoziiert charakterisiert. Untersuchungen an Chloroplastenfraktionen mittels Antikörpern, die gegen den C-Terminus des heterolog exprimierten SppA-Proteins produziert worden waren, bestätigten neben dem Nachweis des Vorhandenseins auch unter Normalbedingungen diese Lokalisation auch in vivo. Bei weiterer Subfraktionierung der Thylakoide fand sich das Protein vornehmlich assoziiert mit Stromathylakoiden. Die bei Bestrahlung der Pflanzen mit hohen Lichtintensitäten steigende Expressionsrate deutet auf eine funktionelle Neudefinierung von SppA in photosynthesetreibenden Organismen im Vergleich zu E. coli und auf eine Rolle innerhalb der langfristigen Adaptationsmechanismen der Pflanze gegen Lichtstreß hin. Weitere Untersuchungen konnten jedoch keine eindeutigen Hinweise bezüglich der spezifischen Funktion des Proteins liefern.

Die kotranslationelle Dekodierung des Kodons UGA als Selenocystein erfolgt durch eine spezifische tRNA (tRNASec), die von Seryl-tRNA Synthetase mit Serin beladen und anschließend von Selenocystein Synthase (SelA) zu Selenocysteyl- tRNASec umgesetzt wird. Selenophosphat, das als Selendonor für diese Reaktion dient, wird von Selenophosphat Synthetase (SelD) aus Selenid und ATP generiert. Der anschließende Transfer der beladenen tRNA zum Ribosom erfolgt durch den spezialisierten Elongationsfaktor SelB, dessen N-terminale Region Homologie zu EF-Tu zeigt und wie dieses Guanosin-Nukleotide und tRNA bindet. Der C-terminale Teil interagiert zusätzlich mit einer als SECIS-Element bezeichneten mRNA- Sekundärstruktur, die in Bakterien unmittelbar auf das für Selenocystein kodierende UGA-Triplett folgt und für dessen Rekodierung als Sinnkodon verantwortlich ist. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den Mechanismen, die der Interaktion von SelB mit seinen Liganden sowie der Regulation der Selenocystein- Biosynthese durch SelB zu Grunde liegen. Im Einzelnen wurden dabei folgende Resultate erhalten: 1) Die strikte Diskriminierung zwischen Seryl- und Selenocysteyl-tRNASec durch SelB ist essentiell für das Funktionieren des Selenocystein inkorporierenden Systems. Eine gerichtete Mutatagenese der Aminoacyl-Bindetasche von SelB zeigte, dass die Selektivität der tRNA-Bindung vermutlich nicht auf einer spezifischen Erkennung des Aminoacyl-Rests beruht. Nach Zufallsmutagenese konnten vier SelB-Varianten isoliert werden, die in vivo eine erhöhte Aktivität mit Seryl-tRNASec besitzen. Zwei der Mutationen waren in der G-Domäne von SelB lokalisiert, die anderen beiden in Domäne 4a. Die biochemische Charakterisierung der mutierten Proteine ergab noch keinen Hinweis auf eine erhöhte Affinität der SelB-Varianten für Seryl-tRNASec, so dass andere Mechanismen für die Erweiterung der Aminosäure-Spezifität verantwortlich sein müssen. 2) Die Interaktion von SelB mit seinen Liganden wurde mit Hilfe von biochemischen und biophysikalischen Methoden analysiert. Der Elongationsfaktor zeigt im Gegensatz zu vielen anderen G-Proteinen eine höhere Affinität für GTP (KD = 0,74 µM) als für GDP (KD = 13,4 µM),was zusammen mit der hohen Dissoziationsrate von GDP (kdis = 15 s-1) darauf hinweist, dass der Nukleotidaustausch ohne Katalyse durch einen Austauschfaktor erfolgt. Die Kinetiken der Interaktion mit Guanosin-Nukleotiden werden durch die Gegenwart eines SECIS-Elements nicht beeinflusst. Die Affinität von SelB zu einem fluoresceinmarkierten SECIS-Transkript liegt im nanomolaren Bereich (KD = 1,23 nM), wobei die Assoziations- und Dissoziationskinetiken sehr schnell sind und durch die Gegenwart von Guanosin-Nukleotiden nicht verändert werden. In Gegenwart von Selenocysteyl-tRNASec wurde jedoch eine signifikante Verringerung der Dissoziationsgeschwindigkeit beobachtet, die zu einer Stabilisierung der Bindung führt und eine Interaktion zwischen der SECIS- und tRNA-Bindetasche nahelegt. Diese intramolekulare Wechselwirkung wurde durch Charakterisierung der isolierten mRNA-Bindedomäne von SelB bestätigt. Die Gleichgewichtslage der einzelnen Reaktionen führt zu einer gerichteten Bildung eines Komplexes aus SelB, GTP, Selenocysteyl-tRNASec und dem SECIS-Element, der durch seine hohe Stabilität auf der mRNA fixiert wird und gleichzeitig eine Konformation annimmt, die seine Interaktion mit dem Ribosom zulässt. 3) In der 5´-untranslatierten Region der selAB-mRNA wurde eine Sekundärstruktur identifiziert, die Ähnlichkeit mit dem SECIS-Element aufweist und mit der SelB spezifisch und mit hoher Affinität interagiert. Die Stabilität des Komplexes zwischen SelB und dem SECIS-ähnlichen Element erhöht sich in Gegenwart von Selenocysteyl-tRNASec. Eine Analyse der sel-Genexpression ergab, dass die Synthese von SelA und in geringerem Ausmaß SelB in genetischen Hintergründen, die eine Assemblierung des quaternären Komplexes aus SelB, GTP, Selenocysteyl- tRNASec und dem SECIS-ähnlichen Element erlauben, reprimiert ist. Mutationen in sel- Genen führen dagegen zu einer erhöhten intrazellulären Konzentration dieser Proteine. Mit Hilfe von Reportergen-Fusionen wurde gezeigt, dass die Repression der selA-Expression direkt von der Bildung eines quaternären Komplexes am SECIS-ähnlichen Element abhängig ist. Da diese keinen Einfluss auf die Transkription hat und nur zu einer schwachen Verringerung der mRNA-Menge führt, wurde gefolgert, dass das SECIS-ähnliche Element eine Regulation der Translationsinitiation am selA-Gen in Abhängigkeit vom Selenstatus der Zelle ermöglicht.

Das Prion-Protein ist in seiner infektiösen Form für das Auftreten und die Übertragung von transmissiblen spongiformen Enzephalopathien verantwortlich. Diese Erkrankungen können bei Mensch und Tier auftreten, wobei die bekannteste tierische Form der „Rinderwahn“ bzw. BSE ist. Die häufigste Prion-Krankheit beim Menschen ist die Creutzfeldt-Jacob-Krankheit, deren neue Variante im Zusammenhang mit dem Auftreten von BSE steht. Die pathologische Form des Prion-Proteins (PrPSc) wird durch posttranslationale Umwandlung aus der apathogenen physiologischen Isoform PrPC gebildet. Dieses Protein wird vor allem in neuronalem Gewebe exprimiert und ist in allen Säugetieren hoch konserviert. Die Funktion des zellulären, apathogenen Prion-Proteins ist noch immer nicht geklärt, da Mäuse ohne dieses Protein gesund sind und keinen pathologischen Phänotyp haben. Daher müssen alternative experimentelle Ansätze unternommen werden, um zur Klärung der physiologischen Funktion beizutragen. In der vorliegenden Arbeit wurde deshalb mittels eines „Yeast-Two-Hybrid“-Screens nach Interaktoren des zellulären Prion-Proteins der Maus gesucht, welche in murinem Gehirn exprimiert werden. Es konnten in Hefe erfolgreich mehrere Proteine identifiziert werden, die bislang noch nicht als mögliche Interaktoren des zellulären Prion-Proteins beschrieben worden waren. Drei dieser Isolate wurden ausgesucht, um deren physiologische Interaktion mit PrP näher zu charakterisieren: Pint1, Synapsin Ib und Grb2. Mittels Copräzipitation konnte bestätigt werden, dass auch in Säugetierzellen eine physiologische Wechselwirkung zwischen den identifizierten Interaktoren und PrP auftritt. Das Protein Pint1 wurde bislang noch nicht beschrieben und besitzt eine hoch konservierte Aminosäureregion, die in Proteinfragmenten vom Menschen bis zum Wurm C. elegans zu finden ist. Die beiden anderen untersuchten Proteine sind beide an verschiedenen Wegen der zellulären Signaltransduktion beteiligt. Synapsin Ib ist mit synaptischen Vesikeln assoziiert, womit eine mögliche Verbindung zwischen der zellulären Funktion von PrPC und extrazellulären bzw. endokrinen Signalwegen besteht. Grb2 ist ein Adaptorprotein mit vielfältigen Aufgaben, vor allem der Kopplung von Membranrezeptoren mit intrazellulären Signalkaskaden. Durch den Nachweis einer Interaktion dieser beiden Proteine mit dem zellulären Prion-Protein konnte in der vorliegenden Arbeit erstmals ein physiologischer Zusammenhang zwischen PrPC und intrazellulären Signaltransduktionswegen gezeigt werden.

Der Zusammenhang zwischen der pro Kopf Konsumtionsrate und der Nahrungsdichte wird in der Ökologie als funktionelle Reaktion bezeichnet und ist das Thema dieser Dissertation. Jeweils zum ersten Mal seit den 70er Jahren gebe ich hier einen Überblick über sowohl theoretische als auch empirische Arbeiten zur funktionellen Reaktion. Dabei zeige ich eine Lücke in der bisherigen Theorie und fülle diese mit einem neuen Modell, der SSS Gleichung. Dieses Modell kann man beispielsweise dazu verwenden, die Auswirkungen von Beutetier-Verteidigungen auf Konsumtionsraten von Räubern vorherzusagen. Diese Vorhersagen sind korrekt im Vergleich zu den bisher einzigen existierenden entsprechenden empirischen Daten, welche hier vorgestellt werden. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit der SSS Gleichung ist die Einteilung von Konsumenten in zwei Gruppen, handling-limitierte und verdauungslimitierte, wobei erstere für das Angreifen und die Aufnahme von Nahrung (beides zusammen wird als handling bezeichnet) mindestens so viel Zeit benötigen wie für die Verdauung; deren Konsumtionsrate wird deshalb von deren handling time bestimmt. Die meisten Konsumenten sind in ihrer Konsumtionsrate jedoch verdauungslimitiert. Sie können ‚satt’ werden und sollten daher von Zeitdruck befreit sein, wenn die Nahrung häufig genug ist, um schnell gefunden zu werden und auch die übrigen Umweltbedingungen gut sind. Eine von mir durchgeführte Analyse empirischer Daten deutet an, dass zumindest Herbivore in der Natur tatsächlich häufig von Zeitdruck befreit zu sein scheinen. Diese Analyse zeigt damit einen Schwachpunkt bisheriger Verhaltensmodelle, welche ausnahmslos vom Gegenteil, also permanentem Zeitdruck, ausgehen. In meiner Zusammenfassung empirischer funktioneller Reaktionen zeige ich, dass filtrierende Konsumenten charakteristischerweise einen bestimmten Typ funktioneller Reaktionen zeigen. Nachdem ich die SSS Gleichung dahingehend erweitert habe, dass sie die Besonderheiten von Filtrierern berücksichtigt, kann ich dieses Ergebnis erklären: Die Ursache scheint die Eigenschaft von Filtrierern zu sein, während der Nahrungssuche und -aufnahme in der Lage zu sein, weitere Nahrungspartikel zu fangen oder zu fressen und auch andere Aktivitäten auszuführen, z.B. nach Räubern Ausschau zu halten. Ich erweitere die SSS Gleichung außerdem um den sog. Konfusionseffekt. Ein solcher Effekt liegt vor, wenn ein Räuber, der mit einem Schwarm seiner Beutetiere konfrontiert ist, nicht in der Lage ist, die vielen Sinneseindrücke neuronal zu verarbeiten. Ich vergleiche die erweiterte SSS Gleichung mit empirischen Daten zur funktionellen Reaktion von ‚konfusen’ Räubern und stelle nicht nur eine qualitative, sondern auch eine quantitative Übereinstimmung fest. In diesem Abschnitt zeige ich auch, dass der Konfusionseffekt ein häufig auftretendes Phänomen ist, besonders bei taktilen Räubern und solchen visuellen Räubern, die agile Beutetiere jagen. Abschließend zeige ich weitere, bisher nicht verwirklichte Anwendungsmöglichkeiten der SSS Gleichung im speziellen und des Konzepts der funktionellen Reaktion im allgemeinen.

The floristic revision of the following genera represented in Peru – Verbena, Glandularia,and Junellia as well as Lantana and Lippia, is presented. Understanding of generic and specific interrelationships has been in part contributed to by three collecting expeditions to Peru by the author. Novel characters have been surveyed and the taxonomic boundaries re-assessed in the light of this new information. Verbena, Glandularia and Junellia are closely related to each other, as are Lantana and Lippia. The first group has both herbaceous and woody members, varying between erect and creeping representatives. Their inflorescences are constructed of simple or branched spikes. The flowers have pentamerous fused calyces, with hypocrateriform, or sometimes cylindrical, five-lobed corollas. The ovary is bilocular, possessing an additional false septum forming four elongated nutlets. The second group has only woody members and, with one exception, are all erect. The inflorescence is a homeothetic pleiostachys with first order paraclades. The co-florescences are sited above a more or less long inhibition zone on the peduncle, their fertile zones producing dense arrangements of roughly spherical spikes. The ovary is also bilocular,but one locule is very much reduced. The genus Lantana produces a one- or two-seeded drupe, while Lippia develops two nutlets. The generic separation of the Verbena-Glandularia-Junellia group is problematic and has been the focus of much discussion in the literature. The three genera are retained mostly as they stand, based on the fruit structure and the seed morphology. In the later stages of seed development the basal part of the ovary is slender in Junellia and Verbena,and broad in Glandularia. Glandularia species also have bigger seeds than taxa in the two other genera. In Junellia the basal region of the style appears fused with the ovary tissue. In all Verbena species the calyx is, at maturity, not (or barely) longer than the nutlets, which are freely dehiscent, releasing the seeds. In the two other genera the calyx at maturity is distinctly longer than the nutlets and encloses them. Verbena has a basic chromosome number of x=7, Glandularia x=5, and Junellia x=10. To further clarify the intergeneric relationships of these three genera a molecular analysis is highly desirable. The separation of the individual species is based on the following characters that have shown themselves to be stable: habit, peduncle length and elongation at anthesis of the terminal inflorescence, bract shape and size, and flower form. Leaf shape, leaf size, and flower colour are have restricted value as species-defining characters because of their high variability. Additionally to these characters it is important in Glandularia species to note the lengthened gland-bearing anther connective, while seed form is significant in Junellia. The following species are represented in Peru: Verbena cajamarcensis, Verbena clavata, Verbena fasciculata, Verbena hispida, Verbena litoralis, Verbena parvula, Verbena pogostoma, Verbena pubescens, Verbena villifolia,Verbena weberbaueri,Glandularia cuneifolia, Glandularia laciniata, Glandularia microphylla, Glandularia tenuisecta,Junellia aspera, Junellia juniperina, Junellia minima. Two new species have been found and newly described: Verbena cajamarcensis and Verbena pubescens. Glandularia cuneifolia has been recombined from Verbena based on seed characters. It is recognised that Glandularia laciniata represents a number of different taxa. Although the main centre of distribution is indeed in Southern Peru, it was unfortunately not possible to come to any definitive conclusions concerning this taxon. The genera Lantana and Lippia exhibit very similar habits. They can be most easily and simply distinguished by their fruits. The fruits of Lantana are either leathery or fleshy drupes that, in contrast to Lippia, show a reduction from two to one well-developed locules, resulting in two one-seeded nutlets. Another good generic descriptor is the form of the calyx. All Lantana species have praemorse calyces with a fringed margin, while the peruvian species of Lippia have a (seemingly) two-lobed calyx. The anthers of Lippia flowers are inserted in the upper half of the corolla tube and reach the mouth of the tube. The anthers of Lantana flowers are instead basally inserted in the corolla tube. The co-florescences have, in Lantana a long, and in Lippia a very short or occasionally non-existent, inhibition zone. Lantana inflorescences always demonstrably elongate between anthesis and fruit maturity, a feature that never occurs in Lippia. And finally, Lippia has flowers which, at their largest, are only ever half as big as Lantana flowers. Lantana species can be distinguished easily using flower colour, the presence of fleshy or leathery drupes, the extent of co-florescence elongation after anthesis, and from the shape and size of the bracts. Lippia species are distinguished using characters including the degree of incision between the two lobes of the calyx, the presence of the extended anther connective and the shape and size of the bracts. The basic chromosome number for Lantana camara is x=11. The following Lantana and Lippia species are represented in Peru: Lantana angustibracteata, Lantana camara, Lantana cujabensis, Lantana radicans, Lantana reptans, Lantana rugulosa, Lantana scabiosaeflora, Lantana sprucei, Lantana tiliifolia, Lantana trifolia,Lippia alba, Lippia americana, Lippia antaica, Lippia ferruginea, Lippia tayacajana. Lantana radicans was found by Ruiz & Pavon and so labelled on the herbarium sheets, although the name was never validly published. This species is therefore newly described here. Among the studied herbarium material a single sheet of Lippia boliviana, labelled from Peru and collected by Haenke, was found. Haenke’s collection data, especially geographical entries, are known to be unreliable and, as this was not supported by any other material, it is assumed that this species only occurs in Bolivia.