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Untersuchung zur chemotaktischen Signalkaskade bei Dictyostelium discoideum

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2005

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Thal, Sandra

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Investigation of the chemotactic signalling cascade of Dictyostelium discoideum
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Dissertation
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Zusammenfassung

The isolation and characterization of the phenotype of two indepent cellpolarity REMI mutants ("Ganko", "Enigma") were described in this work. A putative PMCA gene was identified in Dictyostelium and also described.

The first cellpolarity mutant "Ganko" received the REMI vector insertion in the 3´UTR of actin 8, 283 bp downstream of first and 277 bp after the second polyadenylation signal. The mutants showed an alteration in assembling a normal F-actin network which enables the mutant to chemotax up a shallow cAMP gradient (50 µM) within the performed selection assay. Furthermore, the cells were able to squeeze through 1. 2 µm filter pores. In the standart chemotaxis assay with a glasscapillary filled with 100 µM cAMP, "Ganko" showed no alteration with respect to the wildtype. Performing the same assay with 10 µM cAMP more mutants as wildtype cells reached the glasscapillary. At this cAMP concentration the "Ganko" cells showed an abberant chemotaxis behaviour since they developed more lateral pseudopodia with respect to the wildtype. Measuring F-actin accumulation after cAMP stimulation either with 10 µM cAMP or 1 µM cAMP the mutant showed less actin assembly as compared to the wildtype. The localization of F-actin was the same as in wildtype cells, but the F-actin network was diffusively distributed in the pseudopodia of the mutant. Other alterations e. g. growth rate, development, cell volumes, endocytosis, cell shape, ligth-scattering oscillations or dark field waves were not observed.
In summary, I concluded that the 3´UTR reagion that is affeceted is necessary for proper posttransciptional processing and production of the actin 8 mRNA in the cells.
The second REMI- mutant "Enigma" was also able to chemotax through 1. 2 µm filter pores and also moved in a verry short time towards a cAMP gradient.
F-actin was also affected as more filopods were visible in F-actin staining of the mutant. Futhermore, the mutant spread more surface as the wildtype and established more pseudopods under standart chemotaxis assay conditions. Also endocytosis was affected and "Enigma" showed a developmental defect in the mound stadium resulting in the breaking of the aggregation streams in a parcticulary fashion. The mutant needed approximatly 30 h for full development. Alterations in e.g. growth rate, cell volume, ligth-scattering oscillation and dark field waves were not observed.
Lack of sequence homology of the mutated genetic sequence in the mutant disables the further molecular genetic characterization of "Enigma".

By an informatic approach I have identified a putativ plasmamembran calcium ATPase (dPMCA) from Dictyostelium discoideum. The putative PMCA was cloned from a cDNA bank and amplified from genomic DNA. The PMCA is present as single copy in the genome and is expressed throughout development. The gene of the PMCA is localized at the chromosome 5.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

Diese Arbeit beschreibt zum einem die Isolation von zwei REMI-Zellpolaritätsmutanten ("Ganko", "Enigma") sowie die Charakterisierung ihrer Phänotypen und die molekularbiologischen Analysen der REMI-Integrationen.
Zum anderen beschreibt die Arbeit die Isolierung eines Gens für eine möglichen Plasmamembran Calcium ATPase aus Dictyostelium und seine molekularbiologische Charakterisierung.

Bei der ersten REMI-Mutante "Ganko" konnte erstmalig für Dictyostelium gezeigt werden, dass der 3´UTR Bereich von Aktin 8 für die Bildung eines normalen F-Aktinzytoskeletts in den Pseudopodien benötigt wird. Dabei beeinflusst die Integration des REMI-Vektors 293 bp nach dem Stopkodon und 283 bp bzw. 277 bp nach den beiden Polyadenylierungssignalen nicht die Expression von Aktin 8 in der Mutante. Dennoch konnte "Ganko" aufgrund dieser Integration sich im Selektionsassay durch 1.2 µm große Filterporen entlang eines niedrigen cAMP-Gradienten bewegen und bewies auch im Chemotaxisassay mit einer 10 µM cAMP gefüllten Glaskapillare, dass er sensitiver auf cAMP als der Wildtyp reagierte. Bei den cAMP stimulierten F-Aktin Anreicherungsassays wurde unter Standardbedingung
(10 µM cAMP) wie bei Stimulation mit 1 µM cAMP bei "Ganko" weniger F-Aktin, als bei dem Wildtyp akkumuliert. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass F-Aktin in der Mutante genauso wie im Wildtyp in den Pseudopodien lokalisiert war, allerdings mit einer anderen Verteilung. Bei "Ganko" bildet das F-Aktinnetzwerk kein schmales Band wie beim Wildtyp, sondern verteilte sich diffus in den Pseudopodien. Anhand gleicher Belichtungszeiten bei den Bildern der F-Aktinfärbung konnte gezeigt werden, dass die Intensität der F-Aktinfärbung bei "Ganko" deutlich niedriger war als beim Wildtyp. Veränderungen in der Differenzierung, des Zellvolumens, der Wachstumsrate, der Endozytose oder die Änderung der Zellgestalt bei autonomer cAMP-Segregation in Suspensionskultur bzw. auf Festmedium konnten gegenüber dem Wildtyp nicht festgestellt werden.

Anhand dieser Ergebnisse wird vermutet, dass der 3´UTR Bereich für die Regulation der posttranskriptionelle Prozessierung benötigt wird. Die Integration des REMI-Vektors in diesen Bereich reduziert vermutlich die Bildung von G-Aktin 8 in den Mutanten.
Bei der zweiten REMI-Zellpolaritätsmutante "Enigma" konnte auch über Homologe Rekombination gezeigt werden, dass die Integration des REMI-Vektors verantwortlich war, für den beschrieben Phänotyp der Mutante. Die Integration des Vektors erlaubte "Enigma" sich im Selektionsassay in sehr kurzer Zeit chemotaktisch durch 1.2 µm große Filterporen entlang eines cAMP-Gradienten zu bewegen. Diese Veränderung im F-Aktinzytoskelett resultierte bei "Enigma" in der Ausbildung von Filopodien statt Pseudopodien. Des Weitern besaß "Enigma" eine flacher Zellgestalt als der Wildtyp und Veränderung in der Differenzierung. "Enigma" entwickelte sich genauso wie der Wildtyp bis zum Übergang zwischen dem multizellulären Aggregat und dem "mound"-Stadium dabei kam es bei der Mutante zu einem Auseinanderbrechen des multizelluläre Aggregat in unterschiedliche große Einzelstücke. Insgesamt benötigte "Enigma" 30 Stunden und der Wildtyp 24 Stunden bis zur Kulmination.
Bei der chemotaktischen Bewegung unter Standardbedingung wurden bei "Enigma" mehr laterale Pseudo- bzw. Filopodien ausgebildet als beim Wildtyp. Diese Mutante besaß gegenüber dem Wildtyp noch eine gesteigerte Pinozytose.
Effekte auf die Wachstumsrate oder Änderung auf der Zellgestalt bei autonomer cAMP-Segregation in Suspensionskultur bzw. auf Festmedium konnten nicht festgestellt werden.
Die Genetische Grundlage für diesen Phänotyp konnte nicht analysiert werden, da die genomische Sequenz aus dem religierten und sequenzierten REMI-Plasmid keinem bekannten Gen oder intergenischen Sequenz zugeordnet werden konnte.

Mit Hilfe einer Gendatenbank die auf HMM-Genen (hidden Markov models) basierte, konnte eine möglichen Plasmamembran Calcium ATPase (dPMCA) aus Dictyostelium discoideum identfiziert werden. Die Analyse der Proteindomänen lässt vermuten, dass es sich um eine PMCA handelt. Die Sequenz der mögliche dPMCA konnte über Sequenzierung von PCR-Amplifikate und eines cDNA Klons aus einer cDNA-Bank (Tsukuba) fast vollständig isoliert werden. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass die mögliche dPMCA nur als einzelne Kopie im Genom enthalten ist. Über eine Expressionsstudie wurde gezeigt, dass die mögliche dPMCA in allen Entwicklungsstadien gleichbleibend exprimiert wird. Die Daten des Dictyostelium-genomprojekts erlaubten die Lokalisation der möglichen dPMCA auf dem Chromosom 5.

Fachgebiet (DDC)
570 Biowissenschaften, Biologie

Schlagwörter

Ganko, Enigma, PMCA, Dictyostelium, cell polarity, REMI

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Zitieren

ISO 690THAL, Sandra, 2005. Untersuchung zur chemotaktischen Signalkaskade bei Dictyostelium discoideum [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
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February 23, 2005
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