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Titel: Untersuchung von multiplen Globin-Genen in Strahlenflossern (Actinopterygii)
Sonstige Titel: Investigation of multiple globin genes in rayfishes (Actinopterygii)
Sprache: Deutsch
Autor*in: Helfenrath, Kathrin
Schlagwörter: CRISPR/Cas9; Cytoglobin; Sub-Neofunktionalisierung; Transcriptome; CRISPR / Cas9; cytoglobin; sub-neofunctionalization; transcriptome
GND-Schlagwörter: Globine; Myoglobin; Evolution
Erscheinungsdatum: 2019
Tag der mündlichen Prüfung: 2019-11-15
Zusammenfassung: 
Die Entwicklung von neuen Genen durch Gen- oder Genomduplikationen ist Ursprung von evolutionären Neuheiten und stellt somit die treibende Kraft der Evolution dar (Ohno 1970; Gu et al. 2003; Pichersky und Gang 2000; Ober 2005; Roth et al. 2007). Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden (A) die duplizierten Cytoglobin-Gene (Cygb1 und Cygb2) in Teleostei (echte Knochenfische) und (B) die multiple Myoglobin-Gene (Mb) in Polypteriformes (Flösselhechtartigen) untersucht.
(A) Um ein besseres Verständnis für die Evolution und funktionelle Entwicklung des duplizierten Cygb-Gens zu erhalten, wurden die Aminosäuresequenzen, die Phylogenie sowie die Genexpression von Cygb1 und Cygb2 in diversen Teleostei untersucht. Darüber hinaus wurden Lokalisationsuntersuchungen sowie Funktionsuntersuchungen von Cygb1 und Cygb2 in Zebrafischen durchgeführt. Die Untersuchungen der duplizierten Cygb-Gene in diversen Teleostei ergaben, dass Cygb1 im Vergleich zu Cygb2 über ein sehr variables Genexpressionsmuster verfügt sowie höhere Sequenzdivergenzen und höhere Substitutionsraten aufzeigt. Die Lokalisationsuntersuchungen ergaben, dass beide duplizierten Cygb-Gene in Neuronen (Cygb1 verstärkt in Spinal-Neuronen und Cygb2 verstärkt in Intestinal-Neuronen) und Hepatozyten vorkommen. Cygb1 ist darüber hinaus noch in Blutgefäßen lokalisiert. Die Funktionsuntersuchungen, die anhand von verschiedenen Stressversuchen durchgeführt wurden, deuten darauf hin, dass Cygb1 als Sauerstoffspeicher- und/oder als Sauerstofftransportprotein fungiert und Cygb2 an der Detoxifizierung von reaktiven Sauerstoffspezies beteiligt ist. Die Funktionen von Cygb1 konnten unter Verwendung eigens generierter Cygb1-Knockoutmutanten genauer untersucht werden. Hierfür wurden die Leber- und Gehirn-Transkriptome der Cygb1-Knockoutmutanten im Vergleich zu Cygb1-Wildtyp-Transkriptomen unter Normoxie- und Hypoxie-Bedingungen untersucht. Die Analyse der Transkriptome ergab, dass Cygb1 als Sauerstoffspeicher- und/oder als Sauerstofftransportprotein fungiert, an der Detoxifizierung von reaktiven Sauerstoffspezies beteiligt ist, in die Biosynthese und/oder den Transport von Cholesterin und weiteren Lipiden involviert ist und Sauerstoff für die NO-Synthase bereit stellt. Die Arbeiten aus vorherigen Studien (Fuchs et al. 2005; Roesner et al. 2006; Corti et al. 2016a) deuten in Verbindung mit den hier erzielten Ergebnissen darauf hin, dass sich die duplizierten Cygb-Gene vermutlich subneofunktionalisiert haben. Hierbei hätten die duplizierten Cygb-Gene Funktionen des Vorläufer Cygbs aufgeteilt und würden diese weiterhin ausführen. Zusätzlich hat Cygb1 eine weitere, neue Funktion entwickelt, bei der es sich wahrscheinlich um eine Sauerstoffspeicher- und/oder Sauerstofftransport-Funktion handelt. Für das single copy Cygb der Tetrapoden scheint eine Funktion im oxidativen Metabolismus nahezu ausgeschlossen, da keine Korrelation zwischen der Cygb Expression und dem Sauerstoffverbrauch besteht (Hankeln et al. 2005; Schmidt et al. 2005). Darüber hinaus weist Cygb1, im Gegensatz zum single copy Cygb, eine Lokalisation in Blutgefäßen auf, was ebenfalls für eine Subneofunktionalisierung spricht.
(B) Während die meisten Vertebraten nur ein single copy Mb besitzen, weisen einige Fische multiple Mb-Gene auf. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnten sowohl im Senegal-Flösselhecht (Polypterus senegalus) als auch im Flösselaal (Erpetoichthys calabaricus) 15 multiple Mb-Gene identifiziert werden. Um die evolutionäre und funktionelle Entwicklung der multiplen Mb-Gene zu untersuchen, wurden die Aminosäuresequenzen, die Phylogenie sowie die Genexpressionsmuster untersucht. Die Analyse der Aminosäuresequenzen zeigt, dass innerhalb der multiplen Mb-Gene hohe Sequenzdivergenzen vorliegen und im Senegal-Flösselhecht vier der 15 Mb-Gene Pseudogene sind. Es liegt also eine Expansion der Mb-Gene durch Amplifikation im Flösselaal und eine Reduktion durch Pseudogenisierung im Flösselhecht vor. Die durchgeführten phylogenetischen Untersuchungen zeigen, dass die multiplen Mb-Gene der Flösselhechtartigen im letzten gemeinsamen Vorfahren entstanden sind und unterschiedliche Substitutionsraten aufzeigen. Die Genexpressionsmuster der multiplen Mb-Gene im Senegal-Flösselhecht und im Flösselaal unterscheiden sich voneinander. Nahezu alle multiplen Mb-Gene des Senegal-Flösselhechts werden im Gehirn exprimiert und kommen in den restlichen Geweben nur vereinzelt vor. Die Genexpression der multiplen Mb-Gene im Flösselaal zeigen ein eher ubiquitäres Muster auf, wobei die stärksten Expressionen in der Lunge und im Herzen vorliegen. Die durchgeführten Analysen der multiplen Mb-Gene lassen, im Hinblick auf das evolutionäre Schicksal, vermuten, dass die Mb-Gene im Gehirn des Senegal-Flösselhechts möglicherweise eine Funktionsverstärkung (additiven Effekt) ausüben. Die hohen Sequenzdivergenzen, die unterschiedlichen Substitutionsraten sowie die verschiedenen Hauptexpressionsorte deuten jedoch eher darauf hin, dass die multiplen Mb-Gene in Flösselhechtartigen unterschiedliche Funktionen ausüben.
URL: https://ediss.sub.uni-hamburg.de/handle/ediss/6112
URN: urn:nbn:de:gbv:18-101693
Dokumenttyp: Dissertation
Betreuer*in: Dobler, Susanne (Prof. Dr.)
Enthalten in den Sammlungen:Elektronische Dissertationen und Habilitationen

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