Vulkane Solfataren Schlammvulkane Geysire Hydrothermal Vents White Island, Neuseeland

Transkript

1 Anpassung an Hitze

2 Heiße Quellen weltweit Vulkane Solfataren Schlammvulkane Geysire Hydrothermal Vents White Island, Neuseeland

3 Ist Leben bei über 100 C möglich?

4 Heisse Unterwasserquellen Temperatur: C Probennahme heiße Unterwasserquellen vor Sao Miguel; Açores

5 Weltkarte Erdbeben heiße Quellen

6 Deep Sea Hydrothermal Vents

7 Deep Sea Hydrothermal Vents

8 Derzeit bekannte obere Grenzen der Wachstumstemperatur lebender Organismen Tiere T max Fische und andere wasserlebende Vertebraten 38 C Insekten C Sahara Wüstenspinne 55 C Ostracodae (Crustaceen) C Wurm Alvinella pompeiana 80 C?

9 Derzeit bekannte obere Grenzen der Wachstumstemperatur lebender Organismen Tiere T max Fische und andere wasserlebende Vertebraten 38 C Insekten C Sahara Wüstenspinne 55 C Ostracodae (Crustaceen) C Wurm Alvinella pompeiana 80 C? Pflanzen Gefäßpflanzen Moose 45 C 50 C Eukaryontische Mikroorganismen Protozoae 56 Algae C Pilze C

10 Derzeit bekannte obere Grenzen der Wachstumstemperatur lebender Organismen Prokaryonten T max Bacteria Cyanobacteria, anoxygene Phototrophe C Chemoorgano-/chemolithotrophe Bakterien Aquifex 95 C Thermus aquaticus/ T. thermophilus 84 C Geothermobacterium ferrireducens 100 C Archaea Pyrodictium occultum Pyrolobus fumarii Methanopyrus kandleri Strain C 113 C 110 C 121 C

11 Der Rekordhalter: Stamm 121 : wächst optimal bei 108 C, teilt sich noch bei 121 C Prokaryonten Temperatur im Autoklaven: 121 C

12 Die (derzeitigen) Temperature-Rekordhalter Sind Archaea Archaea zeigen einige Anpassungen, die ein Überleben bei hohen Temperaturen ermöglichen

13 Hyperthermophile aus 2 Domänen des Lebens Prokaryonten T max Bacteria Cyanobacteria, anoxygene Phototrophe C Chemoorgano-/chemolithotrophe Bakterien Aquifex 95 C Thermus aquaticus/ T. thermophilus 84 C Geothermobacterium ferrireducens 100 C Archaea Pyrodictium occultum Pyrolobus fumarii Methanopyrus kandleri Strain C 113 C 110 C 121 C

14 The three domains and the origin of life Microsporidia Metazoa Plantae Fungi Ciliates Dictiostelidiia Flagellates Diplomonadida Eucarya Green-non-sulfur Bacteria Acidobacteria Gram positive Proteobacteria Sulfolobales Thermoproteales Archaea Cyanobacteria Thermococcales Flavobacteria Aquificae Methano- coccales LUCA Methano- bacteriales Halobacteriaceae Methano- sarcinales Woese et al. 1990, modified

15 Archaea scheinen besser an extreme Bedingungen angepasst zu sein als Bakterien

16 Was ist eigentlich "Thermophilie"?

17 Wie können (Mikro-) Organismen bei hohen Temperaturen leben? Stabilisierung der Nukleinsäuren DNA DNA Bindeproteine, positiv supercoiled DANN moderat thermophile: erhöhter GC Gehalt stabile RNAs (rrna, trna) hoher G+C-Gehalt starke Modifikationen Methanococcus jannaschii Nucl. Acids Res., 2001, Vol. 29, No

18 Stabilisierung der Membranen: ETHER LIPIDE in ARCHAEA

19 ...mit Phytanyl-Seitenketten (keine Fettsäuren)

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22 Molekulare Grundlagen der Thermostabilität der Proteine Warum und wie werden Proteine thermostabil? "Die" Antwort auf die Frage gibt es nicht - nur Trends Welche Parameter sind für Proteinstabilität wichtig? - Ionische Wechselwirkungen ("Salzbrücken") Lumazine synthase from (a) Bacillus subtilis and (b) Aquifex aeolicus. Red, negatively charged, blue, positively carged; green, polar; white, non-polar.

23 Molekulare Grundlagen der Thermostabilität der Proteine Warum und wie werden Proteine thermostabil? - "Die" Antwort auf die Frage gibt es nicht - nur Trends Welche Parameter sind für Proteinstabilität wichtig? - Ionische Wechselwirkungen ("Salzbrücken") - hydrophobe WW (im Inneren des Proteins) - Wasserstoffbrückenbindungen -- - van der Waals WW -- - Wassergehalt - Kompaktheit - Stabilität der AS und Peptidbindungen gegen Hydrolyse

24 How stable are metabolites? S. solfataricus EMP Semi-phos. ED Nicht-phos. ED FBP KDPG KDG 79.4 min, 60 C DHAP GAP Pyruvate 14.5 min, 60 C Glyceraldehyde 1.6 min, 60 C 1,3-DPG GAPN Glycerate 600 h, 100 C 3-PG 400 h, 100 C 71 min, 60 C 2-PG PEP Pyruvate Co-substrates ATP 115 min, 90 C ADP 750 min, 90 C

25 Wie reagieren moderate Organismen auf Hitzeschock?

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27 Kurz nach dem Hitzeschock werden die Hitzeschockproteine in grossen Mengen in der Zelle synthetisiert

28 Die Hitzeschockgene liegen verteilt auf dem E.coli Chromosom

29 Funktionen von molekularen Chaperonen (Hitzeschockproteinen) Erkennung von entfalteten Proteinen, Faltung von Proteinen, Proteinabbau 10-15% aller Proteine, Und denaturierte Proteine

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31 Wie findet man Hitzeschockproteine?

32 Transkriptomik Proteomik

33 Das E. Coli Genom Von aussen nach innen: -Replichore 1 und 2 -Positionen in bp und Minuten -rot/blau: Gene auf beiden DNA Strängen - grüne Pfeile: rrna Gene - gelbe Pfeile: trna Gene - Striche im innersten Kreis: Repetitive Elemente

34 Herstellung von Sonden für alle Gene

35 Auf einem DNA-Microarray befindet sich fuer jeden ORF eine Sonde Figure 6.2 Genomes 3 ( Garland Science 2007)

36 Figure 6.3 Genomes 3 ( Garland Science 2007) 2 verschiedene Arten von Microarrays

37 Das Verhältnis von Sonde und Zielsequenz ist wichtig Figure 6.4 Genomes 3 ( Garland Science 2007)

38 Differentielle Transkription: 2 Zustände werden angeschaut Figure 6.6 Genomes 3 ( Garland Science 2007)

39 Expressionsmuster aus einer Transkriptionsanalyse Figure 6.7 Genomes 3 ( Garland Science 2007)

40 Proteomik: 1. Schritt: 2-Dimensionale Protein-elektrophorese Erst Auftrennung nach Größe, dann nach Ladungsdichte Figure 6.10 Genomes 3 ( Garland Science 2007)

41 2-D-Gel Figure 6.11 Genomes 3 ( Garland Science 2007)

42 Analyse der Proteine (bzw. Peptide) im Massenspektrometer Figure 6.12a Genomes 3 ( Garland Science 2007)

43 Figure 6.12b Genomes 3 ( Garland Science 2007)

44 Vergleich von Intensitäten aus 2 versch. Zuständen Figure 6.13 Genomes 3 ( Garland Science 2007)

45 Figure 6.22 Genomes 3 ( Garland Science 2007)

46 Regulation von Hitzeschockgenen in Bacteria: Sigma Faktor (AB) oder Repressorbindung (CD) oder beides S Transkription der Gene ohne Heatshock Mit B nach heatshock Repression durch Repressor an einem cis-element ( CIRCE ) Transkription nach Abfall des Repressor

47 Das CIRCE Element ist weit verbreitet in Bakterien HrcA/ CIRCE In gram+ and many gram- bacteria

48 Viele Stressreaktionen überlappen bzgl. der exprimierten Proteine

49 Radiation

50 The mutation rate correlates directly with the dose of mutagenic radiation Gamma radiation 160 kv X-Ray Beta-radiation (kr: kiloröntgen) HO and O Radicals, Hydroxylperoxide Are formed

51 DNA-damage caused by ionised radiation Crosslinks (covalent bond of Opposing bases) Double-strand Breaks Single strand break Destruction of bases

52 Chromosomal breaks in radiated cells

53 Thymin -Dimers: UV-Damage

54 UV-damage in DNA a) Thymin-Dimer b) TC(6-4)-Product

55 1. Photoreactivation Photolyase

56 2. NER Reparatur Nucleotide Excision repair mechanism of UV-damages in the DNA Erkennungs- Und Endonuclease- Komplex Endonuclease Helicase

57 3. Basen- Excisions- Reparatur

58 4. Homologe Rekombination und End-zu-End Reparatur

59 5. Translesions-Reparatur via Replikation DNA-repair mechanisms with and without mistakes

60 Translesions-Reparatur:Fehlerhafte Reparatursynthese bei Bakterien

61 Polymerasen für DNA Reparatur (Translesions-Reparatur) Genauigkeit Pol I: Reifung von Okazaki Fragmenten Pol II: TLS / geschädigte Basen Pol III: replikative Kettenverlängerung Pol IV: TLS / geschädigte Basen, SOS Pol V: TLS / geschädigte Basen, AP-Stellen UV-induzierte Dimere SOS Mutagenese

62 Übersicht zur Reparatur von Strahlungsschäden Repair mechanisms for UV damages or other irradiation damage: 1. Photolyase (light-dependent enzyme, directly removes T-dimers) 2. Nucleotide excision repair (NER) 3. Base excision repair (BER) 4. Homologous recombination 5. Translesion polymerisation (TLS)