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Verbreitung und Rekombination von Genen zur Synthese von Toxinen und Peptiden in Cyanobakterien
Mark Frei
Art der Arbeit
Diplomarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Betreuer*in
Angela Witte
DOI
10.25365/thesis.29277
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29564.63504.555863-4
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Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die planktisch lebenden Cyanobakterien sind durch die Produktion von Toxinen in Binnengewässern
bekannt. Es ist daher wichtig die Vererbung und Verbreitung der genetischen Basis zur Synthese
dieser Toxine zu erforschen. Die filamentösen Cyanobakterien der Gattung Planktothrix kommen
weltweit in Binnengewässern vor und produzieren neben dem bekannten toxischen Heptapeptid
Microcystin auch noch zahlreiche bioaktive Peptide. Aufgrund der Fähigkeit von Planktothrix
Algenblüten zu bilden, können gesundheitsgefährdende Konzentrationen dieser Toxine, z.B.
Microcystine auftreten. Neben den Microcystinen werden die bioaktiven Peptide Aeruginosin,
Anabaenopeptin, Cyanopeptolin, Microginin, Microviridin und Planktocyclin produziert. Diese
Peptide fungieren zum Teil als Protease Inhibitor und tragen z.B. zum Fraßschutz bei. Das Toxin
Microcystin und die Peptide Aeruginosin, Anabaenopeptin, Cyanopeptolin und Microginin werden
nach dem Prinzip des Multienzyme Thiotemplate Mechanismus der nicht-ribosomalen Peptidsynthese
(wie z.B. die klassischen Peptidantibiotika) synthetisiert. Die anderen Peptide (Microviridin und
Planktocyclin) werden jedoch ribosomal durch posttranslationale Modifikationen der Prä-Peptide,
welche in Precursorgene kodiert sind realisiert.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden 142 Isolate von Planktothrix, die von verschiedenen Klimazonen
stammen auf ihre genetische Basis zur Produktion dieser Peptide untersucht. Hierfür wurden alle
Isolate mittels PCR mit spezifischen Primern auf das Vorhandensein der einzelnen Peptidgencluster
untersucht. Einige Peptidgencluster, die nicht nachgewiesen werden konnten, wurden einer erneuten
Suche nach Resten dieser Peptidgencluster unterzogen.
Weiters wurde die genetische Variation innerhalb des Genclusters des ribosomal synthetisierten
Peptids Microviridin untersucht. Dabei wurde neben dem Vorhandensein von akzessorischen
Enzymen, auch die Variabilität der Precursorgene überprüft.
Die Ergebnisse haben gezeigt, dass man generell bei Isolaten der gemäßigten Breiten wie P. agardhii
und P. rubescens sechs verschiedene Peptidgencluster (Aeruginosin, Anabaenopeptin, Cyanopeptolin,
Microginin, Microcystin, Microviridin und Planktocyclin) findet. Im schon sequenziertem Genom von
P. agardhii sind drei Peptidgencluster (Anabaenopeptin, Cyanopeptolin und Microviridin) direkt
benachbart. Dieser Multipeptidgencluster konnte auch bei der überwiegenden Mehrheit der 142 Isolate
von Planktothrix nachgewiesen werden.
Es war auffällig, dass eine größere Anzahl der Isolate den Microcystingencluster verloren haben und
nur noch Genreste aufwiesen. Im Gegensatz dazu wurde der Verlust des Anabaenopeptin- und
Cyanopeptolingenclusters nur bei einigen Isolaten festgestellt. In einzelnen Fällen könnte dieser
Verlust auch die Auflösung des Multipeptidgenclusters bedeuten. Der Gencluster für das Peptid
Microginin wurde nur in einzelnen Isolaten nachgewiesen.
Überaschenderweise wurde bei den Isolaten aus der tropischen Klimazone von der Gattung P.
pseudagardhii keine dieser bekannten Gencluster gefunden. Es konnten lediglich Fragmente der
Cyanopeptolin- und Microcystingencluster identifiziert werden.
Da die beobachtete Variabilität der gefundenen Gencluster durch Verlustprozesse zustande gekommen
ist, muss man daraus schließen, dass bei der Vererbung der Gencluster der horizontale Transfer
innerhalb der Gattung Planktothrix keine Rolle spielt. Einzig die geringe Abundanz des Microginin
Genclusters könnte durch horizontalen Gentransfer verursacht sein.
Innerhalb der Planktothrix Isolate unterschied sich die Microviridinsynthese vor allem im
Vorhandensein der Acetyltransferase (ACT) und der Anzahl der Precursorgene. Das Vorhandensein
der ACT geht wahrscheinlich auf ein Rekombinationsereignis zurück, da bei den Isolaten ohne ACT
kein Hinweis für einen Genabbau festgestellt wurde.
Es wurden Isolate mit einem, zwei oder drei Precursorgene festgestellt. Die Mehrheit der Isolate (2/3)
wiesen nur ein Precursorgen auf, wobei sich innerhalb dieser Isolate die Variabilität auf nur zwei Prä-
Peptid (Corepeptid) Varianten beschränkt. Eine kleinere Anzahl an Isolaten, die zwei oder drei
Precursorgene hatten, zeigten mit 17 verschiedenen Corepeptid Varianten eine viel höhere Variabilität.
Bei einigen Isolaten wurde innerhalb des Microviridingenclusters noch kurze Insertionen in der
„intergenic spacer“ (IGS) Region, ein hypothetisches Protein mit einer möglichen Funktion zur
Plasmidstabilisierung und Reste eines Precursors gefunden. Diese hohe genetische Variation innerhalb
der Precursorpeptide kam wahrscheinlich ebenfalls durch zahlreiche regelmäßige
Rekombinationsereignisse zustande, was letztendlich auch in einer hohen Anzahl an Microviridin
Strukturvarianten resultieren sollte.
Da die Microviridine ribosomal synthetisiert werden ist auch eine genaue Vorhersage der Masse
anhand der Sequenz der Corepeptide möglich. Unter Zuhilfenahme von massenspektrometrischen
Verfahren konnte gezeigt werden, dass einzelne Isolate mit einem zweiten Precursorgen auch eine
weitere Microviridin Strukturvariante produzieren.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Cyanobakterien Planktothrix Geitlerinema Oscillatoria rubescens agardhii pseudagardhii Protein Peptid Toxin bioaktiv Antibiotika Vektor Plasmid E.coli PCR nichtribosomal NRPS ribosomal RPS Polyketid Rekombination Mutation Mutagenese Insertionselement IS-Elelment Transposase DNA Genome Walking Elektroporation Transformation Klonierung Ligation LB Medium Agarose
Autor*innen
Mark Frei
Haupttitel (Deutsch)
Verbreitung und Rekombination von Genen zur Synthese von Toxinen und Peptiden in Cyanobakterien
Publikationsjahr
2013
Umfangsangabe
[10], 120 S. : Ill., graph. Darst.
Sprache
Deutsch
Beurteiler*in
Angela Witte
AC Nummer
AC11606877
Utheses ID
26120
Studienkennzahl
UA | 441 | | |