Universität zu Köln

Identification and investigation of osmostress-induced genes in Dictyostelium discoideum

Na, Jianbo (2007) Identification and investigation of osmostress-induced genes in Dictyostelium discoideum. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    D. discoideum is frequently subjected to environmental changes in its natural habitat, the forest soil. In order to survive, the organism had to develop effective mechanisms to sense and respond to such changes. When cells are faced with a hypertonic environment a complex response is triggered. It starts with signal sensing and transduction and leads to changes in cell shape, the cytoskeleton, transport processes, metabolism and gene expression. Certain aspects of the Dictyostelium osmotic stress response have been elucidated, however, no comprehensive picture was available up to now. To better understand the D. discoideum response to hyperosmotic conditions, we applied different methods. We first confirmed that actin is tyrosine phosphorylated, the F-actin cytoskeleton is redistributed, the cell volume is decreased considerably and cell viability is slightly diminished upon sorbitol treatment. Next, gene expression profiling using DNA microarrays was performed. Treatment of Dictyostelium cells with 200 mM sorbitol for 1 hour led to dramatic transcriptional changes, of which some were validated by real time PCR or Northern Blot. The transcriptional profile of cells treated during a 2-hour time course revealed a time-dependent induction or repression of 809 genes, more than 15% of the genes on the array, which peaked 45 to 60 minutes after the hyperosmotic shock. The differentially regulated genes were applied to cluster analysis and functional annotation using gene ontology (GO) terms. Two main responses appear to be the down-regulation of the metabolic machinery and the up-regulation of the stress response system, among them STATc (signal transducer and activator of transcription). Manual annotation revealed that many genes of the major metabolic pathways, including carbohydrate, amino acid and nucleotide metabolism were differentially regulated and could be responsible for the generation of osmolytes. We hypothesize that Dictyostelium uses a mixture of osmolytes to counteract the hyperosmotic stress. Interestingly we also found a number of differentially regulated genes that are involved in development. This is consistent with the notion that the cellular processes that protect amoebae from a hypertonic environment have been adapted for regulatory developmental process. Gene expression profiling with the STATc mutant and appropriate controls showed that STATc is a key regulator of the transcriptional response to hyperosmotic shock. Approximately 20% of the differentially regulated genes that were common between two or three experiments were dependent on the presence of STATc. Our results suggest that at least two signalling pathways are activated in Dictyostelium cells subjected to hypertonicity. STATc is responsible for the transcriptional changes of one of them.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    D. discoideum ist in seiner natürlichen Umgebung, dem Waldboden, häufig von ökologischen Veränderungen betroffen. Zum Überleben mußte der Organismus daher effektive Mechanismen entwickeln, um solche Veränderungen wahrnehmen und darauf reagieren zu können. Wenn Zellen einer hypertonen Umgebung ausgesetzt werden, wird eine komplexe Antwort ausgelöst. Sie beginnt mit der Wahrnehmung und der Weitergabe des Signals und führt zu Veränderungen der Zellform, dem Zytoskelett, von Transportprozessen, dem Metabolismus und in der Genexpression. Bestimmte Aspekte der osmotischen Stressantwort von Dictyostelium wurden bereits aufgeklärt, aber bisher war keine umfassende Darstellung möglich. Um die Antwort von D. discoideum auf hyperosmotische Bedingungen besser verstehen zu können, haben wir verschiedene Methoden angewandt. Wir konnten bestätigen, dass nach Sorbitolbehandlung Aktin am Tyrosin phosphoryliert, das F-Aktin Zytoskelett umverteilt, das Zellvolumen deutlich reduziert und die Lebensfähigkeit der Zellen etwas vermindert wird. Im nächsten Schritt wurde mittels DNA Microarrays ein Muster der Genexpression erstellt. Eine Behandlung der Dictyostelium Zellen mit 200 mM Sorbitol für eine Stunde bewirkte umfassende transkriptionelle Veränderungen, von denen einige durch �real time PCR� oder �Northern Blot� bestätigt wurden. Das transkriptionelle Profil von Zellen, die für zwei Stunden behandelt wurden, zeigte eine zeitabhängige Induktion oder Repression von 809 Genen, mehr als 15% der Gene auf dem �Array�. Am meisten Gene waren 45 bis 60 Minuten nach dem hyperosmotischen Schock differentiell reguliert. Die 809 Gene wurden zur Clusteranalyse und funktionellen Analyse mittels �Gene Ontology� (GO) herangezogen. Zwei wesentliche Antworten scheinen die Abregulierung der metabolischen Maschinerie und die Aufregulierung des Stressantwortsystems, darunter STATc (signal transducer and activator of transcription), zu sein. Die manuelle Annotation zeigte, dass viele Gene der wichtigsten Stoffwechselwege, einschließlich des Kohlenhydrat-, Aminosäuren- und Nukleotid-metabolismus differentiell reguliert werden und für die Synthese von Osmolyten verantwortlich sein könnten. Wir nehmen an, dass Dictyostelium mehrere Osmolyte verwendet um dem hyperosmotischen Stress entgegenzuwirken. Interessanterweise haben wir außerdem eine Anzahl differentiell regulierte Gene gefunden, die in die Entwicklung involviert sind. Dies unterstützt die Hypothese, dass zelluläre Prozesse, die die Amöbe vor einer hypertonen Umgebung schützen, für regulatorische Entwicklungsprozesse angepasst worden sind. Genexpressionsanalysen mit einer STATc Mutante und geeigneten Kontrollen zeigten, dass STATc ein Schlüsselregulator für die transkriptionelle Antwort auf hyperosmotischen Schock ist. Die differentielle Regulation von etwa 20% der Gene, die zwei oder drei der vergleichenden Experimente gemeinsam waren, war abhängig von der Anwesenheit von STATc. Unsere Ergebnisse lassen den Schluss zu, dass in Dictyostelium Zellen, die hypertonischen Bedingungen ausgesetzt werden, mindestens zwei Signalwege aktiviert werden. STATc ist verantwortlich für die transkriptionellen Änderungen in einem dieser Wege.German
    Creators:
    CreatorsEmail
    Na, Jianboael16@uni-koeln.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-21556
    Subjects: Life sciences
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    osmotischer Stress , differential Genexpression , Gene Ontology , Signaltransduktion , Dictyostelium discoideumGerman
    osmotic stress , differential gene expression , gene ontology , signal transduction , Dictyostelium discoideumEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Biochemie I
    Language: English
    Date: 2007
    Date Type: Completion
    Date of oral exam: 02 July 2007
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 05 Nov 2007 11:24:01
    Referee
    NameAcademic Title
    Noegel, Angelika AnnaProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/2155

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