Authors:	Kropf, Klaus
Title:	Morphologischer und biochemischer Aufbau von Silikatnadeln der Hexactinelliden am Beispiel von Monorhaphis chuni
Online publication date:	3-Aug-2009
Year of first publication:	2009
Language:	german
Abstract:	Schon 1904 beschrieb Schulze den Aufbau von Silikatnadeln des Schwammes Monorhaphis chuni, eines Mitglieds der zweiten Familie von biosilifizierenden Schwämmen, den Hexactinelliden (Glasschwämmen). Weitergehende morphologische Untersuchungen und biochemische Analysen insbesondere mit modernen Methoden wurden an Hexactinelliden bisher kaum durchgeführt. Ziel der vorliegenden Arbeit bestand deshalb darin, Untersuchungen zur Morphologie, der chemischen Zusammensetzung, der Verteilung und Charakterisierung der beteiligten anorganischen und organischen Komponenten sowie einen molekularbiologischer Nachweis der Existenz von Silicatein in Hexactinelliden durchzuführen. Für diese Untersuchungen wurden zwei Spezies verwendet: Monorhaphis chuni und Crateromorpha meyeri. Mittels Elektronen-Mikrosonden-Technik wurde an Querschnitten der Pfahlnadel von M. chuni die Verteilung der Elemente innerhalb der Nadel untersucht. Am äußeren Rand der Nadel (150 µm) traten im Vergleich zur Nadelmitte prägnante Unterschiede in der Konzentration von Kaliumoxid und Natriumoxid auf. Diese Ergebnisse deuten auf das Vorhandensein eines ähnlichen Transportsystems zur Anreicherung von Silizium/Silikat bei der Nadelbildung hin, wie es bereits in S. domuncula bekannt ist. Mit elektronen- und lichtmikroskopischen Untersuchungen wurden die organischen Substanzen der Silikatnadel nachgewiesen und deren Verteilung innerhalb dieser Nadeln analysiert. In der lamellaren Zone befindet sich, eine säurelabile organische Netzstruktur, sowie eine, die Silikatschichten durchspannende, säulenähnliche Struktur. Im Axialzylinder zeigt das organische Material eine leicht verzweigte fibrilläre Anordnung. Mit biochemischen Verfahren wurden die organischen Komponenten der Nadeln detaillierter untersucht. Mehrere Proteine mit Molekulargewichten von 17, 24, 27 ,30, 36 und 70 kDa wurden durch gelelektrophoretische Analysen von Material der Pfahlnadel identifiziert. Die Analyse isolierter Anteile der lamellaren Zone zeigte ausschließlich ein 27 kDa Protein. Die restlichen Proteinbanden konnten hier nicht nachgewiesen werden. Das 27 kDa Protein reagierte im Westernblot mit Antikörpern gegen Silicatein aus S. domuncula. Ein weiteres Protein wurde näher charakterisert. Ein positiver Agglutinationsassay wies ein lectinähnliches Molekül innerhalb der Nadeln nach, wie es aus S. domuncula bekannt ist. Nach einer Deglycolysierung der Proteine reduzierte sich das scheinbare Molekulargewicht der 36 kDa Bande auf 30 kDa. Durch molekularbiologische Untersuchungen wurde erstmals in Hexactinelliden die Existenz von Silicatein nachgewiesen. Nach Isolierung der Gesamt-RNA von Crateromorpha meyeri, RT-PCR und Amplifizierung mit silicateinspezifischen Primern wurde eine 549 kBp Nukleotidsequenz gefunden, die auf Aminosäureebene starke Homologien (76% identische Aminosäuren) zu bekannten Silicateinen der Demospongia aufweist. Die Aminosäuren der katalytische Triade des Silicateins, essenziell für die enzymatische Katalyse des Enzyms, sind an den selben Positionen wie bei bekannten Silicateinen vorhanden. As early as 1904 Schulze described the structure of silicate spicules of the sponge Monorhaphis chuni, a member of the Hexactinellididae (glass sponges). Further morphological studies and biochemical analysis in this class with modern methods were rarely performed up to now. The aim of this work was therefore to investigate the morphology and chemical composition of the spicules and to characterise the inorganic and organic components as well as provide molecular evidence of the existence of silicatein in hexactinellida spicules. For these studies two species were used: Monorhaphis chuni and Crateromorpha meyeri. Electron micro-probe technique was employed to investigate the distribution of elements within the spicules. The outer edge of the spicule showed a striking differences between the concentrations of potassium and sodium compared to the centre of the spicule. These results indicate the presence of a similar transport system for the enrichment of silicon / silicate as it is already known in S. domuncula. The organic substances and their distribution inside the spicules were investigated with Light and electron micoscopy. Inside the lamellar zone, a network of acid labile organic structures, as well as the silicate layers pervading, pillar-like structure were found. Inside the axial barrel the organic material shows a slightly branched fibrillar arrangement. The organic components of the spicules were analysed in more detail using biochemical methods. Several proteins with molecular weights of 17, 24, 27, 30, 36 and 70 kDa were identified using a gelelectrophoretic approach. The analysis of isolated portions of the lamellar zone showed only a 27 kDa protein. The remaining protein bands could not be demonstrated here. The 27 kDa protein reacted with antibodies against silicatein from S. domuncula. Another protein was closer charakterised. A positive agglutination assay providet evidence for the presence of a lectin like molecule within the spicules as it is known from S. domuncula. After deglycolysation of the proteins the apparent molecular weight of 36 kDa was reduced to 30 kDa. For the first time in glass sponges the existence of silicatein was demonstrated through molecular biology studies. After isolation of total RNA from Crateromorpha meyeri, and RT-PCR amplification with silicatein-spezific primers, a 549 nucleotide sequence was found that showed strong homologies to known silicateins of the class Demospongia. The amino acids of the catalytic triad of silicateins, essential for the enzymatic catalysis of the enzyme, are in the same positions as for known silicateins.
DDC:	570 Biowissenschaften 570 Life sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 10 Biologie
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-4513
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-20539
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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