Authors:	Gleixner, Eva Maria
Title:	Funktionsaufklärung von Atmungsproteinen in Insekten
Online publication date:	5-Nov-2012
Year of first publication:	2012
Language:	german
Abstract:	Globine sind kleine globuläre Proteine mit nahezu ubiquitärem Vorkommen in allen Tiergruppen. Sie weisen eine typische Sandwichstruktur auf, die in der Regel aus acht α-Helices mit einer zentralen prosthetischen Häm-Gruppe besteht und die Proteine zur Bindung gasförmiger Liganden befähigt. Die Funktionen der Globine reichen von O2-Transport und – Speicherung, über eine Beteiligung bei der Entgiftung reaktiver Sauerstoff- und Stickstoffspezies bis hin zu sensorischen physiologischen Aufgaben. Innerhalb der Klasse der Insekten schien das Vorhandensein von Globinen zunächst auf Insekten mit offensichtlich hypoxischen Habitaten beschränkt zu sein. Die Entdeckung des Globins glob1 in Drosophila melanogaster deutete jedoch eine sehr viel weitere Verbreitung der Globine in Insekten an, die sich durch die Identifizierung von Globingenen in einer Vielzahl von normoxisch lebenden Insekten, wie z.B. Apis mellifera oder Aedes aegypti bestätigte. D. melanogaster besitzt drei Globine, glob1, glob2 und glob3. Glob1 ist eng mit anderen intrazellulären Insektenglobinen verwandt, was zu der Annahme führte, dass es sich bei glob1 um das ursprüngliche und bei glob2 und glob3 um abgeleitete D. melanogaster Globine handelt. Glob1 wird in allen Entwicklungsstadien exprimiert, wobei die Hauptexpressionsorte der Fettkörper und das Tracheensystem sind. Die Transkription des glob1 startet von zwei alternativen Promotoren (Promotor I und II), wodurch in Kombination mit alternativem Splicing vier Transkriptvarianten (Isoform A-D) entstehen, deren Translation jedoch in einer Proteinvariante (glob1) resultiert. Hypoxische Bedingungen führen zu einer vermutlich HIF (=‚hypoxia-inducible factor‘) -vermittelten Abnahme der glob1 Genexpression, wohingegen Hyperoxie eine leichte Zunahme der glob1 mRNA Menge bewirkt. Der mithilfe des UAS/Gal4- Systems erzeugte, RNAi-vermittelte glob1 Knockdown führt zu einer schlechteren Überlebensrate adulter Fliegen unter hypoxischen Bedingungen, einer verkürzten Erholungszeit nach hypoxischem Stupor in Weibchen sowie zu einer erhöhten Resistenz gegenüber dem ROS (=‘reactive oxygen species‘) -generierenden Herbizid Paraquat in Larven und adulten Weibchen. Diese Beobachtungen sprechen für eine Funktion des Drosophila glob1 innerhalb der O2-Versorgung. Unter hyperoxischen Bedingungen hingegen wurde kein Unterschied zwischen Fliegen mit wildtypischer und manipulierter glob1-Expression festgestellt, wodurch eine Beteiligung des glob1 bei der Entgiftung reaktiver Sauerstoffspezies als mögliche Funktion vorerst ausscheidet. Bei glob2 und glob3 handelt es sich um duplizierte Gene. Auf phylogenetischen Rekonstruktionen basierend konnte die Entstehung der Globin-Duplikate auf ein Duplikationsereignis vor der Radiation des Subgenus Sophophora vor mindestens 40 Millionen Jahren zurückgeführt werden. Die durchgeführten Analysen zur molekularen Sequenzevolution der Globin-Duplikate deuten darauf hin, dass glob2 und glob3 nach der Duplikation eine Kombination aus Sub- und Neo-Funktionalisierungsprozessen durchlaufen haben. Glob2 und glob3 zeigen eine deckungsgleiche mRNA Expression, die auf die männliche Keimbahn beschränkt ist. Aufgrund des hohen Konservierungsgrads der für die Häm- und O2-Bindung essentiellen Aminosäuren kann von der Funktionalität beider Proteine ausgegangen werden. Die streng auf die männliche Keimbahn begrenzte Expression von glob2 und glob3 deutet auf eine Rolle der Globin-Duplikate innerhalb der Spermatogenese hin, die möglicherweise in einem Schutz der Spermatogenese vor oxidativem Stress besteht. Auch eine Beteiligung beim korrekten Ablauf der Spermien-Individualisierung, beispielsweise durch Regulation von Apoptoseprozessen wäre denkbar. Globins are small globular proteins with a ubiquitous distribution in nearly all kingdoms of life. They exhibit a typical sandwich structure, consisting of eight α-helices embedding a prosthetic heme group in their center which enables the proteins to bind gaseous ligands. Globins display a broad functional diversity ranging from O2-binding and –delivery, an involvement in detoxification of reactive oxygen and nitrogen species to sensory physiological functions. In the class Insecta, the occurrence of globins was initially believed to be restricted to insects living in hypoxic environments. The discovery of the hemoglobin glob1 in Drosophila melanogaster, however, indicated a far broader distribution in insects. This assumption in fact was verified by the identification of globin genes in a high number of insects living in normoxic habitats like for example Apis mellifera, Aedes aegypti or Bombyx mori. D. melanogaster harbours three globins named glob1, glob2 and glob3. Glob1 is closely related to other intracellular insect globins, leading to the assumption that glob1 might be a basal, conserved globin type, whereas the Drosophila-specific glob2 and glob3 might be more derived. Glob1 is expressed in all developmental stages, the main expression can be found in the tracheal system and the fat body. Transcription of glob1 starts from two alternative promoters (Promoter I and II), resulting in four alternative transcripts (Isoform A-D), all four being translated into the same protein. Hypoxic conditions induce a probably HIF (=hypoxia inducible factor) -mediated decrease of glob1 mRNA expression, whereas hyperoxia causes a slight increase in glob1 mRNA levels. The RNAi-mediated knockdown of glob1, achieved by applying the UAS/Gal4-system, resulted in diminished survival of adult flies exposed to hypoxic conditions, but also in beneficial effects like a shortened recovery time after hypoxic stupor and an increased resistance of larvae and female flies to the ROS (=reactive oxygen species) –generating herbicide Paraquat. These observations – although in part seemingly paradoxical –can be interpreted in terms of a function of glob1 in O2 supply. Experimental hyperoxia, however, did not reveal phenotypic differences in flies with manipulated glob1 expression compared to control flies. Thus, an involvement of glob1 in the detoxification of ROS appears unlikely at present. Glob2 and glob3 originate from a duplication event which could be dated based on phylogenetic reconstructions before the radiation of the subgenus Sophophora, at least 40 million years ago. Molecular evolutionary sequence analyses indicate that glob2 and glob3 evolved via a combination of sub- and neo-functionalization. Glob2 and glob3 exhibit a similar mRNA expression pattern, restricted to the male germline. This highly specific expression pattern indicates a function of the glob2/3 duplicates within spermatogenesis, e.g. by a protection of spermatogenesis from oxidative stress.
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-4707
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-32500
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	getr. Zählung
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