Authors:	Prothmann, Andreas
Title:	Analyse der Evolution und Funktion von Globinen in Arthropoden
Online publication date:	5-Oct-2021
Year of first publication:	2021
Language:	german
Abstract:	Zusammenfassung: Globine sind kleine Hämoproteine, die reversibel O2 und andere gasförmige Liganden binden können. Sie treten in allen Ordnungen der Lebewesen auf und ihre Funktionen gehen dabei weit über die bekannte respiratorische Rolle als Sauerstofflieferant hinaus. Trotz der weiten Verbreitung im Tierreich und der funktionellen Flexibilität wurde lange angenommen, dass sie in Arthropoden nur in wenigen unter besonders sauerstoffarmen Bedingungen lebenden Arten vorkommen. Ausgehend von der Entdeckung dreier Globine in der Fruchtfliege Drosophila melanogaster und weiterer Globin-Kopien in einer Reihe weiterer Arthropoden wuchs die Erkenntnis, dass Globine in Arthropoden weiter verbreitet sein könnten, als ursprünglich angenommen. Bislang fehlte es aber an umfassender Kenntnis über die Verbreitung, Evolution und Diversität von Globinen in dieser sehr artenreichen und ökologisch vielfältigen Tiergruppe. Durch die systematische Suche nach Globinen in öffentlich zugänglichen genomischen und transkriptomischen Daten konnte in dieser Arbeit nun erstmals gezeigt werden, dass Globine tatsächlich zum Genrepertoire aller Arthropoden gehören. Phylogenetische Analysen dieser Proteinsequenzen zeigten, dass sich die Globine dabei in drei Hauptgruppen einteilen lassen: die evolutionär anzestralen und sehr konservierten GbX (GlobinX) und GbXL (GlobinX-like), sowie die variableren HbL (Hemoglobin-like). In einigen Arten wurden zudem Kopien des Androglobin (Adgb) gefunden. Diese vier Globin-Typen decken sich mit den Globin-Linien der Deuterostomier. Dies zeigt, dass sie evolutionär bereits sehr früh, d.h. vor der Aufspaltung der Deuterostomier und Protostomier entstanden sein müssen. Alle GbX und GbXL, aber auch einige HbL weisen Sequenzmotive auf, die auf N-terminale posttranslationale Acylierungen und eine dadurch bedingte Membranbindung dieser Globine hindeuten. Die Verteilung dieser Acylierungsmotive spricht dafür, dass die Membranbindung eine anzestrale Eigenschaft von Globinen ist und die konservierten GbX und GbXL daher vermutlich sehr ursprüngliche Funktionen haben. Expressionsanalysen weisen auf eine Funktion in neuronalen Geweben hin. Möglicherweise sind GbX und GbXL hier an neuronalen Signalwegen beteiligt. Als Vertreter der variablen HbL wurden die Globine des Modellorganismus Drosophila melanogaster funktionell untersucht. Das Hauptaugenmerk lag hierbei auf den in den Testes von Männchen exprimierten Glob2 und Glob3. Durch die phänotypische Analyse von Fliegen mit modulierter Transkription von Glob2 und 3 konnte eine Rolle in der Spermatogenese bestätigt werden. Die spezifische Funktion dieser beiden Globine könnte etwa in einer Redox-vermittelten Signalfunktion, im Schutz vor ROS oder in der Sauerstoffversorgung während der Spermatogenese liegen. Zur zukünftigen funktionellen Analyse des Glob1 von Drosophila melanogaster konnten zudem mit Hilfe der CRISPR/Cas-Methodik erfolgreich Fliegen mit einem genetischen Knockout von Glob1 generiert werden. Abstract: Globins are small hemoproteins that can reversibly bind O2 and other gaseous ligands. They occur in all orders of living organisms and their functions go far beyond their known respiratory role as oxygen suppliers. Despite their wide distribution in the animal kingdom and their functional flexibility, it has long been assumed that they are found in arthropods only in a few species living under particularly oxygen-deficient conditions. Based on the discovery of three globins in the fruit fly Drosophila melanogaster and further globin copies in a number of other arthropods, it became clear that globins could be more widespread in arthropods than originally thought. Until now, however, there has been a lack of comprehensive knowledge about the distribution, evolution and diversity of globins in this very species-rich and ecologically diverse group of animals. By systematically searching for globins in publicly available genomic and transcriptomic data, this work has now been able to show for the first time that globins actually belong to the gene repertoire of all arthropods. Phylogenetic analyses of these protein sequences showed that globins can be divided into three main groups: the evolutionary ancestral and highly conserved GbX (GlobinX) and GbXL (GlobinX-like), and the more variable HbL (hemoglobin-like). In some species, copies of androglobin (Adgb) were also found. These four globin types are identical to the globin lines of the deuterostomes. This shows that they must have emerged very early in the evolution of the metazoa, i.e. before the splitting of deuterostomes and protostomes. All GbX and GbXL, but also some HbL have sequence motifs that indicate N-terminal post-translational acylations and the resulting membrane binding of these globins. The distribution of these acylation motifs suggests that membrane binding is an ancestral property of globins and that the conserved GbX and GbXL therefore probably have very original functions. Expression analyses suggest a function in neuronal tissues. It is possible that GbX and GbXL are involved in neuronal signalling pathways. As representatives of variable HbL, the globins of the model organism Drosophila melanogaster were functionally investigated. The main focus was on Glob2 and Glob3 which are exclusively expressed in the testes of males. By phenotypic analysis of flies with modulated transcription of Glob2 and 3, a role in spermatogenesis could be confirmed. The specific function of these two globins could be a redox-mediated signaling function, protection against ROS or a respiratory function during spermatogenesis. For future functional analysis of Glob1 from Drosophila melanogaster, flies with a genetic knockout of Glob1 were successfully generated using the CRISPR/Cas methodology.
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-6344
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-openscience-ac79af56-c65a-44e3-8ca1-11d7b509a0d83
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	CC BY
Information on rights of use:	https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Extent:	149 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen