The actinome of Dictyostelium amoebae

Joseph, Jayabalan (2014): The actinome of Dictyostelium amoebae: comparative in silico and in vivo characterization. Dissertation, LMU München: Medizinische Fakultät

Abstract

The highly conserved protein actin is the building block in the cytoskeleton of eukaryotic cells and provides a structural framework known as the microfilament system.The molecular principle of actin-based amoeboid movement was so successful in evolution that it was kept nearly identically from lower (e.g. amoebae) to higher (e.g. neutrophils) eukaryotes.To understand this type of cellular movement one has first to identify and to characterize the proteins which play a major role during the dynamic rearrangement of actin. The collection of actin isoforms, of actin-variants and actin related proteins (Arps) in a given cell is known as the 'actinome' whose number of proteins can be quite different from one organism to the next. Therefore, the present work describes studies on the actinome of thesocial amoeba Dictyostelium discoideum, compares the findings with actinomes from other organisms, and discusses similarities and alterations that might have happened during evolution. D. discoideum is among the oldest organisms which exhibit actin-based amoeboid movement, the genome is completely sequenced and the system can be easily studied by molecular and biochemical approaches. The study was started using bioinformatics and the computational methods provided a global view on the D. discoideum actinome. It turned out that the D. discoideum genome conprises a total of 33 actin and 8 Arp genes, seven actin genes are putative pseudogenes. Interestingly, there are 17 distinguishable actin genes which code for identical proteins. Phylogenetic analyses helped to understand the putative duplication events during evolution. Modelling of the three-dimensional structures showed that the typical actin-fold, the ATP-binding pocket, and other functional domains are highly conserved. Homologues of the members of the D. discoideum actinome across various model organisms clearly demonstrated which amino acids in conserved domains are of special importance. All Arp subfamilies that are found in mammals are also present in D. discoideum. Two of the actin related proteins, Arp5 and Arp6, were selected for molecular and cellular studies. Using fluorescently labeled fusion proteins first data indicated that both Arps are present also in the nucleus, suggesting an involvement in chromatin reorganization.

Abstract

Das hochkonservierte Protein Aktin ist die grundlegende Einheit des Zytoskeletts in eukaryontischen Zellen und formt das als Mikrofilamentsystem bezeichnete intrazelluläre Gerüst. Das molekulare Prinzip der amoeboiden Fortbewegung basiert auf Aktin und war so erfolgreich in Lauf der Evolution, dass es nahezu unverändert geblieben ist von niederen (z.B. Amoeben) zu höheren (z.B. Neutrophilen) Eukaryonten. Um diesen Typ der zellulären Forbewegung verstehen zu können, muss man zuerst die Proteine identifizieren und charakterisieren, die eine Hauptrolle bei den dynamischen Umbauvorgängen im Aktin Zytoskelett spielen. Alle Aktine, Aktin-Isoformen und Aktin-verwandten Proteine ('actin related proteins, 'Arps') werden als 'Aktinom' zusammengefasst, dessen Proteinspektrum sich in den verschiedenen Organismen stark unterscheiden kann. Die vorliegende Arbeit sollte deshalb das Aktinom der sozialen Amoebe Dictyostelium discoideum charakterisieren, die Ergebnisse mit den Aktinomen anderer Organismen vergleichen, und Ähnlichkeiten bzw. Unterschiede, die während der Evolution aufgetreten sind, diskutieren. D. discoideum gehört zu den ältesten Organismen, deren amoeboide Fortbewegung auf Aktin beruht, das Genom ist vollständig sequenziert, und das Modell-System kann für molekulare und biochemische Versuchsansätze verwendet werden. Bioinformatik und Rechner-basierte Methoden führten zu einem weitgehenden Einblick in das D. discoideum Aktinom. Es zeigte sich, dass das D. discoideum Genom 33 Aktin- und 8 Arp-Gene enthält, 7 Aktin-Gene wurden als vermutliche Pseudogene eingestuft. Interessanterweise wurden 17 unterscheidbare Aktin-Gene gefunden, die für identische Proteine kodierten. Phylogenetische Analysen haben geholfen, die vermutlichen Genduplikationen im Lauf der Evolution zu verstehen. Die Modellierung der dreidimensionalen Strukturen gab wichtige Einblicke, inwieweit die typische Aktinstruktur, die ATP-Bindungstasche, und andere funktionelle Domänen erhalten geblieben waren. Homologe der Proteine aus dem D. discoideum Aktinom in anderen Modellorganismen demonstrierten ganz klar, welche Aminosäuren in konservierten Domänen von besonderer Bedeutung sind. Darüber hinaus konnte festgestellt werden, dass alle Arp Unterfamilien in D. discoideum auch in Säugern vorhanden sind. Zwei der Aktin-verwandten Proteine, nämlich Arp5 und Arp6, wurden für weitergehende molekulare und zelluläre Untersuchungen ausgewählt. Mit Hilfe von GFP-markierten Fusionsproteinen konnte gezeigt werden, dass beide Arps auch im Nukleus vorhanden und dort wohl an der Umorganisation des Chromatins beteiligt sind.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: actin, actinome, arps, arp4, arp5, Dictyostelium, amoebae, cytoskeleton, bioinformatics, in silico, computational genomics, evolution
• Themengebiete: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften ; 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin und Gesundheit
• Fakultäten: Medizinische Fakultät
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 17. Oktober 2014
• 1. Bericht­erstatter:in: Schleicher, Michael