Dokument: A Matter of Time - Diversity Analyses of The Cyanobacterial Circadian Clock

Titel:	A Matter of Time - Diversity Analyses of The Cyanobacterial Circadian Clock
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=52313
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20200303-141823-3
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Dr. Schmelling, Nicolas [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 24,02 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 18.02.2020 / geändert 18.02.2020
Beitragende:	Jun.-Prof. Dr. Axmann, Ilka M. [Gutachter] Prof. Dr. Zurbriggen, Matias [Gutachter]
Stichwörter:	Cyanobacteria, Evolution, Bioinformatics, Sequence Analysis, Phylogeny, Diversity, Circadian Clock, Modeling
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Circadian clocks are a universally found timing system to regulate large parts of the cell’s gene expression in a 24-hour rhythm. This regulatory mechanism provides a fitness advantage to the organisms over its competitor under cyclic conditions due to its ability to anticipate and prepare for recurring changes. Cyanobacteria are photosynthetic prokaryotes that coordinate their gene expression in a circadian fashion to adapt to the Day/Night cycle. Their circadian clock consists of only three proteins at its core, KaiA, KaiB, and KaiC, which are embedded into a network of input and output factors. Furthermore, Cyanobacteria are known for their high diversity. Thus in this thesis, the distribution and conservation of the known circadian clock factors from Synechococcus elongatus PCC 7942 was analyzed identifying three distinct timing systems among Cyanobacteria: (i) a Synechococcus-like system with a complete set of factors as a single copy, (ii) a Prochlorococcus-like reduced set, and (iii) a Synechocystis-like system that harbors multiple copies of some of the factors including the core factors KaiB and KaiC. In addition, co occurrence analyses revealed a core set of protein factors, including the core factors KaiB, KaiC, the input factor LdpA, and the output factors SasA, RpaA, and RpaB, for this timings system as well as an extending set of proteins, including the core factor KaiA, the input and output factor CikA, and the output factor LabA, which might be important for circadian regulation. These results support previous findings and extend the picture of circadian regulation systems among Cyanobacteria by using a comprehensive comparative genomics approach. Further, the results highlight the widespread distribution of some of the factors among other Bacteria as well as Archaea. In the last part of the thesis, the advances in the molecular understanding of this timing system made by mathematical models, which were facilitated by the in vitro reconstruction of the core of this circadian clock, are reviewed. Since then the molecular details about the functionality of timing systems in general and the cyanobacterial circadian clock, in particular, have been unraveled, including various principles, like entrainment and robustness strategies. However, reviewing those achievements also highlights some of the aspects of circadian clocks that have not yet been sufficiently analyzed. The results of this thesis give a comprehensive overview of the distribution of the cyanobacterial circadian clock factors by identifying a set of protein factors that might build the core for timing systems in cyanobacteria. Together with the reviewed advancements into the understanding of this circadian clock by mathematical modeling, it builds the basis for further analyses of smaller clock system among or outside of Cyanobacteria and enables the analysis of an ancient clock system. Zirkadiane Uhren sind ein universell auftretendes System zur zeitlichen Regulierung großer Teile der zellulären Genexpression in einem 24 Stunden Rhythmus. Dieser Regulationsmechanismus bietet den Organismen unter zyklischen Bedingungen einen Fitnessvorteil gegenüber ihren Konkurrenten, da sie die Fähigkeit verleihen, Veränderungen zu antizipieren und sich darauf vorzubereiten. Cyanobakterien sind photosynthetische Prokaryoten, die ihre Genexpression auf zirkadiane Weise koordinieren, um sich an den Tag/Nacht Zyklus anzupassen. Ihre zirkadiane Uhr besteht dabei aus nur drei Proteinen, KaiA, KaiB und KaiC, die in ein Netzwerk von Input- und Output-Faktoren eingebettet sind. Des weiteren sind Cyanobakterien auch für ihre hohe Diversität bekannt. Daher wurde in dieser Arbeit die Verteilung und Konservierung der bekannten zirkadianen Proteine aus Synechococcus elongatus PCC 7942 analysiert mit dem Ergebnis, dass drei verschiedene Zeitsysteme unter Cyanobakterien identifiziert werden konnten: (i) ein Synechococcus ähnliches System, welches ein komplettes Set der Faktoren in einfacher Form verfügt, (ii) ein Prochlorococcus ähnliches reduziertes System und ein (iii) Synechocystis ähnliches System, was über mehrere Kopien von Faktoren, inklusive KaiB und KaiC, verfügt. Darüber hinaus zeigen Untersuchungen, die ein gemeinsames Auftreten von Proteinen analysieren, eine Kerngruppe von Proteinen für dieses Zeitsystem, inklusive KaiB, KaiC, LdpA, SasA, RpaA und RpaB, sowie eine Erweiterungsgruppe von Proteinen, inklusive KaiA, CikA und LabA, die für die zirkadiane Regulation wichtig sein könnten. Die Ergebnisse aus dem umfassend vergleichenden Genomik-Ansatz unterstützen frühere Studien und erweitern das Bild zirkadianer Regulation innerhalb der Klasse der Cyanobakterien. Zudem zeigen die Ergebnisse die weit verbreitete Verteilung einiger Faktoren, unter anderem in Bakterien und Archaeen. Im letzten Teil der Arbeit werden die Fortschritte des molekularen Verständnisses über die zirkadiane Uhr aufgearbeitet, die erst durch mathematische Modelle erzielt werden konnten. Die in vitro Rekonstruktion dieser zirkadianen Uhr legte dabei den Grundstein für mathematische Modellierungsansätze. Seitdem wurden molekulare Details der Funktionalität über Zeitsysteme im Allgemeinen und die cyanobakterielle zirkadiane Uhr im Besonderen aufgeklärt, inklusive verschiedener Strategien zu Entrainment und Robustheit. Die Begutachtung beleuchtet jedoch auch einige Aspekte der zirkadianen Uhren, die bisher noch nicht ausreichend analysiert wurden. Die Ergebnisse dieser Arbeit geben einen umfassenden Überblick über die Verteilung der cyanobakteriellen zirkadianen Uhr, indem sie eine Reihe von Proteinfaktoren identifizieren, die das Zentrum für die Uhr in Cyanobakterien bilden könnten. Zusammen mit den überprüften Fortschritten über das Verständnis dieser zirkadianen Uhr durch mathematische Modellierung bildet es die Grundlage für weitere Analysen für eine reduzierte Uhr innerhalb oder außerhalb von Cyanobakterien und ermöglicht die Analyse einer ursprünglichen Uhr.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie
Dokument erstellt am:	03.03.2020
Dateien geändert am:	03.03.2020
Promotionsantrag am:	19.12.2018
Datum der Promotion:	13.06.2019