Dokument: Rekonstruktion und Untersuchung von Phytohormon-Signalwegen in pflanzlichen und tierischen Systemen

Titel:	Rekonstruktion und Untersuchung von Phytohormon-Signalwegen in pflanzlichen und tierischen Systemen
Weiterer Titel:	Reconstruction and study of plant hormone signaling pathways in plant and mammalian systems
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=52596
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20200310-101202-3
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Andres, Jennifer [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 7,25 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 09.03.2020 / geändert 09.03.2020
Beitragende:	Prof. Dr. Zurbriggen, Matias [Gutachter] Jun.-Prof. Dr. Axmann, Ilka M. [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Synthetische Biologie, als ein etabliertes, aber stetig wachsendes Feld, kombiniert Ingenieurwesen mit den Lebenswissenschaften. Grundlegende Prinzipien des Ingenieurwesens werden für das logische Design von neuartigen Werkzeugen und den modularen und kombinatorischen Zusammenbau von biologischen Teilen in komplizierte Signalwege und metabolische Netzwerke angewandt. In den vergangenen Jahren wurde eine Vielzahl von synthetischen Schaltern und sogar Netzwerken entwickelt und in Bakterien, Hefe und tierischen Zellen implementiert. Da Pflanzensignalwege aufgrund der genetischen Redundanz, ihrer Interkonnektivität und geteilten Komponenten sehr komplex sind, ist die Implementierung eben dieser Werkzeuge in Pflanzen noch nicht weit vorangeschritten. In dieser Arbeit wurden quantitative Werkzeuge und Plattformen entwickelt und implementiert, um Phytohormon Signalwege in pflanzlichen und tierischen Zellen (als orthogonales System) besser verstehen zu können. Genetisch-kodierte, ratiometrische, degradierungsbasierte Biosensoren für die Phytohormone Strigolacton, Auxin und Gibberellin wurden konstruiert und implementiert, um diese Hormonsignalwege auf verschiedenen Ebenen analysieren zu können. Substratspezifität- und Sensitivitätsanalysen wurden durchgeführt, um das Degradierungsverhalten von bestimmten Regulatoren, die in die Phytohormonwahrnehmung involviert sind, zu charakterisieren. Des Weiteren zeigten Mutanten-Protoplasten von Arabidopsis thaliana die Notwendigkeit und Funktionalität bestimmter Signalwegkomponenten. Die hohe Sensitivität der Biosensor-Plattform führte zur Beantwortung von metabolischen Fragestellungen. Die Kombination von quantitativen experimentellen Daten und mathematischen Modellierungen erlaubte neue Einsichten in mechanistische Aspekte. Die Analyse von einzelnen Komponenten und ihrer Interaktion ist aufgrund der hohen Interkonnektivität und Redundanz der Signalkomponenten besonders schwierig in Pflanzen. Im Verlauf dieser Arbeit wurden tierischen Zellen, die eine reduzierte Komplexität und weniger Interaktion mit pflanzenspezifischen Komponenten aufweisen, als eine orthogonale Plattform genutzt, um Gibberellin Signalwege zu rekonstruieren. Dafür wurde eine synthetische toolbox, welche verschiedene Mammalian-Hybrid Systeme enthält, entwickelt und erfolgreich etabliert. Diese Arbeit unterstreicht die Notwendigkeit von Werkzeugen der synthetischen Biologie, um Pflanzensignalwege quantitativ untersuchen zu können. Die Kombination dieser Strategien mit traditionellen Ansätzen in Pflanzen stellt eine sehr wichtige Plattform dar, deren Anwendungsbereich bei weitem noch nicht ausgeschöpft ist. Synthetic biology, as an established but ever-growing discipline, bridges engineering with life sciences. Basic engineering principles are implemented for the logical design of novel tools and the modular and combinatorial assembly of biological parts into higher order complex signaling and metabolic structures. In the last years, numerous synthetic biology switches and even synthetic networks have been designed and implemented in bacteria, yeast and mammalian cells. As plant signaling networks are highly complex in terms of genetic redundancy, interconnectivity and shared components, the implementation of synthetic biology tools in planta lags behind. In this work, quantitative tools and platforms have been generated and implemented to study plant hormone signaling processes in plant cells and mammalian cells as an orthogonal system. Genetically-encoded ratiometric, degradation-based biosensors for the plant hormones strigolactones, auxins and gibberellins were constructed and implemented to analyze hormone signaling at various levels. Substrate specificity and sensitivity screens were performed to characterize the degradation behavior of distinct regulators involved in phytohormone perception. Furthermore, experimental approaches in Arabidopsis thaliana signaling mutant protoplasts revealed the necessity and functionality of certain signaling components. The high sensitivity of the biosensor platform allowed for the answering of metabolic questions in a quantitative manner. In a combined approach of quantitative experimental data and mathematical modelling, new insights on mechanistic aspects were obtained. Due to the high interconnectivity and redundancy of signaling components, the analysis of single components and their interplay with other related or unrelated components is particularly difficult to study in vivo in planta. In the course of this work, mammalian cells, which display reduced complexity and crosstalk with plant-specific components, were utilized as an orthogonal platform to reconstruct gibberellin perception and signaling. Towards this aim, a synthetic biology toolbox comprising Mammalian-Hybrid systems, ranging from M1H to M4H systems, was developed and successfully implemented. The binding of transcription factors to certain promoter regions as well as protein-protein interactions related to gibberellin signaling could be demonstrated and analyzed in M1H and M2H systems. In addition, the order of perception complex formation in response to gibberellin was revealed utilizing M3H and M4H systems. This work illustrates the necessity of synthetic biology tools and approaches to quantitatively investigate plant signaling in plant and orthogonal systems. The combinations of these strategies together with traditional tools in planta, comprise a powerful platform with their application spectrum being far from exhausted.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät
Dokument erstellt am:	10.03.2020
Dateien geändert am:	10.03.2020
Promotionsantrag am:	05.12.2019
Datum der Promotion:	17.02.2020