Dokument: Phylogenetische Analyse prokaryotischer Genome zur Rekonstruktion des letzten gemeinsamen Vorfahrens der Prokaryoten

Titel:	Phylogenetische Analyse prokaryotischer Genome zur Rekonstruktion des letzten gemeinsamen Vorfahrens der Prokaryoten
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=53498
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20200714-105937-1
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Deutsch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Weiß, Madeline [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 12,41 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 18.06.2020 / geändert 20.06.2020
Beitragende:	Prof. Dr. Martin, William F. [Gutachter] Dr. Gould, Sven B. [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibung:	Basierend auf den Erkenntnissen aus dem Zwei-Domänen-Baum, wurde für die Rekonstruktion des Proteoms des letzten gemeinsamen Vorfahren (engl. last universal common ancestor, LUCA) nur prokaryotische Proteine verwendet. Es ist interessant zu wissen, wie und wo LUCA gelebt hat, sowie welche Physiologie LUCA hatte. Dazu muss zunächst geklärt werden, wo LUCA evolviert ist. Eine mögliche Erklärung ist die Hydrothermalquellen Theorie von Martin und Russell (2003). Demnach ist LUCA möglicherweise in den Wasserkammern einer 70-90◦C heißen, alkalischen Hydrothermalquelle (engl. hydrothermal vent) entstanden. Die Wände der Hydrothermalquelle besitzen eine poröse Struktur und befinden sich in der Nähe von Magmarkammern. Durch Serpentinisierung wird der für chemische Energie benötigte Wasserstoff generiert. Die Genzusammensetzung von LUCA anhand von molekularen Informationen zu rekonstruieren, wurde öfter von unterschiedlichen Wissenschaftlern durchgeführt. Demnach besitzt LUCA einen Kern an Proteinen, der für die Informationsweitergabe zuständig ist. Zu diesen Proteinen gehören Ribosomen. In unterschiedlichen Analysen wurde jeweils nach den Proteinen gefiltert, welche in allen Prokaryoten des jeweiligen Datensatzes auftraten. Hierbei konnten etwa 30 bis 100 Proteine identifiziert werden. In einer weiteren Analyse wurde festgestellt, dass LUCA tatsächlich der Vorfahre der Archaeen und Bakterien sein kann. Allerdings wird dadurch, dass nur nach universell oder nahezu universell auftretenden Proteinen in den bisherigen Untersuchungen gesucht wurde, nur 1% eines durchschnittlichen Genoms für die Analyse verwendet. Die Informationen über die Physiologie eines Organismus sind in den übrigen 99% enthalten. Des Weiteren können die 1% Proteine nichts über die Proteine einer ganzen prokaryotischen Gruppe aussagen. Um weitreichendere Informationen über die Physiologie von LUCA zu erhalten, wurde in dieser Arbeit ein Datensatz von 1.981 prokaryotischen Genomen untersucht. Es wurden Proteinfamilien und phylogenomische Stammbäume für die 6,1 Millionen Protein kodierenden Gene der prokaryotischen Genome erstellt, um LUCA zu rekonstruieren. Durch Anwendung von phylogenomischen Filtern konnten 355 Proteinfamilien (ungefähr 0,1% der Gesamtmenge) identifiziert werden, welche auf LUCA zurück zu führen sind. Neben den bekannten Proteinen für die Informationsverarbeitung, wie Ribosomen, wurden auch Proteine identifiziert, die zu Stoffwechselprozessen, zum Transport und zu zellbezogenen Prozessen gehören. Des Weiteren wurden auch sauerstoffbezogene Proteine gefunden. Diese können darauf hinweisen, dass die Filter nicht alle LGT-Events rausgefiltert haben oder die Annotation falsch ist. Weiterhin wurden Hinweise auf Cofaktoren wie S-adenosyl-methionin (SAM), Eisen-Sulfur-Cluster (FeS-Cluster) und Adenosintriphosphat (ATP) in den Daten gefunden. Diese Cofaktoren verhelfen Proteinen der RNA- Modifikation, Energiestoffwechsel, Kohlenstoffassimilierung und Stickstoffassimilierung zur richtigen Funktion. Der Cofaktor SAM ist bekannt dafür, dass er eine zentrale Rolle in den frühen Stoffwechselprozessen besitzt und wichtig für die Interaktion zwischen tRNA-mRNA-rRNA ist. Weiterhin wird aus den Daten ersichtlich, dass Methylgruppen einen sehr frühen Ursprung haben. Daher ist davon auszugehen, dass die Ribosomenmodifikation ebenfalls sehr ursprünglich ist. Neben Dehydrogenasen und Synthetasen, welche wichtig für die Kohlenstoffassimilation sind, wurden auch Proteine identifiziert, die Teil des Wood-Ljungdahl Stoffwechselweges sind. Ableitend von den analysierten Daten kann davon ausgegangen werden, dass LUCA ein anaerober und autotropher Organismus war, welcher von Wasserstoff, Kohlenstoffdioxid und Schwefelwasserstoffen abhängig war. Durch die Analyse der Distanzen in den erstellten Stammbäumen zwischen den Archaeen und Bakterien konnte festgestellt werden, dass die ursprünglichsten Prokaryoten acetogene Clostridien und methanogene Archaeen sind. Diese Organismen haben die geringste Distanz zueinander und liegen am nächsten zu der Wurzel im Stammbaum. Die Ergebnisse dieser Analyse können auch für die Bestimmung ursprünglicher Proteine bestimmter Domänen verwendet werden. Demnach sind die FeS-Cluster ein Indikator für Sauerstoffsensoren in Bakterien. Durch eine Analyse von ausgewählten Proteinen der Sensoren in Bezug der gefundenen LUCA Proteine konnte festgestellt werden, dass die Sensoren FNR, NreB und WhiB3 keine Homologie aufweisen und daher wahrscheinlich durch LGT verbreitet wurden.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät
Dokument erstellt am:	14.07.2020
Dateien geändert am:	14.07.2020
Promotionsantrag am:	04.02.2020
Datum der Promotion:	28.05.2020