Glycerophosphodiesters are products of phospholipase B-mediated hydrolysis of phospholipids. Their transport and metabolism is elaborated in the fungal pathogen, Candida albicans, as compared to the non-pathogenic Saccharomyces cerevisiae. C. albicans contains four ORFs (CaGIT1-4) predicted to encode transporters for glycerophosphodiesters, compared to one (ScGIT1) in S. cerevisiae. Here I have identified the gene products responsible for glycerophosphoinositol (GroPIns) and glycerophosphocholine (GroPCho) transport. C. albicans strain lacking ORF 19.34, which codes for CaGit1, is unable to transport intact GroPIns. Transport activity can be rescued by reintegration of one copy of CaGIT1 back into the genome. Similarly, a strain lacking CaGIT3 (ORF 19.1979) and CaGIT4 (ORF 19.1980) is unable to transport intact GroPCho into the cell. Reintegrating one copy of either CaGIT3 or CaGIT4 can rescue GroPCho transport activity. Initial transport assays and kinetic analyses indicate that CaGit3 is responsible for the majority of GroPCho transport activity. In addition, I present evidence that CaGDE1 (ORF 19.3936) codes for an enzyme with glycerophosphodiesterase activity against GroPCho. Homozygous deletion of CaGDE1 results in a buildup of internal GroPCho, which is restored to wild type accumulation by reintegration of one copy of CaGDE1 into the genome. The transcriptional regulator, CaPho4, was shown to positively regulate the expression of CaGIT1, CaGIT3, CaGIT4, and CaGDE1. Finally, glycerophosphodiester transport and metabolism was active under physiological relevant conditions that C. albicans may experience in the human host. / Bayer School of Natural and Environmental Sciences; / Biological Sciences / PhD; / Dissertation;

Nonalcoholic fatty liver disease (NAFLD) has become a worldwide, chronic liver disease of increasing clinical significance. It is closely associated with the rising epidemics of obesity and insulin resistance. Up to 17% of the United States population may progress from the disease stage characterized as simple, benign steatosis to the more severe, inflammatory stage of nonalcoholic steatohepatitis (NASH). This progression occurs through 2nd 'hits' of increased oxidative stress and inflammation to a liver that has been sensitized by lipotoxic stress. NASH is also characterized by increased collagen deposition resulting in fibrosis and architectural rearrangement of the liver. Progressive NAFLD is currently recognized as an important contributor to the development of cryptogenic cirrhosis and subsequent liver-related mortalities (estimated at 30-40% in these patients).The pathological progression of NAFLD, as described by the 'two hit' hypothesis, characterizes the different stages of liver injury. However, the mechanism(s) responsible for the progression to NASH are unknown. Profiling global gene expression and metabolite patterns in human liver samples representing the full spectrum of progressive human NAFLD may reveal potential mechanisms of progressive disease. Human liver samples representing each stage of NAFLD progression were analyzed by methodologies such as high-throughput microarrays, high resolution mass spectrometry, and protein immunoblot techniques. Bioinformatics tools and gene expression/regulation database software were utilized in several studies to characterize the altered hepatic profiles of these patients. Hepatic transcriptomic profiles of ADME (absorption, distribution, metabolism and elimination) and ER (endoplasmic reticulum) stress response genes exhibited initiated hepatoprotective responses in patients with NASH. The endogenous pathways of BA (bile acid) synthesis and BCAA (branched chain amino acid) metabolism also showed evidence of coordinately regulated alterations in response to disease-induced stress in NASH. The transcriptional regulation of the investigated pathways was confirmed by transcription factor binding sites enrichment analysis. The collective response to hepatic stress in human NAFLD, demonstrates a coordinated, hepatoprotective intent that may be utilized for future therapeutics in the battle against progressive liver disease.

During this PhD project three technical platforms were either improved or newly established in order to identify interesting genes involved in SNF, validate their expression and functionally characterise them. An existing 5.6K cDNA array (Colebatch et al., 2004) was extended to produce the 9.6K LjNEST array, while a second array, the 11.6K LjKDRI array, was also produced. Furthermore, the protocol for array hybridisation was substantially improved (Ott et al., in press). After functional classification of all clones according to the MIPS database and annotation of their corresponding tentative consensus sequence (TIGR) these cDNA arrays were used by several international collaborators and by our group (Krusell et al., 2005; in press). To confirm results obtained from the cDNA array analysis different sets of cDNA pools were generated that facilitate rapid qRT-PCR analysis of candidate gene expression. As stable transformation of Lotus japonicus takes several months, an Agrobacterium rhizogenes transformation system was established in the lab and growth conditions for screening transformants for symbiotic phenotypes were improved. These platforms enable us to identify genes, validate their expression and functionally characterise them in the minimum of time.<br> The resources that I helped to establish, were used in collaboration with other people to characterise several genes like the potassium transporter LjKup and the sulphate transporter LjSst1, that were transcriptionally induced in nodules compared to uninfected roots, in more detail (Desbrosses et al., 2004; Krusell et al., 2005). Another gene that was studied in detail was LjAox1. This gene was identified during cDNA array experiments and detailed expression analysis revealed a strong and early induction of the gene during nodulation with high expression in young nodules which declines with the age of the nodule. Therefore, LjAox1 is an early nodulin. Promoter:gus fusions revealed an LjAox1 expression around the nodule endodermis. The physiological role of LjAox1 is currently being persued via RNAi.<br> Using RNA interference, the synthesis of all symbiotic leghemoglobins was silenced simultaneously in Lotus japonicus. As a result, growth of LbRNAi lines was severely inhibited compared to wild-type plants when plants were grown under symbiotic conditions in the absence of mineral nitrogen. The nodules of these plants were arrested in growth 14 post inoculation and lacked the characteristic pinkish colour. Growing these transgenic plants in conditions where reduced nitrogen is available for the plant led to normal plant growth and development. This demonstrates that leghemoglobins are not required for plant development per se, and proves for the first time that leghemoglobins are indispensable for symbiotic nitrogen fixation. Absence of leghemoglobins in LbRNAi nodules led to significant increases in free-oxygen concentrations throughout the nodules, a decrease in energy status as reflected by the ATP/ADP ratio, and an absence of the bacterial nitrogenase protein. The bacterial population within nodules of LbRNAi plants was slightly reduced. Alterations of plant nitrogen and carbon metabolism in LbRNAi nodules was reflected in changes in amino acid composition and starch deposition (Ott et al., 2005). These data provide strong evidence that nodule leghemoglobins function as oxygen transporters that facilitate high flux rates of oxygen to the sites of respiration at low free oxygen concentrations within the infected cells. / Pflanzen der Ordnung der Leguminosen sind von weltweiter Bedeutung für Landwirtschaft und die allgemeine Nährstoffzusammensetzung von Böden. Die physiologische Besonderheit der Leguminosen liegt in ihrer Fähigkeit begründet, zusammen mit Bakterien, den sogenannten Rhizobien, eine Symbiose einzugehen, im Zuge derer es möglich wird, molekularen Luftstickstoff zu binden. Dieser biochemische Prozess findet in neu gebildeten Pflanzenorganen, den sogenannten Wurzelknöllchen statt.<br> In den Pflanzenwissenschaften werden Gene, die im Zuge der Infektion von Leguminosen mit Rhizobien reguliert werden und für den Entwicklungsprozess der Knöllchen eine wichtige Rolle zu spielen scheinen, als Noduline bezeichnet. Mit Hilfe von sogenannten Hochdurchsatzverfahren ist es in den letzten Jahren möglich geworden, die differentielle Expression von Tausenden von Genen gleichzeitig zu beobachten. Zu diesen Verfahren gehören sogenannte cDNA Arrays. Im Zuge dieser Doktorarbeit wurden die weltweit zweitgrößten cDNA Arrays für die Modell-Leguminose Hornklee (Lotus japonicus), der in unserer Gruppe als Untersuchungsobjekt verwendet wird, entwickelt. Mit Hilfe dieser Methode ist es uns möglich, die Regulation von etwa 15.000 Genen gleichzeitig zu untersuchen. Im Zuge von Untersuchungen, die sich mit der Entwicklung von Wurzelknöllchen in Lotus japonicus beschäftigten wurde ein Nodulin, dessen Existenz früher schon einmal beschrieben wurde, noch einmal bestätigt und die Funktion dieses Genes genauer untersucht. Es kodiert für das Enzym Vitamin C Oxidase, das unter Verwendung von molekularem Sauerstoff reduziertes Vitamin C zu einer anderen Form, dem Dehydroascorbat, oxidiert. Dabei wird Wasserstoffperoxid gebildet. Es konnte gezeigt werden, dass sich die Transkription dieses Gens in infizierten Wurzeln kontinuierlich im Verlauf der Symbiose erhöht, jedoch ist die Transkription in jungen Wurzelknöllchen höher als in alten. Darüber hinaus ist es in nur einer Zellschicht der Wurzelknöllchen, die sehr wichtig für die Entwicklung und tatsächliche Funktion der Knöllchen ist, aktiv. Aus den Beobachtungen kann geschlossen werden, dass dieses Gen eine wichtige Funktion in der Entwicklung der Knöllchen zu spielen scheint und vermutlich zur Zellstreckung und Zellteilung in dieser speziellen Zellschicht beiträgt. In einem zweiten Teil der Arbeit wurde sich einem zweiten und dem wohl wichtigsten Nodulin der Leguminosen, dem Leghämoglobin, gewidmet. Leghämoglobin ist dem menschlichen Blutbestandteil Hämoglobin sehr ähnlich und erfüllt dieselbe Aufgabe: es bindet Sauerstoff. Dieser Prozess ist für Leguminosen von erheblicher Bedeutung, da die bereits beschriebene Fixierung von molekularem Luftstickstoff durch ein bakterielles Enzym katalysiert wird, das extrem sauerstoffempfindlich ist. Leghämoglobine gelten unbestritten als die am besten charakterisierten Einweiße aus Wurzelknöllchen und Wissenschaftler behaupten seit fast 40 Jahren, dass sie essentiell für die Funktion der Knöllchen sind. Doch dies wurde bis jetzt nie bewiesen.<br> Mit Hilfe einer neuen Methode, die die spezifische Bildung von Eiweißen verhindert, war es uns möglich, die Synthese von Leghämoglobin in Lotus japonicus vollkommen zu unterdrücken. In Folge dessen zeigen die transgenen Pflanzen deutliche Nährstoffmangelerscheinungen, wenn sie ohne zusätzlichen Stickstoff aber zusammen mit Rhizobien angezogen werden. Sie können zwar Wurzelknöllchen bilden, jedoch sind diese kleiner und haben nicht die charakteristische rötliche Farbe, die bei unveränderten Pflanzen gefunden wird. Der Phänotyp dieser transgenen Pflanzen wird ganz eindeutig durch ihre Unfähigkeit hervorgerufen, Luftstickstoff fixieren zu können. Der Grund dafür ist das Fehlen des bakteriellen Enzyms, das für die Fixierung verantwortlich ist. Dieser Verlust wird durch erhöhte Sauerstoffgehalte in den Knöllchen verursacht. Außerdem konnten durch weitere Untersuchungen eine der vermuteten Funktionsmechanismen von Leghämoglobin bestätigt werden. Diese hier präsentierten Untersuchungen beweisen erstmalig die jahrzehnte alte Hypothese, dass Leghämoglobine essentiell für die Stickstofffixierung in Leguminosen sind.