<p>A number of active site mutants of human Alpha class glutathione transferase A1-1 (hGST A1-1) were made and characterized to determine the structural determinants for alkenal activity. The choice of mutations was based on primary structure alignments of hGST A1-1 and the Alpha class enzyme with the highest alkenal activity, hGST A4-4, from three different species and crystal structure comparisons between the human enzymes. The result was an enzyme with a 3000-fold change in substrate specificity for nonenal over 1-chloro-2,4-dinitrobenzene (CDNB).</p><p>The C-terminus of the Alpha class enzymes is an α-helix that folds over the active site upon substrate binding. The rate-determining step is product release, which is influenced by the movements of the C-terminus, thereby opening the active site. Phenylalanine 220, near the end of the C-terminus, forms an aromatic cluster with tyrosine 9 and phenylalanine 10, positioning the β-carbon of the cysteinyl moiety of glutathione. The effects of phenylalanine 220 mutations on the mobility of the C-terminus were studied by the viscosity dependence of k_cat and k_cat/K_m with glutathione and CDNB as the varied substrates. </p><p>The compatibility of slightly different subunit interfaces within the Alpha class has been studied by heterodimerization between monomers from hGST A1-1 and hGST A4-4. The heterodimer was temperature sensitive, and rehybridized into homodimers at 40 ˚C. The heterodimers did not show strictly additive activities with alkenals and CDNB. This result combined with further studies indicates that there are factors at the subunit interface influencing the catalytic properties of hGST A1-1.</p>

A number of active site mutants of human Alpha class glutathione transferase A1-1 (hGST A1-1) were made and characterized to determine the structural determinants for alkenal activity. The choice of mutations was based on primary structure alignments of hGST A1-1 and the Alpha class enzyme with the highest alkenal activity, hGST A4-4, from three different species and crystal structure comparisons between the human enzymes. The result was an enzyme with a 3000-fold change in substrate specificity for nonenal over 1-chloro-2,4-dinitrobenzene (CDNB). The C-terminus of the Alpha class enzymes is an α-helix that folds over the active site upon substrate binding. The rate-determining step is product release, which is influenced by the movements of the C-terminus, thereby opening the active site. Phenylalanine 220, near the end of the C-terminus, forms an aromatic cluster with tyrosine 9 and phenylalanine 10, positioning the β-carbon of the cysteinyl moiety of glutathione. The effects of phenylalanine 220 mutations on the mobility of the C-terminus were studied by the viscosity dependence of kcat and kcat/Km with glutathione and CDNB as the varied substrates. The compatibility of slightly different subunit interfaces within the Alpha class has been studied by heterodimerization between monomers from hGST A1-1 and hGST A4-4. The heterodimer was temperature sensitive, and rehybridized into homodimers at 40 ˚C. The heterodimers did not show strictly additive activities with alkenals and CDNB. This result combined with further studies indicates that there are factors at the subunit interface influencing the catalytic properties of hGST A1-1.

This thesis performs de novo predictions for functionally significant sequence motifs in the Arabidopsis genome under two separate contexts. Each study applies the use of genomic positional information, statistical over-representation and several biologically contextual filters to maximize the visibility of biological signal in prediction results. Numerous literature supported motifs are prevalent in the results of both studies and a number of novel motif patterns possess a strong potential for in planta significance. The first study examines the statistical over-representation of C-terminal tripeptides as a means for identifying eukaryotic conserved protein targetting signatures. Comparative genomics is applied to the analysis of tripeptide frequencies in the C-terminus of 7 eukaryotic proteomes. While biological signal is maximized through the filtering of both simple sequences and homologous sequences present across protein families. The second study introduces a methodology for the effective prediction of transcription factor binding sites in Arabidopsis. A collection of motif prediction algorithms and a novel enumerative strategy are applied to the prediction of cis-acting regulatory elements within the promoters of genes found coexpressed within distinct tissues and under specific abiotic stress treatments. Overall, the analysis identifies 4 known motifs in expected contexts, 5 known motifs in novel contexts and 7 novel motifs with a high potential for biological function.

This thesis performs de novo predictions for functionally significant sequence motifs in the Arabidopsis genome under two separate contexts. Each study applies the use of genomic positional information, statistical over-representation and several biologically contextual filters to maximize the visibility of biological signal in prediction results. Numerous literature supported motifs are prevalent in the results of both studies and a number of novel motif patterns possess a strong potential for in planta significance. The first study examines the statistical over-representation of C-terminal tripeptides as a means for identifying eukaryotic conserved protein targetting signatures. Comparative genomics is applied to the analysis of tripeptide frequencies in the C-terminus of 7 eukaryotic proteomes. While biological signal is maximized through the filtering of both simple sequences and homologous sequences present across protein families. The second study introduces a methodology for the effective prediction of transcription factor binding sites in Arabidopsis. A collection of motif prediction algorithms and a novel enumerative strategy are applied to the prediction of cis-acting regulatory elements within the promoters of genes found coexpressed within distinct tissues and under specific abiotic stress treatments. Overall, the analysis identifies 4 known motifs in expected contexts, 5 known motifs in novel contexts and 7 novel motifs with a high potential for biological function.

Arginine decarboxylase is a key enzyme involved in the polyamine pathway of organisms. Pyruvoyl-dependent arginine decarboxylases are expressed in the form of proenzymes that self-cleave to form N-terminal [beta] and C-terminal [alpha] subunits generating an active pyruvoyl group at the [alpha] terminus. We have identified an archaeal homolog of a pyruvoyl-dependent arginine decarboxylase in Chlamydophila pneumoniae that could play a role in the persistence of the organism in the host. The recombinant enzyme showed highest activity at pH 3.4, which is the lowest optimum pH ever reported for a pyruvoyl dependent arginine decarboxylase. The proton-consuming decarboxylation raises intracellular pH, and thereby plays a role in acid-resistance. It could inhibit the pro-inflammatory nitric oxide synthase resulting in asymptomatic infection. A variant protein Thr⁵²Ser at the predicted cleavage site showed less pro-enzyme cleavage and activity compared to the wild-type. The homologs of arginine decarboxylase and flanking arginine-agmatine antiporter were also found in different biovariants of Chlamydia trachomatis. In the invasive L2 strain of C. trachomatis, the presence of a nonsense codon in the gene encoding arginine decarboxylase enzyme prevented the expression of an active enzyme. The variant protein with tryptophan replacing nonsense codon restored arginine decarboxylase activity. The non-invasive D strain of C. trachomatis had an intact arginine decarboxylase gene, but it was recombinantly expressed as a proenzyme that was uncleaved. The arginine-agmatine antiporters from both the strains were active and transported tritiated arginine into their cells. The polyamine pathway of the crenarchaeon Sulfolobus solfataricus uses arginine to make putrescine, but the organism lacks homologs of arginine decarboxylase. However, it has two paralogs of pyruvoyl dependent S-adenosylmethionine decarboxylase − SSO0536 and SSO0585. These enzymes were recombinantly expressed as pro-enzymes that self-cleaved into [beta] and [alpha] subunits. Even with a 47% amino acid sequence identity, the SSO0536 protein exhibited significant arginine decarboxylase activity whereas SSO0585 protein had significant S-adenosylmethionine decarboxylase activity. This is the first report of an S-adenosylmethionine decarboxylase enzyme showing alternative decarboxylase activity. The chimeric protein with the [alpha]-subunit of SSO0585 and [beta]-subunit of SSO0536 had arginine decarboxylase activity, suggesting that the residues responsible for substrate recognition are located in the amino terminus. / text

Die Kryosphäre mit ihren großen Eisschilden und Gletschergebieten unterliegt seit einigen Jahrzehnten rasanten Veränderungen, deren Bestimmung überhaupt erst durch satellitengestützte Fernerkundungsmethoden ermöglicht wurde. Insbesondere die dynamischen Ausflussgletscher im Randbereich des Grönländischen Eisschildes verlieren an Eisdicke, ziehen sich zurück und zeigen eine beschleunigte Eisbewegung. Diese Arbeit widmet sich der Erstellung eines modular aufgebauten Monitoring-Systems zur überwiegend automatischen Bestimmung der Fließgeschwindigkeit und der Frontlage von Ausflussgletschern mit Hilfe von Landsat-Aufnahmen. Die frei verfügbaren Satellitendaten der Landsat-Mission sind dafür besonders geeignet, da sie nicht nur einen Beobachtungszeitraum von mehr als 40 Jahren umfassen, sondern nahezu im gesamten Bereich des Grönländischen Eisschildes mit einer hohen zeitlichen Auflösung vorliegen. Durch die Kombination unterschiedlicher Bildzuordnungsverfahren wurden flächendeckende Fließgeschwindigkeitsfelder der Ausflussgletscher bestimmt. Neben einem verbesserten Verfahren zur Ausreißerfilterung in den bestimmten Fließgeschwindigkeitsfeldern wurde ein automatisches Verfahren zur Steigerung der Koregistrierungsgenauigkeit entwickelt. Dies beinhaltet u. a. die Verbesserung der Orthorektifizierung mit Hilfe eines aus ASTER-Daten (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer) erstellten, hochauflösenden Geländemodells. Die Geschwindigkeitsfelder wurden weiterhin um das den Geschwindigkeitsfeldern überlagerte Streifenmuster korrigiert, das durch die leicht zueinander verschobenen Scanzeilen in den Landsat-7-Aufnahmen ohne Scanzeilenkorrektur verursacht wurde. Neben der Bestimmung von Fließgeschwindigkeitsfeldern wurden zwei Verfahren zur Ableitung von Gletscherfrontlagen entwickelt. Der Fokus lag dabei auf der Bestimmung von Frontlagen in Eisfjorden, in denen Standardverfahren zur Gletscherflächenkartierung nur eingeschränkt nutzbar sind. Das erste Verfahren ermittelt die Gletscherfront anhand der Grauwertverteilung entlang mehrerer paralleler Profile, die im Übergangsbereich zwischen Eisfjord und Gletscherbereich liegen. Aus diesen Frontpositionen kann anschließend das Polygon der Gletscherfront vektorisiert werden. Das zweite Verfahren verfolgt einen Ansatz der überwachten Klassifikation, bei dem mit Hilfe von statistischen Texturmerkmalen die Segmentierung von Gletscherflächen erfolgt. Eine nahezu vollständige Auswertung aller verfügbaren Satellitendaten des Landsat-Archivs wurde für den Randbereich des Grönländischen Eisschildes durchgeführt. Auf einer Fläche von etwa 500000 km² wurden für 302 Gletscher Fließgeschwindigkeitsfelder bestimmt. Die überwiegend im Zeitraum 1999 bis 2012 vorliegenden Geschwindigkeitsfelder besitzen eine räumliche Auflösung von 300m x300m. Für etwa ein Drittel dieser Gletscher wurden über den gesamten Landsat-Missionszeitraum von 1972 bis 2012 zusätzlich auch die zeitlichen Änderungen der Frontlage ermittelt. Aus diesen Ergebnissen lassen sich sowohl der Langzeittrend als auch die saisonalen Variationen der Fließgeschwindigkeit und die Lage der Gletscherfront ableiten. Generell zeigen die Gletscher in Zentralwest-, Nordwest- und Südost-Grönland nicht nur höhere Fließgeschwindigkeiten im Vergleich mit den Gletschern in anderen Regionen Grönlands, sondern weisen oft auch ein deutlich beschleunigtes Fließverhalten auf. Die seit 1999 größten Veränderungen wurden am Jakobshavn Isbræ und am Upernavik Isstrøm im Westen sowie an einem Ausflussgletscher in der Køge Bugt im Südosten Grönlands beobachtet. Diese Gletscher zeigen einen jährlichen Geschwindigkeitsanstieg von mehr als 0,9 m/Tag. Neben den beobachteten Geschwindigkeitsänderungen ist häufig auch eine Variation der Frontlage zu beobachten. Gewöhnlich ist eine Beschleunigung des Gletschers mit einem Frontrückzug verbunden. Darüber hinaus weist ein Großteil der Gletscher eine ausgeprägte saisonale Variabilität ihrer Fließgeschwindigkeit und ihrer Frontlage auf. Die über mehrere Jahrzehnte vorliegende Zeitreihe der bestimmten Fließgeschwindigkeiten ermöglicht im Besonderen die Detektion und die Untersuchung des zeitlichen Verlaufs von Surge-Ereignissen.

Die Kryosphäre mit ihren großen Eisschilden und Gletschergebieten unterliegt seit einigen Jahrzehnten rasanten Veränderungen, deren Bestimmung überhaupt erst durch satellitengestützte Fernerkundungsmethoden ermöglicht wurde. Insbesondere die dynamischen Ausflussgletscher im Randbereich des Grönländischen Eisschildes verlieren an Eisdicke, ziehen sich zurück und zeigen eine beschleunigte Eisbewegung. Diese Arbeit widmet sich der Erstellung eines modular aufgebauten Monitoring-Systems zur überwiegend automatischen Bestimmung der Fließgeschwindigkeit und der Frontlage von Ausflussgletschern mit Hilfe von Landsat-Aufnahmen. Die frei verfügbaren Satellitendaten der Landsat-Mission sind dafür besonders geeignet, da sie nicht nur einen Beobachtungszeitraum von mehr als 40 Jahren umfassen, sondern nahezu im gesamten Bereich des Grönländischen Eisschildes mit einer hohen zeitlichen Auflösung vorliegen. Durch die Kombination unterschiedlicher Bildzuordnungsverfahren wurden flächendeckende Fließgeschwindigkeitsfelder der Ausflussgletscher bestimmt. Neben einem verbesserten Verfahren zur Ausreißerfilterung in den bestimmten Fließgeschwindigkeitsfeldern wurde ein automatisches Verfahren zur Steigerung der Koregistrierungsgenauigkeit entwickelt. Dies beinhaltet u. a. die Verbesserung der Orthorektifizierung mit Hilfe eines aus ASTER-Daten (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer) erstellten, hochauflösenden Geländemodells. Die Geschwindigkeitsfelder wurden weiterhin um das den Geschwindigkeitsfeldern überlagerte Streifenmuster korrigiert, das durch die leicht zueinander verschobenen Scanzeilen in den Landsat-7-Aufnahmen ohne Scanzeilenkorrektur verursacht wurde. Neben der Bestimmung von Fließgeschwindigkeitsfeldern wurden zwei Verfahren zur Ableitung von Gletscherfrontlagen entwickelt. Der Fokus lag dabei auf der Bestimmung von Frontlagen in Eisfjorden, in denen Standardverfahren zur Gletscherflächenkartierung nur eingeschränkt nutzbar sind. Das erste Verfahren ermittelt die Gletscherfront anhand der Grauwertverteilung entlang mehrerer paralleler Profile, die im Übergangsbereich zwischen Eisfjord und Gletscherbereich liegen. Aus diesen Frontpositionen kann anschließend das Polygon der Gletscherfront vektorisiert werden. Das zweite Verfahren verfolgt einen Ansatz der überwachten Klassifikation, bei dem mit Hilfe von statistischen Texturmerkmalen die Segmentierung von Gletscherflächen erfolgt. Eine nahezu vollständige Auswertung aller verfügbaren Satellitendaten des Landsat-Archivs wurde für den Randbereich des Grönländischen Eisschildes durchgeführt. Auf einer Fläche von etwa 500000 km² wurden für 302 Gletscher Fließgeschwindigkeitsfelder bestimmt. Die überwiegend im Zeitraum 1999 bis 2012 vorliegenden Geschwindigkeitsfelder besitzen eine räumliche Auflösung von 300m x300m. Für etwa ein Drittel dieser Gletscher wurden über den gesamten Landsat-Missionszeitraum von 1972 bis 2012 zusätzlich auch die zeitlichen Änderungen der Frontlage ermittelt. Aus diesen Ergebnissen lassen sich sowohl der Langzeittrend als auch die saisonalen Variationen der Fließgeschwindigkeit und die Lage der Gletscherfront ableiten. Generell zeigen die Gletscher in Zentralwest-, Nordwest- und Südost-Grönland nicht nur höhere Fließgeschwindigkeiten im Vergleich mit den Gletschern in anderen Regionen Grönlands, sondern weisen oft auch ein deutlich beschleunigtes Fließverhalten auf. Die seit 1999 größten Veränderungen wurden am Jakobshavn Isbræ und am Upernavik Isstrøm im Westen sowie an einem Ausflussgletscher in der Køge Bugt im Südosten Grönlands beobachtet. Diese Gletscher zeigen einen jährlichen Geschwindigkeitsanstieg von mehr als 0,9 m/Tag. Neben den beobachteten Geschwindigkeitsänderungen ist häufig auch eine Variation der Frontlage zu beobachten. Gewöhnlich ist eine Beschleunigung des Gletschers mit einem Frontrückzug verbunden. Darüber hinaus weist ein Großteil der Gletscher eine ausgeprägte saisonale Variabilität ihrer Fließgeschwindigkeit und ihrer Frontlage auf. Die über mehrere Jahrzehnte vorliegende Zeitreihe der bestimmten Fließgeschwindigkeiten ermöglicht im Besonderen die Detektion und die Untersuchung des zeitlichen Verlaufs von Surge-Ereignissen.

A closer look at innovation for and from emerging markets respectively developing economies reveals that a variety of different terms and concepts related to this type of innovation exist. The goal of my conceptual paper is to present a comprehensive overview of related terms and concepts and to suggest theoretical based classification criteria in order to differentiate them. After a first investigation in relation to innovation for and from emerging markets the keywords ‘reverse’, ‘frugal’, ‘jugaad’, and ‘bottom of the pyramid / bottom of pyramid / bop’ were identified and used for searching the database of Google Scholar. For further investigation only texts were considered with at least eight various terms. 19 different texts were identified which classified for a further analysis. As results 33 identified terms in relation to innovation for and from emerging markets, various spellings and synonyms and references with at least two mentions in the identified texts are presented. As theoretical based classification criteria ‘market orientation’, ‘determinants’ (of innovation for and from emerging market)’, ‘nature’ (of innovation for and from emerging markets), sophistication’, ‘sustainability’, ‘novelty’ and ‘innovator type’ were identified.

The placement of genetic information within bacterial genomes is intentionally organized, creates predictable gradients of molecular properties along the origin-terminus of replication axis. Previous studies have reported that genes located near the origin of replication generally have a higher expression level, increased dosage, and are more conserved than genes located near the terminus of replication. Additionally, substitution rates usually increases with increasing distance from the origin of replication. However, the constant reorganization of genetic information is often overlooked when considering spatial molecular trends. Here, we explore the interplay of genomic reorganization along the origin and terminus of replication axis of gene expression and substitutions in Escherichia coli, Bacillus subtilis, Streptomyces, and Sinorhizobium meliloti. Using ancestral reconstruction to account for genome reorganization, we demonstrated that the correlation between the number of substitutions and distance from the origin of replication is significant but small and inconsistent in direction. In another study, we looked at the overall expression levels of all genes from the same bacteria, and confirmed that gene expression tends to decrease when moving away from the origin of replication. We looked specifically at how inversions - one type of genomic reorganization - impact gene expression between closely related strains of E. coli. Some inversions cause significant differences in gene expression compared to non-inverted regions, however, the variation in expression does not significantly differ between inverted and non-inverted regions. This change in gene expression may be due to the expression regulation properties of two nucleoid proteins, Histone-like Nucleoid-Structuring (H-NS) and Factor for inversion stimulation (Fis), who’s binding sites had a significant positive correlation with inverted regions. In conclusion, we highlight the impact that genomic rearrangements and location have on molecular trends in bacteria, illustrating the importance of considering spatial trends in molecular evolutionary analysis, and to ensure accurate generalization of previously determined trends. Assuming that molecular trends are exclusively in one direction can be problematic. / Dissertation / Doctor of Philosophy (PhD)

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