With the progress in sequencing of the honey bee genome new data become available which allows the search and identification of genes coding for homologous proteins found in other organism. Two genes coding for c-type lysozymes were identified in the genome of A. mellifera through an online-based BLAST search. Expression of both intron-less genes seems not to be under the regulatory control of either of the two pathways involved in humoral insect immunity, i.e. Toll and Imd, since no NF-κB transcription factor binding sites are found upstream of the genes. The encoded Lys-1 and Lys-2 are 157 and 143 amino acid long, respectively, and share a sequence similarity of 90%. Further in silico analysis revealed a signal peptidase cleavage site at the N-terminus of each amino acid sequence, strongly suggesting a secretion of the enzymes into the surrounding environment of the producing cells. Sequence alignments of both amino acid sequences with other c-type lysozymes identified the highly conserved active site glutamic acid (Glu32) as well as eight highly conserved cysteine residues. However, an important aspartic acid (Asp50) in the active site that helps to stabilize a substrate intermediate during catalysis is replaced by a serine residue in the lysozymes of A. mellifera. The replacement of the active site aspartic acid in the honey bee lysozymes suggests a different catalytic mechanism and/or a different substrate-specificity in respect to other c-type lysozymes. Furthermore, 3D-models of Lys-1 and Lys-2 were generated based on the sequence similarity of A. mellifera lysozymes with other c-type lysozymes. The published 3D structure of the lysozyme from the silkmoth Bombyx mori, which shares the highest sequence similarity of all available structures with A. mellifera lysozymes, was used as template for the construction of the 3D-models. The models of Lys-1 and Lys-2 suggest that both enzymes resemble, in large part, the structure of B. mori lysozyme. In order to identify the set of AMPs in the hemolymph of A. mellifera, hemolymph of immunized bees was analyzed. Applying SDS-polyacrylamide gel electrophoresis and mass spectrometry on hemolymph from immunized bees, three out of the four peptides were identified, i.e. abaecin, defensin 1 and hymenoptaecin. Furthermore, Lys-2 was identified in the hemolymph by mass spectrometry, conclusively demonstrating the presence of a lysozyme in the hemolymph of A. mellifera for the first time. However, the protein levels of Lys-2 were not affected by bacterial injection, suggesting that the gene expression of the putative antibacterial protein is not under the regulatory control of the Imd and/or Toll pathway. Besides the abovementioned antimicrobial peptides, the 76 kDa large transferrin was also identified. Transferrin is an iron-binding protein that has been implicated in innate immunity in the honey bee. Furthermore, the effect of pathogenic dose, the timeline of peptide induction and the age-related accumulation of the aforementioned AMPs were studied. The intensity of expression of the antimicrobial peptides, abaecin, defensin 1, and hymenoptaecin as well as transferrin increased proportionally with the amount of bacteria injected into the hemocoel. No such effect was observed for the protein levels of Lys-2. Furthermore, up-regulation of the three antibacterial peptides and transferrin was observed within the first 24 h following infection with E. coli (gram-). Infection with the gram+ bacterium Micrococcus flavus resulted in high and moderate protein levels for transferrin and abaecin, respectively, whereas hardly any accumulation of hymenoptaecin was observed, indicating that the gene expression of abaecin and transferrin is somehow positively correlated, and would suggest a shared regulatory pathway that differs from that of hymenoptaecin. Although bacterial infections didn’t seem to stimulate the production of Lys-2, different concentrations in the hemolymph were observed in bees of different ages, suggesting a correlation between the expression of Lys-2 and the age-related division of labor of adult worker honey bees, also known as age polyethism. The results further allow a proposed causal connection between the age-dependent accumulation of Lys-2 and the hemolymph titer of the gonotrophic hormone juvenile hormone, which is the “behavioral pacemaker” in adult honey bees. / Mit der fortschreitenden Sequenzierung des Bienengenoms werden staendig neue Daten zur Verfuegung gestellt, die eine gezielte Suche und Identifizierung von homologen Protein in der Honigbiene ermoeglichen. Mittels einer web-basierenden BLAST-Suche konnten im Genom zwei Gene identifiziert werden, welche fuer Lysozyme des C-typs kodieren. Genauere Untersuchung der Genloci konnten zeigten, dass beide Geneabschnitte keine Bindestellen fuer Transkriptionsfaktoren der NF-κB-Familie aufweisen, und daher davon auszugehen ist, dass die Lysozyme-Gene nicht unter der Kontrolle der beiden regulatroischen Pathways Toll bzw. Imd, von denen man annimmt, dass sie die humorale Immunantwort regulieren, stehen. Die beiden Gene lyz1 und lyz2 kodieren ein 157 bzw. ein 143 Aminosaeure langes Protein, welche zu 90% sequenzielle Aehnlichkeiten aufweisen. Durch weitere in silico Analyse der Protein konnten an den N-termini Erkennungssignale der Signalpeptidase gefunden werden, welche darauf schliessen lassen, dass beide Lysozyme in die Zellumgebung sezerniert werden. Mittels Sequenzvergleiche beider A. mellifera Lysozyme mit anderen C-typ Lysozymen konnte die hochkonservierte und fuer den katalytische Aktivitaet essentielle Aminosaeure Glutamat 32 (Glu32), sowie acht konservierte Cysteine identifiziert werden. Erstaunlicherweise fehlt das fuer den katalytischen Mechanismus essentielle Aspartat 50 (Asp50), welches fuer die Stabilizierung von Intermediaerprodukten wichtig ist. In A. mellifera Lysozymen ist dieses Aspartat durch ein Serin substituiert, was darauf schliessen laesst, dass die beiden Enzyme einen anderen Mechanism und/oder eine andere Substratspezifitaet aufweissen als dies fuer die C-typ Familie der Fall ist. In diesem Zusammenhang wurde ein evolutionaerer Pathway vorgesschlagen, der eine moegliche Transition von Serin zu Aspartat erklaert. Schliesslich konnten aufgrund der Sequenzhomologien zu anderen C-typ Lysozyme und anhand von bestehende Strukturen, 3D-Strukturmodelle der beiden Lysozyme erstellt werde. Die Modelle haben gezeigt, dass die Struktur der beide Enzyme groessenteils den Strukturen andere C-typ Lysozyme gleicht. Zur Identifiezung vom AMPs in A. mellifera, wurde die Hemoplymphe immunisierte Bienen elektrophoretisch und massenspektrometrisch analysisiert. Die drei AMPs Abaecin, Defensin 1 und Hymenoptaecin konnten dabei verifiziert werden. Darueber hinaus wurde zum ersten Mal das Lys-2 in der Hemolymphe nachgewiessen. Anders als bei den drei Oben erwaehnten AMPs, wurde das Lys-2 jedoch nicht durch bakterielle Infektion induziert. Die konstitutive Expression des Lys-2 laesst darauf schliessen, dass es nicht, wie bereits erwaehnt, unter der Kontrolle der beiden immunspezifischen, regulatorischen Pathways Toll und Imd steht. Zusaetlich zu den AMPs wurde das 76 kDa grosse Transferrin, ein Eisen-bindendes Protein, identifiziert, welches eine Rolle in der angeborenen Immunitaet zugesprochen wird. Anhand der genauen Bestimmung der Peptide wurde desweiteren der Effekt der bakteriellen Dosis, der Zeitverlauf der Induktion und die alterabhaengige Induktion naeher untersucht. Die Intensitaet der Expression der AMPs Abaecin, Defensin 1 und Hymenoptaecin sowie Transferrin nahm proportional mit der Menge an injezierten Bakterien zu. Die Akkumulation von Lys-2 wurde dagegen nicht beeinflusst. Desweiteren konnte eine Hochregulierung der Expressionslevel der drei AMPs und Transferrin, nach erfolgter Infektion mit E. coli, innerhalb der ersten 24 Stunden beobachtet werden. Infektion mit dem gram+ Bakterium Micrococcus flavus resultiert dagegen in hoch bzw. moderate Expression von Transferin und Abaecin, jedoch war kaum ein Anstieg der Expression von Hymenoptaecin zu verzeichnen. Dies laesst daraus schliessen, dass die Expression von Abaecin und Transferrin positiv korreliert sind und spricht fuer einen gemeinsamen regulatorischen Pathway, der sich von dem des Hymenoptaecin unterscheidet. Trotz der Beobachtung, dass die Expression von Lys-2 nicht durch bakterielle Infection induziert wird, konnten unterschiedliche Expressionsmuster in Bienen unterschiedlichen Alters beobachtet werden, welche auf eine Korrelation zwischen der Expression des Lys-2 und der altersabhaengigen Arbeitsteilung adulter Honigbienen, dem sogenennten Alterspolythismus, schliessen lassen. Aufgrund dessen, koennte man einen kausalen Zusammenhang zwischen der alterabhaengigen Akkumulation des Lys-2 und dem Hemolymphtiter des gonotrophen Juvenilhormons, welches fuer die Verhaltensaenderung adulter Bienen verantwortlich ist, sehen.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:1599 |
| Date | January 2006 |
| Creators | Prusko, Carsten Dietmar |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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