title: Insights into the molecular output of the circalunar clock in "Platynereis dumerilii"
Creators: name: Du, Mingliu
Publisher: name: :none
Year: 2014

description: Biologische Uhren sind grundlegende Mechanismen, die Lebewesen helfen, externe Umwelt-veränderungen zu antizipieren und ihre Physiologie und ihr Verhalten entsprechend anzupassen. Bisher wurden jedoch nur dem Tag-Nacht-Rythmus folgende biologische Uhren auf molekularer Ebene untersucht. Molekulare Mechanismen der dem Mondzyklus folgenden Uhren sind wissenschaftlich weitgehend unerforscht. In dieser Dissertation verwende ich den marinen Borstenwurm Platynereis dumerilii (Nereididae, Annelida) als Modellorganismus, um eine zirkalunare biologische Uhr zu untersuchen. P. dumerilii zeigt eine Mond-Periodizität in seiner Fortpflanzung. In früheren Studien wurde gezeigt, dass dieses Phänomen durch eine endogene zirkalunare Uhr gesteuert wird. Obwohl zirkalunare Reproduktionszyklen bei marinen Organismen weit verbreitet sind, ist wenig über die molekularen Mechanismen bekannt, die an diesen Prozessen beteiligt sind. Meine Arbeit konzentriert sich auf den molekularen Output der zirkalunaren Uhr, um mögliche Faktoren zu identifizieren, die den Zustand der Uhr vermitteln und so die Geschlechtsreifung und das Verhalten der Würmer synchronisieren. Der Hauptteil meiner Arbeit konzentriert sich auf das Hormon Melatonin. Melatonin ist ein Tryptophan–Derivat, das an der Steuerung von saisonalen Zyklen in Wirbeltieren beteiligt ist. Die Produktion von Melatonin hängt von den beiden Enzymen Arylalkylamin N- Acetyltransferase ( AANAT ) und Hydroxyindol O-Methyltransferase ( HIOMT ) ab. Die Platynereis-Orthologe zu den aanat- und hiomt- Genen wurden identifiziert, und endogenes Melatonin sowie dessen metabolischen Vorläufer N-Acetylserotonin (NAS) wurde in Ringelwürmern nachgewiesen. Dies lässt auf einen gemeinsamen Ursprung dieses Stoffwechselweges in Bilaterien schliessen. Diese Arbeit etabliert Methoden, um den endogenen Melatoninspiegel zusammen mit den vorhandenen mRNA-Mengen für die beiden Biosyntheseenzyme in Platynereis-Köpfen zu quantifizieren. Melatonin sowie die mRNA-Spiegel von Platynereis (Pdu-) aanat und hiomt wurden unter unterschiedlichen lunaren Konditionen gemessen (Neumond , Vollmond und „free-running“ Vollmond). Es wurde gezeigt, dass der tägliche zeitliche Verlauf des Melatoninspiegels von einer endogenen zirkalunaren Uhr gesteuert wird, wohingegen nächtliches Licht das Gesamtniveau von Melatonin senkt. In ähnlicher Weise wird der zeitliche Verlauf des Spiegels an Pdu-hiomt Transkripten durch die zirkalunare Uhr reguliert, jedoch bleibt hier der Einfluss von „Nachtlicht“ sehr begrenzt. Das Auftreten von Pdu-Hiomt in der Hirnregion, in der sowohl Photorezeptoren als auch Schlüsselmoleküle der zirkadianen Uhr exprimiert werden, legt das Zusammenspiel der Melatonin-Produktion mit der zirkadianen Uhr und Photorezeptoren nahe, und wirft ein Licht auf den gemeinsamen evolutionäre Herkunft der neuro-sekretorischen und lichtempfindlichen Zellen, aus denen sich möglicherweise auch die Zirbeldrüse der Wirbeltieren entwickelt hat. Weiters wurden Versuche unternommen, um Aanat- und Hiomt-Proteine in Platynereis weiter zu charakterisieren und Werkzeuge für die Funktionsanalyse des Melatonin-Biosynthese-Pathways mittels Transposon-vermittelter Transgenese und „Transcription Activator-Like Effector Nucleases“ (TALENs) zu etablieren. TALENs mit hoher Mutagenese-Effizienz wurden für den Pdu-hiomt Locus entwickelt, die bei der Erzeugung von Knock-out- Linien verwendet werden können, um so die Relevanz dieses Stoffwechselweges für den zirkalunaren Fortpflanzungszyklus zu erkunden. Um den Kandidaten-basierten Ansatz zu ergänzen, der sich auf Melatonin fokusiert hat, habe ich auch einen Pionier-Screen für zirkalunar regulierte Gene durch geführt. Etwa 500 Gene, die meistenteils für Transkriptionsfaktoren, Neuropeptide und Hormon-synthetisierende Enzyme kodieren, wurden auf Unterschiede in ihren zirkalunaren Expressionsprofilen untersucht, eine Teilmenge von 50 Genen wurde einer tiefgehenderen Analyse unterzogen. Sechzehn Gene, einschließlich vermuteter Neuropeptid-Vorläufer, wurden durch die durchweg unterschiedliche Regulierung unter Neumond- und „free-running“ Vollmond-Konditionen als Kandidaten für unter zirkalunare Kontrolle stehender Gene identifiziert. Weitere Untersuchungen dieser Kandidatengene einschließlich ihrer räumlichen Verteilung wird unser Verständnis des molekularen Outputs der zirkalunaren Uhr erweitern.