Glycerinaldehyd-3-phosphat Dehydrogenasen,Module in der Evolution genetischer Netzwerke: Studien zur Genregulation und Phylogenie in Cyanobakterien und Spirochaeten

Figge, Rainer

(i) Phylogenetische Analysen von Glycerinaldehyd-3-phosphat Dehydrogenase (GAPDH, Genbezeichnung: gap) Sequenzen bestätigen, daß Prochlorophyten nicht die nächsten Verwandten der Chloroplasten sind. Nur die Analyse eines der beiden gap Gene aus Gloeobacter violaceus deutet darauf hin, daß es das primitivste Cyanobakterium sein könnte. Die mißverständliche Position der Euglena GapA Sequenz beruht auf einem Baumbildungsartefakt (long branch attraction). Eine Gap1 Sequenz aus der Spirochäte Treponema pallidum und die GapC Sequenzen der Euglenozoa sind sehr nahe miteinander verwandt, was sich nur durch lateralen Gentransfer erklären läßt. Die Analyse von gap Genen aus neun weiteren Spirochäten zeigt, daß diese wie zufällig verstreut im eubakteriellen GAPDH Stammbaum auftreten. Letzterer besteht aus mindestens fünf hoch divergenten GAPDH Typen und einigen weiteren weniger gut abgegrenzten Gruppierungen. Die heutige Gendiversität beruht (a) vermutlich auf den Resten einer ursprünglichen Diversität, die schon im Vorfahren aller Eubakterien existierte und (b) ist zudem das Ergebnis von Gendurchmischung durch lateralen Gentransfer. (ii) Die Expression der beiden gap Gene in Synechocystis ist einerseits langsam und schwach (gap1) und andererseits schnell und stark (gap2). Die Transkription des gap2 Gens bedarf einer funktionellen photosynthetischen Elektronentransportkette. Der basale Promotor von gap2 (P) kann von drei positiven cis-Elementen, als A, B (im nicht translatierten 5'-Bereich) und C (in der kodierenden Region) bezeichnet, um einen Faktor 100 stimuliert werden. Element B ist ein transkriptioneller Enhancer, da es unabhängig von seiner Position, Orientierung und Distanz zu P transkriptionsaktivierend wirkt. Alle drei cis-Elemente beinhalten ein gemeinsames Nukleotidmotiv, das auch in anderen cyanobakteriellen Promotoren auftritt. Der gap2 Promotor besitzt eine aus Gram-positiven bekannte -16 Promotorbox (5'-TRTG-3') die offensichtlich während der

(i) Phylogenetic analyses of glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (GAPDH,gene designation:gap )sequences confirmed that prochlorophytes are not the closest relatives of plastids.Gloeobacter violaceus was only found to be the most primitive cyanobacterium in analyses of one of its two gap genes.Through the gradual reduction of outgroup sequences,i could be demonstrated that the misleading position of Euglena GapA clearly is the result of long branch attraction.A Gap1 sequence from the spirochete Treponema pallidum and the GapC sequences from the Euglenozoa were shown to be in a close relationship which can only be explained by lateral gene transfer between their ancestors.Determination of other gap genes from nine spirochetes revealed that these sequences are randomly distributed over the eubacterial GAPDH phylogeny.This very complex phylogeny contains at least five highly distinct gap types and several other less apparent groups.Extant gene diversity is probably (a)the remnant of an original diversity that already existed in the ancestor of all eubacteria and (b)the result of a melange of genes through lateral gene transfer. (ii)The expression of the two gap genes of Synechocystis was shown to be (a)slow and weak (gap1 ),(b)rapid and strong (gap2 ).The transcription of the gap2 gene depends on functional photosynthetic electron transport.The basal promoter of gap2 (P) is controlled by three cis - acting elements designated as A,B (in the untranslated leader region)and C (in the coding region) that,together,promote a 100-fold stimulation of P activity.Element B was found to behave as a transcriptional enhancer in being active regardless of its position,orientation and distance relative to P.All three cis -acting stimulatory elements exhibit a common nucleotide motif which appears o be conserved in cyanobacteria.gap2 transcription depends on a gram-positive-like -16 pro- moter box (5 '-TRTG-3 ')which was obviously conserved throughout the evolutio

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Figge, Rainer: Glycerinaldehyd-3-phosphat Dehydrogenasen,Module in der Evolution genetischer Netzwerke: Studien zur Genregulation und Phylogenie in Cyanobakterien und Spirochaeten. 2000.

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