English Title: Investigations on the genomic organisation and expression of the pyrimidinenucleotide de novo synthesis enzymes in tobacoo (Nicotiana tabacum) and potato (Solanum tuberosum)

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Abstract

Bei der Pyrimidinnukleotid de novo Synthese wird UMP aus HCO3 -, ATP, PRPP, Glutamin und Aspartat gebildet. Dies wird in Pflanzen von 5 Enzymen durchgeführt. Pyrimidinnukleotide sind ein Bestandteil von Nukleinsäuren und wichtig für zahlreiche zelluläre Prozesse wie z.B. als Energieträger im Kohlenhydratstoffwechsel oder als Vorstufe in der Vitaminsynthese. Im Verlauf dieser Arbeit wurden erstmals umfassende Analysen der Pyrimidinnukleotid de novo Synthese auf Genom-, mRNA- und Protein-Ebene in Nicotiana tabacum (Tabak) und Solanum tuberosum (Kartoffel) durchgeführt. Durch Southern-Analyse von Tabak- und Kartoffel-DNA konnte eine einfache genomische Organisation aller beteiligten Gene gezeigt werden. Durch mRNA-Analysen wurde bewiesen, daß die einzelnen Enzyme der de novo Synthese wie „Haushalts“-Gene exprimiert werden: Der Nachweis konnte in jedem Gewebe zu jeder gewählten Bedingung erfolgen und lag niemals unterhalb der Detektionsgrenze. Dabei konnten entwicklungsabhängige Unterschiede gezeigt werden, die einen Bezug zur Zellteilung und Wachstumsprozessen vermuten lassen. Weiterhin konnte eine Abhängigkeit der Expression der Pyrimidinnukleotid de novo Synthese-Gene von Umwelteinflüssen wie der Tageszeit oder den vorhandenen Sauerstoff-Konzentrationen festgestellt werden. Es wurde auch der Einfluß von Nährstoffen wie Phosphat und von verschiedenen Metaboliten wie Nukleotidvorstufen und Bestandteilen des Argininstoffwechsels (die Synthese von Carbamoylphosphat stellt ein gemeinsamer Schritt beider Stoffwechselwege dar) untersucht. Dabei konnte zwar jeweils eine Beeinflussung des Nukleotidstoffwechsels gezeigt werden, der jedoch nicht immer Auswirkungen auf die Expression der untersuchten Gene hatte, wie Analysen sowohl auf mRNA- als auch auf Proteinebene ergaben.

Translation of abstract (English)

In the pyrimidine nucleotide de novo synthesis, UMP is formed of HCO3 -, ATP, PRPP, glutamine and aspartate. In plants, this is done by 5 enzymes. Pyrimidine nucleotides are part of nucleic acids and important for many cellular processes such as the function of energy-carriers in the carbohydratemetabolism or as precursor in the vitamin-synthesis. In the course of this work, extensive analysis of the pyrimidine nucleotide de novo synthesis was done for the first time on the genomic, mRNA- and protein-level in Nicotiana tabacum (tobacco) and Solanum tuberosum (potato). By Southern-analysis of tobacco- and potato-DNA it was possible to show a simple genomic organization of all involved genes. By mRNA-analysis it was proved that the single enzymes of the de novo synthesis are expressed like house-keeping genes: In every tissue at every chosen condition, specific mRNAs and proteins could be detected. There were developmental differences shown that might have a connection to cell division and processes of expansion. Furthermore, it was possible to show a dependency on the expression of the pyrimidine nucleotide de novo synthesis genes of environmental influences such as the time of day or the existing oxygenconcentrations. The influence of nutrients like phosphate and of several metabolites such as nucleotide-precursors and components of the arginine-metabolism (the synthesis of carbamoylphosphate is a corporate step of both pathways) was investigated, too. It was possible to show an influence on the nucleotidemetabolism. However, based on the analysis of mRNA- and protein-levels, there wasn’t always an effect on the expression of the investigated genes.