The rich world of applicable algal photoreceptors

Kianianmomeni A. The rich world of applicable algal photoreceptors. Journal of Physical Chemistry & Biophysics. 2012;2(03):e107

Cell-type specific light-mediated transcript regulation in the multicellular alga Volvox carteri

Kianianmomeni A. Cell-type specific light-mediated transcript regulation in the multicellular alga Volvox carteri. BMC Genomics. 2014;15(1): 764.Background: The multicellular green alga Volvox carteri makes use of none less than 13 photoreceptors, which are mostly expressed in a cell-type specific manner. This gives reason to believe that trasncriptome pattern of each cell type could change differentially in response to environmental light. Here, the cell-type specific changes of various transcripts from different pathways in response to blue, red and far-red light were analyzed. Results: In response to different light qualities, distinct changes in transcript accumulation of genes encoding proteins involved in chlorophyll and carotenoid biosynthesis, light-harvesting complexes, circadian clock and cell cycle control were observed. Namely, blue light tends to be effective to accumulate transcripts in the somatic cells; while red light leads to accumulate transcripts predominantly in the reproductive cells. Blue light also induced marked accumulation of two components of circadian rhythms only in the somatic cells, indicating that these clock-relevant components are affected by blue light in a cell-type specific manner. Further, we show that photosynthetic associated genes are regulated distinctly among cell types by different light qualities. Conclusion: Our results suggest that Volvox uses different sophisticated cell-type specific light signaling pathways to modulate expression of genes involved in various cellular and metabolic pathways including circadian rhythms and photosynthesis in response to environmental light

Quantitative analysis of cell-type specific gene expression in the green alga Volvox carteri

BACKGROUND: The multicellular alga Volvox carteri possesses only two cell types: mortal, motile somatic cells and potentially immortal, immotile reproductive cells. It is therefore an attractive model system for studying how cell-autonomous cytodifferentiation is programmed within a genome. Moreover, there are ongoing genome projects both in Volvox carteri and in the closely related unicellular alga Chlamydomonas reinhardtii. However, gene sequencing is only the beginning. To identify cell-type specific expression and to determine relative expression rates, we evaluate the potential of real-time RT-PCR for quantifying gene transcript levels. RESULTS: Here we analyze a diversified pool of 39 target genes by real-time RT-PCR for each cell type. This gene pool contains previously known genes with unknown localization of cellular expression, 28 novel genes which are described in this study for the first time, and a few known, cell-type specific genes as a control. The respective gene products are, for instance, part of photosynthesis, cellular regulation, stress response, or transport processes. We provide expression data for all these genes. CONCLUSION: The results show that quantitative real-time RT-PCR is a favorable approach to analyze cell-type specific gene expression in Volvox, which can be extended to a much larger number of genes or to developmental or metabolic mutants. Our expression data also provide a basis for a detailed analysis of individual, previously unknown, cell-type specifically expressed genes

Genome-wide analysis of alternative splicing in Volvox carteri

Kianianmomeni A, Ong CS, Rätsch G, Hallmann A. Genome-wide analysis of alternative splicing in Volvox carteri. BMC Genomics. 2014;15(1): 1117.BACKGROUND: Alternative splicing is an essential mechanism for increasing transcriptome and proteome diversity in eukaryotes. Particularly in multicellular eukaryotes, this mechanism is involved in the regulation of developmental and physiological processes like growth, differentiation and signal transduction. RESULTS: Here we report the genome-wide analysis of alternative splicing in the multicellular green alga Volvox carteri. The bioinformatic analysis of 132,038 expressed sequence tags (ESTs) identified 580 alternative splicing events in a total of 426 genes. The predominant type of alternative splicing in Volvox is intron retention (46.5%) followed by alternative 5[prime] (17.9%) and 3[prime] (21.9%) splice sites and exon skipping (9.5%). Our analysis shows that in Volvox at least ~2.9% of the intron-containing genes are subject to alternative splicing. Considering the total number of sequenced ESTs, the Volvox genome seems to provide more favorable conditions (e.g., regarding length and GC content of introns) for the occurrence of alternative splicing than the genome of its close unicellular relative Chlamydomonas. Moreover, many randomly chosen alternatively spliced genes of Volvox do not show alternative splicing in Chlamydomonas. Since the Volvox genome contains about the same number of protein-coding genes as the Chlamydomonas genome (~14,500 protein-coding genes), we assumed that alternative splicing may play a key role in generation of genomic diversity, which is required to evolve from a simple one-cell ancestor to a multicellular organism with differentiated cell types [1]. To confirm the alternative splicing events identified by bioinformatic analysis, several genes with different types of alternatively splicing have been selected followed by experimental verification of the predicted splice variants by RT-PCR. CONCLUSIONS: The results show that our approach for prediction of alternative splicing events in Volvox was accurate and reliable. Moreover, quantitative real-time RT-PCR appears to be useful in Volvox for analyses of relationships between the appearance of specific alternative splicing variants and different kinds of physiological, metabolic and developmental processes as well as responses to environmental changes

The Microbial Opsin Family of Optogenetic Tools

The capture and utilization of light is an exquisitely evolved process. The single-component microbial opsins, although more limited than multicomponent cascades in processing, display unparalleled compactness and speed. Recent advances in understanding microbial opsins have been driven by molecular engineering for optogenetics and by comparative genomics. Here we provide a Primer on these light-activated ion channels and pumps, describe a group of opsins bridging prior categories, and explore the convergence of molecular engineering and genomic discovery for the utilization and understanding of these remarkable molecular machines.National Institutes of Health (U.S.) (TR01)Bill & Melinda Gates FoundationSimons FoundationDamon Runyon Cancer Research FoundationMcKnight FoundationRobert MetcalfeHelen S. Boylan Foundatio

Identification and characterization of cell-type specific genes in the green alga Volvox carteri

Kianianmomeni A. Identifizierung und Charakterisierung Zelltyp-spezifischer Gene in der Grünalge Volvox carteri - (Ausführliche Zusammenfassung der Dissertation) -. Bielefeld (Germany): Bielefeld University; 2008.Die Grünalge Volvox carteri besteht aus nur zwei Zelltypen, die unterschiedliche Funktionen besitzen. Die klare Arbeitsteilung zwischen den Gonidien, die für die Reproduktion verantwortlich sind, und den für Bewegung spezialisierten Somazellen macht diese Alge zu einem interessanten Modellorganismus für die Untersuchung der Zelldifferenzierung. Die Aufklärung der Unterschiede zwischen diesen beiden Zelltypen bezüglich der Genexpression kann wichtige Auskünfte über die Funktionsweise der Zelldifferenzierung liefern. Durch die Verwendung von Real Time RT-PCR-Analysen wurde die Expression einer Gruppe von 39 Genen aus 170 bioinformatisch analysierten cDNA-Sequenzen in beiden Zelltypen gemessen. Die Ergebnisse zeigen, dass 16 dieser Gene signifikant stärker in Somazellen exprimiert werden, während weitere zehn Gene eine höhere Expression in Gonidien aufweisen. Der Zusammenhang zwischen der zelltypspezifischen Lokalisation von Soma-spezifischen Genen und ihrer Funktion wurde im Rahmen dieser Arbeit analysiert und diskutiert. Unter den in Somazellen exprimierten Genen befand sich ein Retinoblastoma-ähnliches Gen (RBR1). Die Untersuchungen, die im weiblichen Stamm Eve10 durchgeführt wurden, konnten zeigen, dass dieses Gen während der Embryogenese hoch exprimiert wird. RBR1 wird in Volvox posttranskriptionell (durch differenzielles Spleißen) und posttranslationell (Phosphorylierung durch CDK-Cykline) reguliert. Die genauere Analyse von RBR1 hinsichtlich der Expression in den beiden Zelltypen zu verschiedenen Zeitpunkten der Embryogenese konnte zeigen, dass dieses Gen in allen untersuchten Stadien stärker in den Somazellen als in Gonidien exprimiert wird. Das könnte ein Hinweis darauf sein, dass RBR1 nicht nur an der Embryogenese sondern auch an der Seneszenz der Somazellen beteiligt sein könnte. Im Vergleich zum asexuellen Lebenszyklus wird RBR1 im sexuellen Lebenszyklus deutlich stärker exprimiert, was auf dessen Rolle bei der sexuellen Entwicklung in Volvox hinweist. Daraufhin wurde vergeblich mit verschiedenen PCR-Ansätzen (mit normalen und degenerierten Oligos) und Southern-Blot-Analyse nach RBR1 in Männchen gesucht. Deshalb wurden als nächstes die Männchen (Volvox-Stamm 281-1) mit RBR1 von Weibchen transformiert, was zur Zunahme der Zellgröße bei den Somazellen, Gonidien und Spermienpaketen führte. Die Abwesenheit von RBR1 in Männchen einerseits und die Funktionalität des RBR1 von Weibchen in Männchen anderseits deutet darauf hin, dass vermutlich ein funktionell analoges Gen zu RBR1 in Männchen vorhanden ist, das jedoch an die neuen geschlechtlichen Anforderungen angepasst wurde. Die höhere Expression des RBR1 während der Embryogenese in Volvox zusammen mit der Beobachtung der Zellgrößenveränderung bei den Transformanten lässt vermuten, dass RBR1 an der Bestimmung der Zellgröße während der Zellteilung beteiligt ist. Die Messung der Zellgröße ist für die zeitliche Lokalisation der asymmetrischen Zellteilung im sexuellen und asexuellen Lebenszyklus von Volvox und darüber hinaus für die Bestimmung des Schicksals der Zellen nach der asymmetrischen Zellteilung (ob sie sich zu Gonidien oder zu Somazellen entwickeln) sehr bedeutend. Weiterhin wurden im Rahmen dieser Arbeit zwei Channelrhodopsine (CHR1 und CHR2) identifiziert und charakterisiert. Diese beiden Channelrhodopsine von Volvox zeigen Homologie zu den bekannten Bakteriorhodopsinen, die sich durch eine Ionen-Kanal-Aktivität auszeichnen. Die Real Time RT-PCR-Analyse zeigte, dass CHR1 und CHR2 fast ausschließlich in Somazellen exprimiert werden. Die Expression beider Gene ist während der Embryogenese, wenn die Zelldifferenzierung beginnt, sehr hoch und reagiert auf Umgebungsfaktoren wie Temperatur und Licht. Die Daten zeigen, dass CHR1 und CHR2 neben der Beteiligung bei den lichtinduzierten Reaktionen in Volvox, auch bei der Zelldifferenzierung eine zusätzliche Rolle spielen. In den zwei Zelltypen von Volvox wird die Photosynthese auf verschiedene Art und Weise reguliert. Bezüglich der Zelltyp-spezifischen Regulation der Photosynthese in Gonidien und Somazellen, wurde das NAB1-Gen (nucleic acid binding) im Rahmen dieser Arbeit charakterisiert. Die zwei Spleißvarianten dieses Gens zeigen eine Zelltyp-spezifische Expression. Die erste Spleißvariante ist Gonidien-spezifisch und die zweite Spleißvariante ist Soma-spezifisch. Die Aminosäuresequenz von NAB1 zeigt, dass dieses Gen zwei RNA-Bindedomänen (CSD und RRM) besitzt. Weiterhin konnte durch die Identifizierung der 14 LHCBM-Gene in Volvox gezeigt werden, dass sie in ihrer mRNA eine CSD-Konsensussequenz besitzen, die als Bindungsstelle der CSD-Domäne des NAB1 dient. Die Expression der LHCBM-Gene wird vermutlich durch zwei zellspezifische NAB1-Spleißvarianten in beiden Zelltypen unterschiedlich kontrolliert

UVB-based optogenetic tools

Kianianmomeni A. UVB-based optogenetic tools. Trends Biotechnol. 2015;33(2):59-61

More Light behind gene expression

Kianianmomeni A. More Light behind gene expression. Trends in Plant Science. 2014;19(8):488-490

Potential impact of gene regulatory mechanisms on the evolution of multicellularity in the volvocine algae

Kianianmomeni A. Potential impact of gene regulatory mechanisms on the evolution of multicellularity in the volvocine algae. Commun Integr Biol. 2015;8(2): e1017175

UVB-based optogenetic tools

Kianianmomeni A. UVB-based optogenetic tools. Trends Biotechnol. 2015;33(2):59-61