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Interleukin-11 signaling is a global molecular switch between regeneration and scarring in zebrafish
(2022)
The two diametrically opposing outcomes after tissue damage are regeneration and fibrotic scarring. After injury, adult mammals predominantly induce fibrotic scarring, which most often leads to patient lethality. Fibrotic scarring is the deposition of excessive extracellular matrix that matures and hinders tissue function. The scarring response is mainly orchestrated by myofibroblasts, which arise only upon tissue damage, from various cellular origins, including tissue resident fibroblasts, endothelial cells and circulating blood cells. On the contrary, species like zebrafish, possess the remarkable capacity to regenerate their damaged tissues. After injury, instead of inducing a myofibroblast-mediated fibrogenic gene program, cells in these species undergo regenerative reprogramming at the transcriptional level to activate vital cellular processes needed for regeneration, including proliferation, dedifferentiation, and migration. Several pro-regenerative mechanisms have been identified to date. Most of them, if not all, are also important for tissue homeostasis and hence, are not injury specific. Therefore, the central aim of this study is to identify injury-specific mechanisms that not only induce regeneration, but also limit fibrotic scarring.
To test the notion that fibrotic scarring limits regeneration, I first compared the scarring response in the regenerative zebrafish heart after cryoinjury with what is known in the non-regenerative adult mouse heart. I found that zebrafish display ~10-fold less myofibroblast differentiation compared to adult mouse after cardiac injury. With these findings, I hypothesized that zebrafish employ mechanisms to actively suppress scarring response. Using a novel comparative transcriptomic approach coupled with genetic loss-of-function analyses, I identified that Interleukin-6 (Il-6) cytokine family-mediated Stat3 is one such pro-regenerative pathway in zebrafish.
Il-6 cytokine family consists of Il-6, Interleukin-11 (Il-11), Ciliary neurotrophic factor, Leukemia inhibitory factor, Oncostatin M, and Cardiotrophin-like cytokine factor 1. Il-6 family ligands signal through their specific receptors and a common receptor subunit (Il6st or Gp130). Using gene expression analyses after adult heart and adult caudal fin injuries in zebrafish, I identified that both the Il-11 cytokine encoding paralogous genes (il11a and il11b) are the highest expressed and induced among the Il-6 family cytokines. Hence, I chose Il-11 signaling as a candidate pathway for further analysis. To investigate the role of Il-11 signaling, I generated genetic loss-of-function mutants for both the ligand (il11a and il11b) and the receptor (il11ra) encoding genes. Using various tissue regeneration models across developmental stages in these mutants, I identified that Il-11/Stat3 signaling is indispensable for global tissue regeneration in zebrafish.
To investigate the cellular and molecular mechanisms by which Il-11 signaling promotes regeneration, I performed transcriptomics comparing the non-regenerative il11ra mutant hearts and fins with that of the wild types, respectively. I identified that Il-11 signaling orchestrates both global and tissue-specific aspects of regenerative reprogramming at the transcriptional level. In addition, I also found that impaired regenerative reprogramming in the il11ra mutant hearts and fins resulted in defective cardiomyocyte and osteoblast repopulation of the injured area, respectively.
On the other hand, by deep phenotyping the scarring response in il11ra mutant hearts and fins, I identified that Il-11 signaling limits myofibroblast differentiation. Furthermore, I found that cardiac endothelial cells and fibroblasts are one of the major responders to injury-induced Il-11 signaling. Using lineage tracing, I found that both the endothelial and fibroblast lineages in the non-regenerative il11ra mutants commit to a myofibroblast fate, spearheading the scarring response. In addition, using cell type specific manipulations, I showed that Il-11 signaling in cardiac endothelial cells allows cardiomyocyte repopulation of the injured area. Finally, using human endothelial cells in culture, I uncovered a novel feedback mechanism by which Il-11 signaling limits fibrogenic gene expression by inhibiting its parent activator and a master regulator of tissue fibrosis, TGF-β signaling.
Overall, I identified Interleukin-11/Stat3 signaling as the first global regulator of regeneration in zebrafish. Briefly, I showed that Interleukin-11 signaling promotes regeneration by regulating two crucial cellular aspects in response to injury – (1) it promotes regenerative reprogramming, thereby allowing cell repopulation of the injured area and (2) it limits mammalian-like fibrotic scarring by inhibiting myofibroblast differentiation and TGF-β signaling. Altogether, these zebrafish data, together with the contradicting mammalian data strongly indicate that the secrets of tissue regeneration lie downstream of IL-11 signaling, in the differences between regenerative and non-regenerative species. Furthermore, I establish the non-regenerative il11ra mutant as an invaluable zebrafish model to study mammalian tissue fibrosis.
Im Rahmen dieser Dissertation wurden unterschiedliche Aspekte der Verbreitung der Vertreter des Pseudoterranova decipiens Komplexes betrachtet und Fragestellungen zur Ökologie und Humanpathogenität der Parasiten bearbeitet. Sie basiert auf drei (ISI-) Fachartikeln, in denen die Nutzung von Fischparasitengemeinschaften als ökologische Indikatoren für entlegene Ökosysteme des Südpolarmeeres (I), die Modellierung geeigneter Verbreitungsgebiete für Arten mit geringen Vorkommensdaten am Beispiel des P. decipiens Komplexes (II) und das Vorkommen potentiell humanpathogener P. bulbosa in unterschiedlichen Mikrohabitaten in Atlantischem Kabeljau (III) thematisiert wurde.
Die Parasitengemeinschaften der in Studie I untersuchten, nahverwandten Antarktisdorsche (Nototheniinae) Nototheniops larseni (n=40), N. nudifrons (n=40) und Lepidonotothen squamifrons (n=49) unterschieden sich hauptsächlich hinsichtlich seltener Parasitenarten. Pseudoterranova decipiens E zählte zu den häufigsten Parasiten der drei betrachteten Wirtsarten. Die Analyse der Wirtsspektren der auf Artebene bestimmten Parasiten zeigte eine geringe Spezifität antarktischer Fischparasiten im Larven- (z.B. Pseudoterranova decipiens E) und Adultstadium (z.B. Elytrophalloides oatesi). Für eine Nutzung als Bioindikatoren ergibt sich die Empfehlung, nicht auf einzelne Parasitenarten, sondern die Zusammensetzung von Parasitenfaunen zurückzugreifen und Parameter wie Abundanz oder Intensität zu berücksichtigen. Vergleiche mit Literaturdaten legten nahe, dass ein Studiendesign, das den periodischen Vergleich der Parasitierungsmuster von Nototheniinae ermöglichen soll, Standorteffekte berücksichtigen sollte. Da es sich bei der Probennahme demersaler Fische um ein aufwändiges und einschneidendes Verfahren handelt, sollten alternative Samplingmethoden vorangetrieben und eine Datenbasis dafür geschaffen werden.
Um die Belastung von Speisefischen mit potentiell humanpathogenen Parasiten in bestimmten Fanggebieten abzuschätzen, kann anhand von Vorkommens- und Umweltdaten mittels statistischer Modelle die Habitateignung für den Parasiten bestimmt werden. Eine Voraussetzung für eine verlässliche Modellierung bilden die Wahl eines geeigneten Algorithmus und die Qualität der Eingangsdaten. Für die Modellierung geeigneter Verbreitungsgebiete für die sechs Arten des P. decipiens Komplexes wurde im Rahmen von Studie II erstmalig ein biotischer Deskriptor herangezogen. Dem Ansatz lag die Annahme zugrunde, dass das Vorkommen geeigneter Endwirte der entscheidende, limitierende Faktor für die Verbreitung eines Parasiten ist, da nur so der Lebenszyklus geschlossen werden kann. Als Hypothesentest dienten Vergleiche der ökologischen Nischen von Parasiten und ihren spezifischen Endwirten im Nischenraum. Anhand der Endwirtdistanz wurde eine Verbesserung der Modellierungsergebnisse mit MaxEnt, gegenüber der ausschließlich auf abiotischen Prädiktoren basierenden Modellierung, für alle Pseudoterranova Arten, insbesondere jene mit einer geringen Anzahl Fundpunkte, erzielt. Grundsätzlich ist der Ansatz auf marine Parasitenarten, deren spezifische Endwirte verlässliche Vorkommensdaten aufweisen, übertragbar. Die Methode stellt jedoch keinen Ersatz für die Erhebung von Vorkommensdaten dar, weshalb die genetische Bestimmung schwer zu identifizierender Taxa sowie die Angabe von Metadaten in jeder parasitologischen Studie obligatorisch sein sollten.
Die Verteilung potentiell humanpathogener Parasitenstadien in für den menschlichen Verzehr vorgesehenen Fischen kann ein entscheidender Faktor für die Übertragung sein. Im Rahmen von Studie III wurde mit dem Referenztranskriptom von P. bulbosa das erste Transkriptom für eine Art den P. decipiens Komplexes erstellt. Anhand einer differentiellen Genexpressionsanalyse wurde untersucht, was die Verteilung der Parasiten auf unterschiedliche Mikrohabitate beeinflusst haben könnte. Dabei wurden siebzig differentiell exprimierte Gene identifiziert, die in aus Leber (32 Gene) und Viscera (38 Gene) von Atlantischem Kabeljau (Gadus morhua) isolierten Proben von P. bulbosa hochreguliert waren. Eine Erklärung für diesen subtilen Unterschied könnte ein Dauerstadium der P. bulbosa Larven zum Zeitpunkt der Probennahmen sein. Ob sich bestimmte Mikrohabitate innerhalb des Wirtes begünstigend auf den Parasiten auswirken, muss mit Hilfe experimenteller Studien gezeigt werden. Erste in Studie III erhobene Daten zum allergenen Potential von P. bulbosa sollten in serologischen Studien getestet werden. Als Grundlage für die Bewertung des pathogenen Potentials von P. bulbosa, sowie der weiteren Arten des P. decipiens Komplexes, sollten in experimentellen Studien NGS-Daten erhoben werden.
Im Rahmen dieser Dissertation wurde in drei methodisch unterschiedlichen Studien ein Bedarf besserer Referenzdaten aufgezeigt. Bestreben diese Datenlücken zu schließen, um das Potential der Methoden besser ausschöpfen zu können, müssen zukünftig noch weiter verstärkt werden.
Die akute myeloische Leukämie (AML) ist eine aggressive Erkrankung des Knochenmarks, welche die Hämatopoese beeinträchtigt und zu Knochenmarksversagen führt. Trotz des Fortschritts in der AML-Therapie bleibt die Prognose für die meisten Patienten schlecht, sodass neue Therapieansätze für die Behandlung dringend benötigt werden. Autophagie, ein kataboler Abbauprozess von zellulären Komponenten, ist nachweislich an der Entstehung von AML beteiligt. Als zentraler Regulator von Zellüberleben, Homöostase und Stoffwechsel, dient die Autophagie als Nährstoffquelle durch die Wiederverwertung von Makromolekülen während begrenzter Energieversorgung. AML-Zellen benötigen ein konstantes Nährstoff- und Energieniveau, um ihre Vermehrung aufrechtzuerhalten. Dies wird durch eine Umstellung von Stoffwechselwegen, insbesondere des mitochondrialen Stoffwechsels einschließlich der oxidativen Phosphorylierung (OXPHOS) und des Tricarbonsäurezyklus (TCA), erreicht.
Mehrere Studien haben die Hemmung der Autophagie für die Behandlung von Krebs als vielversprechenden Ansatz vorgestellt. Doch eine Monotherapie mit Autophagie-Inhibitoren erzielte nur eine geringfügige Wirksamkeit. Eine mögliche Erklärung hierfür ist die Entstehung von Kompensationsmechanismen, die zum Ausgleich der Autophagie-Hemmung in Krebszellen entstehen. Bis heute sind diese Kompensationsmechanismen kaum untersucht. Ziel dieser Arbeit ist es, ein geeignetes Autophagie-Gen zu identifizieren, mit dem sich die Rolle der Autophagie-Hemmung für das Überleben von AML-Zellen untersuchen lässt. Zusätzlich sollen die kompensatorischen Mechanismen, die durch die Autophagie-Hemmung in AML-Zellen entstehen können, untersucht werden, um neue metabolische Angriffspunkte zu identifizieren, die für Kombinationstherapien genutzt werden können.
Zu Beginn der Arbeit wurde ein gezielter CRISPR/Cas9 Screen in zwei humanen AML-Zelllinien durchgeführt, um Autophagie-Gene zu identifizieren, deren Verlust eine Proliferationsstörung in AML-Zellen verursacht, welche überwunden werden kann. Validierungsexperimente zeigten, dass der Verlust von ATG3 das Zellwachstum signifikant verminderte. Außerdem zeigte die Messung des Autophagie-Fluxes, dass der Verlust von ATG3 die Autophagie stark beeinträchtigte. Dies wurde durch eine Western-Blot-Analyse, die eine beeinträchtigte LC3-Lipidierung zeigte, und durch eine Immunfluoreszenzanalyse der Autophagosomen-Bildung mittels konfokaler Mikroskopie, die eine geringere Anzahl von Autophagosomen in ATG3-defizienten Zellen ergab, bestätigt. Deshalb wurde der Knockdown von ATG3 in AML Zellen verwendet, um die Mechanismen, die zum Ausgleichen der Autophagie-Hemmung entstehen, zu untersuchen. Zuerst wurde die Zellproliferation in fünf verschiedenen AML Zelllinien über sieben Tage betrachtet. In allen Zellenlinien führte der Verlust von ATG3 mittels small hairpin RNA zu verminderter Zellproliferation. Diese Ergebnisse zeigen die wichtige Rolle von ATG3 in der Autophagie und dass Autophagie-Hemmung durch ATG3-Verlust das Wachstum von AML-Zellen beeinträchtigt.
Da der Verlust von ATG3 die Proliferation von AML-Zellen beeinträchtigte, wurde eine Zellzyklusanalyse durchgeführt. Eine reduzierte S-Phase bestätigte die verminderte Proliferation in ATG3-depletierten AML-Zellen, doch der Zellzyklus war grundsätzlich nicht gestoppt. Darüber hinaus ergab die Analyse der Apoptose, dass diese unter dem Verlust von ATG3 erhöht war, aber etwa 50% der Zellen blieben vital. Diese Beobachtungen deuten darauf hin, dass AML-Zellen trotz des Verlusts der ATG3-abhängigen Autophagie weiter proliferieren können.
Um die Mechanismen zur Kompensation der Autophagie-Hemmung zu untersuchen, wurden die Auswirkungen des ATG3-Verlusts auf die mitochondriale Homöostase untersucht. Die Mitophagie sowie das mitochondriale Membranpotenzial und die Masse unterschieden sich zwischen Kontroll- und ATG3-depletierten AML-Zellen nicht, was darauf hindeutet, dass die mitochondriale Homöostase durch den Verlust von ATG3 nicht beeinträchtigt ist. Als nächstes wurde die mitochondriale Funktion durch Messung des ATP-Spiegels und der OXPHOS untersucht. Die ATP-Level und die OXPHOS waren nach dem Verlust von ATG3 in AML-Zellen erhöht, was auf eine gesteigerte mitochondriale Aktivität bei Autophagie-Defizienz hinweist.
Previous studies towards reduced oxygen availability have mostly focused on changes in total mRNA expression, neglecting underlying transcriptional and post-transcriptional events. Therefore, we generated a comprehensive overview of hypoxia-induced changes in total mRNA expression, global de novo transcription, and mRNA stability in monocytic THP-1 cells. Since hypoxic episodes often persist for prolonged periods, we further compared the adaptation to acute and chronic hypoxia. While total mRNA changes correlated well with enhanced transcription during short-term hypoxia, mRNA destabilization gained importance under chronic conditions. Reduced mRNA stability not only added to a compensatory attenuation of immune responses, but also, most notably, to the reduction in nuclear-encoded mRNAs associated with various mitochondrial functions. These changes may prevent the futile production of new mitochondria under conditions where mitochondria cannot exert their full metabolic function and are indeed actively removed by mitophagy. The post-transcriptional mode of regulation might further allow for the rapid recovery of mitochondrial capacities upon reoxygenation. Our results provide a comprehensive resource of functional mRNA expression dynamics and underlying transcriptional and post-transcriptional regulatory principles during the adaptation to hypoxia. Furthermore, we uncover that RNA stability regulation controls mitochondrial functions in the context of hypoxia.
Echolocation behavior, a navigation strategy based on acoustic signals, allows scientists to explore neural processing of behaviorally relevant stimuli. For the purpose of orientation, bats broadcast echolocation calls and extract spatial information from the echoes. Because bats control call emission and thus the availability of spatial information, the behavioral relevance of these signals is undiscussable. While most neurophysiological studies, conducted in the past, used synthesized acoustic stimuli that mimic portions of the echolocation signals, recent progress has been made to understand how naturalistic echolocation signals are encoded in the bat brain. Here, we review how does stimulus history affect neural processing, how spatial information from multiple objects and how echolocation signals embedded in a naturalistic, noisy environment are processed in the bat brain. We end our review by discussing the huge potential that state-of-the-art recording techniques provide to gain a more complete picture on the neuroethology of echolocation behavior.
Hyperparasitic fungi on black mildews (Meliolales, Ascomycota) : hidden diversity in the tropics
(2022)
Hyperparasitism on plant-parasitic fungi is a widespread but rarely studied phenomenon. Here, for the first time, we compile in a checklist information provided by peer-reviewed literature for fungi growing on colonies of black mildews (Meliolales, Ascomycota), a species-rich group of tropical and subtropical plant-parasitic microfungi. The checklist contains information on 189 species of contact-biotrophic microfungi in 82 genera. They belong to seven morphological groups: dematiaceous hyphomycetes, moniliaceous hyphomycetes, pycnidioid, perithecioid, catathecioid, and apothecioid fungi. By the fact that species accumulation curves do not reach saturation for any tropical country, it is evident that the knowledge of the diversity of hyperparasitic fungi on Meliolales is incomplete. A network analysis of records of hyperparasitic fungi, their host fungi and host plants shows that genera of hyperparasitic fungi are generalists concerning genera of Meliolales. However, most species of hyperparasitic fungi are restricted to meliolalean hosts. In addition to hyperparasitic fungi, diverse further microorganisms use meliolalean colonies as ecological niche. Systematic positions of most species are unknown because DNA sequence data are lacking for species of fungi hyperparasitic on Meliolales. We discuss the specific challenges of obtaining DNA sequence data from hyperparasitic fungi. In order to better understand the diversity, evolution and biology of hyperparasitic fungi, it is necessary to increase sampling efforts and to undertake further morphological, molecular, and ecological studies.
Vampire bats are the only mammals that feed exclusively on blood. To uncover genomic changes associated with this dietary adaptation, we generated a haplotype-resolved genome of the common vampire bat and screened 27 bat species for genes that were specifically lost in the vampire bat lineage. We found previously unknown gene losses that relate to reduced insulin secretion (FFAR1 and SLC30A8), limited glycogen stores (PPP1R3E), and a unique gastric physiology (CTSE). Other gene losses likely reflect the biased nutrient composition (ERN2 and CTRL) and distinct pathogen diversity of blood (RNASE7) and predict the complete lack of cone-based vision in these strictly nocturnal bats (PDE6H and PDE6C). Notably, REP15 loss likely helped vampire bats adapt to high dietary iron levels by enhancing iron excretion, and the loss of CYP39A1 could have contributed to their exceptional cognitive abilities. These findings enhance our understanding of vampire bat biology and the genomic underpinnings of adaptations to blood feeding.
Reprogramming biosynthetic assembly-lines is a topic of intense interest. This is unsurprising as the scaffolds of most antibiotics in current clinical use are produced by such pathways. The modular nature of assembly-lines provides a direct relationship between the sequence of enzymatic domains and the chemical structure of the product, but rational reprogramming efforts have been met with limited success. To gain greater insight into the design process, we wanted to examine how Nature creates assembly-lines and searched for biosynthetic pathways that might represent evolutionary transitions. By examining the biosynthesis of the anti-tubercular wollamides, we uncover how whole gene duplication and neofunctionalization can result in pathway bifurcation. We show that, in the case of the wollamide biosynthesis, neofunctionalization is initiated by intragenomic recombination. This pathway bifurcation leads to redundancy, providing the genetic robustness required to enable large structural changes during the evolution of antibiotic structures. Should the new product be non-functional, gene loss can restore the original genotype. However, if the new product confers an advantage, depreciation and eventual loss of the original gene creates a new linear pathway. This provides the blind watchmaker equivalent to the design, build, test cycle of synthetic biology.
Several clinically used drugs are derived from microorganisms that often produce them via non-ribosomal peptide synthetases (NRPS), giant megasynthases that activate and connect individual amino acids in an assembly line fashion. Since NRPS are not restricted to the incorporation of the 20 proteinogenic amino acids, their efficient manipulation would allow the biotechnological generation of several different peptides including linear, cyclic and further modified derivatives. Here we describe a detailed phylogenetic analysis of several bacterial NRPS that led to the identification of a new recombination breakpoint within the thiolation (T) domain important in natural NRPS evolution. From this an evolutionary-inspired eXchange Unit between T domains (XUT) approach was developed, which allows the assembly of NRPS fragments over a broad range of GC contents, protein similarities, and extender unit specificities, as was shown for the specific production of a proteasome inhibitor, designed and assembled from five different NRPS fragments.
Many clinically used drugs are derived from or inspired by bacterial natural products that often are biosynthesised via non-ribosomal peptide synthetases (NRPS), giant megasynthases that activate and join individual amino acids in an assembly line fashion. Since NRPS are not limited to the incorporation of the 20 proteinogenic amino acids, their efficient manipulation would allow the biotechnological generation of complex peptides including linear, cyclic and further modified natural product analogues, e.g. to optimise natural product leads. Here we describe a detailed phylogenetic analysis of several bacterial NRPS that led to the identification of a new recombination breakpoint within the thiolation (T) domain that is important for natural NRPS evolution. From this, an evolution-inspired eXchange Unit between T domains (XUT) approach was developed which allows the assembly of NRPS fragments over a broad range of GC contents, protein similarities, and extender unit specificities, as demonstrated for the specific production of a proteasome inhibitor designed and assembled from five different NRPS fragments.