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Die Parkinson Erkrankung ist die zweithäufigste neurodegenerative Erkrankung in industrialisierten Ländern. Die charakteristischen Symptome sind schwere Beeinträchtigungen des Bewegungsablaufes welche auf den Verlust dopaminerger Neurone der Substantia nigra und der damit einhergehenden Reduktion des striatalen Dopamin Gehaltes zurückzuführen sind. Alpha-Synuklein (SNCA) ist ein Protein welches zum einen mit sporadischen aber auch mit idiopathischen Erkrankungen assoziiert ist. Mutationen welche einen Funktionsgewinn von SNCA zur Folge haben konnten mit autosomal dominanten Varianten der Parkinson Erkrankung assoziiert werden und genetische Veränderungen an beiden Genenden agieren als Risikofaktor für sporadische Formen der Erkrankung. Des Weiteren wird SNCA als Hauptbestandteil der Lewy Körperchen gefunden, einem pathologischen Kennzeichen der parkinsonschen Erkrankung. Die charakteristischen Bewegungsstörungen können mittels L-DOPA, einer metabolischen Vorstufe von Dopamin, behandelt werden. Neben dem enorm positiven Effekt auf die Bewegungsstörungen, geht die Behandlung mit L-DOPA jedoch auch mit ernsten Nebenwirkungen einher, welche als Levodopa induzierte Dyskinesien (LID) beschrieben werden.
Ziel der Arbeit war die Analyse von Effekten eines SNCA Funktionsgewinns sowie des Pink1 Funktionsverlustes auf molekulare Signalwege der synaptischen Plastizität unter Verwendung dreier PD Mausmodelle (A53T-SNCA überexprimierendes Modell (PrPmtA), Pink1KO Modell sowie A53T-SNCA + Pink1KO Doppelmutante (DM)). Es wurden Kandidatengene welche eine Rolle für synaptische Plastizität spielen in 6 Monate alten Mäusen aller drei PD Mauslinien untersucht. Die Analyse von PrPmtA zeigte erhöhte mRNA Spiegel von Glutamatrezeptor-Untereinheiten und von Kandidatengenen welche eine Rolle bei der synaptischen Signalweiterleitung spielen, sowie reduzierte mRNA Spiegel von IEGs und Transkriptionsfaktoren. Die Analyse der DM zeigte nur geringe Expressionsänderungen der Glutamatrezeptor-Untereinheiten und die Analyse von IEGs und Transkriptionsfaktoren zeigte erneut reduziert mRNA Spiege. In Pink1KO Tieren konnten nur minimale Expressionsveränderungen der Kandidatengene gefunden werden, was den Schluss zulässt, dass die zuvor beschriebenen Expressionsveränderungen in PrPmtA und DM Mäusen eindeutig auf den SNCA Funktionsgewinn zurückzuführen sind. Um frühe Effekte des SNCA Funktionsgewinns zu studieren wurde die Analyse auf 3 Monate alte PrPmtA Mäuse ausgeweitet. Diese ergab, Expressionsveränderungen für Homer1, cFos, NOR1, Nurr1 und Nur77.
In einem weiteren Versuchsansatz wurde die Auswirkung des SNCA Funktionsgewinns auf das Verhalten sowie auf molekulare Parameter nach Apomorphin Behandlung analysiert. Die Analyse ergab ein erhöhtes Niveau an unwillkürlichen Bewegungsmustern mit stereotypen und dystonischen Eigenschaften in PrPmtA im Vergleich zu Wildtypen (wt). Die molekulare Analyse von striatalem Gewebe wurde zu zwei Zeitpunkten durchgeführt, 30 min nach Apomorphin Injektion und 100 min nach Injektion. Die Analyse von striatalem Gewebe welches zum Zeitpunkt 30 min nach Injektion entnommen wurde ergab eine erhöhte Apomorphin abhängige Phosphorylierung von ERK1/2, sowie eine erhöhte Apomorphin abhängige Expression von Dusp1, Dusp6 und cFos in transgenen und wt Tieren. Genotyp abhängige Unterschiede ergaben sich für cFos, welches signifikant höher in PrPmtA induziert wurde. 100 min nach Apomorphin Injektion ergab die gleiche Analyse eine erhöhte Apomorphin abhängige Phosphorylierung von ERK1 und eine erhöhte Apomorphin abhängige Expression von Dusp1, Dusp6, cFos und Nur77 in PrPmtA im Vergleich zu wt. Die Daten unterstreichen die fundamentale Rolle von SNCA auf die Neurotransmission und synaptische Plastizität und zeigen auf, dass PrPmtA ein zuverlässiges Modell für die Analyse von präsynaptischer Dysfunktion in Frühstadien der Parkinson Erkrankung darstellt.
Der letzte Versuchsansatz stellt die Charakterisierung des DM-Mausmodells welches sich durch einen starken Phänotyp auszeichnet, sowie die Analyse des Pink1 Effektes auf die SNCA induzierte Neurotoxizität dar. DM-Tiere zeigen deutlich reduzierte Spontanmotorik im Alter von 3 Monaten sowie einer progressiven Lähmung der Hinterläufe, was Anlass zu einer immunhistologischen Charakterisierung mittels Schnitten des Gehirns und Rückenmarks gab. Die histologische Analyse zeigte pSer129-SNCA, p62/SQSTM1 und Ubiquitin positive Aggregate innerhalb der grauen Substanz des Rückenmarks sowie innerhalb einer neuronalen Zellpopulation welche dorsal der Substantia nigra angeordnet ist. Das histologische Erscheinungsbild wurde spezifisch in gelähmten DM-Tieren gefunden und nicht in Einzelmutanten oder DM-Tieren ohne Lähmung. Dieses Modell stellt ein wertvolles Instrument für die Identifizierung von pathologischen Mechanismen und Signalkaskaden welche beiden Parkinson relevanten Genen gemeinsam sind, dar.
Die vorliegende Dissertation mit dem Titel: Ecophysiological monitoring of Oaks in Central Europe, introduced in the framework of proactive climate change mitigation beschäftigt sich mit der Anwendung zerstörungsfreier, radiometrischer Methoden zur Bestimmung von Pigment- und Stickstoffkonzentrationen und der photosynthetischen Funktionalität in Blättern von heimischen und gebietsfremden Eichen und ihre Beeinflussung durch Trocken-, Hitze- und Kältestress.
Die Eichenarten Quercus robur L. (Stieleiche), Q. pubescens Willd. (Flaumeiche), Q. frainetto Ten. (Ungarische Eiche), Q. ilex L. (immergrüne Steineiche) und Q. rubra L. (amerikanische Roteiche) wurden im Frühjahr 2011 auf einer Versuchsfläche im Frankfurter Stadtwald gepflanzt, um ihre Nutzung als potentielle Waldbäume in einem sich ändernden Klima zu untersuchen. Über eine Dauer von zwei Jahren wurden diese Arten mit einem hohen Maß an blattspezifischer Merkmalsvariabilität beobachtet und beprobt. Ziel war es, die interspezifischen Unterschiede und die jahreszeitliche Dynamik von morphologischen und chemischen Blattmerkmalen sowie die Beeinflussung der radiometrischen Bestimmung des Chlorophyllgehaltes (und damit assoziierten Komponenten wie z.B. Blattstickstoffgehalt und Karotinoiden) und der photosynthetischen Funktionalität durch klimatische Umweltbelastungen in Eichen zu untersuchen. Die Analyse der Blattproben zielte neben der Bestimmung der Beziehung zwischen absoluten und optisch ermittelten Pigmentgehalten auf die Ermittlung des Einflusses der Blattstruktur auf die Lichttransmission im roten und infrarotem Bereich des Elektromagnetischen Spektrums ab, sowie auf die artspezifische Korrelation von Blattstickstoff zu Blattchlorophyll zu dessen indirekte Quantifizierung. Des Weiteren wurden Versuche zur Trocken- und Hitzestressanpassung durchgeführt, um eine potentiell artspezifische Stressantwort, sowie eine mögliche Beeinflussung der aufgenommenen radiometrischen Messwerte zu ermitteln. Ein zusätzliches Monitoringprogramm im Winter 2012/2013 mit einer Dauer von sechs Monaten ermöglichte die Überprüfung der Anpassungsfähigkeit der immergrünen Steineiche (Q. ilex) an mitteleuropäische Winterbedingungen und die Veränderung der photosynthetischen Funktionalität unter Kältestress. Messungen im Zusammenhang mit der praktischen Anwendbarkeit der zerstörungsfreien, optischen Methode und zur Bereitstellung von Referenzdaten für zukünftige Evaluierungen komplementieren die Untersuchungen.
Signifikante, artspezifische Unterschiede wurden in den blattmorphologischen Schlüsselmerkmalen in den Quercus-Arten ermittelt. Die artspezifischen Unterschiede in den morphologischen Blattmerkmalen beeinflussten auf signifikante Weise die Beziehung zwischen absoluten, massebasierten Pigment- und Stickstoffgehalten und deren radiometrischen Bestimmung. Wurden die Pigmentgehalte hingegen auf die Blattfläche bezogen und die Stickstoffgehalte mittels des Verhältnisses von Blattfläche zu Trockenmasse korrigiert, zeichnete sich eine Beziehung zwischen absoluten und optisch ermittelten Werten ab, der jegliche jahreszeitliche oder artspezifisch morphologische Variabilität fehlte und die somit für alle Quercus-taxa anwendbar ist. Koeffizienten für die Berechnung von flächenbezogenen Gehalten von Gesamtchlorophyll, Chl a, Chl b und Carotinoiden für die jeweiligen Quercus-taxa, wie auch für ein artübergreifendes Modell wurden ermittelt, um die Bestimmung dieser Gehalte während aller Entwicklungsstufen zu ermöglich. Aus der jahreszeitlichen Entwicklung der Pigmentgehalte konnten drei deutliche Phasen abgeleitet werden: Die Phase der Blattentwicklung im Frühling, einer Plateauphase mit geringen Veränderungen (“core vegetation time”) und die Phase des Pigmentabbaus während der Herbstlaubfärbung. Die Übergänge zwischen diesen Phasen variierten zum Teil erheblich zwischen einzelnen Individuen einer Art sowie zwischen den Arten, was Unterschiede in der potentiellen, jährlichen Kohlenstoffaufnahme nach sich zieht. Stressbedingungen, wie Hitze- Kälte- oder Trockenstress, können zu Veränderung von Fluoreszenzparametern ohne gleichzeitige Änderung des Pigmentgehaltes führen, wie auch die indirekte Bestimmung von mit Chl assoziierten Komponenten (Carotinoide, Chl a, Chl b) mittels optischer Bestimmung (durch die Veränderungen von Pigmentverhältnissen) beeinflussen.
Im Rahmen des Forschungsprojektes konnten, Modelle zur Berechnung von Blattpigmenten und Blattstickstoff aus optischem Messdaten, Veränderungen der photosynthetischen Funktionalität, sowie Referenzdaten für die zukünftig nutzbaren Eichenarten hinsichtlich artspezifischer und jahreszeitlicher Variabilität unter mitteleuropäischen Umweltbedingungen ermittelt werden, die eine Nutzung und Einordnung von zerstörungsfreien, optischen Messwerten zur Ermittlung von Vitalitätsunterschieden in Eichen ermöglichen.
Photosynthesis is one of the most vital processes that takes place on Earth. Due to its global significance related to food, energy and material production, photosynthesis research is one of the leading scientific fields in the contemporary world. Particular interest in photosynthesis research is focused on diatoms and as one of the major players of marine phytoplankton, diatoms have a huge impact on global photosynthesis.
Diatoms originated from a secondary endosymbiosis that took place between a putative photosynthetic red algal ancestor and a heterotrophic eukaryote. Secondary endosymbiosis resulted in the formation of chloroplasts with four membranes. Centric diatoms (e.g. Thalassiosira pseudonana or Cyclotella meneghiniana) usually possess many small chloroplasts, while pennates (e.g. Phaeodactylum tricornutum) have several larger ones, or even only one which can occupy half of the cell volume...
In honeybees, reproductive females usually mate early in their life with more than 10 males in free flight, often within 10 minutes, and then store male gametes for up to five years. Because of the extreme polyandry and mating in free flight special adaptations in males are most likely. We present here the results of an investigation of the protein content of four types of male reproductive glands from the Western honeybee (Apis mellifera) drone, namely seminal vesicles (secretion in ejaculate), as well as bulbus, cornua and mucus glands (secretions for the mating plug). Using high resolution and accuracy mass spectrometry and a combination of database searching and de novo sequencing techniques it was possible to identify 50 different proteins in total, inside all mentioned glands, except in the mucus gland. Most of the proteins are unique for a specific gland type, only one of them (H9KEY1/ATP synthase subunit O) was found in three glands, and 7 proteins were found in two types of glands. The identified proteins represent a wide variety of biological functions and can be assigned to several physiological classes, such as protection, energy generation, maintaining optimal conditions, associated mainly with vesicula seminalis; signaling, cuticle proteins, icarpin and apolipoproteins located mainly in the bulbus and cornua glands; and some other classes. Most of the discovered proteins were not found earlier during investigation of semen, seminal fluid and tissue of reproductive glands of the bee drone. Moreover, we provide here the origin of each protein. Thus, the presented data might shed light on the role of each reproductive gland.
The assignment of functions to genes in the carotenoid biosynthesis pathway is necessary to understand how the pathway is regulated and to obtain the basic information required for metabolic engineering. Few carotenoid ε-hydroxylases have been functionally characterized in plants although this would provide insight into the hydroxylation steps in the pathway. We therefore isolated mRNA from the endosperm of maize (Zea mays L., inbred line B73) and cloned a full-length cDNA encoding CYP97C19, a putative heme-containing carotenoid ε hydroxylase and member of the cytochrome P450 family. The corresponding CYP97C19 genomic locus on chromosome 1 was found to comprise a single-copy gene with nine introns. We expressed CYP97C19 cDNA under the control of the constitutive CaMV 35S promoter in the Arabidopsis thaliana lut1 knockout mutant, which lacks a functional CYP97C1 (LUT1) gene. The analysis of carotenoid levels and composition showed that lutein accumulated to high levels in the rosette leaves of the transgenic lines but not in the untransformed lut1 mutants. These results allowed the unambiguous functional annotation of maize CYP97C19 as an enzyme with strong zeinoxanthin ε-ring hydroxylation activity.
Australia has experienced dramatic declines and extinctions of its native rodent species over the last 200 years, particularly in southern Australia. In the tropical savanna of northern Australia significant declines have occurred only in recent decades. The later onset of these declines suggests that the causes may differ from earlier declines in the south. We examine potential regional effects (northern versus southern Australia) on biological and ecological correlates of range decline in Australian rodents. We demonstrate that rodent declines have been greater in the south than in the tropical north, are strongly influenced by phylogeny, and are consistently greater for species inhabiting relatively open or sparsely vegetated habitat. Unlike in marsupials, where some species have much larger body size than rodents, body mass was not an important predictor of decline in rodents. All Australian rodent species are within the prey-size range of cats (throughout the continent) and red foxes (in the south). Contrary to the hypothesis that mammal declines are related directly to ecosystem productivity (annual rainfall), our results are consistent with the hypothesis that disturbances such as fire and grazing, which occur in non-rainforest habitats and remove cover used by rodents for shelter, nesting and foraging, increase predation risk. We agree with calls to introduce conservation management that limits the size and intensity of fires, increases fire patchiness and reduces grazing impacts at ecological scales appropriate for rodents. Controlling feral predators, even creating predator-free reserves in relatively sparsely-vegetated habitats, is urgently required to ensure the survival of rodent species, particularly in northern Australia where declines are not yet as severe as those in the south.
Genetic signatures of adaptation revealed from transcriptome sequencing of Arctic and red foxes
(2015)
Background: The genus Vulpes (true foxes) comprises numerous species that inhabit a wide range of habitats and climatic conditions, including one species, the Arctic fox (Vulpes lagopus) which is adapted to the arctic region. A close relative to the Arctic fox, the red fox (Vulpes vulpes), occurs in subarctic to subtropical habitats. To study the genetic basis of their adaptations to different environments, transcriptome sequences from two Arctic foxes and one red fox individual were generated and analyzed for signatures of positive selection. In addition, the data allowed for a phylogenetic analysis and divergence time estimate between the two fox species.
Results: The de novo assembly of reads resulted in more than 160,000 contigs/transcripts per individual. Approximately 17,000 homologous genes were identified using human and the non-redundant databases. Positive selection analyses revealed several genes involved in various metabolic and molecular processes such as energy metabolism, cardiac gene regulation, apoptosis and blood coagulation to be under positive selection in foxes. Branch site tests identified four genes to be under positive selection in the Arctic fox transcriptome, two of which are fat metabolism genes. In the red fox transcriptome eight genes are under positive selection, including molecular process genes, notably genes involved in ATP metabolism. Analysis of the three transcriptomes and five Sanger re-sequenced genes in additional individuals identified a lower genetic variability within Arctic foxes compared to red foxes, which is consistent with distribution range differences and demographic responses to past climatic fluctuations. A phylogenomic analysis estimated that the Arctic and red fox lineages diverged about three million years ago.
Conclusions: Transcriptome data are an economic way to generate genomic resources for evolutionary studies. Despite not representing an entire genome, this transcriptome analysis identified numerous genes that are relevant to arctic adaptation in foxes. Similar to polar bears, fat metabolism seems to play a central role in adaptation of Arctic foxes to the cold climate, as has been identified in the polar bear, another arctic specialist.
Species recognition in lichen-forming fungi has been a challenge because of unsettled species concepts, few taxonomically relevant traits, and limitations of traditionally used morphological and chemical characters for identifying closely related species. Here we analyze species diversity in the cosmopolitan genus Protoparmelia s.l. The ~25 described species in this group occur across diverse habitats from the boreal -arctic/alpine to the tropics, but their relationship to each other remains unexplored. In this study, we inferred the phylogeny of 18 species currently assigned to this genus based on 160 specimens and six markers: mtSSU, nuLSU, ITS, RPB1, MCM7, and TSR1. We assessed the circumscription of species-level lineages in Protoparmelia s. str. using two coalescent-based species delimitation methods – BP&P and spedeSTEM. Our results suggest the presence of a tropical and an extra-tropical lineage, and eleven previously unrecognized distinct species-level lineages in Protoparmelia s. str. Several cryptic lineages were discovered as compared to phenotype-based species delimitation. Many of the putative species are supported by geographic evidence.
Little work has been done on large-scale patterns of stream insect richness in China. We explored the influence of climatic and catchment-scale factors on stream insect (Ephemeroptera, Plecoptera, Trichoptera; EPT) richness across mid-latitude China. We assessed the predictive ability of climatic, catchment land cover and physical structure variables on genus richness of EPT, both individually and combined, in 80 mid-latitude Chinese streams, spanning a 3899-m altitudinal gradient. We performed analyses using boosted regression trees and explored the nature of their influence on richness patterns. The relative importance of climate, land cover, and physical factors on stream insect richness varied considerably between the three orders, and while important for Ephemeroptera and Plecoptera, latitude did not improve model fit for any of the groups. EPT richness was linked with areas comprising high forest cover, elevation and slope, large catchments and low temperatures. Ephemeroptera favoured areas with high forest cover, medium-to-large catchment sizes, high temperature seasonality, and low potential evapotranspiration. Plecoptera richness was linked with low temperature seasonality and annual mean, and high slope, elevation and warm-season rainfall. Finally, Trichoptera favoured high elevation areas, with high forest cover, and low mean annual temperature, seasonality and aridity. Our findings highlight the variable role that catchment land cover, physical properties and climatic influences have on stream insect richness. This is one of the first studies of its kind in Chinese streams, thus we set the scene for more in-depth assessments of stream insect richness across broader spatial scales in China, but stress the importance of improving data availability and consistency through time.
Membranes are central for cells as borders to the environment or intracellular organelle definition. They are composed of and harbor different molecules like various lipid species and sterols, and they are generally crowded with proteins. The membrane system is very dynamic and components show lateral, rotational and translational diffusion. The consequence of the latter is that phase separation can occur in membranes in vivo and in vitro. It was documented that molecular dynamics simulations of an idealized plasma membrane model result in formation of membrane areas where either saturated lipids and cholesterol (liquid-ordered character, Lo) or unsaturated lipids (liquid-disordered character, Ld) were enriched. Furthermore, current discussions favor the idea that proteins are sorted into the liquid-disordered phase of model membranes, but experimental support for the behavior of isolated proteins in native membranes is sparse. To gain insight into the protein behavior we built a model of the red blood cell membrane with integrated glycophorin A dimer. The sorting and the dynamics of the dimer were subsequently explored by coarse-grained molecular dynamics simulations. In addition, we inspected the impact of lipid head groups and the presence of cholesterol within the membrane on the dynamics of the dimer within the membrane. We observed that cholesterol is important for the formation of membrane areas with Lo and Ld character. Moreover, it is an important factor for the reproduction of the dynamic behavior of the protein found in its native environment. The protein dimer was exclusively sorted into the domain of Ld character in the model red blood cell plasma membrane. Therefore, we present structural information on the glycophorin A dimer distribution in the plasma membrane in the absence of other factors like e.g. lipid anchors in a coarse grain resolution.