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The thesis deals with the analysis and modeling of point processes emerging from different experiments in neuroscience. In particular, the description and detection of different types of variability changes in point processes is of interest.
A non-stationary rate or variance of life times is a well-known problem in the description of point processes like neuronal spike trains and can affect the results of further analyses requiring stationarity. Moreover, non-stationary parameters might also contain important information themselves. The goal of the first part of the thesis is the (further) development of a technique to detect both rate and variance changes that may occur in multiple time scales separately or simultaneously. A two-step procedure building on the multiple filter test (Messer et al., 2014) is used that first tests the null hypothesis of rate homogeneity allowing for an inhomogeneous variance and that estimates change points in the rate if the null hypothesis is rejected. In the second step, the null hypothesis of variance homogeneity is tested and variance change points are estimated. Rate change points are used as input. The main idea is the comparison of estimated variances in adjacent windows of different sizes sliding over the process. To determine the rejection threshold functionals of the Brownian motion are identified as limit processes under the null of variance homogeneity. The non-parametric procedure is not restricted to the case of at most one change point. It is shown in simulation studies that the corresponding test keeps the asymptotic significance level for a wide range of parameters and that the test power is remarkable. The practical applicability of the procedure is underlined by the analysis of neuronal spike trains.
Point processes resulting from experiments on bistable perception are analyzed in the second part of the thesis. Visual illusions allowing for than more possible perception lead to unpredictable changes of perception. In the thesis data from (Schmack et al., 2015) are used. A rotating sphere with switching perceived rotation direction was presented to the participants of the study. The stimulus was presented continuously and intermittently, i.e., with short periods of „blank display“ between the presentation periods. There are remarkable differences in the response patterns between the two types of presentation. During continuous presentation the distribution of dominance times, i.e., the intervals of constant perception, is a right-skewed and unimodal distribution with a mean of about five seconds. In contrast, during intermittent presentation one observes very long, stable dominance times of more than one minute interchanging with very short, unstable dominance times of less than five seconds, i.e., an increase of variability.
The main goal of the second part is to develop a model for the response patterns to bistable perception that builds a bridge between empirical data analysis and mechanistic modeling. Thus, the model should be able to describe both the response patterns to continuous presentation and to intermittent presentation. Moreover, the model should be fittable to typically short experimental data, and the model should allow for neuronal correlates. Current approaches often use detailed assumptions and large parameter sets, which complicate parameter estimation.
First, a Hidden Markov Model is applied. Second, to allow for neuronal correlates, a Hierarchical Brownian Model (HBM) is introduced, where perception is modeled by the competition of two neuronal populations. The activity difference between these two populations is described by a Brownian motion with drift fluctuating between two borders, where each first hitting time causes a perceptual change. To model the response patterns to intermittent presentation a second layer with competing neuronal populations (coding a stable and an unstable state) is assumed. Again, the data are described very well, and the hypothesis that the relative time in the stable state is identical in a group of patients with schizophrenia and a control group is rejected. To sum up, the HBM intends to link empirical data analysis and mechanistic modeling and provides interesting new hypotheses on potential neuronal mechanisms of cognitive phenomena.
In dieser Arbeit soll identifiziert werden, welcher der zahlreichen Vertreter einer Arzneistoffklasse sich letztlich auf dem Markt durchsetzen kann und ob bestimmte pharmakokinetische, pharmakodynamische, klinische oder praktische Substanzeigenschaften retrospektiv für den Markterfolg einer Substanz verantwortlich gemacht werden können. Zudem stellt sich die Frage, ob und in wie fern Analogpräparate einen Nutzen in der Arzneimitteltherapie mit sich bringen, obwohl ihnen zum Zeitpunkt ihrer Markteinführung nur ein geringer Innovationsgrad zugebilligt wurde. Um derartige Rückschlüsse ziehen zu können wurden exemplarisch folgende fünf Arzneistoffklassen untersucht, die sich durch eine Vielzahl an Vertretern auszeichnen: Arsphenamine, Sulfonamide, Benzodiazepine, Glucocorticoide sowie Betablocker. Der Untersuchungszeitraum bemisst sich folglich vom Anfang des 20. Jahrhunderts, als industriell gefertigte, chemisch definierte hochpotente Wirkstoffe die Therapie zu bestimmen begannen, bis etwa zum letzten Drittel des 20. Jahrhunderts als Preise und Kostenerstattungsfragen zusätzlich zu Substanzeigenschaften für den Markterfolg mitbestimmend wurden.
Biologische Signalwege bilden komplexe Netzwerke aus, um die Zellantwort sensibel regulieren zu können. Systembiologische Ansätze werden eingesetzt, um biologische Systeme anhand von Computer-gestützten Modellen zu untersuchen. Ein mathematisches Modell erlaubt, neben der logischen Erfassung der Regulation des biologischen Systems, die systemweite Simulation des dynamischen Verhaltens und Analyse der Robustheit und Anfälligkeit.
Der TNFR1-vermittelte Signalweg reguliert essenzielle Zellvorgänge wie Entzündungsantworten,
Proliferation und Zelltod. TNFR1 wird von dem Zytokin TNF-α stimuliert und fördert daraufhin die Bildung verschiedener makromolekularer Komplexe, welche unterschiedliche Zellantworten einleiten, von der Aktivierung des Transkriptionsfaktors NF-κB, welcher die Expression von proliferationsfördernden Genen reguliert, bis zu zwei Formen des Zelltods, der Apoptose und der Nekroptose. Die Regulation der verschiedenen Zellantworten wird auch als molekularer Schalter bezeichnet. Die exakten molekularen Vorgänge, welche die Zellantwort modulieren, sind noch nicht vollständig entschlüsselt. Eine Fehlregulation des Signalwegs kann chronische Entzündungen hervorrufen oder die Entstehung von Tumoren fördern.
In dieser Thesis haben wir die neuesten Erkenntnisse der Forschung des TNFR1-Signalwegs anhand von umfangreichen Interaktionsdaten aus der Literatur erstmals in einem Petrinetz-Modell erfasst und analysiert. Das manuell kuratierte Modell umfasst die sequenziellen Prozesse der NF-κB-Aktivierung, Apoptose und Nekroptose und berücksichtigt den Einfluss posttranslationaler Modifikationen.
Weiterhin wurden Analysemethoden für Signalwegs-Modelle entwickelt, welche die spezifischen Anforderungen dieser biologischen Systeme berücksichtigen und eine biologisch motivierte Netzwerkanalyse ermöglichen. Die Manatee-Invarianten identifizieren Signalflüsse im Gleichgewichtszustand in Modellen, die Zyklen aufweisen, und werden als Linearkombination von Transitions-Invarianten gebildet. Diese Signalflüsse erfassen idealerweise einen Prozess von der Rezeptorstimulation zur Zellantwort in einem Modell eines Signalwegs. Die Bestimmung aller möglichen Signalflüsse in Modellen von Signalwegen ist eine notwendige Voraussetzung für weitere biologisch motivierte Analysen, wie die in silico-Knockout Analyse. Wir haben ebenfalls ein neues Konzept zur Untersuchung von in silico-Knockouts vorgestellt. Die Effekte der in silico-Knockouts auf einzelne Komplexe und Prozesse des Signalwegs werden in der in silico-Knockout-Matrix repräsentiert. Wir haben die Software-Anwendung isiKnock entwickelt, welche beide Konzepte kombiniert und eine systematische Knockout-Analyse von Petrinetz-Modellen unterstützt.
Das Petrinetz-Modell des TNFR1-Signalwegs wurde auf seine elementaren Eigenschaften geprüft und die etablierten Analysen wie Platz-Invarianten und Transitions-Invarianten durchgeführt. Hierbei konnten die Transitions-Invarianten nicht in allen Fällen komplette biologische Signalflüsse beschreiben. Wir haben ebenfalls die neu vorgestellten Methoden auf das Petrinetz-Modell angewandt. Anhand der Manatee-Invarianten konnten wir die zusammenhängenden Signalflüsse identifizieren und nach ihrem biologischen Ausgang klassifizieren sowie die Auswirkungen der Rückkopplungen untersuchen. Wir konnten zeigen, dass die survival-Antwort durch die Aktivierung von NF-κB am häufigsten auftritt, danach die Apoptose, gefolgt von der Nekroptose. Die alternativen Signalflüsse in Form der Manatee-Invarianten spiegeln die Robustheit des biologischen Systems wider. Wir führten eine ausgiebige in silico-Knockout-Analyse basierend auf den Manatee-Invarianten durch, um die Proteine des Signalwegs nach ihrem Einfluss einzustufen und zu gruppieren. Die Proteine des Komplex I wiesen hierbei den größten Einfluss auf, angeführt von der Rezeptorstimulation und RIP1. Wir betrachteten und diskutierten die Regulation des molekularen Schalters anhand der Knockout-Analyse von selektierten Proteinen und deren Auswirkung auf wichtige Komplexe im Modell. Wir identifizierten die Ubiquitinierung in Komplex I sowie die NF-κB-abhängige Genexpression als die wichtigen Kontrollpunkte des TNFR1-Signalwegs. In Komplex II ist die Regulation der Aktivierung der Caspase-Aktivität entscheidend.
Die umfangreiche Netzwerkanalyse basierend auf Manatee-Invarianten und systematischer in silico-Knockout-Analyse verifizierte das Petrinetz-Modell und erlaubte die Untersuchung der Robustheit und Anfälligkeit des Systems. Die neu entwickelten Methoden ermöglichen eine fundierte, biologisch relevante Untersuchung von in silico-Modellen von Signalwegen. Der systembiologische Ansatz unterstützt die Aufklärung der Regulation und Funktion des verflochtenen Netzwerks des TNFR1-Signalwegs.
Landwirtschaft ist der Hauptmotor der westafrikanischen Wirtschaft und Kleinbauern liefern fast 70 % des Nahrungsmittelbedarfs. Traditionell wird hauptsächlich Regenfeldbau betrieben, der durch geringen Agrarinput und die Nutzung von einfachen Werkzeugen wie Hacke und Buschmesser gekennzeichnet ist. Die Ernteerträge sind gering und die Bodenfruchtbarkeit sinkt schnell nach einigen Anbaujahren. Infolgedessen werden Wald- und Weidefläche gerodet und die Landdegradation wird beschleunigt. Dies hat direkte Auswirkungen auf die landwirtschaftliche Produktivität und die Ernährungssicherheit der Kleinbauern.
Die vorliegende Arbeit hat sich das Ziel gesetzt, sozio-ökonomische und geo-ökologische Faktoren, die den Landnutzungswandel in zwei Agrarökosystemen der Atakora Gebirgskette steuern, aufzudecken. Schließlich sollen ortsangepasste Maßnahmen vorgeschlagen werden, um die Agrarökosysteme wiederherzustellen und ihre Dienstleistungen für Kleinbauern zu erhalten.
Haushaltsbefragungen und Gruppendiskussionen wurden während Geländeaufenthalten in den Jahren 2014 und 2015 in den Dörfern der beiden Ethnien durchgeführt. Die Landnutzung und ihr Wandel werden über knapp 30 Jahre anhand von Bildern des Satellitensystems LANDSAT aus den Jahren 1987, 2001 und 2015 ausgewertet. Eine überwachte Klassifikation nach dem „Maximum Likelihood“-Klassifkationsalgorithmus und Veränderungs-analysen wurden durchgeführt. Zum Erfassen der Variabilität der Agrarparameter der Böden wurden Bodenprofile nach dem Catena-Prinzip gegraben. Bodenproben wurden aus jedem Horizont genommen. Anschließend wurden einige physische Parameter und die Nährstoffgehalte vom Fachpersonal des bodenkundlichen Labors des Instituts für Physische Geographie (Geowissenschaften) bestimmt.
Innerhalb der knapp letzten dreißig Jahre (1987-2015) ist die natürliche Vegetation bei den beiden Ethnien zugunsten der Landwirtschaft und der bebauten bzw. vegetationsfreien Flächen zurückgegangen. Über die analysierten Zeiträume liegen mehr Flächen bei den Ditamari (47,24%) unter einer negativen Dynamik als bei den Éwé (36,41%). Die Untersuchung der Steuerungsfaktoren des Landnutzungswandels bringt heraus, dass der höhere Anteil an positiv veränderten Flächen bei den Éwé ist nicht durch bessere Landnutzungsstrategien begründet. Vielmehr stellt das Relief der begrenzende Faktor für die Ausdehnung der Ackerflächen und damit die bessere Erhaltung der natürlichen Vegetation bei den Éwé dar.
Die erste Annahme, dass Veränderungen in der Landnutzung die Landdegradation zur Folge haben, wird in den beiden Untersuchungsgebieten bestätigt. Die abnehmende Dichte der Vegetationsdecke begünstigt Prozesse der Flächen-, Rillen- und Rinnenspülung. Zudem werden die ökologischen Bodenfunktionen vermindert. Erscheinungen der Landdegradation bei den Ditamari sind die Ausdehnung von oberflächlich verkrusteten Arealen und die Verbreitung des Unkrautes Striga hermontica. Bei den Éwés tritt eine starke Profilverkürzung der Böden ein und das anstehende Gestein wird an mehreren Stellen freigelegt.
Die zweite Hypothese wird in Hinsicht auf die räumliche und ethnische Differenzierung der Folgen der Landdegradation bestätigt. Allerdings sind nicht, wie vermutet, die Ditamari verletzbarer als die Éwés. Die beiden Ethnien betreiben eine intensive Subsistenzwirtschaft und die Éwé entwickeln weniger Anpassungsstrategien als die Ditamari. Im Hinblick auf die globale Erwärmung könnte die Landdegradation in den beiden Gebieten fortschreiten und die Folgen auf der Landschaft und den Kleinbauern verschärfen. Die Éwé wären, anders als vermutet, verletzbarer als die Ditamari. Eine Fortschreitung der Landdegradation könnte bei den Kleinbauern Éwés langfristig den Zusammenbruch des Agrarökosystemen hervorrufen. Sie könnten langfristig die Grundlage ihrer Existenzsicherung verlieren.
Die Studie zeigt auf, dass traditionell, zurückgezogen lebende Völker wie die Ditamari das Agrarökosystem nachhaltiger bewirtschaften und angesichts der Landdegradation anpassungsfähiger sind als tief umgewandelte Gesellschaften wie die Éwés. Sie bringt heraus, dass Kleinbauern Westafrikas keinesfalls als eine Einheit betrachtet werden sollten. Jede Ethnie ist durch Merkmale gekennzeichnet, die ihre Gestaltung der Landschaft beeinflussen. Diese Vielfältigkeit und Besonderheiten der kleinbäuerlichen Gesellschaften müssen in der Entwicklungszusammenarbeit stärker berücksichtigt werden.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, MALDI-Massenspektrometrie als robuste Analysenmethode für die quantitative Analyse niedermolekularer Verbindungen aus komplexen biologischen Matrizes zu etablieren. Zu Beginn der Arbeit wurden drei typische Fragestellungen im Bereich der Lebensmittelanalytik, der medizinischen Forschung und der klinischen Chemie ausgewählt, um die Methodik anhand dieser Modellsysteme zielgerichtet zu entwickeln und zu bewerten. Für jede dieser Fragestellungen wird routinemäßig ein hoher Probendurchsatz verlangt und damit werden hohe Anforderungen an die Probenvorbereitung gestellt, da diese einfach, schnell, reproduzierbar, Matrix-tolerant und automatisierbar sein muss um die Weiterentwicklung zur Hochdurchsatzanalytik zu erlauben.
Der quantitative Nachweis von Melamin und seinen Derivaten wurde aufgrund des Aufkommens von Milchprodukten, die mit diesen Verbindungen kontaminiert waren, ein wichtiger Bestandteil der Analytik dieser Lebensmittel. Insbesondere an diesem Beispiel zeigte sich der Vorteil des Einsatzes von MALDI-Massenspektrometrie zur Analyse kleiner Moleküle. Aufgrund der höheren Toleranz gegenüber Puffern und Salzen konnte die Probenvorbereitungszeit der für die FDA entwickelten Methode zur Quantifizierung von Melamin in Milchpulver mittels LC-ESI von ca. 140 min auf 90 min reduziert werden, da auf die zeitaufwendige Flüssigchromatographie verzichtet werden konnte. So wurde Melamin mit einem LLOQ von 0,5 ppm quantifiziert, was unterhalb der Vorgaben der WHO (2,5 ppm in Milichpulver und 1 ppm in Babynahrung) lag. Cyanursäure, ein Derivat von Melamin welches für die Bildung schwerlöslicher Komplexe in der Niere mitverantwortlich gemacht wird, konnte ebenfalls mit der entwickelten MALDI-MS Methode quantifiziert werden. Allerdings war die ermittelte Bestimmungsgrenze mit 15 ppm um den Faktor 30 schlechter als bei Melamin. Die Nachweisgrenze bei MALDI-MS ist stark von der MALDI-Matrix abhängig und die Verwendung von Sinapinsäure war eine gute Kompromisslösung, um die Analyten in einem Spot im positiven und negativen Reflektormodus zu analysieren. Allerdings wurde diese Matrix zur Analyse von Analyten im positiven Reflektormodus entwickelt. Bislang wurden nur wenige Matrizes für MALDI-MS im negativen Reflektormodus beschrieben, um z.B. Säuren besser nachweisen zu können. Forschung in diesem Bereich wird neue Möglichkeiten zur Detektion negativ geladener kleiner Moleküle ergeben.
Des Weiteren wurden im Rahmen dieser Arbeit auch Lösungen für klinische Fragestellungen wie etwa den Nachweis von Methylphenidat im Plasma und Gehirn von Ratten oder der Dried Blood Spot Analytik entwickelt. Bei beiden Methoden wurde jeweils nur eine einfache Flüssig-Flüssig-Extraktion zur Probenvorbereitung angewendet und sie ließen sich sehr gut auf Realproben übertragen.
Methylphenidat konnte im Plasma im Konzentrationsbereich von 0,1-40 ng/mL und im Hirnhomogenat im Konzentrationsbereich von 0,4-40 ng/mL quantifiziert werden, was gut im Konzentrationsbereich der Realproben von mit Methylphenidat gefütterten Ratten lag. Dazu standen das Plasma und die Gehirne von fünf Ratten zur Verfügung. Es wurde eine lineare Korrelation zwischen der MPH-Konzentration im Gehirnhomogenat und im Plasma gefunden, was basierend auf den bis dato bekannten Literaturergebnissen ein zu erwartendes Ergebnis war, aber zukünftig mit einer größeren Anzahl von Versuchstieren verifiziert werden sollte. Während der Methodenentwicklung war auch bei diesem Projekt die Auswahl der MALDI-Matrix ausschlaggebend für den Erfolg der Messungen. Im MALDI-Massenspektrum interferierte das Signal des Natriumaddukts von CHCA mit dem Signal von MPH. Für dieses Problem kamen zwei mögliche Lösungen in Betracht. Erstens die Quantifizierung mit ClCCA als MALDI-Matrix, da hier keine Interferenzen auftraten. In ersten Vorversuchen konnte MPH so in einem Konzentrationsbereich von 1-48 ng/mL mit einer exzellenten Linearität von R2=0,9992 quantifiziert werden. Eine zweite mögliche Problemlösung war die Verwendung von Tandem-Massenspektrometrie. Hierzu wurden Fragmentionen-Massenspektren der überlagerten Signale aufgenommen. MPH und der verwendete interne Standard MPH-d9 zeigten dabei spezifische Fragmentionensignale, über die quantifiziert wurde. Da die Sensitivität um den Faktor 100 im Vergleich zu MS-Spektren von CHCA und ClCCA gesteigert werden konnte, wurde die weitere Methodenentwicklung basierend auf der Tandem-Massenspektrometrie mit der MALDI-Matrix CHCA durchgeführt. Überdies sind MS/MS-Versuche unter Verwendung von ClCCA als MALDI-Matrix für kleine Moleküle sehr erfolgsversprechend und sollten in weiteren Forschungsarbeiten durchgeführt werden.
Die Dried Blood Spot Technik als alternative Probenvorbereitung bietet eine Reihe von Vorteilen, wie etwa den einer einfacheren Lagerung und eines einfacheren Transports einer großen Menge von Proben. Darüber hinaus werden nur wenige Mikroliter Blut verwendet, was vorteilhaft ist bei z B. klinischen Studien oder dem Therapeutic Drug Monitoring. Diese Art der Probennahme ist somit eine perfekte Ergänzung für weitere quantitative Analysen von Methylphenidat in Rattenblut. Den Ratten würden nur wenige Mikroliter Blut entnommen werden, was ihr Überleben sichert und der Transport der Proben auf dem Postweg wäre wesentlich einfacher. Um eine allgemein verwendbare DBS-MALDI-MS-Methode zu entwickeln, wurden neben Methylphenidat auch bekannte Analyten aus dem Bereich des Dopings sowie Lamotrigin, Coffein und Theophyllin als Beispiele für das Therapeutic Drug Monitoring verwendet. Es wurden verschiedene Lösungsmittel zur Extraktion eingesetzt, wobei sich eine Kombination aus Methyl-tert-Butylether und Ethanol, sowie Aceton als am besten geeignet erwies. Einige Analyten wie Coffein, Theophyllin und Lamotrigin wurden bis zu einer Konzentration von 0,5 μg/mL quantifiziert. Diese Bestimmungsgrenze ist bei Analyten aus dem Bereich des Dopings wie z.B. Salbutamol, Methylphenidat oder Clenbuterol, deren therapeutisch wirksame Plasmakonzentration im Bereich von wenigen Nanogramm pro Milliliter Blut liegt, um den Faktor 15-500 zu hoch. Diese Analyten waren bis zu einer Konzentration von 5 μg/mL im Blut mittels MALDI-MS problemlos nachweisbar. Um die Sensitivität zu erhöhen, ist es allerdings sinnvoll, die Extraktion zukünftig für die einzelnen Analyten zu optimieren, sie mittels Festphasenextraktion oder LC anzureichern und MS/MS-Spektren aufzunehmen. Für die Analyten Coffein, Theophyllin und Lamotrigin, deren therapeutisch wirksame Plasmakonzentration im ein- bis zweistelligen Mikrogramm-pro-Milliliter Bereich liegt, eignete sich die entwickelte Methode sehr gut. Es wurde eine Methodenvalidierung durchgeführt, wobei die validierten Parameter den Vorgaben der FDA entsprachen.
Da die Auswahl der MALDI-Matrix bei den verschiedenen Methodenentwicklungen jeweils ein kritischer Faktor war, wurden abschließend eine Auswahl von Analyten mit einer Molekülmasse bis ca. 600 Da mit verschiedenen MALDI-Matrizes präpariert. Ein Großteil der Analyten wurde am sensitivsten mit ClCCA nachgewiesen. Im Rahmen dieser Versuche wurde auch erstmals ein Strukturanalogon von ClCCA, und zwar ClCCA-Tetrazol, als alternative MALDI-Matrix eingesetzt, bei welchem die Carboxylgruppe durch einen Tetrazolring ausgetauscht wurde. Diese zeigte eine sehr homogene Kristallisation und für einige Analyten eine bis zu Faktor 3 höhere Signalintensität im Vergleich zu ClCCA. Außerdem war auffällig, dass einige Analyten unter bestimmten Präparationsbedingungen wie z B. der Graphite Supported Preparation sensitiver mittels MALDI-MS nachweisbar waren. Bei anderen Analyten verschlechterten sich die Analysenergebnisse. Graphit verändert stark die Kristallisation der MALDI-Matrix und es wird vermutet, dass sich dies auf den Einbau der Analyten in die Matrixkristalle auswirkt. Es konnte bislang aber noch nicht abschließend geklärt werden, wie genau die Präparation der Proben Einfluss auf den Einbau der Analyten in die Matrix nimmt. Eine Untersuchung dieser Phänomene sollte daher Gegenstand weiterer Forschungsprojekte sein.
Zusammenfassend stellt die MALDI-Massenspektrometrie eine schnelle und robuste Methode zur Quantifizierung einer Vielzahl kleiner Moleküle in komplexen biologischen Matrizes dar.
This research investigated variation in the pronunciations of three RP vowels phonemes /e/, /ɜ:/ and /ə/, among Ewe speakers of English in Ghana. It focused on variation at both individual and societal levels, investigating how social relations within these structures influenced the use of the three vowels among the speakers. In this study, social structures were seen as a system where individual members depended on one another and were linked through multiple ties. The distribution of the vowels was in respect with the social variables: age, gender and education, including dialect and social network. The study used a corpus of word-list recorded in a face-to-face interview from 96 participants selected through stratification and networking across two dialect regions: Aŋlɔ and Eveme. Using both aural and acoustic analyses, coupled with ANOVA and t-test, the study has shown that the three RP vowels exist in Ghana Eve English as independent phonemes. Each of them however has allophonic variants; /e/ has variants [e̠], [ɪ] and [ɜ:]; /ɜ:/ has [eː] and [ɜ:], while /ə/ has [ə], [ɪ], [o] and [ʌ] as its variants. The choice of the variants of /ɜ:/ and /e/ have been found to depend on speaker age, gender, and social network. But the geographical location of the speaker will largely determine how these vowels are spoken. Phonological contexts as well as speaker idiosyncrasy are also likely to condition the choice of some of these variants, however, their effects seem less important as determinant of the differences observed than those of the social factors. It is evident that age, gender and class differentiations that have been widely reported cannot be universal, they can vary from one society to another. Also though social structures as well as social relations in a speech community can play significant roles in the individual’s linguistic repertoire, the attitude of the speaker and the phonological contexts of a segment can have a huge impact on the use of that variable.
Auswirkung der Chemisorption von Organothiolaten auf den elektrischen Widerstand dünner Goldfilme
(2018)
Hochgeordnete Monolagen von Organothiolaten auf Goldoberflächen bilden sich bei Kontakt einer Goldoberfläche mit einer Lösung eines Thiols oder Thioacetats spontan aus. Die Adsorption auf dünnen Metallfilmen mit Schichtdicken im Bereich von 25 - 100 nm führt zu einer Änderung des elektrischen Widerstandes des Films, die an Goldfilmen mit Schichtdicken von 25 - 40 nm über eine einfache Zweipunktmessung verfolgt wurde. Die Proportionalität der Widerstandsänderung mit der Menge an adsorbiertem Material konnte für die in dieser Arbeit verwendeten Dünnschichtsensoren bestätigt werden. Zu diesem Zweck wurden gleichzeitig Widerstands- und Oberflächenplasmonenresonanzmessungen an 40 nm starken Goldfilmen durchgeführt. In diesen Experimenten zeigt sich die Widerstandsmessung zur Beobachtung der Adsorptionskinetik als die überlegene Technologie.
Die durch Mikrokontaktdrucken und Freiätzen der gedruckten Strukturen hergestellten Sensoren zeigen eine individuelle Signalintensität. Die Normierung auf die maximale, durch Belegung mit Hexadecanthiol (HDT) oder Dodecanthiol erreichte, Signalstärke ermöglichte den Vergleich der maximalen Signalstärke von Thiolatmonolagen, die durch Belegung mit n-Alkanthiolen (CH_3(CH_2)_(n-1)-SH mit n = 12, 16, 19, 22 und 33, Cn), 11-Mercaptoundecyl-hexaethylenglycol (HSC11EG6OH), Adamantan-1-thiol (AdaSH), Triptycenthiol (TrpSH), Anthracen-2-thiol (Ant-0SH), Anthracen-2-alkanthiolen (Ant-(CH_2)_n-SH mit n = 1 - 5 und 10, Ant-nSH), p-Terphenyl-4-thiol (TP0SH), p-Terphenyl-4-alkanthiolen (TP-(CH_2)_n-SH mit n = 1 - 4, TPnSH) und p-Terphenyl-4-ethanthioacetat (TP2SAc) erzeugt wurden. Die Größe der Widerstandsänderung zeigt eine deutliche Abhängigkeit vom organischen Rest des Oberflächenadsorbats. Für die Verstärkung des Signals wurde die folgende Reihenfolge gefunden: Trp > Ada > Ant-0 > Ant-1 > TP0 > TP1 > Ant-2 > TP2 > Cn (n = 12 - 33) = C11EG6OH = Ant-n (n = 3 - 11) = TPn (n = 3, 4). Bei bekannter Verstärkung des Signals durch ein Adsorbat kann unabhängig von der Oberflächenrauigkeit die Oberflächenbedeckung durch Chemisorbate in einer Güte bestimmt werden, die der durch STM- und TEM-Messungen erreichten vergleichbar ist. Die Methode wurde angewendet, um Schichten von TP2SH und TP2SAc, die bei 20 und 60 °C aus ethanolischer Lösung abgeschieden wurden, zu vergleichen. Die Unterschiede in der Oberflächendichte, die durch eine Erhöhung der Abscheidungstemperatur zu beobachten sind, können durch eine Beschleunigung der Reaktion nach Arrhenius erklärt werden. Auch die Temperaturabhängigkeit der Abscheidungsgeschwindigkeit von HDT aus ethanolischer Lösung an Goldoberflächen, die in einem Bereich von -10 °C bis +30 °C betrachtet wurde, ist mit dem Arrhenius'schen Ansatz konform. Die Aktivierungsenergie der Adsorption von HDT auf Gold wurde auf E_a = 23 +-6 kJ/mol bestimmt.
Die Konzentrationsabhängigkeit der Abscheidung aus ethanolischer Lösung an Goldoberflächen wurde für HDT, AdaSH, TP2SH und TP2SAc untersucht. Um eine Präadsorption der Thiole vor dem eigentlichen Start der Messung zu verhindern, wurde eine Apparatur mit einem Diaphragma aus Aluminium entwickelt, das beim Start der Messung mit dem Sensor durchstoßen wird. Mit Ausnahme von TP2SH zeigen alle Adsorptive ein Adsorptions-Desorptions-Gleichgewicht. Die Adsorptionsisothermen bei 20 °C lassen sich am besten durch die Freundlich-Isotherme beschreiben. Während die Reaktionsordnung im Adsorbat für die Adsorption der Thiole nahe an 1 liegt, hat sie für die Adsorption von TP2SAc einen Wert von ca. 1/4. Damit ergibt sich für die Geschwindigkeitskonstante der Adsorption k_a(HDT) = (2,3 +-0,2) 10^4 L/(mol s), k_a(AdaSH) = (6,1 +-0,2) 10^4 L/(mol s), k_a(TP2SH) = (7,3 +-0,4) 10^3 L/(mol s) und k_a(TP2SAc) = (8 +-3) 10^-2 L^(1/4)/(mol^(1/4) s). Die Adsorptionskurven der Thiole weisen bei Konzentrationen unterhalb von 5 10^-5 mol/L einen linearen Bereich auf, der einer zwischenzeitlichen Diffusionskontrolle zugeordnet wird.
An die aufgenommenen Adsorptionskurven der Thiole wurden literaturbekannte Modelle numerisch angepasst und teilweise weiterentwickelt. Die Anpassung konnte durch die Einführung einer vor der Oberfläche gelagerten Diffusionsgrenzschicht, in welcher der zeitabhängige Verlauf der Analytkonzentration in einem System von 10 Schichten berechnet wurde, deutlich verbessert werden. Von allen getesteten Modellen zeigt nur die Adsorption mit Ausschlussmuster keine Konzentrationsabhängigkeit der Geschwindigkeitskonstante der Desorption. Dieses Modell bezieht den Verlust von Adsorptionsplätzen mit ein, die einem besetzten Adsorptionsplatz benachbart sind und durch das adsorbierte Teilchen verdeckt werden. Der daraus resultierende Zusammenhang zwischen der Konzentration freier Adsorptionsplätze und dem Bedeckungsgrad der Oberfläche Theta_F(Theta) ist abhängig vom Verhältnis der Stoßfrequenz zwischen den Teilchen und der Oberfläche zur Platzwechselfrequenz der Teilchen auf der Oberfläche. Zur Bestimmung von Theta_F(Theta) für die numerische Anpassung der Adsorptionskurven von HDT und TP2SH wurde die Oberflächenbesetzung in einem Monte-Carlo-Verfahren für eine Konzentrationsreihe in Zehnerpotenzschritten simuliert.
Bindung bildet in der Erforschung langfristiger psychosozialer Entwicklung ein zentrales Konstrukt. In Bezug auf die Phase der mittleren Kindheit liegt dabei jedoch oft eine eingeschränkte Forschungsperspektive vor: dem Konzept der Monotropie folgend, wird trotz des wachsenden sozialen Umfelds allein Eltern eine besondere Aufmerksamkeit in ihrer Rolle als Bindungsfiguren zugeordnet. Zudem fehlen Studien jenseits westlich-europäischer Entwicklungsverläufe. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die explorative Erforschung der transkulturellen Spannbreite und der kontextspezifischen Adaptivität in der Auswahl und Funktionalität von Bindungsfiguren der mittleren Kindheit. Dazu werden Daten in zwei ökokulturell gegensätzlichen Settings erhoben, um kontextspezifische und globale Trends betrachten zu können.
Zunächst erfolgt eine ethnologische Annäherung an die frühste Kindheit im kamerunischen Setting der Nseh entlang des Tragetuchs als zentralem Care-Objekt. Diese offenbart eine symbiotische Beziehungsgestaltung, aber auch strenge Regeln des Aufbaus und der Abgrenzung im geteilten Care-System.
Anschließend wird eine methodische Strategie zur Erforschung der mittleren Kindheit entwickelt, die eine Netzwerkperspektive beinhaltet und der kindlichen Wahrnehmung folgt. Dabei werden teilnehmende Beobachtungen mit Photo Elicitation Interviews verbunden, um das vollständige Kollektiv der Bindungsfiguren zu identifizieren und in ihren soziostrukturellen und funktionellen Eigenschaften zu charakterisieren. Indem das Setting zum inhärenten Teil der Datenerhebung wird, werden dabei adaptive Prozesse zugänglich.
In Umsetzungen dieser kontextualisierend explorativen Strategie bei den kamerunischen Nseh und im deutschen Bad Nauheim werden die Bindungsnetzwerke der mittleren Kindheit erfasst und in ihrer Adaptivität diskutiert. Der Kontrastvergleich offenbart, dass die Kinder der Nseh im Vergleich zu den Kindern aus Bad Nauheim in der Altersstruktur vielfältigere, räumlich enger begrenzte und zeitlich stabilere Netzwerke beschreiben. In beiden Settings identifizieren die Kinder eine Aufteilung der inhaltlich-funktionelle Verantwortlichkeiten, die bei den Nseh gemäß den Altersgruppen verläuft.
Insgesamt zeichnet sich für die mittlere Kindheit ein komplexes Bindungsumfeld ab. Dabei verbinden sich settingspezifische Kindheitsbedingungen mit globalen Entwicklungsthemen. Das mehrdimensionale kindliche Sicherheitsgefühl kann auf die Wirkung eines Kollektivs an Bindungsfiguren zurückgeführt werden, zu dem kontextunabhängig in einem bedeutsamen Ausmaß auch Peers gehören.
Strong convergence rates for numerical approximations of stochastic partial differential equations
(2018)
In this thesis and in the research articles which this thesis consists of, respectively, we focus on strong convergence rates for numerical approximations of stochastic partial differential equations (SPDEs). In Part I of this thesis, i.e., Chapter 2 and Chapter 3, we study higher order numerical schemes for SPDEs with multiplicative trace class noise based on suitable Taylor expansions of the Lipschitz continuous coefficients of the SPDEs under consideration. More precisely, Chapter 2 proves strong convergence rates for a linear implicit Euler-Milstein scheme for SPDEs and is based on an unpublished manuscript written by the author of this thesis. This chapter extends an earlier result1 by slightly lowering the assumptions posed on the diffusion coefficient and a different approximation of the semigroup. In Chapter 3 we introduce an exponential Wagner-Platen type numerical scheme for SPDEs and prove that this numerical approximation method converges in the strong sense with oder up to 3/2−. Moreover, we illustrate how the (mixed) iterated stochastic-deterministic integrals, that are part of our numerical scheme, can be simulated exactly under suitable assumptions.
The second part of this thesis, i.e. Chapter 4 and Chapter 5, is devoted to strong convergence rates for numerical approximations of SPDEs with superlinearly growing nonlinearities driven by additive space-time white noise. More specifically, in Chapter 4, we prove strong convergence with rate in the time variable for a class of nonlinearity-truncated numerical approximation schemes for SPDEs and provide examples that fit into our abstract setting like stochastic Allen-Cahn equations. Finally, in Chapter 5, we extend this result with spatial approximations and establish strong convergence rates for a class of full-discrete nonlinearity truncated numerical approximation schemes for SPDEs. Moreover, we apply our strong convergence result to stochastic Allen-Cahn equations and provide lower and upper bounds which show that our strong convergence result can, in general, not essentially be improved.
Die forensische Entomologie nutzt nekrophage Insekten, hauptsächlich Dipteren und ihre juvenilen Stadien, zur Schätzung der minimalen Leichenliegezeit. Dem liegt zugrunde, dass nekrophage Dipteren binnen Minuten nach dem Todeseintritt potentiell in der Lage sind, einen Leichnam zu detektieren und zu besiedeln. Das anschließende Wachstum und die Entwicklung der juvenilen Stadien erfolgt als Funktion von der Art und der Umgebungstemperatur.
Mit Hilfe von Laborstudien konnten bislang für einige forensisch relevante Fliegenarten Entwicklungsdaten erhoben werden, die eine Altersbestimmung der sich an einem Leichnam entwickelnden Larven und Puppen erlauben und so eine Schätzung der minimalen Leichenliegezeit ermöglichen. Als Nährsubstrat für Laborstudien werden tierische Gewebe verwendet. Eine Übertragbarkeit der Daten auf humanes Gewebe wurde aber bislang nicht verifiziert. In der vorliegenden Arbeit wurde das larvale Wachstum und die juvenile Entwicklungsgeschwindigkeit der forensisch relevanten Schmeißfliege Calliphora vicina (Diptera: Calliphoridae) auf humanem Muskelgewebe untersucht und mit dem Wachstum auf Schweineleber, magerem Schweinemuskelfleisch und Schweinehackfleisch verglichen. Die auf humanem Gewebe heranwachsenden Individuen waren mit bis zu 3,5 mm signifikant länger als die Individuen, die sich auf Leber und dem mageren Schweinemuskelfleisch entwickelten. Bei der Verwendung von Hackfleisch vom Schwein zeigte sich kein Unterschied. Darauf basierend wird die Empfehlung ausgesprochen, für zukünftige Entwicklungsstudien Schweinehackfleisch als Ersatz für humanes Gewebe zu verwenden.
Zahlreiche Anleitungen zur Asservierung forensisch-entomologischer Spuren empfehlen das Sammeln getrennt nach Körperregionen eines Leichnams. Dies soll eine mögliche gewebespezifische Entwicklungsrate berücksichtigen. Das für die vorliegende Arbeit durchgeführte systematische Absammeln von Fliegenlarven von 51 Leichnamen getrennt nach Körperregionen zeigte keine artspezifischen Präferenzen für bestimmte Gewebe oder Körperregionen. Das Artenspektrum entsprach größtenteils dem aufgrund von Studien an Schweinekadavern zu erwartendem Artenspektrum für Deutschland und Mitteleuropa. Insgesamt konnten 15 Schmeißfliegenarten nachgewiesen werden, von denen in der Regel mehrere gleichzeitig an einem Leichnam zu finden waren. Dies zeigt, dass ein Faktor wie interspezifische Konkurrenz in Zukunft mehr Beachtung in der Forschung erhalten sollte.
Bislang wurde in der forensischen Entomologie die minimale Leichenliegezeit durch die Untersuchung juveniler Stadien von Fliegen eingegrenzt. Eine eventuell mögliche Ausweitung dieses Zeitfensters könnte durch eine Altersbestimmung der adulten Fliegen oder der leeren Puparien gelingen. Der Nachweis, dass die dafür untersuchten Fliegen bzw. Puparien tatsächlich von dem fraglichen Leichnam stammen, war bislang nicht möglich. Die forensische relevante Schmeißfliege Lucilia sericata wurde in der vorliegenden Arbeit auf humanem Gewebe und Gewebe von elf weiteren Tierarten großgezogen. Durch die Analyse stabiler Kohlen- und Stickstoffisotope konnte ein von diesen elf Tierarten abgrenzbares humanes Isotopenprofil sowohl für die adulten Fliegen von L. sericata, als auch für ihre leeren Puparien detektiert werden. Dieses Profil spiegelte die Nahrungszusammensetzung der Wirte wider.
Die vorliegende Arbeit erhebt Daten zur Entwicklung einer forensisch relevanten Schmeißfliegenart auf humanem Gewebe, belegt das bislang lediglich am tierischen Modell erhobene Schmeißfliegeninventar als für menschliche Leichen relevant und hinterfragt die gewebespezifische Asservierungsempfehlung als ein akademisches Artefakt. Auf dieser Basis konnten Empfehlungen für die Weiterzucht fallrelevanter entomologischer Spuren ausgesprochen werden, die gerichtsverwertbar sind und die Verwendung von tierischem Gewebe oder Tierkadaver in der forensisch-entomologischen Forschung legitimieren. Die Analyse stabiler Isotope legt darüber hinaus einen neuen, innovativen Grundstein für die routinemäßige Spurenzuordnung älterer Entwicklungsstadien und ist damit Vorreiter auf dem Gebiet der forensischen Entomologie.
Seit einigen Jahren ist bekannt, dass Sphingolipide nicht nur eine strukturgebende Funktion in der Plasmamembran aufweisen, sondern ebenfalls als Botenstoffe intra- und extrazellulär aktiv sind. Sphingosin-1-Phosphat (S1P) bildet dabei einen Schlüssel-Metaboliten, da es verschiedene Zellfunktionen wie Wachstum und Zelltod beeinflusst. Es wird durch zwei Isoformen der Sphingosinkinasen, SK1 und SK2, gebildet. Die SK1 wurde bereits gut untersucht und es konnte gezeigt werden, dass sie eine wichtige Rolle beim Zellwachstum einnimmt und einen entscheidender Regulator bei inflammatorischen Erkrankungen und Krebs darstellt. Über die SK2 ist soweit wenig bekannt und die Ergebnisse sind zum Teil kontrovers. Sowohl pro-proliferative als auch anti-proliferative Funktionen der SK2 wurden beschrieben. Andererseits handelt meine Arbeit von Nierenfibrose, da beschrieben wurde, dass Sphingolipide einen wichtigen Einfluss auf die Entwicklung chronischer Nierenerkrankungen nehmen. Nierenfibrose stellt das Endstadium chronischer Nierenerkrankungen dar und führt zu einer Akkumulation der Extrazellulärmatrix, Organvernarbung und zum Verlust der Nierenfunktion. Die SK1 spielt dabei eine protektive Rolle bei der Entstehung von Nierenfibrose. Deshalb sollte in dieser Arbeit die Rolle der Sk2 bei der Entstehung von Nierenfibrose untersucht werden.
Im ersten Teil meiner Arbeit wurde das Mausmodell der unilateralen Ureterobstruktion (UUO) verwendet, welches zur Entwicklung einer tubulointerstitiellen Nephritits und nachfolgender Fibrose führt. Es konnte dabei gezeigt werden, dass sowohl die Protein-Expression als auch die Aktivität der SK2 im fibrotischen Nierengewebe gesteigert wurden. Allgemein wiesen die SK2-/--Mäuse eine verminderte Fibrose in Folge des UUO auf im Vergleich zu den Wildtyp-Mäusen. Dies wurde bestätigt durch eine reduzierte Kollagenakkumulation, sowie eine verminderte Protein-Expression von Fibronektin-1, Kollagen-1, α-smooth muscle actin, connective tissue growth factor (CTGF) und Plasminogen-Aktivator-Inhibitor1 (PAI-1). Diese Effekte gingen einher mit einer gesteigerten Protein-Expression des inhibitorischen Smad7 und erhöhten Sphingosin-Spiegeln in SK2-/--UUO-Nieren. Auf mechanistischer Ebene vermindern die erhöhten Sphingosin-Spiegel die durch transforming growth factor-β (TGFβ) induzierte Kollagenakkumulation, die PAI-1- und CTGF-Expression, aber induzieren die Smad7-Expression in primären Nierenfibroblasten. In einem komplementären Versuch mit hSK2 tg-Mäusen wurde eine verstärkte Entstehung von Nierenfibrose mit erhöhter Kollagenakkumulation, sowie erhöhte Protein-Expressionen von Fibronektin-1, Kollagen-1, α-smooth muscle actin, CTGF und PAI-1 festgestellt. Die Smad7-Expression dagegen war vermindert.
Im zweiten Teil meiner Arbeit stand der glomeruläre Teil der Niere im Fokus und es wurde untersucht, ob die Überexpression der SK2 zu einer phänotypischen Veränderung der glomerulären Mesangiumzellen führt. Mesangiumzellen wurden dazu aus den hSK2 tg-Mäuse isoliert und charakterisiert. Es konnte gezeigt werden, dass hSK2 und mSK2 in den transgenen Zellen hauptsächlich in der zytosolischen Fraktion lokalisiert sind, während S1P ausschließlich im Kern akkumulierte. Weiterhin konnte eine verminderte Proliferation unter normalen Wachstumsbedingungen der hSK2 tg-Zellen im Vergleich zu den Kontrollzellen beobachtet werden. Die Zellen reagierten auch sensitiver auf Stress-induzierte Apoptose. Auf molekularer Ebene konnte dies durch eine reduzierte ERK- und Akt/PKB-Aktivierung erklärt werden. Nach Staurosporin-Behandlung wurde Apoptose durch den intrinsischen, mitochondrialen Apoptosesignalweg induziert. Dabei konnte eine reduzierte anti-apoptotische Bcl-xL-Expression und vermehrte Prozessierung von Caspase-9 und Caspase-3 und PARP beobachtet werden.
Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass eine verminderte tubulointerstitielle Fibrose-Entstehung durch die Deletion der SK2, sowie anti-proliferative und Apoptose-induzierende Effekte durch die SK2 in Mesangiumzellen nachgewiesen werden konnten. Somit könnten SK2-Inhibitoren die Entstehung tubulointerstitieller Fibrose und mit Proliferation assoziierte Erkrankungen wie mesangioproliferative Glomerulonephritis positiv beeinflussen.
Der Goldstandard zur Detektion eines erhöhten intrakraniellen Drucks ist das invasive Monitoring, z. B. mittels externer Ventrikeldrainage bei Intensivpatienten bzw. die Lumbalpunktion mit Messung des Liquoreröffnungsdrucks. Die am häufigsten angewendete klinische Untersuchung zum Ausschluss eines erhöhten ICP ist die Funduskopie. In den letzten 30 Jahren wurden zwei ultraschallbasierte Untersuchungsmethoden beschrieben um einen erhöhten ICP zu detektieren und die Funduskopie zu diesem Zweck zu ersetzen. Das Ziel unserer Studie war es, die Messung des Durchmessers der Sehnervenscheide (optic nerve sheat diameter, ONSD), der Undulation des Septum pellucidum (septum pellucidum undulation, SPU) hervorgerufen durch passive Rotation des Kopfes, und die Funduskopie mit einer invasiven Hirndruckmessung zu vergleichen. Der ONSD wurde mittels transbulbärer B-Mode Sonographie gemessen, für die Ermittlung der SPU wurde eine transtemporale M-Mode Sonographie durchgeführt. Zunächst schlossen wir gesunde Probanden ein, um die intrarater- und interrater- Reproduzierbarkeit der Ultraschalluntersuchungen zu berechnen. Die intrarater Reproduzierbarkeit des ONSD betrug 0,65 bis 0,84 und die interrater Reproduzierbarkeit war zwischen 0,69 und 0,91 (n=10). Die intrarater Reproduzierbarkeit der SPU war 0,29 und die interrater Reproduzierbarkeit ergab 0,26 (n=15). Anschließend untersuchten wir 45 Patienten, die für eine invasive Hirndruckmessung vorgesehen waren. Auch hier ermittelten wir die SPU und den ONSD, zusätzlich erfolgte die Funduskopie zum Ausschluss oder Bestätigung einer Stauungspapille. Die Sensitivität und Spezifität der drei Untersuchungen zur Ermittlung einer Erhöhung des intrakraniellen Drucks auf über 20 cm H2O wurden berechnet. Die Sensitivität der Funduskopie betrug 87,5% bei einer Spezifität von 25%. Im Vergleich hierzu betrug die Sensitivität der beiden Sonographieverfahren in Kombination 80% bei einer Spezifität von 100%. Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass es zusätzlich zur Funduskopie sensitive und spezifische klinische Untersuchungsmethoden gibt zur Detektion eines erhöhten intrakraniellen Drucks im Alltag. Die Messung des ONSD und der SPU können nützliche Alternativen zur Funduskopie darstellen, optimalerweise in Kombination.
Angesichts heutiger Umweltprobleme ist die Stärkung positiver Mensch-Natur-Beziehungen wichtiger denn je. Zeitgenössische Umweltbildung zielt darauf ab, Motivation und Einstellungen zu fördern sowie eine grundlegende Wissensbasis zu schaffen (IUCN, UNEP, & WWF, 1991; Potter, 2010), um einen selbstbestimmten, verantwortungsvollen Umgang mit der Natur zu ermöglichen. Positiver Naturbezug und Umwelteinstellungen gelten als Basis für aktiven Umweltschutz. Direkte Naturerfahrungen gelten dabei als didaktische Möglichkeit, die Motivation für Umweltschutz zu festigen (Kaiser, Roczen, & Bogner, 2008). Einstellungen verändern sich im Laufe des Lebens und so kann das Alter eine wichtige Rolle bezüglich der Effektivität von Umweltbildungsprogrammen spielen (Ernst & Theimer, 2011). Auch Umweltwissen gilt als Grundlage von Umwelthandeln. Denn sinnliche Erfahrungen allein führen nicht zum Verständnis ökologischer Zusammenhänge (Frick, Kaiser, & Wilson, 2004; Liefländer, Bogner, Kibbe, & Kaiser, 2015). Die biologiedidaktische Forschung sieht Fakten-, Handlungs- und Effektivitäts-wissen als zentral für die Genese von Umwelthandeln (Frick, Kaiser, & Wilson, 2004). Isoliertes Fachwissen wiederum führt nach aktueller Erkenntnis auch nicht zur Entwicklung von Haltungen und Wertvorstellungen, welche unser Handeln beeinflussen (Barr, 2003; Finger, 2010; Leiserowitz, Kates, & Parris, 2005).
Bis heute sind altersbasierte Unterschiede bei Schülerinnen und Schülern bezüglich ihrer Naturverbundenheit und Umwelteinstellungen nicht hinreichend untersucht. Auch ist die nötige Dauer der Naturerfahrungen noch nicht nachgewiesen. Es gibt bislang keine Studie, die Umwelteinstellungen, -wissen und –handeln von Kindern verschiedener Regionen der Erde untersucht und Daten auf internationaler Ebene erhoben und ausgewertet hat. Die gezielte Integration der drei Umweltwissensarten in ein solch globales Umweltbildungsprojekt stellt eine zusätzliche bislang nicht angegangene Aufgabe dar. Die vorliegende Arbeit schließt diese Forschungslücken, indem sie auf internationaler Ebene jene Variablen mit einbezieht, die einen nahezu vollständigen Eindruck der Effektivität von Umweltbildung in verschiedenen Regionen, Sozialisationen und Altersklassen zulässt. So wird der Einfluss eines umfassenden Umweltbildungsprogramms auf Naturverbundenheit, Umwelteinstellungen und -wissen der verschiedenen Typen untersucht und ein Bezug zur eventuellen Veränderung des Umwelthandelns hergestellt. Dabei stehen sowohl traditionelle als noch unerforschte mögliche Einflussfaktoren im Fokus. Die Studie umfasst insgesamt 1454 Schülerinnen und Schüler aus Bangladesch, Malaysia, Deutschland und Singapur, die alle an dem Umweltbildungsprojekt „Global denken, lokal handeln – wir schützen unsere Umwelt!“ bzw. “Think global, act local – we protect our environment!“ teilgenommen haben.
Zur Messung der Naturverbundenheit diente Schulz’ INS-Skala (Inclusion of Nature in Self) (2002). Umwelteinstellungen wurden mit dem 2-MEV-Modell (Two Major Environmental Values) gemessen (Johnson & Manoli, 2011). Eine Skala zur Erhebung von Umweltwissen wurde eigens erstellt und hinsichtlich der drei Wissenstypen nochmals modelliert. Eine Skala zur Ermittlung von Umwelthandeln wurde auf Grundlage von Bögeholz (1999) erstellt. Alle Skalen waren Teil eines Fragebogens, welcher in Form eines Pre-, Post- und Follow-up-Test eingesetzt wurde. Kinder aus Parallelklassen, die nicht am Projekt teilnahmen, aber Klassenunterricht zu den jeweiligen Themen erhielten, dienten als Kontrollgruppen.
Die Ergebnisse bestätigen einen positiven Effekt außerschulischer Umweltbildung bezüglich der Entwicklung der untersuchten Variablen. So wurde nach der Teilnahme am eintägigen und auch nach dem fünftägigen Umweltbildungsprogramm eine signifikante Verstärkung des Naturbezugs gemessen, wohingegen die Kontrollgruppen keine messbare Veränderung zeigten. Jedoch nur die fünftägige Intervention führte auch zu nachhaltigen Veränderungen. Hierbei am stärksten beeinflusst wurden Kinder zwischen sieben und neun Jahren.
Bei der Untersuchung demographischer Einflussfaktoren auf Umwelteinstellung, -wissen und –handeln stellten sich das Wohnsitzland sowie die städtische bzw. ländliche Prägung der Wohngegend als entscheidend heraus. So waren dies die einflussreichsten Determinanten zur Vorhersage des Grundvorhandenseins sowie Veränderungen der untersuchten Variablen in Folge der Bildungsmaßnahme. Einzig bei der Entwicklung des Umwelthandelns schien die direkte Naturerfahrung unwesentlich, zeigten die Kontrollgruppen ähnlichen Wandel in ihrem aktiven Einsatz für die Umwelt. Im internationalen Vergleich scheint die komplexe Verkettung diverser einflussnehmender Faktoren, wie der Wohlstand des jeweiligen Staates, das generelle politische System sowie spezifische bildungspolitische Begebenheiten, den Erfolg von Umweltbildungsprogrammen mit zu bestimmen.
Die Daten zeigen, dass Faktenwissen Grundlage für Handlungs- und Effektivitätswissen ist. Alle Dimensionen wurden durch die Intervention signifikant gesteigert. Effektivitätswissen wuchs am stärksten. Auch das Umweltverhalten wurde positiv verstärkt. Jedoch ließen sich nur schwache Korrelationen zwischen den einzelnen Wissenstypen und Handeln feststellen. Zusammenfassend war das durchgeführte Bildungsprojekt erfolgreich in der Förderung von Naturverbundenheit sowie Umwelteinstellungen, -wissen und- handeln. Die Ergebnisse werden im Rahmen dieser Arbeit im Hinblick auf ihre Bedeutung für die schulische Umweltbildung sowie die didaktische Forschung erörtert.
Hämophilie A ist eine X-chromosomal rezessiv vererbte Krankheit, die aufgrund von Mutationen innerhalb des Gens von Gerinnungsfaktor VIII (FVIII) zum funktionellen Defekt oder zum Fehlen des körpereigenen FVIII führt. FVIII zirkuliert als Heterodimer und besteht aus einer schweren Kette mit der Domänenstruktur A1-A2-B und einer leichten Kette mit der Domänenstruktur A3-C1-C2. Bei Patienten unter Prophylaxe wird durch regelmäßige Substitution mit rekombinanten oder aus Plasma gewonnenen FVIII-Präparaten die Hämostase wiederhergestellt. Allerdings entwickeln hierbei etwa 30% der Patienten mit einer schweren Hämophilie eine FVIII-spezifische Immunantwort in Form von neutralisierenden Antikörpern (Inhibitoren). Die sogenannte Immuntoleranz-Therapie (engl. immune tolerance induction therapy, ITI) ist bisher die einzige etablierte Therapie, die zu einer dauerhaften Eradikation der FVIII-Inhibitoren und Induktion von Toleranz gegenüber FVIII führen kann. Die Therapie beruht auf einer meist täglichen Gabe hoher FVIII-Dosen, welche sich, je nach Behandlungsdauer, über Wochen bis hin zu Jahren erstrecken kann. Bei etwa 30% der Patienten ist diese Therapie nicht erfolgreich. Für solche Patienten besteht die Gefahr lebensbedrohlicher, unkontrollierbarer Blutungen und erheblicher Gelenkschäden.
Die spezifische Ansteuerung des Membran-gebundenen Immunglobulin G (mIg) des B-Zellrezeptors (BZR) mithilfe von Immuntoxinen ist eine mögliche Option zur selektiven Eliminierung FVIII-spezifischer B-Zellen und somit zur Eradikation von FVIII-Inhibitoren. Solche Immuntoxine bestehen aus einer zellbindenden und einer zytotoxischen Domäne, welche nach Internalisierung zur Apoptose der Zielzelle führen soll. Da FVIII aufgrund der Größe als zellbindende Domäne ungeeignet ist, beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Entwicklung und Evaluierung alternativer Immuntoxine zur selektiven Eliminierung FVIII-spezifischer B-Zellen. Die FVIII-spezifische Immunantwort ist zwar polyklonal, jedoch vor allem gegen A2- und die C2-Domäne gerichtet. Aus diesem Grund wurden die humane A2- und C2-Domäne (hA2, hC2) als zellbindende Domäne verwendet und jeweils genetisch an eine verkürzte Version des Exotoxin A (ETA) aus Pseudomonas aeruginosa fusioniert, bei welcher die natürliche zellbindende Domäne entfernt wurde. Die rekombinanten Proteine wurden bakteriell produziert und im Anschluss an die Aufreinigung biochemisch charakterisiert. Während das bakterielle Expressionssystem für hA2-ETA nicht geeignet war, konnte hC2-ETA neben weiteren Kontrollproteinen mit korrekter Konformation der hC2-Domäne hergestellt und aufgereinigt werden.
Die Fähigkeit zur selektiven Eliminierung hC2-spezifischer B-Zellen wurde im weiteren Verlauf sowohl in vitro mithilfe einer hC2-spezifischen Hybridomazelllinie als auch ex vivo und in vivo mithilfe von Splenozyten aus FVIII-immunisierten FVIII-knockout Mäusen untersucht.
Durch Inkubation der hC2-spezifischen Hybridomazelllinie mit hC2-ETA konnten ca. 38 % der Zellen eliminiert werden. Weitere Untersuchungen der Zelllinie ergaben, dass diese keinen vollständigen funktionalen B-Zellrezeptor auf der Oberfläche exprimierte, welcher für die Bindung und die korrekte Internalisierung des Immuntoxins notwendig ist. Aufgrund dessen eignet sich diese Zelllinie nicht als Modell für eine genauere Analyse der in vitro Eliminierungseffizienz von hC2-ETA.
Weitere Analysen mithilfe von Splenozyten aus FVIII-immunisierten FVIII-knockout Mäusen haben jedoch gezeigt, dass durch ex vivo Inkubation der Splenozyten mit hC2-ETA, alle hC2-spezifischen B-Zellen vollständig, selektiv und konzentrations-abhängig eliminiert werden konnten. Auch die mehrfache Applikation von hC2-ETA in FVIII-immunisierten FVIII-knockout Mäusen führte bei der Hälfte der Tiere zur vollständigen Eliminierung aller hC2-spezifischen B-Zellen. Eine Reduktion des hC2-spezifischen Antikörpersignals konnte nach Gabe von hC2-ETA in allen behandelten Tieren beobachtet werden. Die unvollständige Eliminierung in der Hälfte der Tiere ist vermutlich auf die Präsenz hC2-spezifischer Antikörper zurückzuführen, die einen Teil des applizierten Immuntoxins neutralisiert haben, sodass nicht alle hC2-spezifischen Gedächtnis-B-Zellen erreicht und eliminiert werden konnten. Um die Eliminierungseffizienz von hC2-ETA weiter zu erhöhen, müsste das Behandlungsprotokoll geändert werden. Sowohl eine Verlängerung des Behandlungszeitraums als auch eine kombinierte Therapie aus FVIII und hC2-ETA sollte zu einer erhöhten Bioverfügbarkeit des Toxins und dadurch zu einer gesteigerten Eliminierungseffizienz führen.
Die Ausweitung des hier vorgestellten Ansatzes auf weitere FVIII-Domänen ist generell möglich, jedoch muss hierzu ein alternatives Expressionssystem aufgrund des eukaryotischen Ursprungs von FVIII in Betracht gezogen werden. Die hier vorgestellten Ergebnisse zeigen dennoch, dass FVIII-Domänen-Immuntoxine ein wirkungsvolles Mittel sind, um FVIII-spezifische B-Zellen selektiv zu eliminieren. Die Anpassung der Gabe von FVIII-Domänen-Immuntoxinen an die individuelle Immunantwort des Patienten könnte das Auftreten von Nebenwirkungen minimieren. Außerdem könnte eine kombinierte Therapie aus ITI und FVIII-Domänen-Immuntoxinen die Zeit bis zur Induktion von Toleranz verkürzen und die Chancen für den generellen Therapieerfolg erhöhen.
Vorhofflimmern entsteht unter anderem durch ein Ungleichgewicht zwischen sympathischem und parasympathischem autonomen Nervensystem. Sowohl invasive Ansätze via Ablation oder Denervierung als auch minimalinvasive Ansätze via Elektrostimulation liefern erfolgsversprechende Ergebnisse in Bezug auf Beeinflussung eines bestehenden Vorhofflimmerns.
Interessanterweise konnte durch Akupunktur des Tragus eine Reduktion von Vorhofflimmer-Rezidiven nach Kardioversion erreicht werden. Ziel dieser Studie war die Evaluation von Akupunktur-induzierten kardialen (vegetativen) Effekten bei gesunden Probanden.
Herzgesunde männliche Probanden (n=24) wurden im Bereich des Vagus-Innervationsgebietes an der Concha inferior des Ohres (Herzpunkt 100, OHR) sowie an einem klassischen Akupunktur-Punkt des Herzens (ventralen Unterarm, P6/Neiguan, ARM) akupunktiert. Eine „Placebo“-Akupunktur eines Punktes, der gegen Gonarthrose-Schmerzen helfen soll (Magenpunkt 35), diente als Kontrolle. Die Hälfte der Probanden erhielt eine zusätzliche Messung ohne Akupunktur, um Effekte durch das alleinige Platzieren einer Nadel zu untersuchen.
Um eine Aktivierung des ANS zu bewirken und Veränderungen quantifizieren zu können, wurden 12-Kanal Langzeit-EKG Messungen wie folgt durchgeführt: 30 Minuten (min) in liegender Position unter Akupunktur, Entfernung der Akupunkturnadel, 5 min liegend, 5 min sitzend, 5 min stehend, 5 min sitzend.
Es erfolgten Analysen folgender Parameter der Herzfrequenzvariabilität: Herzfrequenz, SDNN, RMSSD, HF, LF, LF/HF. Des Weiteren wurden Periodic Dynamics Repolarization und Deceleration Capacity untersucht.
Verglichen mit Placebo-Akupunktur wurde sowohl durch Akupunktur am OHR als auch am ARM die Herzfrequenz in liegender und sitzender Körperpositionen signifikant gesenkt (Phasen 30L, 5S1, 5S2, ∆5L-5S1, ∆5S1-5ST).
Während die Akupunktur am OHR vor allem die SDNN signifikant erhöhte, führte die Akupunktur am ARM zu einer signifikanten Steigerung von RMSSD und dem parasympathischen Leistungsdichtespektrum-Parameter HF. Der Quotient LF/HF wurde ebenfalls signifikant gesenkt.
Kein Unterschied bestand zwischen Placebo-Akupunktur und Messung ohne Akupunktur, sodass postuliert werden kann, dass das alleinige Platzieren einer Nadel keinen nennenswerten Effekt auf das autonome Nervensystem besitzt.
Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass eine Akupunktur an Orten, die mit dem autonomen Nervensystem verschaltet sind, zu einer Modulation des parasympathischen kardialen autonomen Nervensystems führen kann.
Eine Modulation der parasympathisch-sympathischen Balance durch minimalinvasive Zusatzbehandlung, wie in unserer Studie, könnte möglicherweise bei Patienten mit Vorhofflimmern zusätzlich zu medikamentöser oder nach invasiver Behandlung wie der Pulmonalvenenisolation das Therapieresultat verbessern und die Rezidivrate verringern.
Lizards of Paraguay: an integrative approach to solve taxonomic problems in central South America
(2018)
Paraguay is located in the center of South America with drier and warmer climatic conditions in the western part of the country, and more temperate and humid in the eastern region. Biogeographically, Paraguay is a key spot in South America, where several ecoregions converge. In my study, I sampled most of the ecoregions of Paraguay. The main objective of my work is to solve taxonomic problems, identified through genetic barcoding analyses, in the central region of South America. To achieve this objective, I used selected taxa of the Paraguayan Squamata as models taking into consideration the crucial geographic position of the country, plus the scarce available genetic data of Paraguayan reptiles.
The collecting activities were performed in the framework of a barcoding inventory project of the Paraguayan herpetofauna and carried out mostly in rural areas searching for animals in different types of habitats using active search as the sampling technique.
For genetics, the extraction of DNA was performed with DNeasy® Blood & Tissue Kit of Qiagen® for sets of few samples, and the fiber glass plate protocol for sets of 96 samples. I assessed the quality of sequences after amplification in agarose gel electrophoresis. The first marker sequenced was 16S mtDNA, used for barcoding analysis. A DNA barcode is a genetic identifier for a species. Once a taxonomic problem was detected, I generate more gene sequences to target the issue.
All the analyses to test phylogenetic hypotheses (based on single genes or concatenated datasets) were performed under Maximum Likelihood and Bayesian approaches. To root the phylogenetic trees, I chose the available taxon (or taxa) most closely related to the respective studied group as outgroups. For the general tree of Paraguayan Squamata, based on barcodes of 16S, I chose Sphenodon punctatus.
I generated a total of 142 sequences of 64 species of Squamata from Paraguay (Appendix I). The final alignment of 615 bp comprised 249 samples. The best substitution model for the Barcoding dataset based on the gene 16S was GTR+G, according to the BIC.
To complement molecular evidence generated with the ML grouping of 16S barcodes, I took a morphological approach based on voucher specimens collected during fieldwork (usually the same specimens that I used for genetic analysis), supplemented by the revision of museum collections.
Summarizing my results, samples of Colobosaura exhibit large genetic distances, and accordingly I revalidated Colobosaura kraepelini (Appendix II). Tropidurus of the spinulosus group show two clades and among them there is little genetic and morphological variation, I synonymized T. tarara and T. teyumirim with T. lagunablanca, and T. guarani with T. spinulosus (Appendix III). I detected the presence of candidate species of Homonota, and I restricted the name H. horrida for Argentina, and described two new species of Homonota (Appendices IV and V), and a new species of Phyllopezus also in the Family Phyllodactylidae (Appendix VI).
In this work I present the most comprehensive analysis of genetic samples of Squamata from Paraguay. The results obtained here will be useful to help to clarify further taxonomic issues regarding the squamate fauna from the central region of South America. Moreover, the data generated for this study will have a positive impact in a larger geographic context, beyond Paraguayan borders.
Regarding the conservation of the Paraguayan reptiles, and considering the taxonomic changes accomplished here, it is important to note that many species lack legal protection. In Paraguay, the major problem for conservation is habitat loss due to extensive crop farming. Thus, currently, the protected areas are the best strategy for conservation of biodiversity in the country. However, many such areas face legal problems (e.g., lack of official measurements, management plans, forest guards, infrastructure, etc.) so that the maintenance of their biodiversity over time is not guaranteed.
In conclusion, in this study I present contributions on the taxonomy of mostly lizards from Paraguay. Due to lack of samples, I was not able to deal with a deep taxonomic revision of the country's snakes. Based on my results, I can argue that analyses of Xenodontini and Pseudoboini are currently a pressing research issue. This barcoding project may continue since some colleagues in Paraguay are interested in collaboration. Given that the sequenced specimens are yet a small portion of the actual diversity of Paraguay, it will be of utmost importance to continue and expand these studies that will further improve our taxonomic knowledge. Furthermore, it is desirable to have Paraguayan scientists not only involved, but to see them taking the lead of high quality taxonomic research.
Due to immigration influxes, Germany’s ethnic diversity is on steady rise. Although citizens of immigrant origin make up a high percentage of the population in all Western European countries, they are descriptively underrepresented in most legislative bodies. As widely acknowledged, political parties form the key channels through which societal developments are fed into parliament. By selecting parliamentary candidates, they constitute the most crucial nexus of the population to be represented and legislative bodies. Despite the pivotal role of the intra-party candidate selection in shaping who runs for election, the question of how candidates of immigrant background fare in the candidate selection and whether the criteria political parties use for selecting candidates of immigrant background are the same as for native-born candidates remained a blind spot of the research on minority representation. Therefore, the dissertation scrutinizes the thresholds candidates of immigrant background need to overcome to run for legislative office. It thus tackles the questions of how political parties go about selecting candidates of immigrant background in comparison to native-born candidates and which contextual factors drive their choice of selection behavior. For this purpose, the dissertation develops three ideal-typical selection strategies political parties can adopt towards candidates of immigrant background, which are referred to as neutrality, opening or closure, and empirically tests which selection strategy is in use. To explore parties’ selection behavior towards candidates of immigrant background, the dissertation combines the advantages of quantitative analysis by employing candidate surveys at the state and national level, with advantages of qualitative analysis by conducting interviews with candidates of immigrant background. As the analysis reveals, neutrality is the predominant selection strategy that political parties use towards candidates of immigrant background, the reason being that neutral selection practices involve the fewest intra-party conflicts.
Zur Behandlung von chronisch entzündlichen Erkrankungen besteht nach wie vor ein dringendes medizinisches Bedürfnis, da die bisher eingesetzten Medikamente gerade in der Langzeittherapie zu schwerwiegenden Nebenwirkungen führen können. Um chronisch entzündliche Erkrankungen in Zukunft adäquat therapieren zu können, sind bereits verschiedene neuartige Ansätze in klinischer bzw. präklinischer Entwicklung. Ein möglicher Ansatz besteht in einer dualen Hemmung der mikrosomalen Prostaglandin E2 Synthase-1 (mPGES-1) und der 5-Lipoxygenase (5-LO). Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Struktur-Wirkungs-Beziehungen (SAR) von zwei verschiedenen Leitstrukturen an der 5 LO und der mPGES 1 untersucht. Die erste Leitstruktur entstammt aus den Arbeiten von Waltenberger et al. und besitzt im Grundgerüst eine Sulfonamidstruktur. In dieser Arbeit ist es gelungen, durch eine gezielte Untersuchung der Struktur-Wirkungsbeziehungen, die Leitstruktur I an der 5 LO und der mPGES-1 in ihrer Potenz zu optimieren. Die Leitstruktur (IC50: 5-LO (zellfrei) = 5.7 µM, IC50: 5 LO (PMNL) = 3.7 µM, IC50: mPGES-1 = 4.5 µM) konnte durch Variation in allen drei Positionen modifiziert werden, so dass die optimierte Struktur 170 (IC50: 5-LO (zellfrei) = 2.3 µM, IC50: 5-LO (PMNL) = 0.4 µM, IC50: mPGES-1 = 0.7 µM) entstanden ist. Für die Verbindung 170 wurden die pharmakokinetischen Eigenschaften, wie Löslichkeit und metabolische Stabilität, sowie der Wirkmechanismus auf molekularer Ebene bestimmt. Ebenso konnte für Verbindung 170 auch in vivo anti-entzündliche Eigenschaften festgestellt werden.
Die zweite Leitstruktur stammt ebenfalls aus den Arbeiten von Waltenberger et al. und besitzt im Grundgerüst eine Mercaptobenzothiazol-Grundstruktur. Aufgrund der Ähnlichkeit zu den bekannten Pirinixinsäurederivaten wurde auch hier für die Untersuchung der Struktur-Wirkungs-Beziehungen zunächst eine Kettenverlängerung an der Alkylkette vorgenommen. Es ließ sich auch hier durch eine gezielte SAR, die Leitstruktur bis hin zum submikromolaren Bereich in Verbindung 219 optimieren. Gleichzeitig ist es gelungen in Verbindung 219 einer der am potentesten dual ausgeglichensten dualen 5 LO/mPGES-1 Inhibitoren zu identifizieren.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass in dieser Arbeit es gelungen ist durch gezielte Untersuchungen der Struktur-Wirkungs-Beziehungen zwei verschiedene Substanzklassen zu dualen 5-LO/mPGES-1 Inhibitoren zu optimieren. Ebenso konnte für Substanz 170 auch in vivo anti-entzündliche Eigenschaften festgestellt werden. Diese Arbeit soll dazu beitragen, das therapeutische Potential von dualen 5-LO/mPGES-1 Inhibitoren als anti-entzündliche Wirkstoffe in Zukunft besser einschätzen zu können.
Die Tuberkulose ist eine der bedeutendsten Infektionskrankheiten weltweit. In Deutschland spielt sie eine untergeordnete Rolle und betrifft hauptsächlich Risikogruppen. Bisher wurde noch keine mehrere Jahre umfassende Arbeit zur Epidemiologie der Tuberkulose anhand molekularbiologischer Faktoren in einer deutschen Stadt veröffentlicht. In dieser Arbeit wurden mittels 24-loci MIRU-VNTR und Spoligotypisierung die Mykobakterienstämme von Patienten in Frankfurt am Main aus dem Zeitraum von 2008 bis 2016 genetisch typisiert und aus Fällen mit übereinstimmendem DNA-Fingerabdruck bestehende molekulare Cluster identifiziert, um in Zusammenschau mit epidemiologischen Patientendaten die Übertragungswege in Frankfurt am Main besser zu verstehen. Dabei wurden mittels logistischer Regression Risikofaktoren für Clusterzugehörigkeit identifiziert, einzelne Cluster auf epidemiologische Plausibilität hin untersucht und die Bedeutung der Tuberkulose vor dem Hintergrund zunehmender Migration beschrieben.
Insgesamt wurden im Studienzeitraum 61 molekulare Cluster identifiziert. Der Clusteranteil (28,6%) und der Anteil rezenter Übertragung (18,7%) lagen in der Größenordnung anderer Niedriginzidenzländer. Es dominierten kleine Cluster, nur vereinzelt kam es zu Infektionsketten mit mehr als 3 Fällen. Obwohl 81% der Patienten aus dem Ausland stammten und nur 19% aus Deutschland, hatten Migranten ein signifikant niedrigeres Risiko, einem Cluster anzugehören als Deutsche. Unter den Clustern bestanden 42,6% sowohl aus Patienten deutscher als auch Patienten nichtdeutscher Herkunft. Im Ausland geborene Patienten in gemischten Clustern lebten zum Diagnosezeitpunkt durchschnittlich bereits 10 Jahre in Deutschland und stammten mehrheitlich aus europäischen Ländern. Eine TB-Übertragung von kürzlich eingewanderten Patienten auf einheimische Bürger fand in begrenztem Umfang statt, begründet aber keine Ängste vor einer erhöhten Gefährdung der in Deutschland geborenen Bevölkerung im Hinblick auf die Tuberkulose in Frankfurt am Main.
Nur 9,8% der molekularen Cluster konnten epidemiologisch bestätigt werden. Infektionswege, die über das familiäre Umfeld oder bestimmte Risikomilieus (Drogen, Obdachlosigkeit) hinausgehen, ließen sich anamnestisch nur schwer erfassen. Männer, in Deutschland geborene Personen und iv-drogenabhängige Personen wiesen ein erhöhtes Risiko auf, sich vor Ort mit Tuberkulose zu infizieren oder die Erkrankung auf andere zu übertragen. Dies trifft vermutlich auch auf andere deutsche Großstädte zu und betont die Notwendigkeit einer Integration von iv-Drogenabhängigen in die medizinische Regelversorgung und die Bedeutung einer Zusammenarbeit von öffentlichem Gesundheitsdienst und entsprechenden Hilfseinrichtungen.
Es ist von einer Überschätzung des Clusteranteils mittels 24-loci MIRU-VNTR auszugehen, weshalb für zukünftige Arbeiten die feinere Typisierung und somit eine zuverlässigere Identifikation von Clustern mittels Whole Genome Sequencing wünschenswert ist. Für die bundesweite Verbesserung der TB-Kontrolle ist weiterhin eine enge Zusammenarbeit zwischen den Gesundheitsämtern erforderlich. Um zu untersuchen, wie sich die TB-Epidemiologie von Frankfurt am Main im bundesweiten Vergleich darstellt, sind ähnlich angelegte Arbeiten aus anderen deutschen Großstädten notwendig.
Object recognition is such an everyday task it seems almost mundane. We look at the spaces around us and name things seemingly effortlessly. Yet understanding how the process of object recognition unfolds is a great challenge to vision science. Models derived from abstract stimuli have little predictive power for the way people explore "naturalistic" scenes and the objects in them. Naturalistic here refers to unaltered photographs of real scenes. This thesis therefore focusses on the process of recognition of the objects in such naturalistic scenes. People can, for instance, find objects in scenes much more efficiently than models derived from abstract stimuli would predict. To explain this kind of behavior, we describe scenes not solely in terms of physical characteristics (colors, contrasts, lines, orientations, etc.) but by the meaning of the whole scene (kitchen, street, bathroom, etc.) and of the objects within the scene (oven, fire hydrant, soap, etc.). Object recognition now refers to the process of the visual system assigning meaning to the object.
The relationship between objects in a naturalistic scene is far from random. Objects do not typically float in mid-air and cannot take up the same physical space. Moreover, certain scenes typically contain certain objects. A fire hydrant in the kitchen would seem like an anomaly to the average observer. These "rules" can be described as the "grammar" of the scene. Scene grammar is involved in multiple aspects of scene- and object perception. There is, for instance, evidence that overall scene category influences identification of individual objects. Typically, experiments that directly target object recognition do not involve eye movements and studies that involve eye movements are not directly aimed at object recognition, but at gaze allocation. But eye movements are abundant in everyday life, they happen roughly 4 times per second. Here we therefore present two studies that use eye movements to investigate when object recognition takes place while people move their eyes from object to object in a scene. The third study is aimed at the application of novel methods for analyzing data from combined eye movement and neurophysiology (EEG) measurements.
One way to study object perception is to violate the grammar of a scene by placing an object in a scene it does not typically occur in and measuring how long people look at the so-called semantic inconsistency, compared to an object that one would expect in the given scene. Typically, people look at semantic inconsistencies longer and more often, signaling that it requires extra processing. In Study 1 we make use of this behavior to ask whether object recognition still happens when it is not necessary for the task. We designed a search task that made it unnecessary to register object identities. Still, participants looked at the inconsistent objects longer than consistent objects, signaling they did indeed process object and scene identities. Interestingly, the inconsistent objects were not remembered better than the consistent ones. We conclude that object and scene identities (their semantics) are processed in an obligatory fashion; when people are involved in a task that does not require it. In Study 2, we investigate more closely when the first signs of object semantic processing are visible while people make eye movements.
Although the finding that semantic inconsistencies are looked at longer and more often has been replicated often, many of these replications look at gaze duration over a whole trial. The question when during a trial differences between consistencies occur, has yielded mixed results. Some studies only report effects of semantic consistency that accumulate over whole trials, whereas others report influences already on the duration of the very first fixations on inconsistent objects. In study 2 we argue that prior studies reporting first fixation duration may have suffered from methodological shortcomings, such as low trial- and sample sizes, in addition to the use of non-robust statistics and data descriptions. We show that a subset of fixations may be influenced more than others (as is indicated by more skewed fixation duration distributions). Further analyses show that the relationship between the effect of object semantics on fixation durations and its effect on oft replicated cumulative measures is not straightforward (fixation duration distributions do not predict dwell effects) but the effect on both measures may be related in a different way. Possibly, the processing of object meaning unfolds over multiple fixations, only when one fixation does not suffice. However, it would be very valuable to be able to study how processing continues, after a fixation ends.
Study 3 aims to make such a measure possible by combining EEG recordings with eye tracking measurements. Difficulties in analyzing eye tracking–EEG data exist because neural responses vary with different eye movements characteristics. Moreover, fixations follow one another in short succession, causing neural responses to each fixation to overlap in time. These issues make the well-established approach of averaging single trial EEG data into ERPs problematic. As an alternative, we propose the use of multiple regression, explicitly modelling both temporal overlap and eye movement parameters. In Study 3 we show that such a method successfully estimates the influence of covariates it is meant to control for. Moreover, we discuss and explore what additional covariates may be modeled and in what way, in order to obtain confound-free estimates of EEG differences between conditions. One important finding is that stimulus properties of physically variable stimuli such as complex scenes, can influence EEG signals and deserve close consideration during experimental design or modelling efforts. Overall, the method compares favorably to averaging methods.
From the studies in this thesis, we directly learn that object recognition is a process that happens in an obligatory fashion, when the task does not require it. We also learn that only a subset of first fixations to objects are affected by the processing of object meaning and its fit to its surroundings. Comparison between first fixation and first dwell effects suggest that, in active vision, object semantics processing sometimes unfolds over multiple fixations. And finally, we learn that regression-based methods for combined eye tracking-EEG analysis provide a plausible way forward for investigating how object recognition unfolds in active vision.
In the first part of the thesis we investigate Lyapunov exponents for general flat vector bundles over Riemann surfaces and we describe properties of Lyapunov exponents on special loci of the moduli space of flat vector bundles. In the second part of the thesis we show how the knowledge of Lyapunov exponent over a sporadic Teichmüller curve can be used to compute the algebraic equation of the associated universal family of curves.
Quantum chromodynamics (QCD) is the theory of the strong interaction between quarks and gluons. Due to Confinement, at lower energies quarks and gluons are bound into colorless states called hadrons. QCD is also asymptotically free, i.e. at large energies or densities it enters a deconfined state, termed quark-gluon plasma (QGP), where quarks and gluons are quasi-free. This transition occurs at an energy scale around 200 MeV where QCD cannot be treated perturbatively. Instead it can be formulated on a space-time grid. The resulting theory, lattice quantum chromodynamics (LQCD), can be simulated efficiently on high performance parallel-computing clusters. In recent years graphic processing units (GPUs), which outperform CPUs in terms of parallel-computing and memory bandwidth capabilities, became very popular for LQCD computations. In this work the QCD deconfinement transition is studied using CL2QCD, a LQCD application that runs efficiently on GPUs. Furthermore, CL2QCD is extended by a Rational Hybrid Monte Carlo algorithm for Wilson fermions to allow for simulations of an odd number of quark flavors.
Due to the sign-problem LQCD simulations are restricted to zero or very small baryon densities, where, in the limit of infinite quark mass QCD has a first order deconfinement phase transition associated to the breaking of the global centre symmetry. Including dynamical quarks breaks this symmetry explicitly. Lowering their mass weakens the first order transition until it terminates in a second order Z2 point. Beyond this point the transition is merely an analytic crossover. As the lattice spacing is decreased, the reduction of discretization errors causes the region of first order transitions to expand towards lower masses. In this work the deconfinement critical point with 2 and 3 flavors of standard Wilson fermions is studied. To this end several kappa values are simulated on temporal lattice extents 6,8,10 (4) for two flavors (three flavors) and various aspect ratios (spatial lattice extent / temporal lattice extent) so as to extrapolate to the thermodynamic limit, applying finite size scaling. For two flavors an estimate is done if and when a continuum extrapolation is possible.
The chiral and deconfinement phase transitions at zero density for light and heavy quarks, respectively, have analytic continuations to purely imaginary chemical potential, where no sign-problem exists and LQCD simulations can be applied. At some critical value of the imaginary chemical potential, the transitions meet the endpoint of the Roberge-Weiss transition between adjacent Z3 sectors. For light and heavy quarks the transition lines meet in a triple point, while for intermediate masses they meet in a second order point. At the boundary between these regimes the junction is a tricritical point, as shown in studies with two and three flavors of staggered and Wilson quarks on lattices with a temporal lattice extent of 4. Employing finite size scaling the nature of this point as a function of the quark mass is studied in this work for two flavors of Wilson fermions with a temporal lattice extent of 6. Of particular interest is the change of the location of tricritical points compared to an earlier study on lattices with temporal extent of 4.
In the 'Golden Age of Antibiotics', between 1940 and 1970, the global pharmaceutical companies discovered many antibiotics, such as cephalosporins, tetracyclines, aminoglycosides, glycopeptides, etc., as well as antifungal and antiparisitic agents. Due to several reasons, e.g. the steady re-discovery of already known NPs and the associated high costs, many pharmaceutical companies have significantly scaled back or totally abandoned their NP discovery programs since the late 20th century. Instead those companies started to focus on drug discovery based on combinatorial synthesis and thereby on the creation of enormous synthetic libraries containing small molecules. Unfortunately, this synthetic approach dealing with the optimization of existing NP or antibiotic has its limitations. As a result, leading pharmaceutical companies are re-conducting NPs research to discover new antimicrobials for the upcoming antimicrobial resistance threat. The Natural Product Center of Excellence, a collaboration between Sanofi-Aventis and Fraunhofer IME, is advancing in this context the discovery and development of novel antimicrobial agents for the treatment of infectious diseases through the testing of Sanofi's microbial extract library and strain collection. The aim of the present PhD thesis was the discovery and isolation of novel antimicrobial compounds with improved activities and/or novel MOAs as potential lead compound for a further drug discovery.
The results of this thesis lie in the area of convex algebraic geometry, which is the intersection of real algebraic geometry, convex geometry, and optimization.
We study sums of nonnegative circuit polynomials (SONC) and their related cone, both geometrically and in application to polynomial optimization. SONC polynomials are certain sparse polynomials having a special structure in terms of their Newton polytopes and supports, and serve as a certificate of nonnegativity for real polynomials, which is independent of sums of squares.
The first part of this thesis is dedicated to the convex geometric study of the SONC cone. As main results we show that the SONC cone is full-dimensional in the cone of nonnegative polynomials, we exactly determine the number of zeros of a nonnegative circuit polynomial, and we give a complete and explicit characterization of the number of zeros of SONC polynomials and forms. Moreover, we provide a first approach to the study of the exposed faces of the SONC cone and their dimensions.
In the second part of the thesis we use SONC polynomials to tackle constrained polynomial optimization problems (CPOPs).
As a first step, we derive a lower bound for the optimal value of CPOP based on SONC polynomials by using a single convex optimization program, which is a geometric program (GP) under certain assumptions. GPs are a special type of convex optimization problems and can be solved in polynomial time. We test the new method experimentally and provide examples comparing our new SONC/GP approach with Lasserre's relaxation, a common approach for tackling CPOPs, which approximates nonnegative polynomials via sums of squares and semidefinite programming (SDP). The new approach comes with the benefit that in practice GPs can be solved significantly faster than SDPs. Furthermore, increasing the degree of a given problem has almost no effect on the runtime of the new program, which is in sharp contrast to SDPs.
As a second step, we establish a hierarchy of efficiently computable lower bounds converging to the optimal value of CPOP based on SONC polynomials. For a given degree each bound is computable by a relative entropy program. This program is also a convex optimization program, which is more general than a geometric program, but still efficiently solvable via interior point methods.
Trotz aller Unsicherheit und kritischer Infragestellung sind Kunstlandschaftsbezeichnungen – und damit auch der „Mittelrhein“ – als Hilfsbegriffe für die Lokalisierung der Kunstwerke noch immer gebräuchlich. Aber es ist ganz besonders problematisch, vom Mittelrhein um 1500 als „Kunstlandschaft“ zu sprechen. Schon die Umgrenzung der Region fällt unterschiedlich aus, und noch mehr sind die Kriterien schwankend, die im Vergleich zu anderen Regionen den Mittelrhein definieren sollen. Vorherrschend sind bei solchen Vergleichen nach wie vor Stilbegriffe, welche Vorbehalte gegenüber dem Begriff des Stils auch geäußert werden. So ist die Frage, ob die für den Mittelrhein vorgeschlagene Kennzeichnung „Stilheterogenität“ als Kriterium der Abgrenzung tauglich ist oder mehr eine methodische Verlegenheitslösung darstellt.
Die Untersuchung konzentriert sich auf das Schnitzretabel, das als Leitmedium der spätgotischen Kunst im deutschsprachigen Raum zu betrachten ist. Die analysierten Schnitzretabel sind als Fallstudien anzusehen, wobei hier vor allem jene analysiert worden sind, die einen guten Erhaltungszustand aufweisen. Zwar haben die wenigsten ihr ursprüngliches Aussehen bewahrt, aber entweder sind die Veränderungen nur minimal oder der originale Zustand ist gut rekonstruierbar, sodass die Werkgruppe trotz der Eingriffe als repräsentativ gelten kann. Neben den traditionellen Untersuchungsmethoden konnte die Infrarotreflektographie mit beweglicher Kamera (Osiris) eingesetzt werden. Es soll mit der Vorstellung einer Gattung ein Ausschnitt der in der Region präsenten Kunst ohne „mittelrheinische Vorentscheidungen“ gezeigt werden.
Die meisten analysierten Retabel entstammen der Rhein-Main-Region mit Frankfurt und Mainz als Oberzentren des Mittelrheins; Oberwesel, Speyer und Gelnhausen markieren die Grenze für die Auswahl. Die 27 Einzeluntersuchungen finden sich im Katalogteil der Arbeit, während deren zusammenfassende Darstellung – im Hinblick auf Methode, Standort, Auftraggeber, Künstler, Retabeltyp, Bildprogramm sowie Einflüsse – sowie Ergebnisse im Hauptteil besprochen werden.
Reactive oxygen species (ROS) are involved in various signalling mechanisms. Redox homeostasis is important in cancer cells, since they are dependent on upregulated antioxidant defence pathways to cope with elevated ROS levels. Therefore, targeting the antioxidant defence system and/ or increasing ROS to a lethal level may be a feasible strategy to counteract cancer cell progression.
Acute lymphoblastic leukaemia (ALL) is the most frequent malignant childhood cancer, displaying on one side resistance to cell death induction and on the other side elevated ROS levels. Therefore, inducing ferroptosis, a ROS- and iron-dependent cell death pathway might be useful to trigger cell death in ALL as a novel treatment strategy. In the first study of this thesis we observed that RSL3, a glutathione (GSH) peroxidase 4 (GPX4) inhibitor, triggered ROS accumulation and lipid peroxidation which contributed to ferroptotic cell death. These observations were based on suppression of RSL3 stimulated cell death using different ferroptosis inhibitors like Ferrostatin-1 (Fer-1), Liproxstatin-1 (Lip-1), as well as iron chelator Deferoxamine (DFO) and the vitamin E derivate α-Tocopherol (α-Toc). RSL3-triggered ROS and lipid peroxide production were also inhibited through Fer-1 and α-Toc. Furthermore, lipoxygenases (LOX) were activated upon RSL3 stimulation and contributed to ferroptotic cell death in ALL as well. Selective inhibition of LOX with the 12/15-LOX inhibitor Baicalein and the pan-LOX inhibitor nordihydroguaiaretic acid (NDGA) abolished RSL3-induced ROS production, lipid peroxidation and cell death. In addition, RSL3 induced lipid peroxide-dependent ferroptotic cell death in FAS-associated Death Domain (FADD)-deficient, death receptor-induced apoptosis resistant cells, demonstrating that ferroptosis might circumvent apoptosis resistance.
The second part of the study revealed that RSL3 and Erastin (Era), a GSH-depleting agent, inhibiting the cystine/glutamate antiporter system xc- and ferroptosis inducer, cooperated with the Smac mimetic BV6 to trigger cell death in ALL cells. RSL3/BV6 and Era/BV6 combination-induced cell death was dependent on ROS accumulation, but independent of caspases and key modulators of necroptosis. RSL3/BV6-treated ALL cells exhibited classical features of ferroptotic cell death with iron-dependency, ROS accumulation and lipid peroxidation which was diminished through either pharmacological inhibition (Fer-1, DFO, α-Toc) or genetic inhibition by overexpressing GPX4. Interestingly, Era/BV6-induced cell death in ALL cells was independent of iron but dependent on ROS accumulation, since α-Toc rescued from Era/BV6-triggered ROS production, lipid peroxidation and cell death. Moreover, inhibition of lipid peroxide formation through the addition of Fer-1 or by overexpressing GPX4 failed to rescue from Era/BV6-triggered cell death, even if Era/BV6-stimulated lipid peroxidation was diminished. Likewise, Fer-1 protected from RSL3/BV6-, but not from Era/BV6-generated ROS production, leading to the assumption that other ROS besides lipid-based ROS contributed to cell death in Era/BV6-treated cells. In summary, while RSL3/BV6 induced ferroptosis in ALL, Era/BV6 stimulated a ROS dependent cell death, which was neither dependent on iron nor caspases or receptor-interacting protein (RIP) kinase 1 nor 3. Additionally, using Erastin alone did not trigger ferroptotic cell death in ALL. Finally, with these two studies we tried to unravel the molecular pathway of ferroptosis by using RSL3 and Erastin as well described ferroptosis stimulators. Here, we demonstrate the possibility of a novel treatment strategy to reactivate programmed cell death by impeding redox homeostasis in ALL.
Since ALL failed to induce ferroptosis upon Erastin treatment, we investigated in the third part of this thesis a new model system to induce ferroptosis upon Erastin and RSL3 exposure. Previous studies revealed that rhabdomyosarcoma (RMS) cells might be susceptible to oxidative stress-induced compounds. To this end, we used Erastin as a prototypic ferroptosis stimulus and GSH-depleting agent and demonstrated that GSH depletion, ROS and lipid ROS accumulation contributed to cell death. Additionally, Fer-1, Lip-1, DFO, lipophilic vitamin E derivate α-Toc and GSH, a cofactor of GPX4, protected from Erastin stimulated ROS accumulation, lipid peroxidation and cell death. Also, the use of a broad spectrum protein kinase C (PKC) inhibitor Bisindolylmaleimide I (Bim1), a PKCα and ß selective inhibitor Gö6976 and siRNA-mediated knockdown of PKCα suppressed Erastin-mediated cell death in RMS. Moreover broad spectrum nicotinamide-adenine dinucleotide phosphate (NADPH) oxidase (NOX) inhibitor Diphenyleneiodonium (DPI) and a more selective NOX1/4 isoform inhibitor GKT137831 abrogated Erastin-generated ROS formation, lipid peroxidation and cell death. With this, we demonstrate that RMS are vulnerable to ferroptotic cell death and investigated the molecular mechanism of ferroptosis by unravelling that PKC and NOX could have a pivotal role in ROS-mediated ferroptosis signalling in RMS. In this regard, ferroptosis inducers may act as a possible novel treatment strategy for RMS, especially those with poor clinical outcome.
Nach Jakobson (1941) lassen sich in der frühen phonologischen Entwicklung zwei diskrete Phasen unterscheiden. Eine erste Phase, in der vorsprachliche Lalllaute produziert werden und keine phonologischen Kontraste gegeben sind, und eine zweite Phase, die eigentliche Sprachstufe, in der eben diese sprachsystematischen Kontrastbildungen sukzessive ausgebaut werden. Ausgehend von diesem strukturalistischen Paradigma wurden Protowörter, die im Übergang von der Lallphase zur Zielwortproduktion realisiert werden und bei einer relativ stabilen Bedeutungszuweisung keine overte Ähnlichkeit zu Zielwörtern zeigen, entweder als artikulatorische Muster analysiert oder unter der Perspektive der Generativen Grammatik als nicht-phonologische Wortformen gänzlich ignoriert. Im Gegensatz zu diesen tradierten Ansätzen wird in dieser Arbeit ein neuer Ansatz vertreten, nach dem dreidimensionale (mit segmentaler, silbischer und metrischer Ebene) phonologische Repräsentationen ab ovo in der Sprachverarbeitung aktiv sind und sich gemäß der klassischen Kompetenz-Performanz-Unterscheidung in frühen Wortproduktionen auch linguistisch analysieren lassen. Das adäquate Instrumentarium für diese Analyse können gerade nicht zielsprachliche Merkmalskontraste mit bedeutungsunterscheidender Funktion sein, sondern genuin phonologische Kontraste. Zielführend ist hier die Anwendung der Demisilbentheorie von Clements (1990), mit deren Hilfe die phonologische Komplexität von Demisilben nach Maßgabe von Sonorität berechnet werden. Wurde diese Theorie bisher erfolgreich in der Aphasiologie angewendet, wird sie hier erstmals in der Untersuchung der Protowortproduktion, appliziert. Die Daten stammen aus der im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Einzelfallstudie, in der die Spontansprachproduktionen von Kind J., 1;4 Jahre, jeweils einmal wöchentlich für 30 Minuten aufgezeichnet wurden. Die Aufnahmen endeten zu dem Zeitpunkt, als Kind J. keine Protowörter mehr produzierte. Wesentliche Ergebnisse einer linguistisch-qualitativen wie auch einer statistisch-quantitativen Analyse dieser Daten waren, dass Proto- und Zielwortproduktion korrelierten, d.h., bei Abnahme der Protowortproduktion die Zielwortproduktion zunahm; beide Wortklassen tendenziell aus nicht-komplexen Demisilben aufgebaut waren und Protowörter in dem Sinne als Vorläufer von Zielwörtern angesehen werden können, als dass bei ihnen nicht die zielsprachliche Bedeutungszuweisung, sondern die Etablierung phonologischer Repräsentationen maßgeblich ist. Ausgehend von diesen Ergebnissen wird ein differenziertes Schalenmodell der frühen phonologischen Entwicklung vorgestellt, nach welchem der segmentale Merkmalsausbau und seine Integration in die Silbe mittels Sonorität noch vor der metrischen Betonungszuweisung stattfindet. Unter Hinzunahme der Parallelen Architektur von Jackendoff (2002) wird abschließend eine kognitiv-linguistische Definition von Protowörtern gegeben, die nicht zuletzt auch zu diagnostischen Zwecken in der sprachtherapeutischen Praxis gebraucht werden kann.
Heat stress transcription factors (Hsfs) have an essential role in heat stress response (HSR) and thermotolerance by controlling the expression of hundreds of genes including heat shock proteins (Hsps) with molecular chaperone functions. Hsf family in plants shows a striking multiplicity, with more than 20 members in many species. In Solanum lycopersicum HsfA1a was reported to act as the master regulator of the onset of HSR and therefore is essential for basal thermotolerance. Evidence for this was provided by the analysis of HsfA1a co-suppression (A1CS) transgenic plants, which exhibited hypersensitivity upon exposure to heat stress (HS) due to the inability of the plants to induce the expression of many HS-genes including HsfA2, HsfB1 and several Hsps. Completion of tomato genome sequencing allowed the completion of the Hsf inventory, which is consisted of 27 members, including another three HsfA1 genes, namely HsfA1b, HsfA1c and HsfA1e.
Consequently, the suppression effect of the short interference RNA in A1CS lin e was re-evaluated for all HsfA1 genes. We found that expression of all HsfA1 proteins was suppressed in A1CS protoplasts. This result suggested that the model of single master regulator needs to be re-examined.
Expression analysis revealed that HsfA1a is constitutively expressed in different tissues and in response to HS, while HsfA1c and HsfA1e are minimally expressed in general, and show an induction during fruit ripening and a weak upregulation in late HSR. Instead HsfA1b shows preferential expression in specific tissues and is strongly and rapidly induced in response to HS. At the protein level HsfA1b and HsfA1e are rapidly degraded while HsfA1a and HsfA1c show a higher stability. In addition, HsfA1a and HsfA1c show a nucleocytosolic distribution, while HsfA1b and HsfA1e a strong nuclear retention.
A major property of a master regulator in HSR is thought to be its ability to cause a strong transactivation of a wide range of genes required for the initial activation of protective mechanisms. GUS reporter assays as well as analysis of transcript levels of several endogenous transcripts in protoplasts transiently expressing HsfA1 proteins revealed that HsfA1a can stimulate the transcription of many genes, while the other Hsfs have weaker activity and only on limited set of target genes. The low activity of HsfA1c and HsfA1e can be attributed to the lower DNA capacity of the two factors as judged by a GUS reporter repressor assay.
HsfA1a has been shown to have synergistic activity with the stress induced HsfA2 and HsfB1. The formation of such complexes is considered as important for stimulation of transcription and long term stress adaptation. All HsfA1 members show synergistic activity with HsfA2, while only HsfA1a act as co-activator of HsfB1 and HsfA7. Interestingly, HsfA1b shows an exceptional synergistic activity with HsfA3, suggesting that different Hsf complexes might regulate different HS-related gene networks. Altogether these results suggest that HsfA1a has unique characteristics within HsfA1 subfamily. This result is interesting considering the very high sequencing similarity among HsfA1s, and particularly among HsfA1a and HsfA1c.
To understand the molecular basis of this discrepancy, a series of domain swapping mutants between HsfA1a and HsfA1c were generated. Oligomerization domain and C-terminal swaps did not affect the basal activity or co-activity of the proteins. Remarkably, an HsfA1a mutant harbouring the N-terminus of HsfA1c shows reduced activity and co-activity, while the reciprocal HsfA1c with the N-terminus of HsfA1a cause a gain of activity and enhanced DNA binding capacity.
Sequence analysis of the DBD of HsfA1 proteins revealed a divergence in the highly conserved C-terminus of the turn of β3-β4 sheet. As the vast majority of HsfA1 proteins, HsfA1a at this position comprises an Arg residue (R107), while HsfA1c a Leu and HsfA1e a Cys. An HsfA1a-R107L mutant has reduced DNA binding capacity and consequently activity. Therefore, the results presented here point to the essential function of this amino acid residue for DNA binding function. Interestingly, the mutation did not affect the activity of the protein on Hsp70-1, suggesting that the functionality of the DBD and consequently the transcription factor on different promoters with variable heat stress element number and architecture is dependent on structural peculiarities of the DBD.
In conclusion, the unique properties including expression pattern, transcriptional activities, stability, DBD-peculiarities are likely responsible for the dominant function of HsfA1a as a master regulator of HSR in tomato. Instead, other HsfA1-members are only participating in HSR or developmental regulations by regulating a specific set of genes. Furthermore, HsfA1b and HsfA1e are likely function as stress primers in specific tissues while HsfA1c as a co-regulator in mild HSR. Thereby, tomato subclass A1 presents another example of function diversity not only within the Hsf family but also within the Hsf-subfamily of closely related members. The diversification based on DBD peculiarities is likely to occur in potato as well. Therefore this might have eliminated the functional redundancy observed in other species such as Arabidopsis thaliana but has probably allowed the more refined regulation of Hsf networks possibly under different stress regimes, tissues and cell types.
Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der moderierenden Rolle der Elaboriertheit des sportbezogenen Selbstaspekts auf die Verarbeitung selbstrelevanter Informationen im Sport.
Im ersten Kapitel werden aus einer übergeordneten Perspektive heraus zunächst die beiden im Mittelpunkt der Dissertation stehenden Konstrukte Selbst und Identität in einen historischen Kontext gesetzt und begrifflich umrissen. Im Anschluss werden verschiedene Modelle des Selbst vorgestellt. Dabei wird aufgezeigt, dass insbesondere in der sportpsychologischen Forschung bislang eher Inhalte und weniger Strukturen und Prozesse des Selbstkonzepts im Mittelpunkt standen. In der vorliegenden Dissertation wird das Selbst bzw. die Identität als komplexes, dynamisches System aufgefasst, das sowohl die Informationsverarbeitung beeinflusst als auch durch Prozesse der Informationsverarbeitung beeinflusst wird. Im Anschluss stehen Theorien der Selbstwerterhöhung und der Selbstkonsistenz im Mittelpunkt, deren Vertreter unterschiedliche Vorhersagen für die Verarbeitung konsistenter und von der eigenen Selbsteinschätzung positiv abweichender Rückmeldungen postulieren: Während Selbstwerterhöhungstheorien eine Präferenz für positives Feedback vorhersagen, bevorzugen Personen laut Selbstkonsistenztheorien solches Feedback, das mit ihrer eigenen Selbsteinschätzung übereinstimmt. Anschließend werden mit der Art der Reaktion (affektiv vs. kognitiv) und der Elaboriertheit des betroffenen Selbstaspekts zwei Variablen vorgestellt, die moderieren, ob die Informationsverarbeitung eher konsistenztheoretischen (kognitive Reaktion, hohe Elaboriertheit) oder selbstwerterhöhenden (affektive Reaktion, geringe Elaboriertheit) Vorhersagen folgt.
Ausführlicher werden dann mit dem Exercise Self-Schema und der Exercise Identity zwei sportbezogene Konstrukte vorgestellt, die zur Operationalisierung der Elaboriertheit des entsprechenden Selbstaspekts genutzt werden können. Hierbei wird sowohl auf die Messung als auch auf den empirischen Forschungsstand eingegangen und es wird dargestellt, dass die beiden Konstrukte zwar unterschiedlichen theoretischen Denklinien entstammen, auf operationaler Ebene aber weitgehend austauschbar sind.
Das zweite Kapitel enthält einen Überblick über die drei durchgeführten quantitativen empirischen Studien. Studie 1 (N = 530) beschreibt die Übersetzung und Validierung der Exercise Identity Scale ins Deutsche. Dabei wird neben den beiden in der Literatur diskutierten Ein- und Zwei-Faktor-Modellen auch ein Bifaktor-Modell als mögliche Alternative geprüft. Zusätzlich wird die Invarianz der Skala über die Zeit (Abstand: 14 Tage) mit einer Teilstichprobe, die Invarianz zwischen Männern und Frauen mit der Gesamtstichprobe sowie die konvergente Validität über Korrelationen mit verwandten Konstrukten getestet.
Die Studien 2 und 3 widmen sich der eigentlichen Forschungsfrage nach der moderierenden Wirkung der Elaboriertheit auf die Verarbeitung von sportbezogenem selbstrelevantem Feedback. In Studie 2 (Onlinestudie) wird die Elaboriertheit über das Exercise Self-Schema operationalisiert (N = 472). In dieser Studie zeigt sich, dass Personen – unabhängig davon, ob sie ein Selbstschema im Bereich sportlichen Trainings aufweisen oder nicht – Feedback, das von ihrer eigenen Selbsteinschätzung positiv abweicht, gegenüber mit ihrer Selbsteinschätzung übereinstimmendem (konsistentem) Feedback vorziehen. In Studie 3 (Laborstudie, N = 215) werden einige Limitationen der Onlinestudie adressiert, indem u. a. das fingierte Feedback nach einem objektiveren (physiologischen) Test gegeben und die Elaboriertheit mithilfe der kontinuierlichen Exercise Identity Scale gemessen wird. Auch hier zeigt sich die vermutete moderierende Wirkung der Exercise Identity nicht: Bei der affektiven Reaktion dominiert das Selbstwerterhöhungsmotiv; bei der kognitiven zeigt sich zwar ein kleiner Effekt, der allerdings erwartungswidrig ausfällt (Personen mit geringerer Exercise Identity bevorzugten konsistentes gegenüber positivem Feedback). In beiden Studien zeigt sich darüber hinaus ein moderierender Effekt der Elaboriertheit des sportbezogenen Selbstaspekts hinsichtlich des zur Kontrolle mit in das Versuchsdesign einbezogenen negativen Feedbacks.
Im dritten Kapitel wird eine Gesamtdiskussion der Ergebnisse aus einer übergeordneten Perspektive vorgenommen. Die Befunde werden in den bisherigen empirischen Forschungsstand eingeordnet und es werden Grenzen der durchgeführten Studien diskutiert. Implikationen für zukünftige Forschung werden u. a. im Hinblick auf eine Verbindung zwischen der grundlagenorientierten kognitiv-motivationalen Perspektive der vorliegenden Arbeit und einer eher anwendungsorientierten Perspektive im Sinne der Förderung einer Bindung an sportliche Aktivität diskutiert.
Most of the elements heavier than iron are produced through neutron capture reactions in the s- and r -process. The overall path of the s-process is well understood and can be accurately reproduced in network simulations. However, there are still some neutron capture reactions of unstable nuclei involved in the s-process, which were not yet measured due to the difficulty in producing suitable targets. In those cases, theoretical models have to be used to estimate the missing cross section.
One example is the branching point nucleus 86Rb, whose neutron capture cross section cannot be directly measured due to its short half life of 18.86 days. It is, however, also possible to measure its inverse, the 87Rb(g,n) reaction in order to obtain the 86Rb(n,g) cross section through the principle of detailed balance.
Natural rubidium was irradiated with a quasi-monoenergetic photon beam in the energy range between 10.7 MeV and 16 MeV in order to investigate the photo-dissociation cross section of 87Rb. The results are presented in this thesis. Not only the total cross section of 87Rb(g,n), but also the partial production cross section of the ground and isomeric state of 84Rb through the 85Rb(g,n) reaction was measured.
Not all isotopes can be reached via neutron capture reaction, and are therefore bypassed by the s- and r -process. These 35 proton-rich isotopes are called p-nuclei and are produced in the γ-process by a chain of photo-disintegration reactions in Type II supernovae. Network calculations of Type II supernova show that the γ-process can explain the production of most p-nuclei, but some – especially 92/94Mo and 96/98Ru – are heavily underproduced. While this could be the result of deficiencies in the corresponding stellar models or insufficient knowledge of the involved reaction rates, it is also possible that the missing p-nuclei are synthesized in other production scenarios.
An alternative scenario for 92Mo is the production via a chain of proton capture reactions in Type Ia supernovae. One important reaction in this chain is the 90Zr(p,g) reaction. The reaction cross section was already measured several times, but the results were inconclusive. In the present work, the 90 Zr(p,g) reaction was measured using the in-beam gamma-ray spectroscopy technique and the discrepancies between the data sets could be largely explained.
The technology of advanced driver assistance systems (ADAS) has rapidly developed in the last few decades. The current level of assistance provided by the ADAS technology significantly makes driving much safer by using the developed driver protection systems such as automatic obstacle avoidance and automatic emergency braking. With the use of ADAS, driving not only becomes safer but also easier as ADAS can take over some routine tasks from the driver, e.g. by using ADAS features of automatic lane keeping and automatic parking. With the continuous advancement of the ADAS technology, fully autonomous cars are predicted to be a reality in the near future.
One of the most important tasks in autonomous driving is to accurately localize the egocar and continuously track its position. The module which performs this task, namely odometry, can be built using different kinds of sensors: camera, LIDAR, GPS, etc. This dissertation covers the topic of visual odometry using a camera. While stereo visual odometry frameworks are widely used and dominating the KITTI odometry benchmark (Geiger, Lenz and Urtasun 2012), the accuracy and performance of monocular visual odometry is much less explored.
In this dissertation, a new monocular visual odometry framework is proposed, namely Predictive Monocular Odometry (PMO). PMO employs the prediction-and-correction mechanism in different steps of its implementation. PMO falls into the category of sparse methods. It detects and chooses keypoints from images and tracks them on the subsequence frames. The relative pose between two consecutive frames is first pre-estimated using the pitch-yaw-roll estimation based on the far-field view (Barnada, Conrad, Bradler, Ochs and Mester 2015) and the statistical motion prediction based on the vehicle motion model (Bradler, Wiegand and Mester 2015). The correction and optimization of the relative pose estimates are carried out by minimizing the photometric error of the keypoints matches using the joint epipolar tracking method (Bradler, Ochs, Fanani and Mester 2017).
The monocular absolute scale is estimated by employing a new approach to ground plane estimation. The camera height over ground is assumed to be known. The scale is first estimated using the propagation-based scale estimation. Both of the sparse matching and the dense matching of the ground features between two consecutive frames are then employed to refine the scale estimates. Additionally, street masks from a convolutional neural network (CNN) are also utilized to reject non-ground objects in the region of interest.
PMO also has a method to detect independently moving objects (IMO). This is important for visual odometry frameworks because the localization of the ego-car should be estimated only based on static objects. The IMO candidate masks are provided by a CNN. The case of crossing IMOs is handled by checking the epipolar consistency. The parallel-moving IMOs, which are epipolar conformant, are identified by checking the depth consistency against the depth maps from CNN.
In order to evaluate the accuracy of PMO, a full simulation on the KITTI odometry dataset was performed. PMO achieved the best accuracy level among the published monocular frameworks when it was submitted to the KITTI odometry benchmark in July 2017. As of January 2018, it is still one of the leading monocular methods in the KITTI odometry benchmark.
It is important to note that PMO was developed without employing random sampling consensus (RANSAC) which arguably has been long considered as one of the irreplaceable components in a visual odometry framework. In this sense, PMO introduces a new style of visual odometry framework. PMO was also developed without a multi-frame bundle adjustment step. This reflects the high potential of PMO when such multi-frame optimization scheme is also taken into account.
Ce travail, dont le titre est : Le modèle d’immersion réciproque en question : enseigner en classe bilingue à New York et à Francfort / Das Two-Way-Immersion Modell im Fokus: Zweisprachig unterrichten in New York und Frankfurt/Main, a pour objectif de répondre à la problématique suivante : Comment la conceptualisation du modèle d’enseignement bilingue d’immersion réciproque influence les pratiques éducatives (didactiques et pédagogiques) des enseignants, et pourquoi?
Afin de répondre à cette question, j’ai choisi d’étudier un modèle bilingue spécifique, le modèle bilingue d’immersion réciproque (ou « Two-Way-Immersion ») qui, dans la façon dont il intègre deux groupes d’élèves locuteurs de différentes langues qui apprennent les uns des autres, m’a semblé reposer sur une conceptualisation de l’enseignement bilingue dépassant une vision monolingue de ce dernier. Je montrerai dans la thèse, qu’en réalité, un même modèle peut se décliner différemment selon les choix didactiques et pédagogiques et selon les contextes de sa mise en œuvre et que seule une analyse approfondie peut permettre d’en révéler toute la complexité. À cette fin, j’ai observé des classes bilingues à New York et à Francfort, classes qui ont ensuite constitué mon terrain d’étude.
La thèse est organisée en 5 chapitres. Le premier chapitre propose un passage en revue de la littérature scientifique sur l’enseignement bilingue dans divers contextes. Le deuxième chapitre est consacré à la méthodologie de recherche que j’ai choisi d’utiliser pour explorer la complexité de mon objet de recherche. Les deux chapitres suivants proposent une analyse sociolinguistique de chaque contexte, New York (3) et Francfort (4). Le dernier chapitre, (5), est consacré à l’analyse des données récoltées (des entretiens, des observations de séances, des documents d’élèves et divers documents pédagogiques). Mon objectif, dans ce chapitre, est de montrer comment les orientations influencent les choix didactiques et pédagogiques des enseignants et ont un impact sur les pratiques de classe.
Für das bessere Verständnis der Nukleosynthese der schweren Elemente im s-Prozess wurde im Rahmen dieser Arbeit die Messung zur Bestimmung der Neutroneneinfangsreaktion von 83Kr durchgeführt. Als Messinstrument wurde DANCE am LANL verwendet, ein 4pi-Kalorimeter zur Detektion der entstehenden g-Kaskaden bei (n,g)-Reaktionen. Darüber hinaus wurden außerdem noch Proben mit 85Kr und 86Kr vermessen.
Die Herausforderung an diesem Experiment bestand vor allem in der Probenherstellung. Das Edelgas Kr erforderte eine Neukonstruktion der normalerweise bei DANCE verwendeten Probenhalterung. Das Hauptaugenmerk lag auf der Maximierung der Kr-Exposition durch den Neutronenstrahl. Im Gegenzug wurde versucht das umgebende Material nach Möglichkeit keinen Neutronen auszusetzen. Für die Isotope 83,86Kr wurden Hochdruckgaskugeln verwendet, die an der Goethe-Universität Frankfurt gefüllt und in eine der neuen Probenhalterungen eingesetzt wurden. Zur Beachtung des bei der Messung entstehenden Untergrundes wurde eine Messung mit baugleicher Probenhalterung und leerer Gaskugel durchgeführt. Da bereits kleine Mengen 85Kr eine hohe Radioaktivität aufweisen, wurde eine in einen Stahlzylinder eingeschweißte, existierende Quelle verwendet.
Bei der Analyse zu 86Kr wurde schnell eine zu starke Verunreinigung der Kr-Probe mit Xe offensichtlich, einen signifikanten Anteil des Spektrums ausmachte. Aus diesem Grund kam es vor allem zu Problemen den korrekten Untergrund von den 86Kr Messdaten zu subtrahieren. Die weitere Bestimmung inklusive Streukorrekturen, Normierung anhand des Flussmonitors und DICEBOX/GEANT3 Effizienzbestimmung lieferte zwar einen energieabhängigen Wirkungsquerschnitt, dieser zeigte allerdings große Abweichungen von den evaluierten ENDF/B-VII.1 Daten, was besonders ersichtlich in der deutlichsten 86Kr Resonanz bei 5515 eV zu erkennen war. Aus diesem Grund konnte aus den Messdaten kein MACS extrahiert werden.
Bei einer Untersuchung der Aktivität der 85Kr-Probe mit Hilfe der einzelnen BaF2-Detektoren in der DANCE Kugel zeigte sich zunächst eine um fast einen Faktor vier geringere Aktivität als vom Hersteller angegeben. Auch bei der weiteren Analyse traten massive Untergrundprobleme auf. Die Form des Stahlzylinders, in dem das Kr-Gasgemisch eingeschweißt war, konnte aufgrund seiner Form nur schwer im Strahlrohr untergebracht werden. Beim Experiment selbst zeigte sich dann, dass Teile der Halterung vom Neutronenstrahl getroffen wurden, was einen Untergrund mit sehr hohem Q-Wert erzeugte, der nicht durch ein Esum Fenster entfernt werden konnte. Durch eine Beschädigung der Halterung mit der Probe kam es darüber hinaus zu Abweichungen mit der verwendeten Leerhalterung. All das führte trotz einer langen Messzeit von fast 18 d dazu, dass nur ein sehr schwaches Signal von der eigentlichen Kr-Probe zu erkennen war. Es wurde eine mögliche 85Kr Resonanz bei 675 eV gefunden, allerdings ist die endgültige Zuordnung aufgrund der nicht eindeutigen Untergrundsituation äußerst schwierig. Im Vorfeld des Kr-Experimentes wurde eine Messung von RbCl an DANCE durchgeführt, da ursprünglich zu erwarten war, dass bereits ein Teil des 85Kr zu 85Rb zerfallen war. Durch diese Messung sollte dieser Anteil leicht von der späteren Messung zu subtrahieren sein. Allerdings trat ein unerwartetes Problem während der Datenaufnahme auf. Die Verbindung der DAQ Boards wurde getrennt, wodurch ca. 3/4 der Detektoren nicht mehr zeitsynchron liefen. Im Zuge dieser Arbeit wurde eine Rekonstruktion dieser Daten angestrebt. Durch Modifikationen am FARE Code, der zur Auswertung verwendet wurde, konnte Flugzeitspektren für jeden Beschleunigerpuls erzeugt werden. Es zeigte sich zunächst ein offensichtlicher Trend einer Verschiebung der getrennten Boards zu späteren Zeiten. Durch mehrere Fits an die Abweichungsverteilung und anschließende Korrektur konnte zunächst ein Spektrum wiederhergestellt werden, das vergleichbar mit den unbeschädigten Daten war. Bei einer detaillierten Analyse dieser neu gewonnen Daten zeigte sich jedoch eine Nichtlinearität in der Zeitverschiebung. Dies resultierte letztlich in einer Korrektur des Spektrums, allerdings nicht in einem Koinzidenzfenster von 10 ns, das für eine Wirkungsquerschnittsanalyse notwendig ist. Es wurde geschlussfolgert, dass durch die geringe Statistik in den einzelnen Flugzeitspektren solch eine Genauigkeit nicht zu erreichen ist.
Die Messung des Neutroneneinfangsquerschnitts von 83Kr konnte im Zuge dieser Arbeit erfolgreich durchgeführt werden. Es wurden zwei Messungen mit verschiedenen Strömen kombiniert. Eine Messung mit 40 µA wurde durchgeführt, um Pile-Up in der größten Resonanz bei 28 eV zu reduzieren. Die zweite Messung diente dann dem Sammeln von ausreichend Statistik in den nicht resonanten Bereichen. Die eingesetzte Leerkugel erlaubte eine saubere Subtraktion des Untergrundes von Probenhalterung, Gaskugel und Umgebung. Für die Skalierung der Messergebnisse wurde eine weitere Messung mit einer 5000 Å dicken Goldfolie durchgeführt. Zur Bestimmung der Detektoreffizienz konnten zunächst die durch den Neutroneneinfang entstandenen Abregungskaskaden der 84Kr Kerne mit DICEBOX modelliert werden. Diese Kaskaden wurden dann anschließend in GEANT3 Simulationen verwendet, um die Effizienz bestimmen zu können. Mit diesen Methoden erhielt man die Maxwell-gemittelten Wirkungsquerschnitte von kT = 5 keV - 100 keV. Bei der für den s-Prozess wichtigen Temperatur von kT = 30 keV wurde der Querschnitt bestimmt zu: MACS (30 keV) = (256,6 +- 14,2 (stat) +- 18,1(sys)) mb.
Dieser Wert ist in guter Übereinstimmung mit dem in der KADoNIS v0.3 Datenbank angegebenen Wert von MACS;KADoNIS (30 keV) = (243 +- 15) mb. Mit den so gewonnenen Wirkungsquerschnitten wurden außerdem die Reaktionsraten berechnet. Bei den anschließenden Netzwerkrechnungen mit dem Programm NETZ wurden die Auswirkungen der in dieser Arbeit gewonnenen Wirkungsquerschnitte im Vergleich zu den KADoNIS v0.3 Werten betrachtet. Dabei zeigte sich eine leicht erhöhte Produktion der stabilen Isotope 84Kr, 86Kr, 85Rb und 87Rb, sowie eine leichte Unterproduktion der stabilen Isotope 86-88Sr in der Hauptkomponente des s-Prozess. Ein ähnliches Bild zeigte sich in der He-Brennphase der schwachen Komponente. Der in dieser Arbeit gemessene Wirkungsquerschnitt bei hohen Temperaturen ist geringer als der in KADoNIS v0.3 angegebene, weswegen es bei der Simulation mit NETZ zu einer stark erhöhten Produktion von 83Kr in der C-Brennphase kommt.
Beim Auffinden menschlicher Überreste stellt sich neben der Beurteilung des postmortalen Intervalls auch konsequent die Frage nach der Möglichkeit des Vorliegens eines Tötungsdelikts. Da Weichgewebe nur in begrenztem Ausmaß Verwesung, Fäulnis oder Umwelteinflüssen standhält, ist dieses nur bedingt geeignet, auch langfristig Spuren von Gewalteinwirkung zu konservieren. Knochengewebe hingegen kann Läsionen noch nach langen Zeiträumen nahezu unverändert abbilden und stellt somit einen forensisch bedeutenden Spurenträger dar.
Im Rahmen dieser retrospektiven Studie sollte geklärt werden, inwieweit und in welchem Ausmaß bei Tötungsdelikten knöcherne Verletzungen entstehen. Ob bei definierten Formen letaler Gewalteinwirkung unterschiedliche Häufigkeiten des Auftretens knöcherner Verletzungen zu beobachten und zudem bevorzugte Körperregionen zu identifizieren sind, stellte eine weitere wesentliche Fragestellung der Arbeit dar.
Nach Auswertung der Sektionsprotokolle von insgesamt 897 im Institut für Rechtsmedizin in Frankfurt am Main obduzierten, im In- und Ausland begangenen Tötungsdelikten im Zeitraum 01.01.1994 bis 31.12.2014 zeigte sich, dass unabhängig von der Art der tödlichen Gewalteinwirkung 70,9% der Opfer mindestens eine knöcherne Verletzung aufwiesen und darüber hinaus bei insgesamt 45,5% der Opfer mehrfache knöcherne Verletzungen nachgewiesen werden konnten.
Zudem zeigte sich, dass unterschiedliche, definierte letale Gewalteinwirkungen entsprechend charakteristische Häufigkeiten und Verteilungen knöcherner Verletzungen zur Folge haben. So sind mit 92,6 % die häufigsten knöchernen Läsionen bei Schussopfern festzustellen. Nach stumpfer und scharfer Gewalt mit je 80 % und 66,3 % ließ sich auch nach tödlicher Gewalteinwirkung gegen den Hals in 53,3 % der Fälle mindestens eine knöcherne Läsion nachweisen.
Das Fehlen knöcherner Verletzungen in insgesamt 29% der im Auswertungszeitraum untersuchten 897 Tötungsdelikte zeigt auch, dass selbst bei knöchern unversehrten, vollständigen Skelettfunden ein Homizid keineswegs ausgeschlossen werden kann. Neben der gerichtlichen Leichenöffnung sind stets ergänzende forensische Aufarbeitungen der menschlichen Überreste zu fordern. Hierbei sind einerseits physikalische und chemische Methoden in Betracht zu ziehen, vor allem jedoch auch radiologische Untersuchungen. Weitere Untersuchungen der gewonnenen Ergebnisse im Rahmen einer weiteren Studie sollen klären, welcher Stellenwert der postmortalen Computertomographie zugesprochen werden kann.
Die vorliegende Promotionsarbeit befasst sich mit der retrospektiven Untersuchung von dentalen Implantaten, die nach Augmentation mit einem synthetischen Knochenersatzmaterial Nanobone® (Artoss, Rostock, Germany) inseriert wurden.
Ziel der vorangegangenen Studie war die Untersuchung, ob durch die Verkürzung der Einheilzeit von 6 auf 3 Monaten ein vergleichbares Ergebnis an Knochenneubildung erreicht werden kann. Es konnte gezeigt werden, dass eine Sinusbodenaugmentation mit dem synthetischen Knochenersatzmaterial Nanobone® schon nach einer Einheilzeit von 3 Monaten ein suffizientes Implantatbett vorweist und somit eine langzeitstabile Implantatrestauration (3-Jahres Follow up) ermöglicht.
Im Rahmen des 10-Jahres Follow-up konnten 12 der insgesamt 14 Patienten klinisch nachuntersucht werden.
Somit standen für die durchgeführte Nachuntersuchung noch 24 der insgesamt 27 Implantate zur Verfügung.
Hiervon wurden 17 Implantate nach 3 Monaten und 7 Implantate nach 6 Monaten inseriert.
Zehn Jahre nach der primären Augmentation und zweizeitigen Implantation zeigten sich bei der Nachuntersuchung 22 der 24 Implantate stabil und reizfrei in situ.
Die Parameter, die in der klinischen Untersuchung erhoben wurden waren, neben der festen und stabilen in situ Insertion der Implantate, eine Periotest-Messung (Medizintechnik Gulden, Modautal, Deutschland), das Bluten auf Sondieren (Bleeding on probing, BOP), die Bestimmung des Plaqueindex sowie die Untersuchung des Weichgewebes auf Rezessionen und Weichgewebsdehiszenzen.
Zwei der 24 Implantate mussten explantiert werden, eines davon bereits ein Jahr nach Implantation aufgrund von progredienten Entzündungszeichen und Lockerung.
Dies entspricht einer mittleren Implantatüberlebensrate von 91,66% oder einer Verlustrate von 8,34%.
Anders als im 3 Jahres Follow-up zeigte sich im Gruppenvergleich 3- zu 6 Monaten ein deutlicher Unterschied mit einer Implantatüberlebensrate in der 6- Monatsgruppe von 100% (7 von 7 Implantaten in situ) zu einer Implantatüberlebensrate der 3-Monatsgruppe von 88,24% (15 von 17 Implantaten in situ).
Somit ergibt sich ein deutlich besseres Outcome 10 Jahre post implantationem im Sinne einer erhöhten Implantatüberlebensrate und einer niedrigeren Komplikationsrate für die 6-Monatskontrollgruppe im Vergleich zu den Patienten, bei denen bereits 3 Monate post augmentationem implantiert wurde.
Die vorliegenden Untersuchungen zeigen, dass die Langzeitergebnisse nach Verwendung von alloplastischen KEM NanoBone®, auch nach 10 Jahren, mit vergleichbaren Langzeitergebnissen zu autologen Knochenersatz zur Knochenaugmentation im Oberkieferbereich mit gegebenenfalls kombinierter Sinusbodenaugmentation und zweizeitiger Implantatversorgung einhergehen.
Die Arbeit thematisiert weibliche Beiträge der graphischen Gattung der humorvollen und satirischen Zeichnung im "Golden Age" der Karikatur in Großbritannien. Ausgehend von den Begünstigungen und relativen Freiheiten weiblicher Bildproduktion in der vorviktorianischen Zeit, setzt die Untersuchung die zeichnerische Aktivität von Frauen in den Kontext von weiblicher "curiosity" und weiblichem "wit" in der Wahrnehmung neuer Interessenlagen der Aufklärung.
Exploring the ability of acoustic infant cry analysis for discriminating developmental pathologies
(2018)
This thesis aims at exploring the ability of acoustic infant cry analysis for discriminating developmental pathologies. Cries of healthy infants as well as cries of infants suffering from cleft lip and palate, hearing impairment, laryngomalacia, asphyxia and brain damage were recorded and acoustically analyzed. The acoustic properties of the infant cries were identified and tested on their suitability to predict the health state of the infants in an reliable, valid and objective way.
To test the reliability of infant cry analysis, Krippendorff’s Alpha coefficient was calculated to test how homogeneous cries of healthy infants as well as cries of infants suffering from various pathologies are.
To asses if valid methods exist for classifying infant cries, different approaches that can be used to differentiate between the groups and to predict the health state of the infants — e.g., analysis of variances, supervised-learning models and auditory discrimination by human listeners — were tested on their validity.
The objectivity of computer-based and human-based classification approaches was explored and techniques to enhance the objectivity for both approaches are proposed.
Computer-based approaches are more objective and reached higher sensitivity and specificity values in their classification to predict the health state of the infants. Especially C5.0 decision trees reached high and therefore promising classification results, even though infant cries have a great statistical spread and can be seen as very heterogeneous and are therefore not very reliable in general.
Das Zusammenspiel von experimentellen mit quantenchemischen Methoden ermoeglicht eine detaillierte Untersuchung der ablaufenden Mechanismen einer chemischen Reaktion auf molekularer Ebene. Insbesondere für quantenchemische Rechnungen zu molekularen Uebergangsmetall-Verbindungen haben sich die Methoden der Dichtefunktionaltheorie (DFT) als aeusserst leistungsfaehiges Forschungswerkzeug herausgestellt. Im Rahmen der DFT fehlt es allerdings prinzipiell an der Möglichkeit zur systematischen Verbesserung der erzielten Ergebnisse und DFT-Rechnungen zeigen eine hohe Abhängigkeit von der Natur der untersuchten molekularen Verbindungsklasse. Daher muss vor jeder mechanistischen Untersuchung ein jeweils optimaler DFT-Ansatz durch Vergleich mit hochgenauen Referenzrechnungen oder mit experimentellen Referenzdaten für relevante Vergleichssysteme identifiziert und gegebenenfalls kalibriert werden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden quantenchemische Rechnungen zur Reaktivität von Übergangsmetall-Verbindungen anhand von fünf Forschungsprojekten vorgestellt. Im ersten Kapitel werden die Ergebnisse für die Aktivierung kleiner Moleküle (Alkohole, Sauerstoff und Stickstoff) durch bifunktionelle Übergangsmetall-Pincer-Komplexe dargestellt. Das zweite Kapitel befasst sich mit der bioanorganischen Chemie von dinuklearen Kupfer-Sauerstoff-Komplexen. Die Auswahl einer geeigneten DFT-Methodik erfolgte in allen Fällen durch den Vergleich zu experimentellen Referenzdaten.
In Kooperation mit der Arbeitsgruppe Schneider wurden Eisen-Komplexe für die katalytische (De)hydrogenierung von Alkoholen entwickelt, eine wichtige Reaktion zur Funktionalisierung von Alkoholen zu Carbonylverbindungen. Durch DFT-Rechnungen konnte der ablaufende Katalysezyklus der (De)hydrogenierung des Modell-Substrats Methanol aufgeklärt und der geschwindigkeitsbestimmende Schritt identifiziert werden. Ebenfalls in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe Schneider wurde die selektive Reduktion von Sauerstoff zu Wasser, vermittelt durch einen dihydridischen Iridium-Komplex, untersucht. Da durch die beiden Hydrid-Liganden insgesamt vier Elektronen für die Reduktion von Sauerstoff zu Wasser bereitgestellt werden, sollte prinzipiell ein monomolekularer Reaktionsverlauf möglich sein. Detaillierte DFT-Rechnungen in Kombination mit experimentellen Kinetikmessungen ergeben starke Hinweise auf einen derartigen Reaktionspfad mit geschwindigkeitsbestimmender Sauerstoff-Aktivierung. Zuletzt wird ein weiteres Kooperationsprojekt mit derselben Arbeitsgruppe vorgestellt. Die protoneninduzierte
übergangsmetallvermittelte Spaltung von Stickstoff in zwei Metall-Nitrid-Komplexe stellt ein neuartiges synthetisches Konzept dar. Durch die Protonierung eines dinuklearen Molybdän-Stickstoff-Komplexes erfolgt die Spaltung in die entsprechenden Mo-Nitrid-Komplexe. Der Grund für die ungewöhnliche Änderung der Spin-Multiplizität bei der Protonierung der Molybdän-Komplexe konnte durch detaillierte quantenchemische Analysen identifiziert werden.
Im zweiten Kapitel werden Untersuchungen zur bioanorganischen Chemie von dinuklearen Kupfer-Sauerstoff-Komplexen vorgestellt. In der Natur werden viele (bio)chemisch relevante Prozesse durch übergangsmetallhaltige Enzyme unter moderaten Reaktionsbedingungen vermittelt. Kupferhaltige Enzyme sind unter Anderem für die hochselektive Oxidation organischer Substrate zuständig. Der Ansatz der Bioanorganik befasst sich mit der Übertragung der enzymatischen Struktur und/oder Funktion auf synthetische Modell-Verbindungen. Da die akkurate Beschreibung der Energien von dinuklearen Kupfer-Sauerstoff-Komplexen höchste Anforderungen an die angewandten quantenchemischen Methoden stellt, wurde eine geeignete DFT-Methode in aufwändigen Voruntersuchungen durch den Vergleich mit experimentellen Ergebnissen identifiziert. Mit Hilfe des so kalibrierten BLYP-D3-Ansatzes wurde in Kooperation mit der Arbeitsgruppe Meyer ein neuartiges Konzept für die baseninduzierte Isomerisierung des reaktiven Kerns etabliert. In einer weiteren Arbeit wurde die regio- und stereoselektive Hydroxylierung von nicht-aktivierten aliphatischen C-H-Bindungen in Steroid-Substraten mit Hilfe von mechanistischen DFT-Rechnungen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die stereochemische Anordnung des Liganden um den reaktiven Kupfer-Sauerstoff-Kern die Selektivität der Hydroxylierung bestimmt.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit inversen Problemen für partielle Differentialgleichungen. Moderne Lösungsverfahren solcher inversen Probleme müssen die zugehörige partielle Differentialgleichung (PDGL) oft sehr häufig lösen. Mit Hinblick auf die Rechenzeit solcher Verfahren stellt das häufige Lösen der PDGL den Hauptanteil der benötigten Rechenzeit dar. Daraus resultiert die Grundidee dieser Arbeit: es sollen Lösungsverfahren von inversen Problemen beschleunigt werden, indem die für die Vorwärtslösung benötigte Rechenzeit verringert wird. Genauer gesagt soll anstatt der Vorwärtslösung eine Approximation an diese, welche kostengünstig zu berechnen ist, verwendet werden. Für die Bestimmung einer kostengünstigen Annäherung an die Vorwärtslösung wird die Reduzierte Basis Methode, eine Modellreduktionstechnik, verwendet.
Das Ziel der klassischen Reduzierten Basis Methode ist es einen globalen Reduzierte Basis Raum (RB-Raum) zu konstruieren. Dabei handelt es sich um einen niedrigdimensionalen Teilraum des Lösungsraumes der PDGL, welcher für jeden Parameter aus dem Parameterraum eine gute Näherung der PDGL-Lösung liefert. Eine beispielhafte Methode zur Konstruktion eines solchen Raumes ist es, geschickt Parameter auszuwählen und die dazu gehörigen PDGL-Lösungen als Basisvektoren des RB-Raumes zu verwenden. Die orthogonale Projektion der PDGL auf diesen RB-Raum liefert die entsprechenden Reduzierte Basis Lösungen. Das Besondere in dieser Arbeit ist, dass die betrachteten PDGLn einen sehr hochdimensionalen und unbeschränkten Parameterraum besitzen, und es ist bekannt, dass dies für die Reduzierte Basis Methode eine immense Schwierigkeit darstellt.
In Kapitel 1 wird ein schlechtgestelltes inverses Modellproblem, die Rekonstruktion der Wärmeleitfähigkeit eines Gegenstandes aus der Messung der Temperatur desselben, eingeführt und das nichtlineare Landweber-Verfahren als iteratives Regularisierungsverfahren zur Lösung dieses inversen Problems vorgestellt. Die Grundlagen der Reduzierten Basis Methode werden dargelegt und es wird erläutert, warum die klassische Variante der Methode in diesem Kontext der Bildrekonstruktion versagt. Daraufhin wird der neuartig Ansatz, ein adaptiver Reduzierte Basis Ansatz, entwickelt. Die folgenden Schritte bilden die Grundlage dieses adaptiven Reduzierte Basis Ansatzes:
1. Sei ein RB-Raum gegeben, so projiziere den Lösungsalgorithmus des inversen Problems auf diesen RB-Raum.
2. Generiere mit Hilfe dieses projizierten Verfahrens neue Iterierte bis entweder eine Iterierte das inverse Problem löst oder bis der RB-Raum erweitert werden muss.
3. Im ersten Fall wird das Verfahren beendet, im zweiten Fall wird die zur aktuellen Iterierten gehörige Vorwärtslösung verwendet um den RB-Raum zu verbessern. Danach wird mit dem ersten Schritt fortgefahren.
Es wird also nach und nach ein lokal approximierender RB-Raum konstruiert, indem Parameter für neue Basisvektoren mittels einer projizierten Variante des Lösungsalgorithmus des inversen Problems gefunden werden. Das neuartige Reduzierte Basis Landweber-Verfahren ist das Hauptresultat von Kapitel 1, wobei das Verfahren ausführlich numerisch untersucht und mit dem ursprünglichen Landweber-Verfahren verglichen wird.
In Kapitel 2 dieser Arbeit soll der zuvor entwickelte adaptive Reduzierte Basis Ansatz auf ein komplexes und praxisrelevantes Problem angewandt werden. Insbesondere soll die dadurch entstehende neue Methode mit Hinblick auf Konvergenz theoretisch ausführlich untersucht werden. Daher widmet sich der zweite Teil dieser Arbeit dem Problem der Magnet Resonanz Elektrischen Impedanztomographie (MREIT).
Bei der MREIT handelt es sich um ein Bildgebungsverfahren, welches während der letzten drei Jahrzehnte entwickelt wurde. Dabei wird ein Gegenstand, an welchen Elektroden angeheftet sind, in einen Kernspintomographen gelegt und es ist das Ziel des Verfahrens die elektrische Leitfähigkeit des Gegenstandes zu bestimmen. Die dazu benötigten Daten werden folgendermaßen gewonnen: indem Strom an einer der Elektroden angelegt wird, wird ein Stromfluss erzeugt, welcher wiederum eine Änderung der Magnetflussdichte induziert. Diese kann mit Hilfe des Kernspintomographen gemessen werden, wodurch man einen vollen Satz innerer Daten zur Hand hat, sodass hoch aufgelöste Bilder der elektrischen Leitfähigkeit des Gegenstandes rekonstruiert werden können.
Als Lösungsalgorithmus für dieses praxisrelevante Problem wird der bereits bekannte Harmonische Bz Algorithmus vorgestellt. Das Problem und der Algorithmus werden mit Hinblick auf Konvergenz des Verfahrens untersucht und ein Konvergenzresultat, welches die bestehende Konvergenztheorie hin zu einem approximativen Harmonischen Bz Algorithmus erweitert, wird bewiesen. Dabei hängt das Resultat nicht davon ab welche Art von Approximation an die Vorwärtslösung der entsprechenden PDGL im approximativen Harmonischen Bz Algorithmus verwendet wird solange diese einer Regularitäts- und einer Qualitätsbedingung genügt. Damit folgt das zweite Hauptresultat dieser Arbeit: die numerische Konvergenz des Harmonischen Bz Algorithmus. Es soll dabei hervorgehoben werden, dass Konvergenzresultate im Bereich der inversen Probleme (sofern es sie gibt) meistens die Kenntnis der exakten Vorwärtslösung annehmen, sodass keine numerische Konvergenz des zugehörigen Verfahrens folgt (in einer numerischen Implementation wird stets eine Approximation an die Vorwärtslösung verwendet). Somit ist dieses Konvergenzresultat ein Schritt hin zur numerischen Konvergenz anderer Lösungsverfahren von inversen Problemen.
Da das theoretische Resultat von der Art der Approximation nicht abhängt, erhält man ebenfalls die Konvergenz des neuartigen Reduzierte Basis Harmonischen Bz Algorithmus, welcher die Kombination des in Kapitel 1 entwickelten adaptiven Reduzierte Basis Ansatzes und des Harmonischen Bz Algorithmus ist. In einer kurzen numerischen Untersuchung wird festgestellt, dass dieser Reduzierte Basis Harmonische Bz Algorithmus schneller als der Harmonische Bz Algorithmus ist, wobei die Qualität der Rekonstruktion gleichbleibend ist. Somit funktioniert der entwickelte adaptive Reduzierte Basis Ansatz auch angewandt auf dieses komplexe praxisrelevante inverse Problem der MREIT.
Die Tumorprotein-Familie des Proteins p53 besteht aus drei Familienmitgliedern p53, p63 und p73 mit diversen Funktionen als Transkriptionsfaktoren. p53 war das erste Mitglied dieser Familie, das im Jahre 1979 entdeckt wurde und wurde zunächst als krebsverursachendes Protein eingeordnet, weil es in vielen Tumorgeweben in erhöhter Menge vorgefunden wurde. Es wurde allerdings festgestellt, dass der Großteil dieser gefundenen p53-Proteine funktionsunfähig durch Mutationen in ihrer Aminosäuresequenz waren. Unmutiertes p53 hingegen führt zu einem Stopp von Zellteilung oder sogar Zelltod, sofern die Zellen genetischem Stress durch Strahlung oder mutagene Chemikalien ausgesetzt sind. Heute wird p53 als eines der wichtigsten Tumor-Unterdrückungsproteine betrachtet. Die beiden anderen Familienmitglieder p63 und p73 existieren in einer Vielzahl von Isoformen. Neben carboxyterminaler alternativer mRNA-Prozessierung (α, β, γ, usw. Isoformen) führen zwei unabhängige Promotoren auch zu zwei unterschiedlichen Aminotermini. Hier wird zwischen ΔN- und TA-Isoformen unterschieden. Im Falle von p63 treten zwei dominante Isoformen auf, ΔNp63α und TAp63α. Während ΔNp63α eine Rolle in der Differenzierung von Haut spielt, wurde TAp63α bisher ausschließlich in Eizellen gefunden. Dort hat es die Funktion eines Sensors, der die genetische Integrität der weiblichen Keimbahn sicherstellt. Es liegt in Eizellen in hoher Konzentration vor, allerdings in einer komplett inaktiven Form. Werden Schäden im der Erbgut der Eizelle festgestellt, so wird das Protein aktiviert und kann so den Prozess des Zelltods der Eizelle einleiten. Mutationen oder das Fehlen des p63-Genes führen zu Missbildungen während der Entwicklung und zu unvollständig ausgebildeter Haut. Im Falle von p73 gibt es ebenfalls mehrere Isoformen, wobei die Funktionen und Relevanzen der einzelnen Isoformen bisher nicht komplett geklärt werden konnten. Eine p73-negative Maus hat einen diffusen Phänotyp, der sich durch niedrige Intelligenz, fast sterile Männchen und chronische bronchiale Infektion auszeichnet. Generell sind alle Mitglieder der p53-Familie tetramere Proteine und sind nur in diesem Zustand auch aktiv. Die einzige Ausnahme stellt, wie oben beschrieben, TAp63α dar, das in einem inaktiven dimeren Zustand vorliegt und nur durch Modifikation durch zwei unabhängige Kinasen aktiviert werden kann. Dabei geht es in den tetrameren Zustand über und ist daraufhin aktiv.
Alle drei Proteine haben (anhand ihrer längsten Isoform beschrieben) eine konservierte Domänenstruktur. Am Aminoterminus befindet sich zunächst die transaktivierende-Domäne (TAD), die für Interaktionen mit transkriptionellen Koaktivatioren relevant ist. Danach folgt die stark konservierte Desoxyribonukleinsäure (DNA) bindende Domäne (DBD). Sie stellt sicher, dass der Transkriptionsfaktor sequenzspezifisch an der richtigen Stelle auf die DNA bindet. Weitergehend folgt die Tetramerisierungsdomäne (TD), welche den oligomeren Zustand des Proteins herstellt. Im Falle von p53 endet das Protein an dieser Stelle, bei p63 und p73 folgen noch das Sterile-Alpha-Motiv (SAM) und die Transkription-inhibierende Domäne (TID). Die SAM Domäne wird generell als Interaktionsdomäne beschrieben, es konnte allerdings bis dato kein Interaktionspartner gefunden werden. Die TID hat einen negativen Einfluss auf die transkriptionelle Aktivität der Proteine. Im Falle von TAp63α interagiert sie zusätzlich mit der TAD um den Dimeren Zustand zu stabilisieren.
Histon Acetylasen
Die Acetylierung von Histonen ist neben deren Methylierung die wichtigste Modifikation. Sie ist essenziell für die Transkription innerhalb aller eukaryontischen Lebewesen, da sie durch die Modifikation von Histonen die DNA für die DNA-Polymerase II zugänglich macht. Es gibt insgesamt fünf verschiedene, nicht näher miteinander verwandte Familien von Histonacetylasen. Diese Studie beschäftigt sich ausschließlich mit der KAT3 Familie, bestehend aus den Proteinen p300 und CBP. Beide sind hochgradig konserviert, in gefalteten Bereichen der Proteine erreicht die Sequenzidentität fast 100%. Beide Proteine scheinen sehr ähnliche Aufgaben zu erfüllen, die jedoch nicht komplett identisch sind. Die Fehlfunktion von einem Allel von CBP führt zum Krankheitsbild des Rubinstein-Taybi-Syndrom (RTS), während ein Mangel an p300 sich in Mäusen auf das Gedächtnis auswirkt. Der komplette Verlust beider Allele eines der Proteine ist immer tödlich, genauso wie auch Verlust jeweils eines Allels bei beiden Proteinen. Insgesamt vier unabhängige Domänen in p300/CBP sind in der Lange die transaktivierende Domänen der p53-Familie zu binden. Bei zwei der Domänen handelt es sich um Zinkfinger-Proteine (Taz1 und Taz2), die anderen beiden sind kleine, ausschließlich α-helikale Domänen (Kix und IBiD).
Diese Studie beschäftigt sich mit der Lösung von Strukturen von der transaktivierenden Domäne von p63 und p73 mit der p300-Domäne Taz2. Außerdem wurden die Auswirkungen von direkten Acetylierungen von TAp63α charakterisiert und der Effekt von einem potenten p300/CBP Inhibitor auf Oozyten unter genotoxischem Stress analysiert. Zusätzlich wurde die Phosphorylierungskinetiken von Tap63α wärend der Aktivierung durch Kinasen untersucht.
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In the course of this thesis we discuss a certain kind of supersolid, the lattice-supersolid, which can be realized using quantum gases in an optical lattice trap. The lattice-supersolid, which simultaneously possesses off-diagonal and diagonal long-range order in its density matrix and also breaks the discrete translational symmetry of an underlying lattice, is induced by self-ordering of the gas due to strong long-range van der Waals interactions. In the considered scenario, the interactions are facilitated by the excitation of atomic Rydberg states, which exhibit enhanced van der Waals forces.
In the first part of this thesis (chapters 1-3), we review the relevant basics of quantum gases, Rydberg physics and introduce the extended Bose-Hubbard model. We start with the relevant methods and devices of the vast toolbox available in common quantum gas experiments, as well as consider the main concepts behind superfluidity and supersolidity. This is followed by an introduction of some basic concepts of Rydberg atoms in quantum many-body systems, with a focus on the facilitation of long-range interactions and the implementation in a theoretical model. Thereafter a brief introduction is given, on the realization of the Bose-Hubbard model in optical lattice systems and its extension to include Rydberg states, which concludes the introductory part of this thesis.
In the following part (chapters 4-6), we introduce the theoretical tools used to derive the results presented in the final part. First, an introduction to a real-space extension of bosonic dynamical mean-field theory (RB-DMFT) for bosonic systems with long-range interactions in the Hartree approximation is given. This method is based on the non-perturbative self-consistent evaluation of the lattice Green’s function, which also incorporates the effect of nearest neighbor correlations due to the non-condensed particles. Then we focus on a quasiparticle expansion of the Bose-Hubbard model, which has its foundation in linearized fluctuations of a static mean-field ground-state, allowing for the prediction of a vast range of experimentally relevant observables. Lastly, we introduce an efficient truncation scheme for the local bosonic Fock-basis, which allows for the simulation of phases with high condensate density at a vastly reduced computational effort.
In the final part (chapters 7 and 8), we discuss the application of both methods to itinerant bosonic gases in two-dimensional optical lattices, in order to predict the equilibrium ground-state phases, as well as the signatures of supersolidity and its formation in spectral functions and the dynamic and static structure factor. Specifically, we focus on two limiting cases. Firstly, we consider a two-component gas, as realized by two hyperfine ground states, for example, of rubidium-87, where one component is off-resonantly excited to a Rydberg state, which generates a soft-core shaped interaction potential. Secondly, we discuss the opposing limit, using near-resonant excitations
of Rydberg states, where the interacting component now directly corresponds to the Rydberg state, which interacts via a van der Waals potential. In both cases we discuss the rich variety of supersolid phases, which are found for a wide range of parameters. We also discuss how some of these phases can be realized in experiment.
In the subsequent appendices (A to D) we discuss some methodological details. Most notably, we consider the possible Fock-extension of the Hartree approximation (appendix A), introduced in the RB-DMFT treatment of the extended Bose-Hubbard model.
A necessary requirement for a pharmacological effect is that a drug molecule tightly interacts with its disease relevant target molecule in the patient. Kinases are regulatory, signal transmitting enzymes and are a large protein family that belongs to the most frequent targets of pharmaceutical industry, as deregulation of kinases has been associated with the development of a variety of diseases, including cancer. In drug discovery, equilibrium binding metrics such as the affinity (Ki, KD) or potency (IC50, EC50) are usually applied for the systematic profiling for potent and selective drug candidates. In recent years, dynamic binding parameters, the drugs association (kon) and dissociation (koff) rates for desired primary-targets and undesired off-targets, were discussed to be better predictors than steady-state affinity per se (KD = koff / kon) for the onset and duration of the drug-target complex in the open in vivo environment and thereby for the therapeutic effect and safety of the drug. It is yet unclear whether and when the binding kinetics parameters can influence drug action in the complex context of pharmacokinetics and pharmacodynamics and how the kinetic rate constants can be optimized rationally. One major obstacle for providing proof for the hypothesis that drug binding kinetics is of importance for drug action is the generation of large and comparable binding kinetic datasets.
The aim of this thesis was the comprehensive analysis of the binding kinetic and affinity parameters of a diverse spectrum of 270 small-molecule kinase inhibitors against a panel of pharmacologically relevant kinases to study the role played by binding kinetics for drug discovery: The generated dataset was utilized to assess the effect of chemical properties on drug binding kinetics, and to evaluate the impact of kinetic rate constants on the success of compounds in the drug discovery pipeline.
Large scale profiling was made possible by a recently developed “kinetic Probe Competition Assay” (kPCA), whose evaluation is based on Motulsky’s and Mahan’s “kinetics of competitive binding” theory. Monte Carlo analyses performed in this dissertation widened the theoretical knowledge of this theory, provided new insights into its limitations and allowed to derive recommendations about how to best design assays. It was demonstrated that kPCA is indeed high-throughput compatible and that it is comparable to other biochemical and biophysical assay formats in terms of precision and accuracy.
Multivariable linear regression for the description of the determined kinase inhibitors’ target binding characteristics (kon or koff or KD) using molecular properties and/or particular kinase-inhibitor interactions as descriptors supported the assumption that molecular properties of compounds might affect binding kinetics, generated new hypothesis about molecular determinants influencing binding kinetic parameters and provided a rational basis for following structure-kinetic relationship studies. Remarkably, the binding kinetic rate constants were better described by the established models than binding affinities.
Interestingly, the systematic, quantitative analysis of kinase inhibitors’ target binding kinetics indicated that a slow dissociation rate for the main target is a feature which is more frequently observed in inhibitors that reached approval or late stage clinical testing than in earlier phases of clinical development. In addition, it was demonstrated that binding kinetics of kinase inhibitors is a better predictor for the time course of target engagement in cells as compared to affinity per se. Furthermore, in some study cases simulations using a standard pharmacokinetics model and a modified model considering the inhibitors binding kinetics lead to different in vivo kinase occupancy time profiles. It was illustrated by simulations how the concept of kinetic selectivity can be applied to turn an unselective compound in equilibrium conditions into a more selective compound in the open in vivo situation, where the thermodynamic equilibrium of drug-target binding is not necessarily reached.
Thus the generated data and models provide evidence for the importance of binding kinetics in drug discovery and represent a valuable resource for future studies in this field.
Translation is a universal process in all kingdoms of life and organized in a cycle that requires ribosomal subunits (40S and 60S), messenger RNA (mRNA), aminoacylated transfer RNAs (tRNAs), and a myriad of regulatory factors. As soon as translation reaches a stop codon or stalls, a termination or surveillance process is launched via release factors eRF1 or Pelota (Dom34), respectively. The ATP-binding cassette (ABC) protein ABCE1 interacts with release factors at the ribosomal A-site and coordinates the recycling process in Eukarya and Archaea. Two asymmetric nucleotide-binding sites (NBSs) control and execute the ribosome splitting upon dimerization and closure of the two nucleotide-binding domains (NBDs).
Ribosome nascent chain complexes (RNCs), ABCE1, and Dom34 from S. cerevisiae were produced for the reconstitution of splitting assays in order to probe for ABCE1’s actions in the splitting process with its native substrate. Translating ribosomes were stalled in vivo in a no-go situation on truncated mRNAs by a 3´-ribozyme motif that generates truncated mRNAs. The initiated decay mechanisms were circumvented by genomic deletion of the release factor Dom34 (Pelota) of the no-go decay machinery. The mRNA coded for an N terminal affinity purification tag (His-tag) and the green fluorescent protein (GFP) as a reporter of the translated nascent chain in the ribosomal complexes. RNCs were successfully in vivo stalled, enriched, and purified. In native gels, the reconstituted splitting experiments were analyzed by separation of RNCs, ribosomal subunits, and nascent chain-tRNA complexes based on the fluorescence readout of the GFP reporter. In addition, the anti-association factor eIF6 was added in the splitting reaction because it blocks the immediate re-association of ribosomal subunits after splitting. The anti-association activity of eIF6 was probed by an anti-/re-association assay, in which ribosomes are anti-associated by high salt and low magnesium conditions and in a second step re-associated. The re-association can be blocked by binding of eIF6 and other anti-associating factors to the ribosomal intersubunit sites. This approach allowed for the discovery of an anti-association activity of ABCE1 that was dependent on the non-hydrolysable ATP analog AMP-PNP. In addition, the formed complex between 40S and ABCE1 represented formally a post-splitting intermediate.
In collaboration with the Beckmann lab, the structure of the post-splitting complex was reconstructed at 3.9 Å. The ABC system of ABCE1 is fully closed and its N-terminal iron-sulfur (FeS) cluster domain is rotated by 150-degree to a cleft at helix 44 and uS12. The FeS cluster domain is stabilized by interactions of Pro30 to uS12, Arg7 to helix 5, and the cantilever arm that links it to NBD1. Tyr301 of NBD1 stabilizes the FeS cluster domain in the rotated position by interaction to the backbone of the cantilever arm. Upon transition to the post-splitting state, the FeS cluster domain must clash with the release factor and push it in between the ribosomal subunits like a wedge and split the ribosome. In addition, in the post-splitting state, the FeS cluster domain would putatively clash with uL14 of the large ribosomal subunit, and this is the structural explanation for the anti-association effect of ABCE1. In Archaea, a similar conformation of the post-splitting complex was reconstructed in collaboration with the Beck and Beckmann labs and Kristin Kiosze-Becker and Elina Nürenberg-Goloub. Based on the high-resolution structure of the post-splitting complex, the post-splitting state of ABCE1 was identified in the 43S initiation complex 40S–ABCE1–tRNA–eIF2–eIF3. Subsequently, we proposed the post-splitting complex as a platform for initiation.
In the quest to elucidate conformational dynamics of ABCE1, a reconstituted system was established to study conformational dynamics in real-time. Single-molecule Förster resonance energy transfer (smFRET) was used for the relative distance detection between a donor and acceptor fluorophore. A cysteine-less ABCE1 variant was engineered with additional cysteines for fluorescent labeling by thiol-maleimide-coupling. In collaboration with Philipp Höllthaler, the double-cysteine variants were labeled for smFRET studies and alternating-laser excitation (ALEX) smFRET measurements were performed with ABCE1 and the small ribosomal subunit. ABCE1’s nucleotide-dependent NBD dimerization and FeS cluster domain rotation was determined in real-time. Finally, a higher opening and closing frequency of the NBDs was discovered than the determined ATPase rate. This observation could be explained by the hypothesis of elastic dimerization that is not immediately connected to ATP hydrolysis.
The enzyme acetyl-CoA carboxylase (ACC) plays a fundamental role in the fatty acid metabolism. It regulates the first and rate limiting step in the biosynthesis of fatty acids by catalyzing the carboxylation of acetyl-CoA to malonyl-CoA and exists as two different isoforms, ACC1 and ACC2. In the last few years, ACC has been reported as an attractive drug target for treating different diseases, such as insulin resistance, hepatic steatosis, dyslipidemia, obesity, metabolic syndrome and nonalcoholic fatty liver disease. An altered fatty acid metabolism is also associated with cancer cell proliferation. In general, the inhibition of ACC provides two possibilities to regulate the fatty acid metabolism: It blocks the de novo lipogenesis in lipogenic tissues and stimulates the mitochondrial fatty acid β-oxidation. Surprisingly, the role of ACC in human vascular endothelial cells has been neglected so far. This work aimed to investigate the role of the ACC/fatty acid metabolism in regulating important endothelial cell functions like proliferation, migration and tube formation.
To investigate the function of ACC, the ACC-inhibitor soraphen A as well as an siRNA-based approach were used. This study revealed that ACC1 is the predominant isoform both in human umbilical vein endothelial cells (HUVECs) and in human dermal microvascular endothelial cells (HMECs). Inhibition of ACC via soraphen A resulted in decreased levels of malonyl-CoA and shifted the lipid composition of endothelial cell membranes. Consequently, membrane fluidity, filopodia formation and the migratory capacity were attenuated. Increasing amounts of longer acyl chains within the phospholipid subgroup phosphatidylcholine (PC) were suggested to overcompensate the shift towards shorter acyl chains within phosphatidylglycerol (PG), which resulted in a dominating effect on regulating the membrane fluidity. Most importantly, this work provided a link between changes in the phospholipid composition and altered endothelial cell migration. The antimigratory effect of soraphen A was linked to a reduced amount of PG and to an increased amount of polyunsaturated fatty acids (PUFAs) within the phospholipid cell membrane. This link was unknown in the literature so far. Interestingly, a reduced filopodia formation was observed upon ACC inhibition via soraphen A, which presumably caused the impaired migratory capacity.
This work revealed a relationship between ACC/fatty acid metabolism, membrane lipid composition and endothelial cell migration. The natural compound soraphen A emerged as a valuable chemical tool to analyze the role of ACC/fatty acid metabolism in regulating important endothelial cell functions. Furthermore, regulating endothelial cell migration via ACC inhibition promises beneficial therapeutic perspectives for the treatment of cell migration-related disorders, such as ischemia reperfusion injury, diabetic angiopathy, macular degeneration, rheumatoid arthritis, wound healing defects and cancer.
Nukleinsäuren besitzen neben der Speicherung und Übertragung der genetischen Information weitere vielfältige Funktionen in einem komplexen und dynamischen Netzwerk von gleichzeitig ablaufenden Prozessen in der Zelle. Die gezielte Kontrolle bestimmter Nukleinsäuren kann helfen, die jeweiligen Prozesse zu studieren oder auch zu manipulieren. Photoaktive Verbindungen, wie photolabile Schutzgruppen oder Photoschalter, sind ideal dazu geeignet die Struktur und Funktion von Nukleinsäuren zu studieren. Photolabile Schutzgruppen werden dazu meistens auf die Nukleobase installiert und stören die Watson-Crick Basenpaarung. Dies verhindert die Ausbildung einer Sekundärstruktur oder die Möglichkeit einen stabilen Doppelstrang zu bilden. Licht ist ein nicht-invasives Trigger-signal und kann mit hoher Orts- und Zeitauflösung angewendet werden, um selektiv die temporär geschützten Nukleinsäuren in der Zelle zu aktivieren.
Das erste Projekt dieser Arbeit ist eine Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Prof. Erin Schuman (MPI für Hirnforschung) und beschäftigt sich mit der lichtgesteuerten Regulation der miR-181a Aktivität in hippocampalen Neuronen von Ratten. Die Langzeitpotenzierung (LTP) ist der primäre Mechanismus von synaptischer Plastizität und somit essentiell für Lernen und Gedächtnis. Die langfristige Aufrechterhaltung von LTP erfordert eine gesteigerte (lokale) Proteinbiosynthese, ein Prozess, der noch nicht vollständig aufgeklärt ist. Die miR-181a reguliert die Genexpression von zwei für synaptische Plastizität wichtigen Proteinen, GluA2 und CaMKIIα. Mit einem lichtaktivierbaren AntimiR sollte der Einfluss der miR-181a auf die lokale Proteinsynthese von CaMKIIα und GluA2 untersucht werden. Photolabile Schutzgruppen sollen eine ortsaufgelöste Aktivierung des AntimiRs in den Dendriten ermöglichen. Ein Tracking-Fluorophor sollte die Lokalisierung des AntimiRs und eine gezielte Lichtaktivierung ermöglichen. Die Bindung der miRNA sollte fluoreszent visualisiert werden können, um eine Korrelation zwischen der inhibierten Menge an miR-181a und den neu synthetisierten CaMKIIα-Molekülen zu untersuchen. In diesem Projekt wurden drei Konzepte zur Synthese von lichtregulierbaren AntimiR-Sonden verglichen: Das erste Konzept verwendete eine Thiazolorange-basierte Hybridisierungssonde nach Seitz et al. Allerdings war mit diesem Konzept der Fluoreszenzanstieg zur Visualisierung der Hybridisierung zu gering. Im zweiten Konzept wurde ein dual-Fluorophor markierter Molecular Beacon entwickelt, bei dem die photolabilen Schutzgruppen in der Schleifen-Region die Hybridisierung der miR-181a vor Belichtung verhinderten. Nach Optimierung der Stammlänge, Anzahl und Position der photolabilen Schutzgruppen, sowie Auswahl des idealen Fluorophor-Quencher Paars, konnte nach UV-Bestrahlung in Anwesenheit der miR-181a ein signifikanter Anstieg des Hybridisierungsreporter-Fluorophors gemessen werden. Das dritte Konzept untersuchte lichtaktivierbare Hairpin-Sonden, bei denen ein Gegenstrang (Blockierstrang) über einen photospaltbaren Linker mit dem AntimiR verknüpft wurde. Dabei musste die optimale Länge des Blockierstrangs und die Anzahl der photo-spaltbaren Linker im Blockierstrang ermittelt werden, sodass die miR-181a erst nach Photoaktivierung das AntimiR binden und den Quencher-markierten Strang verdrängen konnte. Die in vitro Experimente vom Arbeitskreis Schuman waren zu dem Zeitpunkt des Einreichens dieser Arbeit noch nicht abgeschlossen. Erste Ergebnisse zeigten, dass der mRNA und Protein-Level von CaMKIIα eines gesamten hippocampalen Neurons durch ein nicht-lichtaktivierbare AntimiR um den Faktor ~1,5 gesteigert werden konnte. Zudem konnte durch die lokale Bestrahlung einer lichtaktivierbaren Hairpin-Sonde die lokale Gen-expression von CaMKIIα in einem Dendriten deutlich gesteigert werden.
Das zweite Projekt dieser Arbeit beschäftigte sich mit der reversiblen Lichtregulation von DNA und RNA durch Azobenzol Photoschalter. Azobenzole eignen sich ideal für die Regulation der Duplexstabilität, denn das planare trans-Azobenzol kann zwischen die Basen interkalieren und somit einen Doppelstrang stabilisieren. UV-Licht überführt das trans-Isomer in das cis-Isomer. Dies ist gewinkelt, benötigt mehr Platz und stört dadurch die Stabilität eines Nukleinsäuredoppelstrangs. Entscheidend für die Effizienz der Regulation der Duplexstabilität ist der Linker, der das Azobenzol mit der Nukleinsäure verknüpft. Während vorangegange Studien von Asanuma et al. unnatürliche Linker (D-Threoninol, tAzo) verwendeten, wurde in dieser Studie das Azobenzol mit der C1‘-Position von (Desoxy-)Ribose C-Nukleoside verknüpft, um Azobenzol (pAzo und mAzo) zu erhalten. Der Riboselinker sollte die helikale Natur der Nukleinsäure optimal nachahmen und möglichst wenig Störung des Ribose-Phosphat-Rückgrats bewirken. Thermische Stabilitätsstudien zeigten, dass UV-Licht induzierte trans-zu-cis Isomerisierung den Schmelzpunkt eines RNA- und DNA-Duplexes um 5,9 und 4,6 °C erniedrigte. Dabei führte der Austausch eines Nukleotids gegen pAzo oder mAzo zu einer effektiveren Regulation der Duplexstabilität als der zusätzliche Einbau eines Azobenzol C-Nukleosids in die Sequenz. Ein Vergleich mit dem in der Literatur etablierten System, tAzo, zeigte, dass pAzo und mAzo teilweise einen stärkeren Duplexdestabilisierungseffekt nach UV-Bestrahlung bewirkten.
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Massenspektrometrie-basierte Proteomuntersuchungen erfolgen auch heute überwiegend nach dem sogenannten Bottom-Up-Ansatz, d.h. die Identifizierung von Proteinen erfolgt auf der Basis von Peptiden, die chromatographisch gut voneinander getrennt werden können und massenspektrometrisch leichter zu analysieren sind als Proteine. Nach Identifikation der Peptide kann rekonstruiert werden, welche Proteine ursprünglich in der Probe vorgelegen haben. Zentraler Arbeitsschritt der Probenvorbereitung ist daher die Zerlegung des Proteins, die entweder chemisch oder - wie in den meisten Fällen – enzymatisch erfolgt. Trypsin ist das mit Abstand am häufigsten genutzte Enzym, da es eine hohe Schnittspezifität aufweist und sehr effizient ist. Der Trypsin-Verdau ist darüber hinaus sehr robust, d.h. er zeigt eine hohe Toleranz gegenüber Verunreinigungen, und zudem werden Peptide erzeugt, die sowohl gute Ionisations- als auch gute Fragmentierungseigenschafen aufweisen. Die durch Trypsin gebildeten Peptide enthalten neben dem basischen N-Terminus eine weitere basische Aminosäure am C-Terminus, so dass sie leicht zumindest doppelt-geladene Ionen bilden können und sehr häufig aussagekräftige C-terminale Fragmentioneserien liefern.
Neben den zahlreichen Vorteilen gibt es allerdings auch Nachteile. So können nach einem tryptischen Verdau in Abhängigkeit von der Verteilung der Schnittstellen Peptide entstehen, die entweder zu klein sind, um eine verlässliche Zuordnung zu einem Protein zu erlauben oder die zu groß sind für den Massenbereich des gewählten Massenanalysators. Eine vielversprechende Alternative zu Trypsin wäre ArgC, welches C-Terminal zu Argininen schneidet und somit im Durchschnitt größere Peptide mit Ionisations- und Fragmentierungseigenschaften ähnlich zu tryptischen Peptiden erzeugt. Das Enzym ArgC weist jedoch nur eine geringe Schnittspezifität auf und sein Trypsin-ähnliches Verhalten – also das Schneiden auch hinter Lysin - wurde öfters beobachtet und wird auch vom Hersteller angegeben. Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer Verdaumethode, die Peptide erzeugt, die ausschließlich auf Argininen enden.
Das Resultat der zu entwickelnden Verdaumethode sollte somit dem eines idealen enzymatichen ArgC-Verdaues entsprechen. Realisiert wurde der ArgC-ähnliche-Verdau durch den Einsatz von Trypsin, dessen enzymatischer Schnitt durch die chemische Derivatizierung der Substrat-Lysine auf Arginine reduziert wurde. Neben dem weiteren Einsatz von Trypsin sollte dieser "Quasi-Arg-C-Verdau" weitere systematische Vorteile für Proteomanalysen realisieren: Zum Ersten sollte die Anzahl von Fehlschnitt-Peptiden, die sich bei Trypsin insbesondere an Lysinen mit saurer chemischer Umgebung ergeben, reduziert werden, zum Zweiten sollten die Arg-C-Peptide sowohl durch ihre gewachsende Größe, als auch durch das mit dem C-terminalen Arginin verbesserte Fragmentierungsverhalten höhere Score-Werte bei der bioninformatischen Auswertung der MS-Daten ergeben.
Im ersten Teil wurden zunächst bioinformatische Werkzeuge entwickelt, die MALDI-MS-Dateien automatisiert prozessierten. Die entwickelten Programme umfassen die Identifizierung und relative Quantifizierung von Proteinen aus diesen Dateien. Des Weiteren wurde ein Programm zur Analyse von MALDI-ISD-Dateien entwickelt. Automatisierte Auswertungen gelangen durch die Erstellung von Workflows in der Datenanalyseplattform KNIME. Diese Workflows kombinieren in Python geschriebene Skripte und Funktionalitäten frei verfügbarer Programme wie "MSConvert" und "mMass".
Nach Erstellung der bioinformatischen Werkzeuge wurde die Methodenentwicklung zur Modifizierung der Lysine für verschiedene Reagenzien durchgeführt. Die Auswahl fiel auf vier Substanzen, von denen bekannt ist, dass sie unter milden Reaktionsbedingung im quantitativen Ausmaß mit Aminogruppen reagieren. Diese waren Sulfo-NHS-Acetat, Propionsäureanhydrid, Diethylpyrocarbonat und die reduktive Methylierung mit Formaldehyd und Picolin-Boran. Die Reaktionsbedingungen mussten zunächst für Proteine optimiert werden, da die publizierten Protokolle hauptsächlich zur Derivatizierung von Peptiden verwendet worden waren. Anschließend wurden die optimierten Protokolle für eine Protein- und Proteomprobe eingesetzt und die Resultate miteinander verglichen. Die Untersuchungen führten zu dem Ergebnis, dass sowohl auf Protein- als auch auf Proteomebene die Propionylierung des Lysins die besten Resultaten zeigte. Insbesondere ist hervorzuheben, dass alle ArgC-ähnlichen Ansätze unabhängig vom eingesetzten Reagenz zu besseren Ergebnissen in jeder der Untersuchungen führte als der klassische enzymatische ArgC-Verdau.
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The genetic mutation of the coagulation factor VIII (fVIII) results in a defective or missing protein, leading to a malfunctioning blood coagulation. The resulting disease is called hemophilia A. Depending on the severity of the mutation, affected patients experience an increased risk of pathologic bleeding after minor trauma or even sudden bleeding events. Substitution therapies with extrinsic fVIII exist using plasmatic or recombinant fVIII products. Due to an insufficient immune tolerance towards substituted fVIII, about 30 % of patients develop allogenic neutralizing antibodies (inhibitors) against substituted fVIII products. The gold standard of treating inhibitors is the immune tolerance induction (ITI), where patients are given frequent, high doses of fVIII to induce an immune tolerance. ITI therapy fails in about 30 % of patients. Mechanisms of action of ITI are part of research, as insufficient knowledge about mechanisms and prognostic factors complicate treatment. For example, the development of anti-idiotypic antibodies, which occur naturally as a regulatory mechanism of the immune system, are being studied. Such anti-idiotypes have been detected in immunoglobuline preparations and in patients after successful ITI.
Inhibitors interfere with fVIII function in coagulation by binding functional epitopes within fVIII domains. Inhibitors against the A2 and C2 domain are predominantly found, however also the C1 domain has been shown to be highly immunogenic in some patients. The polyclonality of inhibitors aggravates the understanding and treatment of these. The present project therefore focusses on the selection of synthetic anti-idiotypic antibodies to target inhibitors in patients. The phage display method was applied to, for one, isolate anti-idiotypic single chain variable fragments (scFvs) specific against human polyclonal anti-fVIII antibodies and second against two C1 domain-specific inhibitory monoclonal antibodies (mAbs).
In the first project, anti-fVIII antibodies were purified from human plasma to serve as target molecules. A previous project showed that using full plasma as a target did not yield anti-idiotypic antibodies from phage display. For the purification, protein A chromatography and fVIII coupled Affi Gel® chromatography were applied. The isolated antibodies were next used as targets for the selection of anti-idiotypic scFvs. Analysis revealed that none of the selected phages solely bound the anti-fVIII antibody target. Consequently, the test protocol was modified, which resulted in a reduction of unspecific binders. Yet, no target-specific binders were isolated from phage pools. Reason for this may have been the high diversity of the polyclonal antibody target and the limited diversity of the phage libraries.
The aim of the second project, was the selection and characterization of scFvs, that target the paratopes of C1 domain-specific mAbs GMA8011 and LE2E9. From a therapeutic viewpoint, the preparation of an anti-idiotypic antibody pool, tailored to each patient’s inhibitor population, could help neutralize inhibitors in patients. Ultimately, one GMA8011-specific scFv-carrying phage clone (H2C1) and two specifics to LE2E9 (H3G7, H3F10) were isolated. In further experiments, only the GMA8011-specific scFv showed competitive behavior in presence of fVIII, pointing towards an anti-idiotypic binding to the inhibitor paratope. The LE2E9-specific scFvs did not prevent binding of the inhibitor to fVIII. Hence, no anti-idiotypic behavior could be determined. For further characterization, selected scFvs were genetically fused to Fc antibody fragments and recombinantly produced. In this antibody format, all three scFvs showed concentration dependent binding to the target and the isotype control. The binding specificity to the target, observed in phage context, could not be reproduced. Competition experiments with fVIII confirmed that none of the scFvs bound the paratope of their target inhibitor.
The selection of anti-idiotypic scFvs from phage display libraries proves to be effortful. Polyclonal anti-fVIII antibodies purified from hemophilic plasma appear to be unsuitable as a target for phage display, likely due to the high diversity of the target molecules. Furthermore, the preparation of an individualized anti-idiotypic pools for patients by selecting scFvs against single inhibitory mAbs proves to be difficult. The selection of scFvs against anti-C1 inhibitors GMA8011 and LE2E9 produced three promising scFv-carrying phages. However, analysis could not detect anti-idiotypic behavior. Further research with inhibitors, monoclonal and polyclonal, and anti-idiotypic antibodies should be performed to bring better insight into the highly complex paratope-epitope interaction.
In this thesis we work on the theoretical description of relativistic heavy-ion collisions, focussing on electromagnetic probes. We present mainly four topics: electric conductivity and diffusion properties of the hot plasma and hadronic matter, response of the quark-gluon plasma to external magnetic fields, direct photon production in the quark-gluon plasma and a study about initial and final state effects in small systems. The latter topic aims, i.a., at a better understanding of the initial state, which is crucial for electromagnetic probes. In all research areas we make use of the Boltzmann transport equation, whereby the presented methods provide analytical and numerical solutions. We pay particular attention to the construction of complete leading order photon production processes in numerical transport simulations of the quark-gluon plasma.
To begin with, our findings are the complete conserved charge diffusion matrix and electric conductivity. Those properties are important ingredients, e.g., for future simulations of baryon rich collisions. Next, we find that the influence of external magnetic fields to the QGP dynamics is not quantifiable in observables.
We present results for a variety of direct photon observables and we can partly explain experimental data. We emphasize the importance of the chemical composition and non-equilibrium nature of the medium to the direct photon puzzle. Lastly, we observe the interesting dynamic behavior of azimuthal correlations in small systems and identify signatures of the initial state in final observables. This will also be of interest for more precise simulations of electromagnetic probes and allows for various future studies.
The continuous conversion of natural wildlife habitats into agricultural areas, as well as the fragmentation of the last wildlife refuges, is increasing the interface between people and wildlife. When wildlife negatively impacts on people and vice versa, we speak about human-wildlife conflicts (HWCs). This definition includes losses on both sides and takes into consideration the rooting of most of these conflicts between different groups of interest, such as advocates for nature conservation and economic groups. The centres of highest biodiversity are located in developing countries, which are also characterized by poverty. In African and Asian countries, people living in the vicinity of national parks and other conservation areas mostly receive only little support through the government or conservation organisations. Especially for those people who are dependent on agriculture, damage to fields and harvests can have catastrophic consequences. If the species causing damage is protected by national or even international law, the farmer is not allowed to use lethal methods, but has to approach the authority in charge. If this agency, however, cannot offer appropriate support, resentment, anger or even hate develops, and the support for wildlife conservation activities declines. For this reason, HWCs were declared as one of the most important conservation topics today, being particularly relevant for large and threatened species such as the African and Asian elephant, hippopotamus and the greater one-horned rhino, as well as for large predators. Up to today, no general assessment scheme has been recommended for damage caused by protected wildlife species.
In my study, HWCs in Asia and Africa are compared, focussing on all herbivorous species identified which damaged crops. For the French NGO Awely, des animaux et des hommes, I developed a detailed assessment scheme suitable for all terrestrial ecosystems, and any type of HWCs and any species (Chapter 2). This HWC assessment scheme was used in four different study areas located in two African countries (South Luangwa/Zambia (SL), Tarangire/Tanzania (TA)) and two Asian countries (Bardia/Nepal (BA) and Manas/India (MA)). This scheme ran for six consecutive years (2009 to 2014) for Zambia, Nepal and India and two years (2010 to 2011) for Tanzania. To carry out the assessments, I trained local HWC officers (Awely Red Caps) to assess HWCs by field observations (measurement of damage, identification of species through signs of presence, landscape attributes etc.) and interviews with aggrieved parties (socio economic data). Results of this assessment are presented in Chapters 2-4.
To determine whether elephants prefer or avoid specific crop species, two field experiments were carried out, one in SL and one in BA (Chapter 5 and 6). For this, two test plots were set up and damage by elephants (and other herbivores) were quantified.
Within this doctoral thesis, 3306 damage events of 7408 aggrieved parties were analysed. In three out of the four study areas (SL, BA, MA), elephants caused the highest number of damage events compared to all other wildlife species, however, in TA, most fields were damaged by zebra. Furthermore, the greater one-horned rhino, hippopotamus, wild boar, bushpig, deer and antelope, as well as primates, caused damage to fields and harvests. Damage to houses and other property were nearly exclusively caused by elephants.
With this doctoral thesis I was able to show that season, crop availability, type and the phenological stage of the crop played an important role for crop damaging behavior of herbivores (Chapter 2). Elephants especially damaged rice, maize and wheat and preferred all crop types in a mature stage of growth. In contrast, rhinos preferred wheat to rice and similar to antelope and deer, they preferred crops at earlier stages of growth, before ripening. Crop damage by wildlife species varied strongly in size; most damages fell below 40% of the total harvest per farmer, but in several cases (3 to 8% depending on the study area), harvests were completely destroyed. Interestingly, during times of low nutritional availability in the natural habitat (dry season), crop damages in all four study areas were significantly less than during other seasons.
In all four study areas, crop protection strategies, such as active guarding in the fields, chasing wildlife with noise or fire torches or erecting barriers, were used. In some cases protection strategies were combined. Analysis of data revealed that traditional protection strategies did not reduce the costs of damage (Chapter 3). In some cases, costs of damage, on protected fields were even higher than for unprotected fields. Only in MA did strategic and cohesive guarding significantly reduce crop damage by wildlife species.
Besides damage in the fields, elephants also caused damage to properties in the villages. In search for stored staple crops, they damaged houses, grain stores and kitchens. Such damage was analysed in three study areas (SL, BA, MA) (Chapter 4). Although property damage occurred less frequently compared to crop damage in the fields, the mean cost of this damage was found to be double in BA/MA and four times higher in SL, compared to the costs of crop damage in the fields. It is further remarkable that property damage significantly increased towards the dry season, when the harvest was brought into the villages.
The findings of this study underpin the assumption that wildlife herbivores, especially elephants, are lured to fields and crops because the highly nutritional food (crop) being readily available. Traditional crop protection is cost and labour intensive and does not reduce the costs of damage. For this reason, crop types, which are thought to be not consumed by elephants were systematically tested on their attractiveness in field experiments in SL and BA (Chapter 5 and 6). In SL, lemon grass, ginger and garlic were proven to be less attractive to African elephants than maize and in BA, basil, turmeric, chamomile, coriander, mint, citronella and lemon grass were found to be less attractive to Asian elephants than rice.
The results of this doctoral thesis are relevant for the management of wildlife conservation as they can lead to new approaches to the mitigation of HWCs in African and Asian countries. Finally, specific needs for more scientific research in this field have been identified.
This dissertation discusses the mutual influence between leaders and followers on perception, emotion and behavior, using an attachment theory perspective. Some individuals are more likely to be seen as leaders than others. On the one hand this is determined by the characteristics or attributes as well as skills of the person in question. However, on the other hand, followers’ perception and expectations play a big role as well, in particular which expectations of an ideal leader can be fulfilled by followers’ current leader. Although attachment theory and – styles have only recently entered the organizational psychology literature, this dissertation advances that literature by looking at the role of attachment orientations between leaders and followers. In doing so, this dissertation answers several recent research calls on this topic. The three main subsequent chapters discuss the predictive role of attachment orientations with regard to leader preferences, the transference of behavioural expectations from one leader to another, and the perception of leader prototypicality in groups. The first chapter discusses the connection between implicit leader preferences and attachment orientations as predictors. Results show that avoidant attached individuals prefer a more autonomous and independent leadership style, whereas anxious attached individuals prefer a supportive and team-oriented leadership style. In the second chapter I study the transference of behavioural expectations from one leader to another. Results show that avoidant attached individuals are more likely to engage in this transference process. In addition, I discuss and empirically test the influence of culture with regard to leader transference. In the final chapter, I examine the behavioural influence of attachment orientations on how likely someone is perceived to be a leader in groups. Based on 57 project groups, I find that team members actually perceive avoidant attached individuals to be the most leader-like. Put differently, given certain environmental conditions, insecure attachment orientations can be perceived as leaders. These results show that it is even more important that leaders somewhat adapt to their followers’ preferences and not commit to merely one particular leadership style.
Compact objects - black holes and neutron stars - are fascinating objects, not only for the astrophysicists, but for a wide range of researchers, including astronomers, theoretical physicists, particle and nuclear physicists, condensed matter physicists and arguably for the layman as well.
First theorized in the first part of the twentieth century, for a long time these objects have been considered just exotic ideas or mathematical curiosities. Pulsar were however detected in the late 1960s and readily identified as rotating, radiating neutron stars, while the first candidate black hole, Cygnus X-1, was observed in 1972. Since then the interest in these objects has steadily grown.
The reasons behind this interest are easily understood considering that compact object dwell at the intersection of many different areas of physics, and are ideal laboratories to explore the interplay between these areas.
Black holes, which are purely gravitational objects, are perfectly suited to study the nature of gravity, its manifestations such as gravitational waves, and the differences between various theories of gravity in the regime where they are expected to be most relevant, i.e. the strong field regime. However, just like any massive astrophysical object, black holes are interested by accretion phenomena, which are thought to be the power source of some very bright astrophysical emitters of electromagnetic signals, such as active galactic nuclei or X-ray binaries.
At the same time, black holes exist in a variety of different mass scales, from stellar mass to supermassive black holes billions of times heavier. The latter play a very important and yet not fully understood role in the formation and evolution of galaxies, as well as in shaping the large scale structure of the universe, making them relevant to cosmology as well.
Neutron stars share with black holes the characteristic of being gravitationally dominated systems; but because they are composed of baryon matter, they display a much richer behaviour. It has been realized early on that the matter in neutron star cores reaches extreme densities, exceeding the one in atomic nuclei. This means that neutron stars could provide invaluable information on the behaviour of matter in such extreme conditions (which are impossible to achieve in laboratory experiments), such as details of the nucleonic interaction, the properties of hyperons or of quark-gluon plasmas.
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The role of the homeobox transcription factor Meis2b in zebrafish heart development and asymmetry
(2018)
Zebrafish heart development: The heart of the zebrafish is the first organ to form and function during embryonic development, and is composed by one atrium and one ventricle. Between 5-17 somites stage, the cardiomyocyte precursors form the bilateral cardiac fields in the anterior lateral plate mesoderm (ALMP); where the endocardial precursors are located anterior to the cardiac fields (Zeng, Wilm et al. 2007). Then, the pools of endocardial andmyocardial precursors fuse at the midline and form the heart disc; where atrial cardiomyocytes are located around, the ventricular cardiomyocytes are located in the centerof the heart disc, and the future endocardium is located in a ventral position relative to the cardiomyocytes (Bakkers 2011). After the heart disc is formed, the cardiomyocyte progenitors start to migrate and rotate asymmetrically to form the heart tube (de Campos-Baptista, Holtzman et al. 2008, Rohr, Otten et al. 2008, Smith, Chocron et al. 2008). This process is followed by a rightward bending of the heart tube, and the arterial and venous poles rotate at different speed and directions (a process known as heart looping) (Smith, Chocron et al. 2008). The heart looping process results in a ventricle located on the right side and a more posterior atrium located on the left side with respect to the midline; at this point the atrium and ventricle are separated by a fine segment called the atrioventricular canal, where the valves will be formed (Staudt and Stainier 2012). The second heart field (SHF) is a pool of cardiac progenitors that are specified later during the formation of the heart disc and until the heart looping stages. The SHF contributes withcells to the distal side of the ventricle, the outflow and inflow tracts, and is important for the specification of the cardiac conduction system (de Pater, Clijsters et al. 2009, Hami, Grimes et al. 2011, Zhou, Cashman et al. 2011, Witzel, Jungblut et al. 2012, Guner-Ataman, Paffett-Lugassy et al. 2013)....
Macrophages in the tumor microenvironment respond to complex cytokine signals. How these responses shape the phenotype of tumor-associated macrophages (TAMs) is incompletely understood. Here we explored how cytokines of the tumor milieu, interleukin (IL)-6 and IL-4, interact to influence target gene expression in primary human monocyte-derived macrophages (hMDMs). We show that dual stimulation with IL-4 and IL-6 synergistically modified gene expression. Among the synergistically induced genes are several targets with known pro-tumorigenic properties, such as CC-chemokine ligand 18 (CCL18), transforming growth factor alpha (TGFA) or CD274 (programmed cell death 1 ligand 1 (PD-L1)). We found that transcription factors of the signal transducer and activator of transcription (STAT) family, STAT3 and STAT6 bind regulatory regions of synergistically induced genes in close vicinity. STAT3 and STAT6 co-binding further induces the basic leucine zipper ATF-like transcription factor (BATF), which participates in synergistic induction of target gene expression. Functional analyses revealed increased MCF-7 and MDA-MB 231 tumor cell motility in response to conditioned media from co-treated hMDMs compared to cells incubated with media from single cytokine-treated hMDMs. Flow cytometric analysis of T cell populations upon co-culture with hMDMs polarized by different cytokines indicated that dual stimulation promoted immunosuppressive properties of hMDMs in a PD-L1-dependent manner. Analysis of clinical data revealed increased expression of BATF together with TAM markers in tumor stroma of breast cancer patients as compared to normal breast tissue stroma. Collectively, our findings suggest that IL-4 and IL-6 cooperate to alter the human macrophage transcriptome, endowing hMDMs with pro-tumorigenic properties.
Ribonukleinsäure (ribonucleic acid, RNA) wirkt bei der Proteinbiosynthese nicht nur als Informationsüberträger, sondern kann auch beispielsweise durch sogenannten Riboschalter (auch Riboswitches) regulatorische Funktionen übernehmen. Riboschalter sind komplett aus RNA aufgebaut und man kann sie sich als molekulare Schalter vorstellen, die die Genexpression kontrollieren. Konzeptionell besteht ein Riboswitch aus zwei Untereinheiten, dem Aptamer und der Expressionsplattform. Das Aptamer bindet, üblicherweise sehr spezifisch, kleine organische Moleküle, aber auch Ionen. Diese Ligandenbindung induziert Änderungen in der Struktur des Riboswitches, welche wiederum die Expressionsplattform beeinflussen. Je nach Riboswitch ermöglicht oder verhindert dies schließlich die Genexpression. Die vorliegende Doktorarbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Etablierung von Methoden der optischen Spektroskopie zur Aufklärung von RNA-Dynamiken und -Strukturen im Allgemeinen und der Erforschung von Aptamerbindungsmechanismen im Besonderen.
Eine der dazu verwendetet Methoden ist die FTIR-Spektroskopie. Hierfür wurden zunächst kritische Parameter wie verschiedenste Messeinstellungen oder die Probenpräparation ausgiebig an RNA-Modellsträngen getestet. Dabei war es möglich, eine kleine Spektrenbibliothek als internen Standard aufzubauen. Gleichzeitig konnte gezeigt werden, dass kleinere RNA-Oligonukleotide (< ca. 20 Nukleobasen) gut mittels FTIR-Methoden untersucht werden können. Anschließend wurde eine statische Bindungsstudie am adenosin- sowie am guanosinbindenden Aptamer vorgenommen.
Die zweite hier vorgestellte Methode zur Untersuchung von RNA-Molekülen ist die Fluoreszenzspektroskopie. Im Gegensatz zur FTIR-Spektroskopie ist dazu allerdings eine Modifizierung der RNA durch ein Fluoreszenzlabel nötig. Deshalb beschäftigt sich der Hauptteil dieser Doktorarbeit mit der Charakterisierung und der Anwendung des quasi bifunktionellen RNA-Markers (auch RNA-Labels) Çmf. So wurden zunächst die photophysikalischen und photochemischen Eigenschaften des Markers untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass Çmf sich als lokale Sonde eignet, da es empfindlich auf Änderungen der Mikroumgebung in Lösung reagiert. Durch direkten Vergleich der optischen Eigenschaften von Çmf mit den entsprechenden Eigenschaften des Spinlabels Çm war es möglich, den starken Fluoreszenzlöschungseffekt (sog. quenching) des Çm aufzuklären. So kann davon ausgegangen werden, dass die Fluoreszenz des Çm durch eine sehr schnelle interne Konversion (IC) in einen dunklen Dublettzustand (D1) gelöscht wird.
Im nächsten Schritt wurde Çmf in RNA-Modellstränge eingebaut, um den Einfluss der RNA auf die Photochemie des Markers zu untersuchen. Dabei konnte gezeigt werden, dass sich dessen Fluoreszenzsignal abhängig von den direkten Nachbarbasen sowie abhängig vom Hybridisierungszustand signifikant ändert. Gleichzeitig konnte keine deutliche Veränderung der Stabilität der Modellstränge festgestellt werden. So konnte also nachgewiesen werden, dass sich Çmf sehr gut als lokale Sonde in RNA eignet. Im Speziellen wurde aus den Ergebnissen geschlossen, dass der Fluorophor für Ligandenbindungsstudien herangezogen werden kann.
Deshalb wurde Çmf schließlich an mehreren verschiedenen Stellen in das neomycinbindende Aptamer (N1) eingebaut, um dessen Bindungskinetik zu untersuchen. Mittels Stopped-Flow-Messungen war es möglich, die Bindungsdynamik des Aptamers zu beobachten. Anhand dieser transienten Daten konnte ein Zweischrittbindungsmodell abgeleitet werden. Dabei bindet Neomycin zunächst unspezifisch an das weitgehend vorgeformte Aptamer. Anschließend kommt es durch die Ausbildung von Wasserstoffbrücken zu einer spezifischen Bindung des Liganden am Aptamer.
Im dritten Teil dieser Arbeit geht es ebenfalls um die Entwicklung und Etablierung eines spektroskopischen Werkzeuges. Dabei stehen allerdings Rhodopsine im Mittelpunkt der Aufmerksamkeit. Hierbei handelt es sich um Membrantransportproteine, die nach optischer Anregung einen sehr schnellen Photozyklus mit mehreren Intermediaten durchlaufen. Es ist möglich, diese Intermediate dank transienter Absorptionsmessungen mit sehr guter zeitlicher und spektraler Auflösung zu beobachten. Allerdings besteht der Bedarf, diese Intermediate statisch zu präparieren, um sie näher charakterisieren und mit anderen Methoden, wie z.B. der Festkörper-NMR, vergleichen zu können.
Ein spektroskopisches Werkzeug zum Präparieren von frühen Photointermediaten ist kryogenes Einfangen (sog. Cryotrapping) dieser Intermediate. Im Rahmen dieser Arbeit wurden das Cryotrapping und die anschließende statische UV/vis-Absorptionsspektroskopie der fixierten (getrappten) Zustände optimiert und an einer Reihe von Rhodopsinen (ChR2, GPR) demonstriert.
Deep learning and isolation based security for intrusion detection and prevention in grid computing
(2018)
The use of distributed computational resources for the solution of scientific problems, which require highly intensive data processing is a fundamental mechanism for modern scientific collaborations. The Worldwide Large Hadron Collider Computing Grid (WLCG) is one of the most important examples of a distributed infrastructure for scientific projects and is one of the pioneering examples of grid computing. The WLCG is the global grid that analyzes data from the Large Hadron Collider (LHC) at the European Organization for Nuclear Research (CERN), with 170 sites in 40 countries and more than 600,000 processing cores. The grid service providers grant users access to resources that they can utilize on demand for the execution of custom software applications used for the analysis of data. The code that the users can execute is completely flexible, and commonly there are no significant restrictions. This flexibility and the availability of immense computing power increases the security challenges of these environments. Attackers are a concern for grid administrators. These attackers may request the execution of software with a malicious code that gives them the possibility of compromising the underlying institutions’ infrastructure. Grid systems need security countermeasures to keep the user code running, without allowing access to critical components but whilst still retaining flexibility. The administrators of grid systems also need to be continuously monitoring the activities that the applications are carrying out. An analysis of these activities is necessary to detect possible security issues, to identify ongoing incidents and to perform autonomous responses. The size and complexity of grid systems make manual security monitoring and response expensive and complicated for human analysts. Legacy intrusion detection and prevention systems (IDPS) such as Snort and OSSEC are traditionally used for security incident monitoring in the grid, cloud, clusters and standalone systems. However, IDPS are limited due to the use of hardcoded fixed rules that need to be updated continuously to cope with different threats.
This thesis introduces an architecture for improving security in grid computing. The architecture integrates the use of security by isolation, behavior monitoring and deep learning (DL) for the classification of real-time traces of the running user payloads also known as grid jobs. The first component of the proposal, the Linux containers (LCs), are used to provide isolation between grid jobs and to gather specific traceable information about the behavior of individual jobs. LCs offer a safe environment for the execution of arbitrary user scripts or binaries, protecting the sensitive components of the grid member organizations. The containers consist of a software sandboxing technique and form a lightweight alternative to other technologies such as virtual machines (VMs) that usually implement a full machine-level emulation and can, therefore, significantly affect the performance. This performance loss is commonly unacceptable in high-throughput computing scenarios. Containers enable the collection of monitoring information from the processes running inside them. The data collected via the LCs monitoring is employed to feed a DL-based IDPS.
DL methods can acquire knowledge from experience, which eliminates the need for operators to formally specify all the knowledge that a system requires. These methods can improve IDPS by building models that are utilized to detect security incidents automatically, having the ability to generalize to new classes of issues. DL can produce lower false positive rates for intrusion detection, but also provides a measure of false negatives, which can be improved with new training data. Convolutional neural networks (CNNs) are utilized for the distinction between regular and malicious job classes. A set of samples is collected from regular production grid jobs from the grid infrastructure of “A Large Ion Collider Experiment” (ALICE) and malicious Linux binaries from a malware research website. The features extracted from these samples are utilized for the training and validation of the machine learning (ML) models. The utilization of a generative approach to enhance the required training data is also proposed. Recurrent neural networks (RNN) are used as generative models for the simulation of training data that complements and improves the real collected dataset. This data augmentation strategy is useful to supplement the lack of training data in ML processes.
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The fungal interaction with plants is a 400 million years old phenomenon, which presumably assisted in the plants’ establishment on land. In a natural ecosystem, all plant-ranging from large trees to sea-grasses-are colonized by fungal endophytes, which can be detected inter- and intracellularly within the tissues of apparently healthy plants, without causing obvious negative effects on their host. These ubiquitous and diverse microorganisms are likely playing important roles in plant fitness and development. However, the knowledge on the ecological functions of fungal root endophytes is scarce. Among possible functions of endophytes, they are implicated in mutualisms with plants, which may increase plant resistance to biotic stressors like herbivores and pathogens, and/or to abiotic factors like soil salinity and drought. Also, endophytes are fascinating microorganisms in regard to their high potential to produce a great spectrum of secondary metabolites with expected ecological functions. However, evidences suggest that the interactions between host plants and endophytes are not static and endophytes express different symbiotic lifestyles ranging from mutualism to parasitism, which makes difficult to predict the ecological roles of these cryptic microorganisms. To reveal the ecological function of fungal root endophytes, this doctoral thesis aims at assessing fungal root endophytes interactions with different plants and their effects on plant fitness, based on their phylogeny, traits, and competition potential in settings encompassing different abiotic contexts. To understand the cryptic implication of nonmycorrhizal endophytes in ecosystem processes, we isolated a diverse spectrum of fungal endophytes from roots of several plant species growing in different natural contexts and tested their effects on different model plants under axenic laboratory conditions. Additionally,we aimed at investigating the effect of abiotic and biotic variables on the outcome of interactions between fungal root endophytes and plants.
In summary, the morphological and physiological traits of 128 fungal endophyte strains within ten fungal orders were studied and artificial experimental systems were used to reproduce their interactions with three plant species under laboratory conditions. Under defined axenic conditions, most endophytes behaved as weak parasites, but their performance varied across plant species and fungal taxa. The variation in the interactions was partly explained by convergent fungal traits that separate groups of endophytes with potentially different niche preferences. According to my findings, I predict that the functional complementarity of strains is essential in structuring natural root endophytic communities. Additionally, the responses of plant-endophyte interactions to different abiotic factors, namely nutrient availability, light intensity, and substrate’s pH, indicate that the outcome of plant-fungus relationships may be robust to changes in the abiotic environment. The assessment of the responses of plant endophyte interactions to biotic context, as combinations of selected dominant root fungal endophytes with different degrees of trait similarity and shared evolutionary history, indicates that frequently coexisting root-colonizing fungi may avoid competition in inter-specific interactions by occupying specific niches, and that their interactions likely define the structure of root-associated fungal communities and influence the microbiome impacts on plant fitness.
In conclusion, my findings suggest that dominant fungal lineages display different ecological preferences and complementary sets of functional traits, with different niche preferences within root tissues to avoid competition. Also, their diverse effects on plant fitness is likely host-isolate dependent and robust to changes in the abiotic environment when these encompass the tolerance range of either symbiont.
Die Vasektomie stellt eine der einfachsten und effektivsten Methoden der permanenten Empfängnisverhütung dar. Trotzdem bevorzugen mehr Paare die Tubenligatur der Frau, die verglichen mit der Vasektomie sowohl größere Kosten als auch größere Risiken mit sich bringt. Durch mangelnde Informationen haben immer noch viele Männer Angst, dass sich eine Vasektomie negativ auf ihr Sexualleben auswirken könnte. Mit dieser Studie sollten diese Auswirkungen näher untersucht werden, um Männern und auch ihren Partnerinnen die Angst vor möglichen negativen Konsequenzen zu nehmen.
Hierfür wurden 294 vasektomierten Männern und ihren Partnerinnen drei Fragebögen zugeschickt. 95 Männer beantwortete den allgemeinen Fragebogen, 90 den IIEF und 74 Frauen den FSFI Fragebogen. Die Ergebnisse wurden mit Kontrollgruppen aus der Literatur verglichen.
Im IIEF-Fragebogen erreichten die vasektomierten Männer in allen fünf Domänen signifikant höhere Scores als das Vergleichskollektiv mit einer erektilen Dysfunktion aus der Literatur. In vier der fünf Domänen erreichten sie signifikant höhere Scores als die gesunde Kontrollgruppe aus der Literatur. Nur in der Domäne „generelle Zufriedenheit“ gab es keinen signifikanten Unterschied.
Die Partnerinnen der vasektomierten Männer erreichten in allen 19 Fragen des FSFI-Fragebogens sowie in allen sechs Domänen signifikant höhere Scores als Patientinnen mit einer sexuellen Dysfunktion aus der Literatur. In allen 19 Fragen und fünf der sechs Domänen gab es keinen signifikanten Unterschied zu der gesunden Kontrollgruppe aus der Literatur. Lediglich in der Domäne „Erregung“ hatten die Partnerinnen vasektomierter Männer signifikant bessere Ergebnisse.
Die Vasektomie hat keine negativen Auswirkungen auf das Sexualleben des Paares. Die Zufriedenheit der Partnerinnen wird nicht negativ beeinflusst. Die vasektomierten Männer sind mit ihrem Sexualleben sogar zufriedener und erzielen signifikant bessere Werte im IIEF-Fragebogen als eine nicht-vasektomierte Kontrollgruppe.
Ein Hauptziel dieser Arbeit war die spektroskopische Charakterisierung einer neuartigen photolabilen Schutzgruppe (Photocage). Diese besteht aus dem weitverbreiteten (7-Diethylaminocumarin)methyl (DEACM), welches zusätzlich mit einer Art Antenne (ATTO 390) ausgestattet ist. Letztere soll die Zwei-Photonen-Absorption (2PA) erleichtern, was neben dem Energietransfer von der Antenne zur photolabilen Schutzgruppe sowie die Freisetzungsreaktion eines gebundenen Effektormoleküls untersucht wurde. Der Nachweis der erhöhten 2PA wurde durch Zwei-Photonen-induzierte Fluoreszenz erbracht, welche die Bestimmung des Zwei-Photonen-Einfangquerschnitts ermöglicht. Die 2PA wurde durch Messungen mit variierender Anregungsenergie an Rhodamin B und dem neuartigen Antennen-Photocage-System bestätigt, welche eine fast perfekte quadratische Abhängigkeit der Fluoreszenzintensität nach vorangegangener 2PA widerspiegelten. Die Werte des Zwei-Photonen-Einfangquerschnitts der neuartigen photolabilen Schutzgruppe sind über alle Wellenlängen hinweg größer als die von DEACM-OH. Der Beweis eines intramolekularen Energietransfers von der Antenne zu DEACM erfolgte durch transiente Absorptionsspektroskopie. Hierfür wurde der Photocage mit 365nm angeregt, was überwiegend die Antenne adressiert. Ein intramolekularer Energietransfer konnte mit einer Zeitkonstante von 20 ps beobachtet werden, welcher wahrscheinlich von einem nachgelagerten Ladungstransfer von DEACM auf ATTO 390 begleitet wurde. Die Funktionalität des neuartigen Photocages wurde durch Aufnahme von Absorptionsspektren im IR-Bereich während kontinuierlicher Belichtung bei 365 nm untersucht. Hierbei konnte die Entstehung der intensiven Absorption von Kohlendioxid aufgrund der Photodecarboxylierung detektiert werden. Absorptionsänderungen während kontinuierlicher Belichtung wurden ebenfalls im UV/Vis-Bereich detektiert, in welchen eine hypsochrome Verschiebung der langwelligen Absorptionsbande sowie ein Anstieg der Absorption festgestellt wurden. Hieraus konnte eine Quantenausbeute der Freisetzungsreaktion von 1,5% ermittelt werden. Die Ergebnisse zum Antennen-Photocage-System zeigen auf, dass durch Anbringen einer Antenne die 2PA verbessert werden kann, ohne die Funktionalität des Freisetzungsprozesses negativ zu beeinflussen. In einem nächsten Schritt zielen Verbesserungen des untersuchten Photocages darauf ab, den Ladungstransfer zu unterdrücken. Die Validierung dieses Ansatzes sollte die Einführung anderer Antennen mit erhöhten Zwei-Photonen-Einfangquerschnitten, wie z.B. Quantenpunkte, weiter motivieren. Der zweite Ergebnisteil dieser Arbeit konzentriert sich auf drei verschiedene Photosysteme, die sich durch eine sehr kurzlebige Fluoreszenz auszeichnen, welche mit einem Kerrschalter aufgenommen wurde. Das erste der drei untersuchten Systeme umfasst eine kooperative BODIPY-DTE-Dyade(Bordipyrromethen-Dithienylethen), die einen hocheffizienten photochromen Förster-Resonanzenergietransfer aufweist. Dieser wurde durch verkürzte Lebenszeiten der Differenzsignale im transienten Absorptionsspektrum der Dyade im photostationären Zustand abgeleitet. In diesem stellt BODIPY-DTE eine hochkonjugierte Einheit dar, welches durch die geschlossene Form des photochromen DTEs einen Energietransfer vom photoangeregten BODIPY zum DTE ermöglicht. Bei diesem Prozess wird die Fluoreszenz des Donors um einige Größenordnungen reduziert. Die Ergebnisse der transienten Absorptionsmessung wurde durch ein zeitaufgelöstes Fluoreszenzexperimentbestätigt. Die detektierte Fluoreszenztransiente zerfällt mit einer Zeitkonstante von etwa 15 ps und weist somit sehr hohe Ähnlichkeit mit dem Signal des Grundzustandsbleichens (GSB) aus dem transienten Absorptionsexperiment auf. Des Weiteren wurde die photochrome Ringschlussreaktion eines wasserlöslichen Indolylfulgimids spektroskopisch charakterisiert. Transiente Absorptionsmessungen geben einen direkten Einblick in den Mechanismus der Reaktion, in welcher, nach Photoanregung, die Relaxation aus dem Franck-Condon Bereich und die schnelle biphasische Relaxation des Moleküls über die konische Durchschneidung abgeleitet werden kann. Zusätzlich wurden zeitaufgelöste Fluoreszenzmessungen mit Hilfe des Kerrschalters durchgeführt, da die stimulierte Emission (SE) in transienten Absorptionsmessungen durch die Überlagerung mehrerer Signale nicht vollständig zu erkennen war. Die globale Lebensdaueranalyse der mit dem Kerrschalter aufgenommenen Breitband-Fluoreszenz lieferte drei Zeitkonstanten, welche wesentliche Übereinstimmung mit den Zeitkonstanten aus der globalen Lebensdaueranalyse der transienten Absorptionsmessungen aufweisen. Schlussendlich wurde die Deaktivierung des elektronisch angeregten Zustands des flavinbindenden Dodecins aus Mycobacterium tuberculosis mit Hilfe von unterschiedlichen spektroskopischen Methoden charakterisiert. Stationäre Fluoreszenzmessungen bei unterschiedlichen pH-Werten zeigten bei pH 5 eine im Vergleich zu nahezu physiologischen Bedingungen (pH 7,5)reduzierte Fluoreszenz auf. Auffällig ist, dass diese Beobachtungen durch transiente Absorptionsmessungen nicht bestätigt werden konnten, da diese eine große Ähnlichkeit bezüglich der Dynamik und der spektralen Signatur zueinander besaßen. Ein negatives Signal, hervorgerufen durch die SE, wurde hierbei nicht gefunden. Allerdings konnte in den zerfallsassoziierten Spektren eine spektrale Signatur beobachtet werden, die auf eine SE hindeutete, welche allerdings mit größeren positiven Signalen überlagert ist. Dieser Aspekt wurde in einer Kerrschalter-Messung untersucht, in der eine schwache Emission bei pH 7,5 festgestellt werden konnte. Zusätzlich wies die Zerfallsdynamik der Emission Übereinstimmung mit dem GSB-Signal aus den transienten Absorptionsmessungen auf.
Antimicrobial resistance became a serious threat to the worldwide public health in this century. A better understanding of the mechanisms, by which bacteria infect host cells and how the host counteracts against the invading pathogens, is an important subject of current research. Intracellular bacteria of the Salmonella genus have been frequently used as a model system for bacterial infections. Salmonella are ingested by contaminated food or water and cause gastroenteritis and typhoid fever in animals and humans. Once inside the gastrointestinal tract, Salmonella can invade intestinal epithelial cells. The host cell can fight against intracellular pathogens by a process called xenophagy. For complex systems, such as processes involved in the bacterial infection of cells, computational systems biology provides approaches to describe mathematically how these intertwined mechanisms in the cell function. Computational systems biology allows the analysis of biological systems at different levels of abstraction. Functional dependencies as well as dynamic behavior can be studied. In this thesis, we used the Petri net formalism to gain a better insight into bacterial infections and host defense mechanisms and to predict cellular behavior that can be tested experimentally. We also focused on the development of new computational methods.
In this work, the first realization of a mathematical model of the xenophagic capturing of Salmonella enterica serovar Typhimurium in epithelial cells was developed. The mathematical model expressed in the Petri net formalism was constructed in an iterative way of modeling and analyses. For the model verification, we analyzed the Petri net, including a computational performance of knockout experiments named in silico knockouts, which was established in this work. The in silico knockouts of the proposed Petri net are consistent with the published experimental perturbation studies and, thus, ensures the biological credibility of the Petri net. In silico knockouts that have not been experimentally investigated yet provide hypotheses for future investigations of the pathway.
To study the dynamic behavior of an epithelial cell infected with Salmonella enterica serovar Typhimurium, a stochastic Petri net was constructed. In experimental research, a decision like "Which incubation time is needed to infect half of the epithelial cells with Salmonella?" is based on experience or practicability. A mathematical model can help to answer these questions and improve experimental design. The stochastic Petri net models the cell at different stages of the Salmonella infection. We parameterized the model by a set of experimental data derived from different literature sources. The kinetic parameters of the stochastic Petri net determine the time evolution of the bacterial infection of a cell. The model captures the stochastic variation and heterogeneity of the intracellular Salmonella population of a single cell over time. The stochastic Petri net is a valuable tool to examine the dynamics of Salmonella infections in epithelial cells and generate valuable information for experimental design.
In the last part of this thesis, a novel theoretical method was introduced to perform knockout experiments in silico. The new concept of in silico knockouts is based on the computation of signal flows at steady state and allows the determination of knockout behavior that is comparable to experimental perturbation behavior. In this context, we established the concept of Manatee invariants and demonstrated the suitability of their application for in silico knockouts by reflecting biological dependencies from the signal initiation to the response. As a proof of principle, we applied the proposed concept of in silico knockouts to the Petri net of the xenophagic recognition of Salmonella. To enable the application of in silico knockouts for the scientific community, we implemented the novel method in the software isiKnock. isiKnock allows the automatized performance and visualization of in silico knockouts in signaling pathways expressed in the Petri net formalism. In conclusion, the knockout analysis provides a valuable method to verify computational models of signaling pathways, to detect inconsistencies in the current knowledge of a pathway, and to predict unknown pathway behavior.
In summary, the main contributions of this thesis are the Petri net of the xenophagic capturing of Salmonella enterica serovar Typhimurium in epithelial cells to study the knockout behavior and the stochastic Petri net of an epithelial cell infected with Salmonella enterica serovar Typhimurium to analyze the infection dynamics. Moreover, we established a new method for in silico knockouts, including the concept of Manatee invariants and the software isiKnock. The results of these studies are useful to a better understanding of bacterial infections and provide valuable model analysis techniques for the field of computational systems biology.
Bei Autismus-Spektrum-Störungen (ASS) handelt es sich um genetisch komplexe Störungen mit hoher Erblichkeit. Als zugrundeliegender Pathomechanismus von ASS werden unter anderem Veränderungen der neuronalen Entwicklung diskutiert. Der Phänotyp von ASS ist definiert durch Einschränkungen in der sozialen Interaktion und Kommunikation sowie repetitives und stereotypes Verhalten. Genkopiepolymorphismen (englisch „copy number variations“/CNVs), also Deletionen oder Duplikationen einer chromosomalen Region, wurden wiederholt in Probanden mit ASS identifiziert. Hierbei ist in ASS die Region 16p11.2 mit am häufigsten von CNVs betroffen. Einige Gene aus diesem chromosomalen Abschnitt wurden bereits funktionell charakterisiert. Dennoch können die Befunde der bisherigen Einzelgenstudien nicht alle Aspekte erklären, die durch 16p11.2 CNVs hervorgerufen werden. Ziel dieser Studie war es daher, ein weiteres neuronal assoziiertes Kandidatengen dieser Region zu identifizieren und im Anschluss funktionell im Kontext der neuronalen Differenzierung zu charakterisieren.
Das SH-SY5Y Neuroblastom-Zellmodell wurde auf Transkriptom- und morphologischer Ebene auf seine Eignung als Modell für neuronale Differenzierung untersucht und bestätigt. Eine Analyse der Expressionen aller Gene der 16p11.2-Region zeigte, dass das Gen Quinolinat-Phosphoribosyltransferase (QPRT) eine vergleichsweise hohe Expression mit der stärksten und robustesten Regulierung über die Zeit aufwies. Eine de novo Deletion der 16p11.2-Region wurde in einem Patienten im Vergleich zu seinen Eltern validiert. In Patienten-spezifischen lymphoblastoiden Zelllinien derselben Familie konnten wir eine Gendosis-abhängige Expression von QPRT auf RNA-Ebene bestätigen. In SH-SY5Y-Zellen korrelierte die Expression von QPRT signifikant mit der Entwicklung von Neuriten während der Differenzierung. Um QPRT funktionell zu charakterisieren, benutzten wir drei verschiedene Methoden zur Reduktion der QPRT-Gendosis: (i) knock down (KD) durch siRNA, (ii) chemische Inhibition durch Phthalsäure und (iii) knock out (KO) über CRISPR/Cas9-Geneditierung. Eine Reduktion von QPRT durch siRNA führte zu einer schwachen Veränderung der neuronalen Morphologie differenzierter SH-SY5Y-Zellen. Die chemische Inhibition sowie der genetische KO von QPRT waren letal für differenzierende aber nicht für proliferierende Zellen. Eine Metabolitenanalyse zeigte keine Veränderungen des QPRT-assoziierten Tryptophanstoffwechsels. Gene, welche auf Transkriptomebene im Vergleich zwischen KO- und Kontrollzellen differenziell reguliert vorlagen, waren häufig an Prozessen der neuronalen Entwicklung sowie an der Bildung, Stabilität und Funktion synaptischer Strukturen beteiligt. Die Liste differenziell regulierter Gene enthielt außerdem überdurchschnittlich viele ASS-Risikogene und ko-regulierte Gengruppen waren assoziiert mit der Entwicklung des dorsolateralen präfrontalen Cortex, des Hippocampus sowie der Amygdala.
In dieser Studie zeigten wir einen kausalen Zusammenhang zwischen QPRT und der neuronalen Differenzierung in vitro sowie einen Einfluss von QPRT auf die Regulation von ASS-assoziierten Genen und Gen-Netzwerken. Funktionell standen diese Gene im Kontext mit synaptischen Vorgängen, welche durch Veränderungen zu einem Exzitations-Inhibitions-Ungleichgewicht und letztendlich zum Zelltod von Neuronen führen können. Unsere Ergebnisse heben in Summe die wichtige Rolle von QPRT in der Krankheitsentstehung von ASS, insbesondere in Trägern einer 16p11.2 Deletion, hervor.
Throughout the entire life, new neurons of the granule cell type (GCs) are continu-ously generated in the mammalian hippocampal dentate gyrus (DG). As a part of the limbic system, the hippocampus is concerned with spatial and declarative memory for-mation. Increasing evidence exists, that adult born granule cells (ABGCs) play an im-portant role in this process. An especially critical period, when these ABGCs are 4-6 weeks old, has come into the focus of research. It is during this specific time-span that the ABGCs express enhanced excitability and synaptic plasticity as well as a lowered threshold for the induction of long term potentiation (LTP), a mechanism associated to learning and memory formation.
This study investigates the time course and dynamics of synaptic integration in ABGCs and mature GCs together with which differences exist between them at various cell ages. Furthermore, spine plasticity following high frequency stimulation (HFS) is analysed focusing on a critical phase of enhanced excitability in 4-5 week old ABGCs.
In this thesis, two approaches at studying the synaptic integration and structural plas-ticity of ABGCs in rats were investigated. This work was performed on fixed brain ma-terial that was provided by two laboratories that performed the in vivo labelling, stimu-lation procedures and brain fixation. In the first project, 6, 12 and 35 weeks old XdU-labelled ABGCs were studied. Adult rats were exposed to an enriched environment and received unilateral intrahippocampal delta burst stimulation (DBS) and LTP induction. The ABGCs and a control population of mature GCs were immunohistologically ana-lysed for Egr1 (early growth response 1) expression. Egr1 is an immediate early gene (IEG), expressed after LTP induction and marks neuronal excitation.
It was found, that unilateral stimulation of the perforant path of the hippocampus re-sults in an increase of Egr1 expression in ABGCs of both hemispheres. It could be shown that the enhanced expression intensity of Egr1 in ABGCs is not a usual state of young GCs but a reaction to DBS. ABGCs from unstimulated control animals and mature GCs expressed lower levels of Egr1. Interestingly, the stimulation induced a similar degree of Egr1 expression intensity in all ABGC age groups. Furthermore, it was found that young ABGC from the infrapyramidal dentate gyrus (DG) express a higher excita-bility than those from the suprapyramidal DG.
In the second project, fixed brain sections were analysed. They stemmed from rat brains containing 28 and 35 day old ABGC that had been transfected with intrahippo-campal RV-GFP (retroviral-green fluorescent protein) injections and had received uni-lateral high frequency stimulation of the medial perforant path in vivo. Nuclear Egr1 expression intensity was analysed in a cell specific manner. Dendritic spine size was measured in the inner-, middle- and outer molecular layer (IML, MML, OML). It was found that in ABGC, stimulation induced Egr1 expression increase is lower than in ma-ture GC. Following HFS, a significant homosynaptic spine enlargement was observed in the MML indicating homosynaptic LTP, while heterosynaptic spine shrinkage was found in the adjacent IML and OML. The latter corresponds to heterosynaptic long term depression (LTD). Homosynaptic plasticity describes an input-specific potentiation of synapses that received direct activation. The weakening of synapses not stimulated dur-ing homosynaptic potentiation is oppositely coined heterosynaptic plasticity1.
A positive correlation between an increase in nuclear Egr1 expression intensity and spine enlargement due to homosynaptic plasticity induced by HFS could be shown. Concomitant heterosynaptic plasticity, as indicated by spine shrinkage was observed. Spine shrinkage in the IML and OML showed a negative correlation to a decrease in Egr1 intensity.
Taken together, the results provide detailed information on the gradual integration of ABGC with ongoing maturation. Cell specific proof for homo- and heterosynaptic plas-ticity following HFS was found in the critical period of synaptic integration of ABGCs.
This dissertation aimed to shed light on changes of the epigenetic landscape in heart and skeletal muscle tissue of the turquoise Killifish N. furzeri, a novel, short-lived animal model for aging research. The following results could be obtained:
1. A global trend towards closed chromatin conformation could be observed; histone markers for H3K27me3, H3K9me3 and H4K20me3 accumulated in skeletal muscle tissue from old N. furzeri. Markers for open chromatin conformation such as H3K4me3, H3K9ac and H4K16ac decreased in old skeletal muscle tissue. In old hearts from N. furzeri an accumulation of H3K27me3 could be detected while H3K9ac was found to increase with age as well. mRNA expression levels of methylating enzymes were higher in skeletal muscle tissue from old N. furzeri when compared to expression levels in skeletal muscle tissue from young N. furzeri.
2. The shift of epigenetic pattern was accompanied by a change of gene expression. Via mRNA sequencing in collaboration with the MPI, Bad Nauheim it could be shown that genes associated with cell cycle and DNA repair were lower expressed in skeletal muscle tissue from old N. furzeri than in tissue from young N. furzeri. Genes, associated with inflammatory signaling and glycolysis, displayed increased mRNA levels in skeletal muscle tissue from old N. furzeri. These results could be confirmed by Western blot and qRT-PCR analyses.
3. Markers for DNA damage and senescence increased in skeletal muscle tissue from old N. furzeri.
4. Cells derived from young and old N. furzeri skeletal muscle could be isolated and cultured for many passages. These cells were a mix of different cell types with properties and features of the native tissue. They could be used for treatment with drugs and/small compounds modulating the epigenetic landscape via specific interference with methylating enzymes.
5. DNA methylation and hydroxy-methylation were found to go in different directions in skeletal muscle and heart tissue from N. furzeri: while increasing in skeletal muscle tissue, a both DNA modifications declined in heart tissue with age.
6. In the heart of N. furzeri microRNA expression changes with age were assed with sequencing in collaboration with the FLI, Jena. It could be demonstrated that miRNA expression is age-dependent. Particular focus was on miR-29 and its target genes: miR-29 was highly upregulated in heart and skeletal muscle tissue, while target genes such as collagens and dnmts were reduced with age in the heart of N. furzeri.
7. Cardiac function remained stable with age and no accumulation of collagens could be found when comparing hearts of young and old N. furzeri despite the increase of markers for oxidative stress.
8. Cell culture experiments with human cardiac fibroblasts revealed that miR-29 is upregulated with increasing age of the donor. In addition to that, it could be shown that miR-29 is positively regulated by oxidative stress.
9. A zebrafish mutant with modified expression of miR-29 that was created in collaboration with the SNS, Pisa, presented a severe hypoxic phenotype and an altered mRNA expression profile compared to wild type control zebrafish. Cardiac dysfunction and hypertrophy were observed as well as an increase in DNA methylation and collagens.
Taken together, it could be shown that the aging process in skeletal muscle and heart tissue from N. furzeri leads to a series of changes on epigenetic levels. It remains to be elucidated whether these changes are result or cause for further changes of mRNA expression, protein levels and pathophysiology, yet the N. furzeri represents a promising research model for further aging studies.
Enhanced aridification of Central Asia driven by the combined effects of orogenic surface uplift, Paratethys retreat, changes in atmospheric moisture transport and global cooling is one of the most prominent Cenozoic climate change events of the Northern Hemisphere. Deciphering regional long-term patterns of Central Asian hydrology is, therefore, a key element in understanding the role of Northern Hemisphere mid-latitude drying in the global hydrological system. Pedogenic carbonates record information of the paleoecosystem, the paleogeography, hydrology, tectonic and climatic conditions as well as the sedimentary regime during the time in which they formed. The calcrete-bearing paleosols in continental sedimentary basins yield the possibility for understanding these processes, mechanisms and controlling factors. This study characterizes long-term paleoenvironmental conditions between the late Oligocene and early Miocene in SE Kazakhstan based on stable isotopes, elemental geochemistry and laser ablation U-Pb geochronology from alluvial, fluvial and pedogenic deposits. The main topics addressed in this thesis are paleosol and calcrete formation processes in the light of geochemistry, tectonic and climatic influences on both, as well as the paleoenvironmental and hydrological conditions which led to these processes.
The sedimentological succession of the 14 km-long Kendyrlisai Valley in the Ili Basin, SE Kazakhstan in Central Asia, yields exceptional well-developed paleosols which provide an insight into the relationship between tectonics and sedimentation as well as soil formation processes. The valley accommodates more than 600 m of siliciclastic sediments deposited in a fluvial to alluvial environment in the lower part which grade into lacustrine to fluvial deposition with minor gypsum accumulation in the upper part. The yet undated sediments of Kendyrlisai Valley are compared with a biostratigraphically dated and well described succession in an adjacent location. The correlation of the two successions revealed a proximal-distal relation with the Kendyrlisai Valley succession represents the basin margin position with coarse alluvial-fluvial sediments. The calcrete nodules in Kendyrlisai Valley paleosols give the opportunity of U-Pb dating with LA-ICP-MS which uses the variation in both U and Pb to directly date the calcite. The U-Pb dating revealed a late Oligocene-early Miocene age for the investigated section. The analysis of facies and geochemistry of the paleosol profiles in Kendyrlisai Valley gives insight into calcretization stages, pedogenic processes and landscape stability. Kendyrlisai Valley paleosols show a low to moderate weathering intensity with the highest weathering intensity between 0.5 and 0.8 m depth in the paleosol profile. The comparison between acid leachable and non-acid leachable fraction indicate an incorporation of Ca and Ba in incipient calcrete calcite, whereas clay minerals adsorb Mg and Sr. During the evolution from early to more mature calcrete stages, i.e. calcrete nodules, Ba is lost by dissolution and subsequently adsorbed on clay minerals. The nodules consist almost exclusively of pure calcium carbonate with rare substitution of Ca by Mg indicating a constant supply of Ca by weathering and solution during calcrete formation. The occurrence of Mg-bearing clay minerals indicates high evaporative conditions with alkaline waters (pH >9).
Sampled calcrete nodule cross sections reveal more than one weathering and calcrete formation phase with a higher supply of Ca, Mg and Fe during early phases. The organic and inorganic carbon isotope composition of the calcrete nodules reflects C3 metabolism under occasionally moisture stress, resulting in higher δ13C values and lower respiration rates. This study also presents calculated atmospheric pCO2 values from the calcrete nodules with the equation from Cerling et al. (1999). The average calculated CO2 concentration for Kendyrlisai Valley paleosols is 313 ± 110 ppmv. The comparison with data from other studies during the late Oligocene–early Miocene reveal lower values for Kendyrlisai Valley paleosols, which may stem from an underestimation of the plant-respired CO2.
The knowledge of the variability within the paleosols and calcrete nodules enables a reliable paleoclimatic interpretation for the Kendyrlisai Valley and beyond the Ili Basin. Sedimentary facies and geochemical weathering indices suggest an increased surface and groundwater discharge fed by orographically-enhanced precipitation in the Tien Shan hinterland. In contrast, pedogenic stable isotope data and elevated rates of Mg fixation in clay minerals mirror enhanced rates of evaporation in the vadose zone due to protracted aridification. This study posits that pronounced surface uplift of the Tien Shan Mountains during the Oligocene–Miocene transition promoted regionally increased orographic precipitation and the development of fluvial discharge systems.
The comparison with other studies in adjacent basins creates a precipitation pattern for Central Asia during the late Oligocene to early Miocene. The westerlies supplied Central Asia with atmospheric moisture from the West, possibly from the Eastern Paratethys. The uplifting Tien Shan Mountain ranges captured this moisture on their luv-side, resulting in a pronounced orographic rainfall in the adjacent Ili and Issyk Kul Basins. The Tarim Basin and the Valley of Lakes experienced drier conditions due to the rain shadow effect on the lee-side of the Tien Shan and Altai Mountains. In course of this findings, the thesis highlights the crucial role the Tien Shan Mountains play and had been playing in former times as an orographic barrier for the distribution of atmospheric moisture across Central Asia.
Cancer is one of the leading causes of death across all countries and its diagnosis still yields fear for the affected patient. Although treatment of cancer has made marvelous progress compared to the agents available thirty years ago, a cure for cancer, however, is still a distant prospect. Modern therapy still is a burden for many patients due to heavy side effects. With the development of agents targeting specific molecular targets on cancer cells, a new field of cancer therapy was opened and a small success story in the history of cancer began.
Aurora kinases represent a relatively new target in cancer therapy. The kinase is a essential part of mitosis and cell cycle progression and its overexpression has been shown to be related to many kinds of malignancies. Allosteric inhibition of a kinase is an increasing pre-clinical approach not yet established in the treatment of patients. In this thesis, we combine allostery with another innovative approach that is drug repurposing. If repurposed, a drug can be permitted to fast track drug admission to clinical trials.
I set up a screening of 1280 FDA approved drugs to identify small molecule compounds that affect the binding of Aurora kinase A and its main physiologic binding partner, TPX2. Further, I characterized the positive hits in vitro for their capabilities to displace TPX2 from Aurora A, to inhibit Aurora kinase activity, to thermally stabilize the protein and performed assays to determine their dissociation constant. Last but not least, I tested the compounds in cells for their effect on the cell viability and cell cycle via flow cytometry. Comparing the hit-compounds with controls I found that ATP-competitive AurA inhibitor MLN 8237 strongly displaces the interaction of Aurora A with TPX2.
Summarized, we identified eight hit compounds allosterically affecting Aurora A, but no compound proved to be active in all assays. Just one compound, PS 731, identified in another screening performed by our group and further characterized in this thesis remains interesting, especially when put in context with recent publications released in the time between the start of experiments for this thesis and its finalization.
Licht ist ein wertvolles Werkzeug zur Regulation biochemischer Reaktionsabläufe. Denn die Applikation von Licht erlaubt eine sehr präzise Einflussnahme auf den Ort und den Startzeitpunkt der zu untersuchenden Reaktionen. Als nichtinvasives Medium bietet die Lichtkontrolle bei der Wahl einer geeigneten Anregungswellenlänge den Vorteil nur minimal in einen lebenden Organismus einzugreifen. Um eine solche lichtbasierte Kontrolle für biologische Anwendungen zu realisieren, ist die Anwesenheit einer lichtsensitiven Verbindung nötig. Ein Konzept der lichtsensitiven Verbindungen ist die sogenannte photolabile Schutzgruppe. Im Allgemeinen handelt es sich hierbei um einen Chromophor der temporär an ein Biomolekül angebracht wurde, um dessen biologische Aktivität zu unterdrücken.
In dieser Arbeit wurde dieses Konzept auf das Antibiotikum Puromycin angewendet, welches durch das synthetische Anbringen der Cumarin-Schutzgruppe DEACM in seiner biologischen Aktivität behindert und durch einen Lichtpuls wieder freigesetzt wurde. DEACM st eine photolabile Schutzgruppe mit breitem Anwendungsspektrum, da es im Vergleich zu anderen Cumarin-Derivaten vorteilhafte photophysikalische Eigenschaften aufweist. Zum einen ist durch den 7-Diethylamino-Substituenten das Absorptionsmaximum dieser Verbindung um etwa 20 nm bathochrom verschoben. Zum anderen zeichnet sich dieses Derivat durch einen erheblich erhöhten Extinktionskoeffizienten aus, sodass eine Freisetzungsreaktion mit einer geringeren Lichtdosis induziert werden kann, was weniger Stress für die Zellen in lebenden Systemen bedeutet.
Die antibiotische Wirkung von Puromycin beruht auf der strukturellen Ähnlichkeit zum5'-Ende von Tyrosyl-tRNA, wodurch sich das Antibiotikum kondonunspezifisch während der Translation der Proteinsynthese an das Ribosom anlagern kann. Anschließend wird die naszierende Polypeptidkette auf das Puromycin transferiert. Da diese neue Bindung unter biologischen Bedingungen nicht spaltbar ist, führt dies zu einer verfrühten Freisetzung des Polypeptid-Puromycin-Fragments. Schließlich ist die Proteinsynthese vollständig abgebrochen.
Die Motivation zur photoinduzierten Kontrolle von Puromycin besteht in der Vielzahl an biologischen Applikationsmöglichkeiten, da die lichtregulierte Freisetzung der biologischen Aktivität als Trigger für sich anschließende biochemische Abläufe verwendet werden kann. Durch das hier gezeigte System kann in Kombination mit anderen Techniken (z.B. NMR) die posttranslationale Proteinfaltung beobachtet werden, welche als hochgradig komplexer Prozess bisher nicht verstanden ist. Eine weitere Motivationsgrundlage ist die Anwendung von DEACM-puromycin in Nervenzellen. Hier kann durch die Photofreisetzung die Proteinsynthese in den Dendriten der Neuronen beobachtet werden, wodurch Rückschlüsse auf neurodegenerative Krankheiten möglich sein sollten, wie z.B. Alzheimer-Krankheit. In dieser Arbeit konnte in-vitro nachgewiesen werden, dass die antibiotische Wirkung von Puromycin mittels Licht kontrollierbar ist. Aus der photophysikalischen Grundcharakterisierung ging hervor, dass DEACM-puromycin einen hohen Extinktionskoeffizienten bei Wellenlängen größer als 380 nm aufweist. Folglich kann zur Induktion der Photolyse eine geringere Lichtdosis mit energiearmer Strahlung als bei dem Vorläufersystem NVOC-puromycin verwendet werden, angesichts dessen ist das hier vorgestellte DEACM-puromycin für Anwendungen in Zellen zu empfehlen.
Über die Kombination von quantenchemischen Rechnungen und spektroskopischen Methoden konnten die frühen Schritte der Freisetzungsreaktion bestimmt und quantifiziert werden. Zudem zeigte sich ein Einfluss der Lösungsmittelzusammensetzung auf die Uncaging-Schritte. In Gegenwart eines protischen Lösungsmittels wird der zum Uncaging in Konkurrenz stehende Prozess der Fluoreszenz unterdrückt, wodurch die Freisetzungsschritte effektiver werden. Zudem führt die Präsenz von Protonen zu einer Stabilisierung des ionischen Intermediates, sodass die Bildung dessen beschleunigt ablaufen kann. Die Spaltung der photolabilen Schutzgruppen vom Puromycin findet mit einer Rate von 0,71*10^8 s-1 statt, welche im Vergleich zu Vorgängersystem um eine Größenordnung größer ist. Die Wiederherstellung der biologischen Aktivität resultiert aber erst nach einem anschließenden Decarboxylierungsschritt. Mithilfe von IR-Messungen konnte die Decarboxylierung beobachtet und daraus die Quantenausbeute zu 2,5% determiniert werden. Die so bestimmte Quantenausbeute entspricht etwa dem Zweifachen von NVOC-puromycin, sodass die hier untersuchte Verbindung eindeutig als das effizientere System zu betrachten ist. Die hier beschriebenen Ergebnisse zeigen, dass DEACM-puromycin vorteilhafte photophysikalische Eigenschafen aufweist, die diese Verbindung zu einem wertvollen Hilfsmittel für eine Vielzahl von lichtkontrollierten Untersuchungen in biologischer Umgebung macht. Zudem wurden Einblicke in den Reaktionsmechanismus gegeben, die das Verständnis der photolytischen Spaltung von Carbamat-geschützten Cumarinen erstmals auf der ultrakurzen Zeitskala ermöglicht.
Die Abstrahlung von internen Schwerewellen in atmosphärischen Strahlströmen und Temperaturfronten trägt vermutlich mit einem signifikanten Beitrag zum gesamten Schwerewellenspektrum bei. Das physikalische Verständnis der dabei ablaufenden Prozesse ist derzeit allerdings noch zu gering ausgeprägt, um eine adäquate mathematische Darstellung für operationelle Wetter- und Klimamodelle zu entwickeln. In dieser Arbeit wird der Mechanismus dieser Schwerewellenquelle in numerischen Simulationen des differenziell geheizten rotierenden Annulusexperiments erforscht. Dieses Experiment besitzt eine im Vergleich zur Atmosphäre deutlich verringerte Anzahl an Freiheitsgraden und eignet sich besonders gut zum Studium der Dynamik der mittleren Breiten. Analoge Untersuchungen werden in einem äquivalenten kartesischen Modellsystem vorgenommen, in dem periodische Bedingungen in den beiden horizontalen Raumrichtungen vorliegen.
Im Gegensatz zur Annuluskonfiguration, in der nachweislich auch eine Schwerwellenabstrahlung an den Zylinderwänden erfolgt, kommt in dieser Konfiguration nur die interne Dynamik als Schwerewellenquelle in Frage. Die nichtlinearen Simulationen beider Modellkonfigurationen zeigen eine großskalige barokline Wellenstruktur, die ein atmosphärenähnliches Jet-Front System beinhaltet. Darin eingelagert werden vier voneinander isolierte Schwerewellenpakete in der Annuluskonfiguration sowie zwei Schwerewellenpakete im doppeltperiodischen Modellsystem charakterisiert. Um den zugrundeliegenden Quellmechanismus zu untersuchen, erfolgt eine Aufspaltung der Zustandsvariablen in einen balancierten und einen unbalancierten Anteil, wobei erstgenannter das geostrophische und hydrostatische Gleichgewicht erfüllt und letztgenannter das Schwerewellensignal enthält. Die Strömungsaufspaltung bildet die Grundlage für die Entwicklung eines tangential-linearen Modells für den unbalancierten Strömungsanteil. Hierbei wird eine systematische Umformulierung der dynamischen Grundgleichungen hinsichtlich der Wechselwirkung beider Strömungsanteile vollzogen. Insbesondere wird der rein balancierte Antrieb der unbalancierten Strömung freigelegt, um dessen Einfluss auf die Schwerewellenaktivität zu quantifizieren. Die anschließenden tangential-linearen Simulationen zeigen, dass drei der vier Schwerewellenpakete in der Annuluskonfiguration in der internen Strömung generiert werden. Ein verbleibendes Wellenpaket entsteht an der inneren Zylinderwand, ehe es in das innere Modellvolumen propagiert. Darüber hinaus wird deutlich, dass der rein balancierte interne Antrieb der Schwerewellen einen signifikanten Beitrag zur Schwerewellengenerierung leistet. Im doppeltperiodischen Modellsystem gibt es eine nahezu perfekte Übereinstimmung zwischen den unbalancierten Strömungsmustern in den tangential-linearen und den nichtlinearen Simulationen. Auch dort nimmt der balancierte Antrieb eine zentrale Rolle bei der Schwerewellenabstrahlung ein. Die abschließende Gegenüberstellung verschiedener, voneinander unabhängiger Gleichgewichtskonzepte macht deutlich, dass die balancierte Strömung der führenden Ordnung in der Rossbyzahl bereits eine erstaunliche Übereinstimmung mit der vollen Strömung liefert. Zudem erbringt die Anwendung einer Lagrange'schen Filtermethode den Nachweis, dass die Vertikalbewegungen und die horizontalen Divergenzsignale in der Annuluskonfiguration fast ausschließlich auf die Schwerewellenaktivität zurückzuführen sind.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Thema Stemmatologie, d.h. primär der Rekonstruktion der Kopiergeschichte handschriftlich fixierter Dokumente. Zentrales Objekt der Stemmatologie ist das Stemma, eine visuelle Darstellung der Kopiergeschichte, welche i.d.R. graphtheoretisch als Baum bzw. gerichteter azyklischer Graph vorliegt, wobei die Knoten Textzeugen (d.s. die Textvarianten) darstellen während die Kanten für einzelne Kopierprozesse stehen. Im Mittelpunkt des Wissenschaftszweiges steht die Frage des Autorenoriginals (falls ein einziges solches existiert haben sollte) und die Frage der Rekonstruktion seines Textes. Das Stemma selbst ist ein Mittel zu diesem Hauptzweck (Cameron 1987). Der durch für manuelle Kopierprozesse kennzeichnende Abweichungen zunehmend abgewandelte Originaltext ist meist nicht direkt überliefert. Ziel der Arbeit ist es, die semi-automatische Stemmatologie umfassend zu beschreiben und durch Tools und analytische Verfahren weiterzuentwickeln. Der erste Teil der Arbeit beschreibt die Geschichte der computer-assistierten Stemmatologie inkl. ihrer klassischen Vorläufer und mündet in der Vorstellung eines einfachen Tools zur dynamischen graphischen Darstellung von Stemmata. Ein Exkurs zum philologischen Leitphänomen Lectio difficilior erörtert dessen mögliche psycholinguistische Ursachen im schnelleren lexikalischen Zugriff auf hochfrequente Lexeme. Im zweiten Teil wird daraufhin die existenziellste aller stemmatologischen Debatten, initiiert durch Joseph Bédier, mit mathematischen Argumenten auf Basis eines von Paul Maas 1937 vorgeschlagenen stemmatischen Models beleuchtet. Des Weiteren simuliert der Autor in diesem Kapitel Stemmata, um den potenziellen Einfluss der Distribution an Kopierhäufigkeiten pro Manuskript abzuschätzen.
Im nächsten Teil stellt der Autor ein eigens erstelltes Korpus in persischer Sprache vor, welches ebenso wie 3 der bekannten artifiziellen Korpora (Parzival, Notre Besoin, Heinrichi) qualitativ untersucht wird. Schließlich wird mit der Multi Modal Distance eine Methode zur Stemmagenerierung angewandt, welche auf externen Daten psycholinguistisch determinierter Buchstabenverwechslungswahrscheinlichkeiten beruht. Im letzten Teil arbeitet der Autor mit minimalen Spannbäumen zur Stemmaerzeugung, wobei eine vergleichende Studie zu 4 Methoden der Distanzmatrixgenerierung mit 4 Methoden zur Stemmaerzeugung durchgeführt, evaluiert und diskutiert wird.
Cell-free-synthesized voltage-gated proton channels: Approaches to the study of protein dynamics
(2018)
We often only realize how important health is when diseases manifest themselves through their symptoms and, ultimately, in a diagnosis. Over time, we suffer from many diseases starting with the first childhood disease to colds to gastrointestinal infections. Most diseases pass harmlessly and symptoms fade away. However, not all diseases are so harmless. Alzheimer’s disease, breast cancer, Parkinson’s disease, and colorectal cancer usually cause severe illness with high mortality rates. In pharmaceutical research, efforts are therefore being made to determine the molecular basis of them in order to provide patients with potential relief and, at best, healing. A special group of regulators, involved in the previously mentioned diseases, are voltage-gated proton channels. Thus, the understanding of their structure, function, and potential drug interaction is of great importance for humanity.
Voltage-gated proton channels are localized in the cell membrane. As their name indicates, they are controlled by voltage changes. Depolarization of the cell membrane induces conformational changes that open these channels allowing protons to pass through. Here, the transfer is based on a passive process driven by a concentration gradient between two individual compartments separated by the cell membrane. Voltage-gated proton channels are highly selective for protons and show a temperature- and pH-dependent gating behavior. However, little is known about their channeling mechanism. Previous experimental results are insufficient for understanding the key features of proton channeling.
In this thesis, for the first time, the cell-free production of voltage-sensing domains (VSD) of human voltage-gated proton channels (hHV1) and zebrafish voltage-sensing phosphatases (DrVSP) is described. Utilizing the cell free approach, parameters concerning protein stability, folding and labeling can be easily addressed. Furthermore, the provision of a membrane mimetic in form of detergent micelles, nanodiscs, or liposomes for co-translational incorporations of these membrane proteins is simple and efficient. Both VSDs were successfully produced up to 3 mg/ml. Furthermore, the cell-free synthesis enabled for the first time studies of lipid-dependent co-translational VSD insertions into nanodiscs and liposomes. Cell-free produced VSDs were shown to be active, and to exist mainly as dimers. In addition, also their activation was stated to be lipid-dependent, which has not been described so far. Solution-state NMR experiments were performed with fully and selectively labeled cell-free produced VSDs. With respect to the development of potential drug candidates, I could demonstrate the inhibition of the VSDs by 2-guanidinobenzimidazole (2GBI). Determined KD values were comparable to literature data for the human construct. For the first time, a low affinity for 2GBI of the zebrafish VSD could be described.
In future, the combination of a fast, easy and cheap cell-free production of fully or selectively labeled VSDs and their analysis by solution state NMR will enable structure determinations as well as inhibitor binding studies and protein dynamic investigations of those proteins. The results of these investigations will serve as a basis for example for the development of new drugs. In addition, a detailed description of the lipid-dependent activity might be helpful in controlling the function of voltage-gated proton channels in cancer cells and thereby reducing their growth or disturbing their cell homeostasis in general.
Ziel der Studie war es, das Auftreten von Fatigue, Depression und Einschränkungen der Lebensqualität zu untersuchen bei einem an nichtmuskelinvasivem Blasenkrebs erkrankten Patienten unter BCG-Therapie. Die Hypothese war, dass es keinen Unterschied zu dem Validierungskollektiv der genutzten Fragebögen gibt. Zum Ende der Auswertung wurden die Ergebnisse mit dem Patientenkollektiv der mit Mitomycin behandelten Patienten (Dissertation Fr. Elena Walther) und BPH-bzw. Prostatakarzinom-Patienten (Dissertation Fr. Dr Daniela Drescher) verglichen. Ausgegeben wurden 400 Fragebögen an Patienten betreut in urologischen Praxen deutschlandweit. Zuvor war die Studie von der Ethikkommission der Landesärztekammer Hessen bewilligt worden. Der Fragebogen wurde vollständig anonymisiert, ein Rückschluss auf die Identität der Teilnehmer ist nicht möglich. Die Testinstrumente setzten sich zusammen aus dem sozioökonomischen Status, dem Brief Fatigue Inventory (BFI), dem EORTC-QLQ-C30, dem Beck Depression Inventar und dem EORTC-Blasenmodul QLQ-NMIBC24. Ausgewertet wurden 67 Fragebögen. Das Geschlecht der teilnehmenden Patienten war überwiegend männlich, 58, versus 9, weiblich. Das Mindestalter lag bei 45, das Höchstalter bei 91 Jahren. Die Mehrheit der Patienten (46) waren verheiratet, zusammenlebend. 50 % der Probanden verfügten über einen Hauptschulabschluss, 22 bzw. 15 % über einen Hochschul- bzw. Realschulabschluss. Die Mehrzahl der Patienten nahm keine Psychopharmaka ein (85 %). Es konnte gezeigt werden, dass die Lebensqualität der Patienten gut ist, gemessen der der Krebsdiagnose und der begleitenden belastenden intravesikalen Therapie. 73 Entscheidende Faktoren für die guten Ergebnisse schienen in diesem Patientenkollektiv die Lebensumstände zu sein, da herausgearbeitet werden konnte, dass Patienten, zusammenlebend mit Partner beim QLQ-C30- Fragebogen beim emotionalen Teil der Fragen bessere Ergebnisse zeigten. Bei den kognitiven Einschränkungen war das Alter ein negativer Einflussfaktor. Die körperlichen Einschränkungen waren trotz des hohen Durchschnittsalters der Teilnehmer eher gering. Der Anteil an Patienten mit schwerer Fatigue war mit 6 von 67 Teilnehmern sehr gering. Der Vergleich mit anderen Patientengruppen, wie Prostatakarzinom- und BPHPatienten und mit Mitomycin behandelten Patienten ergab keine signifikanten Unterschiede. Der größte limitierende Faktor dieser Arbeit war die geringe Patientenzahl. Dies ist umso bedeutsamer, da alle den Themenbereich untersuchenden Studien so geringe Patientenzahlen aufweisen. In der täglichen Praxis scheint es schwierig, noch zusätzliche Befragungen durchzuführen, die über das normale Maß hinausgehen. Die im Fragebogen abgefragten Punkte sind allerdings sehr wichtig für den Therapieerfolg, da Patienten mit einer schlechten Lebensqualität oder einer Depression, die sich unter Therapie entwickelt eher dazu geneigt sein werden, die Behandlung abzubrechen. Wünschenswert wäre weitere Studien mit größerer Patientenzahl, um den Einfluss des Alters und der Lebensumstände noch besser untersuchen zu können. Auch Unterschiede zwischen Männern und Frauen könnten so besser aufgearbeitet werden. Es wäre sehr wichtig, diese Studien durchzuführen, um Standards in der Versorgung der Patienten zu erarbeiten, beispielsweise Messinstrumente, die gut in den Alltag zu integrieren sind, um Krankheiten oder Begleitsymptome aufzudecken, die den Krankheitsverlauf negativ beeinflussen.
Ziel der Studie war es, das Auftreten von Fatigue, Depression und Einschränkungen der Lebensqualität zu untersuchen bei einem an nichtmuskelinvasivem Blasenkrebs erkrankten Patienten unter BCG-Therapie. Die Hypothese war, dass es keinen Unterschied zu dem Validierungskollektiv der genutzten Fragebögen gibt. Zum Ende der Auswertung wurden die Ergebnisse mit dem Patientenkollektiv der mit Mitomycin behandelten Patienten (Dissertation Fr. Elena Walther) und BPH-bzw. Prostatakarzinom-Patienten (Dissertation Fr. Dr Daniela Drescher) verglichen. Ausgegeben wurden 400 Fragebögen an Patienten betreut in urologischen Praxen deutschlandweit. Zuvor war die Studie von der Ethikkommission der Landesärztekammer Hessen bewilligt worden. Der Fragebogen wurde vollständig anonymisiert, ein Rückschluss auf die Identität der Teilnehmer ist nicht möglich. Die Testinstrumente setzten sich zusammen aus dem sozioökonomischen Status, dem Brief Fatigue Inventory (BFI), dem EORTC-QLQ-C30, dem Beck Depression Inventar und dem EORTC Blasenmodul QLQ-NMIBC24. Ausgewertet wurden 67 Fragebögen. Das Geschlecht der teilnehmenden Patienten war überwiegend männlich, 58, versus 9, weiblich. Das Mindestalter lag bei 45, das Höchstalter bei 91 Jahren. Die Mehrheit der Patienten (46) waren verheiratet, zusammenlebend. 50 % der Probanden verfügten über einen Hauptschulabschluss, 22 bzw. 15 % über einen Hochschul- bzw. Realschulabschluss. Die Mehrzahl der Patienten nahm keine Psychopharmaka ein (85 %). Es konnte gezeigt werden, dass die Lebensqualität der Patienten gut ist, gemessen der der Krebsdiagnose und der begleitenden belastenden intravesikalen Therapie. Entscheidende Faktoren für die guten Ergebnisse schienen in diesem Patien tenkollektiv die Lebensumstände zu sein, da herausgearbeitet werden konnte, dass Patienten, zusammenlebend mit Partner beim QLQ-C30-Fragebogen beim emotionalen Teil der Fragen bessere Ergebnisse zeigten. Bei den kognitiven Einschränkungen war das Alter ein negativer Einflussfaktor. Die körperlichen Einschränkungen waren trotz des hohen Durchschnittsalters der Teilnehmer eher gering. Der Anteil an Patienten mit schwerer Fatigue war mit 6 von 67 Teilnehmern sehr gering.
Der Vergleich mit anderen Patientengruppen, wie Prostatakarzinom- und BPH-Patienten und mit Mitomycin behandelten Patienten ergab keine signifikanten Unterschiede. Der größte limitierende Faktor dieser Arbeit war die geringe Patientenzahl. Dies ist umso bedeutsamer, da alle den Themenbereich untersuchenden Studien so geringe Patientenzahlen aufweisen. In der täglichen Praxis scheint es schwierig, noch zusätzliche Befragungen durchzuführen, die über das normale Maß hinausgehen. Die im Fragebogen abgefragten Punkte sind allerdings sehr wichtig für den Therapieerfolg, da Patienten mit einer schlechten Lebensqualität oder einer Depression, die sich unter Therapie entwickelt eher dazu geneigt sein werden, die Behandlung abzubrechen. Wünschenswert wäre weitere Studien mit größerer Patientenzahl, um den Einfluss des Alters und der Lebensumstände noch besser untersuchen zu können. Auch Unterschiede zwischen Männern und Frauen könnten so besser aufgearbeitet werden. Es wäre sehr wichtig, diese Studien durchzuführen, um Standards in der Versorgung der Patienten zu erarbeiten, beispielsweise Messinstrumente, die gut in den Alltag zu integrieren sind, um Krankheiten oder Begleitsymptome aufzudecken, die den Krankheitsverlauf negativ beeinflussen.
This thesis investigates whether professionals on the global financial markets, such as investment bankers, traders, and analysts, form a global social class.
Over recent decades, rising inequality has reinvigorated interest in issues of class. Despite the experience of world-wide economic crises demonstrating the global reach of the contemporary economy, the research areas of globalisation and class remain surprisingly disengaged from each other. Especially the question of global class formation remains underexplored.
The first part of this thesis examines why the issue of globalisation remains a niche within research on class. Therefore, the theoretical foundations of the dominant approaches to class are investigated, identifying the causes for the implicit “methodological nationalism” of modern mainstream class analysis in the underlying theories of the economy and social action. Vice-versa, an examination of globalisation theory shows that similar obstacles persist in the theoretical reasoning on inequality from a global perspective, precluding a conceptualisation of global class formation. In dialogue with the few existing approaches to conceptualize class on a global level, a framework for the study of global class formation based on Pierre Bourdieu’s notion of social fields is developed.
In part two of the thesis this framework is employed to examine empirically, whether the global field of finance is currently the source for the formation of a global financial class. The field of finance as the most globalised economic sector is a paradigmatic case for studying the formation of a global class. An interview study on the career trajectories of financial professionals from Frankfurt and Sydney uncovers that despite the legacy of national economic specificities on the institutional level, financial actors draw in their social praxis on global forms of social, cultural, and economic capital and have developed a common culture, worldview, praxis, and habitus, delineating the formation of a global financial class.
The study focuses on the introduction of a health education curriculum in Cyprus’ public schools. The curriculum’s implementation is looked at as a project of modernization and is examined ethnographically in two primary schools in the Republic of Cyprus over a period of three years. Utilizing theories and methods from Science and Technology Studies and Global Ethnography, the study examines the entanglements of Science with Culture and of Tradition with Modernity as experts, teachers, parents and children encounter the new health education curriculum. Health education is compared to a project of biological citizenship and the curriculum is seen as an actant attempting to form a personal obligation towards health by promoting “common sense” knowledge and privileging “modern” individuals.
Einleitung: Die chronische Hepatitis C gehört zu den häufigen Ursachen einer Leberzirrhose. Durch die Entwicklung von direkt antiviralen Medikamenten (direct acting antiviral agent, DAA) können Heilungsraten von über 90% bei chronischer Hepatitis C erreicht werden. Der Einfluss des Therapieerfolgs auf Fibroseregression und portale Hypertension ist insbesondere für Patienten mit Leberzirrhose bisher nicht ausreichend geklärt. Elastographische Messungen von Leber und Milz können als Surrogatmarker zur nicht-invasiven Evaluation von Fibroseregression und Rückgang von portaler Hypertension dienen. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Evaluation der Dynamik von Leberfibrose und portaler Hypertension mittels transienter Elastographie der Leber (L-TE) und Acoustic Radiation Force Impulse Elastographie von Leber (L-ARFI) und Milz (M-ARFI) bei Patienten mit DAA-induziertem anhaltendem virologischen Ansprechen (sustained virological response, SVR) und Hepatitis C Virus (HCV) assoziierter Leberzirrhose.
Patienten und Methoden: In dieser prospektiven, monozentrischen Studie wurden Daten von 56 Patienten mit chronischer Hepatitis C und assoziierter Leberzirrhose analysiert, die eine SVR nach 12-24 Wochen antiviraler Hepatitis C Therapie mit DAA's erreichten. Dabei wurden zu vier Zeitpunkten (Therapiebeginn [BL], Therapieende [EOT], 24 Wochen nach Therapieende [FU24] und 48 Wochen nach Therapieende [FU48]) Messungen vorgenommen. Zusätzlich wurden Leberzirrhose assoziierte Scores und Komplikationen sowie Laborparameter erhoben.
Ergebnisse: Die elastographischen Messungen der Leber zeigten signifikante Verbesserungen im Studienverlauf, am stärksten während der antiviralen Therapie. Im L-TE zeigten sich Verbesserungen zwischen BL [Median(Min-Max), 32,45(9,1-75)kPa] und FU48[Median (Min-Max), 17,1 (3,7-59,3) kPa] (p<0,0001) und im L-ARFI zwischen BL [Median (Min-Max), 2,7 (1,2-4,1) m/s] und FU24 [Median (Min-Max), 2,5 (1,2-3,9)m/s (p=0,011), wobei signifikante Verbesserungen (≥30%) bei 35/49 (71%) Patienten im L-TE und bei 6/55 (11%) im L-ARFI auftraten. Die M-ARFI Messungen als Korrelat der portalen Hypertension, zeigten kaum Veränderungen. Die medianen Werte blieben zwischen BL [Median (Min-Max), 3,4 (1,9-4,3) m/s] und FU48 [Median (Min-Max), 3,4(2-4,4) m/s] konstant (p=0,9). Nur 2/54 (4%) der Patentien zeigten signifikante Verbesserungen. In der univariaten Analyse zeigten sich 65 als positive Einflussfaktoren der L-TE- und L-ARFI-Verbesserung ein MELD Score bis 10 sowie ein BMI bis 30 kg/m².
Diskussion und Schlussfolgerung: In Zusammenschau der Ergebnisse kann bei einem Teil der Patienten von einer Fibroseregression und dem Rückgang der portalen Hypertension nach DAA-basierter, interferon-freier antiviraler Therapie ausgegangen werden. Die mittels L-ARFI und L-TE gemessene Verbesserung der Lebersteifigkeit unter antiviraler Therapie scheint auf einer Verbesserung von Nekroinflammation und Leberfibrose zu basieren. Bei Nichtbeachtung des Einflusses der Nekroinflammation auf nicht-invasive Messungen der Lebersteifigkeit kann es zur Überschätzung der Fibroseregression nach SVR kommen. Da es sich bei der Zirrhose- bzw. Fibroseregression anscheinend um einen langsamen Prozess handelt, sind ausreichend lange Nachbeobachtungszeiten in entsprechenden Studien zu fordern. Für die mit einer Leberzirrhose assoziierte portale Hypertension gelten ähnliche Überlegungen.
Personen- und Organisationsmerkmale als Gelingensbedingungen im pädagogischen Vorbereitungsdienst
(2018)
Die vorliegende Arbeit greift die defizitäre empirische Befundlage zur Wahrnehmung der zweiten Ausbildungsphase des Lehrerberufs – dem Referendariat – auf. Sie geht der Frage nach, wie das Belastungserleben der Referendare mit Merkmalen der Person oder Organisation verknüpft ist. Bestehende Forschungsaktivtäten legen ihren Fokus auf die Wahrnehmung erfahrener Lehrkräfte im Beruf. Es fehlt an Studien, die das Erleben im Referendariat diskutieren. Die vorliegende, primär explorativ ausgerichtete Arbeit nimmt diese Ausbildungsphase in den Blick. Die Datenbasis der Arbeit bildet die Evaluationsstudie „Pädagogische Entwicklungsbilanzen an Studienseminaren“ (PEB-Sem), die in Hessen zum Einsatz kam. Es werden Daten von 3808 Referendaren sekundäranalytisch ausgewertet. Da die Beschreibung der Untersuchungsgruppe im Referendariat selbst wenig Vergleichsmöglichkeiten zur Absicherung der Daten bietet, wurde PEB-Sem im Praxissemester bei einer Vergleichsgruppe von Lehramtsstudierenden an der Goethe-Universität eingesetzt.
Personale Merkmale im Umgang mit Belastungen wurden über objektive Aspekte (Alter, Geschlecht, Lehramtsstufe, pädagogische Vorerfahrungen) sowie über Persönlichkeitscharakteristika (Selbstwirksamkeitserwartungen, Resilienz) operationalisiert. Merkmale der Organisation des Vorbereitungsdiensts wurden über Skalen erhoben, welche die Ausbildungsbeziehungen zwischen Referendaren und Ausbildern, Mentoren sowie der Seminarleitung oder die Kohärenz der Ausbildung erfassen.
In den Ergebnissen der Analyse personenbezogener Merkmale zeigt sich, dass vor allem die Resilienz das Belastungserleben der Referendare erklären kann, während die pädagogischen Vorerfahrungen oder die Selbstwirksamkeitserwartungen nur einen geringen Anteil der Belastungswahrnehmung erklären können. Die Belastung in der Ausbildung wird über die Zentralstellung des Leistungsdrucks, der durch die bewerteten Unterrichtsbesuche, Zeitdruck oder auch die Prüfungsbelastung zum Ende der Ausbildung entsteht, maßgeblich bestimmt. Zwischen den Faktoren der Organisation und der Belastungswahrnehmung, wie sie z.B. für die Unterstützung durch die Ausbilder und Mentoren untersucht wurden, konnten nur schwache Zusammenhänge zur Belastung nachgewiesen werden. Die vergleichende Betrachtung von Referendaren und Studierenden im Praxissemester kann Unterschiede im Erleben dieser beiden Ausbildungsabschnitte herausarbeiten. Die berufliche Erfahrung, welche die Referendare den Studierenden voraushaben, wirkt sich, entgegen der Annahme, nicht positiv auf die Belastungswahrnehmung aus: Referendare zeigen sich stärker belastet als Lehramtsstudierende. Bezogen auf die Unterschiede in der Einschätzung der Resilienz sind es wieder die Lehramtsstudierenden, die im Vergleich zu den Referendaren über eine stärkere Widerstandfähigkeit verfügen.
Die vergleichende Betrachtung beider Ausbildungsphasen vermitteln ein besseres Verständnis und eine größere Nähe zum jeweiligen Ausbildungskontext. Die Befunde der Studie deuten auf die Notwendigkeit hin, sich mit Unsicherheiten und Belastungen, die durch die Bewertungssituationen und den Anpassungsdruck an die Erwartungen der Ausbilder und Mentoren entstehen können, stärker zu befassen. An diese Ergebnisse lassen sich Implikationen für die Praxis und mögliche Ansatzpunkte für weitere Forschungsbemühen anschließen.
Defossiliation of the energy system is crucial in the face of the impending risks of climate change. Electricity generation by burning fossil fuels is being displaced by renewable energy sources like hydro, wind and solar, driven by support schemes and falling costs from technological advances as well as manufacturing scale effects. The unavoidable shift from flexibly dispatchable generation to weather-dependent spatio-temporally varying generators transforms the generation and distribution of electricity into highly interdependent complex systems in multiple dimensions and disciplines:
In time, different scales, stretching from intra-day, diurnal, synoptic to seasonal oscillations of the weather interact with years and decades of planning and construction of capacity. In space, long-range correlations and local variations of weather systems as well as local bottlenecks in transmission networks affect solutions. The investment decisions about technological mix and spatial distribution of capacity follow economic principles, within restrictions which adapt in social feedback loops to public opinion and lobbyist influences.
In this work, a family of self-consistent models is developed which map physical steady-state operation, capacity investments and exogeneous restrictions of a European electricity system, in higher simultaneous spatial and temporal detail as well as scope than has previously been computationally tractable. Increasing the spatial detail of the renewable resources and co-optimizing the expansion of only a few transmission lines, reveals solutions to serve the European electricity demand at about today’s electricity cost with only 5% of its carbon-dioxide emissions; and importantly their electricity mix differs from the findings at low spatial resolution.
As important intermediate steps,
• new algorithms for the convex optimization of electricity system infrastructure are derived from graph-theoretic decompositions of network flows. Only these enable the investigation of model detail beyond previous computational limitations.
• a comprehensive European electricity network model down to individual substations at the transmission voltage levels is built by combining and completing data from freely available sources.
• a network reduction technique is developed to approximate the detailed model at a sequence of spatial resolutions to investigate the role of spatial scale, and identify a level of spatial resolution which captures all relevant detail, but is still computationally tractable.
• a method to trace the flow of power through the network, which is related to a vector diffusion process on a directed flow graph embedded in a network, is used to analyse the resulting technology mix and its interactions with the power network
The open-source nature of the model and restriction to freely available data encourages an accessible and transparent discussion about the future European electricity system, primarily based on renewable wind and solar resources.
Die vorliegende Untersuchung wurde mit dem Ziel durchgeführt, fördernde und hemmende Einflussfaktoren auf die Entstehung und Durchführung von translationaler Forschung näher bestimmen zu können. Dazu wurden im Verlauf der Forschung sechs Gruppen von möglichen Einflussfaktoren untersucht. Diese waren 1) externe politische, 2) institutsbezogene, 3) soziale (auf soziale Rollen und sozialen Status bezogene), 4) epistemische, 5) forschungskulturelle und 6) individuelle Faktoren.
Translationale Forschung wurde als Spezialform interdisziplinärer Forschung konzeptualisiert. Auch bei dieser wird Wissen aus mehr als einer wissenschaftlichen Disziplin herangezogen, um ein disziplinübergreifendes Problem zu lösen. Das Besondere an der translationalen Forschung ist jedoch, dass zusätzlich mindestens eine der beteiligten Disziplinen grundlagenorientiert und eine andere anwendungsorientiert ist. Der Vorteil besteht darin, dass fortan der Wissensbestand beider Disziplinen kombiniert werden kann. Ein Nachteil ergibt sich daraus, dass die Wissensbestände untereinander nicht ohne Weiteres anschlussfähig sind und eine „Übersetzung“ durch die unterschiedlichen Praxisbezüge der beteiligten Disziplinen erschwert wird. Die translationalen Forschung muss neben dieser noch einer weiteren Herausforderung begegnen: Denn sie gewinnt ihre Erkenntnisse unter Laborbedingungen, wo Umweltfaktoren praktisch keine Rolle spielen. Dadurch lassen sich ihre Ergebnisse nicht unbedingt in die klinische Praxis transferieren. Kurz gesagt: Was im Labor eine bestimmte Wirkung erzielt hat, entfaltet diese Wirkung nicht automatisch am Patienten.
Im Rahmen der Dissertation wurden sechs translationale Forschungsprojekte aus Berlin-Buch aus der Zeit zwischen 1959 und 1989 untersucht. Aufgrund der in der DDR etablierten, staatlichen Überführungspolitik konnte insbesondere der Einfluss externen politischen Drucks auf diese Forschungsprojekte untersucht werden. Als Quellen dienten archivierte Akten, graue Literatur, zur damaligen Zeit publizierte Fachliteratur und Interviews mit Forschern, die damals an diesen Projekten beteiligt waren. Da es an soziologischer Literatur spezifisch zu translationaler Forschung bisher mangelt, wurden mehrere Einzelstudien aus der soziologischen und wissenschaftshistorischen Forschung herangezogen. Die Untersuchungsergebnisse erweitern den Forschungsstand zur interdisziplinären Forschung und zu Praxisbezügen von Forschung.
Die untersuchten Fallstudien zeigen exemplarisch, dass es die von der Staatsführung der DDR gewollten anwendungsorientierten medizinischen Forschungsprojekte auch in Berlin-Buch gegeben hat. Entgegen der Erwartung zeigen sie aber auch, dass translationale Forschung nicht speziell gefördert (mit Ressourcen oder einem besonderen Commitment) wurde und es somit oft vom Zufall abhängig war, ob diese (vorzeitig) beendet wurde oder nicht. Darüber hinaus konnten Anhaltspunkte dafür gefunden werden, dass translationale Forschung im Wesentlichen auf epistemischen (fachlichen) Schnittstellen beruht, die von anwendungsorientierten Biomedizinern meist aus persönlichem Interesse aufgegriffen werden, wenn sie als solche erkannt werden und wenn entsprechende Ressourcen zur Forschung zur Verfügung stehen.
Somit konnte widerlegt werden, dass das so genante „Translationsproblem“ darauf zurückzuführen ist, dass Kliniker und Forscher kein Interesse haben, miteinander zu kommunizieren oder zu forschen. Ein Problem stellt lediglich dar, dass epistemische Schnittstellen meist zufällig (oft als Nebenprodukte von disziplinärer Forschung) sichtbar werden und es an kurzfristig verfügbaren Ressourcen fehlen kann, um diesen nachzugehen. Hinzu kommt der erhöhte Aufwand, der sich durch das Einbeziehen von Forschern aus anderen Disziplinen ergibt und das vergleichsweise hohe Risiko, dass medizinische Anwendungen, die auf translationaler Forschung aufbauen, unter komplexen Umweltbedingungen (am Patienten) nicht mehr die gewünschte Wirkung entfalten. Die untersuchten Fallstudien haben jedoch auch gezeigt, dass translationale Infrastrukturen und regelmäßiges Peer Review Forschern dabei helfen können, Ergebnisse translationaler Forschung auf ihre Tauglichkeit in der Klinik zu prüfen. Das Risiko des Scheiterns lässt sich jedoch nicht vollständig ausschließen.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden sRNAs des halophilen Archaeons Haloferax volcanii hinsichtlich ihrer biologischen und ihrer regulatorischen Funktion charakterisiert.
Um einen Überblick über die biologischen Funktionen archaealer sRNAs zu erhalten, wurde eine umfassende phänotypische Charakterisierung von 27 sRNA-Deletionsmutanten im Vergleich zum Wildtyp ausgewertet. Im Zuge dieser phänotypischen Charakterisierungen wurden zehn verschiedene Wachstumsbedingungen, morphologische Unterschiede und Veränderungen in der Zellmotilität untersucht. Hierbei zeigten nahezu alle Deletionsmutanten unter mindestens einer der getesteten Bedingungen phänotypische Unterschiede. Durch den Verlust von sRNAs wurden sowohl sogenannte Gain-of-function als auch Loss-of-function Phänotypen beobachtet. Haloarchaeale sRNAs spielen eine wichtige Rolle beim Wachstum mit verschiedenen Salzkonzentrationen, mit verschiedenen Kohlenstoffquellen und beim Schwärmverhalten, sind jedoch weniger in die Adaptation an diverse Stressbedingungen involviert.
Zur näheren Charakterisierung der regulatorischen Funktion archaealer sRNAs wurden sRNA362, sRNAhtsf468 und sRNA479 mittels molekulargenetischer Methoden wie Northern Blot-Analyse und DNA-Mikroarray sowie bioinformatischer in silico-Analyse untersucht. Das Expressionslevel von sRNA362 konnte bestimmt und potentielle Zielgene für sRNAhtsf468 und sRNA479 identifiziert werden.
Eine vorangegangene Studie zeigte den Einfluss von sRNA30 unter Hitzestress und führte zur Identifikation differentiell produzierter Proteine in Abwesenheit der sRNA. In dieser Arbeit wurde mittels Northern Blot-Analysen die Expression der sRNA30 charakterisiert. Das Wachstum in An- und Abwesenheit von sRNA30 wurde bei 42°C und 51°C phänotypisch charakterisiert und der regulatorische Einfluss der sRNA auf die mRNA differentiell regulierter Proteine durch Northern Blot-Analyse überprüft. Eine Transkriptomanalyse mittels DNA-Mikroarray nach Hitzeschock-Induktion führte zur Identifikation differentiell regulierter Gene involviert in Transportprozesse, Metabolismus, Transkriptionsregulation und die Expression anderer sRNAs. Die differentielle Regulation des Proteoms nach Hitzeschockinduktion in An- und Abwesenheit von sRNA30 konnte bestätigt werden.
Desweiteren wurde in dieser Arbeit sRNA132 und deren phosphatabhängige Regulation der Ziel-mRNA HVO_A0477-80 näher charakterisiert. Eine Induktionskinetik nach Phosphatentzug bestätigte die Bedeutung von sRNA132 für die verstärkte Expression des Operons HVO_A0477-80 unter Phosphatmangel-Bedingungen und verwies auf die Existenz weiterer Regulationsmechanismen. Während vor und nach Phosphatentzug kein Unterschied bezüglich der Zellmorphologie von Wildtyp und Deletionsmutante zu erkennen war, führte das Wachstum mit einem starken Phosphatüberschuss von 5 mM zu einer Zellverlängerung der Deletionsmutante. Die Kompetition der nativen 3‘-UTR des Operons HVO_A0477-80 mit einer Vektor-kodierten artifiziellen 3‘-UTR legt eine Regulation über die Bindung von sRNA132 an die 3‘-UTR nahe. Der Transkriptomvergleich nach Phosphatentzug in An- und Abwesenheit von sRNA132 führte zur Identifikation des Phosphoregulons der sRNA. Zu diesem Phosphoregulon gehören unter anderem zwei Glycerinphosphat-Dehydrogenasen, Transkriptionsregulatoren, eine Polyphosphatkinase und eine Glycerolphosphodiesterase. Zudem waren die Transkriptlevel der beiden ABC-Transporter HVO_A0477-80 und HVO_2375-8 für anorganisches Phosphat und des Transporters HVO_B0292-5 für Glycerinaldehyd-3-Phosphat in Abwesenheit der sRNA verringert. Die beiden ABC-Transportsysteme für anorganisches Phosphat wurden im Rahmen dieser Arbeit deletiert und weiter charakterisiert. Es konnte gezeigt werden, dass das ABC-Transportsystem HVO_2375-8 bei geringen Phosphatkonzentrationen leicht induziert wird und das Transkriptlevel in Anwesenheit von sRNA132 erhöht ist. Wachstumsversuche der jeweiligen Deletionsmutante in direkter Konkurrenz mit dem Wildtyp zeigten, dass keiner der beiden ABC-Transporter den anderen vollständig ersetzen kann und der Wildtyp mit beiden intakten ABC-Transportern unter phosphatlimitierenden Bedingungen einen Wachstumsvorteil besitzt. In silico-Analysen der Promotorbereiche von sRNA und ABC-Transporter legen zudem die Existenz von P-Boxen nahe.
Cardiac trabeculation is one of the essential processes required for the formation of a competent ventricular wall, whereby clusters of ventricular cardiomyocytes (CMs) from a single layer delaminate and expand into the cardiac jelly to form sheet-like projections in the developing heart (Samsa et al., 2013). Several congenital heart diseases are associated with defects in the formation of these trabeculae and lead to embryonic lethality (Jenni et al., 1999; Zhang et al., 2013, Jenni et al., 2001; Towbin 2010). It has been experimentally shown that lack of Nrg1/ErbB2/ErbB4, Angipoetin1/Tie2, EphrinB2/B4, BMP10, or any component of the Notch signaling pathway can cause defective trabeculation. Moreover, changes in blood flow and/or contractility can also affect trabeculation (Samsa et al., 2013). Together, these observations demonstrate that cardiac trabeculation is a highly dynamic and regulated process.
Trabeculation is a morphogenetic process that requires control over cell shape changes and rearrangements, similar to those observed during EMT. Epithelial cells within an epithelium are polarized and establish cell-cell junctions with the neighboring cells (Ikenouchi et al., 2003; Ferrer-vaquer et al., 2010), thus epithelial cell polarity is an important feature to maintain cell shape and tissue structure. During developmental processes such as cell migration and cell division or in disease states epithelial polarity might be disrupted. As a consequence of this alteration, cells lose their tight cell-cell adhesions, undergo cytoskeletal rearrangements, change their shape and gain migratory properties becoming mesenchymal cells (Micalizzi et al., 2010). In epithelial cells, apicobasal polarity is regulated by a conserved set of core complexes, including the PAR, Scribble and Crumbs complexes (Kemphues et al., 1988; Bilder and Perrimon, 2000; Teppas et al., 1984). The polarity proteins composing these complexes interact in a well organized and coordinated-manner creating molecular asymmetry along the apicobasal axis of the cell. In turn, this crosstalk regulates the maturation and stabilization of the junctions between cells and cytoskeleton in order to strengthen cell polarization (Roignot et al., 2013). Amongst the different polarity complex, Crumbs has been shown to be a key regulator of apicobasal polarity during development in both vertebrates and invertebrates (Tepass et al., 1990; Fan et al., 2004).
Here, taking advantage of zebrafish as a model organism, I study in vivo at single cell resolution changes in CM apicobasal polarity during cardiac trabeculation. Moreover, I show which factors regulate CM apicobasal polarity during this process. In addition, I dissect the role of the polarity complex Crumbs in regulating CM junctional rearrangements and the formation of the trabecular network.
Aim: Long noncoding RNAs (lncRNAs) belong to the interface of epigenetics and exhibit diverse functions. Their features depend on their sequence, genomic location and tertiary structure. The aim was to identify novel lncRNAs and characterise their physiological functions and mechanisms in endothelial cells. Three different approaches were performed:
The hypothesis that pseudogene-annotated lncRNA NONHSAT073641 regulates the expression of their parental gene platelet activating factor acetylhydrolase 1b regulatory subunit 1 (PAFAH1B1) was examined.
The physiological functions and in vivo relevance of most lncRNAs are still unknown, therefore a part of this work aimed to identify lncRNAs in response to a pathophysiological stimulus (high amplitude stretch) in endothelial cells.
The long intergenic noncoding RNA antisense to S1PR1 (LISPR1) gene, is located within the promotor of sphingosine-1-phosphate receptor 1 (S1PR1) and shares a part of the promotor region. This study examined additionally the hypothesis that LISPR1 controls the S1PR1 expression in endothelial cells.
Methods: The angiogenic functions of NONHSAT073641 and LISPR1 were examined with spheroid-outgrowth and scratch wound assays. Furthermore, stretch experiments were performed in order to identify differently expressed lncRNAs in human umbilical vein endothelial cells (HUVECs). In addition, the in vivo relevance of both lncRNAs was examined in samples from pulmonary arterial hypertension patients. Knockdown (e.g. LNA GapmeRs), knockout (CRISPR/ Cas9) and overexpression experiments (e.g. CRISPR activation) were performed to analyse target genes. The molecular mechanism of LISPR1 was investigated with RNA and Chromatin immunoprecipitation.
Results: NONHSAT073641 and PAFAH1B1 exhibited angiogenic function in endothelial cells. It could be observed that NONHSAT073641 is not regulating the expression of PAFAH1B1. The pro-angiogenic feature of PAFAH1B1 might be attributed to the target gene matrix Gla protein (MGP). NONHSAT073641 and PAFAH1B1 were significantly induced in CTEPH samples and might be important in the development of this disease. It could be speculated that NONHSAT073641 is regulating the expression of the cell-cycle regulator BCL2L11 as has been investigated in mice.
LISPR1 is a cis-acting lncRNA which maintains S1PR1 gene transcription by intercepting the transcriptional repressor ZNF354C and enabling Polymerase II (PolII) to bind. ZNF354C regulates S1PR1 expression in HUVECs. However, the role of ZNF354C in pulmonary arterial hypertension (PAH) is unknown. LISPR1 and S1P1 receptor were both significantly depleted in COPD samples. It can be assumed that due to higher S1P production, the signalling is attenuated through reduction of the lncRNA LIPSR1 and thus the receptor S1P1.
The stretch experiments present a possible in vitro model in order to mimic the condition of endothelial cells during high blood pressure, such as in PAH. Referring to published data, it could be confirmed that stretching of endothelial cells alters the gene expression, which is on the other hand linked to cardiovascular disease. In cardiovascular disease mechanical stretch altered genes, which are participating in the vascular remodelling process. The role of differently expressed lncRNAs (TGFβ2-AS1, CTD-2033D15.2, INHBA-AS1, RP11-393I2.4, TAPT1-AS1, TPM1-AS1, CFLAR-AS1 and HIF1α-AS2) upon mechanical stretch is yet not clarified.
Conclusion: NONHSAT073641 and LISPR1 are important for the endothelial angiogenic function. Both lncRNAs were deregulated in PAH samples. The pathophysiological stimulus had an impact on the expression of different lncRNAs (e.g. TGFβ2-AS1) and pathways (e.g. TGF-β) in endothelial cells.
Das Ziel dieser Dissertation war es die biologische Rolle der Ubiquitinierung und die Bedeutung für Alterungsprozesse im filamentösen Ascomyceten Podospora anserina zu untersuchen. Folgende Ergebnisse wurden dabei erzielt:
1. Ubiquitinierte Proteine wurden nachgewiesen und die Deubiquitinierung von Proteinen konnte durch den Einsatz der Inhibitoren Urea, PR-619 und PIC erfolgreich inhibiert werden, was die Anwesenheit aktiver Deubiquitinasen in P. anserina beweist. Zudem wurden erstmalig ubiquitinierte Proteine in P. anserina unter den zur Aufreinigung
gewählten Bedingungen über die Technik der LC-MS/MS identifiziert.
2. Insgesamt wurden 1745 ubiquitinierte Proteine in P. anserina identifiziert, was ca. 16,4 % des gesamten Proteoms darstellt. Somit wurde erstmalig das Ubiquitinom des Ascomyceten P. anserina charakterisiert, welches Proteine aus allen zellulären Kompartimenten enthält.
3. Die erste im Rahmen dieser Arbeit durchgeführte umfassende Studie altersabhängiger Veränderungen im Ubiquitinom eines Organismus zeigt eine Herabregulation der Ubiquitinierung im Alter in der gesamten Zelle. Dem gegenüber steigt die Ubiquitinierung an den Mitochondrien leicht an und unterstreicht die Rolle einer mitochondrialen Qualitätskontrolle durch diesen Prozess.
4. Die Untersuchung der am Ubiquitinierungsprozess beteiligten E3-Ligase PaMUS10 zeigt, dass es sich bei Mus10 um ein essentielles Gen in P. anserina handelt, da die Deletion zu starken mitochondrialen Beeinträchtigungen und dem sofortigen Absterben des Organismus direkt nach der Keimung führt.
5. Zur weiteren Untersuchung von PaMus10 wurde erstmalig und vollständig ein Hygromycin-basiertes „Knockdown“-System in P. anserina etabliert, was die detaillierte Untersuchung eines essentiellen Gens in diesem Organismus ermöglichte. Durch dessen Einsatz konnte eine reduzierte Fertilität, eine verkürzte Lebensspanne sowie Veränderungen der mitochondrialen Morphologie und Funktion als direkte Folge einer PaMus10-Herabregulation nachgewiesen werden.
6. PaMUS10 ist vorwiegend cytosolisch lokalisiert wird aber unter oxidativem Stress oder in gealterten Kulturen an die Mitochondrien rekrutiert, was einen vergleichbaren Mechanismus zur menschlichen E3-Ligase PARKIN darstellt.
7. Der Verlust von PaMUS10 verursacht ein Präseneszenzsyndrom und führt zum vorzeitigen Absterben des Organismus, wohingegen die zusätzliche Expression von PaMus10::Gfp offenbar positive Effekte nach sich zieht, da hier eine deutliche Verlängerung der Lebensspanne beobachtet wurde.
8. Der Vergleich der beiden Ubiquitinome von ∆PaMus10/PaMus10 und Wthph1/2 zeigt eine massive Reduzierung der globalen Ubiquitinierung, welche offenbar durch das Fehlen von PaMUS10 ausgelöst wird und damit dessen Funktion als E3-Ligase untermauert.
9. Im Rahmen der hier durchgeführten Substratanalyse wurden insgesamt 131 Proteine identifiziert, von denen ca. 20 % dem Mitochondrium zugeordnet werden können. Aufgrund der diversen biologischen Prozesse und Funktionen dieser Substrate ist PaMUS10 sowohl in die Ubiquitinierung cytosolischer als auch mitochondrialer Proteine involviert und greift womöglich sogar als zentraler Schalter in die gesamte zelluläre Homöostase ein.
Aufgrund der nicht unerheblichen Zahl der identifizierten ubiquitinierten Proteine (Ubiquitinom) und den fatalen Auswirkungen, die der Verlust einer E3-Ligase in diesem Organismus nach sich zieht, lässt sich folgende grundlegende Erkenntnis formulieren:
Die Ubiquitinierung spielt in P. anserina eine bedeutende Rolle zur Aufrechterhaltung zellulärer Prozesse insbesondere der mitochondrialen Homöostase und beeinflusst dadurch positiv die Entwicklung und Alterung in diesem Organismus.
In this thesis we introduce the imaginary projection of (multivariate) polynomials as the projection of their variety onto its imaginary part, I(f) = { Im(z_1, ... , z_n) : f(z_1, ... , z_n) = 0 }. This induces a geometric viewpoint to stability, since a polynomial f is stable if and only if its imaginary projection does not intersect the positive orthant. Accordingly, the thesis is mainly motivated by the theory of stable polynomials.
Interested in the number and structure of components of the complement of imaginary projections, we show as a key result that there are only finitely many components which are all convex. This offers a connection to the theory of amoebas and coamoebas as well as to the theory of hyperbolic polynomials.
For hyperbolic polynomials, we show that hyperbolicity cones coincide with components of the complement of imaginary projections, which provides a strong structural relationship between these two sets. Based on this, we prove a tight upper bound for the number of hyperbolicity cones and, respectively, for the number of components of the complement in the case of homogeneous polynomials. Beside this, we investigate various aspects of imaginary projections and compute imaginary projections of several classes explicitly.
Finally, we initiate the study of a conic generalization of stability by considering polynomials whose roots have no imaginary part in the interior of a given real, n-dimensional, proper cone K. This appears to be very natural, since many statements known for univariate and multivariate stable polynomials can be transferred to the conic situation, like the Hermite-Biehler Theorem and the Hermite-Kakeya-Obreschkoff Theorem. When considering K to be the cone of positive semidefinite matrices, we prove a criterion for conic stability of determinantal polynomials.
Ausgangspunkt der Dissertation bilden 2.700 keltische und römische Fundmünzen sowie zahlreiche Produktionsreste aus Bunt- und Edelmetall, die auf dem Castellberg, Kreis Bitburg-Prüm, geborgen wurden. Die Funde stammen zum überwiegenden Teil aus den großflächigen Ausgrabungen und Prospektionen, die im Rahmen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Schwerpunktprogramms „Romanisierung“ durchgeführt wurden.
Nach bisherigem Forschungsstand befand sich auf dem ausgedehnten Bergplateau vom 2. bis 1. Jh. v. Chr. ein Oppidum der Treverer. Im Verlauf der römischen Okkupation entwickelten sich an diesem Platz ein gallo-römisches Heiligtum sowie eine Zivilsiedlung, welche eine Platzkontinuität bis zum Beginn des 5. Jh. n. Chr. aufweisen.
Aufgrund der komplexen Siedlungsabfolge sowie der gut dokumentierten archäologischen Kontexte nehmen die Funde vom Castellberg eine Schlüsselrolle für die Erforschung der latènezeitlichen Münzprägung Nordgalliens ein und bieten beste Voraussetzungen, Zirkulation und Funktion von Münzen in diesem Raum bis zur Spätantike zu untersuchen.
Wesentliches Ziel der Studie bilden die Erfassung und Dokumentation der genannten Funde sowie deren archäologische, archäometrische und numismatische Auswertung auf Grundlage der erschlossenen Fundkontexte.
Zu Beginn stehen methodische Überlegungen zur chronologischen Einordnung und zur histographischen Darstellung des Fundgutes.
Die anschließenden Betrachtungen widmen sich dem antiken Geldbegriff. Die Auseinandersetzung mit der Wertgrundlage des antiken Geldes stellt eine Voraussetzung dar, um das Vorkommen von Münzen aus archäologischen Kontexten historisch angemessen zu beschreiben und damit die Funktion von und den Umgang mit Geld in der Antike zu erfassen.
Einen Schwerpunkt der Arbeit stellen die nachfolgenden quellenkritischen Untersuchungen zu den Bedingungen des Zustandekommens und der Überlieferung der Münzfunde dar. Anhand des Fundmaterials vom Castellberg werden exemplarisch die Auswirkungen antiker und nachantiker selektiver Faktoren dargelegt. Durch den Abgleich mit strukturell vergleichbaren Fundplätzen wird anschließend eine Überprüfung und Erweiterung der Ergebnisse vorgenommen, wobei insbesondere Fragen nach den antiken Selektionsmechanismen im Vordergrund stehen.
Im Anschluss erfolgt die Auswertung der Fundmünzen aus den Ausgrabungen und Prospektionen. Mit Hilfe von Befundanalysen, Münzkartierungen und Münzreihenauswertungen werden die einzelnen Fundkomplexe detailliert auf ihre zeitlichen und räumlichen Verhältnisse hin untersucht. Auf diesem Weg gelingt es, weiterführende Erkenntnisse zur Genese, Entwicklung und zum Ende des spätlatènezeitlichen Oppidums sowie des gallo-römischen Vicus und Heiligtums auf dem Castellberg zu gewinnen.
Am Ende der Arbeit stehen Fragen zum treverischen Münzwesen im Vordergrund. Neben dem umfangreichen Material vom Castellberg wurden zahlreiche weitere keltische Münzen von Vergleichsfundplätzen als Materialbasis für die vorgenommenen Stempelstudien, Gewichtsuntersuchungen und Metallanalysen herangezogen.
Es wird zunächst aufgezeigt, dass die bisher gebräuchliche Typologie der treverischen Silberprägung weiter zu differenzieren und präzisieren ist. Die Ergebnisse führen ferner zu Konsequenzen für die relativchronologische Fixierung der betreffenden Münztypen.
Die nachfolgenden Stempelstudien konzentrieren sich auf die beiden frühesten Silbermünztypen der Treverer; es werden Art und Umfang dieser Prägungen aufgezeigt sowie Rückschlüsse für die Fertigungstechnik der Prägestempel gezogen.
Einen zentralen Aspekt der Dissertation bildet die abschließende Auswertung der Metallanalysen an ausgewählten Münztypen der Treverer, Remer und Leuker. Die Analysen geben Auskunft über die Spezifika der betreffenden Emissionen und liefern ein ergänzendes Bild zu den numismatischen Studien. Des Weiteren wird dargelegt, inwieweit die Herkunft der ausgemünzten Erze nachvollzogen werden kann.
Ausgehend von dem bedeutenden Neufund einer Patrize sowie zahlreichen Funden von Münzschrötlingen, Fehlgüssen und Metallschmelzresten vom Castellberg wird darüber hinaus die Frage geklärt, ob auf dem Plateau eine treverische Prägestätte zu lokalisieren ist und welche Münztypen dort geprägt wurden. Weitere Funde von Prägewerkzeugen aus dem Untersuchungsgebiet werfen grundlegende Fragen zu den Fertigungstechniken auf, denen in diesem Zusammenhang ebenso nachgegangen wird.
Die Untersuchungen liefern erstmals konkrete Erkenntnisse zu Ablauf und Organisation des Münzwesens der Treverer sowie zu strukturellen Veränderungen, die im Zusammenhang mit dem Gallischen Krieg und der nachfolgenden römischen Einflussnahme zu sehen sind.
Die eingereichte Dissertation liefert fundamentale Erkenntnisse zur Chemie nucleophiler Borzentren, die unter B•B-, B–B- und B=B-Bindungsbildungen reagieren. Zusammen mit den aufgedeckten Prinzipien zu (e–)-induzierten Umlagerungen des 9-Borafluorengrundgerüsts und Übertragungen von Hydridionen liegt nun ein umfassendes mechanistisches Wissen vor, das die effiziente Synthese neuartiger Moleküle ermöglicht. Im Folgenden ist eine Übersicht über bearbeitete Teilprojekte gegeben.
Durch Reduktion des Bis(9-borafluorenyl)methans 7 wurde über [7•]– (B•B-Einelektron-Zweizentrenbindung) und [7]2– (B–B-Zweielektronen-Zweizentrenbindung) das Tetraanion [7]4– dargestellt, das bei Zugabe von Elektrophilen unter Oxidation reagiert.
Die Injektion von Elektronen in das B(µ-H)2B dotierte Dibenzo[g,p]chrysen 12 führt in Abhängigkeit der Natur und der Stöchiometrie des eingesetzten Reduktionsmittels zu unterschiedlichen Hauptprodukten (bordotierte Dibenzo[g,p]chrysen- oder 9,9‘-Bifluorenylgrundkörper) mit verschiedenen Bindungsmodi (B–B-, B=B- oder (µ-H)B-B-Bindungen), deren Entstehung mechanistisch über Gerüstumlagerungen und Hydridübertragungen dargelegt wurde.
Durch die Zugabe etherischer HCl kann die B=B-Bindung in [37]2– quantitativ zu [116]– [(µ-H)B–B] oder 12 (B(µ-H)2B) protoniert werden. Umgekehrt lässt sich das scheinbar hydridische Diboran 12 durch sterisch anspruchsvolle Basen selektiv zu [116]– deprotonieren. Die kleine Base H3CLi führt neben der Deprotonierung von 12 auch zu einem Bis(9-borafluorenyl)methan, das ein verbrückendes Hydridion trägt ([125]–). Der Mechanismus wurde detailliert untersucht (z. B. wurde eine C–H-Aktivierung aufgeklärt), was u. a. genutzt werden konnte, um einen atomökonomischen Pfad von [37]2– zu [125]– zu etablieren.
Die Intermediate [132Cn,X]– (formale Addukte eines 9-Borafluorenyl-Anions an borständig substituierte 9-Borafluorene), gebildet durch die Zugabe von Halogenalkanen zu [37]2–, reagieren in Abhängigkeit der borständigen Alkylkette unter: (i) intramolekularer C–H-Aktivierung, (ii) intramolekularer Substitutionen oder (iii) intermolekularer Substitution.
Die Reduktion des 9-Borafluorens 6∙THF mit Lithium erzeugt das B=B-gebundene Dibenzo[g,p]chrysen-Dianion [37]2–, das 9-Borafluoren-Dianion [6]2–, das 9,9-Dihydroboratafluoren [34]– und das tetraanionische Bis(9-borafluorenyl) [146]4–.
Das 9-Borafluoren-Dianion [6]2–, das durch Reduktion von 6∙THF bei –78 °C mit Alkalimetallen selektiv dargestellt wurde, reagiert als formales Nucleophil. Über eine Reaktionskaskade gelang die selektive Synthese unterschiedlicher Produkte, die bei der literaturbekannten Reduktion des unsymmetrischen 9-Borafluoren-Dimers (6)2 mit Lithium in Toluol in Gegenwart von Et3SiBr beschrieben wurden. Hierüber konnte u. a. die Bildung eines organischen Derivats von [B3H8]– erklärt werden.
Biologischen Systemen liegen Mechanismen zugrunde, die bis heute nicht vollständig aufgeklärt sind. Für die Untersuchung eignen sich externe Trigger, die eine Regulation von außen auf das System erlauben und Prozesse gezielt steuerbar machen. Eine Möglichkeit ist das System unter optische Kontrolle zu bringen, d.h. durch Licht eine externe Steuerung zu implementieren, was von einem internen Chromophor aufgenommen wird. In der vorliegenden Dissertation werden drei individuelle Projekte vorgestellt, die alle dieses Prinzip auf unterschiedliche Weise anwenden.
RNAs haben eine Vielzahl an verschiedenen Funktionen in der Zelle, die von der Proteinsynthese bis zur Genregulation variieren. Im ersten Projekt wurde der Photoschalter Spiropyran im Kontext von RNA eingesetzt. Mit dem Ziel das Derivat PyBIPS kovalent an ein Oligonukleotid zu binden und damit die Hybridisierung eines Duplexes zu steuern, wurden Strukturmotive gesucht, an die der Photoschalter postsynthetisch gebunden werden kann. Dabei soll die sterisch anspruchsvolle Spiropyran-Form die Watson-Crick-Basenpaarung stören und die planare, konjugierte Merocyanin-Form in den Duplex, zur zusätzlichen Stabilisierung, interkalieren. In Vorarbeiten von Clara Brieke wurde festgestellt, dass erstens nur PyBIPS, nach kovalenter Verknüpfung, noch vollständig photochemisch aktiv ist und zweitens eine Herstellung über Festphasensynthese nur in schlechter Ausbeute realisierbar ist. Ausgehend davon wurde PyBIPS an die drei nicht-nukleosidischen Linker, Aminoglykol, D-Threoninol und Serinol, postsynthetisch über eine Amidbindung angebracht, die zuvor über Oligonukleotidfestphasensynthese in 2´-OMe-RNA eingebaut wurden.
In der photochemischen Charakterisierung konnte gezeigt werden, dass PyBIPS, gebunden an alle drei Motive, noch photochemisch aktiv ist und im Vergleich zu ungebundenem PyBIPS stabiler ist gegenüber Photolyse. In Untersuchungen im Doppelstrang im Wedge Motiv, d.h. im Gegenstrang befindet sich kein Nukleotid gegenüber dem Photoschalter, wurde ein ähnliches Verhalten festgestellt. Zusätzlich zur charakteristischen Merocyanin-Bande bei 550 nm ist ein zweites, rotverschobenes Absorptionsmaximum entstanden, das die gleichen Eigenschaften besitzt. In Schaltzyklen wurde festgestellt, dass eine Isomerisierung bis 660 nm möglich ist, was eine Anwendung im therapeutischen Fenster zwischen ca. 600 und 1000 nm von Blut ermöglichen würde. Das Auftreten der zweiten Bande hängt stark vom Linker und dem Baustein im gegenüberliegenden Strang ab. Es wird vermutet, dass sich das, sonst nicht-bevorzugte, TTT-Isomer der Merocyanin-Form, durch Stabilisierung durch die Umgebung im Oligonukleotid ausbildet.
Zur Untersuchung, inwiefern die Isomerisierung des Photoschalters die Duplexstruktur beeinflusst, wurden Schmelzpunktstudien und Fluoreszenzmessungen zur KD-Bestimmung durchgeführt, ohne dass eine Veränderung zu erkennen war. In einer größeren NMR-Studie, in Kooperation mit Tom Landgraf (Arbeitsgruppe Prof. Dr. Harald Schwalbe) wurde der Fokus darauf-gelegt mehr Informationen über die strukturelle Integrität zu erhalten. Es findet eine Störung der benachbarten Basenpaarungen durch den Photoschalter statt, jedoch kann die Kraft der Isomerisierung des Photoschalters nicht übertragen warden. Der Einfluss war zunächst geringer als erwartet, was in anderen Anwendungen überprüft warden muss.
Im zweiten Projekt steht das Membranprotein OmpG aus E. Coli K12 im Fokus. Proteine besitzen viele verschiedene funktionelle Gruppen, die für selektive Biokonjugation genutzt werden können in einer Reihe von Anwendungen. OmpG gehört zur Gruppe der Porine, die in der äußeren Membran von Gram-negativen Bakterien sitzen und die seltene ß-Fassstruktur ausbilden. Die Pore besitzt einen großen Innendurchmesser ohne Selektivität. Das Molekül wurde bereits intensiv auf seine Struktur, insbesondere Loop 6, der pH-abhängig die Pore verschließt, untersucht. In Vorarbeiten von Grosse et al. wurde der Loop entfernt, sodass ein ruhiger Kanal entstanden ist, der ein optimales Modellsystem darstellt. Außerdem wurden in der Pore zwei Cysteine, die auf gegenüberliegenden Seiten auf halber Höhe des Kanals sitzen, eingeführt. An die Thiolgruppen wurden photolabile Schutzgruppen angebracht, die erst den Kanal blockieren und nach Abspaltung durch Licht wieder freigeben. Dazu wurde jeweils ein 7-Diethylaminocumarin (DEACM) postsynthetisch angebracht.
Der Linker am Cumarin-Alkohol stellt dabei einen Kompromiss dar, da er zum einen selektiv mit der Thiolgruppe des Cysteins reagieren soll, gleichzeitig aber noch photo-induziert wieder abspalten muss. Durch Belichtung findet eine Hydrolyse des Esters unter Abspaltung des Alkohols statt, der einen Carbonsäurerest am Thiol in der Pore zurück lässt. In spannungsabhängigen Einzelkanal-messungen, durchgeführt von Dr. Philipp Reiß (Universität Marburg), konnte gezeigt werden, dass die zwei DEACM Modifikationen eine Reduktion der Leitfähigkeit bewirkten und durch Licht abgespalten und aus dem Kanal entfernt werden konnten. Dabei war außerdem zu erkennen, dass die Leitfähigkeit aufgrund der Carboxylreste über das Niveau von unmodifiziertem OmpG steigt.
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The purpose of this thesis is to achieve two highly interconnected yet distinct tasks. On the one hand, the thesis explains how foreign investment insurance works by focusing on the law governing the relationships between involved actors. On the other hand, it provides a critique of the operation of foreign investment insurance as an investment protection instrument by mainly drawing on critical studies of the investment protection regime.
The main question this thesis attempts to answer is how foreign investment insurance works. I construe foreign investment insurance as a typical insurance product and focus on the operation of insurance arrangements from a legal perspective. Ideas about how insurance should be deployed in any given social, political or economic context are instrumental in the development of insurers, insurance products and insurance techniques. The thesis examines investment insurers, the products they offer and their techniques to identify and deal with so-called political risks.
Another important question concerns the notion of political risk. What are considered political risks in the context of investment insurance and how are they conceptualized by investment insurance providers? Investment insurers have largely adopted a business-oriented political risk definition which denotes governmental intervention in foreign investment as political risk without regard to the objectives of government actions. Descriptive studies explain political risk by replicating investment insurers’ categorization of basic coverages that include expropriation, currency inconvertibility and remittance transfer restrictions, political violence and breach of contract. Yet recent studies have increasingly provided in-depth analyses on the notion of political risk as well as on the specific categories of political risk, particularly expropriation. The thesis draws on these studies to critically discuss the concept of political risk as it is used by investment insurance providers.
I focus on foreign investment insurance provided by OPIC and MIGA due to their mandate to promote economic development in the capital-importing countries and for their historical role as the major providers of investment insurance. While focus is on MIGA and OPIC, the thesis offers a general account of the operation of foreign investment insurance by incorporating the available information on investment insurance industry and the international governance of investment insurance. The central issues explored in this thesis such as the principle of subrogation and the notion of political risk help me generalize the study as these issues are characterized similarly with respect to each public investment insurance provider.
The case studies and most examples in this thesis are based on expropriation risk insurance.
Bluttransfusionen ermöglichen es jährlich tausenden von Menschen das Leben zu retten. Allerdings bringt ein unreflektierter Einsatz auch zahlreiche Nachteile mit sich. Patient Blood Management (PBM) beschäftigt sich damit, das optimale Kosten-Nutzen-Verhältnis dieser Maßnahme auszuschöpfen.
Das Programm verfolgt einen multimodalen Ansatz zur Reduktion von Transfusionen. Es zielt darauf ab präoperative Anämie zu erfassen und, wenn möglich, zu therapieren, iatrogenen Blutverlust zu reduzieren und die Anämietoleranz des Körpers maximal auszunutzen. Diese Maßnahmen wurden durch Schulungsprogramme und die Bereitstellung von Informationsmaterial begleitet, um die Sensibilität und das Wissen zu diesem Thema zu vergrößern.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit den Einflüssen der Einführung von PBM auf die Mortalität und Morbidität von Malignompatienten in der Viszeralchirurgie. Die retrospektive Analyse war darauf ausgerichtet, einen Unterschied von 10 % im Zweijahresüberleben vor und nach Einführung festzustellen. Hierfür wurden die Daten von 836 Patienten ausgewertet, die sich über einen Zeitraum von vier Jahren einer onkologischen Operation in der Abteilung für Allgemein- und Viszeralchirurgie der Universitätsklinik Frankfurt am Main unterzogen haben. Davon befanden sich 389 vor und 447 nach der Einführung des Projekts in Behandlung.
Das Ziel der Untersuchung bestand darin, die Sicherheit und den Nutzen von PBM in dieser speziellen Patientengruppe näher zu untersuchen. Dazu wurden der primäre Endpunkt des Zweijahresüberlebens und die sekundären Endpunkte 30-Tages- und 90-Tagesüberleben, Prozentsatz an Patienten mit Anämie, Anzahl der transfundierten Erythrozytenkonzentrate (EK) sowie das Auftreten von Komplikationen nach der Dindo-Clavien Klassifikation festgelegt.
Die erhobenen Daten zeigen ein um 13,1 % (p = < 0,001) verbessertes Überleben nach zwei Jahren in den Vergleichsgruppen vor und nach Einführung des Patient Blood Managements. Es haben 21,5 % (p = < 0,001) weniger Patienten Erythrozytenkonzentrate erhalten, zudem wurde die Gesamtsumme der transfundierten Konzentrate signifikant (p = < 0,001) reduziert.
Dabei kam es zu keinem vermehrten Auftreten von Komplikationen. Dies spricht dafür, dass die Einführung von PBM zur Verbesserung der Patientensicherheit beigetragen hat. Es hat sich gezeigt, dass Patienten ohne oder mit moderaten postoperativen Komplikationen (Dindo-Claven < IIIb) von den Veränderungen im besonderen Maße profitieren.
Eine flächendeckende Implementierung des Konzepts in den klinischen Alltag ist als sicher und empfehlenswert zu betrachten. Neben den Patienten profitiert auch das ärztliche Personal, denn im Rahmen von strukturierten Fortbildungsveranstaltungen wird tiefergehendes Wissen vermittelt und klare Handlungsempfehlungen gegeben. Dies reduziert Unsicherheiten, erhöht die Sensibilität und verringert auf diesem Weg Fehler im Transfusionsmanagement. Des Weiteren ergeben sich ökonomische Vorteile. Durch Schulungen, Anämiescreening und der Anschaffung neuer blutsparender Systeme entstehen zwar zunächst zusätzliche Kosten, allerdings stehen diese Einsparungen, durch einen geringeren EK-Verbrauch sowie geringeren Ausgaben durch eine Senkung der Morbidität, gegenüber.
Es wäre von Interesse, in zukünftigen Untersuchungen die genauen Ursachen für den beobachteten Effekt im verbesserten Langzeitüberleben zu analysieren. Mit diesem Wissen kann eine optimale Nutzung der Einflussfaktoren gewährleistet werden. Zudem sollte es auf dieser Basis möglich werden, das Patientenkollektiv, das von einer Transfusion profitiert, genauer einzugrenzen.
In times of a growing world population and the associated demand for high crop yield, the understanding and improvement of plant reproduction is of central importance. One key step of plant reproduction is the development of the male gametophyte, which is better known as pollen. In addition, the development of pollen was shown to be very sensitive to abiotic stresses, such as heat, which can cause crop damage and yield loss. To obtain new insights in the development and heat stress response of pollen, a combined transcriptome and proteome analysis was performed for three pollen developmental stages of non- and heat-stressed tomato plants.
The analysis of the transcriptomes of non-stressed pollen developmental stages enabled the determination of mRNAs accumulated in certain developmental stages. The functional analysis of these mRNAs led to the identification of protein families and functional processes that are important at different times of pollen development. A subsequent comparison of the transcriptomes of non- and heat-stressed pollen revealed a core set of 49 mRNAs, which are upregulated in all three developmental stages. The encoded proteins include among other things different heat stress transcription factors and heat shock proteins, which are known key players of the plant heat stress response.
Furthermore, 793 potential miRNAs could be identified in the transcriptome of non- and heat-stressed pollen. Interestingly, 38 out of the 793 miRNAs have already been identified in plants. For more than half of these miRNAs potential target mRNAs were identified and the interactions between miRNAs and mRNAs linked to the development and heat stress response of pollen. In total, 207 developmentally relevant interactions could be determined, out of which 34 have an effect on transcriptional-networks. In addition, 24 of the interactions contribute the heat stress response of pollen, whereby this mainly affects post-meiotic pollen.
An initial correlation of the proteome and transcriptome of the developmental stages revealed that transcriptome analyses are not sufficient to draw exact conclusions about the state of the proteome. A closer look on the relationship of the transcriptome and proteome during pollen development revealed two translational modes that are active during the development of pollen. One mode leads to a direct translation of mRNAs, while the second mode leads a delayed translation at a later point in time. Regarding the delayed translation, it could be shown that this is likely due to a short-term storage of mRNAs in so-called EPPs. The comparison of the proteome and transcriptome response to heat stress revealed that the proteome reacts much stronger and that the reaction is mainly independent from the transcriptome. Finally, the comparison of the proteome of non- and heat-stressed pollen provided first indications for changes in the ribosome composition in response to heat stress, as 57 ribosomal proteins are differentially regulated in at least one developmental stage.
Die Sepsis ist mit einer hohen Letalität im Krankenhaus verbunden. Ein wesentlicher Auslöser der Sepsis ist das Endotoxin. Es führt zu Entzündungsreaktionen im Organismus mit Ausbildung eines septischen Schocks bis hin zum Multiorganversagen. Zudem führt es zu Veränderungen im Gerinnungssystem mit unterschiedlich schweren Ausprägungen. Das Endotoxin wird physiologisch im menschlichen Körper durch IgM neutralisiert. In dieser Studie wurde der Effekt von IgM angereichertem intravenösen Immunglobulin auf die Endotoxinaktivität untersucht. Zusätzlich wurden die Auswirkungen einer IgM-IVIg-Therapie auf Entzündungsparameter und auf viskoelastische und konventionelle Gerinnungsparameter betrachtet. Patienten mit schwerer Sepsis und septischem Schock auf einer anästhesiologisch-chirurgischen Intensivstation wurden rekrutiert. Nach dem Studieneinschluss von 15 Patienten erfolgte die Implementierung einer neuen SOP, in der die Anwendung von IgM-IVIg (5g/kg/d für 3 Tage) integriert wurde. Daraus bildeten sich eine Kontroll- und eine IgM-IVIg Gruppe. Der Beobachtungszeitraum umfasste 4 Tage. Es wurde der Endotoxin Activity Assay® (EAA®) zur Messung der Endotoxinaktivität an Vollblutproben durchgeführt. Die durchgeführte Rotationsthrombelastometrie ROTEM® diente neben der Messung der Gerinnungszeiten auch zur Erfassung der mechanischen und zeitlichen Stabilität eines Blutgerinnsels. Als Maß für die Aggregation von Thrombozyten diente die Impedanzaggregometrie Multiplate®. Die Routinelaborparameter wurden nach allgemeinem Standard erhoben. Eingeschlossen wurden die Daten von 26 Patienten. Die IgM-IVIg-Gruppe zeigte am ersten Tag, 6 und 12 Stunden nach Behandlungsbeginn, eine Reduktion der Endotoxinaktivität (0,51±0,06 vs. 0,26±0,07, p<0,05) und unterschied sich signifikant im Vergleich zur Kontrollgruppe 6 Stunden nach Behandlungsbeginn (0,26±0,07 vs. 0,43±0,07, p<0,05). Die Thrombozytenzahl war signifikant höher in der IgM-IVIg- Gruppe im Beobachtungszeitraum (200/nl±43 vs. 87/nl±20, p<0,05). Die Fibrinogenkonzentration war in der Kontrollgruppe am zweiten (311mg/dl±37 vs. 475mg/dl±47 (p=0,015)) und am vierten Tag (307mg/dl±35 vs. 420mg/dl±16 (p=0,017)) signifikant niedriger. Es konnten keine Unterschiede in den thromboelastometrischen oder aggregometrischen Untersuchungen, oder bei den Entzündungsparametern beobachtet werden. Die präsentierten Ergebnisse müssen aufgrund der geringen Stichprobengröße sorgsam interpretiert werden. Dennoch könnten die Ergebnisse die Basis für weitere Studien in der Zukunft sein, die auf IgM-IVIg als eine therapeutische Option bei Patienten mit einer hohen Endotoxinaktivität abzielen. In der vorliegenden Studie fanden wir Hinweise, dass eine IgM-IVIg-Therapie bei Patienten mit schwerer Sepsis und septischem Schock die Endotoxinaktivität vermindert. Zudem scheint IgM-IVIg bei o.g. Patienten eine pathognomonische Thrombozytopenie positiv zu modelieren.
Crystal growth and characterization of cerium- and ytterbium-based quantum critical materials
(2018)
In der Festkörperphysik werden heutzutage Themen wie Supraleitung, Magnetismus und Quantenkritikalität sowohl von experimenteller als auch von theoretischer Seite stark untersucht. Quantenkritikalität und Quantenphasenübergänge können in Systemen erforscht werden, für welche ein Kontroll Parameter existiert, durch den z.B. eine magnetische Ordnung soweit unterdrückt wird, bis der Phasenübergang bei Null Kelvin, bei einem quantenkritischen Punkt (QCP), stattfindet. Vorzugsweise wird quantenkritisches Verhalten an Einkristallen untersucht, da diese in sehr reiner Qualität gezüchtet werden können und da deren gemessenen physikalischen Eigenschaften ausschließlich intrinsisch sind und nicht durch Verunreinigungseffekte überlagert werden. Der Schwerpunkt dieser Arbeit lag auf der Züchtung von Einkristallen und der Charakterisierung von Materialien, die quantenkritische Phänomene aufweisen. Als Ausgangsstoffe dienten dabei Elemente höchstmöglicher Reinheit. Es wurden die Serie YbNi4(P1-xAsx)2 mit einem ferromagnetischen QCP bei x=0,1, die Verbindung YbRh2Si2 mit einem feldinduzierten QCP bei Bcrit = 60mT und die Serie Ce(Ru1-xFex)PO mit einem QCP bei x = 0,86 untersucht. Für alle Verbindungen wurde das Züchtungsverfahren entwickelt, dann wurden Einkristalle gezüchtet und charakterisiert. Die Züchtung wurde zum einen mittels der Bridgman-Methode, zum anderen mit der Czochralski Methode durchgeführt. Neben struktureller und chemischer Charakterisierung der Einkristalle mittels Röntgen-Pulverdiffraktometrie, Laue-Methode und Energie-dispersiver Röntgen-Spektroskopie, wurden auch deren spezifische Wärme, elektrischer Widerstand und Magnetisierung im Temperaturbereich 1,8 – 300 K untersucht. Im weiteren Verlauf wurden die Kristalle in verschiedenen Kooperationen untersucht und bis in den Tieftemperatur- Bereich (20 mK), bei YbRh2Si2 bis in den Submillikelvin-Bereich, charakterisiert. Ausserdem wurden im Rahmen dieser Dissertation Einkristalle weiterer antiferromagnetischer Verbindungen SmRh2Si2, GdRh2Si2, GdIr2Si2, HoRh2Si2 und HoIr2Si2 gezüchtet. Bei diesen Verbindungen stand die Untersuchung elektronischer Oberflächenzustände mittels winkelaufgelöster Photoemissionsspektroskopie im Vordergrund.
Zwangsmaßnahmen stellen in der psychiatrischen Versorgung ein umstrittenes Thema dar. Obwohl soweit wie möglich eine zwangsfreie Psychiatrie angestrebt wird, können psychiatrische Erkrankungen in einzelnen Fällen die Selbstbestimmungsfähigkeit der Patienten einschränken und Zwangsmaßnahmen notwendig machen. Diese können eine erhebliche Belastung für die betroffenen Patienten darstellen und bringen das medizinische Personal unter Umständen in ein ethisches Dilemma zwischen Fürsorgepflicht für erkrankte Patienten und deren Autonomiewahrung. Da sowohl national als auch international noch kein einheitlicher Konsens bezüglich möglicher Prädiktoren einer Zwangseinweisung und deren Auswirkung auf den Therapieverlauf erreicht wurde, besteht dazu noch weiterer Forschungsbedarf.
Um diese Lücke zu verkleinern, wurde eine aktuelle, retrospektive Studie auf der Grundlage der besonderen rechtlichen Situation in Hessen bezüglich des Hessischen Freiheitsentzugsgesetzes (HFEG) durchgeführt. Hierfür wurden die Patientenakten aller volljährigen Patienten, die freiwillig oder unfreiwillig (nach §10 HFEG, §1906 BGB und §1 HFEG) auf eine der drei geschützten Stationen der Psychiatrie des Universitätsklinikums Frankfurt am Main während der Quartale I/2015 und II/2015 aufgenommen wurden, ausgewertet. Dabei wurden die Unterschiede der freiwillig und der unfreiwillig aufgenommenen Patienten in soziodemographischen Prädiktoren und die Auswirkung des Aufnahmemodus auf den Therapieverlauf durch Signifikanzprüfungen und dem Verfahren der logistischen Regression betrachtet. Analysiert wurden 543 Patienten, von denen ca. 70% freiwillig und 30% unfreiwillig aufgenommen wurden.
Es konnten vier mögliche Prädiktoren einer unfreiwilligen Aufnahme identifiziert werden: Initiierung der Aufnahme, Aufnahmezeitpunkt, Hauptdiagnose und somatische Nebendiagnosen. Eine unfreiwillige Aufnahme wurde eher durch Passanten, den Betreuer/die Einrichtung oder Nachbarn/Freunde initiiert, während freiwillige Aufnahmen eher durch die Familie oder Eigeninitiative motiviert waren. Die Betrachtung der Initiierung einer Aufnahme erfolgte in der Literatur bisher selten. Übereinstimmend mit anderen Studien wurden zwangseingewiesene Patienten eher wochentags außerhalb der Kernarbeitszeiten oder am Wochenende/Feiertag aufgenommen, während freiwillige Aufnahmen vermehrt in der Kernarbeitszeit stattfanden. Die Diagnosen F0 und F4 erwiesen sich in der Regressionsanalyse als Risikofaktoren für eine Zwangseinweisung, wodurch der in der Literatur bestehende Kenntnisstand eines Zusammenhangs zwischen der Diagnose und dem Aufnahmemodus bestätigt wurde. Unfreiwillig aufgenommene Patienten wiesen zudem signifikant weniger somatische Nebendiagnosen auf. Der Einfluss der Nebendiagnosen ist in der Literatur noch nicht ausreichend untersucht, auch wenn die Ergebnisse der vorhandenen Studien größtenteils mit der vorliegenden Studie übereinstimmen.
Hinsichtlich des Therapieverlaufs unterschieden sich die beiden Gruppen in den Variablen Aufenthaltsdauer, Unterbringung im Verlauf, Zwangsfixierung, Zwangsmedikation, medikamentöse Einstellung, Antidepressiva und andere Medikamente. Zwangseingewiesene Patienten zeigten eine kürzere Aufenthaltsdauer, was möglicherweise der besonderen rechtlichen Situation in Hessen geschuldet ist. Sie wurden zudem häufiger im Verlauf des Aufenthalts untergebracht, waren öfter von Zwangsmaßnahmen wie Fixierungen oder Zwangsmedikationen betroffen und erhielten generell weniger Medikamente. Möglicherweise wurde dies durch eine fehlende Behandlungsmotivation oder eine kürzere Aufenthaltsdauer bedingt. In zusätzlichen Analysen zeigte sich, dass sich einfach und mehrfach aufgenommene Patienten in Baseline-Parametern nicht signifikant unterschieden.
Auch wenn Limitierungen wie das Vorliegen einer unizentrischen Studie oder einem Auswertungszeitraum von einem halben Jahr vorliegen, geben die in dieser Studie gefundenen Zusammenhänge wichtige Hinweise, um das Zustandekommen und die Auswirkungen von Zwangseinweisungen besser zu verstehen. Mit dieser Studie als Vergleichsgrundlage kann in Zukunft eine erstmalige Evaluierung der PsychKHG-Einführung in Hessen durchgeführt werden.
The endoplasmic-reticulum-associated protein degradation pathway ensures quality control of newly synthesized soluble and membrane proteins of the secretory pathway. Proteins failing to fold into their native structure are processed in a multistep process and finally ubiquitinated and degraded by the proteasome in order to protect the cell from proteotoxic stress. My thesis covers structural as well as functional studies of various protein components that constitute the protein complexes that are responsible for this process.
One sub-project addressed the mechanism of glycan recognition by Yos9 as part of the ERAD substrate selection. NMR solution structures of the mannose-6-phosphate homology (MRH) domain of Yos9 both in a free and glycan bound conformation reveal a gripping movement of loop regions upon binding of correctly processed glycan structures.
The main projects focused on revealing the mechanism of efficient ubiquitin chain assembly by the ERAD ubiquitination machinery. This included the investigation of the role of the ERAD components Cue1 and Ubc7 in processive ubiquitin chain formation, how ubiquitin chain conformations change during elongation, how the conformation of a chain is impacted by interacting proteins and finally understand the activity regulation of the ERAD E2 enzyme Ubc7 by its cognate RING E3 ligases. Nuclear magnetic resonance (NMR) analysis and fluorescence-based ubiquitination assays show that the CUE domain of Cue1 contributes with its proximal binding preference as well as with its position dependent accelerating effect to efficient ubiquitin chain formation. This is required to efficiently drive degradation of substrates. Specific ubiquitin binding events dictate and coordinate the spatial arrangement of the E2 enzyme relative to the distal tip of a chain. This process can be further accelerated by RING E3 ligases that promote Ubc7 activity by more than ~20 fold via inducing allosteric changes around the catalytic cysteine. My results additionally suggest a model where Ubc7 dimerization results in proximity induced activation of the E2. This data ensures rapid diubiquitin formation that is followed by a CUE domain assisted chain elongation mechanism where Cue1 acts in an E4 like fashion.
How ubiquitin binding events can modulate the conformations of a ubiquitin chain were investigated by pulsed electron-electron double resonance (PELDOR) spectroscopy combined with molecular modeling. This shows that K48-linked diubiquitin samples a broad conformational space which can be modulated in distinct ways. The CUE domain of Cue1 uses conformational selection of pre-populated open conformations to support ubiquitin chain elongation. In contrast, deubiquitinating enzymes shift the conformational distribution to weakly or even non-populated conformations to allow cleavage of the isopeptide bond that connects adjacent ubiquitins. Ubiquitin chain elongation increases the sampled conformational space and suggests that this high conformational flexibility might contribute to efficient proteasomal recognition.
Our understanding of human biology and disease is based on the last millennia’s gain of knowledge, which has been exponentially accelerated since the invention of optical and "biochemical" microscopes like transcriptomics and other omics technologies.
In order to broaden our knowledge of an important human transcription factor, T-Cell Acute Lymphocytic Leukemia 1 (TAL1), some of these technologies were used.
TAL1’s gene or promoter structure is altered in about 20-30% of T-ALL. In addition, there is an increase in TAL1 expression in ca. 60% of pediatric and about 45% of adult T-ALL. Physiologically, TAL1 is an indispensable factor in hematopoiesis: in the murine knockout model, blood cells vanish in the early embryonic period. In addition, the TF is also relevant in adult erythropoiesis.
Accordingly, the identification of novel TAL1 target genes was significant both for clinical reasons and in order to understand the hematopoietic functions.
We performend a combined RNA- and ChIPseq approach. After a lentiviral mediated knockdown in K562 cells RNAseq was performed using the Illumina high-throughput method. Overall, the RNAseq yielded one billion good quality sequencing fragments. They made identification of up- and downregulated transcripts as well as associated biological processes, cellular components, molecular function and dominant KEGG signaling pathways possible. Furthermore, more than 2-fold altered coding transcripts and lncRNA were analyzed for relevant TAL1-binding in the transcription start area. There were 3205 significantly altered coding transcripts and 5136 significantly altered lncRNA. By integrating an Encode TAL1-ChIPseq in K562 cells (using a cutoff fold change of 2x) a relevant TAL1 binding could be detected with 71 coding and 416 lncRNA genes.
The combination of RNA- and ChIPseq yields a wealth of relevant results. Accordingly, TAL1 has complex pro- and anti-malignant effects in all areas of oncogenesis like described by Hanahan and Weinberg. Various interactions with target genes and signaling cascades in inter alia proliferation (e.g. HEMGN, MYC, AHI1, YPEL3, BTG2), angiogenesis (e.g. EGFL7, LTBP3), apoptosis (e.g. BCL3, BCL2A1, BMF), immune evasion (e.g. CMTM6) and inflammation (e.g. IL23 and PTGS1) have been revealed, thus complementing the knowledge about pro- and anti-oncogenic effects of TAL1. In addition, it was possible to identify target genes relevant for erythropoiesis and possible osteogenesis. Concerning lncRNA, interesting potential effectors have been identified. However, they still need to be functionally characterized. Relating the results to Virchow’s first description of leukemia as "white blood" the role of TAL1 in leukemia’s genesis but also in erythropoiesis has been confirmed and extended, thus contributing to explain Virchow’s observation: "...therefore, when I speak of white blood, I mean in fact a blood in which the proportion between the red and colorless (in white) blood corpuscles is reversed ...” (Virchow R. Weisses Blut. Frorieps Notizen 1845;36:151-156).
Im ersten Projekt der vorliegenden Arbeit wurden CD - 1 Mäuse mit drei unterschiedlichen Diäten für zwei Wochen ad libitum gefüttert. Die Diäten bestanden aus zwei kohlenhydratarmen, fettreichen Diäten und einer Standard Haltungsdiät. Die kohlenhydratarmen, fettreichen Diäten enthielten entweder Triheptanoin (dreifach mit Heptanoat verestertes Glycerol) oder Soja - Öl als Fettkomponente (jeweils 35 % der Gesamtkalorien). Nach zwei Wochen wurde ein ischämischer Schlaganfall für 90 min. mithilfe eines Silikonfadens induziert. Die Leber, das Blut und das Gehirn wurden nach dem Schlaganfall entnommen und die Konzentrationen der Metabolite β - Hydroxybutyrat, Glukose, Laktat und Citrat wurden mit der zuvor etablierten GC - MS-Methode ermittelt. Unter gleichen Bedingungen wurde eine Mikrodialysestudie durchgeführt.
Bei den Tieren, die die kohlenhydratarmen, fettreichen Diäten erhielten, konnte in den Leber - und Hirnhomogenaten, im Plasma sowie im Mikrodialysat eine Ketose festgestellt werden. Die BHB Konzentrationen durch eine Soja Diät erreichten im Leberhomogenat bis zu 4 mM, im Plasma bis zu 1,5 mM, im Hirnhomogenat bis zu 1,5 mM und im Mikrodialysat bis zu 30 µM. Um eine Aussage treffen zu können, ob das Gehirn die von der Leber produzierten Ketonkörper als Energiesubstrate nutzen kann, wurde eine Folgestudie (unter gleichen Bedingungen) durchgeführt. Bei dieser Studie wurde der Zeitpunkt der Gewebeentnahme 60 min. nach Entfernen des Fadens (Reperfusion) gewählt. In den Leber – und Hirnhomogenaten konnten erniedrigte Konzentrationen des Ketonkörpers BHB nachgewiesen werden. Die nicht operierten Tiere, die eine fettreiche Diät erhielten, hatten erhöhte Konzentrationen an Citrat in den genannten Geweben. Durch den Abbau des Ketonkörpers BHB können bei Verstoffwechslung in Geweben außerhalb der Leber, zwei Moleküle Acetyl - CoA gebildet werden. Diese gebildeten Acetyl - CoA Moleküle können in den Citratzyklus eingespeist werden.
Um diesen Befund mechanistisch besser verstehen zu können, wurde den Mäusen Propranolol (ein unselektiver β - Blocker) verabreicht, und zwar kurz nachdem der Faden die mittlere Zerebralarterie verschlossen hatte. Als Folge blieb bei den fettreich gefütterten Tieren die zuvor beobachtete Ketose, aus. Daraus wurde geschlossen, dass die auftretende Ketose bei den fettreich gefütterten Tieren durch adrenerge β - Rezeptoren vermittelt wurde. Zusammengefasst kann eine fettreiche bzw. ketogene Ernährung im Falle einer Ischämie die Versorgung des Gehirns durch die Bildung von Ketonkörper gewährleisten.
Die zu beobachtende hepatische Ketogenese aus dem ersten Projekt hat die Frage entstehen lassen, ob eine akute Gabe von β - Hydroxybutyrat (BHB) bei Entfernen des Fadens schützende Effekte auf das Verhalten bzw. die Mitochondrien als Kraftwerke der Zelle hat. Hierzu wurde BHB bei Reperfusion gegeben und die Wirkungen dieser Einmalgabe nach 24 h untersucht. Als erster Schritt wurde der Nachweis erbracht, dass eine exogene Gabe von BHB das Gehirn erreicht. Im zweiten Schritt wurde das Verhalten der Mäuse nach 24 h untersucht. Hierbei erbrachte die Gabe von BHB eine signifikante Verbesserung der sensorischen und motorischen Fähigkeiten der Mäuse. Die metabolischen Veränderungen nach 24 h wurden erneut in Leberhomogenaten und Plasma vermessen. Eine Einzelgabe von BHB bewirkte eine milde Ketose auch 24 h nach Reperfusion der mittleren Zerebralarterie. Um eine detailliertere Erkenntnis über die Wirkung von BHB zu erlangen, wurden die Mitochondrien als potentielles Ziel für BHB in den Fokus genommen. Die Einmalgabe von BHB verhinderte ein Absinken der Komplex – II Aktivität. Außerdem kann die Aktivität der Citratsynthase unter der Gabe von BHB erhalten werden, sodass die Mitochondrien vor allem im wichtigen Zeitraum nach der Reperfusion geschützt werden. Im Rahmen der Untersuchungen der Mitochondrien wurden unterschiedliche Substrateinflüsse auf die Respiration der isolierten Mitochondrien getestet. Bei Zugabe von BHB, Oxalacetat + Acetat oder Citrat zu dem Respirationsmedium stieg die Respiration der Mitochondrien an. Im Falle von Glukose, Propranolol oder Acetat wird die Respiration verringert. Bei Zugabe von Laktat, verbleibt die Respiration auf Ausgangsniveau. Abschließend ist festzustellen, dass die Einzelgabe von BHB nach 24 h das Verhalten der Mäuse verbessert, eine milde Ketose induziert, sowie Mitochondrien und die Citratsynthase gegen ischämische Ereignisse schützt.
Um die in dieser Arbeit gezeigten Daten über metabolische Veränderungen zeigen zu können, musste eine vorherige Etablierung der GC – MS Analytik vollzogen werden. Auf der einen Seite musste die Probenvorbereitung, aber auch die gesamte Vermessung der Proben aufgebaut werden. Es wurden insgesamt 11 Analyte in vier unterschiedlichen Kompartimenten quantifiziert. Die Nachweisgrenze lag bei diesen 11 Analyten bei 0,01 - 1 ng/µl, was einer umgerechneten Stoffmengenkonzentration von 0,5 - 10 µM entspricht. Mithilfe dieser Methode können optional weitere Substanzen aus verschiedenen Geweben zugänglich gemacht werden. Diese Arbeit bietet hierzu eine Anleitung, wie die Etablierung erfolgen kann. Im Rahmen der Probenvorbereitung wurden alle Schritte systematisch verbessert. Dazu wurden Wiederholungsmessungen für unterschiedliche Modalitäten vollzogen. Die Abundance und die Zeitbeständigkeit waren die wesentlichen Beurteilungskriterien. So wurden die Daten für die Extraktionseffektivität, die Lösungsmittelabhängigkeit der Silylierung, der Zusatz von Hünig - Base sowie die Temperatur und Zeitabhängigkeit der Silylierung in dieser Arbeit erarbeitet. Die Quantifizierung wurde anhand von internen Standardverbindungen durchgeführt. Die jeweiligen Response – Faktoren blieben über die gesamte Zeit nach der Etablierung konstant und erlaubten die Quantifizierung mit geringen Fehlern. Die Beurteilung der ermittelten Daten über die Validierung wurden anhand von geltenden Regelwerken der pharmazeutischen Industrie entschieden. Es wurde ein Protokoll entwickelt, das im Rahmen der universitären Forschung eine vertrauenswürdige Aussage über Veränderungen von Metabolitenspiegeln in vielen Geweben der Maus und der Ratte geben kann.
Modellierung der klimatischen Habitateignung verschiedener krankheitsübertragender Vektorarten
(2018)
Der Klimawandel hat einen starken Einfluss auf die Verbreitungsgebiete von Arten. Infolgedessen kann sich das Verbreitungsgebiet von Arten verschieben, einschränken oder ausweiten. Bei thermophilen Arten wird vermutet, dass sie von den klimatischen Änderungen profitieren und sie sich wahrscheinlich ausbreiten werden. Eine solche Ausbreitung, wozu auch die Einwanderung von gebietsfremden Arten zählt, hätte nicht nur zahlreiche Konsequenzen für diese Ökosysteme, sondern könnte sich auch zu einem ernsten Gesundheitsrisiko entwickeln, wenn es sich bei den einwandernden Neobiota um Vektorarten handelt.
Stechmücken und Sandmücken, als blutsaugende Insekten, zählen zu den bekanntesten Vektorarten. Sie sind in der Lage, eine Vielzahl von Infektionskrankheiten wie das Denguefieber oder das Gelbfieber, aber auch protozoische Parasiten wie "Leishmania"-Arten zu übertragen. Als thermophile Arten sind viele dieser Vektoren aktuell in ihrer Verbreitung weitgehend auf tropische und subtropische Gebiete beschränkt. Eine Einwanderung in gemäßigtere Gebiete kann zu einer Einschleppung der durch sie übertragenden Erreger führen und damit zum Ausbruch von Infektionskrankheiten. Aufgrund der medizinischen Relevanz dieser Arten ist es essentiell, die räumliche Verbreitung, sowie die abiotischen Ansprüche der Vektorarten zu kennen, um deren mögliche Ausbreitung nachzuvollziehen.
Vor diesem Hintergrund beschäftigte sich die vorliegende kumulative Dissertation mit den klimawandelinduzierten Änderungen der Habitateignung verschiedener medizinisch relevanter Vektorarten. Dabei wurden die zwei invasiven Stechmückenarten "Aedes albopictus" (I-III) und "Aedes japonicus" (III), sowie zehn in Europa bereits vorkommende Sandmückenarten der Gattung "Phlebotomus" (IV), untersucht. Die Arbeit basiert auf vier (ISI-) Publikationen. Unter Verwendung ökologischer Nischenmodellierung wurden geeignete Gebiete unter aktuellen und zukünftigen Klimabedingungen bestimmt. Um dabei sowohl räumliche als auch zeitliche Aspekte zu berücksichtigen, wurden mehrere räumliche Skalen (Deutschland und Europa), sowie Zeitperioden (2030, 2050 und 2070) betrachtet. Des Weiteren wurden verschiedene Ansätze (einzelne Algorithmen und Ensemble-Modelle) zur Modellierung der Habitateignung verwendet.
Die Ergebnisse dieser Dissertation zeigen eine zukünftige klimawandelbedingte Ausweitung der geeigneten Gebiete für viele der betrachteten Vektorarten. So konnte gezeigt werden, dass die Habitateignung für "Aedes albopictus" in Deutschland (I) und in Europa (III) zukünftig deutlich zunimmt. Auch für die Sandmückenarten "Phlebotomus alexandri", "Phlebotomus neglectus", "Phlebotomus papatasi", "Phlebotomus perfiliewi" und "Phlebotomus tobbi" konnte eine deutliche Zunahme der klimatisch geeigneten Gebieten projiziert werden (IV).
Lediglich Arten, wie die Asiatische Buschmücke "Aedes japonicus" (III) und auch kältetolerantere Sandmücken, wie "Phlebotomus ariasi" und "Phlebotomus mascittii" (IV) scheinen weniger von diesen klimatischen Veränderungen zu profitieren und könnten in Zukunft sogar aktuell geeignete Gebiete verlieren (klimawandelinduzierte Arealverkleinerung). Bei "Aedes japonicus" konnte dies auf eine engeren Nische mit einem Optimum bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen zurückgeführt werden (III).
Am Beispiel von "Aedes albopictus" wurden ferner Umweltfaktoren identifiziert, die die Verbreitung der Art limitieren (II). Als wärmeliebende Art spielen bei "Aedes albopictus" in Mitteleuropa insbesondere die niedrigen Temperaturen eine Rolle, während in Zukunft die Sommertrockenheit in Südeuropa zunehmend eine Rolle spielen könnte.
Nischenmodellierung stellt trotz ihrer vereinfachenden Annahmen und Unsicherheiten, eine hilfreiche Methode zur Untersuchung klimawandelinduzierter Arealverschiebungen dar. Mit Hilfe der Modellierungsergebnisse konnten Gebiete mit einem hohen Etablierungsrisiko für die Vektorarten identifiziert werden, welche daher im Fokus künftiger Überwachungsprogramme stehen sollten. In Zukunft könnten mehr Vektorarten geeignete Bedingungen in Mitteleuropa finden, wodurch die Vektordiversität zunehmen wird. Dadurch könnte auch das Risiko für einen Ausbruch der durch die Vektoren übertragenen Krankheiten steigen.
Auch wenn das Vorhandensein eines kompetenten Vektors eine unerlässliche Voraussetzung für den Ausbruch einer Infektionskrankheit darstellt, gibt es noch weitere Faktoren, wie das Vorhandensein des Erregers. In Bezug auf die Risikoabschätzung vektorassoziierter Krankheiten sollten neben der Verbreitung des Vektors und des Erregers auch die abiotischen Bedingungen für die Entwicklung des Erregers berücksichtigt werden. Neben neu eingewanderten Arten sollten zudem auch die heimischen Arten in Bezug auf ihre Vektorkompetenz untersucht werden, da diese ebenfalls als potentielle Vektoren dienen und somit das Gesundheitsrisiko weiter erhöhen könnten.
Application of a developed tool to visualize newly synthesized AMPA receptor components in situ
(2018)
The information flow between neurons happens at contact points, the synapses. One underlying mechanism of learning and memory is the change in the strength of information flow in selected synapses. In order to match the huge demand in membranes and proteins to build and maintain the neurites' complex architecture, neurons use decentralized protein synthesis. Many candidate proteins for local synthesis are known, and the need of de novo synthesis for memory formation is well established. The underlying mechanisms of how somatic versus dendritic synthesis is regulated are yet to be elucidated. Which proteins are newly synthesized in order to allow learning?
In this thesis protein synthesis is studied in hippocampal neurons. The fractional distribution of somatic and dendritic synthesis for candidate proteins and their subsequent transport to their destination are investigated using a newly developed technique. In the first part of this study we describe the development of this technique and use it in the second part to answer biological questions.
We focus here on AMPA receptor subunits, the key players in fast excitatory transmission. AMPA receptors contain multiple subunits with diverse functions. It remains to be understood, when and where in a neuron these subunits come together to form a protein complex and how the choice of subunits is regulated.
The investigation of the subunits' site of synthesis and redistribution kinetics in this study will help us to understand how neurons are able to change their synaptic strength in an input specific manner which eventually allows learning and memory.
Key questions which are addressed in this study:
How can specific newly synthesized endogenous proteins be visualized in situ? What are the neuron's abilities to locally synthesize and fully assemble AMPA receptor complexes?
How fast do different AMPA receptor subunits redistribute within neurons after synthesis?
All lifeforms have to sense changes in their environment and adapt to possibly detrimental conditions. On a cellular level, the highly elaborate proteostasis network (PN) consisting of housekeeping and stress-induced proteins, confers this tolerance against stress and maintains cellular protein homoestasis. This is essential for survival, as an accumulation of stress-induced protein aggregation will eventually affect the functionality of crucial cellular components and ultimately lead to cell death. The guardians of this balance are the molecular chaperones and their activity-regulating co-haperones. They are engaged in all aspects of protein biogenesis, maintenance and degradation, especially during stress.
The heat shock proteins (HSPs) are the major chaperones in mammals and encompass constitutive and stress-induced isoforms. Among them, the HSP70 and the HSP90 family are the most abundant HSPs and their activity is involved in a great variety of homoestasis and stress-induced tasks.
As part of the protein triage the E3 ligase CHIP (C-terminal HSC70-interacting protein) is an essential activity regulating co-chaperone of HSP70 and HSP90 which provides a link between chaperone mediated protein-folding and various degradation pathways. Due to its decisive function, CHIP is involved in a wide array of cellular processes, especially in clearing misfolded HSP70 client proteins that are prone to aggregate. As a consequence, CHIP was reported to confer protection against many aggregation-induced pathologies of the neuronal system. Additionally, CHIP has been identified as a critical factor in various types of cancer and is implied to affect the development and the longevity of mammals.
Despite the significant progress in the understanding of CHIP’s structure and function, many aspects surrounding its chaperone dependency and its substrate recognition remain unclear. Moreover, due to the variety of substrates in diverse cellular pathways, there are yet many connections to elucidate between CHIP and components of the cellular proteostasis network.
The work of this thesis was focused on the role of CHIP in acute stress response and the corresponding status of chaperone association. Moreover, it was investigated if CHIP, as the connecting ligase of folding and degradation systems, might also provide a link between the PN and the reorganisation of the cellular architecture upon stress exposure.
This has become of increasing interest as recent reports highlight the importance of spatial sequestration in protein quality control.
To this end, subcellular distribution of CHIP was analysed by live-cell microscopy during heat stress. It became obvious that during the heat-induced challenge of the chaperone system, CHIP migrated to new cellular sites. Further experiments suggested that the observed migration to the plasma membrane is a chaperone-independent process and in vitro reconstitution of membrane association confirmed the competitive nature of membranes and chaperones for CHIP binding. A detailed in vivo and in vitro analysis of the newly observed membrane association of CHIP revealed a distinct lipid specificity and a novel direct association with lipids. Binding experiments with recombinantly purified deletion mutants of CHIP identified the TPR domain and a positive patch in the coiled-coil domain as main determinants for the lipid association. Through biochemical and biophysical approaches, the structural integrity and functionality of CHIP upon membrane binding was confirmed and further characterised.
Moreover, mass spectrometry analysis provided a high confidence identification of chaperone-free interactors of CHIP at the plasma membrane and other membranous compartments.
In accordance with the lipid specificity, the Golgi apparatus was one of these sites. Only chaperone-free CHIP had a significant effect on the morphology of the organelle, again confirming the competitive role of chaperones and lipids. With respect to the physiological consequences of the changed localisation of CHIP, preliminary results indicated increased cell death when the ligase localises to cellular membranes. The results lead to the conclusion that CHIP acts as an initiator of early stress adaptation and as a sensor for the severity and strength of the stress reaction.
Die membranintegrierten, rotierenden F-Typ ATP-Synthasen zählen zu den essentiellen Komponenten der bakteriellen Energieversorgung. Ihre Rolle im zellulären Energiehaushalt bestehtin der Synthese von ATP unter Nutzung des transmembranen, elektrischen Ionengradienten (Mitchell 1961, Duncan et al. 1995, Noji et al. 1997, Kinosita et al. 1998). Die rotierenden ATP-Synthasen werden entsprechend der Kationenselektivität, die sie unter physiologischen Bedingungen zeigen, in zwei verschiedene Klassen eingeteilt, die H+-selektiven, sowiedie Na+-selektiven ATP-Synthasen. Hierbei bildet die Selektivität beider Klassen für einwertige Kationen (H+ oder Na+) eine essenzielle Grundlage für ihre Rolle im Energiehaushalt der bakteriellen Zellen. Jedoch gibt es nur eine begrenzte Anzahl von anaeroben Eubakterien und Archaeen, die noch einen auf Na+- Ionen basierenden Energiehaushalt besitzen. Gut charakterisierte Beispiele für Na+-selektive ATP-Synthasen bilden die F-Typ-Synthasen von I. tartaricus, P. modestum, sowie die V/A-Typ-Enzyme von E. hirae und A. woodii. Trotz der Unterschiede in der Kationenselektivitätder unterschiedlichen F-Typ ATP-Synthasen sind sie jedoch sowohl inihre Organisation, als auch hinsichtlich ihre Wirkungsweisen ähnlich. Das Ziel, der im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Forschung, bestand in der Identifizierung der Faktoren, die sowohl die hohen Selektivität, als auch die Affinität des in der Membran-eingebetteten Rotor-C-Rings der ATP-Synthasezu Protonen (H+) und Na+- Ionen beeinflussen. Die Untersuchungen wurden hierbei andem c11-Ring der F-Typ-ATP-Synthase aus dem anaeroben Bakterium Ilyobacter tartaricus durchgeführt, das hierbei als Modellsystem diente. Der untersuchte Ring zeigt unter physiologischen Bedingungen eine hohe Bindungsselektivität für Na+ Ionen, kann jedoch unter nicht-physiologischen Bedingungen auch Li+ und H+ Ionen binden und zur ATP-Synthese verwenden (Neumann et al. 1998).
Das Ziel, der im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Forschung, bestand in der Identifizierung der Faktoren, die sowohl die hohen Selektivität, als auch die Affinität des in der Membran-eingebetteten Rotor-C-Rings der ATP-Synthasezu Protonen (H+) und Na+- Ionen beeinflussen. Die Untersuchungen wurden hierbei andem c11-Ring der F-Typ-ATP-Synthase aus dem anaeroben Bakterium Ilyobacter tartaricus durchgeführt, das hierbei als Modellsystem diente. Der untersuchte Ring zeigt unter physiologischen Bedingungen eine hohe Bindungsselektivität für Na+ Ionen, kann jedoch unter nicht-physiologischen Bedingungen auch Li+ und H+ Ionen binden und zur ATP-Synthese verwenden (Neumann et al. 1998). Die Kd- und KM-Werte wurden verwendet, um die Na+ -Bindungsaffinität der C-Ringe bzw. ATP-Synthasen zu quantifizieren. Über die Selektivität wurdebeschrieben, welche Kationen an die C-Ringe und ATP-Synthasen binden können (z. B. H+/Na+/Li+, H+/Na+ - oder nur H+ Ionen).Das Verhältnis der absoluten Bindungsaffinitäten zwischen zwei Kationen (z. B. Kd (Na+)/Kd (H+)) wurde verwendet, um die Präferenz des Enzyms für eines der Ionen zu quantifizieren. Die Faktoren, dieder Kationenselektivität und der Affinität des I. tartaricus c-Rings zugrunde liegen, wurden mit Hilfe von Mutageneseexperimenten der Aminosäuren in der Ionenbindungsstelle untersucht. Im I. tartaricus-c-Ring erfolgt die Na+ Bindung an der Grenzfläche von zwei benachbarten c-Untereinheiten des c-Rings. An der Bindung der Na+-Ionen sind sowohl Aminosäuren aus Helix 1 (Gln32), sowie von Helix 2 (Val63, Ser66, Thr67 und Tyr70) beteiligt, die in der Nähe, des für den Mechanismusessentiellen Glu65 liegen. Insgesamt wurden 19 verschiedene, spezifische Einzel- und Doppelmutationen in die Sequenz des atpE-Gens eingeführt, die für die I. tarticus-ATP-Synthase-c-Untereinheit kodiert. Bei den Experimenten mit dem I. tartaricus c-Ring (Ser66, Thr67 und Tyr70) wurden drei polare Reste der Ionenbindungsstelle durch die polaren Reste (Ser67, Ile67 oder Leu67) oder hydrophobe Reste (Ala66, Gln67 und Phe70) ersetzt, während das geladene Glu65 durch die kürzere, aber immer noch geladene Seitenkette Asp65 ausgetauscht wurde. Zur Charakterisierung der monovalenten Kationenbindung durch die Wildtyp, sowie die mutierten C-Ringe von I.-tartaricus, wurde ein Ansatz verwendet, der biochemische (DCCD-Ionen-Kompetitionsassay) und biophysikalische (ITC) Methoden kombiniert.
Die Daten der in dieser Arbeit durchgeführten Experimente, zeigen, dass c-Ringe selektiv für H+ sind, solange in der Ionenbindungsstelle des c-Rings ein ionisierbarer Glu/Asp-Rest vorhanden ist. Die H+-Bindungsaffinität des c-Rings hängt von der Hydrophobizität der Reste ab, aus der die Ionenbindungsstelle aufgebaut ist.Jedoch ist die Zahl der Faktoren, die die Na+-Selektivität des C-Rings bestimmen, weitaus größer. Von den in dieser Arbeit untersuchten Faktoren war die Zahl der polaren Reste, die Wasserstoffbrücken zu Na+ bilden, die Co-Koordination von Na+ durch strukturell vorhandene Wassermoleküle und die Anwesenheit von negativ geladenen Resten besonders wichtig für die Bindung der Na+-Ionen an den Ring. Die hohe Bindungsaffinität des c-Rings für Na+-Ionen, wird sowohl durch Wechselwirkungen begünstigt die das gebundene Na+-Ion stabilisieren, als auch den gesamten atomaren Aufbau der Ionenbindestelle, der die enthalpiegetriebene Na+-Bindungan den c-Ring begünstigen. Im Rahmen dieser eingehenden Studien konnten zum ersten Mal die thermodynamischen Eigenschaften aufgeklärt werden, die der hohen Na+-Bindungsaffinität des c-Rings zugrunde liegen, sowie der Einfluss von Mutationen auf diese Parameter ermittelt werden. Durch zahlreiche Experimente mit ATP-Synthasen, die mit mutierten c-Ringen zusammengesetzt wurden, sollte eine Verbindung zwischen Veränderungen der H+- und der Na+-Bindungsaffinitäten und Unterschiede im Betrieb der ATP-Synthase aufgeklärt werden. Die wichtigste Schlussfolgerung, die sich aus dieser Arbeit ableiten lässt, ist, besteht darin, dass sich Na+/H+-selektiven ATP-Synthasen durch den Austausch von 1-2 Aminosäureresten innerhalb der rotierenden c-Ring-Ionenbindungsstelle in ausschließlich H+-selektive, vollfunktionelle ATP-Synthasen umwandeln lassen.
Einleitung und Hintergrund: Self-Myofascial-Release (SMR), eine in den letzten Jahren populär gewordene Trainingsform, beschreibt das Training mit sog. Hartschaumrollen oder anderer Hilfsmittel zur Selbstmassage. Mit dem Ziel der Nachahmung einer manuellen Behandlung übt der Trainierende mit dem eigenen Körpergewicht oder etwa einem Massagestick Druck auf das zu behandelnde Gewebe aus und bewegt sich rollend über das Sportgerät. Aktuelle Forschungsergebnisse deuten auf einen positiven Effekt von SMR auf Parameter der Beweglichkeit sowie der Regeneration hin, die zu Grunde liegenden Mechanismen sind bisher allerdings noch unklar. Bezüglich der Beweglichkeitsverbesserung könnten neurophysiologische Veränderungen im Bereich der Dehnwahrnehmung und Dehntoleranz eine Rolle spielen. Auf mechanischer Ebene könnte es analog zum statischen Stretching zu einer akuten Veränderung der viskoelastischen Gewebeeigenschaften kommen. Ebenso werden Effekte von SMR auf Gleiteigenschaften einzelner Faszienschichten postuliert. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war daher die Evaluation der Akuteffekte von SMR auf die Beweglichkeit, die passive Gewebespannung und -steifigkeit sowie die Gleitbewegungen einzelner Faszienschichten am vorderen Oberschenkel.
Methodik: Nach Fallzahlplanung durchliefen in einem Cross-Over Studiendesign insgesamt 16 Probanden (w=6, m=10, 32±3 Jahre, 177,6±2,4cm, 78,2±5,2kg) alle der drei folgenden Interventionen in ausbalancierter, randomisierter Reihenfolge: a) 2x60 Sekunden SMR am vorderen Oberschenkel, b) 2x60s passives, statisches Stretching des vorderen Oberschenkels und c) eine passive Kontrollbedingung. Mindestens drei Tage vor Beginn des ersten Messtermins erhielten alle Probanden eine standardisierte Gewöhnungseinheit, in der alle Messungen sowie die SMR Intervention durchgeführt wurden. Die passive Gewebespannung und -steifigkeit bei 13, 9, 5 und 1 Grad vor dem individuellen Bewegungsende sowie die Position der ersten Dehnwahrnehmung wurden mittels isokinetischem Dynamometer (Biodex System 3 Professional), die aktive und passive Kniegelenksbeweglichkeit mittels ultraschallbasiertem 3D-Bewegunsanalysesystem (Zebris CMS20) vor sowie direkt nach der jeweiligen Intervention erhoben. Ebenso wurden Gleitbewegung einzelner Faszienschichten vor und nach der jeweiligen Intervention anhand von Ultraschallvideos (Siemens Acuson X300) und anschließender Cross-Correlation-Analyse berechnet. Die statistische Überprüfung auf Inter- und Intragruppeunterschiede erfolge nach Überprüfung der Anwendungsvoraussetzungen mittels Friedmann-Test und anschließendem post-hoc Wilcoxon-Test oder ANCOVA (Baselinewerte als Covariate) und post-hoc Vergleichen mit geschätzten Randmitteln und zugehörigen 95%-Konfidenzintervallen.
Ergebnisse: Die aktive und passive Gelenkbeweglichkeit verbesserte sich nach SMR im Mittel um 1,8° bzw. 3,4° signifikant. Nach statischen Dehnen war lediglich die Verbesserung der passiven Kniegelenksbeweglichkeit von im Mittel 3,2° signifikant, nach der passiven Kontrolle blieben aktive und passive Beweglichkeit unverändert. Der Winkel der ersten Dehnwahrnehmung vergrößerte sich SMR (+4,3° (1,4°-7,2°)) und Stretching (+6,7° (3,7°-9,6°)), blieb nach Kontrollbedingung jedoch unverändert (+0,3° (-2,5°-3,1°)). Passiver Gewebewiderstand und -steifigkeit veränderten sich nach keiner der Interventionen in keinem getesteten Winkel signifikant. Veränderungen in der Gleitbewegung einzelner Faszienschichten ergaben sich lediglich nach SMR. Die Gleitbewegung der tiefen Schicht gegenüber des Muskels sowie die Gleitbewegung zwischen oberflächlicher und tiefer Schicht verringerten sich nach SMR signifikant zur Baseline (-5,7mm (-11,3mm – -0,1mm) bzw. (-4.9mm (-9.1mm – -0.7mm)).
Diskussion: Die vorliegenden Ergebnisse bestätigen den positiven Einfluss von SMR auf die aktive und passive Beweglichkeit und liefern erste Hinweise bezüglich der zu Grunde liegenden Mechanismen. Während biomechanische Parameter wie passive Gewebespannung nach SMR und Stretching unverändert blieben, deuten Veränderungen der Dehnwahrnehmung auf einen Einfluss neurophysiologischer Mechanismen hinsichtlich akuter Effekte auf die Beweglichkeit hin. Die Ausschüttung verschiedener Neurotransmitter wie z.B. Oxytocin könnte Schmerz- und auch Dehnwahrnehmung nach SMR beeinflussen. Die Ergebnisse zeigen weiter, dass SMR zu einer Veränderung der Gleitbewegung einzelner Bindegewebsschichten am vorderen Oberschenkel führte. Diesbezüglich könnten veränderte thixotrophe Eigenschaften des losen Bindegewebes zwischen Faszie und Muskels sowie Veränderungen des Hydratationsgrades eine Rolle spielen.
Aus den Ergebnissen der vorliegenden Studie lassen sich verschiedene Implikationen für die Trainings- und Therapiepraxis ableiten. So eignet sich SMR u.a. als Alternative zu statischen Dehnmethoden zur akuten Verbesserung der Beweglichkeit, zur Veränderung der Dehnwahrnehmung (etwa bei akuten und schmerzhaften Bewegungseinschränkungen) und möglicherweise zur Normalisierung der Gleiteigenschaften einzelner Bindegewebsschichten. Unklar bleiben bisher die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf andere Körperregionen sowie die Effekte von SMR bei Patienten mit strukturellen Bindegewebsveränderungen. Ebenso sind die langfristigen Effekte von SMR bisher unklar und bieten Anschlusspunkte zukünftiger Studien.