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In der vorliegenden Arbeit wurden die Proteine Vlp15/16 und GlpQ aus B. miyamotoi hinsichtlich ihrer Eigenschaft, mit Plasminogen zu interagieren, charakterisiert.
Da einige Fälle von ZNS-Beteiligungen bei B. miyamotoi-Infektionen berichtet wurden, ist anzunehmen, dass diese Borrelienspezies über molekulare Mechanismen zur Überwindung der Blut-Hirn-Schranke verfügt. Eine solche Strategie könnte die Bindung wirtseigener Proteasen wie z.B. Plasminogen sein, um Komponenten der extrazellulären Matrix zu degradieren und dadurch die Dissemination des Erregers zu erleichtern.
Während Vmps, zu welchen auch Vlp15/16 gehört, als membranständige Proteine durch Variation der antigenen Oberflächenmatrix zur Immunevasion des Erregers beitragen, ist GlpQ bei der Hydrolyse von Phospholipiden in den Zellstoffwechsel eingebunden. Trotz dieser unterschiedlichen Funktionen, die den beiden Proteinen zukommen, binden beide Moleküle Plasminogen. Die Eigenschaften dieser Interaktion wurden in dieser Arbeit im Detail untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass Vlp15/16 und GlpQ Plasminogen konzentrationsabhängig binden und die Dissoziationskonstanten (Vlp15/16:Kd = 354 nM ± 62 nM; GlpQ: Kd = 413 nM ± 72 nM) für beide Proteine im Bereich der Serumkonzentration von 2 µM liegen. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass den beiden Proteinen unterschiedliche Mechanismen zugrunde liegen, Plasminogen zu binden. Während die erhobenen Daten für Vlp15/16 darauf hindeuten, dass Lysin-Reste essenziell für die Interaktion sind, scheinen bei GlpQ ionische Wechselwirkungen von Bedeutung zu sein.
Um die Beteiligung von C-terminal lokalisierten Lysin-Resten für die PlasminogenBindung von GlpQ nachzuweisen, wurden Varianten mit einzelnen Lysin-Substitutionen an zwei unterschiedlichen Positionen (333 und 334) sowie eine Variante mit einer Zweifach-Substitution (GlpQ-K333A-K334A) generiert. Die Bindungsanalysen ergaben, dass insbesondere der Lysin-Rest an Position 334 bei der Interaktion mit Plasminogen beteiligt ist.
Die funktionellen Analysen zeigten, dass das an Vlp15/16 beziehungsweise GlpQ gebundene Plasminogen zu Plasmin aktiviert werden konnte und darüber hinaus dazu in der Lage war, das physiologische Substrat Fibrinogen zu degradieren.
Abschließend wurde die Plasminogen-Bindung an nativen B. miyamotoi-Zellen mittels Immunfluoreszenz-Mikroskopie nachgewiesen.
Die Ergebnisse dieser Arbeit weisen Vlp15/16 und GlpQ als Plasminogen-bindende Proteine aus, mit deren Hilfe B. miyamotoi befähigt ist, Komponenten der extrazellulären Matrix zu degradieren und somit prinzipiell zur Dissemination des Erregers beizutragen.
Methods using environmental DNA to explore and analyze biodiversity from previously unexplored habitats and ecosystems have become increasingly popular in recent years. This is particularly due to the potential reduction in necessary taxonomic expertise, the opportunity to assess microorganismal communities, and decreased time investments required to cover large spatial extents. In forests, the surface of tree bark is an important habitat for epiphytic diversity. Because of the large surface area rich in micro-niches, the seasonal stability of the substrate, and the longevity of trees, tree bark surfaces provide an ideal habitat for many species. Yet, we lack a comprehensive understanding of their communities and the environmental drivers behind the community assembly. These missing links hinder the exploration of the forest microbiome as a whole and limits our understanding of functions of a large forest habitat and its connections to other forest microbiomes. With a holistic eDNA metabarcoding approach, encompassing samples of three major taxonomic groups (e.g. bacteria, fungi, and green algae), as well as simultaneous collections from multiple forest habitats we can contribute to closing these gaps and increase our knowledge of the forest microbiome.
My dissertation is set within the framework of the Biodiversity Exploratories and was conducted in four parts: I. the establishment of an eDNA metabarcoding workflow to reveal the local diversity of the bark surface microbiome; II. the upscaling of the method to large geographic and environmental gradients to uncover the drivers of the microbiome; III. the integration of soil and bark samples to investigate compositional differences in two important forest habitats; IV. the evaluation of eDNA metabarcoding as a tool for biodiversity assessments of lichen diversity in forests.
In the first part, I developed a simple, cost-effective and fast sampling strategy to acquire eDNA samples from the bark of trees in forest ecosystems. Using readily available medical-specimen-collection swabs I sampled bark surfaces of individual trees in Central German forests and used metabarcoding to amplify marker genes of green algae, fungi and bacteria. From the sequencing reads I calculated the first diversity estimates of the major organismal groups of bark surface microbiomes from Central European forests. Overall the methodology produced reliable results, allowing for an expanded sampling in the second part.
In the second part of the dissertation, I expanded the sampling based on the results of part one. I collected bark surface samples from the three regions of the Biodiversity Exploratories covering large spatial and environmental gradients representative for Central European forests. The collection included composite samples from 150 plots and over 750 trees. Utilizing measurements of climatic and forest structure variables provided by the Biodiversity Exploratories, as well as my own community data, I identified the biotic and abiotic drivers behind alpha and beta diversity of the bark surface microbiome.
In the third part, I studied the differences between the bark surface as an unexplored and the soil as an example of a well characterized forest microbiome. Using only the fungal part of the large sampling campaign and soil samples obtained from the same plots at the same time, I assessed the commonalities and differences of the micro-communities of these distinct forest niches. Furthermore, I included two coniferous and one deciduous tree species to examine, if the effect of tree species, previously shown for soil microbiomes, also holds true for the bark surface.
In the last part of my dissertation, I used eDNA in a more applied way as a tool in biodiversity assessments of lichenized fungi. I compared the results from eDNA metabarcoding to an expert floristic mapping conducted in the same plots in 2007/2008. I assigned functional guilds to the fungal taxa obtained in the large sampling campaign and used a subset that was assigned as lichenized fungi.
In conclusion, I showed that eDNA metabarcoding is a valuable tool to reveal the unknown diversity of microorganisms in forest ecosystems. In particular, my results advance our understanding of the bark surface microbiome, an underexplored habitat within forests. The tightly linked interactions of the three major microbial groups underline that studies need to take holistic approaches across multiple taxonomic groups to deepen our understanding of processes governing the assembly of microbiomes. Results from my dissertation may serve as a foundation to inform hypotheses addressing the functions of forest microbiomes. The massive diversity data collected may also contribute to closing the gap in our understanding of macro-organisms and micro-organisms with respect to diversity distributions and patterns of richness, and serve as a baseline for predictions of biodiversity responses under future anthropogenic change.
Biotechnological processes offer better production conditions for a wide variety of goods of industrial interest. The production of aromatic compounds, for example, involves molecules of great value for cosmetic, plastic, agrochemical and pharmaceutic industries. However, the yield of such processes frequently prevents a proper implementtation that would allow the replacement of traditional production processes.
Numerous rational engineering approaches have been attempted to enhance metabolic pathways associated with desired products. Unfortunately, genetic modifications and heterologous pathway expression often lead to a higher metabolic burden on the producing organisms, ultimately leading to reduced production levels and fitness.
This project utilised adaptive laboratory evolution to better understand the development of synthetic cooperative consortia, using S. cerevisiae as a model organism. Specifically, a synthetic cooperative consortium was developed around the exchange of lysine and tyrosine, which was subjected to adaptive laboratory evolution aiming to induce mutations that would improve the system’s fitness either by enhanced production or upgraded stress resistance. Consequently, the mutant strains isolated after the evolution rounds were sequenced to identify relevant variations that could be related to the growth and production phenotypes observed.
The insights derived from this project are expected to contribute to further developing synthetic cooperative consortia with utilitarian purposes.
Untersuchung der Expression von Wachstumsfaktoren in reseziertem Hirngewebe von Epilepsiepatienten
(2023)
Hintergrund: Die Epilepsie gehört zu den häufigsten chronischen neurologischen Erkrankungen beim Menschen. Bei Patienten mit mesialer TLE und Hippocampussklerose besteht die höchste Wahrscheinlichkeit, eine medikamentöse Therapierefraktärität zu entwickeln. Die Ursache der Hippocampussklerose sowie die ursächlichen Mechanismen sind nicht bekannt. Allerdings kann eine initiale Schädigung, wie etwa komplizierte Fieberkrämpfe im Kindesalter, Schädel-Hirn-Traumata, Schlaganfälle, entzündliche Prozesse oder Ähnliches, für die Entwicklung einer Hippocampussklerose prädisponieren. Diese kann anschließend nach einer klinisch stummen Latenzperiode zur Entwicklung spontaner epileptischer Anfälle und der Diagnose einer Epilepsie führen. Im Rahmen der Epileptogenese, also der Entstehung und Progression der Epilepsie kommt es zu Wachstumsprozessen, weshalb eine Beteiligung von neurotrophen Wachstumsfaktoren naheliegend war. Das Ziel dieser Arbeit war die vergleichende Untersuchung resezierter Hippocampi auf Wachstumsfaktoren, um semiquantitative Daten zu deren Verteilung bei Epilepsiepatienten zu erhalten. Des Weiteren war die Korrelation mit den klinischen Daten der Patienten von besonderem Interesse, da so Hinweise auf mögliche Zusammenhänge zwischen dem klinischen Erscheinungsbild und der Expression der Wachstumsfaktoren gewonnen werden konnten.
Methoden: Bei dem in der vorliegenden Arbeit untersuchten Gewebe handelt es sich um Hippocampi von 21 Patienten mit TLE, die epilepsiechirurgisch therapiert wurden. Die Schnitte der paraffinierten Hippocampi wurden mittels Immunhistochemie auf die Wachstumsfaktoren BDNF, FGF2, GDNF, GMFB und PDGF-B untersucht. Im Anschluss wurden die Schnitte gescannt und die Zellen mittels eines Algorithmus identifiziert und ausgewertet. Diese experimentellen Daten wurden anschließend mit den klinischen Daten der Patienten korreliert.
Ergebnisse: Es fand sich eine signifikante Korrelation zwischen der Expression von GMFB und dem postoperativen Outcome der Patienten. Des Weiteren fanden sich auch Korrelationen zwischen der präoperativen Anfallsfrequenz und der Expression von BDNF sowie GDNF. Auch die Epilepsiedauer korrelierte mit der Expression von BDNF. Zudem fanden sich Korrelationen zwischen den Ergebnissen der neuropsychologischen Testungen und der Expression von BDNF, sowie PDGF-B.
Diskussion: Die vorliegende Arbeit liefert einige Daten, die Hinweise für nachfolgende Untersuchungen geben können. Sowohl für die Anfallsfrequenz, als auch für die Epilepsiedauer fanden sich signifikante Korrelationen mit BDNF. Beides ist passend zu den vermuteten und zum Teil in der Literatur beschriebenen Mechanismen im Rahmen der Epilepsie, also einer postiktalen Hochregulation von Wachstumsfaktoren beziehungswiese des Zugrundegehens von Zellen im Verlauf der Erkrankung und damit zu einer reduzierten Expression von Wachstumsfaktoren. Geschlechterabhängige Unterschiede in der Expression der Wachstumsfaktoren fanden sich, passend zu der vorhandenen Literatur, nicht. Interessant ist, dass sowohl Geschlechtshormone als auch anfallssuppressive Medikamente einen Einfluss auf die Expression der Wachstumsfaktoren haben können.
Bis heute ist kein Biomarker bekannt, der eine Vorhersage über den Erfolg einer operativen Therapie bei therapierefraktären TLE treffen kann. Da meine Daten eine Korrelation von GMFB und dem postoperativen Outcome zeigen, bietet es sich für weitere Untersuchungen an, GMFB als präoperativen Biomarker zu nutzen. zu können, wäre eine einfachere Probengewinnung beispielsweise aus Blut, Liquor, Urin oder Speichel notwendig. Im Sinne einer „Liquid Biopsy“ könnte so der Erfolg einer chirurgischen Therapie weiter objektiviert werden, was die Entscheidungsfindung einfacher und risikoärmer gestalten würde.
Die chronische myeloische Leukämie (CML) ist eine klonale myeloproliferative Neoplasie und hat ihren Ursprung in transformierten pluripotenten Stammzellen im Knochenmark. Der Krankheitsentstehung liegt eine reziproke chromosomale Translokation zugrunde, in deren Folge ein neues Fusionsgen, das sogenannte Philadelphia-Chromosom, entsteht. Das hiervon codierte Genprodukt ist eine Tyrosinkinase mit konstitutiver Aktivität mit resultierender unkontrollierter Signaltransduktion. Gegen diese Tyrosinkinase existiert eine molekular zielgerichtete Therapie, die Tyrosinkinase-Inhibitoren (TKI).
Den Therapiestandard stellt die Behandlung mit einem TKI dar. Seit einigen Jahren existiert jedoch das Therapieziel der therapiefreien Remission (TFR), bei dem CML-Patienten mit einem guten molekularen Ansprechen den TKI nach einiger Zeit absetzen und unter engmaschigen Kontrollen therapiefrei bleiben. Ungefähr die Hälfte dieser Patienten erleidet kein molekulares Rezidiv und bleibt langfristig in TFR. Zu der Thematik der TFR existieren zahlreiche klinische Studien, die die Umsetzbarkeit und die Sicherheit eines Absetzversuchs belegen und Kriterien definiert haben, die für einen Absetzversuch erfüllt sein sollten. In dieser Dissertation wird die Umsetzung der TFR im klinischen Alltag onkologischer Praxen untersucht. Es wird untersucht, ob die Studienergebnisse mit den TFR-Raten und den identifizierten Einflussfaktoren auf den Praxisalltag übertragbar sind und ob das Therapieziel TFR in den klinischen Alltag integrierbar ist. Hierfür werden die Daten von 61 CML-Patienten mit einem Absetzversuch aus fünf onkologischen Praxen retrospektiv ausgewertet. Erhoben werden Parameter der Routineversorgung und die Ergebnisse der Kontrolluntersuchungen während der TFR werden dokumentiert und ausgewertet. Die TFR-Raten von ca. 50%, die in den Absetz-Studien beobachtet wurden, finden sich im hier untersuchten Patientenkollektiv wieder. Mithilfe der binären logistischen Regression wird getestet, ob bestimmte Faktoren, wie die Therapiedauer und das verwendete Medikament vor dem Absetzen, einen signifikanten Einfluss auf den Verlauf der TFR haben. Hier kann kein signifikanter Einflussfaktor identifiziert werden. Es lässt sich eine signifikant längere therapiefreie Überlebensdauer bei den Patienten zeigen, die mit einem TKI der zweiten Generation vor dem Absetzen behandelt wurden.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die TFR bei geeigneten CML-Patienten in der Praxis umsetzbar und sicher ist und fest im klinischen Alltag onkologischer Praxen verankert sein sollte.
Hyperparasitic fungi on black mildews (Meliolales, Ascomycota) : hidden diversity in the tropics
(2023)
Meliolales (Sordariomycetes, Ascomycota) is a group of obligate plant parasitic microfungi mainly distributed in the tropics and subtropics. Meliolalean fungi are commonly known as “black mildews”, as they form black, superficial hyphae on the surface of vegetative and reproductive organs of vascular plants. They are considered biotrophic parasites, and the infections caused by black mildews can lead to a decrease in the photosynthetic activity of plants, as well as to an increase in the temperature and respiration rate of their leaves.
Meliolales are frequently parasitized by hyperparasitic fungi, i.e., parasitic fungi that have parasitic hosts. These hyperparasites are all Ascomycota and belong mainly to the Dothideomycetes and Sordariomycetes. Although hyperparasites represent a megadiverse group, species were only described by morphology until 1980, and the systematic position of more than 60 % of known species is still unclear. In addition, there are no DNA reference sequences available in public databases for any of the species of hyperparasites of Meliolales, and no ecological studies have been done up to now.
Before this study, no exact number of hyperparasitic fungi growing on colonies of black mildews existed. Here, we present a checklist including 189 species of fungi known to be hyperparasitic on Meliolales, but the number of existing species is likely to be even higher. The elaboration of this species checklist laid the foundations for this investigation, as it helped to understand the present state of knowledge of hyperparasitic fungi on Meliolales worldwide.
For the present study, fresh specimens of leaves infected with colonies of Meliolales and hyperparasites were opportunistically collected at 32 collection sites in Western Panama and Benin, West Africa, in 2020 and 2022, respectively. In total, 100 samples of plant specimens infected with black mildews were collected, of which 58 samples were parasitized by hyperparasitic fungi. 31 species and morphospecies of hyperparasitic fungi were identified. In addition, 35 historical specimens, including 12 type specimens, were examined for the present work.
DNA of hyperparasitic fungi was isolated directly from conidia, synnemata, apothecia, perithecia or pseudothecia of fresh and dried specimens. The main challenges faced by scientists in doing molecular studies of hyperparasitic fungi are related to the fact that the hyperparasitic fungi are intermingled with tissues of the meliolalean hosts and other organisms present in a given sample. This makes the isolation of DNA exclusively from the hyperparasite difficult. Moreover, hyperparasitic fungi on Meliolales are biotrophs and cannot be grown axenically. The hosts themselves are also biotrophic, further complicating DNA isolation from either partner. These factors have contributed to a lack of reference sequences in public databases. After more than 100 attempts, DNA of 20 specimens of hyperparasitic fungi, representing seven species, has been isolated in the context of the present investigation. Three partial nuclear gene regions were amplified and sequenced: nrLSU, nrSSU and nrITS. The datasets were assembled for phylogenetic analyses applying Maximum Likelihood (ML) and Bayesian inference (BI) methods. DNA sequences of hyperparasitic fungi on Meliolales were generated for the first time in the context of the present investigation.
Hyperparasitic fungi on Meliolales do not represent a single systematic group, but a polyphyletic ecological guild of fungi. Because of this huge diversity, only the systematics of species of perithecioid hyperparasites, as well as of the species of the genera Atractilina and Spiropes known to be hyperparasitic on black mildews was discussed in this thesis, as they represented the most common groups of fungi found in Benin and Panama. The results indicated, for example, the systematic position of Dimerosporiella cephalosporii and Paranectriella minuta in the Sordariomycetes and Dothideomycetes, respectively. In addition, the first record of a hyperparasitic fungus of black mildews in the Lecanoromycetes, namely Calloriopsis herpotricha, is reported here. The systematics of Atractilina parasitica and of some species of Spiropes is also discussed here.
In the context of the present investigation, four species new to science were described. They are presented with detailed descriptions, photos and scientific illustrations. Taxonomic studies of this thesis also generated seven new synonyms, nine new records for Benin, seven for Panama, one for Africa and two for mainland America, as well as the confirmation of one anamorph-teleomorph connection by molecular sequence data.
The ecology of hyperparasitic fungi on Meliolales is complex and far from being completely understood. The hypothesis of host specificity between hyperparasitic fungi, their meliolalean hosts and their plant hosts was tested for the first time, through a tritrophic network analysis. Results indicate that hyperparasites of Meliolales are generalists concerning genera of Meliolales, but apparently specialists at the level of order. In addition, hyperparasitic fungi tend to be found alongside their meliolalean hosts, suggesting a pantropical distribution.
Die vorliegende Studie widmete sich der Untersuchung von mikrostrukturellen Eigenschaften im Gehirn von Patienten mit Epilepsie, bei denen im herkömmlichen Magnetresonanztomografie (MRT) keine strukturellen Anomalien festgestellt wurden. Epilepsie ist eine komplexe neurologische Störung, die durch wiederkehrende epileptische Anfälle gekennzeichnet ist. I Bisher wurde die Beeinträchtigung der Hirnmikrostruktur in dieser Gruppe kaum erforscht, obwohl aufgrund pathologischer Umstrukturierungen zerebraler Netzwerke, neuronaler Hyperaktivität und Hypersynchronisation ähnliche Schäden wie bei Patienten mit sichtbaren Läsionen angenommen werden könnten. Zur Untersuchung der zerebralen Mikrostruktur wurden in dieser Studie hochauflösende quantitative Tl-, T2- und Protonendichte (PD)-Verfahren in Kombination mit einer Gewebesegmentierung auf Basis synthetischer Anatomien verwendet.
Es wurden insgesamt 27 Epilepsiepatienten rekrutiert, bei denen mittels herkömmlicher MRT keine strukturellen Läsionen im Gehirn festgestellt wurden. Die MRT-Daten wurden mit einem 3-Tesla-MAGNETOM-TRlO-MR-Scanner erfasst, der mit einer 8-Kanal-Kopfspule ausgestattet war. Die quantitative MRTTechnik ermöglichte die Messung von Tl-, T2- und PD Werten, um die mikrostrukturellen Eigenschaften des kortikalen Gewebes zu analysieren. Die kortikale graue Substanz wurde analysiert, indem zur Vermeidung von Partialvolumeneffekten Tl-, T2- und PD-Werte aus den zentralen 20% des Kortex ausgelesen und in Oberflächendatensätzen gespeichert wurden. Die Gruppenvergleiche wurden dann mittels statistischer Analysen (allgemeines lineares Modell) und Permutationssimulationen durchgeführt, um Cluster zu identifizieren, die auf mögliche Gruppenunterschiede hinweisen. Für die weiße und tiefe graue Substanz erfolgte eine „region of interest"-basierte Analyse und eine Voxel-weise Analyse.
Die beschriebenen Analysen der quantitativen MRT-Daten zeigten keine signifikanten Unterschiede der Tl-, T2- oder PD-Werte zwischen den Gruppen. Weder in der grauen noch weißen Substanz ergaben sich demnach Hinweise auf mikrostrukturelle Veränderungen bei Patienten mit MRT-negativer Epilepsie.
Die Ergebnisse zeigen, dass zukünftige wissenschaftliche Untersuchungen erforderlich sein werden, um die maßgeblichen Faktoren und Mechanismen zu ermitteln, die zur mikrostrukturellen Schädigung von Gehirngewebe in unterschiedlichen Untergruppen von Epilepsiepatienten beitragen.
Therapierefraktärer Schmerz ist ein weit verbreitetes, äußerst belastendes Leitsymptom rheumatischer Erkrankungen. Viele Betroffene weichen daher bei Versagen der Standardmedikation selbstständig auf Cannabis oder die strukturell verwandte Substanz Palmitoylethanolamid (PEA) als Add-On- oder Alternativtherapie aus, obwohl dies in Deutschland bisher nur eingeschränkt zulässig ist. Die deutsche Gesetzgebung ist diesbezüglich nicht eindeutig, weshalb Ärzt:innen in ihrer Entscheidung, Cannabis zu verschreiben, auf Leitlinien, Fallberichte und Expert:innenmeinungen zurückgreifen müssen. Dies führt zu schwierigen Einzelfallentscheidungen, da sich die derzeitige Datenlage zu Cannabis-based Medicine (CBM) bzw. PEA und Rheuma als mangelhaft darstellt und die Leitlinien dementsprechend keine klaren Empfehlungen enthalten. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die vorhandene Evidenz zusammenzufassen, zu ordnen und anhand der Hill-Kriterien den möglichen kausalen Zusammenhang zwischen der Einnahme von CBM bzw. PEA und der analgetischen Wirkung bei Rheumaschmerzen zu prüfen.