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Olpidiopsis is a genus of obligate holocarpic endobiotic oomycetes. Most of the species classified in the genus are known only from their morphology and life cycle, and a few have been examined for their ultrastructure or molecular phylogeny. However, the taxonomic placement of all sequenced species is provisional, as no sequence data are available for the type species, O. saprolegniae, to consolidate the taxonomy of species currently placed in the genus. Thus, efforts were undertaken to isolate O. saprolegniae from its type host, Saprolegnia parasitica and to infer its phylogenetic placement based on 18S rDNA sequences. As most species of Olpidiopsis for which sequence data are available are from rhodophyte hosts, we have also isolated the type species of the rhodophyte-parasitic genus Pontisma, P. lagenidioides and obtained partial 18S rDNA sequences. Phylogenetic reconstructions in the current study revealed that O. saprolegniae from Saprolegnia parasitica forms a monophyletic group with a morphologically similar isolate from S. ferax, and a morphologically and phylogenetically more divergent species from S. terrestris. However, they were widely separated from a monophyletic, yet unsupported clade containing P. lagenidioides and red algal parasites previously classified in Olpidiopsis. Consequently, all holocarpic parasites in red algae should be considered to be members of the genus Pontisma as previously suggested by some researchers. In addition, a new species of Olpidiopsis, O. parthenogenetica is introduced to accommodate the pathogen of S. terrestris.
Holocarpic oomycetes are poorly known but widespread parasites in freshwater and marine ecosystems. Most of the holocarpic species seem to belong to clades that diverge before the two crown lineages of the oomycetes, the Saprolegniomycetes and the Peronosporomycetes. Recently, the genus Miracula was described to accommodate Miracula helgolandica, a holocarpic parasitoid of Pseudo-nitzschia diatoms, which received varying support for its placement as the earliest-diverging oomycete lineage. In the same phylogenetic reconstruction, Miracula helgolandica was grouped with some somewhat divergent sequences derived from environmental sequencing, indicating that Miracula would not remain monotypic. Here, a second species of Miracula is reported, which was found as a parasitoid in the limnic centric diatom Pleurosira leavis. Its life-cycle stages are described and depicted in this study and its phylogenetic placement in the genus Miracula revealed. As a consequence, the newly discovered species is introduced as Miracula moenusica.
Diatoms are thought to provide about 40% of total global photosynthesis and diatoms of the genus Coscinodiscus are an important, sometimes dominant, cosmopolitan component of the marine diatom community. The oomycete parasitoid Lagenisma coscinodisci is widespread in the northern hemisphere on its hosts in the genus Coscinodiscus. Because of its potential ecological importance, it would be a suitable pathogen model to investigate plankton/parasite interactions, but the species cannot be cultivated on media without its host, so far. Thus, it was the aim of this study to explore the potential of dual culture of host and pathogen in the laboratory and to optimise cultivation to ensure a long-term cultivation of the pathogen. Here, we report successful cultivation of a single spore strain of L. coscinodisci (Isla), on several Coscinodiscus species and strains, as well as the establishment of a cultivation routine with Coscinodiscus granii (CGS1 and CG36), which enabled us to maintain the single spore strain for more than 3 years in 6 cm Petri dishes and 10 ml tissue culture flasks. This opens up the opportunity to study the processes and mechanism in plankton/parasitoid interactions under controlled conditions.
Durch natürliche Selektion werden Funktionen, die dem Überleben und dem Fortpflanzungserfolg eines Organismus dienen, optimiert. Da die Struktur eines Organs dessen Funktion und umgekehrt die Funktion eines Organs dessen Struktur bestimmt, kann durch das Studium der Morphologie die Funktionsweise von Organen verstanden werden. Trotz des umfangreichen Wissens über die Struktur von Nervensystemen sowohl auf mikro- als auch auf makroskopischer Ebene, ist es weiterhin unklar, wie Bewusstsein und ein kohärentes Abbild der Umwelt im Gehirn erzeugt werden. Der Grund hierfür ist vor allem die gewaltige Komplexität neuronaler Netzwerke, die unmöglich geistig erfasst werden können. Eine Möglichkeit, das Gehirn ohne das detaillierte Wissen über all seine Bestandteile zu verstehen, bietet das Studium von Optimierungsprinzipien und deren Anwendung in theoretischen Modellen. So wie eingangs erwähnt die Funktion von Organen durch natürliche Selektion optimiert wird, sollte auch die Funktion neuronaler Netzwerke optimiert werden und neuronale Netzwerke sollten entsprechend solcher Optimierungsprinzipien aufgebaut sein. Ein wichtiges Prinzip, das essenziell für die Effizienz neuronaler Netzwerke ist, ist die Minimierung der Verbindungslänge zwischen Neuronen. Basierend auf diesem Prinzip wurde im Rahmen dieser Dissertation eine algorithmische Methode etabliert, die es ermöglicht Vorhersagen der relativen Position von Neuronen anhand ihrer Verbindungen zu treffen. Diese neuronale Platzierungsmethode beruht darauf, dass Neuronen mit ähnlicher Verbindungsnachbarschaft näher zueinander platziert werden als zu Neuronen mit weniger ähnlichen Verbindungsnachbarn, wodurch die durchschnittliche Verbindungslänge minimiert wird. Nach der Etablierung dieser Methode, wurde diese benutzt um Modelle zu erstellen, die es ermöglichen die Entstehung neuronaler Karten und kortikaler Faltungen im Zusammenhang mit der Konnektivität und der Anzahl der Neuronen zu untersuchen.
Neuronale Karten sind geordnete Muster auf der Oberfläche des Kortex, die durch die präferierte Aktivität einzelner Neuronen in Antwort auf Stimuli einer Modalität beobachtet werden können. Im visuellen Kortex existieren sogar mehrere Karten, je nachdem welche Qualität visueller Stimuli man betrachtet. Abhängig von der Präferenz für einen Sehwinkel, ein stimuliertes Auge oder der Orientierung eines Balken-Stimulus, können retinotopische Karten, Karten mit streifenartigen Mustern oder Karten mit sogenannten „Pinwheel“-Strukturen beobachtet werden. Pinwheels sind periodische Strukturen, die sichtbar werden indem man die Orientierungspräferenz von Neuronen für die spezifische Orientierung eines Balken-Stimulus mit der entsprechenden Farbe des Farbkreises visualisiert. Da diese Strukturen eine Ähnlichkeit mit bunten Windrädern haben, werde sie als Pinwheels bezeichnet. Die in dieser Dissertation erstellten Modelle sagen vorher, dass die Entstehung strukturierter neuronaler Karten im Allgemeinen von der Anzahl der Neuronen abhängt. In der Tat könnte diese Abhängigkeit auch für neuronale Karten im Kortex gelten. Während strukturierte Karten im visuellen Kortex in verschiedenen Säugerordnungen wie Primaten, Karnivoren und Huftieren existieren, sind sie in kleinen Nagern mit weniger Neuronen nicht vorhanden, trotz ähnlicher Verbindungsspezifizität. Folglich müssen Unterschiede in der Struktur neuronaler Karten im Kortex nicht zwangsläufig mit einer unterschiedlichen Funktionsweise zusammenhängen, sondern könnten auch durch allgemeine Optimierungsprinzipien beim Aufbau neuronaler Netzwerke bedingt werden. Eine weitere Gemeinsamkeit zwischen verschiedenen Säugetierordnungen ist, dass die relative Dichte der Pinwheels ziemlich genau bei der Zahl Pi liegt. Entsprechend der Ergebnisse dieser Dissertation könnte dies dadurch erklärt werden, dass für neuronale Karten ähnlicher Struktur die Anzahl der Neuronen pro Pinwheel relativ konstant ist. Unterschiede in der räumlichen Dichte der Pinwheels könnten dann einfach durch Unterschiede in der Dichte der Neuronen erklärt werden.
Neben den Modellen für neuronale Karten wurde im Rahmen dieser Dissertation auch ein Modell kortikaler Faltungen mit derselben neuronalen Platzierungsmethode erstellt. Die Existenz kortikaler Faltungen wird gemeinhin damit erklärt, dass der Kortex ohne Faltungen wegen seiner verhältnismäßig großen Oberfläche nicht in den Schädel gepackt werden könnte. Allerdings haben Experimente gezeigt, dass die Faltungen nicht durch eine Restriktion des wachsenden Kortex an der Schädeloberfläche entstehen, da auch mit mehr Platz für die Expansion des Kortex die gleichen Faltungsmuster exprimiert werden. Interessanterweise entstehen die kortikalen Faltungen erst, wenn die Proliferation der Neuronen während der Entwicklung größtenteils abgeschlossen ist und die Neuronen anfangen ihre Verbindungen auszubilden. Um kortikale Faltungen basierend auf der Konnektivität zwischen Neuronen im Modell vorherzusagen, genügt es das allgemeine Muster einer starken lokalen, aber schwachen globalen Konnektivität zwischen Neuronen nachzubilden. Abhängig von Variationen dieser Konnektivität, der Anzahl der kortikalen Kolumnen und der Neuronenanzahl innerhalb dieser Kolumnen, können im Modell viele Eigenschaften kortikaler Faltungsmuster in Säugetieren vorhergesagt werden. Ähnlich wie in Säugetieren ist der Faltungsgrad der vom Modell vorhergesagt wird von dem Verhältnis zwischen Parametern, die die Größe und Dicke des Kortex beschreiben, abhängig. Dementsprechend werden mehr und mehr Faltungen mit steigender Anzahl der Kolumnen, aber gleicher Anzahl von Neuronen pro Kolumne vorhergesagt. Wie in Säugetieren entstehen dabei auch die größeren primären Faltungen zuerst bevor es innerhalb der größeren Faltungen zu kleineren Faltungen höherer Ordnung kommt. Neben der Abhängigkeit des Faltungsgrads von der Größe des Kortex können Variationen in der Konnektivität erklären, wie es einerseits zu stereotypischen Faltungsmustern kommen kann, aber andererseits auch warum der Faltungsgrad zwischen verschiedenen Säugerordnungen unterschiedlich mit der Größe des Kortex skaliert. Letztlich könnten pathologische Veränderungen der Konnektivität zu den entsprechenden Änderungen im Faltungsmuster führen.
Insgesamt wurde in dieser Arbeit gezeigt, dass mittels einfacher Prinzipien, die die Verbindung zwischen Neuronen und deren relative Position zueinander beschreiben, komplexe neuroanatomische Strukturen vorhergesagt werden können. Da mit derselben Methode zur neuronalen Platzierung sowohl neuronale Karten als auch kortikalen Faltungen, also sehr unterschiedliche Strukturen vorhergesagt werden konnten, stellt sich die Frage, ob diese Strukturen durch einen gemeinsamen biologischen Mechanismus entstehen. Neuronale Zugkräfte sind ein möglicher Mechanismus, der die Entstehung kortikaler Faltungen erklären könnte. Auch wenn es eher unwahrscheinlich ist, dass die Entstehung neuronaler Karten von Zugkräften zwischen Neuronen abhängt, kann es nicht vollständig ausgeschlossen werden. Ob solche Kräfte an der Selbstorganisation neuronaler Netzwerke beteiligt sein könnten, ist eine interessante Fragestellung für zukünftige empirische Studien.
Anaerobic ammonium oxidation (anammox) is a major process in the biogeochemical nitrogen cycle in which nitrite and ammonium are converted to dinitrogen gas and water through the highly reactive intermediate hydrazine. So far, it is unknown how anammox organisms convert the toxic hydrazine into nitrogen and harvest the extremely low potential electrons (−750 mV) released in this process. We report the crystal structure and cryo electron microscopy structures of the responsible enzyme, hydrazine dehydrogenase, which is a 1.7 MDa multiprotein complex containing an extended electron transfer network of 192 heme groups spanning the entire complex. This unique molecular arrangement suggests a way in which the protein stores and releases the electrons obtained from hydrazine conversion, the final step in the globally important anammox process.
The website Sci-Hub enables users to download PDF versions of scholarly articles, including many articles that are paywalled at their journal’s site. Sci-Hub has grown rapidly since its creation in 2011, but the extent of its coverage has been unclear. Here we report that, as of March 2017, Sci-Hub’s database contains 68.9% of the 81.6 million scholarly articles registered with Crossref and 85.1% of articles published in toll access journals. We find that coverage varies by discipline and publisher, and that Sci-Hub preferentially covers popular, paywalled content. For toll access articles, we find that Sci-Hub provides greater coverage than the University of Pennsylvania, a major research university in the United States. Green open access to toll access articles via licit services, on the other hand, remains quite limited. Our interactive browser at https://greenelab.github.io/scihub allows users to explore these findings in more detail. For the first time, nearly all scholarly literature is available gratis to anyone with an Internet connection, suggesting the toll access business model may become unsustainable.
Active species reintroduction is an important conservation tool when aiming for the restoration of biological communities and ecosystems. The effective monitoring of reintroduction success is a crucial factor in this process. Here, we used a combination of environmental DNA (eDNA) techniques and species distribution models (SDMs) to evaluate the success of recent reintroductions of the freshwater fish Alburnoides bipunctatus in central Germany. We built SDMs without and with eDNA presence data to locate further suitable reintroduction sites and potentially overlooked populations of the species. We successfully detected eDNA of A. bipunctatus at all reintroduction sites, as well as several adjacent sites mostly in downstream direction, which supports the success of reintroduction efforts. eDNA‐based species detection considerably improved SDMs for A. bipunctatus, which allowed to identify species presence in previously unknown localities. Our results confirm the usefulness of eDNA techniques as standard tool to monitor reintroduced fish populations. We propose that combining eDNA with SDMs is a highly effective approach for long‐term monitoring of reintroduction success in aquatic species.
Ataxin-2 (human gene symbol ATXN2) acts during stress responses, modulating mRNA translation and nutrient metabolism. Ataxin-2 knockout mice exhibit progressive obesity, dyslipidemia, and insulin resistance. Conversely, the progressive ATXN2 gain of function due to the fact of polyglutamine (polyQ) expansions leads to a dominantly inherited neurodegenerative process named spinocerebellar ataxia type 2 (SCA2) with early adipose tissue loss and late muscle atrophy. We tried to understand lipid dysregulation in a SCA2 patient brain and in an authentic mouse model. Thin layer chromatography of a patient cerebellum was compared to the lipid metabolome of Atxn2-CAG100-Knockin (KIN) mouse spinocerebellar tissue. The human pathology caused deficits of sulfatide, galactosylceramide, cholesterol, C22/24-sphingomyelin, and gangliosides GM1a/GD1b despite quite normal levels of C18-sphingomyelin. Cerebellum and spinal cord from the KIN mouse showed a consistent decrease of various ceramides with a significant elevation of sphingosine in the more severely affected spinal cord. Deficiency of C24/26-sphingomyelins contrasted with excess C18/20-sphingomyelin. Spinocerebellar expression profiling revealed consistent reductions of CERS protein isoforms, Sptlc2 and Smpd3, but upregulation of Cers2 mRNA, as prominent anomalies in the ceramide–sphingosine metabolism. Reduction of Asah2 mRNA correlated to deficient S1P levels. In addition, downregulations for the elongase Elovl1, Elovl4, Elovl5 mRNAs and ELOVL4 protein explain the deficit of very long-chain sphingomyelin. Reduced ASMase protein levels correlated to the accumulation of long-chain sphingomyelin. Overall, a deficit of myelin lipids was prominent in SCA2 nervous tissue at prefinal stage and not compensated by transcriptional adaptation of several metabolic enzymes. Myelination is controlled by mTORC1 signals; thus, our human and murine observations are in agreement with the known role of ATXN2 yeast, nematode, and mouse orthologs as mTORC1 inhibitors and autophagy promoters.