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The magnetic field sensors enabling birds to extract orientational information from the Earth’s magnetic field have remained enigmatic. Our previously published results from homing pigeons have made us suggest that the iron containing sensory dendrites in the inner dermal lining of the upper beak are a candidate structure for such an avian magnetometer system. Here we show that similar structures occur in two species of migratory birds (garden warbler, Sylvia borin and European robin, Erithacus rubecula) and a non-migratory bird, the domestic chicken (Gallus gallus). In all these bird species, histological data have revealed dendrites of similar shape and size, all containing iron minerals within distinct subcellular compartments of nervous terminals of the median branch of the Nervus ophthalmicus. We also used microscopic X-ray absorption spectroscopy analyses to identify the involved iron minerals to be almost completely Fe III-oxides. Magnetite (Fe II/III) may also occur in these structures, but not as a major Fe constituent. Our data suggest that this complex dendritic system in the beak is a common feature of birds, and that it may form an essential sensory basis for the evolution of at least certain types of magnetic field guided behavior.
The plastids of cryptophytes, haptophytes, and heterokontophytes (stramenopiles) (together once known as chromists) are surrounded by four membranes, reflecting the origin of these plastids through secondary endosymbiosis. They share this trait with apicomplexans, which are alveolates, the plastids of which have been suggested to stem from the same secondary symbiotic event and therefore form a phylogenetic clade, the chromalveolates. The chromists are quantitatively the most important eukaryotic contributors to primary production in marine ecosystems. The mechanisms of protein import across their four plastid membranes are still poorly understood. Components of an endoplasmic reticulum-associated degradation (ERAD) machinery in cryptophytes, partially encoded by the reduced genome of the secondary symbiont (the nucleomorph), are implicated in protein transport across the second outermost plastid membrane. Here, we show that the haptophyte Emiliania huxleyi, like cryptophytes, stramenopiles, and apicomplexans, possesses a nuclear-encoded symbiont-specific ERAD machinery (SELMA, symbiont-specific ERAD-like machinery) in addition to the host ERAD system, with targeting signals that are able to direct green fluorescent protein or yellow fluorescent protein to the predicted cellular localization in transformed cells of the stramenopile Phaeodactylum tricornutum. Phylogenies of the duplicated ERAD factors reveal that all SELMA components trace back to a red algal origin. In contrast, the host copies of cryptophytes and haptophytes associate with the green lineage to the exclusion of stramenopiles and alveolates. Although all chromalveolates with four membrane-bound plastids possess the SELMA system, this has apparently not arisen in a single endosymbiotic event. Thus, our data do not support the chromalveolate hypothesis. Key words: Emiliania huxleyi, secondary endosymbiosis, chromalveolate, hypothesis, complex plastid, plastid protein import, algal evolution
The physical and functional borders of transit peptide-like sequences in secondary endosymbionts
(2010)
Background: Plastids rely on protein supply by their host cells. In plastids surrounded by two membranes (primary plastids) targeting of these proteins is facilitated by an N-terminal targeting signal, the transit peptide. In secondary plastids (surrounded by three or four membranes), transit peptide-like regions are an essential part of a bipartite topogenic signal sequence (BTS), and generally found adjacent to a N-terminally located signal peptide of the plastid pre-proteins. As in primary plastids, for which no wealth of functional information about transit peptide features exists, the transit peptide-like regions used for import into secondary ones show some common features only, which are also poorly characterised. Results: We modified the BTS (in the transit peptide-like region) of the plastid precursor fucoxanthin-chlorophyll a/c binding protein D (FcpD) fused to GFP as model substrate for the characterisation of pre-protein import into the secondary plastids of diatoms. Thereby we show that (i) pre-protein import is highly charge dependent. Positive net charge is necessary for transport across the plastid envelope, but not across the periplastid membrane. Acidic net charge perturbs pre-protein import within the ER. Moreover, we show that (ii) the mature domain of the pre-protein can provide intrinsic transit peptide functions. Conclusions: Our results indicate important characteristics of targeting signals of proteins imported into secondary plastids surrounded by four membranes. In addition, we show a self-targeting mechanism, in which the mature protein domain contributes to the transit peptide function. Thus, this phenomenon lowers the demand for pre-sequences evolved during the course of endosymbiosis.
Background: Falciparum Malaria, an infectious disease caused by the apicomplexan parasite Plasmodium falciparum, is among the leading causes of death and morbidity attributable to infectious diseases worldwide. In Gabon, Central Africa, one out of four inpatients have severe malarial anemia (SMA), a life-threatening complication if left untreated. Emerging drug resistant parasites might aggravate the situation. This case control study investigates biomarkers of enhanced hemolysis in hospitalized children with either SMA or mild malaria (MM). Methods and Findings: Ninety-one children were included, thereof 39 SMA patients. Strict inclusion criteria were chosen to exclude other causes of anemia. At diagnosis, erythrophagocytosis (a direct marker for extravascular hemolysis, EVH) was enhanced in SMA compared to MM patients (5.0 arbitrary units (AU) (interquartile range (IR): 2.2–9.6) vs. 2.1 AU (IR: 1.3–3.9), p<0.01). Furthermore, indirect markers for EVH, (i.e. serum neopterin levels, spleen size enlargement and monocyte pigment) were significantly increased in SMA patients. Markers for erythrocyte ageing, such as CD35 (complement receptor 1), CD55 (decay acceleration factor) and phosphatidylserine exposure (annexin-V-binding) were investigated by flow cytometry. In SMA patients, levels of CD35 and CD55 on the red blood cell surface were decreased and erythrocyte removal markers were increased when compared to MM or reconvalescent patients. Additionally, intravascular hemolysis (IVH) was quantified using several indirect markers (LDH, alpha-HBDH, haptoglobin and hemopexin), which all showed elevated IVH in SMA. The presence of both IVH and EVH predicted the need for blood transfusion during antimalarial treatment (odds ratio 61.5, 95% confidence interval (CI): 8.9–427). Interestingly, this subpopulation is characterized by a significantly lowered reticulocyte production index (RPI, p<0.05). Conclusions: Our results show the multifactorial pathophysiology of SMA, whereby EVH and IVH play a particularly important role. We propose a model where removal of infected and non-infected erythrocytes of all ages (including reticulocytes) by EVH and IVH is a main mechanism of SMA. Further studies are underway to investigate the mechanism and extent of reticulocyte removal to identify possible interventions to reduce the risk of SMA development.
In the adult mammalian central nervous system, two defined neurogenic regions retain the capacity to generate new neurons throughout adulthood, namely the subependymal zone (SEZ) at the lateral ventricles and the subgranular layer of the hippocampus (SGL). Adult neurogenesis consists of a whole set of events including proliferation, fate specification, migration, survival and finally synaptic integration of newly born neurons. Each of these events is controlled by the interplay of numerous factors. In this study two signalling systems were analysed with regard to their functional role in adult neurogenesis in vivo, namely the purinergic system and the growth factor EGF. Neither short- nor long-term application of the P2Y receptor agonists UTP and ADPβS and the P2Y receptor antagonist suramin into the lateral ventricle of adult mice altered cell responses as compared to vehicle controls in vivo. In contrast, analysis of the expansion rates of cultured neural stem cells (NSCs) from knockout mice revealed a strong increase in the number of NSCs from NTPDase2-/- mice, whereas cell numbers of NSCs from P2Y1-/- and P2Y2-/- mice were significantly reduced in comparison to wildtype levels. Notably, in vivo proliferation rates were potently elevated in the SGL and the SEZ of NTPDase2-deficient mice. However, in vivo proliferation in both neurogenic niches of the single receptor knockout mice P2Y1-/- and P2Y2-/- and P2Y1-/- P2Y2-/-double-knockout mice did not differ significantly from the wildtype. In mice lacking the P2Y2 receptor the survival of newly born neurons in the hippocampal granule cell layer was significantly increased. These data provide the first line of evidence that purinergic signalling is involved in the control of neural stem cells behaviour not only in vitro but also in vivo. In order to further characterise the role of epidermal growth factor (EGF) in adult neurogenesis, transit amplifying precursors (TAPs) and type B astrocytes were identified as EGF-responsive cell populations following ventricular EGF injection, whereas ependymal cells, neuroblasts and NG2-positive cells did not or only to a minor extent respond to EGF injection. These EGF-responsive cell populations were found on both, the septal as well as striatal lateral ventricle walls. Long-term ventricular EGF infusion for 6d, 1. increased cell proliferation of both ventricle walls revealing a gradient along the rostro-caudal axis, 2. altered the balance between neuronal and macroglial cell fates to generate oligodendrocyte precursors and 3. lead to an entire remodelling of the classical architecture of the SEZ.
Die Chemokinrezeptoren CXCR3 und CXCR4 sowie deren spezifische Liganden, CXCL9, -10 und -11 bzw. CXCL12, sind in bedeutender Weise an den pathologischen Prozessen der Th1-/Th17-vermittelten (Typ1- und Typ17-T-Helferzelle) Autoimmunerkrankungen beteiligt. Die dabei auftretenden chronischen Entzündungen sind gekennzeichnet durch eine massive Infiltration von Th1-Gedächtniszellen. Ergebnisse sowohl von tierexperimentellen Studien als auch von in vitro Experimenten weisen deutlich auf eine spezifische Wechselwirkung zwischen den proentzündlichen CXCR3- und dem homöostatischen CXCR4-Liganden hin. Weiterführenden Ergebnisse zu der molekularen Wechselwirkung von CXCR3 und -4 wurden jedoch bislang nicht veröffentlicht. Die Untersuchungen dieser Dissertation konzentrierten sich auf die Kooperation der beiden Chemokinrezeptoren in murinen Th1-Gedächtniszellen. Dabei sollte insbesondere der potentielle Einfluss dieser Interaktion auf die einzelnen Teilprozesse der Extravasation der T-Lymphozyten in vitro analysiert werden. Eingesetzt wurden hierfür statische Chemotaxis- und dynamische Flusskammerexperimente, die zum einen sensitiv genug und zum anderen für einen hohen Probendurchsatz geeignet sein mussten. Die verwendeten Techniken wurden dazu im Rahmen der Dissertation etabliert und validiert. Zunächst musste die Präzision des statischen Migrationssytems mit einer hohen Standardabweichung von durchschnittlich ± 40% deutlich verbessert werden. Ein Wechsel auf ein Kammersystem der Firma Corning verringerte die Abweichung auf ± 25%, und sogar auf ± 9,9% bei einer optimierten Auswertung mittels Durchflusszytometrie. Als weitere Methode wurde ein dynamisches Flusskammersystem mit automatischer Videoanalyse zur Bestimmung der Geschwindigkeit von Zellen etabliert. Zur Validierung der neu entwickelten Analysesoftware Imagoquant® wurden identische Filmaufnahmen von Flusskammerexperimenten hinsichtlich Zellrollen und Zellgeschwindigkeit ausgewertet und mit den Ergebnissen von zwei etablierten Methoden, der Handzählung und einem halbautomatischen Tracking-Programm, verglichen. In der gesamten Validierung stimmten die Berechnungen von Imagoquant® mit Ergebnissen der verschiedenen Auswertemethoden qualitativ überein, wobei die Filme um ein Vielfaches (16- bzw. 20-fach) schneller analysiert werden konnten als mit den bisher verwendeten Methoden. Somit konnte erfolgreich eine computergestützte Analysemethode validiert und etabliert werden, die schnell und benutzerunabhängig arbeitet und folglich objektive Daten im Hochdurchsatz generiert. Die Untersuchungen in den statischen und dynamischen Migrationssystemen ergaben, dass die Stimulation von Th1-Zellen mit CXCL9 zu einer heterologen Desensitivierung verschiedener CXCL12-vermittelter Effekte führt. In statischen Migrationsexperimenten wurde sowohl durch eine synchrone als auch eine sequentielle Stimulation mit CXCL9 eine CXCL12-vermittelte Chemotaxis signifikant vermindert. Der auftretende Effekt war dabei lang anhaltend und konnte noch bei einer Stimulationsdauer von 20 h beobachtet werden, ohne an Intensität zu verlieren. Weitere funktionelle Experimente erfolgten in dynamischen Flusskammerexperimenten, um die desensitivierende Wirkung von CXCL9 auf CXCL12-abhängige Interaktionen der Adhäsionskaskade von Th1-Zellen zu untersuchen. In mit E-Selektin und ICAM-1 Fc-Chimära) beschichteten Flusskammern führte immobilisiertes CXCL12 zu vermehrtem integrinabhängigen Rollen, welches durch eine Vorinkubation der Th1-Zellen mit CXCL9 reduziert wurde. In Flusskammern mit murinen Endothelzellen bewirkte immobilisiertes CXCL12 eine rasche integrinabhängige Adhäsion der Zellen und verkürzte dadurch deren Rollphase signifikant. Eine Vorbehandlung der Zellen mit CXCL9 verminderte dagegen die CXCL12-vermittelte Adhäsion und führte damit zu längeren Rollphasen. Deutliche Effekte zeigte CXCL12 bezüglich einer gesteigerten intravasalen und transendothelialen Migrationsrate von T-Lymphozyten, die durch eine Vorstimulation mit CXCL9 aufgehoben wurden. Um die beteiligten Mechanismen dieser Desensitivierung zu entschlüsseln, wurde die Oberflächenexpression von CXCR3 und CXCR4 in dem Th1-Zellklon durchflusszytometrisch analysiert. Dabei zeigte sich, dass eine Stimulation mit CXCL9 neben der ligandenspezifischen Internalisierung von CXCR3 auch eine Kreuzregulation der CXCR4-Oberflächenexpression bewirkte. Im Weiteren wurde die Phosphorylierung bekannter Signalmoleküle der CXCR4-Signalwege analysiert. Eine Vorbehandlung der Zellen mit CXCL9 desensitivierte die CXCL12-induzierte Phosphorylierung von Akt signifikant und führte zu einer zeitlichen Modulation des Signals. Ferner verzögerte eine Vorbehandlung der Th1-Zellen mit CXCL9 das CXCL12-induzierte Calciumsignal erheblich, während dabei eine 3,5-fach höhere maximale Ca2+-Konzentration gemessen wurde. Ein abgeleiteter Mechanismus der CXCL9-abhängigen Desensitivierung von CXCR4-Signalwegen beeinflusst insbesondere die Signaltransduktion über den T-Zellrezeptor und dadurch auch die Regulation von Rac1. Des Weiteren führt CXCL9 zur Gi- oder ZAP-70-vermittelten Aktivierung der PKC, welche darauffolgend den CXCR4-Rezeptor phosphoryliert und damit zu dessen Internalisierung führt. Die in vitro beobachtete Desensitivierung verschiedener CXCL12/CXCR4-vermittelter Effekte durch CXCL9 wirkt potentiell in der in vivo Situation von Autoimmunerkrankungen auf unterschiedliche Weise proinflammatorisch. Zum einen wird die Mobilisierung von Th1-Zellen aus CXCL12 exprimierenden peripheren Gewebe gefördert und gleichzeitig verhindert, dass Th1-Zellen in nicht entzündetes peripheres Gewebe rekrutiert werden. Zum anderen wird im Entzündungsgebiet die Affinität der Th1-Zellen zu den CXCL12-exprimierenden Endothelzellen verringert und die Migration in tieferliegende Gebiete der Entzündung begünstigt. Ferner vermindern CXCR3-Liganden auch antiinflammatorische Effekte des CXCL12s, wie z.B. die Polarisierung der Th1-Zellen in regulatorische T-Zellen.
Im ersten Teil der Arbeit wurde eine genetische Disposition für Vorhofflimmern (VHF) untersucht. Der Einzelnukleotidpolymorphismus ("single nucleotide polymorphism", SNP) 38G/S befindet sich im N-Terminus der ß-Untereinheit KCNE1. Diese ß-Untereinheit konstituiert gemeinsam mit der alpha-Untereinheit KCNQ1 die langsame Komponente des verzögerten Gleichrichterstromes, IKs. Die ß-Untereinheit hat hierbei eine modulierende Funktion. Frühere Studien beschäftigten sich hauptsächlich mit der transmembranären Domäne und dem C-Terminus. Über die Rolle des N-Terminus war bislang wenig bekannt. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Aufgabe des N-Terminus bei der Modulation der alpha-Untereinheit zu identifizieren. Außerdem sollte festgestellt werden, welche Aminosäuren hierbei besonders von Bedeutung sind. Zu diesem Zweck wurden diverse Konstrukte synthetisiert. Für das Konstrukt delta1-38’ wurden die Aminosäuren 1-38 und damit der Großteil des N-Terminus entfernt. Das Konstrukt "linker" enthält anstelle des Glyzins oder Serins an Position 38 fünf Alanine. In der Nähe der von dem SNP betroffenen Aminosäure befinden sich des Weiteren drei Arginine, die mit jeweils einem Alanin substituiert wurden. Für alle Versuche diente die nicht VHF-assoziierte Variante des SNPs als Kontrolle. Alle Konstrukte konnten erfolgreich heterolog exprimiert werden und gleichermaßen mit der alpha-Untereinheit immunopräzipitiert werden. Die aus der Co-Transfektion von KCNQ1 und KCNE1 resultierende Stromdichte wurde mittels "Patch-clamp"-Technik untersucht. Im Vergleich zum Kontrollstrom (KCNQ1 + KCNE1-38S) waren die Ströme aller anderen Gruppen während De- und Repolarisation signifikant kleiner. Zellfraktionierung und konfokale Mikroskopie zeigten, dass im Vergleich zur Kontrolle alle anderen Konstrukte eine verminderte Plasmamembranlokalisation aufwiesen. Die Aufgabe des N-Terminus liegt offensichtlich im Transport beider Untereinheiten an die Plasmamembran und/oder der Verankerung dort. Sowohl die Aminosäure in Position 38 als auch die drei N-terminalen Arginine in der Nähe scheinen für den hier gesuchten Mechanismus von Bedeutung zu sein. Zukünftige Experimente könnten beispielsweise 3D-Simulationen der Proteinfaltung beinhalten, um die potentielle Membranverankerung weiter zu untersuchen. Der zweite Teil der Arbeit untersuchte erworbene elektrophysiologische Veränderungen im Rahmen von VHF am Beispiel der einwärts gleichrichtenden Kaliumströme IK1 und IKACh. Es sollten die zugrunde liegenden regulatorischen Mechanismen für die Heraufregulierung von IK1 und IKACh bei VHF untersucht werden. Alle Experimente wurden an humanem Gewebe des linken Vorhofs durchgeführt. Das Gewebe stammt von VHF-Patienten, die sich einer Mitralklappen-Operation unterzogen. Als Kontrolle wurde Gewebe von Patienten im Sinusrhythmus (SR) verwendet. Zunächst wurde untersucht, ob transkriptionelle und/oder posttranskriptionelle Veränderungen oder funktionelle Effekte der Heraufregulierung der Ströme zugrunde liegen. Entsprechend wurde die Proteinexpression mittels Western Blot quantifiziert. Die Quantifizierung der mRNA erfolgte per Realtime-PCR. Veränderungen für IK1 konnten sowohl auf mRNA- als auch auf translationaler Ebene beobachtet werden. Protein- und mRNA-Expression von Kir2.1, der zugrunde liegenden Proteinuntereinheit, waren bei VHF signifikant erhöht; die Expression der inhibitorischen miR-1 war reduziert. Die Bestimmung der Protein- und mRNA-Expression der zugrunde liegenden Proteinuntereinheiten für den Strom IKACh zeigte dagegen keinen Unterschied zwischen Gewebe von Patienten mit VHF und SR. Eine funktionelle Regulierung schien daher möglich. Die Expression der IKACh modulierenden Proteine Calmodulin und G alpha i-3 unter VHF zeigte jedoch keinen signifikanten Unterschied zu der SR-Gruppe. Es war eine Tendenz zur Reduktion des inhibierenden G alpha i-3 zu beobachten. Die Regulierung von IKACh,c bei VHF bleibt in zukünftigen Arbeiten zu untersuchen. Ein möglicher Versuch wäre, therapeutisch in die Regulation der Kir-Untereinheiten einzugreifen, um das VHF-unterstützende, elektrische "Remodeling" des IK1 zu verhindern.