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Acetaldehydaddukte an Hämoglobin werden als potentieller biochemischer Marker für Alkoholmissbrauch betrachtet, konnten aber bisher in vivo noch nicht eindeutig nachgewiesen werden. Es wurden Methoden entwickelt, um Acetaldehydmodifiziertes Hämoglobin sowohl nach Inkubation in vitro als auch in humanen Blutproben nachzuweisen. Verwendung fanden sowohl chromatographische als auch elektrophoretische Trennmethoden in Kombination mit unterschiedlichen Massenspektrometern zur Detektion. Es wurden unterschiedliche Patienten- und Probandenkollektive betrachtet. Aus Blutproben von Patienten aus Alkoholentzugskliniken, von Probanden eines kontrollierten Trinkversuches und Blutproben von Personen mit moderatem Alkoholkonsumverhalten wurde versucht, modifiziertes Hämoglobin mit Alkoholkonsum zu korrelieren. Desweiteren wurden Blutproben von Kindern untersucht, bei denen keine Alkoholexposition zu erwarten war, um eventuell vorhandenes endogenes modifiziertes Hämoglobin nachzuweisen. Zusätzlich zu den Untersuchungen in vitro und in vivo wurden auch post-mortale Proben analysiert, um modifiziertes Hämoglobin mit einem prämortalem Alkoholkonsum zu korrelieren und auf mögliche andere Einflüsse, insbesondere hinsichtlich post-mortaler Parameter zu untersuchen. Modifizierte Globinketten waren nach Synthese aus Hämoglobin und Acetaldehyd zugänglich und konnten in vitro nachgewiesen werden. Hierbei zeigte sich, dass Acetaldehyd auch mehrfach kovalent an beide Hämoglobinketten binden kann. Weder mehr- noch einfach modifizierte Hämoglobinketten konnten allerdings in authentischen humanen Blutproben nachgewiesen werden. Die Empfindlichkeit konnte jedoch nach proteolytischem Verdau so weit gesteigert werden, dass Acetaldehydmodifizierte Hämoglobinpeptide nicht nur nach Inkubation von Hämoglobin mit Acetaldehyd, sondern auch in authentischen Blutproben sämtlicher untersuchter Kollektive nachweisbar waren. Es wurde gezeigt, dass ein intermolekularer Austausch von Acetaldehyd nach proteolytischem Verdau zur Bildung eines Peptidadduktes am neu entstandenen N-Terminus des jeweiligen Peptides führen kann. Ein Hinweis auf andere mögliche Bindungsstellen ergab die Analyse des in vitro synthetisierten Peptides Hbα(17-31)2Ach mit zwei gebundenen Molekülen Acetaldehyd. Insgesamt konnten in authentischen Proben 10 Peptide mit Acetaldehydmodifikation, welche jeweils als chromatographisch trennbare Stereoisomere auftraten, nachgewiesen werden. Dies geht einher mit einer bereits vorgeschlagenen Bildung diastereomerer Imidazolidinonderivate. Acetaldehydmodifizierte Hämoglobinpeptide waren nicht nur in Proben von Patienten und Probanden mit nachweisbarem Blutalkohol vorhanden, sondern auch in Blutproben von Alkoholikern, Studenten und Kindern ohne akuten Alkoholkonsum. Der Nachweis dieser Addukte auch ohne exogene Alkohol- oder Acetaldehydexposition lässt darauf schliessen, dass diese posttranslationale Modifikation im menschlichen Körper abläuft, Acetaldehydaddukte also auch endogen gebildet werden. Ein erhöhtes Verhältnis von modifizierten Peptiden zu deren unmodifizierten Homologen zeigte sich konzentrationsabhängig nach Inkubation von Hämoglobin mit Acetaldehyd in vitro. Langfristiger zurückliegender Alkoholkonsum konnte in Studien mit Patienten einer Rehabilitationseinrichtung und mit Probanden mit moderatem Alkoholkonsum nicht mit Hämoglobinaddukten korreliert werden. Erhöhte Adduktverhältnisse im Vergleich mit Proben ohne Blutalkoholkonzentration des gleichen Kollektivs konnten bei Patienten einer Alkoholentzugsklinik, in post-mortalen Proben und im Rahmen eines kontrollierten Trinkversuches nachgewiesen werden. Die Kinetik der Bildung und Elimination Acetaldehydmodifizierten Hämoglobins wurde sowohl anhand von Blutproben von Patienten einer Alkoholentzugsklinik untersucht, erhöhte Adduktverhältnisse waren hier nur kürzer als 5 Tage nachweisbar. Diese schnelle Elimination wurde im Rahmen eines kontrollierten Trinkversuches bestätigt. Hierbei fand sich ein signifikanter Anstieg Acetaldehydmodifizierter Hämoglobinpeptide bereits nach einmaligem moderatem Alkoholkonsum, welcher bereits bei Blutalkoholkonzentrationen von durchschnittlich 0,12 g/L auftrat und noch mindestens 6 Stunden, aber nicht mehr 24 Stunden nach Trinkende anhielt. Daher liegt die mögliche Anwendung dieses empfindlichen Assays im Nachweis eines kurzfristigen Alkoholkonsums. Sämtliche Peptide wurden hinsichtlich Empfindlichkeit und Spezifität zur Identifizierung eines Alkoholkonsums sowohl in vivo als auch in post-mortalen Proben anhand unterschiedlicher Schwellenwerte untersucht. Desweiteren wurde für diese Peptide die analytische Präzision betrachtet. Als Markerpeptid eines kurzfristigen Alkoholkonsum sowohl in vivo als auch in post-mortalen Blutproben wird hierbei Hbα(32-40)Ach vorgeschlagen. Der mögliche Vorteil bei der Betrachtung dieses Peptids im Vergleich mit anderen bereits etablierten Markern zum Nachweis eines kurzfristigen Alkoholkonsums liegt in der für den Nachweis benötigten geringen Materialmenge, welche bei der Bestimmung mittels HPLC/TOF-MS 80μg Hämoglobin betrug, was etwa der Hämoglobinmenge entspricht, die in etwa 2,5 Millionen Erythrozyten, entsprechend 0,6 μl Blut enthalten ist. Denkbar ist dadurch die Bestimmung in Blutspuren, aus denen ansonsten kein Nachweis von Ethanol oder anderer Marker eines Alkoholkonsums möglich wäre, z.B. aus getrockneten Blutspuren.
Neben dem zentralen Benzodiazepin-Rezeptor – einer Untereinheit des GABAA-Rezeptors – gibt es den peripheren Benzodiazepin-Rezeptor (PBR), der als Bestandteil der mitochondrialen Permeabilitäts-modulierenden Poren eine wichtige Rolle bei der Apoptose, Zellproliferation, Steroidsynthese, Immunmodulation, des Porphyrintransports, der Hämsynthese, des Anionentransports und der Regulation der Mitochondrienfunktion spielt. Es gibt zahlreiche endogene und exogene Liganden, welche die Aktivität des PBR modulieren können. Zu den exogenen PBR-Liganden zählen u.a. die Benzodiazepine, Isochinolin- und Pyridinoindol-Derivate, zu den endogenen der Diazepam-Bindungsinhibitor (DBI) und dessen Fragmente sowie Porphyrine und Cholesterin. Man findet den PBR im gesamten Organismus, insbesondere in steroidproduzierenden Geweben wie Nebennierenrinde und Ovarien sowie im Immunsystem, und seine Expression ist stark erhöht bei akutem Stress, bei Entzündungen sowie in Tumorzellen. Bei verschiedenen Karzinomtypen ist der PBR überexprimiert und sein Gehalt korreliert mit der Aggressivität, Progression und Metastasierung des Tumors, sowie einer schlechten Prognose. Untersuchungen mit verschiedenen Mammakarzinom-Zelllinien ergaben, dass zwischen der Proliferationsrate und der Konzentration des PBR ein Zusammenhang besteht und dass in rasch proliferierenden, hormonrezeptornegativen Zelllinien (z.B. BT-20) die Expression der PBR erheblich höher ist als in langsamer wachsenden, hormonrezeptorpositiven Zelllinien (z.B. MCF-7). Der DBI ist ein relativ kurzlebiges Polypeptid, bei dessen proteolytischem Abbau verschiedene biologisch aktive Fragmente entstehen. Ziel der Arbeit war es, den Einfluss von drei Fragmenten des endogenen PBR-Liganden DBI auf den Zellzyklus und die Proliferation der Estrogen- und Progesteronrezeptor-negativen BT20-Mammakarzinomzellen sowie der Estrogen- und Progesteronrezeptor-positiven MCF-7-Mammakarzinomzellen zu untersuchen. Bei den methodisch aufwändigen Experimenten ging es vor allem darum, die isolierten Zellen unter in vitro Bedingungen physiologisch intakt zu erhalten, um den Einfluss der DBI-Fragmente auf die Proliferationsrate unabhängig von störenden äußeren Faktoren untersuchen zu können. Nach Synchronisation der Zellpopulationen in der G0/1-Phase wurden die Zellen mit steigenden Konzentrationen der DBI-Fragmente über verschiedene Zeiträume inkubiert, anschließend wurde die Verteilung der Zellen in den verschiedenen Zyklusphasen durchflusszytometrisch bestimmt. Es konnte gezeigt werden, dass mit allen verwendeten Fragmenten des DBI eine Wachstumshemmung der Karzinomzellen eintrat, wobei anzunehmen ist, dass der Effekt durch die Bindung an den PBR zustande kam. Im Allgemeinen trat diese Wirkung unabhängig von der Hormonsensitivität der verwendeten Zellen auf. Lediglich bei den Zellen in der G2/M-Phase konnte ein Unterschied festgestellt werden, wobei es bei der hormonrezeptorpositiven Zelllinie zu einer Zunahme und bei den hormonrezeptornegativen Mammakarzinomzellen zu einer Abnahme kam. Es zeigte sich, dass zwischen der Wirkung der endogenen PBR-Liganden und der von exogenen Liganden – die in früheren Untersuchungen untersucht worden war - ein auffälliger Unterschied besteht. Unter der Inkubation mit steigenden Konzentrationen der exogenen Liganden kam es zu einem biphasischen Wirkungsverlauf; in sehr niedrigen Konzentrationen kam es zu einer verstärkten Proliferationsrate, während unter hohen Konzentrationen eine Hemmung der Proliferation beobachtet wurde. Möglicherweise ist dieser unerklärliche Effekt der synthetischen Substanzen bereits auf eine zytotoxische Konzentration zurückzuführen. Eine klinische Relevanz der vorliegenden Ergebnisse könnte sich aus dem bereits bei sehr niedrigen Konzentrationen auftretenden wachstumshemmenden Effekt der endogenen DBI-Fragmente auf Tumorzellen ableiten lassen. Als Optionen kämen entweder eine durch Pharmaka induzierte Stimulation der endogenen DBI-Freisetzung oder der Einsatz von länger wirksamen synthetischen Analoga des DBI in Frage. Alternativ könnte auch die Behandlung mit exogenen Liganden des PBR, z.B. mit Benzodiazepinen oder anderen geeigneten synthetischen Substanzen, als therapeutische Möglichkeit entwickelt werden. Allerdings dürfte der bisher beobachtete biphasische Effekt dieser Substanzgruppe, deren proliferationshemmende und apoptosefördernde Wirkung erst in höheren Dosierungen zum Tragen käme, ein erhebliches Problem darstellen. Als weitere therapeutische Möglichkeiten wurde die Nutzung von anti-inflammatorischen Eigenschaften von PBR-Liganden, ihr Einsatz als Chemosensitizer oder als photosensitivierende Agenzien genannt.
What is the energy function guiding behavior and learningµ Representationbased approaches like maximum entropy, generative models, sparse coding, or slowness principles can account for unsupervised learning of biologically observed structure in sensory systems from raw sensory data. However, they do not relate to behavior. Behavior-based approaches like reinforcement learning explain animal behavior in well-described situations. However, they rely on high-level representations which they cannot extract from raw sensory data. Combinations of multiple goal functions seems the methodology of choice to understand the complexity of the brain. But what is the set of possible goals. ...
1. Die Deletionsderivate der Kompetenzproteine ComZ und PilO wurden als Fusionsproteine mit einem Maltosebindeprotein überproduziert, über eine Amylosesäule aufgereinigt und in denaturierter Form für die Generierung von polyklonalen Antikörpern in Kaninchen eingesetzt. Es konnten spezifische Antikörper gegen PilO generiert werden. 2. Mittels Western-Blot-Analysen subzellulärer Fraktionen des Wildtyps und der pilO::kat-Insertionsmutante konnte das PilO-Protein mit einer molekularen Masse von 21 kDa in der inneren Membran detektiert werden. 3. Mutantenstudien ergaben, dass in der pilO::kat-Mutante andere Kompetenzproteine in ihrer Lokalisation nicht beeinträchtigt sind und dass die Lokalisation des PilO-Proteins in anderen transformationsdefekten Mutanten nicht beeinträchtigt ist. Einzig eine verringerte Menge des PilF-Proteins in der inneren Membran der pilO::kat-Mutante wurde detektiert. Diese Ergebnisse indizieren eine Interaktion des PilO- und des PilFProteins. 4. Für die Analysen des DNA-Transports wurde ein Testsystem etabliert. 5. Durch DNase-Behandlung konnte zwischen gebundener und aufgenommener DNA differenziert werden. 6. Durch den Einsatz des Komplexbildners EDTA konnte gezeigt werden, dass die DNABindung bzw. auch die DNA-Aufnahme in Thermus von zweiwertigen Ionen beeinflusst wird. 7. Unterschiedliche DNA-Formen, wie z. B. lineare, zirkuläre Plasmid-DNA und chromosomale DNA, werden zu gleichen Mengen gebunden und aufgenommen. Die Transformationshäufigkeiten in unterschiedlichen DNA-Formen jedoch zeigen Unterschiede. Dabei wird lineares Plasmid um einen Faktor von ca. 100 schlechter transformiert als zirkuläres Plasmid. Nukleotide werden von Thermus nicht gebunden und aufgenommen. 8. Kinetische Analysen des DNA-Binde- und -Aufnahmeapparates in Thermus ergaben eine Geschwindigkeit der DNA-Akkumulation von 1,5 μg DNA pro mg Protein und min und einen Km-Wert von 48 μg DNA/ml. 9. Chromosomale DNA aus Vertretern der unterschiedlichen Domänen Archaeen, Bakterien und Eukarya werden von Thermus gleichermaßen gut gebunden und aufgenommen. 10. Entkoppler sowie ATPase-Inhibitoren verhindern DNA-Aufnahme. Dies führt zu dem Schluß, dass DNA-Aufnahme in Thermus energieabhängig ist. 11. Die aufgenommene DNA kann nicht als Kohlenstoff-, Stickstoff- oder Phosphatquelle genutzt werden, und die Nukleotide werden nicht als Vorstufen bei der Nukleinsäuresynthese weiterverwendet. 12. Durch DNA-Binde- und -Aufnahmestudien unterschiedlicher transformationsdefekter Mutanten konnte die Rolle einzelner Kompetenzproteine bei der DNA-Bindung und/oder -Aufnahme geklärt werden. Die Ergebnisse indizieren, dass PilQ an der DNA-Bindung und -Aufnahme beteiligt ist. 13. DNA-Binde- und -Aufnahmestudien mit comEA::kat-, pilA4::kat-, pilF::kat-, pilD::kat- und pilW::kat-Mutanten indizieren, dass die Proteine an dem DNA-Transport über die äußere Membran beteiligt sind. 14. Mutanten mit Defekten in den Kompetenzproteinen ComEC, DprA, PilA1, PilA2, PilA3, ComZ, PilM, PilN, PilO, PilC akkumulieren DNA im DNase-resistenten Zustand, vergleichbar dem Wildtyp. Dies indiziert eine Rolle dieser Proteine am DNA-Transport über das Periplasma und/oder die innere Membran.
A small-world network has been suggested to be an efficient solution for achieving both modular and global processing-a property highly desirable for brain computations. Here, we investigated functional networks of cortical neurons using correlation analysis to identify functional connectivity. To reconstruct the interaction network, we applied the Ising model based on the principle of maximum entropy. This allowed us to assess the interactions by measuring pairwise correlations and to assess the strength of coupling from the degree of synchrony. Visual responses were recorded in visual cortex of anesthetized cats, simultaneously from up to 24 neurons. First, pairwise correlations captured most of the patterns in the population´s activity and, therefore, provided a reliable basis for the reconstruction of the interaction networks. Second, and most importantly, the resulting networks had small-world properties; the average path lengths were as short as in simulated random networks, but the clustering coefficients were larger. Neurons differed considerably with respect to the number and strength of interactions, suggesting the existence of "hubs" in the network. Notably, there was no evidence for scale-free properties. These results suggest that cortical networks are optimized for the coexistence of local and global computations: feature detection and feature integration or binding.
Background One of the central issues in ecology is the question what allows sympatric occurrence of closely related species in the same general area? The non-biting midges Chironomus riparius and C. piger, interbreeding in the laboratory, have been shown to coexist frequently despite of their close relatedness, similar ecology and high morphological similarity. Methodology/Principal Findings In order to investigate factors shaping niche partitioning of these cryptic sister species, we explored the actual degree of reproductive isolation in the field. Congruent results from nuclear microsatellite and mitochondrial haplotype analyses indicated complete absence of interspecific gene-flow. Autocorrelation analysis showed a non-random spatial distribution of the two species. Though not dispersal limited at the scale of the study area, the sister species occurred less often than expected at the same site, indicating past or present competition. Correlation and multiple regression analyses suggested the repartition of the available habitat along water chemistry gradients (nitrite, conductivity, CaCO3), ultimately governed by differences in summer precipitation regime. Conclusions We show that these morphologically cryptic sister species partition their niches due to a certain degree of ecological distinctness and total reproductive isolation in the field. The coexistence of these species provides a suitable model system for the investigation of factors shaping the distribution of closely related, cryptic species.
Introduction : extent, processes and evolutionary impact of interspecific hybridization in animals
(2008)
Since the time of Charles Darwin, studies of interspecific hybridization have been a major focus for evolutionary biologists. Although this phenomenon has often been viewed as problematic in the fields of ecology, taxonomy and systematics, it has become a primary source of data for studies on speciation and adaptation. Effects from genetic/evolutionary processes, such as recombination and natural selection, usually develop over extended periods of time; however, they are accelerated in cases of hybridization. Interspecific hybrids exhibit novel genomes that are exposed to natural selection, thus providing a key to unravel the ultimate causes of adaptation and speciation. Here we provide firstly a historic perspective of hybridization research, secondly a novel attempt to assess the extent of hybridization among animals and thirdly an overview of the reviews and case studies presented in this theme issue.
Using (13)C spin relaxation NMR in combination with molecular dynamic (MD) simulations, we characterized internal motions within double-stranded DNA on the pico- to nano-second time scale. We found that the C-H vectors in all cytosine ribose moieties within the Dickerson-Drew dodecamer (5´-CGCGAATTCGCG-3´) are subject to high amplitude motions, while the other nucleotides are essentially rigid. MD simulations showed that repuckering is a likely motional model for the cytosine ribose moiety. Repuckering occurs with a time constant of around 100 ps. Knowledge of DNA dynamics will contribute to our understanding of the recognition specificity of DNA-binding proteins such as cytosine methyltransferase.
Targeting signals direct proteins to their extra- or intracellular destination such as the plasma membrane or cellular organelles. Here we investigated the structure and function of exceptionally long signal peptides encompassing at least 40 amino acid residues. We discovered a two-domain organization ("NtraC model") in many long signals from vertebrate precursor proteins. Accordingly, long signal peptides may contain an N-terminal domain (N-domain) and a C-terminal domain (C-domain) with different signal or targeting capabilities, separable by a presumably turn-rich transition area (tra). Individual domain functions were probed by cellular targeting experiments with fusion proteins containing parts of the long signal peptide of human membrane protein shrew-1 and secreted alkaline phosphatase as a reporter protein. As predicted, the N-domain of the fusion protein alone was shown to act as a mitochondrial targeting signal, whereas the C-domain alone functions as an export signal. Selective disruption of the transition area in the signal peptide impairs the export efficiency of the reporter protein. Altogether, the results of cellular targeting studies provide a proof-of-principle for our NtraC model and highlight the particular functional importance of the predicted transition area, which critically affects the rate of protein export. In conclusion, the NtraC approach enables the systematic detection and prediction of cryptic targeting signals present in one coherent sequence, and provides a structurally motivated basis for decoding the functional complexity of long protein targeting signals.
Exported proteases of Helicobacter pylori (H. pylori) are potentially involved in pathogen-associated disorders leading to gastric inflammation and neoplasia. By comprehensive sequence screening of the H. pylori proteome for predicted secreted proteases, we retrieved several candidate genes. We detected caseinolytic activities of several such proteases, which are released independently from the H. pylori type IV secretion system encoded by the cag pathogenicity island (cagPAI). Among these, we found the predicted serine protease HtrA (Hp1019), which was previously identified in the bacterial secretome of H. pylori. Importantly, we further found that the H. pylori genes hp1018 and hp1019 represent a single gene likely coding for an exported protein. Here, we directly verified proteolytic activity of HtrA in vitro and identified the HtrA protease in zymograms by mass spectrometry. Overexpressed and purified HtrA exhibited pronounced proteolytic activity, which is inactivated after mutation of Ser205 to alanine in the predicted active center of HtrA. These data demonstrate that H. pylori secretes HtrA as an active protease, which might represent a novel candidate target for therapeutic intervention strategies.