Biologische Hochschulschriften (Goethe-Universität)
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Clean water is fundamental to human health and ecosystem integrity. However, water quality deteriorates due to novel anthropogenic pollutants present at microgram per liter concentrations in urban water cycles (termed micropollutants). Wastewater treatment plants (WWTP) have been identified as major point sources for aquatic (micro-)pollutants. Chemical and ecotoxicological analyses have shown that conventional biological WWTPs do not fully remove micropollutants and associated toxicities, which is often because of mobile, polar and/or recalcitrant compounds and transformation products (TPs). To minimize possible environmental risks, advanced wastewater treatment (AWWT) technologies could be a promising mitigation measure. Multiple processes are therefore being developed and evaluated such as ozonation and ozonation followed by granulated activated carbon (GAC) or biological filtration. Assessing the performance of these combined AWWTs was the focus the TransRisk project. Within this project, this thesis accomplished four major goals.
Firstly, the preparation of (waste)water samples was optimised for in vitro bioassays. Acidification, filtration and solid phase extraction (SPE) were tested for their impact on environmentally relevant in vitro endocrine activities, mutagenicity, genotoxicity and cytotoxicity. Significantly different outcomes of these assays were detected comparing neutral and acidified samples. Sample filtration had a lesser impact, but in some cases retention of particle-bound compounds could have caused significant toxicity losses. Out of three SPE sorbents the Telos C18/ENV at sample pH 2.5 extracted highest toxicity, some undetected in aqueous samples. These results indicate that sample preparation needs to be optimised for specific sample matrices and bioassays to avoid false-positive or -negative detects in effect-based analyses.
Secondly, the above listed in vitro toxicities were monitored in a protected region for drinking water production in South-West Germany (2012-2015). Out of 30 sampling sites surface water and groundwater were the least polluted. Nonetheless, a few groundwater samples induced high anti-estrogenic activity that prompted further monitoring. The latter included a waterworks in which no toxicity was detected. Hospital wastewater also had elevated in vitro toxicities and hospitals are, thus, relevant intervention points for source control. The biological WWTPs were effective in removing most of the detected toxicity, and the selected bioassays proved to be pertinent tools for water quality assessment and prioritisation of pollution hotspots.
Thirdly, the in vivo bioassay ISO10872 based on Caenorhabditis elegans (C. elegans) was adapted for this thesis. Using this model, a median effect concentration (EC50) for reproductive toxicity of the polycyclic aromatic hydrocarbon β-naphthoflavone (β- NF) of 114 µg/L was computed which is slightly lower than reported in the scientific literature. β-NF induced cyp-35A3::GFP (a biomarker in transgenic animals) in a time and concentration dependent manner (≤ 21.3–24 fold above controls). β-NF spiked wastewater samples supported earlier hypotheses on particle-bound pollutants. Reproductive toxicity (96 h) and cyp-35A3 induction (24 h) of biologically treated and/or ozonated wastewater extracts and growth promoting effects of GAC/biologically filtered ozonated wastewater extracts were observed. This suggested the presence of residual bioactive/toxic chemicals not included in the targeted chemical analysis. It also highlighted the importance of integrating multiple (apical and molecular) endpoints in wastewater assessments.
Fourthly, five in vitro and the adapted C. elegans bioassay were integrated into a wastewater quality evaluation (developed within TransRisk). Out of the five AWWT options, ozonation (at 1 g O3,applied/g DOC, HRT ~ 18 min) combined with nonaerated GAC filtration was rated most effective for toxicity removal. All five AWWTs largely removed estrogenic and (anti-)androgenic activities, but not anti-estrogenic activity and mutagenicity, which even increased during ozonation. This has been observed in related studies and points towards toxic TPs. These results also emphasized the need for implementing an effective post-treatment for ozonation. The results from a parallel in vivo study with Lumbriculus variegatus and Potamopyrgus antipodarum conducted on site at the WWTP (using flow through systems) were in accordance with the C. elegans results. In this context, it is suggested to further implement C. elegans as sensitive, feasible and ecologically relevant model.
In conclusion, this thesis shows how optimised sample preparation, long-term (in vitro) environmental monitoring, sensitive and ecologically relevant (in vivo) bioassays as well as innovative evaluation concepts, are pivotal in improving the removal of micropollutants and their toxicities with AWWTs. Future research should further develop and evaluate measures at sewer systems, conventional biological, tertiary and other advanced treatment technologies, as well as sociopolitical strategies (e.g., source control or natural conservation) and restoration projects. The effect-based tools optimised in this thesis will support assessing their success.
Mitochondial NADH:ubiquinone oxidoreductase (complex I) the largest multiprotein enzyme of the respiratory chain, catalyses the transfer of two electrons from NADH to ubiquinone, coupled to the translocation of four protons across the membrane. In addition to the 14 strictly conserved central subunits it contains a variable number of accessory subunits. At present, the best characterized enzyme is complex I from bovine heart with a molecular mass of about 980 kDa and 32 accessory proteins. In this study, the subunit composition of mitochondrial complex I from the aerobic yeast Y. lipolytica has been analysed by a combination of proteomic and genomic approaches. The sequences of 37 complex I subunits were identified. The sum of their individual molecular masses (about 930 kDa) was consistent with the native molecular weight of approximately 900 kDa for Y. lipolytica complex I obtained by BN-PAGE. A genomic analysis with Y. lipolytica and other eukaryotic databases to search for homologues of complex I subunits revealed 31 conserved proteins among the examined species. A novel protein named “X” was found in purified Y. lipolytica complex I by MALDI-MS. This protein exhibits homology to the thiosulfate sulfurtransferase enzyme referred to as rhodanese. The finding of a rhodanese-like protein in isolated complex I of Y. lipolytica allows to assume a special regulatory mechanism of complex I activity through control of the status of its iron-sulfur clusters. The second part of this study was aimed at investigating the possible role of one of these extra subunits, 39 kDa (NUEM) subunit which is related to the SDRs-enzyme family. The members of this family function in different redox and isomerization reactions and contain a conserved NAD(P)H-binding site. It was proposed that the 39 kDa subunit may be involved in a biosynthetic pathway, but the role of this subunit in complex I is unknown. In contrast to the situation in N. crassa, deletion of the 39 kDa encoding gene in Y. lipolytica led to the absence of fully assembled complex I. This result might indicate a different pathway of complex I assembly in both organisms. Several site-directed mutations were generated in the nucleotide binding motif. These had either no effect on enzyme activity and NADPH binding, or prevented complex I assembly. Mutations of arginine-65 that is located at the end of the second b-strand and responsible for selective interaction with the 2’-phosphate group of NADPH retained complex I activity in mitochondrial membranes but the affinity for the cofactor was markedly decreased. Purification of complex I from mutants resulted in decrease or loss of ubiquinone reductase activity. It is very likely that replacement of R65 not only led to a decrease in affinity for NADPH but also caused instability of the enzyme due to steric changes in the 39 kDa subunit. These data indicate that NADPH bound to the 39 kDa subunit (NUEM) is not essential for complex I activity, but probably involved in complex I assembly in Y. lipolytica.
Neuronale Repräsentation intrinsischer cochleärer Signale im Colliculus inferior der Wüstenrennmaus
(2008)
Die vorliegende Arbeit untersucht die neuronale Repräsentation von cochleären Verzerrungsprodukten im auditorischen Mittelhirn der Wüstenrennmaus. Die hohe Sensitivität und die gute Frequenzauflösung des Hörorgans der Säugetiere basiert auf einer aktiven mechanischen Verstärkung der schallinduzierten Basilarmembranschwingung im Innenohr. Die äußeren Haarsinneszellen, die während des Transduktionsprozesses zyklisch ihre Länge ändern und dabei zusätzliche Schwingungsenergie in das System zurückführen, sind der zugrunde liegende Motor des aktiven cochleären Verstärkers. Die stark nichtlinearen Eigenschaften dieses Verstärkers führen allerdings bei gleichzeitiger Verstärkung mehrerer Frequenzkomponenten zur Generierung von Kombinationsschwingungen, welche im Ursprungssignal nicht vorhanden sind. Wird das Ohr beispielsweise durch zwei Töne mit den Frequenzen f1 und f2 stimuliert (f1<f2), so entstehen verschiedene Kombinationsschwingungen, deren prominenteste das quadratische (f2-f1) und das cubische (2 f1-f2) Verzerrungsprodukt sind. Diese Verzerrungen des Ursprungssignals breiten sich von ihrem Entstehungsort im Innenohr, dem Überlappungsbereich der Stimuluswanderwellen, im Flüssigkeitsraum der Cochlea aus und werden über das Mittelohr in den Gehörgang übertragen. Im Gehörgang sind sie mit Hilfe eines sensitiven Mikrophons als otoakustische Emissionen (DPOAE - distortion product otoacoustic emissions) messbar. Zusätzlich bilden sie an ihrem Resonanzort auf der Basilarmembran, vergleichbar mit einem externen Stimuluston gleicher Frequenz, eine eigene Wanderwelle aus und aktivieren den Transduktionsprozess. Die neuronalen Korrelate der cochleären Verzerrungsprodukte sind auf verschiedenen Stationen der Hörbahn messbar und cochleäre Verzerrungsprodukte können als separate Töne wahrgenommen werden. In der vorliegenden Arbeit wurden die neuronalen Korrelate und otoakustischen Emissionen von cochleären Verzerrungsprodukten erstmals simultan bestimmt. Durch den direkten Vergleich der neuronalen Aktivität mit der peripheren Emissionsmessung sollen eventuelle zentralnervöse Veränderungen der Repräsentation der cochleären Verzerrungsprodukte untersucht werden. Dazu wurde die elektrische Aktivität von 91 Neuronen des Colliculus inferior der Wüstenrennmaus während der Stimulation durch zwei hochfrequente Stimulustöne gemessen. Die Frequenzen der Stimulustöne waren so gewählt, dass die Frequenz eines, durch sie evozierten Verzerrungsproduktes, mit der charakteristischen Frequenz des jeweiligen Neurons übereinstimmte. In 95 % aller Messungen konnte eine robuste neuronale Aktivität während Zweitonstimulation gemessen werden, die sich auf die Stimulation durch ein spezifisches cochleäres Verzerrungsprodukt zurückführen lässt. Bei einem Teil der Versuche wurden die Verzerrungsprodukte durch direkte intracochleäre Auslöschung mit einem dritten Tonstimulus eindeutig als Quelle der neuronalen Aktivität bestätigt. Für Verzerrungsproduktfrequenzen oberhalb 1,3 kHz lassen sich die Antworten der Neurone im schwellennahen Bereich gut mit den simultan im Gehörgang bestimmten DPOAE-Pegeln erklären, was einen engen Zusammenhang zwischen intracochleärem Verzerrungsproduktpegel und DPOAE-Pegel nahe legt. Bei höheren Stimuluspegeln konnten die maximalen neuronalen Antworten auf den intracochleären Verzerrungsproduktstimulus signifikant von der Einzeltonantwort abweichen, wobei sowohl eine Erhöhung als auch eine Reduktion der Maximalantwort möglich war. Ein inhibitorischer bzw. verstärkender Einfluss der Stimulustöne auf die neuronale Verzerrungsproduktantwort wird als mögliche Ursache der Unterschiede diskutiert. Für Verzerrungsproduktfrequenzen unterhalb 1,3 kHz wurde ein deutlicher Unterschied zwischen dem intracochleären Verzerrungsproduktpegel und dem im Gehörgang gemessenen Emissionspegel deutlich. Ein Teil der getesteten tieffrequenten Neurone antwortete während Zweitonstimulation bereits für Stimuluspegel, die unterhalb der Reintonschwelle des Neurons lagen. Eine frequenzspezifische Verschlechterung der Mittelohrübertragungsleistung bei tiefen Frequenzen wird als mögliche Ursache für die unterschwelligen Antworten der Neurone diskutiert. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass cochleäre Verzerrungsprodukte einen substanziellen Anteil an der neuronalen Repräsentation von komplexen Stimuli haben können. Im Besonderen machen die vorgestellten Daten deutlich, dass die neuronalen Repräsentation der Grundfrequenz eines komplexen Klangs wesentlich von cochleären Verzerrungsprodukten beeinflusst sein kann. Dies bedeutet, dass bereits im Innenohr Tonhöheninformation extrahiert werden kann und damit die Relevanz in der Literatur diskutierter neuronaler Mechanismen zur Berechnung von Tonhöhe relativiert wird.
Rhythmic changes in environmental lighting conditions have ever been the most reliable environmental cue for life on earth. Nature has therefore selected a genetically encrypted endogenous clock very early in evolution, as it provided cells and subsequently organisms with the ability to anticipate persevering periods of light and darkness. Rhythm generation within the mammalian circadian system is achieved by clock genes and their protein products. The mammalian endogenous master clock, which synchronizes the body to environmental time, is located in the suprachiasmatic nucleus (SCN) of the hypothalamus. As an integral part of the time-coding system, the pineal gland serves the need to tune the body to the temporal environment by the rhythmic nocturnal synthesis and immediate release of the hormone melatonin. In contrast to the transcriptional regulation of melatonin synthesis in rodents, a post-translational shaping is indicated in the human pineal gland. Another important mediator of circadian time and seasonality to the body is the pituitary gland. The aim of this work was to elucidate regulation of melatonin synthesis in the human pineal gland. Furthermore, presence and regulation of clock genes in the human pineal and pituitary gland, and in the SCN were analyzed. Therefore, human tissue, taken from regular autopsies, was analyzed simultaneously for different parameters involved in melatonin biosynthesis and circadian rhythm generation. Presented data demonstrate that post-mortem brain tissue can be used to detect the remnant profile of pre-mortem adaptive changes in neuronal activity. In particular, our results give strong experimental support for the idea that transcriptional mechanisms are not dominant for the generation of rhythmic melatonin synthesis in the human pineal gland. Together with data obtained for clock genes and their protein products in the pituitary, data presented here offer 1) a new working hypothesis for post-translational regulation of melatonin biosynthesis in the human pineal gland, and 2) a novel twist in the molecular competence of clock gene proteins, achieved by nucleo-cytoplasmic shuttling in neuronal and neuroendocrine human tissue. Furthermore, in this study, oscillations in abundance of clock gene proteins were demonstrated for the first time in the human SCN.
Seed dispersal is a key ecosystem function for plant regeneration, as it involves the movement of seeds away from the parental plants to particular habitats where they can germinate and transition to seedlings and ultimately adult plants. Seed dispersal is shaped by a diversity of abiotic and biotic factors, particularly by associations between plants and climate and between plants and other species. Due to the ongoing loss of biodiversity and changing global conditions, such interactions are prone to change and pose a severe threat to plant regeneration. One way to address this challenge is to study associations between plant traits and abiotic and biotic factors to understand the potential impacts of global change on plant regeneration. Plant communities have long been analyzed through the lens of vegetative traits, mainly ignoring how other traits interact and respond to the environment. For instance, while associations between vegetative traits (e.g., specific leaf area, leaf nitrogen content) and climate are well studied, there are few case studies of reproductive traits in relation to trait-environment associations in the context of global change.
Thus, the overarching aim of this dissertation is to explore how trait-environment associations, with a special focus on reproductive traits, can improve our understanding of the effect that global change may have on seed dispersal, and ultimately on plant regeneration. To this end, my research focuses on studying associations between plant traits and abiotic and biotic factors along an elevational gradient in both forests and deforested areas of tropical mountains. This dissertation addresses three principal research objectives.
First, I investigate the extent to which reproductive (seed and fruit traits) and vegetative traits (leaf traits) are related to abiotic and biotic factors for communities of fleshy-fruited plants in the Ecuadorian Andes. I used multivariate analyses to test associations between four (a)biotic factors and seven reproductive traits and five vegetative traits measured on 18 and 33 fleshy fruited plant species respectively. My analyses demonstrate that climate and soil conditions are strongly associated with the distribution of both reproductive and vegetative traits in tropical tree communities. The production of “costly” vs. “cheap” seeds, fruits and leaves, i.e., the production of few rewarding fruits and acquisitive leaves versus the production of many less-rewarding fruits and conservative leaves, is primarily limited by temperature, whereas the size of plant organs is more related to variation in precipitation and soil conditions. My findings suggest that associations between reproductive and vegetative traits and the abiotic environment follow similar principles in tropical tree communities.
Second, I assess how climate and microhabitat conditions affect the prevalence of endozoochorous plant species in the seed rain of tropical montane forests in southern Ecuador. I analyzed seed rain data for an entire year from 162 traps located across an elevational gradient spanning of 2000 m. I documented the microhabitat conditions (leaf area index and soil moisture next to each seed trap) at small spatial scale as well as the climatic conditions (mean annual temperature and rainfall in each plot) at large spatial scale. After a one-year of sampling, I counted 331,838 seeds of 323 species/morphospecies. My analyses demonstrate that the prevalence of endozoochorous plant species in the seed rain increases with temperature across elevations and with leaf area index within elevations. These results show that the prevalence of endozoochory is shaped by the interplay of both abiotic and biotic factors at large and small spatial scales.
Third, I examine the potential of seed rain to restore deforested tropical areas along an elevational gradient in southern Ecuador. For this chapter, I collected seed rain using 324 seed traps installed in 18 1-ha plots in forests (nine forest plots) and in pastures (nine deforested plots) along an elevational gradient of 2000 m. After a sampling period of three months, I collected a total of 123,039 seeds of 255 species/morphospecies from both forests and pastures along the elevational gradient. I did not find a consistent decrease in the amount and richness of seed rain between forests and pastures, but I detected a systematic change in the type of dispersed seeds, as heavier seeds and a higher proportion of endozoochorous species were found in forests compared to pastures at all elevations. This finding suggests that deforestation acts as a strong filter selecting seed traits that are vital for plant regeneration.
Understanding the role that trait-environment associations play in how plant communities regenerate today could serve as a basis for predicting changes in regeneration processes of plant communities under changing global conditions in the near future. Here, I show how informative the measurement of reproductive traits and trait environment associations are in facilitating the conservation of forest habitats and the restoration of deforested areas in the context of global change.
Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurde die Rolle des Transkriptionsfaktors Meis2 als Ko-Faktor in der Entwicklung des anterioren Neuralrohrs untersucht. Hierbei gaben funktionelle Untersuchungen durch Fehl- und Überexpressionsstudien mittels in ovo Mikroelektroporation im Hühnchenembryo, Aufschluss über eine besondere Rolle von Meis2 bei der Spezifizierung und Entwicklung des Tectum opticums. Überdies führten bio-chemische Untersuchungen zur Identifizierung neuer, bislang noch nicht beschriebener Interaktionspartner von Meis2 im sich entwickelnden optischen Tektum und in den Anlagen der Augen. Diese Untersuchungen geben einen weiteren Einblick in die Funktionsweise von Meis2 als Ko-Transkriptionsfaktor. Zusammengefasst lieferten die Untersuchungen der vorliegenden Arbeit folgende Erkenntnisse: I) Im Mittelhirn ist Meis2-Expression unter den bislang beschriebenen Regulatoren der Mittelhirnentwicklung einzigartig: es ist von Beginn an nicht dynamisch und kennzeichnet ausschließlich die dorsalen Alarplatten des Mittelhirns, den Bereich des zukünftigen optischen Tektums (Kapitel 3.1). Diese Expression unterliegt einer strikten negativen Regulation durch sezernierte Moleküle und Transkriptionsfaktoren der benachbarten Regionen des Neuralrohrs (Kapitel 3.2). II) Meis2 ist für tektale Entwicklung erforderlich: Die Überexpression des dominant negativ wirkenden Konstruktes Meis2EnR störte die Entwicklung tektumspezifischer Strukturen sowohl in der frühen als auch in der späteren Entwicklung (Kapitel 3.3.1 und 3.3.2). Zudem kam es zur Unterdrückung der tektalen Gene ephrinB1 und Dbx1 (Kapitel 3.3.3 und 3.3.4). III) Meis2 ist für tektale Entwicklung ausreichend: Die Fehlexpression von Meis2 führte zur Induktion und Entwicklung ektopischer tektaler Strukturen im Dienzephalon (Kapitel 3.3.5). Dabei führte Meis2 bereits 24 h nach Fehlexpression zur Transdifferenzierung des dienzephalischen in mesenzephalisches Zellschicksal, veränderte jedoch nicht das Schick-sal des metenzephalischen Gewebes (Kapitel 3.3.7). IV) Bei der Induktion tektaler Strukturen ist Meis2 nicht Bestandteil des regulatorischen Netzwerks des Mittel-Hinterhirn Organisators (MHO), eines sekundären Organisators, welcher die Entwicklung der Mittel-Hinterhirn Region steuert (Kapitel 3.3.8). V) Meis2 bildet jedoch im Mittelhirn in vivo Komplexe mit Otx2, einem Schlüsselmolekül zur Spezifizierung des anterioren Neuralrohrs (Kapitel 3.4.1 - 3.4.3). VI) Meis2 kann in vitro durch Bindung an Otx2 einer Grg4/Tle4-vermittelten Unter-drückung der transkriptionellen Aktivität von Otx2 entgegenwirken (Kapitel 3.4.4). Otx2 kann, wie bereits in Arbeiten anderer Labors beschrieben, kontext-abhängig entweder als transkriptioneller Repressor oder Aktivator wirken. Die in dieser Arbeit dargestellten Ergebnisse zeigen daher einen möglichen molekularen Mechanismus auf, wie durch zeitlich und räumlich kontrollierte Bindung eines Ko-Aktivators an Otx2 dessen transkrip-tionelle Aktivität wieder hergestellt werden kann. Die Ergebnisse dieser Arbeit beschreiben zum ersten Mal einen Transkriptionsfaktor, der unabhängig vom regulatorischen Netzwerk des MHO, die Entwicklung des optischen Tektums induziert. Sie liefern somit ein neuartiges mögliches Modell zur Spezifizierung anteriorer Hirnstrukturen: Die Induktion tektaler Entwicklung erfolgt nach Etablierung der Mittel-Hinterhirn Region durch Meis2, einem tektumspezifischen Ko-Faktor von Otx2. VII) Meis2 bildet, im sich entwickelnden Mittelhirn, auch Komplexe mit den beiden Regulatoren der Tektumentwicklung Pax3 und Pax7 (Kapitel 3.4.5). VIII) Außerdem konnten im Rahmen dieser Arbeit zwei weitere mögliche Interaktions-partner von Meis2 in den Anlagen der Augen identifiziert werden: Pax6, einem „master control gene“ der Augenentwicklung (Kapitel 3.4.6) und das Enzym Parp-1 (Kapitel 3.4.7), einem weit verbreiteten und vielseitigen Regulator der Genexpression. Diese Ergebnisse liefern Hinweise auf weitere wichtige Funktionen des Ko-Transkriptions-faktors Meis2 in der Entwicklung des anterioren Zentralnervensystems.
Specific functions of biological systems often require conformational transitions of macromolecules. Thus, being able to describe and predict conformational changes of biological macromolecules is not only important for understanding their impact on biological function, but will also have implications for the modelling of (macro)molecular complex formation and in structure-based drug design approaches. The “conformational selection model” provides the foundation for computational investigations of conformational fluctuations of the unbound protein state. These fluctuations may reveal conformational states adopted by the bound proteins. The aim of this work is to incorporate directional information in a geometry-based approach, in order to sample biologically relevant conformational space extensively. Interestingly, coarse-grained normal mode (CGNM) approaches, e.g., the elastic network model (ENM) and rigid cluster normal mode analysis (RCNMA), have emerged recently and provide directions of intrinsic motions in terms of harmonic modes (also called normal modes). In my previous work and in other studies it has been shown that conformational changes upon ligand binding occur along a few low-energy modes of unbound proteins and can be efficiently calculated by CGNM approaches. In order to explore the validity and the applicability of CGNM approaches, a large-scale comparison of essential dynamics (ED) modes from molecular dynamics (MD) simulations and normal modes from CGNM was performed over a dataset of 335 proteins. Despite high coarse-graining, low frequency normal modes from CGNM correlate very well with ED modes in terms of directions of motions (average maximal overlap is 0.65) and relative amplitudes of motions (average maximal overlap is 0.73). In order to exploit the potential of CGNM approaches, I have developed a three-step approach for efficient exploration of intrinsic motions of proteins. The first two steps are based on recent developments in rigidity and elastic network theory. Initially, static properties of the protein are determined by decomposing the protein into rigid clusters using the graph-theoretical approach FIRST at an all-atom representation of the protein. In a second step, dynamic properties of the molecule are revealed by the rotations-translations of blocks approach (RTB) using an elastic network model representation of the coarse-grained protein. In the final step, the recently introduced idea of constrained geometric simulations of diffusive motions in proteins is extended for efficient sampling of conformational space. Here, the low-energy (frequency) normal modes provided by the RCNMA approach are used to guide the backbone motions. The NMSim approach was validated on hen egg white lysozyme by comparing it to previously mentioned simulation methods in terms of residue fluctuations, conformational space explorations, essential dynamics, sampling of side-chain rotamers, and structural quality. Residue fluctuations in NMSim generated ensemble is found to be in good agreement with MD fluctuations with a correlation coefficient of around 0.79. A comparison of different geometry-based simulation approaches shows that FRODA is restricted in sampling the backbone conformational space. CONCOORD is restricted in sampling the side-chain conformational space. NMSim sufficiently samples both the backbone and the side-chain conformations taking experimental structures and conformations from the state of the art MD simulation as reference. The NMSim approach is also applied to a dataset of proteins where conformational changes have been observed experimentally, either in domain or functionally important loop regions. The NMSim simulations starting from the unbound structures are able to reach conformations similar to ligand bound conformations (RMSD < 2.4 Å) in 4 out of 5 cases of domain moving proteins. In these four cases, good correlation coefficients (R > 0.7) between the RMS fluctuations derived from NMSim generated structures and two experimental structures are observed. Furthermore, intrinsic fluctuations in NMSim simulation correlate with the region of loop conformational changes observed upon ligand binding in 2 out of 3 cases. The NMSim generated pathway of conformational change from the unbound structure to the ligand bound structure of adenylate kinase is validated by a comparison to experimental structures reflecting different states of the pathway as proposed by previous studies. Interestingly, the generated pathway confirms that the LID domain closure precedes the closing of the NMPbind domain, even if no target conformation is provided in NMSim. Hence, the results in this study show that, incorporating directional information in the geometry-based approach NMSim improves the sampling of biologically relevant conformational space and provides a computationally efficient alternative to state of the art MD simulations.
The development of the atrioventricular (AV) canal and the cardiac valves is tightly linked and a critically regulated process. Anomalies in components of the involved pathways can lead to congenital valve malformations, a leading cause of morbidity and mortality in neonates. Myocardial Bmp as well as endocardial Notch and Wnt signaling have been identified as critical factors for the induction of EMT during the formation of the endocardial cushions and cardiac valves. Of these, canonical Wnt signaling positively regulates endocardial proliferation and EMT but negatively regulates endocardial differentiation. Further, elevated Wnt signaling leads to the ectopic expression of myocardial Bmp ligands suggesting a high level of integration of the involved pathways and crosstalk amongst the different cardiac tissues.
Here we have identified a novel role for Id4 as a mediator between Bmp and Wnt signaling. Id4 belongs to the Id family of proteins and is known to be involved in bone and nervous system development. We found that in zebrafish, id4 is expressed in the endocardium of the AV canal at embryonic stages and throughout the atrial chamber in addition to AV canal, in adults. Using transcription activator-like effector nucleases (TALENs) we established an id4 mutant allele. Our analysis shows that id4 mutant larvae are susceptible to retrograde blood flow, and show aberrant expression of developmental valvular markers. These include expanded expression domains of markers like bmp4, cspg2a and Alcam. In contrast, valve maturation as assessed by the expression of spp1 is considerably reduced in id4 mutants. Using conditional transgenic systems, along with elegant in vivo imaging of transgenic reporter lines, we further found that id4 is a transcriptional target of Bmp signaling, and it is capable of dose dependently restricting Wnt signaling in the endocardium of the Atrioventricular Canal.
Taken together, our data identifies Id4 as a novel player in Atrioventricular Canal and valve development. We show that Id4 function is important in valve development acting downstream of Bmp signaling by restricting endocardial Wnt to allow valve maturation
Gepulste dipolare EPR-Spektroskopie ist eine wertvolle Methode, um Abstände von 1.5 bis 10 nm zwischen zwei Spinmarkern zu messen. Diese Information kann für Strukturbestimmungen hilfreich sein, wo traditionelle Methoden wie Kristallstrukturanalyse und NMR nicht angewendet werden können. Zusätzlich ist es möglich, Änderungen in Konformation und Flexibilität zu verfolgen. Für diese Studien haben sich stabile Nitroxidradikale als Spinmarker etabliert. Diese werden spezifisch durch die site-directed spin labelling Methode (SDSL) kovalent an das zu untersuchende Biomolekül gebunden. In den letzten Jahren wurden weitere Spinmarker für Abstandsbestimmungen mittels EPR-Spektroskopie entwickelt. Besonders interessant sind Triarylmethylradikale (im Folgenden abgekürzt als Trityl) und paramagnetische Metallzentren.
Im Vergleich zu Nitroxidradikalen hat das Tritylradikal einige Vorteile: Eine höhere Stabilität in einer reduzierenden Umgebung wie im Inneren von Zellen, längere Elektronenspin-Relaxationszeiten bei Raumtemperatur und ein schmaleres EPR-Spektrum. Deswegen ist dieses organische Radikal ein alternativer Spinmarker, der besonders gut für die Forschung von Biomolekülen in einer nativen Umgebung unter physiologischen Bedingungen geeignet ist. Auch paramagnetische Metallzentren sind weniger reduktionsempfindlich als Nitroxidradikale. Zusätzlich sind diese Spinmarker interessant in biologischen Fragestellungen. Zum Beispiel besitzen zahlreiche Enzyme paramagnetische Manganzentren als Cofaktoren. Zudem kann Magnesium, ein wesentlicher Cofaktor in Enzymen, Nukleinsäuren und Nukleotid-Bindungsdomänen der G- und Membranproteine, oft durch das paramagnetische Mangan ersetzt werden. Um Abstandsmessungen an Biomolekülen, die nur ein Metallzentrum besitzen, durchzuführen, können zusätzliche Spinmarker in Form eines Nitroxid-, Tritylradikals oder eines anderen paramagnetischen Metallkomplexes mithilfe der SDSL-Methode kovalent gebunden werden.
Nitroxidradikale, Tritylradikale und Metallzentren haben deutlich unterschiedliche EPR-spektroskopische Eigenschaften, welche oft als orthogonale Spinmarker bezeichnet werden. Solche Spinmarker sind nützlich für die Untersuchung von verschiedenen Untereinheiten bei makromolekularen Komplexen. Somit können die intramolekularen Abstände innerhalb einer Untereinheit sowie intermolekularen Abstände zwischen den unterschiedlichen Untereinheiten mit nur einer einzigen Probe bestimmt werden. Zusätzlich können die orthogonalen Marker sehr effektiv genutzt werden, um Metallzentren in Biomolekülen mithilfe der Trilateration-Strategie genau zu lokalisieren.
Die hier vorliegende Doktorarbeit beschäftigt sich mit der Nutzung dieser neuen Spinmarker für Abstandsmessungen. Solche Spinmarker sind noch kaum erforscht, obwohl sie für biologische Anwendungen eine große Rolle spielen könnten.
Das erste Ziel dieser Doktorarbeit war eine Studie über Tritylradikale mithilfe der dipolaren EPR-Spektroskopie. Zu diesem Zweck wurden sowohl double quantum coherence (DQC) und single frequency technique for refocussing dipolar couplings (SIFTER) Experimente als auch Hochfrequenz pulsed electron electron double resonance (PELDOR) Experimente mit einem Trityl-Modellsystem durchgeführt. Dabei wurden die Besonderheiten der unterschiedlichen dipolaren Spektroskopiemethoden mit diesem Spinmarker untersucht, um die Empfindlichkeit und Robustheit für die Abstandsmessungen zu optimieren.
Das zweite Ziel war eine Studie über den Einfluss der Hochspin-Multiplizität des Mangans auf die Abstandsbestimmungen. Für diesen Zweck wurde zuerst ein Modellsystem mit einem orthogonalen Mn2+ Ion und Nitroxidradikal mithilfe der PELDOR-Spektroskopie untersucht. Anschließend wurde ein weiteres Modellsystem mit zwei Mn2+-Ionen untersucht, um PELDOR und relaxation-induced dipolar modulation enhancement (RIDME) Experimente bezüglich ihrer Empfindlichkeit und Robustheit sowie Genauigkeit der Datenanalyse zu optimieren.
Das Trityl-Modellsystem wurde in der Arbeitsgruppe von Prof. Sigurdsson synthetisiert. Die EPR Messungen wurden bei zwei verschiedenen Mikrowellenfrequenzen (34 und 180 GHz) durchgeführt. Es wurde gezeigt, dass die Auswahl der optimalen Methode von den EPR-spektroskopischen Eigenschaften des Systems bei den jeweiligen Mikrowellenfrequenzen abhängig ist. Das EPR-Spektrum des Trityls ist bei 34 GHz so schmal, dass das ganze Spektrum von einem üblichen Mikrowellenpuls angeregt werden kann. In diesem Fall sind die DQC und SIFTER Experimente am besten geeignet. Der mit diesen Methoden bestimmte Abstand von 4.9 nm ist in guter Übereinstimmung mit Werten aus der Literatur. Es wurde festgestellt, dass die SIFTER Messung eine höhere Empfindlichkeit als DQC besitzt, da das Signal-zu-Rausch Verhältnis um den Faktor vier größer ist. Außerdem ist die SIFTER-Methode experimentell weniger anspruchsvoll, da ein deutlich kürzerer Phasenzyklus für die Mikrowellenpulse benötigt wird. ...
Characterization of mouse NOA1 : subcellular localizaion, G-Quadruplex binding and proteolysis
(2013)
Mitochondria contain their own protein synthesis machinery with mitoribosomes that are similar to prokaryotic ribosomes. The thirteen proteins encoded in the mitochondrial genome are members of the respiratory chain complexes that generate a proton gradient, which is the electromotoric force for ATP synthesis.
NOA1 (Nitric Oxide Associated Protein-1) is a nuclear encoded GTPase that positively influences mitochondrial respiration and ATP production. Although a role in mitoribosome assembly was assigned to NOA1 the underlying molecular mechanism is poorly understood. This work shows that the multi-domain protein NOA1 serves multiple purposes for the function of mitochondria. NOA1 is a dual localized protein that makes a detour through the nucleus before mitochondrial import. The nuclear shuttling is mediated by a nuclear localization signal and the now identified nuclear export signal. SELEX (Systemic Evolution of Ligands by Exponential Enrichment) analysis revealed a G-quadruplex binding motif that characterizes NOA1 as ribonucleoprotein (RNP). G-quadruplex binding was coupled to the GTPase activity and increased the GTP hydrolysis rate. The sequence of localization events and the identification of NOA1 being a RNP lead to the discussion of an alternative import pathway for RNPs into mitochondria. The short-lived NOA1 contains ClpX recognition motifs and is specifically degraded by the mitochondrial matrix protease ClpXP. NOA1 is the first reported substrate of ClpXP in higher eukaryotes and augments the contribution of the ClpXP protease for mitochondrial metabolism. To assess the direct action of NOA1 on the mitoribosome co-sedimentation assays were performed. They showed that the interaction of NOA1 and the mitoribosome is dependent on the GTPase function and the nascent peptide chain. In vitro, NOA1 facilitated the membrane insertion of newly translated and isotope labeled mitochondrial translation products into inverted mitochondrial inner membrane vesicles. In conclusion, NOA1 is a G-quadruplex-RNP that acts as mitochondrial membrane insertion factor for mtDNA-encoded proteins.
This thesis provides a comprehensive model of the molecular function of NOA1 and is the basis for future research. The identification of NOA1 as ClpXP substrate is a major contribution to the field of mitochondrial research.
Eine Einschränkung des Hörvermögens durch Schäden der Sinnesrezeptoren im Innenohr gilt beim Menschen sowie bei allen anderen Säugetieren als irreversibel. Die Hörforschung ist an der Frage interessiert, ob durch Plastizität in zentralen Teilen des auditorischen Systems Kompensationsmechanismen die Folgen mildern können. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Frage, ob und in welchem Umfang nach peripheren Hörschäden durch zentrale Kompensationsmechanismen eine Erholung des Hörvermögens auftritt auf der Basis von plastischen Änderungen der neuronalen Verarbeitung der Eingangssignale aus dem geschädigten Hörorgan. Schäden des Sinnesepithels im Innenohr, z.B. durch überlaute Beschallung oder ototoxische Substanzen, betreffen in der Regel zunächst die äußeren Haarzellen und führen zu einem Verlust der Empfindlichkeit und Frequenzspezifität des Hörvermögens. Eine primäre selektive Schädigung der inneren Haarzellen (IHZ) tritt im Tiermodell, aus unbekannten Gründen nur bei einer Spezies auf, dem Chinchilla (Chinchilla laniger) und zwar nach Gabe des antineoplastischen Medikament Carboplatin. Das gute Tieffrequenzhören der Chinchillas (0.1-20 kHz) ermöglicht außerdem Aussagen zur akustischen Signalverarbeitung in einem für das menschliche Gehör relevanten Frequenzbereich (0.02-16 kHz). Dieses Tiermodell bietet somit die Gelegenheit, die Veränderungen in zentralen Teilen des auditorischen Systems nach einer definierten sensorischen Schädigung zu untersuchen. Hierfür kommt u.a. das auditorische Mittelhirn, der Colliculus Inferior (IC) in Frage. Der IC wird als Hauptintegrationszentrum der Hörbahn angesehen weil er Eingänge von fast allen vor ihm liegenden auditorischen Kernen (z.B. Nucleus cochlearis, Nucleus olivaris und Leminscus lateralis) bekommt. Ein weiterer Grund für die Wahl des IC als Untersuchungsgebiet der vorliegenden Arbeit ist, die Frage zu beantworten, ob die auf der Ebene des auditorischen Kortex bereits nachgewiesene funktionelle Plastizität auch auf der Ebene des IC schon realisiert oder vorbereitet wird. Die vorliegende Arbeit untersucht das Antwortverhalten der Neurone im ICc an wachen Tieren vor und nach einem selektiven Teilverlust der IHZ bei Erhalt der äußeren Haarzellen. Die Arbeitshypothese ist, dass es nach einem abgeschwächten sensorischen Eingang zu Veränderungen der exzitatorischen und inhibitorischen Antwortfelder kommt, die als funktionelle Plastizität bzw. als Kompensation verstanden werden können. Anhand elektrophysiologischer Ableitungen im ICc von wachen, chronisch implantierten Tieren wurden die exzitatorischen und die inhibitorischen Antwortfelder der Neurone durch Einton- und Zweiton- Stimulation getrennt gemessen und bestimmt. Die Resultate zeigen, dass die exzitatorischen und inhibitorischen Antworteigenschaften im IC bei wachen und narkotisierten Tieren unterschiedlich sind. In wachen Tieren weist die Inhibition generell höhere Variation auf als in narkotisierten Tieren und ist unabhängiger von der Art der Exzitation. Eine Carboplatinbehandlung führte bei allen Tieren nach 3-7 Tagen zu einer Abnahme der Amplituden und einer Erhöhung der Schwellen der akustisch evozierten Hirnstammpotentiale (ABRs). Die histologische Untersuchung des Innenohres (10 Wochen nach Carboplatinbehandlung), zeigte bei allen Tieren Verluste der IHZ (zwischen 20 und 60%) entlang der gesamten Basilarmembran. Es wurden aber keine Verluste von ÄHZ festgestellt. Die Gehirn-Schnitte zeigten, dass die Registrierungen aus dem zentralen Teil des Colliculus Inferior stammen. Die physiologische Untersuchung der Antworteigenschaften der Neurone im IC 4-6 Wochen nach der carboplatinbedingten Schädigung der IHZ zeigte eine Reduktion der Inhibition, die u.a. deutlich an dem Verlauf der Intensitätskennlinien zu beobachten war. Nach dem Teilverlust der IHZ wurden viel weniger nichtmonotone Kennlinien gefunden als vor der Innenohrschädigung. Darüber hinaus beobachteten wir eine Reduzierung der inhibitorischen Regionen und eine signifikante Ausweitung der exzitatorischen Antwortfelder nach dem Teilverlust der IHZ. Die Resultate der vorliegenden Arbeit führen zu der Schlussfolgerung, dass nach einer Teilschädigung der inneren Haarzellen, unter Erhalt der ÄHZ nur ein geringer Sensitivitätsverlust in der zentralen Hörbahn auftritt. Der Verlust von 20-60% der IHZ und der damit einhergehende reduzierte afferente Informationsfluss führt zu physiologischen Veränderungen in der Hörbahn, die im IC von wachen Tieren vor allem durch eine Reduktion der Inhibition hervortritt. Dies deutet daraufhin, dass zentrale Kompensationsmechanismen bei peripheren Hörschäden nicht, wie bisher vermutet, erst in kortikalen sondern zum Teil bereits in subkortikalen Arealen (im Mittelhirn) stattfinden.
Interleukin-11 signaling is a global molecular switch between regeneration and scarring in zebrafish
(2022)
The two diametrically opposing outcomes after tissue damage are regeneration and fibrotic scarring. After injury, adult mammals predominantly induce fibrotic scarring, which most often leads to patient lethality. Fibrotic scarring is the deposition of excessive extracellular matrix that matures and hinders tissue function. The scarring response is mainly orchestrated by myofibroblasts, which arise only upon tissue damage, from various cellular origins, including tissue resident fibroblasts, endothelial cells and circulating blood cells. On the contrary, species like zebrafish, possess the remarkable capacity to regenerate their damaged tissues. After injury, instead of inducing a myofibroblast-mediated fibrogenic gene program, cells in these species undergo regenerative reprogramming at the transcriptional level to activate vital cellular processes needed for regeneration, including proliferation, dedifferentiation, and migration. Several pro-regenerative mechanisms have been identified to date. Most of them, if not all, are also important for tissue homeostasis and hence, are not injury specific. Therefore, the central aim of this study is to identify injury-specific mechanisms that not only induce regeneration, but also limit fibrotic scarring.
To test the notion that fibrotic scarring limits regeneration, I first compared the scarring response in the regenerative zebrafish heart after cryoinjury with what is known in the non-regenerative adult mouse heart. I found that zebrafish display ~10-fold less myofibroblast differentiation compared to adult mouse after cardiac injury. With these findings, I hypothesized that zebrafish employ mechanisms to actively suppress scarring response. Using a novel comparative transcriptomic approach coupled with genetic loss-of-function analyses, I identified that Interleukin-6 (Il-6) cytokine family-mediated Stat3 is one such pro-regenerative pathway in zebrafish.
Il-6 cytokine family consists of Il-6, Interleukin-11 (Il-11), Ciliary neurotrophic factor, Leukemia inhibitory factor, Oncostatin M, and Cardiotrophin-like cytokine factor 1. Il-6 family ligands signal through their specific receptors and a common receptor subunit (Il6st or Gp130). Using gene expression analyses after adult heart and adult caudal fin injuries in zebrafish, I identified that both the Il-11 cytokine encoding paralogous genes (il11a and il11b) are the highest expressed and induced among the Il-6 family cytokines. Hence, I chose Il-11 signaling as a candidate pathway for further analysis. To investigate the role of Il-11 signaling, I generated genetic loss-of-function mutants for both the ligand (il11a and il11b) and the receptor (il11ra) encoding genes. Using various tissue regeneration models across developmental stages in these mutants, I identified that Il-11/Stat3 signaling is indispensable for global tissue regeneration in zebrafish.
To investigate the cellular and molecular mechanisms by which Il-11 signaling promotes regeneration, I performed transcriptomics comparing the non-regenerative il11ra mutant hearts and fins with that of the wild types, respectively. I identified that Il-11 signaling orchestrates both global and tissue-specific aspects of regenerative reprogramming at the transcriptional level. In addition, I also found that impaired regenerative reprogramming in the il11ra mutant hearts and fins resulted in defective cardiomyocyte and osteoblast repopulation of the injured area, respectively.
On the other hand, by deep phenotyping the scarring response in il11ra mutant hearts and fins, I identified that Il-11 signaling limits myofibroblast differentiation. Furthermore, I found that cardiac endothelial cells and fibroblasts are one of the major responders to injury-induced Il-11 signaling. Using lineage tracing, I found that both the endothelial and fibroblast lineages in the non-regenerative il11ra mutants commit to a myofibroblast fate, spearheading the scarring response. In addition, using cell type specific manipulations, I showed that Il-11 signaling in cardiac endothelial cells allows cardiomyocyte repopulation of the injured area. Finally, using human endothelial cells in culture, I uncovered a novel feedback mechanism by which Il-11 signaling limits fibrogenic gene expression by inhibiting its parent activator and a master regulator of tissue fibrosis, TGF-β signaling.
Overall, I identified Interleukin-11/Stat3 signaling as the first global regulator of regeneration in zebrafish. Briefly, I showed that Interleukin-11 signaling promotes regeneration by regulating two crucial cellular aspects in response to injury – (1) it promotes regenerative reprogramming, thereby allowing cell repopulation of the injured area and (2) it limits mammalian-like fibrotic scarring by inhibiting myofibroblast differentiation and TGF-β signaling. Altogether, these zebrafish data, together with the contradicting mammalian data strongly indicate that the secrets of tissue regeneration lie downstream of IL-11 signaling, in the differences between regenerative and non-regenerative species. Furthermore, I establish the non-regenerative il11ra mutant as an invaluable zebrafish model to study mammalian tissue fibrosis.
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.
Capoeta damascina (Teleostei: Cyprinidae) is one of the most common freshwater fish species, found throughout the Levant, Mesopotamia, Turkey and Iran. According to the state of knowledge prior to this study, C. damascina, which is distributed over a wide range of isolated water bodies, was not a well-defined species. It was questionable whether it represents a single species or a complex of closely related species with high intraspecific and comparatively low interspecific variability. The goal of this study was to investigate the taxonomy, systematic position of the C. damascina species complex and the phylogenetic relationships among its members, based on morphological features as well as molecular phylogeny. Samples obtained from throughout the geographic range of this species complex were subjected to comparative morphological analyses in order to define, properly diagnose and separate species within the C. damascina complex. To elucidate phylogenetic relationships among members of the C. damascina species complex, samples were subjected to genetic analyses, using two molecular markers targeting the mitochondrial cytochrome oxidase I (COI, n = 103) and the two adjacent divergence regions (D1-D2) of the nuclear 28S rRNA genes (LSU, n = 65). Based on morphological and molecular genetic data, six closely related species were recognized within the C. damascina complex: C. buhsei, C. caelestis, C. damascina, C. saadii, C. umbla and an undescribed species, Capoeta sp.1. Analyses of the morphometric and meristic data obtained in this study revealed phenotypic variability among the various populations within a species and among the different species. Such differences in morphological characters reflect genetic differences, environmentally induced phenotypic variation or both, as the meristic phenotype of fish is sometimes a consequence of environmental parameters acting on the genotype. Based on phylogenetic analyses, two main lineages were identified within the C. damascina species complex: a western lineage represented by C. caelestis, C. damascina and C. umbla and an eastern lineage represented by C. buhsei, C. saadii and Capoeta sp.1. The close phylogenetic relationships between C. damascina and C. umbla and the sharing of same haplotypes between one specimen of C. damascina from Euphrates and another of C. umbla from Tigris reflect one of three possibilites: recent speciation, mitochondrial introgression or a combination of both. The results obtained in this study indicate that speciation of the above-mentioned six taxa is quite recent and that their dispersal and present-day distribution can be related to Pleistocene events. The drying out of the Persian Gulf, probably during one of the first glacials of the Pleistocene, led the ancestor of the C. damascina species complex in Mesopotamia to reach the rivers of the Gulf and of Hormuz basins and differentiate there, giving rise to the eastern lineage (ancestor of C. buhsei, C. saadii and Capoeta sp.1). As connections presumably existed among the different river drainages and basins in Iran during the wet periods of the Pleistocene, the ancestor of C. buhsei, C. saadii and Capoeta sp.1 was subsequently able to colonize the various Iranian drainages and differentiate there, giving rise to C. buhsei, C. saadii and Capoeta sp.1. After the separation from the eastern lineage, the western lineage, represented by the ancestor of C. damascina, C. umbla and C. caelestis, most likely reached the Levant from the Tigris-Euphrates system during the Pleistocene glacials, when river connections existed in the regions of the upper courses of Ceyhan Nehri (southern Turkey) and some western affluents to the Euphrates. From Ceyhan Nehri, it dispersed into other rivers in southern Turkey during Pleistocene periods of low sea levels until it reached Göksu Nehri and evolved into C. caelestis. The sister population differentiated into C. damascina and C. umbla. Based on the results obtained in this study, it is likely that C. damascina colonized the Levant and southern Turkey during the Pleistocene glacials. This is well supported by the low genetic variability among the C. damascina populations. Direct connections existed among the river drainages in the Levant during the Pleistocene periods of low sea level, thus serving as a pathway for the dispersal of C. damascina. The results of this study provide a coherent picture of the taxonomic position, phylogenetic relationships and evolutionary history of the C. damascina species complex and explain present patterns of distribution considering paleogeographic events.
Chapter I of this work addressed the piggyBac (PB) transposon system, a non-viral genome engineering tool that is capable of efficiently performing stable integration of DNA sequences into a target cells genome and has already been used in clinical trials. However, the PB transposase has the problematic property of preferentially integrating transposons near transcriptional start sites (TSSs). This increases the likelihood of causing genotoxic effects, limiting its potential use as a tool in clinical applications. It has been shown in the past that the PB transposase shows physical interactions with BET proteins (e.g. BRD4) through Co-IP experiments. Representatives of these proteins are part of the transcriptional activation complex and are abundant at TSSs. Accordingly, it was previously proposed that this interaction is the underlying cause for the biased integration preference. For the first chapter of this thesis, the goal was to disrupt this interaction potentially modifying said integration preference. A secondary structure hypothesized to be mainly responsible for said interaction was extensively mutated resulting in several PB variants that were analyzed for their interaction capacity through a series of Co-IP experiments with BRD4. In total, seven substitutions were identified (E380F, V390K, T392Y, M394R, K407C, K407Q, and K407V) which exhibited reduced interaction capacity with BRD4. Each of the aforementioned mutants were used to generate integration libraries and, through NGS, it was determined if the integration preferences of the respective mutants had changed. In the immediate range 200 base pairs up- and downstream from known TSSs all mutants used exhibited a reduced integration bias. At a wider observation window 3 kbp up- and downstream from TSSs, further mutants with the substitutions M394R, T392Y and V390K showed a reduction in integration frequency of 17.3%, 1.5% and 5.4%, respectively, compared to the wildtype. Of particular note was the M394R mutant, which showed a reduction in all window sizes analyzed with a maximum of 65% less integration preference in the immediate vicinity of TSSs, theoretically generating a safety advantage over the wildtype transposase.
Chapter II was dedicated to the overall safety improvement for transposon-based gene modification and addresses the time point after the transgene has already been integrated and serious side effects may not be preventable. With this in mind, the aim was to develop a novel suicide-switch that can be stably introduced into cells via transposition, and reliably leads to cell death of the modified cells once activated. A system based on CRISPR/Cas9 was developed, where single guide RNAs were used to guide the Cas9 nuclease to Alu elements. These are short, repetitive sequences, which are distributed over the human genome in more than one million copies. Inducing double strand breaks within these elements would lead to genomic fragmentation and cell death. To be inducible, a transcriptional as well as post- translational control mechanism was added. Transcription of the Cas9 nuclease was regulated using a tet-on system, making expression dependent on doxycycline (DOX) supplementation. Furthermore, a version of the Cas9 nuclease called arC9 was used that allows double strand break generation only in the presence of 4-Hydroxytamoxifen (4-HT). Together with an expression cassette for the Alu-specific guide RNA and an expression cassette for the reverse tetracycline controlled transactivator all components were arranged between transposase-specific recognition sequences on a plasmid to allow transposon-system based gene transfer. The system was tested in HeLa cells. First, conditional expression of the arC9 nuclease was confirmed by addition of 1 μg/ml DOX. Second, the suicide-switch was further induced by adding 200 nM 4-HT and protein extracts were assayed for the KAP1 phosphorylation. Only upon induction with DOX and 4-HT phosphorylated KAP1 was detected, indicating DNA damage. Further, extensive growth and survival experiments were conducted to determine the effect of suicide-switch induction on cell proliferation and survival. Between 24 and 48 hours after induction, a halt in cell division was detected, after which extensive cell death was observed. Within 5 days post induction, >99% of all cells were eliminated. In the absence of both inducers, no significant differences in survival were observed compared to control cells line lacking Alu-specific guide RNAs. Microscopic examinations of the <1% surviving cell fraction revealed a senescence-associated phenotype and showed no signs of resumption of the cell division process. Accordingly, the second chapter of this thesis also achieved its goal in developing a functional suicide-switch that can be inserted into human cells via transposition, is highly dependent on the necessary induction signals, and exhibits excellent elimination capabilities in the context tested.
This thesis comprises the usage of two commonly known hinge-binding moieties in drug discovery. First, the quinazoline scaffold of gefitinib (5) was utilized in a macrocyclization strategy to introduce selectivity. In general, the quinazoline hinge-binding moiety is a commonly used scaffold which can be found in 14% of approved kinase inhibitors. The most familiar applications are EGFR inhibitors such as gefitinib (5), erlotinib (6), afatinib, or dacomitinib for the treatment of NSCLC. But other kinases like CDK2, CDK4, or p38 are reported targets as well.
The N-phenylquinazolin-4-amine moiety of gefitinib (5) was conserved however, the residues at the aromatic ring in the linker were modified, the residue targeting the solvent-exposed region was varied, and the linker at the C6 position of the quinazoline was adjusted to enable the macrocyclization. An overview of the structural modifications is shown in Figure 35A.
Kinome-wide screening of gefitinib (5) revealed several off-targets besides EGFR (Figure 35B), making it an excellent starting point for a macrocyclization strategy. Introducing a linker to the N phenylquinazoline-4-amine scaffold and retaining the residues on the aromatic ring as well as the methoxy group targeting the solvent-exposed region improved the selectivity profile and the efficacy towards EGFR WT and its mutants. Truncation of the linker moiety led to the mutant selective macrocycle 26f with an excellent kinome-wide selectivity profile (Figure 35B). An inhibitor that is effective on EGFR mutations while ineffective on the EGFR WT could represent an enhancement of patient treatment, as it potentially causes less side effects. Further studies could determine the effect of the most promising macrocycles in lung cancer cell lines. Additionally, the pharmacokinetic properties could be optimized, e.g. by introducing solubilizing groups, targeting the solvent-exposed region.
The second scaffold comprises the 3-aminopyrazole-based hinge-binding moiety. It is a privileged scaffold in medicinal chemistry for the development of kinase inhibitors. Previous publications report the anti-proliferative and anti-cancer potential of pyrazole-based molecules. They play a crucial role in the treatment of various diseases and cancer types like inflammation disorders, lymphoma, or breast cancer. This scaffold can be found e.g. in the aurora kinase inhibitor tozasertib or in the promiscuous kinase inhibitor 23, published by Statsuk et. al. Rescreening compound 23 in a comprehensive kinase panel against 468 human protein kinases confirmed the unselective behavior with a selectivity score of S35 = 0.56 (Figure 36B), making it a great starting point for further optimizations. The N-(1H-pyrazol-3-yl)pyrimidin-4-amine scaffold was conserved however, the residues targeting the solvent-exposed region were varied and different linkers were attached.
The introduction of different residues at the pyrazole dramatically influenced the selectivity profile of the desired kinases. Ester moieties caused to a favorable combination of selectivity and potency towards the kinase of interest CDK16. The removal of additional residues at the pyrimidine, targeting the solvent-exposed region, increased the efficiency towards CDK16. Further optimization led to the highly potent and selective CDK16 inhibitor 98d (IC50 = 33 nM). NanoBRETTM screening against the complete CDK family revealed a preferred inhibition of the PCTAIRE and PFTAIRE subfamily with cellular IC50 values of 20 nM – 120 nM and 50 nM – 180 nM, respectively. A FUCCI cell cycle assay and viability assessment of 98d confirmed previously published results, reporting a G2/M cell cycle arrest followed by apoptosis and accumulation of p27 through knockout of CDK16 in SCC cells. Consequently, further studies could evaluate the anti-tumor activity of 98d in SCC and NSCLC or elucidate the effect of 98d in AMPK-related macroautophagy. 98d represents a novel tool compound to investigate the understudied kinases of the PCTAIRE family and enable to enlighten the biological role of those kinases.
Macrocyclization of the N-(1H-pyrazol-3-yl)pyrimidin-4-amine core resulted in the selective BMPR2 inhibitor 110a. It showed a good binding affinity towards BMPR2 with a KD value of 205 nM as well as a good potency with an IC50 value of 506 nM. A comprehensive selectivity screen against 468 kinases revealed an excellent selectivity profile with S35 = 0.01. As no BMPR2 inhibitors have been published so far, 110a represents a novel compound that may provide further insights into the canonical BMP pathway, noncanonical signaling, or its impact on BMPR2-associated diseases like PAH.
The introduction of additional residues targeting the solvent-exposed region shifted the selectivity towards the MST kinases. The exchange from the pyrimidine to a quinazoline moiety resulted in the highly potent and selective macrocyclic MST3 inhibitor 113c. NanoBRETTM measurements demonstrated the preferred inhibition of MST3 with IC50 values of 210 nM and 30 nM for intact and lysed cells, respectively. A weaker activity could be seen for MST4 with 1.8 µM and 510 nM, while MST1 and MST2 were not affected. To date, no selective MST3 inhibitors have been published, making 113c a valuable tool compound for further functional studies. As MST3 is influencing the cell cycle progression, 113c could be tested in a further cell cycle assay to elucidate the inhibitory effect of 113c on MST3 and consequently on the cell cycle. Furthermore, the anti-tumor activity of 113c in breast cancer could be determined, as Madsen et. al. reported a high MST3 and MST4 activity triggered by FAM40B mutations.
Cytochrome c oxidase (CcO), also called Complex IV of the aerobic respiratory chain, is located in the plasma membrane of prokaryotes and in the inner mitochondrial membrane of eukaryotes. The redox energy of dioxygen reduction is used to translocate protons across the membrane resulting in an electrochemical proton gradient. The generated proton gradient is exploited by the adenosine-5’-triphosphate synthase. In this work, bacterial four-subunit aa3-Type CcO from Paracoccus denitrificans (ATCC 13543, 4 SU-wt ATCC CcO) was used for analyses. 1) The recombinant homologously produced 4 SU-wt CcO (4 SU-wt rec CcO) was functionally compared with the native 4 SU-wt ATCC CcO. The 4 SU-wt rec CcO showed functional deficiencies as determined by UV-vis spectroscopy and electron paramagnetic resonance (EPR) studies. Total X-ray Reflection Fluorescence measurements show in both wild type CcOs the same ratio of the redoxactive Fe and Cu (2 Fe : 3 Cu) indicating full complement of the functional metals. If CcO contains only subunit I and II, it loses its functional integrity during continuous turnover activity. The importance of subunit III for integrity of CcO was demonstrated using 2 SU-wt rec CcO. Crystallisation trials of suicide inactivated 2 SU-wt rec CcOs have been ineffective using standard crystallisation conditions. Crystals of active 2 SU-wt rec CcO (positive control) have been obtained under these conditions and this result indicates possible structural changes in suicide inactivated 2 SU-wt rec CcO. The structure of active 2 SU-wt rec CcO was determined to 2.25 Å resolution. 2) Terminal oxidases require four electrons for the cleavage of the dioxygen bond (O=O). In general, the catalytic cycle of CcO is described by the electron input and thus by the different redox states of the metal centres: the O, E, R, P and F state. The two-electron reduced R intermediate is able to donate four electrons for dioxygen reduction forming the P state. The P intermediate is an oxoferryl state implying the lack of an electron for the R -> P transition, because the metal centres can only provide three electrons (Fe+II forms Fe+IV and Cu+II forms Cu+I). The P state, where the dioxygen bond is already broken, shows an oxoferryl state (FeIV=O2-) and a nearby tyrosine is proposed to form a tyrosyl radical representing the donor of the missing electron. H2O2-induced artificial intermediates provide the opportunity to investigated different catalytic intermediates in detail. Mixing equimolar amounts of H2O2 to CcO in the O state induces the "two-electron" reduced PH state at high pH and the electronically equal "two-electron" reduced F• H state at low pH. The addition of an excess amount of H2O2 leads to the three-electron reduced FH state. Functional studies using the 4 SU-wt ATCC CcO have demonstrated a bound peroxide (O- - O-) intermediate during the catalytic cycle. Using EPR it was previously shown that Y167 hosts a radical species in PH/F• H state which suggests that Y167 could provide this "missing electron". While X-ray structural models of CcO and Fourier-transformed infrared (FTIR) measurements of oxygenated ("pulsed") 4 SU-wt ATCC CcO suggest a bound peroxide in the O state, UV-vis and EPR spectroscopic studies indicate that other intermediates may also contain such peroxide species. Equimolar and excess amounts of H2O2 induce the PH/F• H and FH states, respectively and catalase treatment of the FH state leads, contrary to the natural direction of the catalytic cycle, to the apparent transition of the FH -> PH/F• H states, which is accompanied by reappearance of an EPR signal from the Y167• radical. The novel PFH/F• FH states are presented here and we postulate that the FH state hosts a superoxide (or peroxide) adduct at CuB in the binuclear site. In addition, the novel P10 state is also introduced having a maximum at lambda = 612 nm in the difference absorption spectrum (minus the O state). The P10 state is induced by mixing CcO in the O state with a pH 10 buffer. This pH 10 induced state resembles standard P states such as PCO, PH and PR. However, the P10 state evolves out of the O state without addition of reduction equivalents. Using EPR spectroscopy it was shown that Y167 hosts a radical species in the P10 state such as in the PH state. In summary, all functional data presented here provide evidence for a peroxide bound during the O state. Finally, a new model for the natural catalytic cycle is proposed. If the O state contains a peroxide, it is also likely that the E and R state contain this species. Even the oxoferryl intermediates P and F states may complex a peroxide at CuB in the binuclear site. 3) The amino acid residue Y167, which hosts the radical in the PH/F•H states, is not directly part of the binuclear site of CcO. For identification of the primary electron donor, two tryptophan variants of CcO, W272F and W164F, which are located nearby the binuclear site, were produced. Evidence is provided that W272 is a kinetically fast electron donor for the O2 molecule. The electron is replenished by Y167, or probably by Y280 in the natural cycle. The Y167 radical is detectable by EPR spectroscopy after treatment with equimolar amounts of H2O2 in the active variant W164F, but is absent in the inactive variant W272F. 4) CcO contains two proton conducting pathways, the D- and the K-pathway. Proteoliposomes of the variants H28A and D30N, mutations located at the entrance of the D-pathway, both show the identical proton pumping activity as the 4 SU-wt rec CcO (pumped H+/e- = 1). The variant N113D shows abolished proton pumping (pumped H+/e- = 0), but a relative high cytochrome c oxidation activity (63 %). G196D displays no cytochrome c oxidation and proton pumping activity. Overall, the addition or removal of a negative charge within the D-pathway such as in D124N, N131D, N113D and G196D leads to a decoupled phenotype indicating the high degree of electrostatic coupling in CcO.
Across the entire animal kingdom, sociality, i.e. the tendency of individual animals to form a group with conspecifics, is a common trait. Environmental changes have to be met with corresponding, quick adaptations. For social species, the presence of conspecifics is important for survival and if social animals are deprived of access to conspecifics, this can lead to strong and lasting changes on a physiological level as well as behaviour. Gene expression changes responsible for these adaptations have so far not been understood in detail. As social isolation leads to changes on a neuronal level, it is important to investigate the gene expression changes that are induced in the brain. In this thesis, next-generation RNA-sequencing was applied to zebrafish, a well-established model organism characterized by its high degree of companionship. Within the entire brain, gene expression was analysed in zebrafish that were raised either with conspecifis or in isolation, ranging from 5 to 21 days post fertilization. Using this approach, several genes were identified that were downregulated by social isolation. In this thesis, I focused on one of these consistently downregulated genes, parathyroid hormone 2 (pth2). The expression of pth2 was demonstrated to be bidirectionally regulated by the number of conspecifics present and to be responsive to changes in the social environment within 30 minutes. Regulation of pth2 does not occur by visual or chemosensory access to conspecifcs, but is mediated by mechanosensory perception of other fish via the lateral line. In an experiment using an artificial mechanical stimulation paradigm, it was shown that the features necessary to elicit pth2 transcription closely mimick the locomotion of actual zebrafish. Other, similar stimulation paradigms are not capable to induce this transcriptional response.
Ziel der vorliegenden Arbeit war es, ausgewählte Gruppen der Dekapoden (brachyure Krabben, Einsiedler und Porzellankrebse) des PersischArabischen Golfes und des Golfes von Oman taxo nomischfaunistisch zu erfassen, eine Abschätzung des Artenreichtums und der Faunenzusam mensetzung vorzunehmen und die zoogeographischen Beziehungen innerhalb der Golfregion und zu anderen Teilen des westlichen Indischen Ozeans zu analysieren. Die Dekapodenfauna der Golfregion war -- im Gegensatz zur sehr viel besser untersuchten des Roten Meeres -- bislang Gegenstand vergleichsweise weniger wissenschaftlicher Arbeiten, und der faunistischtaxonomische Kenntnisstand stellte sich als entsprechend lückenhaft dar. Dies erwies sich einerseits als Problem bei der Beurteilung des Zustands von Lebensgemeinschaften und Folgeschäden nach der Ölkatastrophe von 1991, andererseits als Hindernis für Faunen vergleiche und zoogeographische Studien. Um vor allem die bislang wenig bearbeiteten eulitoralen Lebensräume wie Watten und Man groven, aber auch Korallenriffe, intensiv zu beproben, wurden Sammelreisen in verschiedene Teile des PersischArabischen Golfes und den Golf von Oman durchgeführt. Daneben wurde umfangreiches Museumsmaterial der bedeutenden Sammlungen aus der Golfregion taxonomisch untersucht, mit Material aus anderen Regionen verglichen und neu bewertet. Insgesamt konnte für den PersischArabischen Golf das Vorkommen von 188 Arten brachy urer Krabben, 20 Pagurideen (Einsiedlerkrebse) und 18 Porcellaniden (Porzellankrebse) eindeutig belegt werden; 43 Arten (37 Brachyuren, 4 Pagurideen und 2 Porcellaniden) wurden erstmals für den Golf nachgewiesen. Bei 11 dieser Neunachweise handelt es sich um bislang unbeschriebene Arten. Ein faunistischer Vergleich zu anderen Teilen des Indischen Ozeans zeigt, daß der Golf für die untersuchten Taxa insgesamt deutlich artenärmer als das Rote Meer oder die ostafrikanische Küste ist. Dies ist vor allem auf die geringere Ausdehnung und schlechtere Entwicklung von Korallenriffen sowie das Fehlen von Tiefwasserhabitaten, aber auch auf das Vorherrschen extre mer ökologischer Bedingungen in weiten Teilen des Golfes zurückzuführen. Zwischen verschie denen systematischen und ökologischen Gruppen bestehen allerdings große Unterschiede hinsichtlich des Artenreichtums. Während hartboden und korallenassoziierte Gruppen im Golf deutlich unterrepräsentiert sind, findet sich bei weichbodenbewohnenden Taxa eine vergleichs weise artenreiche Fauna. Besonders auffallend ist dabei der Artenreichtum der eulitoralen Ocypodidae, die mit 23 Arten im Golf eine weitaus höhere Artendiversität erreichen als im Roten Meer oder an der ostafrikanischen Küste und gemeinsam mit den ebenfalls vorwiegend in der Gezeitenzone leben den Grapsiden einen Schwerpunkt der Arbeit bildeten. Innerhalb der Golfregion zeigten sich für diese Familien große Unterschiede hinsichtlich des Artenreichtums und der Faunenzusammen setzung. Die Wattgebiete und Mangroven des nördlichen und des südöstlichen PersischArabi schen Golfes sowie des Golfes von Oman fallen dabei durch ihre sehr diverse Fauna auf. Stark verarmt ist dagegen die eulitorale Fauna des südwestlichen und westlichen Teils des Persisch Arabischen Golfes. Der Grund für diese Verarmung ist dabei vor allem im hohen Salzgehalt des küstennahen Wasserkörpers zu sehen. Die Ergebnisse der faunistischtaxonomischen Auswertungen ermöglichten eine zoogeogra phische Analyse, bei der die Dekapodenfauna sowohl auf ihre Homogenität innerhalb der Golf region, als auch auf ihre Beziehungen zu der aus anderen Teilen des Indischen Ozeans untersucht wurde. Hierzu wurden Endemismusraten und Verbreitungsmuster der aus dem Golf nachgewie senen Arten betrachtet sowie Faunenähnlichkeiten mit Hilfe multivariater statistischer Methoden analysiert. Zoogeographisch stellt sich die Dekapodenfauna der Golfregion als Mischung unterschied licher zoogeographischer Elemente dar. Dies reflektiert die Lage des Golfes am Übergang zwischen westlichem Indischen Ozean und indischer bzw. indomalaiischer Region. Die Endemis musraten liegen bei 6 % für Porcellaniden, 7 % für Brachyuren und rund 10 % für Pagurideen. Für keine der Gruppen läßt sich daraus eine Begründung für eine eigene Faunenprovinz oder ein Endemismuszentrum ableiten. Neben den Endemiten beinhaltet die Fauna Arten unterschied licher geographischer Beziehungen. Den größten Anteil stellen weit verbreitete Arten, die je nach Gruppe zwischen der Hälfte und zwei Dritteln der im Golf vorkommenden Arten ausmachen. Für die Einsiedlerkrebse sind daneben vor allem Arten aus dem Roten Meer und dem Golf von Aden von Bedeutung, was auf eine enge Beziehung der Pagurideenfauna zu diesen Gebieten hin weist. Dagegen sind für die Brachyuren indopakistanische und indomalaiische Arten von weit aus größerer Bedeutung, was eine größere Ähnlichkeit der Krabbenfauna zu der Pakistans und Indiens andeutet. Innerhalb der Golfregion ergaben sich für die Brachyurenfauna, insbesondere für Ocypodi den, deutliche Unterschiede hinsichtlich der zoogeographischen Beziehungen. Während der von östlichen Faunenelementen dominierte nördliche und östliche Golf kaum westliche Faunen elemente aufweist, stellen diese im südlichen Golf und vor allem im westlichen Teil des Golfes von Oman einen erheblichen Anteil an der Gesamtfauna. Getrennt werden diese beiden Gebiete durch die Bereiche des südlichen und westlichen Golfes, in denen die extrem hohen Salzgehalte eine wirksame Verbreitungsbarriere darstellen. Zumindest für einige Taxa ist demnach die Golf region nicht als einheitliche faunistischzoogeographische Region zu betrachten. Während der nördliche und östliche Teil des PersischArabischen Golfes zoogeographisch eng mit Pakistan verbunden sind, zeigen sein südlicher Teil und der westliche Golf von Oman engere Beziehungen zum Golf von Aden und dem Roten Meer. Aufgrund der vergleichsweise guten Dokumentation der Faunenzusammensetzung in ver schiedenen Teilen des Indischen Ozeans ließ sich für Ocypodiden und Grapsiden ein überregio naler Faunenvergleich mit Hilfe multivariater Analysenmethoden durchführen und eine zoogeo graphische Unterteilung des Indischen Ozeans vornehmen. Innerhalb des westlichen Teils des Indischen Ozeans lassen sich dabei drei Regionen aufgrund ihrer Faunenähnlichkeit voneinander abgrenzen. Dies sind -- eine ost/südostafrikanische Region, die von der Nordostküste Südafrikas bis nach Somalia reicht -- eine west/südarabische Region bestehend aus Rotem Meer, Golf von Aden, der südarabi schen Küste und dem westlichen Golf von Oman, die auch in den südöstlichen Persisch Arabischen Golf hineinzieht -- eine ostarabischpakistanische oder iranischpakistanische Region, die den nördlichen und östlichen Teil des PersischArabischen Golfes, den östlichen Golf von Oman sowie Pakistan und Nordwestindien umfaßt Hinsichtlich der Besiedlungsgeschichte des PersischArabischen Golfes zeigen die Ergebnisse, daß eine Besiedlung durch eulitorale Krabben zum größten Teil von der indischen Seite aus entlang der iranischen Küste stattgefunden haben muß, während später eingewanderte westliche Elemente aufgrund der massiven Salinitätsbarriere und der Strömungsverhältnisse auf den süd östlichsten Teil beschränkt blieben. Vor allem die Gezeitenzonen des PersischArabischen Golfes weisen teilweise sehr diverse Lebensgemeinschaften auf, deren Artenzusammensetzung in ihrer Mischung unterschiedlicher zoogeographischer Elemente einzigartig ist und den Einfluß verschiedener Wasserkörper auf den Golf anzeigt. Für die Ocypodiden führt dies zu einer hohen regionalen oder gammaDiversität sowie einer über reine Artendiversität hinausgehenden Diversität der Lebensgemeinschaften. Während sich die Folgen des Golfkriegs als weniger gravierend als ursprünglich befürchtet erwiesen haben, könnten Habitatzerstörung und schleichende Verschmutzung die Lebensgemein schaften des PersischArabischen Golfes irreparabel schädigen.
In der vorliegenden Arbeit wurde ein neuer Algorithmus für die automatische Optimierung einer NMR-Zuweisung des back bones in gelabelten Proteinen und seine Implementierung vorgestellt. Der Algorithmus ermöglicht eine Zuweisungsstrategie, die sich näher an der manuellen Vorgehensweise orientiert als vergleichbare Implementierungen von Lukin (LUK 11 ) [Lukin97] oder Leutner (PASTA) [Leutner98], da er die Entscheidung über konkurrierende Protospinsysteminterpretationen in die globale Optimierung der Zuweisung verlegt und die Benutzer nicht zwingt, sich vorzeitig auf eine Interpretation pro Aminosäure und Peak zu beschränken. Der Algorithmus löst daher nicht nur das Reihenfolgenproblem für einen schon vorgegebenen Satz von Protospinsystemen, sondern auch das Auswahlproblem zwischen verschiedenen, sich widersprechenden, Interpretationen der gleichen Peakgruppe. Durch das zusätzliche Auswahlproblem erhöht sich die Komplexität der Optimierungsaufgabe, der Lösungsraum wächst daher um mehrere Größenordnungen. Dies verlängert die Laufzeit für den einfachen RANDOM Algorithmus gegenüber einem vergleichbaren Reihenfolgeproblem. Es wurden daher verschiedene Methoden untersucht, um die Laufzeit wieder zu reduzieren. Die erzielten Verbesserungen führen nicht nur zu einer besseren Konvergenz, sondern ermöglichen auch erstmals eine echte parallele Implementierung des Algorithmus. Die algorithmischen Verbesserungen sind die Reduktion des Protospinsystemcaches und der GENETISCHe Algorithmus. Zusätzlich wurde eine verbesserte Konfiguration zur Kontrolle der Suboptimierer gefunden. Die Implementierung der zugrundeliegenden Datenstrukturen ermöglicht die Umsetzung zusätzlicher Nebenbedingungen für die Positionen der Protospinsysteme innerhalb der Zuweisung. Ein Beispiel für die Nebenbedingungen sind die knotenlokalen Filter und die Strukturfilter aus Kapitel 2. Ihre Effizienz wird am besten durch die Aminosäuretypenerkennung demonstriert, die die Größe des Lösungsraumes um 168 Größenordnungen für Trigger reduziert. Dadurch verringert sich die Laufzeit des RANDOM Algorithmus bis zu einem Faktor von 132. Für PASTA wurde in [Leutner98] statt dessen der umgekehrte Effekt auf die Laufzeit festgestellt. In ihrer Implementierung verlängert sich die Laufzeit auf das Doppelte. Der Unterschied kann nur durch eine unterschiedliche Nutzung der Aminosäuretypenerkennung im Protospinsystempool erklärt werden. PASTA nutzt diese Information anscheinend nicht, um den Pool und damit den Lösungsraum zu reduzieren, sondern nur bei der Bewertung der Zuweisung. Diese Konfiguration kann in RANDOM näherungsweise nachvollzogen werden, wenn man im AS-Cache jeder Aminosäure jedes Protospinsystem zuweist. Die Bewertung der Aminosäuretypen und den Austausch zwischen Pool und Individuum kann man aber nicht abschalten. Ein möglicher Nachteil der Reduktion des AS-Caches mittels der Aminosäuretypenerkennung ist die Möglichkeit, daß Aminosäuren mit untypischen Frequenzen der falschen Aminosäure zugewiesen werden oder nicht in den Cache für die theoretische Aminosäure aufgenommen werden. Um eine falsche Zuweisung durch die Reduktion auszuschließen oder zu überprüfen, kann man zuerst mit einem AS-Cache mit Typenerkennung optimieren und das Ergebnis in einer zweiten Optimierung mit einem AS-Cache ohne Typenerkennung nachoptimieren. Diese Möglichkeit wurde bei der Zuweisung von Trigger demonstriert. Für Trigger konnte durch den Wechsel des Caches gezeigt werden, daß auch mit dem reduzierten Cache eine stabile Zuweisung gefunden wird, die der Zuweisung ohne Aminosäuretypenerkennung weitgehend entspricht. Die Zuweisungen unterscheiden sich in Aminosäuren mit unsicherer Typenzuweisung. In Trigger wird nur ein Protospinsystem (Phe66,Ile67) aufgrund der Typeninformation von der Position im AS-Cache ausgeschlossen, der es in der manuellen und der Zuweisung ohne Reduktion zugewiesen wurde. In anderen Fällen führt erst die Typeninformation zur richtigen Zuweisung (zB. Thr60,Ile61), während die Zuweisung ohne Typenerkennung eine Fehlzuweisung erzeugt. Man sollte daher immer beide Versionen berechnen und dann vergleichen, da eine manuelle Zuweisung beide Defekte aufweisen kann, weil sie die Zuweisungsregeln nicht so strikt optimiert, wie es ein automatischer Algorithmus kann. Für beide Algorithmen wurde der Parameterraum untersucht und eine sowohl optimale als auch robuste Konfiguration gesucht. Dabei wurde der Einfluß jedes Parameters des Algorithmus auf die Laufzeit bis zur Konvergenz zum globalen theoretischen Maximum bestimmt. Bei RANDOM waren hauptsächlich die Zusammensetzung des Aktionsprofils und die minimale und maximale Lebenszeit der veränderten Zustände, minTTL und maxTTL, für die Laufzeit entscheidend. Alle drei kontrollieren, welche Pfade durch den Lösungsraum ab einem Zustand erlaubt sind. Die gleiche Untersuchung wurde auch für die Parameter der zu berechnenden Probleme (Proteine) durchgeführt. Für den Datensatz wurde sowohl der Einfluß der Proteingröße, des maximalen CA Abstandes zwischen den Peaks der benachbarten Aminosäuren und der Aufbereitung des Protospinsystemcaches auf die Laufzeit, als auch der Einfluß eines unvollständigen Datensatzes auf die Konvergenz untersucht. Der Algorithmus zeigte sich dabei sehr robust gegen fehlende Peaks, da bis zu 45% der theoretischen Peaks fehlen können, ohne daß die Konvergenz zum theoretischen Optimum verloren geht. Unterhalb von 55% hängt die Übereinstimmung der gefundenen Lösung mit der theoretischen Lösung von der Zusammensetzung der gebildeten Protospinsystemfragmente ab. Proteingröße und maximaler CA Abstand haben dagegen großen Einfluß auf die Laufzeit. Während die Parametrisierung des RANDOM Algorithmus sich auf die Untersuchung des Wertebereichs der Kontrollparameter beschränken kann, muß die Parametrisierung des GENETISCHen Algorithmus auch die verschiedenen Crossover Operatoren und die Kontrolle der Suboptimierer umfassen. In Kapitel 3 wurden die verschiedene Crossover Algorithmen und unterschiedliche Konfigurationsvarianten für den Suboptimierer im GENETISCHen Algorithmus untersucht. Die aus der Literatur bekannten Crossover Operatoren waren dabei den spezialisierten G Operatoren unterlegen. Auch die Varianten elitär und statistisch, die keinen genetischen Austausch zwischen verschiedenen Individuen zulassen, waren den speziellen Operatoren immer unterlegen. Selbst kleine Anteile eines Genaustausches bewirkten eine Verbesserung der Laufzeit und die Qualität der Lösung. Dabei verbesserte sich besonders die Konvergenz durch den genetischen Austausch. Die speziellen G Operatoren übertragen nur die Differenz der Eltern statt, wie im klassischen Crossover, blind irgendeinen zusammenhängenden Bereich zu kopieren. Dadurch vermeiden sie es, hauptsächlich identische Bereiche zu kopieren, sondern übertragen nur Protospinsysteme, die sich in den Eltern unterscheiden. Außerdem wurde die Effizienz der speziellen Operatoren noch weiter gesteigert, indem die übertragenen Informationen mit Hilfe von Filtern gezielt auswählt wurden. Die übertragene Differenz wird dazu aufgrund ihrer Nachbarn und der Verknüpfung mit den Nachbarn ausgewählt. Mit unterschiedlichen Filtern wurden so Bereiche mit einem unterschiedlich hohen lokalen Optimierungsgrad für die Übertragung ausgesucht. Die Laufzeituntersuchungen in Kapitel 3 zeigen, daß es eine Grenze für die Effizienzsteigerung durch die Übertragung lokal voroptimierter Bereiche gibt. Während es beim Wechsel von unkoordinierten, punktförmigen Übertragungen (s1) zur Übertragung von kurzen Strecken aus benachbarten Protospinsystemen, mit oder ohne Verknüpfung (s2), noch zu einer geringen Verbesserung der Laufzeit und der Konvergenz kommt, führt die zusätzliche Koordinierung der übertragenen Nachbarn durch die Nebenbedingung der Verknüpfung in den s3 Algorithmen sogar zu einer geringen Verschlechterung der Laufzeit. Die Gründe für die Verschlechterung konnten nicht eindeutig nachgewiesen werden. Möglicherweise verringert sich die Anzahl der kopierbaren Bereiche durch die zusätzlichen Nebenbedingungen so sehr, daß nicht genügend unterschiedliche Differenzen für die Übertragung in die neuen Individuen gebildet werden. Die neuen Individuen erhalten dann hauptsächlich die gleichen neuen Gene. Dadurch kann es zu einer Verarmung des genetischen Pools, d.h. zum Verlust der genetischen Diversität in der Population kommen. Die neuen Individuen suchen dann identische Bereiche im Lösungsraum ab und nehmen dadurch die lokale Optimierung doppelt vor. Dadurch verschwendet diese Konfiguration CPU Zeit auf schon untersuchte Bereiche. Neben der direkten Übertragung zusammenhängender Bereiche gibt es noch einen weiteren Faktor der die spezialisierten Operatoren, gegenüber dem klassischen Crossover, verbessert. Die Differenzbildung im Crossover nimmt auf die Konkurrenz um die Peaks zwischen den Protospinsystemen keine Rücksicht. Dadurch befinden sich die neuen Individuen zuerst meist im illegalen Teil des Zustandsraumes S n . Nach dem Crossover wird daher ein Teil der ursprünglichen Protospinsysteme des neuen Individuums durch den Reparaturmechanismus gelöscht und dadurch schon optimierte Bereiche zerstört. Daher kommt dem Reparaturmechanismus für illegale Zustände die entscheidende Rolle zu, denn er erzwingt die Neuberechnung der Positionen, die vor dem Crossover durch einen Konkurrenten eines übertragenen Protospinsystems belegt waren. Die ehemaligen Zuweisungen in den zerstörten Bereichen sind dabei nur über die Resourcenkonkurrenz mit den im Crossover neu injizierten korreliert. Das Crossover mit Zerstörungen erweitert dadurch den erreichbaren Lösungsraum, statt ihn, wie beim klassischen Crossover, auf den Raum zwischen den Eltern einzuschränken! Die Zerstörungen sind für die Optimierung daher von Vorteil. Außerdem zeigte sich in Kapitel 3, daß für die speziellen Operatoren eine besondere Konfiguration des Suboptimierers besonders effizient ist, die den einzelnen Individuen nur die CPU-Zeit zuteilt, die sie, effizienter als ihre Konkurrenten, zu einer Verbesserung nutzen können. Diese Verteilung der Rechenzeit wird durch die sogenannte Ratenbegrenzung erreicht. Die veränderlichsten Individuen erhalten dabei die meiste Rechenzeit. Dies sind normalerweise die Individuen, die in einem der letzten genetischen Zyklen neu erzeugt wurden. Sobald ein Individuum in ein tiefes lokales Optimum, d.h. eine Sackgasse, geraten ist, erhält es weniger Rechenzeit, da seine Verbesserungsrate unter den Schwellwert sinkt. Dadurch darf man den einzelnen Individuen eine höhere maximale Laufzeit zuteilen, da sie sie nur nutzen können, wenn sie sich währenddessen verbessern. Die Kombination "ratenbegrenzt" mit Operator Gs2p2A verbraucht trotz des komplexeren Algorithmus weniger CPU-Zeit bei gesteigerter Konvergenzwahrscheinlichkeit und geringerer paralleler Laufzeit als jede andere Konfiguration. Sie ist damit die beste bekannte Konfiguration für GENETISCH. Im Praxistest in Kapitel 5 mit dem Proteinabschnitt Trigger M bestanden zwischen den automatischen Zuordnungen und der manuellen Zuweisung nur geringe Unterschiede. Die Unterschiede zwischen den Optimierungen mit unterschiedlichen Caches entstehen hauptsächlich in den Bereichen, die an einem Ende keinen verknüpften Nachbarn haben oder bei denen die manuelle Zuweisung unsicher ist, wie im Bereich 10 - 20. Durch die automatische Zuweisung konnte die manuelle Zuweisung sogar an einigen Stellen vervollständigt werden. Sie ist daher einer manuellen Zuweisung gleichwertig. Darüber hinaus entsteht bei der automatischen Zuweisung immer eine Dokumentation über die Verwendung der Peaks, so daß man ungenutzte Spinsysteme leichter finden kann. Der genetische Algorithmus kann optimal auf einem Netzwerkcluster implementiert werden, daher bietet sich ein echte parallele Implementierung an. GENETISCH braucht dabei keine besondere Hardware, wie Vektorrechner, shared memory oder besonders schnelle Netzwerkverbindungen, sondern kann auf einer Gruppe von normalen Rechnern mit einer üblichen Ethernet100 Netzwerkverbindung implementiert werden, da nur zum Austausch der Individuen, bzw. ihrer Differenz, eine Kommunikation zwischen den Rechnern notwendig ist. Dadurch kann die Kommunikation auf wenige KB alle paar Sekunden beschränkt bleiben. GENETISCH sollte außerdem leicht zu skalieren sein, da man die Anzahl der Individuen leicht an größere Probleme anpassen kann. Eine echte parallele Implementierung erlaubt daher sowohl die Rechenzeit für komplexere Problem auf wenige Minuten zu reduzieren als auch größere und mehrdeutigere Spektren zuzuweisen. Außerdem kann man die Wahl der Prozessparameter selbst auch dem selben Optimierungsprozeß unterwerfen, der bisher für die Optimierung der Zuweisung verwendet wurde. Dadurch sollte es möglich sein, die Optimierungsparameter, analog dem Profil der Abkühlung im simulated annealing, dynamisch an die Phase der Optimierung anzupassen und den Individuen immer die optimalsten Optimierungsparameter zu bieten, ohne diese vorher von Hand suchen zu müssen. Diese Veränderung erfordert aber eine große Anzahl an Individuen und damit die echte parallele Implementierung.