OPUS 4 | Biologische Hochschulschriften (Goethe-Universität)

Molekulargenetische Optimierung der Sphingoidbasen-Produktion der nicht-konventionellen Hefe Pichia ciferrii (2012)

Christoph Schorsch

Die nicht-konventionelle Hefe P. ciferrii produziert große Mengen der tetra-acetylierten Sphingoidbase Phytosphingosin (TAPS). Sphingoidbasen sind essentielle Komponenten des stratum corneums, der multilamellaren Barriere der menschlichen Haut, und daher in der Kosmetik-Industrie von großem Interesse. Im Rahmen dieser Arbeit sollte die biotechnologische Produktion der Sphingoidbasen Phytosphingosin, Sphinganin und Sphingosin auf molekularbiologischer Ebene in P. ciferrii charakterisiert und optimiert werden. Die Hefe P. ciferrii konnte durch Etablierung einer einfachen und hoch-effizienten Transformations-Methode auf genetischer Ebene leicht zugänglich gemacht werden. Durch Inaktivierung des für NHEJ essentiellen PcLIG4 Gens konnte die Effizienz zielgerichteter genomischer Integrationen von transformierten DNA-Konstrukten von 1 % auf 87 % erhöht werden. Die Etablierung des Cre-loxP Systems erlaubte das mehrfache Verwenden eines Selektions-Markers wodurch sukzessiv mehrere genomische Integrationen in einem Stamm ermöglicht wurden. Durch diese Errungenschaften konnte das Ziel „Optimierung der Sphingoidbasen-Produktion der nicht-konventionellen Hefe P. ciferrii“ im Folgenden erfolgreich verfolgt werden. Der initiale Schritt der Sphingoidbasen-Biosynthese ist die von der Serin-Palmitoyl-Transferase katalysierte Kondensation von L-Serin und Palmitoyl-CoA. Durch die Deletion von Genen, die am L-Serin-Katabolismus von P. ciferrii beteiligt sind (PcSHM1, PcSHM2und PcCHA1), konnte die de novo Sphingoidbasen-Biosynthese optimiert werden und führte in einem lig4? Stamm zu einer etwa dreifachen Erhöhung der TAPS-Produktion. Weitere Ansätze den (vermutlich durch L-Serin feed back regulierten) L-Serin-Biosyntheseweg bzw. die in vivo L-Serin-Verfügbarkeit zu optimieren, führten nicht zu einer gesteigerten TAPS-Produktion. Durch weitere Deletion und Überexpression von Genen des Sphingolipid-Stoffwechsels konnte die TAPS-Produktion jedoch um ein Vielfaches verbessert werden. So konnte ein Stamm konstruiert werden, der die Gene PcLCB1, PcLCB2 und PcSYR2 überexprimiert und Deletionen der Gene PcSHM1, PcSHM2, PcCHA1, PcLCB4 und PcORM12 trägt. Dieser Stamm (CSS.L4.O.L2.L1.S2) wies eine mehr als fünffach erhöhte maximale spezifische TAPS-Produktbildungsrate (q Pmax ) auf und produzierte mit 2 g * L rund siebenmal mehr TAPS als der lig4? Ausgangsstamm, weshalb ein Einsatz dieses Stammes für die industrielle TAPS-Produktion denkbar wäre. Ausgehend von einem für die TAPS- (und somit Sphingoidbasen-) Produktion optimierten Stamm sollten Stämme mit optimierter TriASa- oder TriASo-Produktion für industrielle Zwecke generiert werden. Es stellte sich allerding heraus, dass erhöhte Mengen dieser Sphingoidbasen wahrscheinlich wachstumshemmend für P. ciferrii sind, weshalb eine weitere Produktions-Optimierung nicht ohne Weiteres möglich ist. In einem Laborstamm gelang es jedoch, durch Konstruktion und anschließende Transformation eines optimierten integrativen Plasmids (trägt die Gene, die für die Produktion von Sphingosin bzw. TriASo nötig sind) eine TriASo-Produktion von bis zu 30 mg * g (BTM) zu erzielen, wobei gleichzeitig die Bildung des Nebenprodukts TriASa auf weniger als 4 mg * g (BTM)reduziert wurde. Weiterhin konnte durch Deletion von PcSCS7 in einem TriASo-Produktionsstamm die TriASa-Produktion mehr als vierfach reduziert werden. Die Bildung eines weiteren von P. ciferrii gebildeten Nebenproduktes [Tri-Acetyl-Sphingadienin (TriASd)] konnte durch Deletion des PcSLD1 Gens unterbunden werden. Nach Inaktivierung von PcSCH9 konnte eine fast 20 %ige Verbesserung der TriASo-Produktion erreicht werden. Es konnten zwei putative Acetyl-Transferasen identifiziert werden (PcAft2 und PcSli1), die an der Acetylierung von Phytosphingosin (zu TAPS), Sphinganin (zu TriASa) und Sphingosin (zu TriASo) beteiligt sind. Die Aufklärung und Optimierung dieser von PcAtf2 und PcSli1 katalysierten Schritte sind vielversprechende Ansatzpunkte die Sphingoidbasen-Produktion in P. ciferrii weiter zu optimieren.

Gravierende Veränderungen in der submersen Makrophytenvegetation der Alten Fahrt bei Senden in Westfalen (1997)

Rüdiger Wittig

Die Makrophytenvegetation eines stillgelegten Kanalabschnittes ("Alte Fahrt") bei Senden in Westfalen hat sich seit Beginn der 90er Jahre drastisch verändert. Aus einem typischen Potamogetonetum lucentis sind Reinbestände von Myriophyllum spicatum geworden, denen stellenweise Ceratophyllum demersum beigemischt ist. Die Ursachen für diese gravierenden Vegetationsveränderungen sind nicht klar. Da es sich um einen der bedeutendsten westfälischen Standorte des Potamogetonetum lucentis, einer in Nordrhein-Westfalen stark gefährdeten Pflanzengesellschaft, handelte, sind weiterführende Untersuchungen und Versuche zur Wiederansiedlung zu fordern.

Modelling the impact of future climate and land use change on vegetation patterns, plant diversity and provisioning ecosystem services in West Africa (2012)

Jonathan Heubes

Global climate change and land use change will not only alter entire ecosystems and biodiversity patterns, but also the supply of ecosystem services. A better understanding of the consequences is particularly needed in under-investigated regions, such as West Africa. The projected environmental changes suggest negative impacts on nature, thus representing a threat to the human well-being. However, many effects caused by climate and land use change are poorly understood so far. Thus, the main objective of this thesis was to investigate the impact of climate and land use change on vegetation patterns, plant diversity and important provisioning ecosystem services in West Africa. The three different aspects are separately explored and build the chapters of this thesis. The findings help to improve our understanding of the effects of environmental change on ecosystems and human well-being. In the first study, the main objectives were to model trends and the extent of future biome shifts in West Africa that may occur by 2050. Also, I modelled a trend in West African tree cover change, while accounting for human impact. Additionally, uncertainty in future climate projections was evaluated to identify regions with reliable trends and regions where the impacts remain uncertain. The potential future spatial distributions of desert, grassland, savanna, deciduous and evergreen forest were modelled in West Africa, using six bioclimatic models. Future tree cover change was analysed with generalized additive models (GAMs). I used climate data from 17 general circulation models (GCMs) and included human population density and fire intensity to model tree cover. Consensus projections were derived via weighted averages to: 1) reduce inter-model variability, and 2) describe trends extracted from different GCM projections. The strongest predicted effect of climate change was on desert and grasslands, where the bioclimatic envelope of grassland is projected to expand into the Sahara desert by an area of 2 million km2. While savannas are predicted to contract in the south (by 54 ± 22 × 104 km2), deciduous and evergreen forest biomes are expected to expand (64 ± 13 × 104 km2 and 77 ± 26 × 104 km2). However, uncertainty due to different GCMs was particularly high for the grassland and the evergreen forest biome shift. Increasing tree cover (1–10%) was projected for large parts of Benin, Burkina Faso, Côte d’Ivoire, Ghana and Togo, but a decrease was projected for coastal areas (1–20%). Furthermore, human impact negatively affected tree cover and partly changed the direction of the projected climate-driven tendency from increase to decrease. Considering climate change alone, the model results of potential vegetation (biomes) showed a ‘greening’ trend by 2050. However, the modelled effects of human impact suggest future forest degradation. Thus, it is essential to consider both climate change and human impact in order to generate realistic future projections on woody cover. The second study focused on the impact and the interplay of future (2050) climate and land use change on the plant diversity of the West African country Burkina Faso. Synergistic forecasts for this country are lacking to date. Burkina Faso covers a broad bioclimatic gradient which causes a similar gradient in plant diversity. Thus, the impact of climate and land use change can be investigated in regions with different levels of species richness. The LandSHIFT model from the Centre of Environmental System research CESR (Kassel, Germany) was adapted for this study to derive novel regional, spatially explicit future (2050) land use simulations for Burkina Faso. Additionally, the simulations include different assumptions on the technological developments in the agricultural sector. Oneclass support vector machines (SVMs), a machine learning method, were performed with these land use simulations together with current and future (2050) climate projections at a 0.1° resolution (cell: ~ 10 × 10 km). The modelling results showed that the flora of Burkina Faso will be primarily negatively impacted by future climate and land use changes. The species richness will be significantly reduced by 2050 (P < 0.001, paired Wilcoxon signed-rank test). However, contrasting latitudinal patterns were found. Although climate change is predicted to cause species loss in the more humid regions in Southern Burkina Faso (~ 200 species per cell), the model projects an increase of species richness in the Sahel. However, land use change is expected to suppress this increase to the current species diversity level, depending on the technological developments. Climate change is a more important threat to the plant diversity than land use change under the assumption of technological stagnation in the agricultural sector. Overall, the study highlights the impact and interplay of future climate and land use change on plant diversity along a broad bioclimatic gradient in West Africa. Furthermore, the results suggest that plant diversity in dry and humid regions of the tropics might generally respond differently to climate and land use change. This pattern has not been detected by global studies so far. Several of the plant species in West Africa significantly contribute to the livelihoods of the population. The plants provide so-called non-timber forest products (NTFPs), which are important provisioning ecosystem services. However, these services are also threatened by environmental change. Thus, the third study aimed at developing a novel approach to assess the impacts of climate and land use change on the economic benefits derived from NTFPs. This project was carried out in cooperation with Katja Heubach (BiK-F) who provided data on household economics. These data include 60 interviews that were conducted in Northern Benin on annual quantities and revenues of collected NTFPs from the three most important savanna tree species: Adansonia digitata, Parkia biglobosa and Vitellaria paradoxa. The current market prices of the NTFPs were derived from respective local markets. To assess current and future (2050) occurrence probabilities of the three species, I calibrated niche-based models with climate data (from Miroc3.2medres) and land use data (LandSHIFT) at a 0.1° resolution (cell: ~ 10 × 10 km). Land use simulations were taken from the previous study on plant diversity. Three different niche-based models were used: 1) generalized additive models (regression method), 2) generalized boosting models (machine learning method), and 3) flexible discriminant analysis (classification method). The three model simulations were averaged (ensemble forecasting) to increase the robustness of the predictions. To assess future economic gains and losses, respectively, the modelled species’ occurrence probabilities were linked with the spatially assigned monetary values. Highest current annual benefits are obtained from V. paradoxa (54,111 ± 28,126 US$/cell), followed by P. biglobosa (32,246 ± 16,526 US$/cell) and A. digitata (9,514 ± 6,243 US$/cell). However, in the prediction large areas will lose up to 50% of their current economic value by 2050. Vitellaria paradoxa and Parkia biglobosa, which currently reveal the highest economic benefits, are heavily affected. Adansonia digitata is negatively affected less strongly by environmental change and might regionally even supply increasing economic benefits, in particular in the west and east of the investigation area. We conclude that adaptive strategies are needed to create alternative income opportunities, in particular for women that are responsible for collecting the NTFPs. The findings provide a benchmark for local policy-makers to economically compare different land use options and adjust existing management strategies for the near future. Overall, this thesis improves our understanding of the impacts of climate and land use changes on West African vegetation patterns, plant diversity and provisioning ecosystem services. Climate change had spatially varying impacts (positive and negative effects) on the vegetation cover and plant diversity, while predominantly negative effects resulted from human pressure. Regional contrasting impacts of environmental change were also found considering the provisioning ecosystem services.

Optical mapping as a routine tool for bacterial genome sequence finishing (2007)

Phil Latreille Stacie Norton Barry S. Goldman John Henkhaus Nancy Miller Brad Barbazuk Helge Björn Bode Creg Darby Zijin Du Steve Forst Sophie Gaudriault Brad Goodner Heidi Goodrich-Blair Steven Slater

Background: In sequencing the genomes of two Xenorhabdus species, we encountered a large number of sequence repeats and assembly anomalies that stalled finishing efforts. This included a stretch of about 12 Kb that is over 99.9% identical between the plasmid and chromosome of X. nematophila. Results: Whole genome restriction maps of the sequenced strains were produced through optical mapping technology. These maps allowed rapid resolution of sequence assembly problems, permitted closing of the genome, and allowed correction of a large inversion in a genome assembly that we had considered finished. Conclusion: Our experience suggests that routine use of optical mapping in bacterial genome sequence finishing is warranted. When combined with data produced through 454 sequencing, an optical map can rapidly and inexpensively generate an ordered and oriented set of contigs to produce a nearly complete genome sequence assembly.

Immuntherapie mit allogenen Natürlichen Killerzellen bei pädiatrischen Patienten nach Stammzelltransplantation: In-vivo-Monitoring und Einfluss immunsuppressiver Therapie (2012)

Claudia Brehm

Zelluläre Immuntherapien mit hochaufgereinigten allogenen NK-Zellen sind eine mögliche Therapieoption um den GvL/T-Effekt nach haploidenter SZT bei pädiatrischen Hochrisikopatienten mit malignen Erkrankungen zu verstärken. Im Rahmen der in Frankfurt a. M. laufenden klinischen Phase I/II NK-Zell-Studie wurden 16 pädiatrische Patienten sowohl mit unstimulierten (NK-DLI(unstim), 9 Patienten) als auch mit zehn Tage ex vivo IL-2 (1000 U/ml) stimulierten Spender-NK-Zellen (NK DLI(IL-2 stim), 9 Patienten) an den Tagen (+3), +40 und +100 nach haploidenter SZT behandelt. Bisher gibt es kaum Daten über den Verbleib der transfundierten Zellen und den Einfluss der NK-DLI Immuntherapie auf sowohl zelluläre als auch humorale Komponenten des Immunsystems der Patienten. Da die Patienten zudem nach haploidenter SZT zur GvHD-Prophylaxe das immunsuppressive Medikament Mycophenolat-Mofetil (MMF) erhalten, sind Untersuchungen zum Einfluss von MMF auf die Funktionalität der Spender-NK-Zellen von großem Interesse. In der vorliegenden Arbeit wurde mit Hilfe eines studienbegleitenden, nichtinvasiven in vivo Immunmonitorings erstmalig ein unterschiedlicher Einfluss von NK-DLI(unstim) im Vergleich zu NK-DLI(IL-2 stim) auf zelluläre Bestandteile und auf die Zytokin/Chemokin-Spiegel des peripheren Blutes der Patienten vor und 10 min, 1 h, 4 h und 24 h nach der Zelltherapie beschrieben. Mittels durchflusszytometrischen single platform Analysen konnten sowohl Spender-NK-Zellen als auch patienteneigene NK-Zellen phänotypisch und funktionell charakterisiert und unterschieden werden. So wurden neben einer gesteigerten zytotoxischen Aktivität IL-2 stimulierter NK-Zellen auch Unterschiede hinsichtlich der Expression des Oberflächenmoleküls CD56, des Aktivierungsmarkers CD69, des Natürlichen Zytotoxizitäts-Rezeptors (NCR) NKp44 und des Lymphknoten Homing Moleküls CD62L beobachtet. Des Weiteren führte die Applikation von NK-DLI(IL-2 stim) zu einer signifikanten Zellmigration in der peripheren Blutzirkulation der Patienten. Während sich die Zahl der neutrophilen Granulozyten innerhalb von 4 h im peripheren Blut vervierfachte wurde unmittelbar 10 min nach NK-DLI(IL-2 stim) ein massiver Zellverlust von eosinophilen Granulozyten, Monozyten, dendritischen Zellen und vor allem der NK-Zellen beobachtet. Eine ausgeprägtere Reduktion der immunregulatorischen CD56(bright)CD16(dim/-) NK-Zellen hatte zudem eine Verschiebung in der prozentualen Verteilung der NK-Zell-Subpopulationen zur Folge. In den folgenden 24 h normalisierten sich alle Zellzahlen wieder zu den Werten vor NK-DLI. Anhand der beschriebenen phänotypischen Unterscheidungsmerkmale konnte gezeigt werden, dass dabei nur patienteneigene NK-Zellen in die periphere Blutbahn zurückkehrten. Die Zellmigration war zudem in vivo von einem signifikanten Anstieg der proinflammatorisch- und chemotaktisch-wirkenden Zytokine/Chemokine IL-2, IL-6, IL-8, IFN-γ, MCP-1 und MIP-1β im peripheren Blut der Patienten 10 min nach NK-DLI(IL-2 stim) Applikation begleitet. Die Applikationen von NK-DLI(unstim) zeigten im Gegensatz dazu keine vergleichbaren Effekte. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war herauszufinden, ob eine Therapie mit dem Immunsuppressivum MMF nach haploidenter SZT die Funktionalität dieser hochaktivierten Spender-NK-Zellen beeinträchtigt und somit die Effektivität der Immuntherapie gefährdet. Es konnten Einschränkungen in der ex vivo Funktionalität der NK-Zellen durch therapeutisch relevante Konzentrationen (1 bis 10 µM) des aktiven Metaboliten Mycophenolsäure (MPA) gezeigt werden. Die MPA-Inkubation führte zu einer dosisabhängigen aber reversiblen Inhibition der IL-2 bedingten ex vivo NK-Zell-Proliferation. Auch die während des ex vivo Expansionsprozesses induzierte Zytokin/Chemokin-Sekretion wurde signifikant gehemmt. Eine 24-stündige MPA-Inkubation der IL-2 stimulierten NK-Zellen führte zudem zu einer eingeschränkten Mobilität der NK-Zellen. Dies korrelierte mit einer signifikant reduzierten zytotoxischen Aktivität gegen K-562 Tumorzellen, was jedoch nicht mit einer Oberflächenreduktion der NCRs und des NKG2D Rezeptors assoziiert war. Auch die durch die IL-2 Stimulation verursachte Hochregulierung der in Aktivierung und Migration involvierten Oberflächenmoleküle CD25, LFA-1, ICAM-1, CCR5, CXCR7, DNAM-1 und CD62L wurde durch MPA inhibiert. Im Gegensatz dazu hatte eine 24-stündige oder 4-tägige MPA-Behandlung bereits vorstimulierter NK-Zellen keinen Einfluss. Zudem konnte im Rahmen dieser Arbeit erstmalig gezeigt werden, dass die IL-2 induzierte intrazelluläre Signaltransduktion durch MPA beeinflusst wird. Dies äußerte sich in einer partiell bis vollständig inhibierten Phosphorylierung zentraler Signalmoleküle wie STAT-3, -4 und -5, der MAP-Kinase ERK1/2 und der Proteinkinase AKT. Dadurch wurden die durch IL-2 geförderten Zellprozesse wie das Überleben, die Proliferation und die zytotoxische Aktivität der NK-Zellen drastisch gehemmt. Dies steht vermutlich im Zusammenhang mit einer reduzierten Expression der IL-2R Untereinheit (CD25), wodurch die Ausbildung des hochaffinen IL-2-Rezeptors auf der Zelloberfläche verhindert wurde. Demzufolge scheint die eingeschränkte NK-Zell-Effektorfunktion Ursache einer durch MPA gestörten IL-2 Signaltransduktion zu sein. Zusammenfassend scheinen NK-DLI(IL-2 stim) durch die gesteigerte Zytotoxizität, die geringere Sensitivität gegenüber der MPA-Exposition sowie durch die mutmaßliche Extravasation der stimulierten NK-Zellen aus der peripheren Blutbahn einen Vorteil gegenüber NK-DLI(unstim) zu haben. Ob dies auch in einer Steigerung der Effektivität der Immuntherapie resultiert und damit die Prognose der Patienten verbessert werden kann, werden jedoch erst zukünftige Studien mit größeren Patientenkohorten abschließend zeigen können.

Species distribution modelling of stream macroinvertebrates under climate change scenarios (2012)

Sami Domisch

There is increasing evidence that climate change will have a severe impact on species’ distributions by altering the climatic conditions within their present ranges. Especially species inhabiting stream ecosystems are expected to be strongly affected due to warming temperatures and changes in precipitation patterns. The aim of this thesis was to investigate how distributions of aquatic insects, i.e., benthic stream macroinvertebrates would be impacted by warming climates. The methods comprised of an ensemble forecasting technique based on species distribution models (SDMs) and climate change scenarios of the Intergovernmental Panel on Climate Change of the year 2080. Future model projections were generated for a wide variety of species from a number of taxonomic orders for two spatial scales: a stream network within the lower mountain ranges of Germany, and the entire territory across Europe. In addition, the effect of the modelling technique on habitat suitability projections was investigated by modifying the choice of study area (continuous area vs. stream network) and the choice of predictors (standard vs. corrected set). Projections of future habitat suitability showed that potential climate-change impacts would be dependent on species’ thermal preferences, and with a similar pattern for both spatial scales. Future habitat suitability was projected to remain for most or all of the modelled species, and species were projected to track their climatically suitable conditions by shifting uphill along the river continuum within the lower mountain ranges, and into a north-easterly direction across Europe. Cold-adapted headwater and high-latitude species were projected to lose suitable habitats, whereas gains would be expected for warm-adapted river and low-latitude species along the river continuum and across Europe, respectively. Additionally, habitat specialist species in terms of endemics of the Iberian Peninsula were identified as potential climate-change losers, highlighting their restricted habitat availability and therefore vulnerability to warming climates. The main findings of this thesis underline the high susceptibility of stream macroinvertebrates to ongoing climate change, and give insights into patterns of possible consequences due to changes in species’ habitat suitability. Concerning the methodology, a clear recommendation can be given for future modelling approaches of stream macroinvertebrates by building models within a stream network and with a careful choice of environmental predictors, to reduce uncertainties and thus to improve model projections.

Secondary successions after shifting cultivation in a dense tropical forest of southern Cameroon (Central Africa) (2012)

Barthélemy Tchiengué

The ongoing debate on deforestation in the tropics usually points out agriculture and logging as the main causes. The two activities are often linked and the trails created by logging com-panies with their heavy machines are afterwards used by farmers to penetrate deep into the forest and cultivate. Shifting cultivation is a widespread agricultural practice in the tropics and its sustainability is often a matter of controversy. It is necessary to investigate forest recovery after shifting cultivation, analyze its succession stages for comparison with regeneration after natural disturbance, and evaluate its role for discussing the hazards of deforestation.

Paradoxer Schlaf als Parameter zur Messung der Stressbelastung bei Giraffen (Giraffa camelopardalis) (2012)

Florian Sicks

Das Wohlbefinden von Tieren zu schützen ist im Grundgesetz der Bundesrepublik Deutschland festgeschrieben. Das Wohlbefinden eines Tieres wissenschaftlich zu bewerten ist jedoch eine bislang ungelöste Herausforderung. Die Biologie nähert sich dem Problem, subjektive Empfindungen eines Tieres objektiv darzustellen, vorrangig über die Messung der Stressbelastung. Die Stressantwort eines Organismus setzt sich allgemein aus einer Kombination von vier Systemen zusammen: einer Verhaltensreaktion, einer Antwort des vegetativen Nervensystems, einer neuroendokrinen Antwort und einer Immunantwort. Der in Zoos am häufigsten untersuchte Parameter zur Messung der Stressbelastung ist die Analyse der Cortisolmetaboliten-Konzentration im Kot der Tiere. Da jedoch nicht in jeder Stresssituation das „Stresshormon“ Cortisol ausgeschüttet wird, ist es für eine exakte Bewertung der Stressbelastung notwendig, weitere Systeme der Stressantwort wie beispielsweise das Verhalten zu erfassen. Die Chronoethologie verfolgt diesen Ansatz, indem sie Änderungen des Zeitmusters im Verhalten eines Tieres als Antwort auf Veränderungen in der Umwelt oder eines endogenen Faktors erfasst und diese nach Kriterien der Befindlichkeit bewertet. Hier könnte zukünftig das Schlafverhalten eine herausragende Stellung einnehmen, da es von allen vier Stressantwortsystemen beeinflusst wird. Zudem wird aus der medizinischen Schlafforschung berichtet, dass sich insbesondere die Dauer, die ein Organismus im Paradoxen Schlaf (PS) verbringt, durch Stress verändert. Dennoch fand das Schlafverhalten zur Messung der Stressbelastung bei Zoo- und Wildtieren bislang kaum Beachtung. Ziel dieser Arbeit war es daher, die Anwendbarkeit des PS als Parameter zur Messung der Stressbelastung bei Zoo- und Wildtieren zu erforschen, um letztlich die Beurteilung des Wohlbefindens von Tieren weiter zu objektivieren. Aufgrund ihrer einzigartigen Schlafstellung während des PS sowie ihrer hohen Sensibilität gegenüber Umweltveränderungen wurde die Giraffe (Giraffa camelopardalis) als Modelltier für diesen non-invasiven Forschungsansatz gewählt. Im Rahmen der Arbeit wurde in 645 Nächten das Schlafverhalten von 17 Giraffen unterschiedlichen Alters und Geschlechts beobachtet und analysiert. Um stressbedingte Veränderungen im PS-Muster erkennen zu können, wurden die Giraffen zunächst unter „Normalbedingungen“ beobachtet, um hieraus Referenzwerte zu generieren. Anschließend wurden unterschiedliche als stressintensiv einzustufende Situationen wie Nahrungsmangel, Transport, Veränderungen in der Herdenstruktur, Auswirkungen einer Geburt auf das Muttertier sowie verschiedene singuläre Ereignisse hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf das PS-Muster der Giraffen untersucht und den Referenzwerten gegenübergestellt. Um die Methode der Schlafbeobachtung als Parameter der Stressbelastung zu validieren, wurde zusätzlich ein bei Wiederkäuern etablierter, bereits genannter Stress-Parameter eingesetzt: die Messung der Cortisolmetaboliten-Konzentration im Kot mit Hilfe eines Enzymimmunoassays. Diese Methode wurde hier erstmalig an Giraffen angewendet. Durchschnittlich hielt eine Giraffe unter Normalbedingungen 27 Minuten pro Nacht paradoxen Schlaf. Dabei war die nächtliche PS-Dauer in hohem Maße vom Alter abhängig. Während juvenile Giraffen im Mittel 63 Minuten PS pro Nacht aufwiesen, verbrachten gealterte Giraffen nur 4,5 Minuten pro Nacht in der PS-Stellung. Infolge eines Stressors veränderte sich die PS-Dauer der Tiere: So zeigten alle vier transportierten Giraffen in den ersten Nächten nach ihrem Transport keinen PS oder stark reduzierte PS-Zeiten. Parallel erhöhte sich nach dem Transport die Cortisolmetaboliten-Konzentration im Kot aller Giraffen für mehrere Tage. Auch die untersuchten Veränderungen in der Herdenstruktur hatten in den meisten Fällen signifikante Veränderungen der PS-Dauer zur Folge. Die stärkste im Rahmen dieser Arbeit beobachtete Veränderung des Schlafverhaltens bewirkte der Tod eines Giraffenbullen: Die adulte Giraffenkuh hielt in der Folge für eine Dauer von 21 Tagen keinen paradoxen Schlaf mehr. Ihre Cortisolmetaboliten-Konzentration im Kot stieg nach dem Tod des Bullen hingegen nicht an. Die beobachteten Giraffenmütter zeigten nach der Geburt ihrer jeweiligen Jungtiere ebenfalls eine reduzierte PS-Dauer. Hingegen hatten neugeborene Giraffen, die an Nahrungsmangel litten und innerhalb weniger Tage verstarben, eine höchst signifikant längere PS-Dauer als gleichalte Jungtiere, die überlebten. Während bei Nahrungsknappheit eine erhöhte PS-Dauer helfen kann Energie zu sparen, ist eine Reduktion der PS-Dauer als Resultat erhöhter Aufmerksamkeit zu interpretieren, wie sie im Zuge der Feindvermeidung in Stress-Situationen sinnvoll ist. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die PS-Dauer im Gegensatz zur Cortisolmetaboliten-Konzentration von allen beobachteten Stressoren beeinflusst wurde. Dabei veränderte sich die PS-Dauer in Abhängigkeit des jeweiligen Stressors graduell unterschiedlich, was Rückschlüsse auf die Intensität des Stressors ermöglicht. Der PS ist infolge dieser Ergebnisse hervorragend als Parameter zur Messung der Stressbelastung bei Giraffen geeignet. Die Analyse des PS kann dabei helfen, die Auswirkungen von subjektiv als stressintensiv oder stressarm eingestuften Situationen auf das Wohlbefinden eines Tieres objektiv zu bewerten. Darüber hinaus ermöglicht die kontinuierliche Überwachung des PS-Musters, z.B. mit Hilfe moderner Videosoftware, Beeinträchtigungen des Wohlbefindens, wie sie beispielsweise durch Unterernährung, Verletzung oder Krankheit hervorgerufen werden, frühzeitig zu erkennen, was ein zeitnahes Eingreifen zum Wohle des Tieres möglich macht.

Revision der Spinnenfamilie Psechridae (Arachnida: Araneae): Biodiversitätsforschung und Phylogenie mithilfe morphologischer und molekularer Methoden (2012)

Steffen Bayer

Die vorliegende, publikationsbasierte Dissertation, bestehend aus den drei Einzelpublikationen Bayer (2011, 2012) und Bayer und Schönhofer (2012), verfolgte das Ziel, die Spinnenfamilie Psechridae zu revidieren. Weiterhin sollten die phylogenetische Position dieser Familie im System der höheren Webspinnen (Araneomorphae) sowie die phylogenetischen Beziehungen der einzelnen Arten innerhalb der beiden Gattungen der Psechridae untersucht werden. In Form von morphologisch-taxonomischen Bearbeitungen wurden die beiden die Psechridae bildenden Gattungen Psechrus und Fecenia revidiert, wobei sämtliches Typus- Material sowie reichhaltiges, weiteres Material eingehend beschrieben, illustriert und diagnostiziert wurde. Hierbei wurden auch intraspezifische Variabilität sowie die Prä- Epigynen subadulter Weibchen, die in taxonomischen Arbeiten bislang nur eine unwesentliche Rolle gespielt haben, beschrieben, illustriert und taxonomisch ausgewertet. Zudem wurden im Rahmen dieser Untersuchungen bereits Überlegungen über mögliche Verwandtschaftsbeziehungen innerhalb der beiden Gattungen angestellt. ...

Die Rolle der ß1-Integrine, E-Cadherine und EGF-Rezeptoren in der mechanisch induzierten Signalperzeption und Signaltransduktion bei Keratinozyten (2005)

Yvonne Knies

Die mechanische Streckung hat einen großen Einfluss auf Keratinozyten und bei der Transduktion dieses Reizes nehmen ßl-integrine, E-Cadherine und EGF-Rezeptoren eine zentrale Rolle ein: Eine einfache mechanische Dehnung von HaCaT-Zellen um 10% fuhrt innerhalb von 5min zu einer schnellen Umorientierung der ßl-Integrine auf der Zellmembran, ohne dass sich dabei die Menge dieser Oberflächenrezeptoren ändert. Die Integrine sammeln sich in der basalen Membran zu größeren Adhäsionskomplexen. Dies hat Auswirkungen auf das Adhäsionsverhalten der Zellen. Eine Streckung bewirkt, dass die mechanisch stimulierten Zellen gegenüber den Kontrollzellen sowohl schneller an das Substrat anheften als auch eine stärkere Zell-Matrix-Adhäsion aufweisen. Das unterschiedliche Adhäsionsverhalten auf den verschiedenen Substraten (Arginin+Serum, Fibronektin, Kollagen) und Experimente mit funktionsblockierenden Antikörpern gegen ßl-Integrine sind Beweise für die Beteiligung dieser Oberflächenrezeptoren an diesem Vorgang. Da adhärente Zellen, wie Keratinozyten. neben Wachstumsfaktoren den Zell-Matrix-Kontakt benötigen, um in die S-Phase eintreten zu können, hat das unterschiedliche Adhäsionsverhalten von gestreckten und ungestreckten Zellen wiederum Einfluss auf die Proliferation. Diese ist bei den mechanisch gereizten Zellen im Vergleich zu den Kontrollzellen gesteigert und zwar im direkten Verhältnis zu der mechanisch induzierten Steigerung der Adhäsion. Im Rahmen einer Rezeptor-Transaktivierung (siehe vorne) kooperieren ßl-Integrine und E- Cadherine sowohl räumlich als auch funktionell mit dem EGF-Rezeptor bei der Übermittlung des Dehnungsreizes: Räumliche Interaktionen: Eine Koclusterung von ßl-Integrinen mit dem EGF-Rezeptor tritt bereits nach 5minütiger mechanischer Reizung an den Zell-Zell-Grenzen und den Fokalkontakten auf. Eine Kolokalisation zwischen E-Cadherinen und EGF-Rezeptoren besteht ebenfalls, wobei sich allerdings Kontrolle und Streckung nicht unterscheiden. Funktionelle Interaktionen: Eine mechanische Stimulation führt zu einer transienten Aktivierung des EGF-Rezeptors (Aktivitätsmaximum: 5min) und der MAP-Kinase ERK1/2 (Aktivitätsmaximum: 15min). Diese streckungsinduzierte Aktivierung von ERK1/2 wird sowohl durch die Blockierung der ßl-Integrine und E-Cadherine als auch durch die Inhibition des EGF-Rezeptors unterbunden. Weiterhin hemmt die Blockierung der Adhäsionsmoleküle die Aktivierung des EGF-Rezeptors. Dies spricht für die Transaktivierungs-Theorie des EGF- Rezeptors durch die ß1-Integrine und E-Cadherine. Die Zellstrukturen und viele zelluläre Prozesse werden durch eine zellintern erzeugte Grundspannung im Zytoskelett aufrechterhalten. Ohne eine Verankerung der Zelle an der ECM oder den Nachbarzellen, was durch die Blockierung der ßl-Integrine und E-Cadherine erreicht wird, bricht dieses fein ausbalancierte System zusammen; die Zytoskelett-Elemente F-Aktin, Intermediär-Filamente und Mikrotubuli zerfallen. Anhand der Ergebnisse dieser Arbeit wird ersichtlich, welche enorme Bedeutung den Adhäsionsrezerptoren - ßl-Integrine und E-Cadherine - für die Formstabilität und die funktionellen Eigenschaften der Zelle zukommt. Ein Ausfall dieser Adhäsionsmoleküle beeinträchtigt sowohl die Form der Zelle (Adhäsionsvorgänge und Tensigrity-Modell) als auch die Transduktion von Umweltreizen durch die Plasmamembran, z.B. einer mechanischen Stimulation, die letztendlich das Überleben der Zelle und die Proliferation bestimmt. Daher wäre denkbar, das die Ergebnisse dieser Grundlagenforschung in Zukunft zur Behandlung von Hautkrankheiten herangezogen werden können.

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