Biologische Hochschulschriften (Goethe-Universität)
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Die Physiologie des Schmerzes umfasst komplexe immunologische, sensorische und inflammatorische Prozesse im Rückenmark, im Gehirn und in der Peripherie. Wiederholte nozizeptive Stimulation induziert pathophysiologische Veränderungen bei der Schmerzweiterleitung, aus denen eine periphere oder zentrale Sensibilisierung resultiert. Diese kann bei dafür anfälligen Patienten zu der Ausbildung von chronischen Schmerzzuständen führen. Obwohl das Wissen über die genauen molekularen Vorgänge der Schmerz-Chronifizierung noch immer unvollständig ist, sind die Identifizierung von Risikofaktoren vernünftige Schritte, um die individuelle Anfälligkeit für die Entwicklung chronischer Schmerzen zu bestimmen. Das Hauptziel dieser Doktorarbeit bestand daher in der Identifikation humaner genetischer Biomarker für chronische Schmerzzustände.
Lineare sowie zyklische 3-Alkylpyridinalkaloide sind vor allem in Schwämmen der Ordnung Haplosclerida, zu der auch Haliclona viscosa zählt, weit verbreitet. Die Synthese der zuvor von C. Volk isolierten Haliclamine C und D, des Viscosamins und des Viscosalin C bildete den Ausgangspunkt dieser Arbeit.[1-4] Sie erfolgte ausgehend von den bekannten Synthesen der Cyclostellettamine und Haliclamine[5-7] und gliedert sich in drei Abschnitte: erstens Synthese eines ω-Hydroxyalkylpyridins aus einem Bromalkohol, zweitens Funktionalisierung der Monomere in Abhängigkeit der gewählten Methode zur Di- bzw. Trimerisierung und drittens Verknüpfung und gegebenenfalls Zyklisierung. Durch Anwendung und Weiterentwicklung der bekannten Synthesewege wurden so insgesamt 14 lineare Monomere, zwei zyklische Monomere, 16 Cyclostellettamine, zwei Isocyclostellettamine, sieben Haliclamine, fünf Viscosaline sowie Viscosamin[8] und ein Analogon mit Heptylkette hergestellt. Dieser synthetische Zugang ermöglichte es, sowohl den finalen Strukturbeweis für die zuvor isolierten Verbindungen zu erbringen, als auch durch die Analyse der Fragmentierungs-muster von synthetischen und natürlichen Verbindungen mehr über das Verhalten dieser Verbindungen unter MS-Bedingungen zu erfahren. Die so gewonnenen Erkenntnisse führten dazu, dass drei unbekannte Verbindungen ohne Isolierung der Reinsubstanz mit einer Kombination von MS- und HPLC-Daten identifiziert werden konnten. So konnten das erste monozyklische 3-Alkylpyridinalkaloid marinen Ursprungs und zwei neue Haliclamine identifiziert und synthetisiert werden Des Weiteren gelang es, für die von C. Volk isolierten, jedoch nicht identifizierten Verbindungen Strukturen zu ermitteln bzw. auf Grund der MS-Daten Strukturvorschläge zu machen. Die durch den synthetischen Zugang große Anzahl verfügbarer 3-Alkylpyridinalkaloide ermöglichte außerdem eine systematische Untersuchung über den Zusammenhang von biologischer Aktivität und Struktur. Die Ergebnisse der am Helmholtz Institut für Infektionsforschung durchgeführten Experimente zu den antibakteriellen sowie cytotoxischen Eigenschaften von natürlichen wie auch rein synthetischen 3-Alkylpyridinalkaloiden zeigten, dass die Aktivität sich schon beim Addieren bzw. Subtrahieren einer Methylengruppe in einer Alkylkette signifikant ändert. [1] C. A. Volk, M. Köck, Org. Lett. 2003, 5, 3567-3569. [2] C. A. Volk, M. Köck, Org. Biomol. Chem. 2004, 2, 1827-1830. [3] C. A. Volk, H. Lippert, E. Lichte, M. Köck, Eur. J. Org. Chem. 2004, 3154-3158. [4] C. A. Volk, Dissertation, Johann Wolfgang Goethe Universität (Frankfurt am Main), 2004. [5] A. Grube, C. Timm, M. Köck, Eur. J. Org. Chem. 2006, 1285-1295 und Referenzen darin. [6] J. E. Baldwin, D. R. Spring, C. E. Atkinson, V. Lee, Tetrahedron 1998, 54, 13655-13680. [7] A. Kaiser, X. Billot, A. Gateau-Olesker, C. Marazano, B. C. Das, J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 8026-8034. [8] C. Timm, M. Köck, Synthesis 2006, 2580-2584.
The fungal interaction with plants is a 400 million years old phenomenon, which presumably assisted in the plants’ establishment on land. In a natural ecosystem, all plant-ranging from large trees to sea-grasses-are colonized by fungal endophytes, which can be detected inter- and intracellularly within the tissues of apparently healthy plants, without causing obvious negative effects on their host. These ubiquitous and diverse microorganisms are likely playing important roles in plant fitness and development. However, the knowledge on the ecological functions of fungal root endophytes is scarce. Among possible functions of endophytes, they are implicated in mutualisms with plants, which may increase plant resistance to biotic stressors like herbivores and pathogens, and/or to abiotic factors like soil salinity and drought. Also, endophytes are fascinating microorganisms in regard to their high potential to produce a great spectrum of secondary metabolites with expected ecological functions. However, evidences suggest that the interactions between host plants and endophytes are not static and endophytes express different symbiotic lifestyles ranging from mutualism to parasitism, which makes difficult to predict the ecological roles of these cryptic microorganisms. To reveal the ecological function of fungal root endophytes, this doctoral thesis aims at assessing fungal root endophytes interactions with different plants and their effects on plant fitness, based on their phylogeny, traits, and competition potential in settings encompassing different abiotic contexts. To understand the cryptic implication of nonmycorrhizal endophytes in ecosystem processes, we isolated a diverse spectrum of fungal endophytes from roots of several plant species growing in different natural contexts and tested their effects on different model plants under axenic laboratory conditions. Additionally,we aimed at investigating the effect of abiotic and biotic variables on the outcome of interactions between fungal root endophytes and plants.
In summary, the morphological and physiological traits of 128 fungal endophyte strains within ten fungal orders were studied and artificial experimental systems were used to reproduce their interactions with three plant species under laboratory conditions. Under defined axenic conditions, most endophytes behaved as weak parasites, but their performance varied across plant species and fungal taxa. The variation in the interactions was partly explained by convergent fungal traits that separate groups of endophytes with potentially different niche preferences. According to my findings, I predict that the functional complementarity of strains is essential in structuring natural root endophytic communities. Additionally, the responses of plant-endophyte interactions to different abiotic factors, namely nutrient availability, light intensity, and substrate’s pH, indicate that the outcome of plant-fungus relationships may be robust to changes in the abiotic environment. The assessment of the responses of plant endophyte interactions to biotic context, as combinations of selected dominant root fungal endophytes with different degrees of trait similarity and shared evolutionary history, indicates that frequently coexisting root-colonizing fungi may avoid competition in inter-specific interactions by occupying specific niches, and that their interactions likely define the structure of root-associated fungal communities and influence the microbiome impacts on plant fitness.
In conclusion, my findings suggest that dominant fungal lineages display different ecological preferences and complementary sets of functional traits, with different niche preferences within root tissues to avoid competition. Also, their diverse effects on plant fitness is likely host-isolate dependent and robust to changes in the abiotic environment when these encompass the tolerance range of either symbiont.
Many hominin species are best physically represented and understood by the sum of their dental morphologies. Generally, taxonomic affinities and evolutionary trends in development (ontogeny) and morphology (phylogeny) can be deduced from dental analyses. More specifically, the study of dental remains can yield a wealth of information on many facets of hominin evolution, life history, physiology and ecological adaptation; in short, the organisms paleobiomics. Functionally, teeth present information about dietary preferences, that is, the dietary niche in ecological context and, in turn, masticatory function. As the amount and types of information that can be gleaned from 2-dimensional tooth measurement exhaust themselves, 3-dimensional microscopic modeling and analysis presents a largely fertile ground for reexamination and reinterpretation of dental characteristics (Bromage et al., 2005). As such, a novel, non-destructive approach has been developed which combines the work of two established technologies (confocal microscopy and 3D modeling) adapted specifically for the purpose of mineralized tissue imaging. Through this method, 3D functional masticatory and therefore occlusal molar microwear is able to be visualized, quantified and comparatively analyzed to assess dietary preference in Javanese Homo erectus. This method differs from other microwear investigative techniques (defining 'pits'- vs- 'scratches', microtexture analysis etc.) in that it defines a molars masticatory microwear functional interactions in 3-dimensions as its baseline dataset for further interpretations and analyses. Due to poor specimen collection techniques employed during the first half of the 20th century, the very complex geologic nature of the Sangiran Dome and disagreements over its chronostratigraphy, only very few scientific works have addressed the Sangiran 7 (S7) Homo erectus molar collection (n=25) (e.g. Grine and Franzen, 1994; Kaifu, 2006). Grine and Franzen's (1994) work was a predominantly qualitative initial assessment of the specimens and identified five specimens that might better be ascribed to a fossil pongid rather than H. erectus. They also noted several molars to which tooth position (M1 or M2) was unable to be ascribed (Grine and Franzen, 1994). Kaifu (2006) comparatively examined crown sizes in several S7 molars.
The Sangiran 7 collection originates from two distinct geologic horizons: ten from the older Sangiran Formation (S7a, ~1.7 to 1.0mya) and fifteen from the younger, overlying Bapang Formation (S7b, ~1.0 to .7mya). During this million year period, Java was connected to the mainland during various glacio-eustatic low-stands in sea level. These mainland connections varied in size, extent, climatic condition and therefore in faunal and floral composition. As the S7 sample may be representative of the earliest Homo erectus migrants into Java and spans long durations of occupation, its investigation yields potential to understand the various influences climatic and ecogeographic fluctuations had on these populations. Since the sample consists only of teeth, an ecodietary approach has been deemed the most logical and appropriate investigative approach. Questions regarding the intra- and inter- S7 sample
relationships will also be addressed.
By comparing various aspects of the H. erectus dentition against that of hunter/ gatherer's (H/G) whose diet is known, functional dietary similarity can be directly correlated. Thus a comparative molar sample consisting of the below historic hunter/ gather's (n=63) has been included in order to assess H. erectus's diet in ecological context: Inuit (n=9), Pacific Northwest Tribes (n=11), Fuegians (n=11), Australian Aborigines (n=12) and Bushman (n=20). Methodologically, this approach produces a 3D facet microwear vector (fmv) signature for each molar which can then be compared for statistical similarity.
Microwear (and, as such, the fmv signatures) was defined by the regular, parallel striations found on specific cusp facets known to arise from patterned, directional masticatory movements. This differs significantly from post-mortem or taphonomic microwear which produces striations at irregular angles on multiple, non-masticatory surfaces (Peuch et al.1985, Teaford, 1988). A 'match value' is produced to determine the similarity of two molars fmv's. The 'match values' are ranked (high to low) and these rankings are used to statistically analyze and infer dietary preference: between Sangiran 7 (as an entire sample) compared against that of the historic hunter/ gatherer H. sapiens whose diet and ecogeography is known; within S7a and S7b and then among the S7 sample (eg. S7a-vs-S7b); whether the purported Pongo molars actually affiliate well with H. erectus, the hunter-gatherer's or if they demonstrate distinctly different fmv signatures altogether; whether fmv signatures are useful in distinguishing molars whose tooth position is in doubt (eg. M1 or M2).
When compared against individual H/G molars, the results show that Sangiran 7 H. erectus most closely correlates with Bushmen across all areas of fmv signature analysis. However, within broader dietary categories (yearly reliant on proteinaceous foods; seasonally reliant on proteinaceous foods; not reliant on proteinaceous foods), it was found that H. erectus most closely allied with the two hunter/ gatherer subpopulations associated with the 'Seasonally reliant on proteinaceous foods' (Australian Aboriginals and Pacific Northwest Tribes). There was also evidence for dietary change or specialization over time. As the environment changed during occupation by the earlier Sangiran to the later Bapang individuals, the dietary preference shifted from a focus on vegetative foods to a diet much more inclusive of proteinaceous resources.
These results are considered logical within the larger ecogeographic and chronostratigraphic context of the Sangiran Dome during the Pleistocene. However, a larger sample would be needed to confirm this. Although general dietary preferences can be drawn from this method, it is not possible at present to define specific foods consumed on a daily basis (eg. tubers or tortoise meat).
Out of the five specimens possibly allied with Pongo, S7-14 matched at the 'high' designation with a hunter/ gatherer, S7-62 matched 'moderately', S7-20 matched 'low' while the remaining two were not able to be matched with any other teeth for various reasons. Although designation to Pongo cannot be ruled on at this time using this method, it does demonstrate that at least two of the teeth correlate well with various hunter/ gatherer's who do not share dietary similarity with Pongo. This suggests their designation as Pongo should be more closely reevaluated. As for the four specimens whose tooth position was unsure, S7-14 matched 'highly' with 1st molars, S7-62 and S7-78 matched 'moderately' with 2nd and 1st molars respectively while S7-20 only matched at the 'low' designation. Although this approach is still exploratory, it adds another analytical tool for use in defining tooth position.
In sum, this method has demonstrated its usefulness in defining and functionally analyzing a novel 3D molar microwear dataset to interpret dietary preference. Future work would include a pan- H. erectus molar sample in order to illuminate broader populational, taxonomic and dietary correlations within and amoung all H. erectus specimens. A larger, more heterogenous historic H/G sample would also be included in order to provide a wider dietary comparative population. This method can be further extended to include and compare any and all hominins as well as any organism which produces micro wear upon it molars. Also, the data obtained and resultant fmv signature diagrams have the potential to be incorporated into 3D VR reconstructions of mandibular movement thus recreating mastication in extinct organisms and leading to more robust anatomical and physiological investigations especially when viewed in the context of larger environmental conditions or changes.
A novel role for mutant mRNA degradation in triggering transcriptional adaptation to mutations
(2020)
Robustness to mutations promotes organisms’ well-being and fitness. The increasing number of mutants in various model organisms, and humans, showing no obvious phenotype (Bouche and Bouchez, 2001; Chen et al., 2016b; Giaever et al., 2002; Kok et al., 2015) has renewed interest into how organisms adapt to gene loss. In the presence of deleterious mutations, genetic compensation by transcriptional upregulation of related gene(s) (also known as transcriptional adaptation) has been reported in numerous systems (El-Brolosy and Stainier, 2017; Rossi et al., 2015; Tondeleir et al., 2012); however, the molecular mechanisms underlying this response remained unclear. To investigate this phenomenon, I develop and study multiple models of transcriptional adaptation in zebrafish and mouse cell lines. I first show that transcriptional adaptation is not caused by loss of protein function, indicating that the trigger lies upstream, and find that the response involves enhanced transcription of the related gene(s). Furthermore, I observe a correlation between levels of mutant mRNA degradation and upregulation of related genes. To investigate the role of mutant mRNA degradation in triggering the response, I generate mutant alleles that do not transcribe the mutated gene and find that they fail to induce a transcriptional response and display stronger phenotypes. Transcriptome analysis of alleles displaying mutant mRNA degradation revealed upregulation of a significant proportion of genes displaying sequence similarity with the mutated gene’s mRNA, suggesting a model whereby mRNA degradation intermediates induce transcriptional adaptation via sequence similarity. Further mechanistic analyses suggested RNA-decay factors-dependent chromatin remodeling, and repression of antisense RNAs to be implicated in the response. These results identify a novel role for mutant mRNA degradation in buffering against mutations. Besides, they hold huge implications on understanding disease-causing mutations and shall help in designing mutations that lead to minimal transcriptional adaptation-induced compensation, facilitating studying gene function in model organisms.
Bei endogenen Retroviren handelt es sich um feste Bestandteile des Genoms. Im Fall von PERV (porzine endogene Retroviren) existieren zusätzlich infektiöse, xenotrope Vertreter. Aufgrund dieser Tatsache ist es notwendig, diese replikationskompetenten Proviren aus dem Genom potentieller Donortiere für die Xenotransplantation zu entfernen. Mit dem Wissen um die chromosomale Lage und der damit verbundenen Möglichkeit des Nachweises per PCR wurde im Rahmen dieser Arbeit gezeigt, dass aufgrund einer polymorphen Verteilung ein Ausschluss dieser funktionellen Proviren, mittels konventioneller Züchtung, möglich ist. Allerdings stellen sowohl die deletierten und mutierten proviralen Sequenzen durch eine Rekombination oder eine Komplementation, als auch ekotrope PERV-C ein Restrisiko im Falle einer Xenotransplantation dar. Es ist eine PERV-A/C Rekombinante beschrieben ex vivo worden, welche eine höhere Infektiösität aufweist als alle bisher untersuchten PERV. Bis auf die Rezeptor-Bindedomäne stellt dieses Virus ein PERV-C dar. Deshalb sollten chromosomal PERV-C identifiziert werden, um bei polymorpher Verteilung im Schweinegenom durch entsprechende Züchtung diese aus dem Genom heraushalten zu können. Im Rahmen dieser Arbeit ist es mit Hilfe einer speziellen PCR gelungen sieben Integrationsorte von PERV-C zu identifizieren. Da das Genom des Schweins bisher noch nicht komplett sequenziert ist, war es noch nicht möglich die gefundenen chromosomalen Bereiche zu kartieren. Dies wäre wiederum die Basis für eine Durchmusterung von Schweinen auf die Anwesenheit der gefundenen Proviren. Des Weiteren ist noch nicht bekannt, ob es sich bei diesen PERV-C um vollständige Proviren handelt, da aufgrund der verwendeten PCR und der sehr hohen Homologie verschiedener PERV untereinander nur provirale 3'Enden mit entsprechenden Flanken identifiziert werden konnten. Zusätzlich wurden in den Proben transgener Schweine PERV-C env spezifische Anteile nachgewiesen. Die Verteilung dieser Sequenzen, welche ebenfalls polymorph ist, gibt zwar keinen Aufschluss über die Anwesenheit eines Volllängen Provirus, jedoch ist aufgrund dieser Verteilung gleichfalls ein Ausschluss dieses Virus durch herkömmliche Züchtung möglich. Auf der anderen Seite besteht ein weiteres Risiko nach einer Xenotransplantation, wenn ein infektiöses PERV durch Komplementation gebildet wird, welches als Erbinformation ein env-deletiertes Provirus trägt. Das komplementierte PERV könnte potentiell, nach erfolgter Xenotransplantation, menschliche Zellen infizieren. Daraufhin wäre es zwar nicht mehr in der Lage infektiöse Partikel zu bilden, jedoch besteht noch das Risiko einer Retrotransposition, welche an sich schon mutagen wirkt. Zusätzlich könnten durch diesen Vorgang Gene zerstört oder Onkogene angeschaltet werden. Um dieses Risiko abschätzen zu können, wurden im Rahmen dieser Arbeit modifizierte Proviren von PERV-B(33) und MoMLV (Positivkontrolle) hergestellt und in einem Retrotranspositions Assay getestet. Die Modifikation der Proviren beinhaltete die Deletion des für die Retrotransposition nicht notwendigen env-Leserahmens, im Austausch gegen eine inserierte Indikatorkassette für die Retrotransposition (neoint). Im Rahmen der in dieser Arbeit durchgeführten Experimente konnte im Fall des Molekularklons PERV-B(33) eine Frequenz der Retrotransposition von maximal 1,2*10-6 pro Zelle und Generation ermittelt werden. Demzufolge stellt eine Retrotransposition von env-deletierten proviralen porzinen Sequenzen nach erfolgter Xenotransplantation ein minimales Risiko dar.
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.
The enzyme acetyl-CoA carboxylase (ACC) plays a fundamental role in the fatty acid metabolism. It regulates the first and rate limiting step in the biosynthesis of fatty acids by catalyzing the carboxylation of acetyl-CoA to malonyl-CoA and exists as two different isoforms, ACC1 and ACC2. In the last few years, ACC has been reported as an attractive drug target for treating different diseases, such as insulin resistance, hepatic steatosis, dyslipidemia, obesity, metabolic syndrome and nonalcoholic fatty liver disease. An altered fatty acid metabolism is also associated with cancer cell proliferation. In general, the inhibition of ACC provides two possibilities to regulate the fatty acid metabolism: It blocks the de novo lipogenesis in lipogenic tissues and stimulates the mitochondrial fatty acid β-oxidation. Surprisingly, the role of ACC in human vascular endothelial cells has been neglected so far. This work aimed to investigate the role of the ACC/fatty acid metabolism in regulating important endothelial cell functions like proliferation, migration and tube formation.
To investigate the function of ACC, the ACC-inhibitor soraphen A as well as an siRNA-based approach were used. This study revealed that ACC1 is the predominant isoform both in human umbilical vein endothelial cells (HUVECs) and in human dermal microvascular endothelial cells (HMECs). Inhibition of ACC via soraphen A resulted in decreased levels of malonyl-CoA and shifted the lipid composition of endothelial cell membranes. Consequently, membrane fluidity, filopodia formation and the migratory capacity were attenuated. Increasing amounts of longer acyl chains within the phospholipid subgroup phosphatidylcholine (PC) were suggested to overcompensate the shift towards shorter acyl chains within phosphatidylglycerol (PG), which resulted in a dominating effect on regulating the membrane fluidity. Most importantly, this work provided a link between changes in the phospholipid composition and altered endothelial cell migration. The antimigratory effect of soraphen A was linked to a reduced amount of PG and to an increased amount of polyunsaturated fatty acids (PUFAs) within the phospholipid cell membrane. This link was unknown in the literature so far. Interestingly, a reduced filopodia formation was observed upon ACC inhibition via soraphen A, which presumably caused the impaired migratory capacity.
This work revealed a relationship between ACC/fatty acid metabolism, membrane lipid composition and endothelial cell migration. The natural compound soraphen A emerged as a valuable chemical tool to analyze the role of ACC/fatty acid metabolism in regulating important endothelial cell functions. Furthermore, regulating endothelial cell migration via ACC inhibition promises beneficial therapeutic perspectives for the treatment of cell migration-related disorders, such as ischemia reperfusion injury, diabetic angiopathy, macular degeneration, rheumatoid arthritis, wound healing defects and cancer.
Echolocation allows bats to orientate in darkness without using visual information. Bats emit spatially directed high frequency calls and infer spatial information from echoes coming from call reflections in objects (Simmons 2012; Moss and Surlykke 2001, 2010). The echoes provide momentary snapshots, which have to be integrated to create an acoustic image of the surroundings. The spatial resolution of the computed image increases with the quantity of received echoes. Thus, a high call rate is required for a detailed representation of the surroundings.
One important parameter that the bats extract from the echoes is an object’s distance. The distance is inferred from the echo delay, which represents the duration between call emission and echo arrival (Kössl et al. 2014). The echo delay decreases with decreasing distance and delay-tuned neurons have been characterized in the ascending auditory pathway, which runs from the inferior colliculus (Wenstrup et al. 2012; Macías et al. 2016; Wenstrup and Portfors 2011; Dear and Suga 1995) to the auditory cortex (Hagemann et al. 2010; Suga and O'Neill 1979; O'Neill and Suga 1982).
Electrophysiological studies usually characterize neuronal processing by using artificial and simplified versions of the echolocation signals as stimuli (Hagemann et al. 2010; Hagemann et al. 2011; Hechavarría and Kössl 2014; Hechavarría et al. 2013). The high controllability of artificial stimuli simplifies the inference of the neuronal mechanisms underlying distance processing. But, it remains largely unexplored how the neurons process delay information from echolocation sequences. The main purpose of the thesis is to investigate how natural echolocation sequences are processed in the brain of the bat Carollia perspicillata. Bats actively control the sensory information that it gathers during echolocation. This allows experimenters to easily identify and record the acoustic stimuli that are behaviorally relevant for orientation. For recording echolocation sequences, a bat was placed in the mass of a swinging pendulum (Kobler et al. 1985; Beetz et al. 2016b). During the swing the bat emitted echolocation calls that were reflected in surrounding objects. An ultrasound sensitive microphone traveling with the bat and positioned above the bat’s head recorded the echolocation sequence. The echolocation sequence carried delay information of an approach flight and was used as stimulus for neuronal recordings from the auditory cortex and inferior colliculus of the bats.
Presentation of high stimulus rates to other species, such as rats, guinea pigs, suppresses cortical neuron activity (Wehr and Zador 2005; Creutzfeldt et al. 1980). Therefore, I tested if neurons of bats are suppressed when they are stimulated with high acoustic rates represented in echolocation sequences (sequence situation). Additionally, the bats were stimulated with randomized call echo elements of the sequence and an interstimulus time interval of 400 ms (element situation). To quantify neuronal suppression induced by the sequence, I compared the response pattern to the sequence situation with the concatenated response patterns to the element situation. Surprisingly, although the bats should be adapted for processing high acoustic rates, their cortical neurons are vastly suppressed in the sequence situation (Beetz et al. 2016b). However, instead of being completely suppressed during the sequence situation, the neurons partially recover from suppression at a unit specific call echo element. Multi-electrode recordings from the cortex allow assessment of the representation of echo delays along the cortical surface. At the cortical level, delay-tuned neurons are topographically organized. Cortical suppression improves sharpness of neuronal tuning and decreases the blurriness of the topographic map. With neuronal recordings from the inferior colliculus, I tested whether the echolocation sequence also induced neuronal suppression at subcortical level. The sequence induced suppression was weaker in the inferior colliculus than in the cortex. The collicular response makes the neurons able to track the acoustic events in the echolocation sequence. Collicular suppression mainly improves the signal-to-noise ratio. In conclusion, the results demonstrate that cortical suppression is not necessarily a shortcoming for temporal processing of rapidly occurring stimuli as it has previously been interpreted.
Natural environments are usually composed of multiple objects. Thus, each echolocation call reflects off multiple objects resulting in multiple echoes following the calls. At present, it is largely unexplored how neurons process echolocation sequences containing echo information from more than one object (multi-object sequences). Therefore, I stimulated bats with a multi-object sequence which contained echo information from three objects. The objects were different distances away from each other. I tested the influence of each object on the neuronal tuning by stimulating the bats with different sequences created from filtering object specific echoes from the multi-object sequence. The cortex most reliably processes echo information from the nearest object whereas echo information from distant objects is not processed due to neuronal suppression. Collicular neurons process less selectively echo information from certain objects and respond to each echo.
For proper echolocation, bats have to distinguish between own biosonar signals and the signals coming from conspecifics. This can be quite challenging when many bats echolocate adjacent to each other. In behavioral experiments, the echolocation performance of C. perspicillata was tested in the presence of potentially interfering sounds. In the presence of acoustic noise, the bats increase the sensory acquisition rate which may increase the update rate of sensory processing. Neuronal recordings from the auditory cortex and inferior colliculus could strengthen the hypothesis. Although there were signs of acoustic interference or jamming at neuronal level, the neurons were not completely suppressed and responded to the rest of the echolocation sequence.
The composition of cellular membranes is extremely complex and the mechanisms underlying their homeostasis are poorly understood. Organelles within a eukaryotic cell require a non-random distribution of membrane lipids and a tight regulation of the membrane lipid composition is a prerequisite for the maintenance of specific organellar functions. Physical membrane properties such as bilayer thickness, lipid packing density and surface charge are governed by the lipid composition and change gradually from the early to the late secretory pathway. As the endoplasmic reticulum (ER) is situated at the beginning of the cells secretory pathway, it has to accept and accommodate a great variety and quantity of secretory and transmembrane proteins, which enter the ER on their way to their final cellular destination. Secretory proteins can be translocated into the lumen of the ER co- or posttanslationally and membrane proteins are being inserted and released into the ER membrane. In the oxidative milieu of the ER-lumen, supported by a variety of chaperones, proteins can fold into their native form.
If the folding capacity of the ER-lumen is exceeded, an accumulation of mis- or unfolded proteins in the lumen of the ER occurs, consequently triggering the unfolded protein response (UPR). This highly conserved program activates a wide-spread transcriptional response to restore protein folding homeostasis. In fact, 7 – 8% of all genes in the yeast Saccharomyces cerevisiae (S. cerevisiae) are regulated by the UPR. The mechanism underlying the activation of the UPR by protein folding stress has been investigated thoroughly in the last decades and many of its mechanistic details have been elucidated. Recently, it became evident that aberrant lipid compositions of the ER membrane, collectively referred to as lipid bilayer stress, are equally potent in activating the UPR. The underlying molecular mechanism of this membrane-activated UPR, however, remained unclear.
This study focuses on the UPR in S. cerevisiae and characterizes the inositol requiring enzyme 1 (Ire1) as the sole UPR sensor in S. cerevisiae. Active Ire1 forms oligomers and, collaboratively with the tRNA ligase Rlg1, splices immature mRNA of the transcription factor HAC1, which results in the synthesis of mature HAC1 mRNA and the production of the active Hac1 protein, which binds to UPR-elements in the nucleus and activates the expression of UPR target genes. Here, the combination of in vivo and in vitro experiments is being used, which is supplemented by molecular dynamics (MD) simulations performed by Roberto Covino and Gerhard Hummer (MPI for Biophysics, Frankfurt), aiming to identify the molecular mechanism of Ire1 activation by lipid bilayer stress. This study focuses on the analysis of the juxta- and transmembrane region of Ire1. Bioinformatic analyses revealed a putative ER-lumenal amphipathic helix (AH) N-terminally of and partially overlapping with the transmembrane helix (TMH). This predicted AH contains a large hydrophobic face, which inserts into the ER membrane, forcing the TMH into a tilted orientation within the membrane. The resulting unusual architecture of Ire1’s AH and TMH constitutes a unique structural element required for the activation of Ire1 by lipid bilayer stress.
To investigate the function of the AH in the physiological context, different variants of Ire1 were produced under the control of their endogenous promoter and from their endogenous locus. The functional role of the AH was tested, by disrupting its amphipathic character by the introduction of charged residues into the hydrophobic face of the AH. The role of a conserved negative residue between the TMH and the AH (E540 in S. cerevisiae) was tested by substituting it by a unipolar, polar, or positively charged residue. These variants were intensively characterized using a series of assays:
This thesis provides evidence that the AH is crucial for the function of Ire1: Mutant variants with a disrupted (F531R, V535R) or otherwise modified AH (E540A) exhibited a lower degree of oligomerization and failed to catalyze the splicing of the HAC1 mRNA as the Wildtype control. Likewise, the induction of PDI1, a target gene of the UPR, was greatly reduced in mutants with a disrupted or defective AH. These data revealed an important functional role of the AH for normal Ire1 function.
An in vitro system was established to analyze the membrane-mediated oligomerization of Ire1. This system enabled the isolated functional analysis of the AH and TMH during Ire1 activation by lipid bilayer stress. A fusion construct, coding for the maltose binding protein (MBP) from Escherichia coli (E. coli), N-terminally to the AH and TMH of Ire1 was produced. The heterologous production in E. coli, the purification and reconstitution of this minimal sensor of Ire1 in liposomes was established as part of this study. To analyze the oligomeric status of the minimal sensor in different lipid environments, continuous wave electron paramagnetic resonance (cwEPR) spectroscopic experiments were performed. These experiments revealed that the molecular packing density of the lipids had a significant influence of the oligomerization of the spin-labeled membrane sensor: increasing packing densities resulted in sensor oligomerization. The AH-disruptive F531R mutant, in which the amphipathic character of the AH was destroyed, showed no membrane-sensitive changes in its oligomerization status.
Thus, the activation of Ire1 by lipid bilayer stress is achieved by a membrane-based mechanism. According to the current model, the AH induces a local membrane compression by inserting its large hydrophobic face into the membrane. As membrane thickness and acyl chain order are interconnected, this compression simultaneously results in an increased local disordering of lipid acyl chains. Supporting MD simulations performed by Roberto Covino and Gerhard Hummer revealed that the bilayer compression is significantly more pronounced in a densely packed lipid environment, than in a lipid environment of lower lipid packing density. Hence, the energetic cost of the local compression increases with the packing density of the membrane, but is compensated for by the oligomerization of Ire1. This minimization of energetic cost induced by the membrane deformation of Ire1 forms the basis for the activation of Ire1 by lipid bilayer stress.
Diese Dissertation befasst sich mit den Auswirkungen von nicht letalen Dosen von Neonikotinoiden auf Bienen. Neonikotinoide stellen eine Klasse von Insektiziden dar, die auf den nikotinischen Acetylcholin Rezeptor wirken. In dieser Dissertation wurden die Neonikotinoide Imidacloprid, Clothianidin und Thiacloprid benutzt. Die beiden erst genannten unterliegen zum Zeitpunkt des Verfassens dieser Arbeit einem temporären Verkaufs- und Ausbringungs-Stopp. Damit sind die Ergebnisse dieser Arbeit wichtig für die Bewertung der Gefahren von Neonikotinoiden. Neonikotinoide werden im großen Maße in der Landwirtschaft als Spritzmittel und Saatgutbeize eingesetzt. Dabei können sie in Rückständen von Bienen beim Sammeln von Nektar und Pollen aufgenommen und zum Stock gebracht werden. Um einen weiten Blick auf die Auswirkungen der Stoffe zu werfen wurden deshalb Experimente an einzelnen Sammlerinnen durchgeführt, ebenso wie an Bienenvölkern, bei denen die Substanzen verfüttert wurden. Als neuronal aktive Substanzen können sie die normale Funktion des Nervensystems von Bienen beeinflussen, was Veränderungen im Verhalten hervorrufen kann. Dies zeigt sich in Veränderungen in der Bewegung, Orientierung oder auch Interaktion mit anderen Bienen. Die Wirkung am Rezeptor variiert, trotz gleichen molekularen Ziels, stark zwischen den verwendeten Neonikotinoiden. Clothianidin wurde als Agonist beschrieben, der sogar stärkere Ströme als Acetylcholin bei gleicher Konzentration hervorrufen kann. Imidacloprid dagegen wurde bereits als partieller Agonist beschrieben, der geringere Ströme über den Rezeptor auslöst. In dieser Arbeit wurde ein erster Versuch durchgeführt um Thiacloprid ebenfalls als Agonist am nikotinischen Acetylcholin Rezeptor der Biene zu beschreiben. Hierbei wurde an einer Zelle in Kultur ein geringerer Strom ausgelöst.
Bienenvölker wurden unter kontrollierten Bedingungen gehalten, bei denen je eins der Neonikotinoide Clothianidin, Imidacloprid oder Thiacloprid in das Futter gemischt wurden. Hierfür wurden Dosen gewählt, bei denen davon ausgegangen werden konnte, dass keine akute Beeinflussung der Sammlerinnen bestand. Es konnte festgestellt werden, dass chronisches Füttern mit einer Zuckerlösung mit 8,876 mg/kg Thiacloprid zu einer verringerten Sammelleistung führte. Ebenso wurde die Entwicklung der Eier stark eingeschränkt, wobei die Königin weiterhin Eier legte. Es konnten nur vereinzelte verdeckelte Brutzellen, die ein spätes Entwicklungsstadium der Bienen darstellen, gefunden werden. Damit konnte gezeigt werden, dass geringe Dosen die Larval-Entwicklung von Bienen beeinflussen, eventuell durch Einflüsse auf die Kommunikation zwischen Ammenbienen und der Brut.
Um Auswirkungen auf einzelne Tiere zu zeigen, wurden unterschiedliche Parameter im Heimflug von Bienen nach Fütterung mit je einem der Neonikotinoide analysiert. Bienen mussten sich nach der Fütterung orientieren und von einer neuen Position den Heimweg zum Stock finden. Der Heimflug wurde per Radar verfolgt und so ein Flugprofil erstellt, das aus zwei Flugphasen bestand. Diese wurden durch die Navigation nach Vektorintegration und durch Landmarken unterteilt. Aus dem Flugprofil konnte abgelesen werden, wie lange die Bienen für die Phasen des Flugs benötigten, in welchem Hauptflugwinkel sie die erste Flugphase absolvierten, in welche Richtung sie am Ende der ersten Flugphase flogen und wie gerichtet der Flug war. Auch wurde erfasst, ob die Bienen überhaupt in der Lage waren zum Stock zurückzukehren. Hier zeigte sich, dass die Fütterung mit Zuckerwasser mit 0,6 µM und 0,9 µM Imidacloprid, ebenso wie mit 0,1 mM Thiacloprid zu einer verringerten Heimkehrwahrscheinlichkeit führte. In der ersten Flugphase konnte auch gezeigt werden, dass 0,2 µM Clothianidin im Zuckerwasser zu einem schnelleren Flug führte und dass der Flugwinkel im Vergleich zur Kontrolle in Richtung der wahren Position des Stocks verschoben war. Beide Imidacloprid-Gruppen zeigten eine ähnliche, signifikante Verschiebung des Flugwinkels, ebenso konnte im Flug selbst eine häufige Änderung der Richtung festgestellt werden. In der zweiten Flugphase zeigte sich, dass Bienen, welche mit Thiacloprid behandelt wurden häufiger eine inkorrekte Heimflugrichtung wählten, was in längeren Heimflügen resultierte. Die mit Clothianidin behandelten Bienen legten eine längere Flugstrecke zurück. Bienen, welche Imidacloprid beider Konzentrationen konsumierten, zeigten einen häufigen Wechsel ihrer Flugrichtung. Damit konnten bei allen drei gewählten Neonikotinoiden Einflüsse auf spezifische Komponenten der Navigation von Bienen gefunden und Einschränkungen im Heimkehr- und Orientierungsverhalten einzelner Sammlerinnen gezeigt werden. Somit konnten die eingehenden Fragen zumindest teilweise beantwortet werden und die Datenlage zur Frage der Schädlichkeit der, auch politisch umstrittenen, Substanzen erweitert werden.
ADAM15, which belongs to the family of the disintegrin and metalloproteinases, is a multi-domain transmembrane protein. A strongly upregulated expression of ADAM15 is found in inflamed synovial membranes from articular joints affected by osteoarthritis and especially rheumatoid arthritis (RA). During the chronic inflammatory process in RA the synovial membrane gets hyperplastic, resulting eventually in the formation of a pannus tissue, which can invade into the adjacent cartilage and bone thereby destroying their integrity. Previously, the expression of ADAM15 in fibroblasts of the RA synovial membrane was found to confer a significant anti-apoptotic response upon triggering of the Fas receptor, which resulted in the activation of two survival kinases, focal adhesion kinase (FAK) and Src. The Fas receptor, also named CD95, belongs to the death receptor family of the tumor necrosis factor receptors and stimulation of Fas/CD95 by its ligand FasL results in the execution of apoptotic cell death in synovial membranes of RA patients. However, the occurrence of apoptotic cell death in vivo in RA synovial tissues is considerably low despite the presence of FasL at high concentrations in the chronically inflamed joint. Accordingly, a general apoptosis resistance is a characteristic of RA-synovial fibroblasts that contributes considerably to the formation the hyperplastic aggressive pannus tissue. The objective of this study was to investigate the mechanisms underlying the capability of ADAM15 to transform FasL-mediated death- inducing signals into pro-survival activation of Src and FAK in rheumatoid arthritis fibroblasts (RASFs).
In the present study, the down-regulation of ADAM15 by RNA interference resulted in a significant increase of caspase 3/7 activity upon stimulation of the Fas receptor in RASFs. Likewise, chondrocytes expressing a deletion mutant of ADAM15 (ΔC), lacking the cytoplasmic domain, revealed increased caspase activities upon Fas ligation in comparison to cells transfected with full-length ADAM15, clearly demonstrating the importance of the cytoplasmic domain for an increased apoptosis resistance. Furthermore, activation of the Fas receptor triggered the phosphorylation of Src at Y416, which results in the active conformation of Src, as well as the phosphorylation of FAK at Y576/577 and Y861 – the target tyrosines phosphorylated by Src - in full-length ADAM15-transfected chondrocytes. However, cells transfected with ADAM15 mutant (ΔC) or with vector control did not exhibit any activation of Src and FAK upon Fas ligation. This suggested the presence of an as yet unknown protein interaction mediating the Fas triggered activation of the two kinases.
In order to identify this mechanism, the application of signal transduction inhibitors interfering with Calcium signaling either by inhibiting calmodulin with trifluoperazine (TFP) or the Calcium release-activated channel (CRAC/Orai1) with BTP-2 efficiently inhibited the phosphorylation of FAK and Src, revealing a role of calmodulin, the major Ca2+ sensor in cells, in ADAM15-dependent and Fas-elicited activation of the two survival kinases. Also, a direct Ca2+ -dependent binding of calmodulin to ADAM15 could be demonstrated by pull-down assays using calmodulin-conjugated sepharose and by protein binding assays using the recombinant cytoplasmic domain of ADAM15 and calmodulin.
Furthermore, it could be demonstrated in living synovial fibroblasts by double immunofluorescence stainings that triggering the Fas receptor by its ligand FasL or a Fas-activating antibody resulted in the recruitment of calmodulin to ADAM15 as well as to the Fas receptor in patch-like structures at the cell membrane. Simultaneously, Src associated with calmodulin was shown to become engaged in an ADAM15 complex, also containing cytoplasmic-bound FAK, by co-immunoprecipitations.
Additional studies were performed to analyze the efficacy of TFP and BTP-2 on apoptosis induction in synovial fibroblasts from 10 RA patients. Using caspase 3/7 and annexin V stainings for determining apoptosis, it could be shown that both inhibitors did not possess any apoptosis inducing capacity. However, when co-incubated with FasL both compounds synergistically enhanced apoptosis rates in the RASFs. Moreover, an additional silencing of ADAM15 revealed a further significant rise in apoptosis rates upon incubation with FasL/TFP or FasL/BTP-2, providing unequivocal evidence for an involvement of ADAM15 in facilitating apoptosis resistance in RASFs.
Taken together, these results demonstrate that ADAM15 provides a scaffold for the formation of calmodulin-dependent pro-survival signaling complexes upon CRAC/Orai1 coactivation by Fas ligation, which provides a new potential therapeutic target to break the apoptosis resistance in RASFs that critically contributes to joint destruction in RA.
In our rapidly changing world, land use has been recognized as having one of the strongest impacts on species and genetic diversity. The present state of temperate forests in Europe is a product of decisions made by former and current management and policy actions, rather than natural factors. Alterations of crown projection areas, structural complexity of the forest stand caused by thinning and cuttings, and changes in tree species composition caused by regeneration or plantings not only affect forest interior buffering against warming, but also the understorey light environment and nutrient availability. Ultimately, current silvicultural management practices have deep impact on the forest ecosystems, microenvironmental changes and forest floor understorey herbs. In response to environmental changes, plants rely on genetically heritable phenotypic variation, an important level of variation in the population, as it is prerequisite for adaptation. However, until now most studies on plant adaptation to land use focus on grassland management. Yet, studies on the adaptation of forest understorey herbs to forest management have been absent so far. This is important because understanding adaptation of understorey herbs is crucial for biodiversity conservation, forest restoration, and climate change mitigation. Studying current adaptation of understorey herbs to forest management yields insights into the evolutionary consequences of management practices, which could be employed to improve sustainable use of forest habitat.
In sum, my conducted experiments complement each other well and managed to fill in research gaps on the topic of genetically heritable phenotypic variation in understorey herbs and how it is affected by forest management and related microenvironmental variables. I showed that forest management has direct evolutionary consequences on the genetic basis of understorey herbs, but also indirectly through the microenvironment. Furthermore, I revealed that local adaptation and phenotypic plasticity of understorey herbs to forest structural attributes act along continuous gradients. And lastly, I highlighted the important role of intra-individual variation by revealing plastic responses to drought and shading, urging researchers to not ignore this important level of trait variation. Ultimately, understorey herbs in temperate forests employ phenotypic plasticity as a flexible strategy to adapt to varying environmental conditions. By adjusting their leaf characteristics, reproductive investment, and phenology, they can optimize their fitness and survival in response to changes in light availability, resource availability, and seasonal cues. The anthropogenic impact on temperate forests and understorey herbs will continue and likely increase in the future. This should urge foresters to adapt their silvicultural management decisions towards the long-term preservation of genetic diversity and, through this, the evolvability and adaptability of forest understorey herbs and associated organisms. Based on the results shown in my dissertation, variation in forest management regimes and types could be beneficial for promoting genetic diversity within several species of forest understorey herbs. Lastly, in the face of future climatic changes, the mechanisms by which plants can cope with increasing stressful environmental conditions might very well rely heavily on intra-individual variation, providing the necessary rapid plastic adjustment to changing microclimatic conditions within populations and thus increase climate change resilience.
Lysosomes are major degradative organelles that contain enzymes capable of breaking down proteins, nucleic acids, carbohydrates, and lipids. In the last decade, new discoveries have traced also important roles for lysosomes as signalling hubs, affecting metabolism, autophagy and pathogenic infections. Therefore, maintenance of a healthy lysosome population is of utmost importance to the cell to respond to both stress conditions and also homeostatic signalling. For example, for minor perturbations to the lysosomal membrane, the cell activates repair processes which seal membrane nicks. For more extensive damage, autophagy is activated to remove damaged organelles from the cell. on the other hand, during pathogen invasion host cells have also evolved mechanisms to hijack the endolysosomal pathway to facilitate their own growth and replication in host cells.
The first part of the thesis work focuses on a lysosomal regeneration program which is activated under conditions where the entire lysosomal pool of the cell is damaged. Upon extensive membrane damage induced by the lysosomotropic drug LLOMe, the cell activates a regeneration pathway which helps in the formation of new functional lysosomes by recycling damaged membranes. I have identified the molecules important for this novel pathway of lysosomal regeneration and showed how the protein TBC1D15 orchestrates this process to regenerate functional organelles from completely damaged membrane masses in the first 2 hours following lysosomal membrane damage. This process resembles the process of auto- lysosomal reformation (ALR)- involving the formation of lysosomal tubules which are extended along microtubules and cleaved in a dynamin2 dependent manner to form proto-lysosomes which develop into fully functional mature lysosomes. These lysosomal tubules are closely associated with ATG8 positive autophagosomal membranes and require ATG8 proteins to bind to the lysophagy receptor LIMP2 on damaged membranes. This process is physiologically important under conditions of crystal nephropathy where calcium oxalate crystals induce damage to lysosomal membranes in nephrons in kidney disease.
The second part of the thesis shows how the endolysosomal system of the cell is hijacked by the bacteriaLegionella pneumophila. During Legionella infection the formation of conventional ATG8 positive autophagosomes are blocked due to the protease activity of the bacterial effector protein RavZ which cleaves lipidated ATG8 proteins from autophagosomal membranes. The SidE effectors of Legionella modify STX17 and SNAP29 by the process of non-canonical ubiquitination called phosphoribose-linked serine ubiquitination (PR-Ub). These proteins are essential for the formation of the autophagosomal SNARE complex which is used for fusion of the autophagosome with the lysosome. Upon Legionella infection, PR-UB of STX17 aids in formation of autophagosome-like replication vacuoles. ThesevacuolesdonotfusewiththelysosomebecauseSNAP29isalsoPR-Ubmodified. PR-UbofSTX17 and SNAP29 sterically blocks the formation of the autophagosomal-SNARE complex thereby preventing fusion of the autophagosome with the lysosome. As a result, Legionella can replicate in autophagosome- like vacuoles which do not undergo lysosomal degradation. In absence of PR-Ub modified STX17, bacterial replication is compromised when measured by bacterial replication assays in lung epithelial (A549) cells.
Taken together, this thesis highlights two important aspects of the autophagy-lysosomal system- how it responds to extensive membrane damage and its importance in Legionella pneumophila infection. Extensive damage to lysosomal membranes triggers a rapid regeneration process to partially restore lysosomal function before the effects of TFEB dependent lysosomal biogenesis becomes apparent. On the other hand, Legionella pneumophila infection segregates the lysosomes from the rest of the endo-lysosomal system by blocking autophagosome-lysosome fusion. Though lysosomes remain active, they are incapable of degrading pathogens since pathogen containing vacuoles do not fuse with the lysosome.
Adaptive Radiation und Zoogeographie anisakider Nematoden verschiedener Klimazonen und Ozeane
(2013)
Anisakide Nematoden sind Parasiten aquatischer Organismen und weltweit in marinen Habitaten verbreitet. Ihre Übertragungswege sind tief im marinen Nahrungsnetz verwurzelt und schließen ein breites Spektrum pelagisch/benthischer Invertebraten (z.B. Cephalopoda, Gastropoda, Crustacea, Polychaeta) und Vertebraten (z.B. Teleostei, Elasmobranchia, Cetacea, Pinnipedia, Aves) als Zwischen- bzw. Endwirte ein. Aufgrund der hohen Befallszahlen u.a. in der Muskulatur und Viszera kommerziell intensiv genutzter Fischarten (z.B. Clupea harengus, Gadus morhua, Salmo salar) sowie ihrer Rolle als Auslöser der menschlichen Anisakiasis nehmen die Vertreter der Gattung Anisakis unter den anisakiden Nematoden eine Sonderstellung ein. Anhand der verbesserten Diagnostik und der Etablierung sowie Weiterentwicklung molekularbiologischer Methoden ist es in den letzten zwei Dekaden gelungen, die bestehende Taxonomie und Systematik der Gattung Anisakis zu erweitern bzw. zu revidieren. Aktuelle molekulare Analysen weisen auf die Existenz von insgesamt neun distinkten Arten hin, welche eine hohe genetische Heterogenität und Wirtsspezifität aufweisen, äußerlich jedoch nahezu identisch sind (sog. kryptische Arten). Trotz kontinuierlicher Forschung auf dem Gebiet ist das Wissen über die Biologie von Anisakis immer noch unzureichend.
Die vorliegende Dissertation ist in kumulativer Form verfasst und umfasst drei (ISI-) Einzelpublikationen. Die Zielsetzung der durchgeführten Studien bestand unter anderem darin, unter Verwendung molekularbiologischer und computergestützter Analyseverfahren, Fragestellungen zur Zoogeographie, (Co-)Phylogenie, Artdiagnostik, Lebenszyklus-Ökologie sowie des bioindikatorischen Potentials dieser Gattung zu bearbeiten und bestehende Wissenslücken zu schließen.
Die Verbreitung von Anisakis, welche bisher ausschließlich anhand von biogeographischen Einzelnachweisen abgeschätzt wurde, konnte durch den angewandten Modellierungsansatz erstmalig interpoliert und in Kartenform vergleichend dargestellt werden. Dabei wurde gezeigt, dass die Verbreitung von Anisakis spp. in den Ozeanen und Klimazonen nicht gleichmäßig ist. Die Analysen deuten auf die Existenz spezies-spezifischer horizontaler und vertikaler Verbreitungsmuster hin, welche neben abiotischen Faktoren durch die Verbreitung und Abundanz der jeweiligen Zwischen- und Endwirte sowie deren Tiefenverteilung und Nahrungspräferenzen geprägt sind.
Durch die umfangreiche Zusammenstellung und anschließende Kategorisierung der (mit molekularen Methoden) geführten Zwischenwirtsnachweise konnten indirekte Rückschlüsse über die vertikale Verbreitung von Anisakis spp. entlang der Tiefenhabitate gezogen werden.
Während Anisakis auf Gattungsebene in der gesamten Wassersäule entlang verschiedener Tiefenhabitate abundant ist, wurde für die stenoxene Art Anisakis paggiae ein meso-/bathypelagisch orientierter Lebenszyklus postuliert. Durch den Einbezug eines breiten Spektrums (paratenischer) Zwischen- und Transportwirte aus unterschiedlichen trophischen Ebenen werden Transmissionslücken im Lebenszyklus der Gattung weitestgehend minimiert und der Transmissionserfolg auf den Endwirt, und damit die Wahrscheinlichkeit einer erfolgreichen Reproduktion, erhöht. Ausgeprägte Wirtspräferenzen sowie phylogenetische Analysen des ribosomalen ITS-Markers stützen eine Theorie zur co-evolutiven Anpassung der Parasiten an ihre Endwirte. Anisakis eignet sich daher unter Einschränkungen als Bioindikator für die vertikale und horizontale Verbreitung und Abundanz der Endwirte und lässt Rückschlüsse auf trophische Interaktionen im Nahrungsnetz zu. Durch die weitere Beprobung von Zwischenwirten aus verschiedenen trophischen Ebenen in zukünftigen Studien, kann eine genauere Bewertung potentiell abweichender Lebenszyklus-Strategien gewährleistet werden. Insbesondere ist die Datenlage zur Prävalenz und Abundanz anisakider Nematoden in Cephalopoda und Crustacea noch unzureichend. Die Probennahme sollte dabei unter besonderer Berücksichtigung bislang wenig oder unbeprobter geographischer Regionen, Tiefenhabitate und Wirtsarten durchgeführt werden.
In the adult mammalian central nervous system, two defined neurogenic regions retain the capacity to generate new neurons throughout adulthood, namely the subependymal zone (SEZ) at the lateral ventricles and the subgranular layer of the hippocampus (SGL). Adult neurogenesis consists of a whole set of events including proliferation, fate specification, migration, survival and finally synaptic integration of newly born neurons. Each of these events is controlled by the interplay of numerous factors. In this study two signalling systems were analysed with regard to their functional role in adult neurogenesis in vivo, namely the purinergic system and the growth factor EGF. Neither short- nor long-term application of the P2Y receptor agonists UTP and ADPβS and the P2Y receptor antagonist suramin into the lateral ventricle of adult mice altered cell responses as compared to vehicle controls in vivo. In contrast, analysis of the expansion rates of cultured neural stem cells (NSCs) from knockout mice revealed a strong increase in the number of NSCs from NTPDase2-/- mice, whereas cell numbers of NSCs from P2Y1-/- and P2Y2-/- mice were significantly reduced in comparison to wildtype levels. Notably, in vivo proliferation rates were potently elevated in the SGL and the SEZ of NTPDase2-deficient mice. However, in vivo proliferation in both neurogenic niches of the single receptor knockout mice P2Y1-/- and P2Y2-/- and P2Y1-/- P2Y2-/-double-knockout mice did not differ significantly from the wildtype. In mice lacking the P2Y2 receptor the survival of newly born neurons in the hippocampal granule cell layer was significantly increased. These data provide the first line of evidence that purinergic signalling is involved in the control of neural stem cells behaviour not only in vitro but also in vivo. In order to further characterise the role of epidermal growth factor (EGF) in adult neurogenesis, transit amplifying precursors (TAPs) and type B astrocytes were identified as EGF-responsive cell populations following ventricular EGF injection, whereas ependymal cells, neuroblasts and NG2-positive cells did not or only to a minor extent respond to EGF injection. These EGF-responsive cell populations were found on both, the septal as well as striatal lateral ventricle walls. Long-term ventricular EGF infusion for 6d, 1. increased cell proliferation of both ventricle walls revealing a gradient along the rostro-caudal axis, 2. altered the balance between neuronal and macroglial cell fates to generate oligodendrocyte precursors and 3. lead to an entire remodelling of the classical architecture of the SEZ.
Heat stress transcription factors (Hsfs) play essential role in heat stress response and thermotolerance by controlling the transcriptional activation of heat stress response (HSR) genes including molecular chaperones. Plant Hsf families show a striking multiplicity, with more than 20 members in the many plant species. Among Hsfs, HsfA1s act as the master regulators of heat stress (HS) response and HsfA2 becomes one of the most abundant Hsfs during HS. Using transgenic plans with suppressed expression of HsfA2 we have shown that this Hsf is involved in acquired thermotolerance of S. lycopersicum cv Moneymaker as HsfA2 is required for high expression and maintenance of increased levels of Hsps during repeated cycles of HS treatment.
Interestingly, HsfA2 undergoes temperature-dependent alternative splicing (AS) which results in the generation of seven transcript variants. Three of these transcripts (HsfA2-Iα-γ), generated due to alternative splicing of a second, newly identified intron encode for the full length protein involved in acquired thermotolerance. Another 3 transcripts (HsfA2-IIIα-γ) are generated due to alternative splicing in intron 1, leading in all cases to a premature termination codon and targeting of these transcripts for degradation via the non-sense mRNA decay mechanism (NMD).
Interestingly, excision of intron 2, results into the generation of a second previously unreported protein isoform, annotated as HsfA2-II. HsfA2-II shows similar transcriptional activity to the full-length protein HsfA2-I in the presence of HsfA1a but lacks the nuclear export signal (NES) required for nucleocytoplasmic shuttling which allows efficient nuclear retention and stimulation of transcription of HS-induced genes. Furthermore, stability assays showed that HsfA2-II exhibits lower protein stability compared to HsfA2-I.
The presence of a second intron and the generation of a second protein isoform we identified in other Solanaceae species as well. Remarkably, we observed major differences in the splicing efficiency of HsfA2 intron 2 among different tomato species. Several wild tomato accessions exhibit higher splicing efficiency that favors the generation of HsfA2-II, while in these species the splice variant HsfA2-Iγ is absent. This natural variation in splicing efficiency specifically occurring at temperatures around 37.5oC is associated with the presence of 3 intronic polymorphisms. In the case of wild species these polymorphisms seemingly restrict the binding of RS2Z36, identified as a putative splicing silencer for HsfA2 intron 2.
Tomato accessions with the polymorphic “wild” HsfA2 show enhanced thermotolerance against a direct severe heat stress incident due to the stronger increase of Hsps and other stress induced genes. Introgression of the “wild” S. pennellii HsfA2 locus into the cultivar M82, resulted in enhanced seedling thermotolerance highlighting the potential use of the polymorphic HsfA2 for breeding.
We conclude that alterations in the splicing efficiency of HsfA2 have contributed to the adaption of tomato species to different environments and these differences might be directly related to natural variation in their thermotolerance.
Zur Untersuchung der Zusammensetzung und Diversität von Bambusameisengemeinschaften (Hymenoptera, Formicidae) sowie ausgewählten Nischenparametern der beteiligten Ameisenarten, wurden auf dem Gelände des Gombak Field Studies Centre (University Malaya, Selangor, Westmalaysia) fünf Haine von Riesenbambusarten (Gigantochloa scortechinii, G. thoii, Bambusoidea) gefällt und abgesammelt. Es wurden Hinweise auf deterministische oder stochastische Strukturierungsmechanismen der Ameisengemeinschaften gesucht. Hierzu wurden verschiedene Fragestellungen anhand der Multiplen Regression untersucht. Zusätzlich wurden Stichproben von Bambusschößlingen und jungen Bambushalmen hinsichtlich der Nutzungsweise und Besiedlung durch Ameisen studiert. In der vorliegenden Arbeit werden die Ergebnisse der Auswertung auf Hainebene, d. h. der Bambusameisenzönosen als Ganzes betrachtet, vorgestellt. 1. In fünf Bambushainen wurden bisher 66 nistende Ameisenarten aus 21 Gattungen und 6 Unterfamilien identifiziert. Die drei gattungs
Bei Nicht-Säugern, speziell beim Vogel, kommt es nach einem durch Schall oder ototoxische Substanzen verursachten Innenohrtrauma, zu einer spontanen Regeneration der Haarzellen und weitreichender funktioneller Erholung des Hörvermögens. In bisherigen Untersuchungen konnte gezeigt werden, daß beim Vogel die funktionelle Erholung des Hörvermögens nach Innenohrtrauma, trotz spontaner Regeneration der Haarzellen, nicht vollständig ist. Ziel dieser Studie war es herauszufinden, ob die nach Haarzellschädigung und Regeneration beobachtete unvollständige Restitution des Hörvermögens nach alleiniger Nervenfaserschädigung ausbleibt. In einem ersten Schritt wurde mit immunhistochemischen Methoden untersucht, ob AMPA-Rezeptoruntereinheiten im Innenohr der Taube exprimiert werden. Durch die Verwendung von polyklonalen Antikörpern gegen GluR1, GluR2, GluR3 und GluR4 konnte gezeigt werden, daß diese AMPA-Rezeptoruntereinheiten im Innenohr des Vogels exprimiert werden. Eine punktförmige immunreaktive Färbung konnte sowohl auf den Ganglienzellen als auch unterhalb der Haarzellen, in der Region der Synapsen, für GluR2/3 und GluR4, nicht aber für GluR1 festgestellt werden. Auf den Haarzellen selbst konnte eine immunreaktive Färbung für GuR4 nachgewiesen werden. Die Immunoblotanalyse zeigte für die Antikörper gegen GluR1, GluR2/3 und GluR4 Banden bei dem Molekulargewicht der Proteine von 100 kDa. In einem zweiten Schritt wurden die Auswirkungen von AMPA auf die afferenten Hörnervenfaserendigungen morphologisch und physiologisch untersucht. Es zeigte sich, daß die afferenten Hörnervenfaserendigungen durch Applikation von AMPA in den Recessus scalae tympani (30µl/15 min.) geschädigt wurden. Der Verlauf der CAP (Compound action potential)-Hörschwellenkurven wurde sowohl über einen Zeitraum von 8 Stunden, als auch über einen Zeitraum von mehreren Monaten ermittelt. In ebenfalls durchgeführten Kontrollversuchen, bei denen künstliche Perilymphe ohne AMPA infundiert wurde, traten keine Hörverluste auf. Somit konnte eine Schädigung des Innenohres bzw. Hörverluste durch den operativen Eingriff oder durch die Infusion ausgeschlossen werden. Die beobachteten Hörverluste sind also spezifisch auf die Wirkung von AMPA zurückzuführen. Bei der Applikation von 1 mM AMPA-Lösung konnte eine Erhöhung der Hörschwellen um bis zu 80 dB im hochfrequenten Bereich und bis zu 30 - 40 dB im tieffrequenten Bereich über den Zeitraum von mehreren Stunden beobachtet werden. Am dritten Tag nach der AMPA-Applikation zeigten alle untersuchten Tiere eine Verbesserung der Hörschwellen um 20 - 40 dB. Weitere Messungen über den Zeitraum von zwei bis drei Monate zeigten, daß bei einigen Tieren innerhalb von 7 - 21 Tagen die Hörschwellenkurven die Ausgangswerte des unbehandelten Ohres erreichten, daß aber bei der Mehrheit der Tiere eine Anhebung der Hörschwellen von ca. 20 - 30 dB im hochfrequenten Bereich bestehen blieb. Die mittlere bleibende Schwellenanhebung, gemittelt für alle Frequenzen, betrug 8 dB + 5 dB. Bei den Tieren, bei denen ein hochfrequenter Verlust bestehen blieb, erreichten auch die ermittelten CAP-Amplituden bei den hohen Frequenzen ihre Ausgangswerte nicht mehr. Zusätzlich zu den CAP-Schwellenkurven wurden 13 - 15 Wochen nach AMPA-Instillation die Antworteigenschaften einzelner Hörnervenfasern erhoben. Fasern, deren charakteristische Frequenz (CF) über 0,3 kHz lag, zeigten signifikant erhöhte CF-Schwellen. Für Fasern mit CF-Werten über 0,4 kHz wurden verminderte Q10dB-Werte gefunden, während die Spontanentladungsrate für Fasern mit CF-Werten über 0,18 kHz erhöht war. Die maximale Entladungsrate war bei allen Fasern, für die dieser Wert ermittelt wurde (n = 20), ebenfalls erhöht. Neurone, deren CF über einem Wert von 1,5 kHz lag, konnten, methodisch bedingt, nicht untersucht werden. Diese beobachteten funktionellen Veränderungen in der Aktivität und Sensitivität der auditorischen Neurone weisen darauf hin, daß es bei der Wiederherstellung der Verbindung zwischen Haarzelle und neuraler Synapse zu dauerhaften Schäden kommt. Mittels elektronenmikroskopischer Darstellung konnten bei den Tieren, die direkt nach der Infusion (nach 10 min.) der AMPA-Lösung dekapitiert wurden, große vakuolisierte afferente Terminalien unterhalb der Haarzellen gefunden werden. Die efferenten Nervenendigungen waren nicht beschädigt. Während im apikalen Bereich der Papilla basilaris sehr viele Vakuolen bzw. zerstörte afferente Nervenfaserendigungen zu sehen waren, konnten deutlich weniger Vakuolen im medialen Teil und nur sehr wenige Vakuolen im basalen Teil gefunden werden. Dieser Befund korreliert mit der Verteilung der afferenten Nervenfasern entlang der Papilla basilaris. Bei Tieren, die zwei Wochen nach der AMPA-Applikation dekapitiert wurden, konnten keine morphologischen Veränderungen mehr gefunden werden. Die untersuchten Papillen waren von den Kontrollohren nicht mehr zu unterscheiden. Dies zeigt, daß auf struktureller Ebene scheinbar eine vollständige Rekonstitution der Verbindung zwischen Haarzelle und Synapse stattfindet. Dieser Befund steht im Widerspruch zu den elektrophysiologisch erhobenen Daten. Festzuhalten bleibt, daß auch bei ausschließlicher Schädigung der afferenten Nervenendigungen und trotz deren Neubildung ein residualer Hörverlust bestehen bleibt. Als Ursache für die mangelhafte funktionelle Erholung des Hörvermögens könnten durch die längere Abwesenheit der Nervenfaserendigungen hervorgerufene Veränderungen der Eigenschaften der Haarzellen oder eine veränderte Expression und Funktion der Glutamatrezeptoren in Frage kommen.
Die Zuckertransporterfamilie ist eine Unterfamilie der MFS („major facilitator superfamily“), wobei die MFS wiederum als Überfamilie von Transportproteinen definiert wurde, die sich aus Proteinen mit 12 Transmembran-Domänen zusammensetzt. Im Rahmen dieser Doktorarbeit sollte die subzelluläre Lokalisation und physiologische Funktion der uncharakterisierten Mitglieder der Zuckertransporterfamilie Ybr241 und Ygl104 untersucht werden. Mittels Zellfraktionierung durch Saccharosedichtegradienten-Zentrifugation und Fluoreszenzmikroskopie konnte eine Lokalisation von Ybr241 und Ygl104 in der vakuolären Membran festgestellt werden. Da Plasmamembran-Proteine zur Degradation ubiquitiniert, über Endocytose internalisiert und in der Vakuole abgebaut werden, wurden weitere Lokalisationsstudien sowohl in Endocytose-Mutanten als auch in einer Mutante mit Defekten in der Ubiquitinierung durchgeführt. Diese ergaben, daß die vakuoläre Lokalisation nicht auf Degradation zurückzuführen war. Somit handelt es sich bei Ybr241 und Ygl104 um residente vakuoläre Membranproteine. Lokalisationsstudien in vps-Mutanten erbrachten Hinweise darauf, daß zumindest Ygl104, wie die meisten vakuolären Proteine, über den CPY-Weg zur Vakuole befördert wird. Weder durch Wachstumsanalysen noch mit Hilfe von Phenotype MicroArrays™ (Biolog, Inc.) konnten Phänotypen der Deletionsmutanten von Ybr241 und Ygl104 identifiziert werden. Allerdings zeigte sich im Verlauf der Arbeit, daß die Deletionsmutanten einen Vorteil beim Wachstum mit geringen Glucosekonzentrationen bei 37°C haben. Des weiteren bestanden aufgrund von Datenbankanalysen Anhaltspunkte auf eine Beteiligung am Trehalosestoffwechsel. Durch Hitzeschockexperimente konnte eine essentielle Rolle von Ybr241 und Ygl104 bei der Resistenz von Zellen gegenüber schwerem Hitzestreß identifiziert werden. Die verminderte Thermotoleranz der Deletionsmutanten war aber nicht auf einen geringeren Gehalt der Zellen am Streßschutzmolekül Trehalose zurückzuführen. Zudem deckte ein SGA („synthetic genetic array“) eine synthetisch kranke Interaktion von YBR241C und YGL104C mit dem Gen der Trehalose-6-Phosphat-Synthase TPS1 auf. Diese Interaktion sprach gegen eine Beteiligung der Genprodukte am Trehalosestransport, da tps1-Mutanten keine Trehalose enthalten. tps1-Mutanten haben einen Wachstumsdefekt mit schnell fermentierbaren Kohlenstoffquellen, der höchstwahrscheinlich auf einen Mangel an freiem Phosphat zurückzuführen ist. Somit scheinen die Proteine Ybr241 und Ygl104 die intrazelluläre Phosphatkonzentration zu beeinflussen. Eine Analyse ergab, daß der Phosphat- und Polyphosphatgehalt der Mutanten teilweise stark herabgesetzt war. Der Einfluß könnte direkt durch Phosphatimport in die Vakuole stattfinden oder sekundär über eine Verminderung der Glycerinproduktion, da durch die Synthese von Glycerin wieder Phosphat freigesetzt wird. Somit handelt es sich bei Ybr241 und Ygl104 möglicherweise um vakuoläre Phosphat- oder Glycerintransporter. Ferner konnte gezeigt werden, daß die saure Trehalase Ath1 sekretiert wird und Trehalose extrazellulär in Glucose hydrolysiert. Die Glucosemoleküle werden dann von der Hefezelle aufgenommen und verstoffwechselt. Somit spielt Ath1 eine essentielle Rolle beim Wachstum der Hefe mit Trehalose als Kohlenstoffquelle. Ziel des zweiten Teils dieser Doktorarbeit war die Entwicklung eines genomweiten Screens nach ER-Verpackungschaperonen, durch den bisher unbekannte Verpackungschaperone identifiziert werden sollten. Durch Testen verschiedener Varianten des Screens konnte ein Verfahren entwickelt werden, das prinzipiell funktionierte. Für den Einsatz im genomweiten Maßstab war es jedoch ungeeignet, da mit einer hohen Rate an falsch negativen Ergebnissen zu rechnen gewesen wäre.
Die Kombination aus proteolytischer Spaltung, massenspektrometrischer Analyse und Datenbanksuche ist eine etablierte Methode zur Identifizierung von Proteinen. Ist die Identität eines Proteins geklärt, dann stellt sich im Anschluß daran häufig die Frage nach den posttranslationalen Modifikationen des Proteins. Auch hierfür ist die Massenspektrometrie eine prädestinierte und häufig angewandte Methode. Eine der wichtigsten posttranslationalen Modifikationen eukaryotischer Proteine ist die Phosphorylierung an Ser-, Thr- und Tyr-Resten. In der vorliegenden Arbeit ist die Weiterentwicklung und Anwendung zweier massenspektrornetrischer Methoden zur Analyse der Proteinphosphorylierung beschrieben: i) der Neutralverlust-Scan zur selektiven Detektion von Ser/Thr-phosphorylierten Peptiden, und ii) die Metallaffinitätschromatographie zur selektiven Anreicherung von Phosphopeptiden. Bei der Optimierung der Analytik der Proteinphosphorylierung mittels Neutralverlust-Scan hatte sich am Beispiel der katalytischen Untereinheit der Proteinkinase A gezeigt, dass die Verwendung einer Protease mit geringer Spaltungsspezifität (Elastase) wesentliche Vorteile gegenüber einer Protease mit hoher Spaltungsspezifität (Trypsin) besitzt. Die kleineren Elastase-generierten Phosphopeptide zeigen im Vergleich zu den Trypsin-generierten Phosphopeptiden eine effektivere Phosphorsäure-Abspaltung und lassen sich im Neutralverlust-Scan mit deutlich besserer Empfindlichkeit detektieren. in weiterer Vorteil der Elastase ist in ihrer Eigenschaft partiell überlappende Peptide zu generieren begründet. Die Metallaffinitätschrornatographie wurde eingesetzt, um die Elastase-generierten Phosphopeptide selektiv anzureichern. Es konnte gezeigt werden, dass die Metallaffinitätschromatographie eine geeignete Methode ist, um die Komplexität des Elastase-generierten Peptidgemischs drastisch zu reduzieren, so dass eine automatische Fragmentionen-Analyse aller angereicherten Peptide mittels nanoESl möglich ist. Die Leistungsfähigkeit der Kombination aus Elastase-Verdau, Metallaffinitätschromatographie und Q-TOF- Tandem-MS wurde am Beispiel des Transkriptionsinitiationsfaktors IA unter Beweis gestellt, wo mit Hilfe dieser Analysen-Strategie drei bislang unbekannte in-vivo-Phosphorylierungsstellen nachgewiesen werden konnten. Neben der Proteinphosphorylierung wurden in dieser Arbeit auch eine Reihe anderer kovalenter Modifikationen untersucht. Bei der Analyse der katalytischen Untereinheit der Proteinkinase A konnten neben einer bislang unbekannten fünften Phosphorylierungsstelle an Ser259 auch die Modifikation von Cys343 durch Glutathion und die N-terminale Modifikation durch Gluconsäure nachgewiesen werden. Mittels Q-TOF-Tandem-MS wurde die in-vivo-Myristoylierung des humanen Proteins GAPR 1 nachgewiesen. Mittels der sog Top-Down-Analyse wurde am Beispiel des Proteins Dynamin A gezeigt, wie mittels dieser Strategie eine vollständige Charakterisierung aller kovalenten Modifikationen eines Proteins erreicht werden kann. Im Falle von Dynamin A konnte die Acetylierung des N-terminalen Methionins nachgewiesen werden. Andere kovalente Modifikationen konnten ausgeschlossen werden. Im letzten Kapitel der vorliegenden Arbeit wird am Beispiel von Dynamin A gezeigt, wie sich die Kombination aus partieller proteolytischer Spaltung, Tandem-MS und Datenbanksuche effektiv zur Charakterisierung der Domänenstruktur von Proteinen einsetzen lässt.
Das humane Genom besteht zu etwa 8% aus retroviralen Sequenzen. Davon sind ca. 1-2% dem humanen endogenen Retrovirus K (HERV-K) zuzuordnen. Das Virus ist mit ca. 30-50 Proviren und ca. 10.000 sLTRs im humanen Genom vertreten. HERV-K besitzt intakte ORFs für alle retroviralen Proteine und zusätzlich ein ORF für das akzessorische Protein Rec. Obwohl eine basale Transkription in verschiedenen Geweben nachgewiesen werden konnte, ist eine Expression von HERV-K Proteinen und Viruspartikeln nur in Keimzelltumoren nachgewiesen worden. In dieser Arbeit wurde die transkriptionelle Regulation des gewebespezifischen Promotors von HERV-K näher charakterisiert. Hierbei wurden regulatorisch wichtige Sequenzen mit Hilfe des Luziferase-Assays eingegrenzt. Transkriptionell sensitive Regionen wurden daraufhin im EMSA auf die Bindung von Transkriptionsfaktoren untersucht. Durch transiente Transfektionen von Luziferasereporterkonstrukten in verschiedenen Zelllinien stellte sich heraus, dass HERV-K LTRs in Keimzelltumorzellen aktiv sind, dass es aber auch inaktive LTRs gibt, die im Zuge der Evolution durch Punktmutationen ihre transkriptionelle Aktivität verloren haben. Aktive und inaktive LTRs unterscheiden sich durch Punktmutationen, die sich in verschiedenen Sequenzabschnitten häufen. Chimäre Konstrukte aus aktiven und inaktiven Sequenzabschnitten und gezielte Mutationen und Deletionen in aktiven HERV-K LTRs enthüllten verschiedene DNA-Bereiche, die transkriptionelle Sensitivität aufweisen. Die LTR-Bereiche bps 572-578, bps 757-798 und bps 809-823 waren im Aktivitäts-Assay besonders empfindlich gegenüber Mutation. In diesen Bereichen liegen zum einen GC/GT-Boxen, also Konsensussequenzen für die Transkriptionsfaktoren Sp1 und Sp3, zum anderen Konsensussequenzen für ein Inr und ein DPE. Das Binden von Sp1 und Sp3 auf den GC/GT-Boxen der bps 757-798 konnte durch eine EMSA-Analyse bewiesen werden. Der transkriptionell sensitive Bereich der bps 572-578 weist eine weitere putative GC/GT-Box auf. Die TATA-Box bei bp 532 zeigte sich unempfindlich gegenüber Mutation. Eine Beteiligung dieser Konsensussequenz am basalen Promotor wurde deshalb ausgeschlossen. Unterstützt durch die Ergebnisse einer 5’-RACE, ein Verfahren, dass den Transkriptionsstart eines bestimmten Gens bestimmen kann, konnte gezeigt werden, dass der basale HERV-K Promotor aus Konsensusequenzen für die Transkriptionsfaktoren Sp1 und Sp3 , einem Inr und einem DPE besteht. Sp1 und Sp3 sind ubiquitäre Transkriptionsfaktoren, die durch ihr Mengenverhältnis in einem bestimmten Gewebe oder durch posttranslationale Modifikationen unterschiedliche Auswirkungen auf die Transkription haben können. Diese Eigenschaften könnten zur Gewebespezifität von HERV-K beitragen. Die Core Promotor Komponenten Inr und DPE sind für die korrekte Positionierung von TFIID und damit der PolII verantwortlich. Des weiteren wurde eine starke Beteiligung des Testis-spezifischen Transkriptionsfaktors SRY an der Transkription von HERV-K belegt. Im Luziferase-Assay konnte ein SRY-Expressionsplasmid die Transkription eines aktiven LTRs in GH- wie auch in HeLa-Zellen steigern. Ein Indiz dafür, dass es sich um einen für die Transkription von HERV-K essentiellen Faktor handelt. Verschiedene SRY-Konsensussequenzen auf der HERV-K LTR machen eine Wirkung in cis wahrscheinlich, doch könnte auch in trans ein für die Transkription wichtiger Transkriptionsfaktor in seiner Expression verstärkt werden. Ebenfalls konnte bewiesen werden, dass epigenetische Mechanismen eine starke Rolle bei der Transkription von HERV-K spielen. Die Methylierung eines LTR-haltigen Luziferase-Reportervektors führte zum fast vollständigen Verlust der transkriptionellen Aktivität. Es bleibt abzuwarten, in welcher Weise die Schlüsselkomponenten Sp1, Sp3, SRY und Hypermethylierung des HERV-K Genoms zur Gewebespezifität von HERV-K beitragen.
Durch die Behandlung HIV-positiver Patienten mit einer Kombinationstherapie verschiedener antiviraler Substanzen (HAART = hochaktive antiretrovirale Therapie) kann die Virusreplikation über einen längeren Zeitraum unterdrückt werden. Allerdings hat diese Therapie Limitationen. Die Medikamente verursachen hohe Therapiekosten, haben zum Teil starke Nebenwirkungen und es entstehen mit der Zeit resistente Viren. Eine Alternative besteht in der somatischen Gentherapie der HIV-Infektion. Bei diesen Ansätzen werden Zellen der Patienten genetisch modifiziert, so dass sie ein antivirales Genprodukt exprimieren. In der vorliegenden Arbeit wurde ein membrangebundenes, antivirales C46 Peptid (maC46) sowohl in vitro in Zelllinien und primären humanen T-Zellen als auch in vivo in zwei humanisierten Mausmodellen getestet. Das C46 Peptid entstammt der C-terminalen "heptad repeat" Sequenz des HIV Hüllproteins gp41. C-Peptide wie C46 oder auch T20, welches bereits für die HAART Therapie zugelassen ist, binden während der Fusion des Virus mit der Zielzelle an gp41 und inhibieren so die Fusion. Werden T-Zelllinien oder primäre humane T-Zellen mit einem gammaretroviralen Vektor, der maC46 codiert, transduziert, können sie sehr effizient vor einer Infektion mit HIV geschützt werden [30]. Dieser Vektor wurde bereits in einer klinischen Studie mit T-Zellen von 10 HIV-positiven Patienten getestet [142]. Dabei konnte allerdings kein antiviraler Effekt der Gentherapie beobachtet werden. Hier wurde nun ein lentiviraler Vektor für maC46 (LV-maC46-GFP) verwendet. Lentivirale Vektoren transduzieren im Gegensatz zu gammaretroviralen auch ruhende Zellen, was ein kürzeres ex vivo Aktivierungs- und Transduktionsprotokoll ermöglicht. Außerdem ist für lentivirale Vektoren das Risiko der Transformation der Zelle niedriger als für gammaretrovirale. Für eine mögliche klinische Anwendung sollte es daher tolerierbar sein, für lentivirale Vektoren eine höhere MOI zu verwenden als für gammaretrovirale. Eine höhere Transduktionseffizienz sollte auf der anderen Seite auch eine effektive und langanhaltende Transgenexpression ermöglichen. Zunächst wurde gezeigt, dass sowohl die T-Zelllinie PM-1 als auch primäre humane T-Zellen nach Transduktion mit LV-maC46-GFP vor einer Infektion mit HIV geschützt waren und während der Infektion einer gemischten Kultur einen Selektionsvorteil gegenüber nicht-transduzierten Zellen hatten. Dabei konnte auch durch konfokale Mikroskopie gezeigt werden, dass das Virus die maC46-exprimierenden Zellen nicht injizieren konnte, sondern lediglich auf der Zelloberfläche gebunden wurde. Im Weiteren wurden zwei humanisierte Mausmodelle etabliert, um LV-maC46-GFP in vivo zu testen. Im humanen Immunsystem Mausmodell (HIS-Mausmodell) wurden immundefiziente Mäuse mit humanen Blutstammzellen repopuliert. In den Tieren kam es zu einer de novo Bildung von humanen, reifen T-Lymphozyten durch Thymopoese. Dabei wurden im Blut der Tiere humane, maC46- exprimierende CD4+ T-Zellen detektiert. Nach Infektion der Tiere mit HIV wurden diese T-Zellen depletiert. Es kam allerdings nicht zu einer Anreicherung oder einem selektiven Überleben der genmodifizierten T-Zellen. Eine Erklärung dafür könnte eine gestörte T-Zellhomeostase in den Tieren sein. Das zweite humanisierte Mausmodell (T-Zellmausmodell) verwendete immundefiziente Mäuse, die mit transduzierten humanen T-Zellen repopuliert wurden. Die Infektion mit HIV erfolgte entweder in vitro vor Transplantation der Zellen oder in vivo nach Repopulierung der Tiere. In beiden Fällen konnte ein selektives Überleben maC46-exprimierender CD4+ T-Zellen nach HIV-Infektion beobachtet werden. Im letzten Teil der vorliegenden Arbeit wurde die Weiterentwicklung von maC46, eine sekretierte Variante des C46-Peptids (iSAVE), im T-Zellmausmodell getestet. Ein sekretierter Fusionsinhibitor stellt insofern eine Weiterentwicklung des membrangebundenen dar, als nicht nur die genmodifizierten Zellen, sondern zusätzlich auch nicht-modifizierte Nachbarzellen vor einer Infektion mit HIV geschützt werden könnten. Dadurch erhöht sich auch das Spektrum an möglichen Produzentenzellen für den Fusionsinhibitor. In den hier beschriebenen Experimenten wurden humane T-Zellen entweder mit einem gammaretroviralen (RV-iSAVE) oder einem lentiviralen Vektor (LV-iSAVE) transduziert und die Experssion das iSAVE-Peptids wurde im Serum der Tiere gemessen. In beiden Ansätzen konnte iSAVE Peptid im Serum der Tiere detektiert werden. In weiteren Experimenten sollte nun untersucht werden, ob dieses in vivo sekretierte iSAVE Peptid antiviral aktiv ist und die humanisierten Mäuse vor einer Infektion mit HIV schützen kann.
Innerhalb des adaptiven Immunsystems spielt der Major Histocompatibility Complex (MHC)-Klasse I-Weg der Antigenpräsentation eine essenzielle Rolle bei der Erkennung und Zerstörung Virus-infizierter Zellen. Ein grundlegender Schritt innerhalb dieses Prozesses ist die Translokation endogener Peptide durch den transporter associated with antigen processing (TAP) in das ER-Lumen. Der TAP-Transporter ist zusammen mit verschiedenen Chaperonen und weiteren Faktoren in einem Peptidbeladungskomplex (PLC) assoziiert. Insbesondere Herpesviren, die durch eine lebenslange Persistenz im Wirt und wiederkehrende Reaktivierung unter Stresssituationen gekennzeichnet sind, interferieren direkt mit dem PLC und dem TAP-Transporter. Das varicellovirale Typ-I-Membranprotein UL49.5 inhibiert den TAP-Komplex, wobei das Protein des Rinderherpesvirus (Bovines Herpesvirus 1, BHV-1) zusätzlich die proteasomale Degradation verschiedener Komponenten des PLCs einleitet. Dieser Mechanismus wird durch die C-terminale Domäne des UL49.5-Proteins vermittelt und ist von keinem anderen Virusprotein bekannt. Welche Aminosäuren des Virusproteins jedoch für diese Inhibition und Degradation essenziell sind, wurde bisher nicht aufgeklärt. Ziel der vorliegenden Doktorarbeit war es, die Funktionsweise des BHV-1 UL49.5-Proteins zu verstehen und insbesondere zu analysieren, welche Bereiche des Proteins für die proteasomale Degradation des TAP-Komplexes verantwortlich sind. Das UL49.5-Protein wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit erfolgreich in Insektenzellen und in HeLa-Zellen exprimiert. Mittels Coimmunpräzipitation (Co-IP) wurde daraufhin die Bindung verschiedener UL49.5-Varianten an den TAP-Komplex analysiert. Unterstützt wurden diese Daten durch einen in vivo Interaktionsscreen (BiFC) und in vitro translatiertes UL49.5. Hierbei stellte sich heraus, dass das UL49.5-Protein in Abwesenheit sämtlicher Komponenten des Immunsystems an beide Untereinheiten des TAP-Transporters bindet. Die Bindung erfolgt sowohl an vollständige TAP-Untereinheiten als auch an den sogenannten coreTAP-Komplex, der nur die inneren sechs Transmembranhelices besitzt. Weiterhin wurden systematisch verkürzte UL49.5-Varianten generiert, um wichtige Reste für TAP-Inhibition und proteasomale Degradation zu identifizieren. Interessanterweise sind weder die N-terminale noch die C-terminale Domäne von UL49.5 für die Bindung an den TAP-Komplex zwingend notwendig. Die Bindung an den TAP-Transporter wird demnach über die Transmembrandomäne von UL49.5 vermittelt. Mit Hilfe von Peptidtransport-Analysen wurde die inhibitorische Aktivität verschiedener UL49.5-Mutanten eingehend untersucht. Zusätzlich wurde eine Untersuchung der MHC I-Oberflächenexpression in transient transfizierten HeLa-Zellen etabliert. In diesen Zellen wurde nach Sortierung eine drastisch reduzierte TAP-Konzentration nachgewiesen, die auf proteasomale Degradation des TAP-Komplexes zurückzuführen war. Die Untersuchung von C-terminal verkürzten UL49.5-Mutanten zeigte, dass die letzten zwei C-terminalen Aminosäuren essenziell für die Induktion der TAP-Degradation sind. Die C-terminale Domäne von UL49.5 konnte jedoch, nach Übertragung auf andere Proteine, keine proteasomale Degradation des TAP-Komplexes einleiten. Demnach ist ein weiterer Bereich des Proteins für diesen Prozess zwingend notwendig. Erstaunlicherweise waren auch N-terminal verkürzte UL49.5-Proteine deutlich in ihrer inhibitorischen Funktion beeinträchtigt. Bereits nach der Deletion von 10 N-terminalen Aminosäuren war das Protein nicht mehr in der Lage, eine proteasomale Degradation des TAP-Komplexes einzuleiten. Demnach spielt auch die ER-luminale Domäne von UL49.5 eine wichtige Rolle bei der UL49.5-induzierten TAP-Degradation. Somit wurde ein bisher noch nicht beschriebener neuartiger Inhibitionsmechanismus für das BHV-1 UL49.5-Protein entdeckt. Nach Bindung von UL49.5 über die Transmembrandomäne an beide Untereinheiten des TAP-Transporters scheint die ER-luminale Domäne von UL49.5 ein Signal über die ER-Membran an die zytoplasmatische Domäne zu übertragen, die dann die proteasomale Degradation des TAP-Komplexes einleitet. Es konnte im Rahmen dieser Doktorarbeit erstmals gezeigt werden, dass additive Effekte eines sehr kleinen Virusproteins auf zwei unterschiedlichen Seiten der ER-Membran zu einer proteasomalen Degradation eines sehr großen Membran-Komplexes führen.
Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen führten zu folgenden Ergebnissen: 1. Eindimensionale Gelelektrophoresen Die Analyse mitochondrialer Proteine aus juvenilen und seneszenten P. anserina-Wildstämmen mit Hilfe von eindimensionalen SDS- und eindimensionalen Blau-Nativen-Gelelektrophoresen zeigt keine deutlichen, seneszenzspezifischen Unterschiede. Im Gegensatz dazu werden in initialen Versuchen der nicht-radioaktiven 2D-PAGE differentiell gebildete Proteine visualisiert. 2. 2D-PAGE mit radioaktiv-markierten, mitochondrialen Proteinen aus jungen und alten P. anserina-Wildstämmen In der ungerichteten Proteomanalyse wurden 29 differentiell-gebildete Proteine identifiziert und zusätzlich zahlreiche Isoformen einiger Proteine gezeigt. Von der ß-ATPase wurden modifizierte Isoformen gefunden. Außerdem wurde eine seneszenspezifisch verringerte Bildung von ROS-Abwehr-Proteinen in den Mitochondrien detektiert. Im Gegensatz dazu wurde eine größere Menge eines Chaperons gefunden, das bei der Proteinsynthese eine Rolle spielt: eine Protein-Disulfid-Isomerase, die die Umlagerung und Neubildung von Di-Sulfid-Brücken bei der Faltung von Proteinen katalysiert. Zusätzlich wurde eine erhöhte Menge des Proteins SSC1 identifiziert. Dieses gehört zur Hsp70-Hitzeschock-Proteinfamilie. Es wurde ebenfalls eine erhöhte Menge des Apoptosefaktors Cyclophilin D in den mitochondrialen Proben aus den seneszenten Wildstämmen identifiziert. Die Identifizierung dieses Proteins in Mitochondrien von P. anserina stellt neben der Charakterisierung der Metacaspasen (Hamann et al., 2007) einen weiteren Ansatzpunkt für die Apoptoseforschung in P. anserina dar. Die molekularbiologische Analyse dieses Proteins wurde aufgrund dieser Proteomanalyse im Arbeitskreis aufgenommen (Dissertation D. Brust). Ein weiteres Protein, das in stark erhöhter Menge in den Proteinisolaten identifiziert wurde, ist PaMTH1. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden die Struktur und die Funktion dieser neu identifizierten differentiell-gebildeten Methyltransferase während der Alterung in P. anserina mit Hilfe molekularbiologischer, biochemischer und physiologischen Analysen untersucht. 3. Charakterisierung von PaMTH1 Im Rahmen von Northernblot-Analysen wurde gezeigt, dass die PaMth1-Transkriptmenge in drei unabhängigen alten Wildstämmen im Vergleich zu den entsprechenden jungen Wildtsämmen deutlich erhöht ist. In einer Westernblot-Analyse von Gesamtproteinen und Mitochondrien aus jungen und seneszenten Wildstämmen wird der seneszenzspezifische Anstieg der Proteinmenge verifiziert. Die genauere Einordnung von PaMTH1 in die Klasse I der Methyltransferasen und die Ergebnisse der Analyse der Substratspezifizität geben einen Hinweis auf eine Schutzfunktion durch die Verhinderung einer ROS-Entstehung unter der Beteiligung von Substanzen mit einer Catecholgruppe. Die Ergebnisse der Analyse der Modulation der PaMth1-Expression in P. anserina deuten ebenfalls auf eine Schutzwirkung von PaMTH1 hin: PaMth1-Überexpressionsstämme zeigen eine verbesserte Wuchsrate auf stress-induzierenden Medien, weniger carbonylierte Proteine und vor allem eine verlängerte Lebensspanne ohne physiologische Nachteile im Vergleich zum Wildstamm. Dagegen lebt die PaMth1-Deletionsmutante kürzer und wächst schlechter auf ROS-induzierenden Medien, sie zeigt allerdings keine erhöhte Menge von carbonylierten Proteinen im eindimensionalen „Oxyblot“. Die beobachtete Lebensspannenverkürzung der PaMth1-Deletionsmutante wird jedoch durch die Reversion dieser Stämme wieder aufgehoben, sodass die Hypothese des Schutzes vor der ROS-Generierung durch die Methylierung von Dihydroxylgruppen anhand der erhaltenen Daten unterstützt wird.
Ein gentherapeutischer Ansatz für die Behandlung der HIV-Infektion ist die "intrazelluläre Immunisierung" von CD4+-Zellen die den Hauptangriffspunkt des HI-Virus darstellen. Potentiell therapeutische Gene zur Hemmung der HIV-Replikation sind in großer Zahl und für praktisch jeden schritt des Replikationszyklus des Virus publiziert. Ein Problem war allerdings bisher das Fehlen eines einheitlichen und reproduzierbaren Vergleichssystems zur Identifizierung erfolgversprechender Gene für Studien im Tiermodell und in der Klinik. In dieser Arbeit wurde ein solches auf die Gentherapie abgestimmtes Zellkultursystem entwickelt, das auf stabilem Transfer von HIV-inhibitorischen Genen durch retrovirale Transduktion von T-Zellen und Belastungsversuchen mit replikationsfähigen Viren beruht. Dazu wurden auf Basis der humanen T-Zellinie PM1 Zellinien etabliert, die das Markergen egfp sowie ein therapeutisches Gen stabil exprimieren. Für den Gentransfer wurden [MLV(GaLV)]-Vektoren verwendet, die sich für die Transduktion von hämatopoetischen Zellen besonders eignen. Mit Hilfe der etablierten HIV-inhibitorischen Gene RevM10 und STHM (membrangebundenes T20) wurden Methoden zur Generierung dieser stabilen Zellinien optimiert. Um eine höchstmögliche Vergleichbarkeit zu erreichen, müssen die Voraussetzungen für eine HIV-Replikation in allen Zellinien in gleicher Weise gegeben sein. Deshalb wurden Zellinien bei mit praktisch gleicher Zellteilungsrate und HIV-Rezeptorexpression etabliert. Die untrschiedliche Hemmwirkung der Kontrollgene konnte so in Belastungsexperimenten mit drei verschiedenen, repräsentativen HIV-1-Laborstämmen reproduzierbar gezeigt werden. Das erarbeitete Zellkultursystem wurde dann zur Evaluierung verschiedener Gene eingesetzt. Zunächst wurden zwei neue Ansätze für die HIV-Gentherapie getestet. Die hohe Wirksamkeit von APOBEC3Gagm gegen HIV-1, die zuvor in einem "single-round"-Infektionssystem gezeigt worden war, konnte bestätigt werden. Der Versuch, das als natürlicher HIV-Inhibitor in humanem Hämofiltrat gefundene Peptild VIRIP auf der Zelloberfläche zu exprimieren, bewirkte hingegen keine HIV-Hemmung. Zusätzlich wurden mehrere potentiell therapeutische Gene getestet, die von Kooperationspartnern im Rahmen eines HIV-Netzwerkes entwickelt worden waren. Für die humanisierte transdominant-negative Gag-Mutante TDsg Delta 2 konnte eine HIV-Hemmwirkung nachgewiesen werden, während weder die Wildtyp-Mutante TDwt Delta 2 noch das minimale GAG-Fragment L2GAL2-V3 eine signifikante Wirkung zeigten. Für die beiden HIV-1 p6-Konstrukte L4 und L6 war eine HIV-Hemmung ebensowenig wie für die gp41 c-tail-Konstrukte 9/1 und 9/2 feststellbar. In weiteren Versuchen konnte gezeigt werden, daß sich die Hemmwirkung der unterschiedlichen Gene gegen HIV-1-Primärisolate im wesentlichen der gegen die Laborstämme entspricht. Nach Infektion der Zellinien mit HIV-2 wurde wie erwartet die Virusreplikation nur durch STHM und TDsg Delta 2 gehemmt. Schließlich wurde getestet, ob sich die Hemmeffekte auch in primären humanen Lymphozyten nachvollziehen lassen. Obwohl aufgrund der in diesen Zellen niedrigen erreichbaren Transduktionseffizienzen und einer starken Donorabhängigkeit keine Standardisierung möglich war, konnte gezeigt werden, daß es prinzipiell möglich ist, Hemmeffekte sichtbar zu machen.
Kenntnisse über die dreidimensionale Struktur therapeutisch relevanter Zielproteine bieten wertvolle Informationen für den rationalen Wirkstoffentwurf. Die stetig wachsende Zahl aufgeklärter Kristallstrukturen von Proteinen ermöglicht eine qualitative und quantitative rechnergestützte Untersuchung von spezifischen Protein-Liganden Wechselwirkungen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden neue Algorithmen für die Identifikation und den Ähnlichkeitsvergleich von Proteinbindetaschen und ihren Eigenschaften entwickelt und in dem Programm PocketomePicker zusammengefasst. Die Software gliedert sich in die Routinen PocketPicker, PocketShapelets und PocketGraph. Ferner wurde in dieser Arbeit die Methode ReverseLIQUID reimplementiert und im Rahmen einer Kooperation für das strukturbasierte Virtuelle Screening angewendet. Die genannten Methoden und ihre wissenschaftliche Anwendungen sollte hier zusammengefasst werden: Die Methode PocketPicker ermöglicht die Vorhersage potentieller Bindetaschen auf Proteinoberflächen. Diese Technik implementiert einen geometrischen Ansatz auf Basis „künstlicher Gitter“ zur Identifikation zusammenhängender vergrabener Bereiche der Proteinoberfläche als Orte möglicher Ligandenbindestellen. Die Methode erreicht eine korrekte Vorhersage der tatsächlichen Bindetasche für 73 % der Einträge eines repräsentativen Datensatzes von Proteinstrukturen. Für 90 % der Proteinstrukturen wird die tatsächlich Ligandenbindestelle unter den drei wahrscheinlichsten vorhergesagten Taschen gefunden. PocketPicker übertrifft die Vorhersagequalität anderer etablierter Algorithmen und ermöglicht Taschenidentifikationen auf apo-Strukturen ohne signifikante Einbußen des Vorhersageerfolges. Andere Verfahren weisen deutlich eingeschränkte Ergebnisse bei der Anwendung auf apo-Strukturen auf. PocketPicker erlaubt den alignmentfreien Ähnlichkeitsvergleich von Bindetaschenfor-men durch die Kodierung berechneter Bindevolumen als Korrelationsdeskriptoren. Dieser Ansatz wurde erfolgreich für Funktionsvorhersage von Bindetaschen aus Homologiemodellen von APOBEC3C und Glutamat Dehydrogenase des Malariaerregers Plasmodium falciparum angewendet. Diese beiden Projekte wurden in Zusammenarbeit mit Kollaborationspartnern durchgeführt. Zudem wurden PocketPicker Korrelationsdeskriptoren erfolgreich für die automatisierte Konformationsanalyse der enzymatischen Tasche von Aldose Reduktase angewendet. Für detaillierte Analysen der Form und der physikochemischen Eigenschaften von Proteinbindetaschen wurde in dieser Arbeit die Methode PocketShapelets entwickelt. Diese Technik ermöglicht strukturelle Alignments von extrahierten Bindevolumen durch Zerlegungen der Oberfläche von Proteinbindetaschen. Die Überlagerung gelingt durch die Identifikation strukturell ähnlicher Oberflächenkurvaturen zweier Taschen. PocketShapelets wurde erfolgreich zur Analyse funktioneller Ähnlichkeit von Bindetaschen verwendet, die auf Betrachtungen physikochemischer Eigenschaften basiert. Zur Analyse der topologischen Vielfalt von Bindetaschengeometrien wurde in dieser Arbeit die Methode PocketGraph entwickelt. Dieser Ansatz nutzt das Konzept des sog. „Wachsenden Neuronalen Gases“ aus dem Bereich des maschinellen Lernens für eine automatische Extraktion des strukturellen Aufbaus von Bindetaschen. Ferner ermöglicht diese Methode die Zerlegung einer Bindestelle in ihre Subtaschen. Die von PocketPicker charakterisierten Taschenvolumen bilden die Grundlage für die Methode ReverseLIQUID. Dieses Programm wurde in dieser Arbeit weiterentwickelt und im Rahmen einer Kooperation zur Identifikation eines Inhibitors der Serinprotease HtrA des Erregers Helicobacter pylori verwendet. Mit ReverseLIQUID konnte ein strukturbasiertes Pharmakophormodell für das Virtuelle Screening erstellt werden. Dieser Ansatz ermöglichte die Identifikation einer Substanz mit niedrig mikromolarer Affinität gegenüber der Zielstruktur.
Im adulten Säugerhirn findet Neurogenese in der SVZ der Seitenventrikel kontinuierlich statt. Eine Vielzahl von Signalsystemen steuert in komplexer Weise zelluläre Antworten und reguliert die Proliferation, Differenzierug und Wanderung NSZ. Gegenwärtig ist nur wenig über die zugrundeliegenden Signalwege bekannt. Zunehmend gibt es Hinweise darauf, dass Nukleotide an diesen Prozessen beteiligt sind. Frühere Untersuchungen unserer Arbeitsgruppe zeigten, das die Nukleotide ADPbetaS und UTP in kultivierten NSZ der adulten SVZ einen schnellen Kalziumeinstrom induzieren und die Wachstumsfaktor-vermittelte NSZ-Proliferation steigern. In der vorliegenden Arbeit wurde ein System zur Kultivierung adhärenter adulter NSZ etabliert. Die Untersuchungen zeigen, dass adulte NSZ eine Vielzahl an P2Y- und P2X-Rezeptoren, sowie die Nukleotid-hydrolysierenden Enzyme NTPDase2 und TNAP exprimieren. Untersuchungen der ADPbetaS-, UTP- und EGF-vermittelten Signalwege zeigen, dass alle drei Agonisten eine ERK1/2- und CREB-Phosphorylierung induzieren, wobei sich die zeitlichen Charakteristika zwischen den Nukleotiden und EGF unterscheiden. Inhibierungsexperimente geben Einblicke in die dabei aktivierten Signalkaskaden und weisen auf eine ADPbetaS-induzierte Transaktivierung des EGF-Rezeptors hin. Während UTP über den P2Y2-Rezeptor wirkt, übt ADPbetaS seine Funktion über den P2Y1- und P2Y13-Rezeptor aus. Die Daten implizieren zudem, dass Nukleotide und EGF gleiche Zielproteine über verschiedene Signalwege induzieren und dass sie das Potenzial besitzen, bei der Kontrolle der Zellproliferation in der adulten Neurogenese synergistisch zu agieren. Vergleichende Analysen mit kultivierten NSZ aus Wildtyp-, P2Y1- und P2Y2-Rezeptor-Knockout-Mäusen belegen ein verändertes Antwortverhalten in Gegenwart von ADPbetaS, UTP und EGF und lassen kompensatorische Mechanismen vermuten. Die Resultate dieser Arbeit demonstrieren zudem, dass ATP, ADPbetaS, UTP und EGF die Migration von NSZ induzieren. Parallel dazu konnten Veränderungen des Aktinzytoskelletes, wie die Zunahme an F-Aktin, die Bildung von Stressfasern und eine Veränderung der Zellmorphologie gezeigt werden. Diese Prozesse gehen mit einer Aktivierung der Proteinkinasen Akt und FAK einher. Die Daten weisen darauf hin, dass Nukleotide und EGF für die Zytoarchitektur der SVZ und die Wanderung von Neuroblasten zum OB eine wichtige Rollen spielen könnten.
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.
Drought stress is one of the major abiotic factors diminishing crop productivity world wide. In the course of climate change, regions which already experience dry seasons nowadays will suffer from elongated drought periods and water shortage. These climatic changes will not only have an impact on the regional flora and fauna but also on the people inhabiting these areas. It is therefore of great importance to understand the reactions of plants to drought stress to help breeding and biotechnological approaches for the benefit of new robust cereal cultures growing under low water regimes. In this dissertation four grasses of the genus Panicum, P. bisulcatum (C3), P. laetum, P. miliaceum and P. turgidum (all C4 NAD-ME) were subjected to drought stress. The plants diverse reactions were investigated on a physiological as well as on a molecular level to deepen the understanding of drought stress responses. Drought stress was imposed for a species-specific period until a relative leaf water content (RWC) of ~50 % was reached in each grass. Physiological measurements were conducted on leaves with a RWC of ~50 % investigating chlorophyll a fluorescence parameters with a Plant Efficiency Analyzer (PEA) and gas exchange parameters like the photosynthesis rate and stomatal conductance with a Gas Fluorescence Chamber (GFS-3000). Subsequent molecular analysis were conducted on leaf samples taken (RWC = 50 %) analysing different proteins and the transcriptome of the Panicum species. The physiological measurements revealed a higher photosynthesis rate for the C4 grasses under drought stress with no significant differences between the C4 species. Also the water use efficiency was significantly higher in the C4 species in comparison to the C3 species independent from the water regime supporting results from the literature. The chlorophyll a measurements revealed the strongest adaptation to water shortage in the C4 species P. turgidum followed by the C3 species P. bisulcatum. It has been shown before (GHANNOUM 2009) that the C4 photosynthesis apparatus is more prone to drought stress than the C3 apparatus – despite the higher water use efficiency. Results also suggested that the great adaptation of P. turgidum to drought stress arose from its ability to recover from drought stress (all JIP test parameters showed no significant differences between control and recovery samples). The additional down-regulation of PS II but not of PS I under drought stress also helped the plant to endure times of water shortage and facilitated the recovery when water was available again. Protein analyses on the content of PEPC, OEC and RubisCO (LSU and SSU) revealed no changes. Dehydrin 1 in contrast was strongly up-regulated under drought stress and Summary 108 recovery in all four Panicum species. The stable content of the OEC protein was therefore not the catalyst of rising K peaks measured by chlorophyll a fluorescence and a reduced OEC activity was supposed. Transcriptomic analyses revealed a myriad of differentially regulated tags. Due to unsequenced genomes, tags could only be partially (8 % maximum for P. turgidum) annotated to their specific genes. Diverse methods were therefore used to annotate the most highly regulated tags to their genes and their products. Special emphasis was put on the regulation of five gene products confirming the regulation schemata from the HT-SuperSAGE analyses. Interestingly one protein – the NCED1 – was down-regulated under stress conditions, in contrast to results from the literature. It is therefore of great importance to investigate longer lasting drought to understand the full range of drought stress adaptation. Future genome sequencing projects might also include the Panicum species investigated in this dissertation and important gene candidates with no hits (maybe completely new to the research community) might help breeding and biotechnology approaches to produce more drought resistant crop species.
Fas Ligand (FasL; CD95L; CD178; TNSF6) is a 40 kDa glycosylated type II transmembrane protein with 279 aa in mice and 281 aa in humans that belongs to the tumor necrosis factor (TNF) family. The extracellular domain (ECD) harbors a TNF homology domain, the receptor binding site, a motif for self assembly and trimerization, and several putative N-glycosylation and a metalloprotease cleavage site/s. The cytoplasmic tail of FasL is the longest of all TNFL family members and contains several conserved signaling motifs, such as a putative tandem Casein kinase I phosphorylation site, a unique proline-rich domain (PRD) and phosphorylatable tyrosine residues (Y7 in mice; Y7, Y9, Y13 in human). The FasL/Fas system is renowned for the potent induction of apoptosis in the receptor-bearing cell and is especially important for immune system functions. It is involved in the killing of target cells by natural killer (NK) and cytotoxic T cells, in the (self) elimination of effector cells following the proliferative phase of an immune response (activation-induced cell death; AICD), in the maintenance of immuneprivileged sites and in the induction and maintenance of peripheral tolerance. Owing to its potent pro-apoptotic signaling capacity and important functions, FasL expression and activity are tightly regulated at transcriptional and posttranscriptional levels and restricted to few cell types, such as immune effector cells and cells of immune-privileged sites. In contrast, Fas is expressed in a variety of tissues including lymphoid tissues, liver, heart, kidney, pancreas, brain and ovary. In addition to its pro-apoptotic function, the FasL/Fas system can also elicit nonapoptotic signals in the receptor-expressing cell. Among others, Fas-signaling exerts co-stimulatory functions in the immune system, e.g. by promoting survival, activation and proliferation of T cells. Besides the capacity to deliver a signal into receptor-bearing cells (‘forward signal’), FasL can receive and transmit signals into the ligand-expressing cell. This phenomenon has been described for several TNF family ligands and is known as ‘reverse signaling’. The first evidence for the existence of reverse signaling into FasL-bearing cells stems from two studies that demonstrated either co-stimulation of murine CD8+ T cell lines by FasL cross-linking or inhibition of activation-induced proliferation of murine CD4+ T cells. In both cases, the observed changes of proliferative behaviour critically depended on the presence of a signaling-competent FasL. Almost certainly, the FasL ICD is functionally involved in signal-transmission: (i) The ICD is highly conserved across species and harbors several signaling motifs, most notably a unique PRD. (ii) Numerous proteins have been identified which interact with the FasL PRD via their SH3 or WW domains and regulate various aspects of FasL biology, such as FasL sorting, storage, cell surface expression and the linkage of FasL to intracellular signaling pathways. (iii) Post-translational modifications of the ICD have been implicated in the sorting of FasL to vesicles and the FasL-dependent activation of Nuclear factor of activated T cells (NFAT). (iv) Proteolytic processing of FasL liberates the ICD and allows its translocation into the nucleus where it might influence gene transcription. (v) It could be shown that overexpression of the FasL ICD is sufficient to initiate reverse signaling upon concomitant T cell receptor (TCR) stimulation and ICD cross-linking. Conflicting data on the consequences of FasL reverse signaling exist, and costimulatory as well as inhibitory functions have been reported. These discrepancies probably reflect the use of artificial experimental systems. Neither the precise molecular mechanism underlying FasL reverse signaling, nor its physiological relevance have been addressed at the endogenous protein level in vivo. Therefore, a ‘knockout/knockin’ mouse model in which wildtype FasL was replaced with a deletion mutant lacking the intracellular portion (FasL Delta Intra) was established in the group of PD Dr. Martin Zörnig. In the present study, FasL Delta Intra mice were phenotypically characterized and were employed to investigate the physiological consequences of FasL reverse signaling at the molecular and cellular level. To ensure that FasL Delta Intra mice represent a suitable model to study the consequences of FasL reverse signaling, we demonstrated that activated lymphocytes from homozygous FasL Delta Intra or wildtype mice express comparable amounts of (truncated) FasL at the cell surface. The truncated protein retains the capacity to induce apoptosis in Fas receptor-positive target cells, as co-culture assays with FasL-expressing activated lymphocytes and Fas-sensitive target cells showed. Additionally, systematic screening of unchallenged mice did not reveal any phenotypic abnormalities. Notably, signs of a lymphoproliferative autoimmune disease associated with FasL-deficiency could not be detected. As several reports have implicated FasL reverse signaling in the regulation of T cell expansion and activation, proliferation of lymphocytes isolated from FasL Delta Intra and wildtype mice in response to antigen receptor stimulation was investigated. Using CFSE dilution assays it could be demonstrated that the proliferative response of CD4+ T cells, CD8+ T cells and of B cells was enhanced in the absence of the FasL ICD. Interestingly, this effect was most pronounced in B cells and could only be detected in CD4+ T cells after depletion of CD4+CD25+ regulatory T cells. To our Summary knowledge, this is the first time that FasL reverse signaling has been demonstrated in B cells. In a series of experiments, the activation of several pathways that are known to play important roles in signal-transmission initiated upon antigen receptor triggering was assessed. As a molecular correlate for the observed enhancement of activation-induced proliferation, Extracellular signal regulated kinase (ERK1/2) phosphorylation was significantly increased in FasL Delta Intra mice following antigen receptor crosslinking. Surprisingly, B cell stimulation lead to a comparable extent of activating phosphorylations on S38 in c-Raf and S218/S222 in MEK1/2 in cells isolated from wildtype and FasL Delta Intra mice, indicating that Mitogen activated protein kinases (MAPKs) upstream of ERK1/2 (Raf-1 and MEK1/2) apparently do not contribute to the differential regulation of ERK1/2. Experiments in which activation-induced Akt phosphorylation (S473) was quantified also did not suggest a participation of Phosphoinositol specific kinase 3 (PI3K)/Akt signals in this process. Instead, further characterization of the upstream pathway revealed an involvement of Phospholipase C gamma (PLC gamma) and Protein kinase C (PKC) signals in FasL-dependent ERK1/2- regulation. Previous studies in our group revealed a Notch-like processing of FasL, resulting in the transcriptional regulation of a reporter gene. Furthermore, an interaction of the FasL ICD with the transcription factor Lymphoid-enhancer binding factor-1 (Lef-1) that affected Lef-1-dependent reporter gene transcription could be demonstrated. Therefore, a molecular analysis of activated lymphocytes was performed to identify FasL reverse signaling target genes. The differential expression of promising candidates was verified by quantitative real-time PCR (qRT-PCR), which showed that the transcription of genes associated with lymphocyte proliferation and activation was increased in FasL Delta Intra mice compared to wildtype mice. Interestingly, an extensive regulation of Lef-1-dependent Wnt/beta-Catenin signalingrelated genes was found. Lef-1 mRNA (RT-PCR) and protein (intracellular FACS staining) could be detected in mature B cells, suggesting the possibility of FasL ICD-mediated inhibition of Lef-1-dependent gene expression in these cells, initiated by Notch-like processing of FasL. To investigate the consequences of FasL reverse signaling in vivo, a potential participation of the FasL ICD in the regulation of immune responses upon various challenges was analyzed. In experiments in which thymocyte proliferation or the expansion of antigen-specific T cells following a challenge with the superantigen Staphylococcus enterotoxin B (SEB), with Lymphocytic choriomeningitis virus (LCMV) or with Listeria monocytogenes were investigated, comparable results were obtained with wildtype and FasL Delta Intra mice. Likewise, the recruitment of neutrophils in a thioglycollate-induced model of peritonitis was not affected by deletion of the FasL ICD. These findings might reflect regulatory mechanisms operating in vivo, such as control exerted by regulatory T cells. Along these lines, proliferative differences in CD4+ T cells could only be detected ex vivo after depletion of CD4+CD25+ regulatory T cells. Furthermore, several in vitro studies indicate that retrograde FasL signals can be observed under conditions of suboptimal lymphocyte stimulation, but not when the TCR is optimally stimulated. Therefore, the potent initiation of antigen receptor signaling by stimuli like SEB or LCMV might have masked inhibitory FasL reverse signaling in these experiments. In agreement with the observed hyperactivation of lymphocytes in the absence of the ICD ex vivo, the increase in germinal center B cells (GCs) following immunization with the hapten 3-hydroxy 4-nitrophenylacetyl (NP) and the number of antibody-secreting PCs was significantly higher in FasL Delta Intra mice. The larger quantity of PCs correlated with increased titers of NP-binding, i.e. antigen-specific, IgM and IgG1 antibodies in the serum of FasL Delta Intra mice after immunization. These data suggest that FasL reverse signaling exerts immunmodulatory functions. Supporting this notion, a model of Ovalbumin-induced allergic airway inflammation revealed an involvement of retrograde FasL-signals in the recruitment of immune effector cells into the lung and in the activation of T cells following exposure of mice to Ovalbumin. Together, our ex vivo and in vivo findings based on endogenous FasL protein levels demonstrate that FasL ICD-mediated reverse signaling is a negative modulator of certain immune responses. It is tempting to speculate that FasL reverse signaling might be a fine-tuning mechanism to prevent autoimmune diseases, a theory which will be tested in adequate mouse models in the future.
Analysis of coding principles in the olfactory system and their application in cheminformatics
(2007)
Unser Geruchssinn vermittelt uns die Wahrnehmung der chemischen Welt. Im Laufe der Evolution haben sich in unserem olfaktorischen System Mechanismen entwickelt, die wahrscheinlich optimal auf die Erfüllung dieser Aufgabe angepasst sind. Die Analyse dieser Verarbeitungsstrategien verspricht Einblicke in effiziente Algorithmen für die Kodierung und Verarbeitung chemischer Information, deren Entwicklung und Anwendung dem Kern der Chemieinformatik entspricht. In dieser Arbeit nähern wir uns der Entschlüsselung dieser Mechanismen durch die rechnerische Modellierung von funktionellen Einheiten des olfaktorischen Systems. Hierbei verfolgten wir einen interdisziplinären Ansatz, der die Gebiete der Chemie, der Neurobiologie und des maschinellen Lernens mit einbezieht.
A large number of chemicals are constantly introduced to surface water from anthropogenic and natural sources. Although substantial efforts have been made to identify these chemicals (e.g potentially anthropogenic contaminants) in surface waters using liquid chromatography coupled to high resolution mass spectrometry (LC-HRMS), a large number of LC-HRMS chemical signals often with high peak intensity are left unidentified. In addition to synthetic chemicals and transformation products, these signals may also represent plant secondary metabolites (PSMs) released from vegetation through various pathways such as leaching, surface run-off and rain sewers or input of litter from vegetation. While this may be considered as a confounding factor in screening of water contaminants, it could also contribute to the cumulative toxic risk of water contamination. However, it is hardly known to what extent these metabolites contribute to the chemical mixture of surface waters. Thus, reducing the number of unknowns in water samples by identifying also PSMs in significant concentrations in surface waters will help to improve monitoring and assessment of water quality potentially impacted by complex mixtures of natural and synthetic compounds. Therefore, the main focus of the present study was to identify the occurrence of PSMs in river waters and explore the link between the presence of vegetation along rivers and detection of their corresponding PSMs in river
water.
In order to achieve the goals of the present thesis, two chemical screening approaches, namely, non-target and target screening using LC-HRMS were implemented. (1) Non-target analysis involving a novel approach has been applied to associate unknown peaks of high intensity in LC-HRMS to PSMs from surrounding vegetation by focusing on peaks overlapping between river water and aqueous plant extracts (Annex A1). (2) LC–HRMS target screening in river waters were performed for about 160 PSMs, which were selected from a large phytotoxin database (Annex A2 and A3) considering their expected abundance in the vegetation, their potential mobility, persistence and toxicity in the water cycle and commercial availability of standards.
In non-target screening (Annex A1), a high number of overlapping peaks has been found in between aqueous plant extracts and water from adjacent location, suggesting a significant impact of vegetation on chemical mixtures detectable in river waters. The chemical structures were assigned for 12 pairs of peaks while several pairs of peaks
whose MS/MS spectra matched but no structure suggestion were made by the implemented software tools for retrieving possible chemical structure. Nevertheless, the pairs of peaks with matching spectra represented the same chemical structure. The identified compound belonged to different compound classes such as coumarins, flavonoids besides others. For the identified PSMs individual concentration up to 5 µg/L were measured. The concentration and the number of detected PSMs per sample were correlated with the rain event and vegetation coverage.
Target screening unraveled the occurrence of 33 out of 160 target compounds in river waters (Annex A2 and A3). The identified compounds belonged to different classes such as alkaloids, coumarins, flavonoids, and other compounds. Individual compound concentrations were up to several thousand ng/L with the toxic alkaloids narciclasine and
lycorine recording highest maximum concentrations. The neurotoxic alkaloid coniine from poison hemlock was detected at concentrations up to 0.4 µg/L while simple coumarins
esculetin and fraxidin occurred at concentrations above 1 µg/L. The occurrence of some PSMs in river water were correlated to the specific vegetation growing along the rivers while the others were linked to a wide range of vegetation. As an example, narciclasine and lycorine was emitted by the dominant plant species from Amaryllidaceae family (e.g. Galanthus nivalis (snow drop), Leucojum vernum and Anemone nemorosa) while intermedine and echimidine were from Symphytum officinale. The ubiquitous occurrence of simple coumarins fraxidin, scopoletin and aesculetin could be linked to their presence in a wide range of vegetation.
Due to lack of aquatic toxicity data for the identified PSMs (in both target and non-target) and extremely scarce exposure data, no reliable risk assessment was possible.
Alternatively, risk estimation was performed using the threshold for toxicological concern (TTC) concept developed for drinking water contaminants. Many of the identified PSMs
exceeded the TTC value (0.1 µg/L) thus caution should be taken when using such surface waters for drinking water abstraction or recreational use.
This thesis provides an overview of the occurrence of PSMs in river water impacted by the massive presence of vegetation. Concentration for many of the identified PSMs are well within the range of those of synthetic environmental contaminants. Thus, this study adds to a series of recent results suggesting that possibly toxic PSMs occur in relevant concentrations in European surface waters and should be considered in monitoring and risk assessment of water resources. Aquatic toxicity data for PSMs are extensively lacking but are required to include these compounds in the assessment of risks to aquatic organisms and for eliminating risks to human health during drinking water production.
In the past decades, the use and production of chemicals has been on the rise globally due to increasing industrialization and intensive agriculture; resulting in the occurrence and ecotoxicological risks of chemicals of emerging concern (CECs) in the aquatic compartments. Risks include changes in community structure resulting in the dominance of one species and ecosystem imbalance. When dominant disease-causing organisms are in the environment, the disease transmission is increased. For example, host snails for the schistosomiasis, a human trematode disease, are known to be tolerant to pesticide
exposure compared to the predators. This would therefore result in an increased abundance of snails which consequently increase the disease transmission in the human population.
Kenya, being a low income country faces a lot of challenges with provision of clean water, diseases and sanitation facilities, and increasing population which results in intensive agriculture coupled with pesticide use. Although a lot of research has been carried out on the environmental occurrence and risk of CECs (Chapter 1), most of these studies have been done in developed countries with limited information from Africa. Additionally, research in Africa focused on urban areas with limited number of compounds analyzed and mostly in the water phase, and inadequate information on the effects of CECs on the aquatic organisms. In order to reduce this knowledge gap, this dissertation focused on identification and quantification of CECs present in water, sediment and snails from western Kenya, and the contribution of pesticides to the transmission of schistosomiasis.
Chapter 2 gives a summary of the results and discussion of the dissertation. In Chapter 3, a comprehensive chemical analysis was carried out on 48 water samples to identify compounds, spatial patterns and associated risks for fish, crustacean and algae using toxic unit (TU) approach. A total of 78 compounds were detected with pesticides and biocides being the compounds most frequently detected. Spatial pattern analysis revealed limited compound grouping based on land use. Acute risk for crustaceans and algae were driven by one to three individual compounds. These compounds responsible for toxicity were prioritized as candidate compounds for monitoring and regulation in Kenya.
In Chapter 4, an extension of Chapter 3 was done to cover the CECs present in snails and sediment from the 48 sites. A total of 30 compounds were found in snails and 78 in sediments with 68 additional compounds being found which were not previously detected in water. Higher contaminant concentrations were found in agricultural sites than in areas without anthropogenic activities. The highest acute toxicity (TU 0.99) was determined for crustaceans based on compounds in sediment samples. The risk was driven by diazinon and pirimiphos-methyl. Acute and chronic risks to algae were driven by diuron whereas fish were found to be at low to no acute risk.
In Chapter 5, the effect of pesticide contamination on schistosomiasis transmission was evaluated by applying complimentary laboratory and field studies. In the field studies, the ecological mechanisms through which pesticides and physical chemical parameters affect host snails, predators and competitors were investigated. Pesticide data was obtained from the results in chapter 3. The overall distribution of grazers and predators was not affected by pesticide pollution. However, within the grazers, pesticide pollution increased dominance of host snails. On the contrary, the host-snail competitors were highly sensitive to pesticide exposure. For the laboratory studies, macroinvertebrates including Schistosoma-host snails, competitors and predators were exposed to 6 concentrations levels of imidacloprid and diazinon. Snails showed higher insecticide tolerance compared to competitors and predators. Finally, Chapter 6 summarizes the conclusions of this dissertation, placing it in a broader
context. In this dissertation, a comprehensive chemical characterization and risk assessment of CECs has been carried out in freshwater systems; together with the effects of pesticides on schistosomiasis transmission in rural western Kenya. Results of this dissertation showed that rural areas are contaminated posing a risk to aquatic organisms which contribute to schistosomiasis transmission. This shows the need for regular monitoring and policy formulation to reduce pollutant emissions which contributes negatively to both ecological and human health effects.
Viele physiologische Prozesse, wie zum Beispiel der Schlaf-Wach-Rhythmus, die Nahrungsaufnahme, die Aktivität, sowie unbewusstes Verhalten unterliegen circadianen Rhythmen. Diese Rhythmen werden durch die circadiane Uhr erzeugt, deren Sitz der SCN im Hypothalamus ist. Der SCN übermittelt das circadiane Signal in viele verschiedene Gehirnregionen (Reuss 1996). Die circadianen Rhythmen werden einerseits durch Umweltreize, wie Licht oder Nahrungsverfügbarkeit, eingestellt. Diese externen Signale beeinflussen direkt den SCN oder andere hypothalamische Nuclei, wie den lateralen Hypothalamus oder den N. arcuatus. Andererseits werden die circadianen Rhythmen jedoch auch an die physiologischen Parameter des Individuums angepasst. Diese externen und internen Signale werden durch den Signalaustausch zwischen den hypothalamischen Nuclei integriert. Zur Untersuchung dieser gegenseitigen Verbindungen wurden immunzytochemische Studien an Gehirnschnitten von Maus und Ratte durchgeführt, um das Vorkommen verschiedener Neuropeptide in Zellkörpern und Fortsätzen der Neurone in den entsprechenden hypothalamischen Gebieten aufzuzeigen. Untersucht wurden Vasopressin und VIP, die im SCN selbst synthetisiert werden, sowie Orexin A und MCH, die in den Zielgebieten des SCN vorkommen. Die Verteilungen der Neuropeptide bei Ratten und Mäusen stimmten weitgehend überein. Lediglich die Vasopressin-Expression im SCN weist Abweichungen im Vergleich der beiden Spezies auf. Weiterhin gibt es unterschiedliche Verbindungen zwischen den hypothalamischen Kerngebieten: Im SCN der Ratte, jedoch nicht im SCN der Maus, innervieren Orexin A-enthaltende Fasern VIP-exprimierende Zellen, sowie MCH-positive Fortsätze Vasopressin-enthaltende Neurone. Demzufolge variiert die Signalübertragung im Hypothalamus der Maus und der Ratte. GABA und Glyzin sind wichtige hemmende Neurotransmitter im ZNS. Daher wurden die transgenen Mauslinien GAD67-GFP knock-in und GlyT2-EGFP als Marker für GAD67-positive beziehungsweise Glyzin-positive Zellen verwendet. Gehirnschnitte dieser Mauslinien wurden immunzytochemisch gegen die oben genannten Neuropeptide gefärbt, um die Neuronenpopulationen in den hypothalamischen Kerngebieten zusätzlich zu charakterisieren. Viele Vasopressin- oder VIP-exprimierende Zellen im SCN sind GAD67-positiv. Im lateralen Hypothalamus sind einige MCH-positive Zellen GAD67-positiv. Orexin A enthaltende Zellen sind nicht positiv für GAD67. Orexin A-positive und GAD67-positiv Zellen sind miteinander durch direkte Kontakte verbunden. Der hemmende Neurotransmitter Glyzin wird von wenigen Zellen im lateralen Hypothalamus gebildet. Glyzin ist dort weder mit Orexin A, MCH oder Vasopressin kolokalisiert. Der gesamte Hypothalamus ist von einem dichten Netz stark verzweigter, Glyzin-enthaltender Fasern überzogen, deren Ursprung im Rahmen dieser Arbeit nicht eindeutig geklärt werden konnte. Die glyzinergen Fasern innervieren im lateralen Hypothalamus Orexin A-, Vasopressin- und MCH-exprimierende Neurone. Glyzinerge Fasern projizieren im lateralen Hypothalamus auf VIP-positive Fortsätze und im SCN auf Vasopressinenthaltende Fortsätze. Der hemmende Neurotransmitter Glyzin spielt vermutlich eine bedeutende Rolle bei der Signalübertragung zwischen Hypothalamus und anderen Gehirnbereichen. Damit wirkt Glyzin vermutlich auf diverse physiologische Abläufe ein, die durch hypothalamische Kerngebiete gesteuert und reguliert werden. Neben der Untersuchung der hypothalamischen Nuclei in Gehirnschnitten wurden die Zellen dieser Kerngebiete in histiotypischen primären Zellkulturen charakterisiert. Die Neuropeptid-Expressionen sowie synaptische Verbindungen wurden an den kultivierten Zellen untersucht. Der Vergleich der Neuropeptid-Expression bei Gehirnschnitten und bei Zellkulturen bestätigte, dass histiotypische Zellkulturen ein geeignetes Modell für Studien von Einzelzell- und Netzwerkeigenschaften sind. Die Ausbildung von zahlreichen Synapsen innerhalb nur weniger Tage bestätigt, dass die Signalübertragung in den Zellkulturen wie vermutlich auch im Hypothalamus überwiegend synaptischer Natur ist.
The brain vascular system is composed of specialized endothelial cells, which regulate the movement of ions, molecules and cells from the blood lumen to the central nervous system (CNS). Endothelial cells in the brain form the blood-brain barrier (BBB) that is essential to maintain the brain homeostasis and protect the CNS from pathogens and toxins for a proper neurological function. Endothelium together with other cellular components such as pericytes, astrocytes and the basement membrane, forms the neurovascular unit (NVU), the structural unit of the BBB. Breakdown of the BBB occurs in various neurological disorders, leading to edema and neuronal damage. Therapeutic strategies focusing on factors that regulate the permeability of the BBB may help to improve neurological disorders and facilitate drug delivery to the brain.
Angiopoietins (Ang) are potential candidates for therapeutic targeting the BBB due to their role in regulating the vascular permeability in periphery. They are key growth factors that control angiogenesis and vessel maturation. Ang-1 and Ang-2 possess similar binding affinities to the Tie2 receptor tyrosine kinase, which is almost exclusively expressed on endothelial cells. Ang-1 is expressed in smooth muscle cells and pericytes, and binds in a paracrine manner to Tie2. This results in phosphorylation of the receptor and induction of downstream signaling pathways leading to vessel maturation via pericyte recruitment and blood vessel stabilization. Ang-2, on the other hand, is stored in Weibel Palade bodies in endothelial cells and is released upon inflammatory or angiogenic stimuli. Therefore, in mature, stabilized blood vessels, Ang-2 expression is low. Increased level of Ang-2 is only observed during development or in pathology such as ischemia, cancer and inflammation. When Ang-2 is released, it acts in an autocrine manner and interferes with Tie2 phosphorylation in a context-dependent way. Antagonizing the receptor results in de-stabilization of the vessels, often accompanied by reduced numbers of pericytes leading to myeloid cell infiltration. In conjunction with the vascular endothelial growth factor (VEGF), Ang-2 contributes to blood vessel sprouting, whereupon in absence of VEGF it promotes vessel regression. ...
Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde der Großteil aller nuklearen Proteine annotiert und klassifiziert. Aus Literatur, Proteinsequenz- und Domänendatenbanken wurden bekannte nukleare Domänen ermittelt, ihre Grenzen unter Zuhilfenahme von Tertiärstrukturen oder Sekundärstrukturvorhersagen bestimmt und multiple Sequenzalignments erstellt. Die handgerfertigten Aligments wurden zur Anfertigung von Hidden Markov Models herangezogen und in das Domänenvorhersageprogramm Simple Modular Architecture Research Tool (Schultz et al. 1998, Schultz et al. 2000) (http://smart.embl-heidelberg.de/) implementiert. Hier sind umfassend Informationen über Literatur, phylogentische Verteilung, Anzahl beteiligter Proteine und Funktion für 164 Domänen (118 entstammen dieser Arbeit) mehr als 35000 Proteine abdeckend zusammengefasst. Aufbauend auf der vollständigen Kollektion nuklearer Proteine wurden ausgewählte nukleare und nicht-nukleare Proteine auf der Grundlage homologiebasierender Sequenzanalyseverfahren untersucht. Die Arbeit führte zur Entdeckung von vier biologisch relevanten neuen Domänen: - L27, eine neue Hetero-Dimer bildende Domäne in den Rezeptor-Targeting-Proteins Lin-2 and Lin-7 (Doerks et al. 2000) - GRAM, eine neue Domäne in Glucosyltransferasen, Myotubularinen und anderen Membran-assoziierten Proteinen (Doerks et al. 2000) - DDT, eine neue DNA-bindende Domäne in unterschiedlichen Transkriptionsfaktoren, Chromosom-assoziierten und anderen nuklearen Proteinen (Doerks et al. 2001) - BSD, eine neue putativ DNA-bindende Domäne in Transkriptionsfaktoren, Synapsen-assozierten und anderen hypothetischen Proteinen (Doerks et al. submitted) Abschliessend erfolgte die automatische Analyse von 24000 nuklearen Proteinen, aus denen 550 hypothetisch neue Domänen hervorgingen. Die intensive Aufarbeitung dieser 550 konservierten Sequenzbereiche erbrachte die Entdeckung von 28 neuen nuklearen oder teilweise nuklearen Domänen unterschiedlicher Speziesverbreitung, Funktion und biologischer Relevanz (Doerks et al. accepted).
Anthropogene Landnutzung in ariden Savannen verändert die strukturelle Diversität der Vegetation und bedroht damit die Artenvielfalt der Flora und Fauna von etwa 20% der Landoberfläche der Erde. Ziel meiner Dissertation war es, den Einfluss von Landnutzung auf die Abundanz und Diversität von Kleinkarnivoren und ihrer Beutetiere zu untersuchen. Dabei sollten Bioindikatoren identifiziert werden, die eine Einschätzung der Diversität im Farmmosaik der südlichen Kalahari ermöglichen. Entlang eines Weideintensitätsgradienten analysierte ich mit Hilfe freilandökologischer Methoden die komplexen Zusammenhänge zwischen Beweidungsintensität, struktureller Diversität der Vegetation, Beuteverfügbarkeit und Diversität von Kleinkarnivoren. Nach den Ergebnissen dieser Studie in der südlichen Kalahari kann ich folgende Aussagen über die anthropogene Störung der Integrität von ariden Savannensystemen durch Beweidung treffen: 1. Eine Steigerung der Bestockungsdichten von Weidetieren führte zu drastischen Veränderungen der Zusammensetzung und strukturellen Diversität der Vegetation. Dabei sank mit zunehmendem Beweidungsdruck der Anteil an Gräsern an der Vegetationsbedeckung bei gleichzeitigem Anstieg der Strauchvegetation. Die Heterogenität des Habitats, gemessen in Anzahl von Strauchpatches (ø>4m) pro Hektar, zeigte einen unimodalen Verlauf bei steigender Strauchbedeckung und damit bei steigender Weideintensität. Maximale Habitatheterogenität wurde bei einer Strauchbedeckung von ca. 20% festgestellt. 2. Die beobachteten Veränderungen der Vegetation wirkten sich sowohl auf Tierarten aus, die sich direkt von pflanzlicher Kost ernähren als auch auf solche am Ende einer Nahrungskette: Die Effekte zunehmender Strauchbedeckung (und damit steigender Beweidungsintensität) auf die relative Häufigkeit der wichtigsten Beutetiere von Kleinkarnivoren unterschieden sich zwischen den einzelnen Gruppen. Es bestand eine lineare negative Korrelation für Orthopteren, während unimodale Antwortmuster für Käfer mit maximaler Abundanz bei einer Strauchbedeckung von ca. 15% und für Nagetiere bei ca. 12,5% festgestellt wurden, wohingegen keine Korrelation für Termiten ermittelt werden konnte. 3. Am Beispiel der Nagetiergemeinschaft konnte die wesentliche Bedeutung der räumlichen Skala für das Auflösungsvermögen von Abundanz- und Diversitätsmuster gezeigt werden. Ihre Muster und damit die Auswirkungen von Beweidung wurden ausschließlich auf einer großen räumlichen Skala (250ha) identifiziert, nicht jedoch auf der Skala des mittleren Aktionsraums (1ha). Ein wichtiges Fazit dieser Ergebnisse ist, dass zuerst diejenige räumliche Skala identifiziert werden muss, auf der ein Organismus mit Habitatstrukturen (Z.B. geeigneten Nahrungsplätzen) interagiert, um die Effekte von Veränderungen der strukturellen Zusammensetzung von Habitaten verstehen zu können. Dabei führte steigende Grasbedeckung zu einer exponentiellen Sättigung der Gesamtabundanz sowie der Diversität der Nagetiere. Dagegen wurde bei Zunahme der Strauchbedeckung ein unimodales Muster für Gesamtabundanz und Diversität festgestellt. 4. Obwohl ein hoher Strauchanteil sich durchgehend negativ auf die Beuteverfügbarkeit auswirkte, haben Sträucher eine besondere Bedeutung für die Artenvielfalt in diesem Lebensraum, da sie als Schutz- und Nistplatz wichtige Funktionen erfüllen. Am Beispiel von Fuchsmangusten (Cynictis penicillata) konnte ich exemplarisch die zentralen Funktionen von Sträuchern und ihren Einfluss auf den Reproduktionserfolg dieser Art zeigen. Interessanterweise waren die Auswirkungen von Sträuchern inkonsistent für unterschiedliche räumliche Skalen. Im Mikrohabitat haben Strauchstrukturen positive Eigenschaften (Schutzfunktionen). Fuchsmangusten legten ihre Bauten meistens unter Sträuchern an, um ein Einstürzen durch Huftrampeln zu verhindern und ihr Prädationsrisiko durch Greifvögel zu reduzieren. Für die Anlage ihrer Reproduktionsbauten wählten sie Strauchstrukturen mit einem Durchmesser von mindestens sechs Metern (bevorzugt der Art Acacia hebeclada) und außerdem, wenn sich im Umkreis von 10 Metern kein weiterer Strauchpatch befand. Auf einer größeren räumlichen Skala (im Umfeld von einem Hektar um Reproduktionsbauten) wurden Flächen mit einer Strauchbedeckung präferiert, die geringer war, als zufällige Flächen im Habitat. Dabei wirkte sich zunehmende Strauchbedeckung auch negativ auf die Gruppengröße und den Reproduktionserfolg dieser Art aus. Für eine erfolgreiche Reproduktion bei Fuchsmangusten scheint die Strauchbedeckung im Umfeld von einem Hektar um die Reproduktionsbauten einen Schwellenwert zwischen 10 und 15% nicht überschreiten zu dürfen. Dies ist mit der sinkenden Beuteverfügbarkeit (Nagetiere und Arthropoden) bei zunehmender Strauchbedeckung zu begründen. 5. Aufgrund der dramatischen Auswirkungen von Verbuschung auf die Beuteverfügbarkeit von Kleinkarnivoren unterschieden sich die Abundanzen der einzelnen Kleinkarnivoren deutlich zwischen diesen Farmen. Die Abundanz der jeweiligen Einzelarten konnte über Regressionsmodelle mit Vegetationsparameter oder Beutetierverfügbarkeit erklärt werden. Im Gegensatz dazu war die Strauchbedeckung die beste erklärende Variable für Gesamtabundanz und Diversität der Gilde. Sie integriert habitatspezifische Eigenschaften, wie die Verfügbarkeit von vier Beutetiergruppen, die Konnektivität von Nahrungspatches mit hoher Qualität, das Prädationsrisiko durch Greifvögel sowie das Nistplatzangebot. Dabei sank mit zunehmender Strauchbedeckung die Gesamtabundanz, während für die Diversität ein unimodales Muster mit maximaler Diversität bei einer Strauchbedeckung von ca. 12,5% festgestellt wurde. Für eine Einschätzung der Diversität von Kleinkarnivoren eignet sich die Ginsterkatze (Genetta genetta) als Indikatorart. Interessanterweise war die Strauchbedeckung ein noch besserer Bioindikator für die Einschätzung der Diversität von Kleinkarnivoren. 6. Die Schlussfolgerung meiner Ergebnisse ist, dass die Diversität der Kleinkarnivoren einen Großteil der Biodiversität der Untersuchungsflächen in der südlichen Kalahari widerspiegelt. Dabei integriert die Kleinkarnivorengilde als Indikatorvariable neben der zoologischen Diversität (i) auch die strukturelle Diversität der Vegetation (ii) sowie die strukturelle Organisation im Nahrungsnetz (iii). Kleinkarnivoren erhalten dadurch einen Status einer Indikatorgilde und eignen sich damit sehr gut zur Beurteilung der südlichen Kalahari oder einer anderen Weidelandschaft arider Savannen. 7. Das für den Naturschutz wichtigste Ergebnis meiner Arbeit ist, dass höchste Diversität aller Untersuchungsorganismen bei einer Strauchbedeckung zwischen 10 und 15%, also einer mittleren Beweidungsintensität von ca. 3,5 LSU/ l00ha, festgestellt wurde. Daher wirken sich mäßige Bestockungsdichten durchaus positiv auf die Diversität aus, während eine Überbeweidung einen dramatischen Rückgang der Artenvielfalt in diesem Lebensraum verursacht.
Antimicrobial resistance became a serious threat to the worldwide public health in this century. A better understanding of the mechanisms, by which bacteria infect host cells and how the host counteracts against the invading pathogens, is an important subject of current research. Intracellular bacteria of the Salmonella genus have been frequently used as a model system for bacterial infections. Salmonella are ingested by contaminated food or water and cause gastroenteritis and typhoid fever in animals and humans. Once inside the gastrointestinal tract, Salmonella can invade intestinal epithelial cells. The host cell can fight against intracellular pathogens by a process called xenophagy. For complex systems, such as processes involved in the bacterial infection of cells, computational systems biology provides approaches to describe mathematically how these intertwined mechanisms in the cell function. Computational systems biology allows the analysis of biological systems at different levels of abstraction. Functional dependencies as well as dynamic behavior can be studied. In this thesis, we used the Petri net formalism to gain a better insight into bacterial infections and host defense mechanisms and to predict cellular behavior that can be tested experimentally. We also focused on the development of new computational methods.
In this work, the first realization of a mathematical model of the xenophagic capturing of Salmonella enterica serovar Typhimurium in epithelial cells was developed. The mathematical model expressed in the Petri net formalism was constructed in an iterative way of modeling and analyses. For the model verification, we analyzed the Petri net, including a computational performance of knockout experiments named in silico knockouts, which was established in this work. The in silico knockouts of the proposed Petri net are consistent with the published experimental perturbation studies and, thus, ensures the biological credibility of the Petri net. In silico knockouts that have not been experimentally investigated yet provide hypotheses for future investigations of the pathway.
To study the dynamic behavior of an epithelial cell infected with Salmonella enterica serovar Typhimurium, a stochastic Petri net was constructed. In experimental research, a decision like "Which incubation time is needed to infect half of the epithelial cells with Salmonella?" is based on experience or practicability. A mathematical model can help to answer these questions and improve experimental design. The stochastic Petri net models the cell at different stages of the Salmonella infection. We parameterized the model by a set of experimental data derived from different literature sources. The kinetic parameters of the stochastic Petri net determine the time evolution of the bacterial infection of a cell. The model captures the stochastic variation and heterogeneity of the intracellular Salmonella population of a single cell over time. The stochastic Petri net is a valuable tool to examine the dynamics of Salmonella infections in epithelial cells and generate valuable information for experimental design.
In the last part of this thesis, a novel theoretical method was introduced to perform knockout experiments in silico. The new concept of in silico knockouts is based on the computation of signal flows at steady state and allows the determination of knockout behavior that is comparable to experimental perturbation behavior. In this context, we established the concept of Manatee invariants and demonstrated the suitability of their application for in silico knockouts by reflecting biological dependencies from the signal initiation to the response. As a proof of principle, we applied the proposed concept of in silico knockouts to the Petri net of the xenophagic recognition of Salmonella. To enable the application of in silico knockouts for the scientific community, we implemented the novel method in the software isiKnock. isiKnock allows the automatized performance and visualization of in silico knockouts in signaling pathways expressed in the Petri net formalism. In conclusion, the knockout analysis provides a valuable method to verify computational models of signaling pathways, to detect inconsistencies in the current knowledge of a pathway, and to predict unknown pathway behavior.
In summary, the main contributions of this thesis are the Petri net of the xenophagic capturing of Salmonella enterica serovar Typhimurium in epithelial cells to study the knockout behavior and the stochastic Petri net of an epithelial cell infected with Salmonella enterica serovar Typhimurium to analyze the infection dynamics. Moreover, we established a new method for in silico knockouts, including the concept of Manatee invariants and the software isiKnock. The results of these studies are useful to a better understanding of bacterial infections and provide valuable model analysis techniques for the field of computational systems biology.
Application of a developed tool to visualize newly synthesized AMPA receptor components in situ
(2018)
The information flow between neurons happens at contact points, the synapses. One underlying mechanism of learning and memory is the change in the strength of information flow in selected synapses. In order to match the huge demand in membranes and proteins to build and maintain the neurites' complex architecture, neurons use decentralized protein synthesis. Many candidate proteins for local synthesis are known, and the need of de novo synthesis for memory formation is well established. The underlying mechanisms of how somatic versus dendritic synthesis is regulated are yet to be elucidated. Which proteins are newly synthesized in order to allow learning?
In this thesis protein synthesis is studied in hippocampal neurons. The fractional distribution of somatic and dendritic synthesis for candidate proteins and their subsequent transport to their destination are investigated using a newly developed technique. In the first part of this study we describe the development of this technique and use it in the second part to answer biological questions.
We focus here on AMPA receptor subunits, the key players in fast excitatory transmission. AMPA receptors contain multiple subunits with diverse functions. It remains to be understood, when and where in a neuron these subunits come together to form a protein complex and how the choice of subunits is regulated.
The investigation of the subunits' site of synthesis and redistribution kinetics in this study will help us to understand how neurons are able to change their synaptic strength in an input specific manner which eventually allows learning and memory.
Key questions which are addressed in this study:
How can specific newly synthesized endogenous proteins be visualized in situ? What are the neuron's abilities to locally synthesize and fully assemble AMPA receptor complexes?
How fast do different AMPA receptor subunits redistribute within neurons after synthesis?
Research in cell and developmental biology requires the application of three-dimensional model systems that reproduce the natural environment of cells. Processes in developmental biology are therefore studied in entire systems like insects or plants. In cell biology, three-dimensional cell cultures (e.g. spheroids or organoids) model the physiology and pathology of cells, tissues or organs. In all systems, the cellular neighborhood and interactions, but also physicochemical influences, are realistically presented. The production and handling of these model systems is rather simple and allows for reproducible characterization.
Confocal and light sheet-based fluorescence microscopy (LSFM) enable the observation of these systems while maintaining their three-dimensional integrity. LSFM is applicable to imaging live samples at high spatio-temporal resolution over long periods of time. The quality of the acquired datasets enables the extraction of quantitative features about morphology, functionality and dynamics in the context of the complete system. This approach is referred to as image-based systems biology. Exploiting the potential of the generated datasets requires an image analysis pipeline for data management, visualization and the retrieval of biologically meaningful values.
The goal of this thesis was to identify, develop and optimize modules of the image analysis pipeline. The modules cover data management and reduction, visualization, reconstruction of multiview image datasets, the segmentation and tracking of cell nuclei and the extraction of quantitative features. The modules were developed in an application-driven manner to test and ensure their applicability to real datasets from three-dimensional fluorescence microscopy. The underlying datasets were taken from research projects in developmental biology in insects and plants, as well as from cell biology.
The datasets acquired in fluorescence microscopy are typically complex and require common image processing steps in order to manage, visualize, and analyze the datasets. The first module accomplishes automatic structuring of large image datasets, reduces the data amount by image cropping and compression and computes maximum projection images along different spatial directions. The second module corrects for intensity variations in the generated maximum projection images that occur as a function of time. The program was published as a part of an article in Nature Protocols. Another developed module named BugCube provides a web-based platform to visualize and share the processed image datasets.
In LSFM, samples can be rotated in-between two acquisitions enabling the generation of multiview image datasets. Prior to my work, Frederic Strobl and Alexander Ross acquired the complete embryogenesis of the red flour beetle, Tribolium castaneum, and the field cricket, Gryllus bimaculatus, with LSFM. I evaluated a plugin for the software FIJI as a module for the reconstruction of such datasets. The plugin was optimized for automation and efficiency. We obtained the first high quality three-dimensional reconstructions of Tribolium and Gryllus datasets.
Optical clearing increases the penetration depth into samples, thus providing endpoint images of entire three-dimensional objects with cellular detail. This work contributes a quantitative characterization module that was applied to endpoint images of optically cleared spheroids. A program for the generation of ground truth datasets was developed in order to evaluate the cell nuclei segmentation performance. The program was part of a paper that was published in BMC Bioinformatics. Using the program, I could show that the cell nuclei segmentation is robust and accurate. Approaches from computational topology and graph theory complete the segmentation of cell nuclei. Thus, the developed module provides a comprehensive quantitative characterization of spheroids on the level of the individual cell, the cell neighborhood and the whole cell aggregate. The module was employed in four applications to analyze the influence of different stress conditions on the morphology and cellular arrangement of cells in spheroids. The module was accepted for publication in Scientific Reports along with the results for one application. The cell nuclei segmentation further provided a data source for simulation models that used correlation functions to identify structural zones in spheroids. These results were published in Royal Society Interface.
The final part of this work presents a module for cell tracking and lineage reconstruction. In collaboration with Dr. Alexis Maizel, Dr. Jens Fangerau and Dr. Daniel von Wangenheim, I developed a module to track the positions of all cells involved in lateral root formation in Arabidopsis thaliana and used the extracted positions for extensive data analysis. We reconstructed the cell lineages and established the first atlas of all founder cells that contribute to the formation. The analysis of the retrieved data allowed us to study conserved and individual patterns in lateral root formation. The atlas and parts of the analysis presented in this thesis were published in Current Biology.
In this thesis, I developed modules for an image analysis pipeline in three-dimensional fluorescence microscopy and applied them in interdisciplinary research projects. The modules enabled the organization, processing, visualization and analysis of the datasets. The perspective of the image analysis pipeline is not restricted to image-based systems biology. With ongoing development of the image analysis pipeline, it can also be a valuable tool for medical diagnostics or industrial high-throughput approaches.
Ischemic injuries of the cardiovascular system are still the leading cause of death worldwide. They are often accompanied by loss of cardiomyocytes (CM) and their replacement by non-functional heart tissue. Cardiac fibroblasts (CF) play a major role in the recovery after ischemic injury and in the scar formation. In the last few years researchers were able to reprogram fibroblasts into CM in vitro and in murine models of myocardial infarction using various protocols including a cocktail of microRNAs (miRs). These miRs can target hundreds of messenger RNAs and inhibit their translation into proteins, potentially regulating multiple cellular signaling pathways. Because of this, there has been a rising interest in the use of miRs for therapeutic purposes. However, as different miRs have different effects in different cells, there is the danger of causing serious side effects. These could be alleviated by enacting a cell-specific transport of miRs, for example by using aptamers. Aptamers are usually short strands of DNA or RNA, which can fold into a specific three-dimensional confirmation which allows them to bind specifically to target molecules. Aptamers are commonly selected from a large library for their ability to bind to target molecules using a procedure called SELEX. Aptamers have already been used to transport miRs into cancer cells.
In this thesis, we first established the transport of miRs into cells of the cardiovascular system using aptamers. MiR-126 is an important part of the signaling in endothelial cells (EC), protects from atherosclerosis and supports angiogenesis, which is why we chose it as a candidate to transport into the vasculature. We first tested two aptamers for their ability to internalize into EC and fibroblasts. Both the aptamer for the ubiquitously expressed transferrin receptor (TRA) and a general internalizing RNA motif, but not a control construct, could internalize efficiently into all cell types tested. We then designed three chimeras (Ch) using different strategies to connect TRA to miR-126. While all chimeras could internalize efficiently, only Ch3, which connects TRA to Pre-miR-126 using a sticky bridge structure, had functional effects in EC. Ch3 reduced the protein expression of VCAM-1 in EC and increased the VEGF induced sprouting of EC in a spheroid-sprouting assay. Treatment of breast cancer cells with Ch3 emulated the effects of treatment with classical miR-126-3p and miR-126-5p mimics. In the SK-BR3 cell line Ch3 and miR-126-3p reduce the viability of the cells while they reduce recruitment of EC by the MCF7 cell line. miR-126-5p had no apparent effect in the SK-BR3 line, but increased viability of MCF7 cells, as did Ch3. This implies that Ch3 can be processed to both functional miR-126-3p and miR-126-5p in treated cells.
We were unable to achieve a reprogramming of adult murine cardiac fibroblasts into cells resembling CM using the cocktail of 4 miRs. This indicates that the miR-mediated transdifferentiation is only possible in neonatal fibroblasts. The effects in mice after an AMI might possibly be caused by an enhanced plasticity of fibroblasts in and close to the infarcted area.
We also screened to find aptamers specifically binding to cells of the cardiovascular system. We used two oligonucleotide libraries in a cell-SELEX to select candidates which bind to CF, but not EC. We observed that only the library which contains two randomized regions of 26 bases showed an enrichment of species binding to fibroblasts. We then sequenced rounds 5-7 of the SELEX and analyzed the data bioinfomatically to select 10 candidate aptamers. All candidates showed a strong binding not only to CF, but also EC. This indicates that the selection pressure against species binding to EC was not high enough and would have to be increased to find true CF-aptamers. Four promising candidates were also analyzed for their potential to be internalized and we surprisingly found that all of them were internalized by EC and CF more efficiently than TRA. The similar behavior of the candidates implies that they possibly share a ligand, which is expressed both by EC and CF, but more prominently by the latter.
This work demonstrates the possibility of using aptamers to transport miRs into cells of the cardiovascular system. It also shows that it is possible to select aptamers for non-cancerous mammalian cells, which has not been done before. It is reasonable to assume that a refinement of the cell-SELEX will allow selection of cell-specific aptamers. Due to the failure of reprogramming of adult fibroblasts into induced cardiomyocytes we were unable to test whether a miR-mediated reprogramming might be inducible using aptamer transported-miRs. Ultimately, aptamer mediated transport of miRs is a feasible and promising therapeutic option for the treatment of cardiovascular diseases and other disorders like cancer.
Fossile Rohstoffe dienen in unserer heutigen Gesellschaft als Energiequelle und als Rohstofflieferant für Grund-, Feinchemikalien und Pharmazeutika. Sie tragen jedoch zum Klimawandel und Umweltverschmutzung bei. Lignocellulosische Biomasse ist eine erneuerbare und nachhaltige Alternative, die durch biotechnologische Prozesse erschlossen werden kann. Die Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae ist ein sehr gut untersuchter Modellorganismus, für den es zahlreiche genetische Werkzeuge und Analysemethoden gibt. Zudem wird S. cerevisiae häufig in biotechnologischen Prozessen eingesetzt, da diese Hefe robust gegenüber industriellen Bedingungen wie niedrigen pH-Werten, toxischen Chemikalien, osmotischem und mechanischem Stress ist. Die Pentose D-Xylose ist ein wesentlicher Bestandteil von lignocellulosischer Biomasse, die aber nicht natürlicherweise von der Bäckerhefe verwerten werden kann. Für eine kommerzielle Herstellung von Produkten aus lignocellulosischer Biomasse muss S. cerevisiae D-Xylose effektiv verwerten. Für die Bäckerhefe konnten heterologe Stoffwechselwege etabliert werden, damit diese D-Xylose verwerten kann. Für eine effiziente Xyloseverwertung bleiben dennoch zahlreiche Herausforderungen bestehen. Unter anderem nehmen die Zellen D-Xylose über ihre endogenen Hexosetransporter nur langsam auf. Die heterologe Xylose-Isomerase (XI) besitzt in S. cerevisiae eine geringe Aktivität für die Isomerisierung von D-Xylose. Unspezifische Aldosereduktasen konkurrieren mit der Xylose-Isomerase um das gleiche Substrat und produzieren Xylitol, ein starker Inhibitor der Xylose-Isomerase. Eine Möglichkeit die Umsatzrate von Enzymen zu steigern und Substrate vor Nebenreaktionen zu schützen, ist die Anwendung von Substrate Channeling Strategien. Bei Substrate Channeling befinden sich die beteiligten Enzyme in einem Komplex, wodurch die Substrate lokal angereichert werden und von einem aktiven Zentrum zum nächsten weitergeleitet werden, ohne Diffusion in den restlichen Reaktionsraum. In dieser Arbeit wurde untersucht, ob ein Komplex zwischen einem membranständigen Transporter und einem löslichen Enzym konstruiert werden kann, um durch Substrate Channeling eine verbesserte Substrat-Verwertung zu erreichen. Die Xylose-Isomerase aus C. phytofermentans und die endogene Hexose-Permease Gal2 sollten in dieser Arbeit als Modellproteine in S. cerevisiae-Zellen mit Hilfe von Protein-Protein-Interaktionsmodulen (PPIM) in räumliche Nähe zueinander gebracht werden.
Die Expression verschiedener PPIM konnte in S. cerevisiae mittels Western Blot nachgewiesen werden. Auch Fusionsproteine aus unterschiedlichen PPIM wurden in dieser Hefe exprimiert. Die PPIM binden komplementäre PPIM oder kurze Peptidliganden, welche an die Xylose-Isomerase und an den Gal2-Transporter fusioniert wurden. Die Funktionalität beider Proteine wurde mittels in vivo und in vitro Tests untersucht. Die Xylose-Isomerase mit N-terminalen Liganden des WH1-Protein-Protein-Interaktionsmoduls (WH1L-XI) und der Gal2-Transporter mit N-terminalen SYNZIP2-Protein-Protein-Interaktionsmodul (SZ2-Gal2) erwiesen sich als geeignete Kandidaten für weitere Untersuchungen. Mittels indirekter Immunfluoreszenz konnte die Ko-Lokalisierung von SZ2-Gal2 und WH1L-XI, die einander über ein Scaffold-Protein binden, nachgewiesen werden.
Transformanten, in denen ein Komplex aus Transporter, Scaffold-Protein und Xylose-Isomerase gebildet wurde, zeigten bessere Fermentationseigenschaften gegenüber der Scaffold-freien Kontrolle und dem Wildtyp: Sie verwerteten Xylose schneller, bildeten weniger vom unerwünschten Nebenprodukt Xylitol, produzierten mehr Ethanol und wiesen eine höhere Ethanolausbeute auf. Der beobachtete Substrate Channeling Effekt kompensierte die geringere Enzymaktivität der WH1L-XI im Vergleich zum Wildtyp-Protein. Die Wirksamkeit des Substrate Channeling wurde verringert, wenn die Bildung des Komplexes aus Transporter, Scaffold-Protein und Xylose-Isomerase gestört wurde, indem ein getaggtes GFP mit dem Scaffold-Protein um die Bindungsstelle an Gal2 konkurrierte. Dies zeigt, dass die positive Wirkung auf die Komplex-Bildung zwischen XI und Gal2 zurück zu führen ist. Die Fermentationseigenschaften konnten gesteigert werden, indem der zuvor zwischen SZ2-Zipper und Gal2-Transporter verwendete Linker, der aus zehn Aminosäuren von Glycin, Arginin und Prolin (GRP10) bestand, durch einen aus Glycin und Alanin (GA10) ersetzt wurde. Die verbesserten Fermentationseigenschaften beruhten auf einem Substrate Channeling Effekt und einer gesteigerten Aufnahmerate des SZ2-GA10-Gal2-Transporters. Ein Vergleich der Strukturvorhersagen von SZ2-GRP10-Gal2 und SZ2-GA10-Gal2 zeigte, dass der GRP10-Linker einen unstrukturierten, flexiblen Linker ausbildet, während der GA10-Linker eine starre α-Helix ausbildet. Die Struktur und der Transportprozess von Gal2 sind nicht aufgeklärt. Bei verwandten Transportern geht man davon aus, dass Substrate durch Konformationsänderungen ins Innere der Zelle transportiert werden, indem die beiden Domänen gegeneinander klappen. Die α-Helix könnte die Geschwindigkeit der Konformationsänderungen begünstigen.
Durch Kontrollexperimente konnte ausgeschlossen werden, dass die gesteigerten Fermentationseigenschaften eine Folge der Stabilisierung der XI- und Gal2-Fusionsproteine durch das Anfügen des Liganden oder durch Komplexbildung mit dem Scaffold-Protein waren. Substrate Channeling zwischen Gal2 und XI entsteht durch die Komplexbildung mit dem Scaffold-Protein, wodurch sich Gal2 und XI in räumlicher Nähe zueinander befinden. Dieser Effekt beruht möglicherweise zusätzlich aufgrund einer hohen örtlichen Ansammlung dieser Proteine, da die tetramere XI weitere Scaffold-Proteine binden könnte, welche weitere Gal2-Transporter binden könnte. Darüber hinaus sammeln sich Transporter an bestimmten Orten der Membran an und Transporter mit ähnlicher oder gleicher Transmembransequenz tendieren dazu zu ko-lokalisieren. Hierdurch könnten Gal2-XI-Agglomerate entstehen und Xylose wird mit hoher Wahrscheinlichkeit von einer der vielen Xylose-Isomerasen umgesetzt.
1.) Zahlreiche Medikamente werden nach Einnahme nahezu unverändert wieder ausgeschieden und gelangen über Abwasser und Kläranlagen in die aquatische Umwelt. 2.) Die gemessenen Konzentrationen erscheinen gegenüber anderen Kontaminantengruppen vergleichsweise niedrig, sind jedoch angesichts der Tatsache, dass Medikamente biologisch hoch aktive Substanzen sind, besorgniserregend. Das Beispiel Ethinylöstradiol zeigt, dass bereits im ng/l-Bereich Effekte auftreten. Abgesehen vom Beispiel Ethinylöstradiol lagen bislang keine Erkenntnisse über chronische Effekte von Medikamenten bei umweltrelevanten Konzentrationen vor. 3.) Die in der Umwelt festgestellten Arzneimittelwirkstoffe werden fast ausschließlich in Ab-, Oberflächen- und Grundwasser detektiert. Angaben über Medikamentanreicherungen in Sedimenten liegen nur vereinzelt vor. 4.) Angaben über die Ökotoxizität von Medikamenten beruhen bislang fast ausschließlich auf bei sehr hohen Substanzkonzentrationen durchgeführten Akuttests. Die Übertragung auf umweltrelevante Verhältnisse erfolgte durch Einbeziehung hoher Sicherheitsfaktoren. 5.) Die vorliegende Arbeit zeigt, dass in komplexeren Tests bereits bei sehr viel niedrigeren Konzentrationen Effekte auftreten. Diese Effekte sind nicht unmittelbar toxisch, beeinträchtigen jedoch die Entwicklung und Fortpflanzung der Versuchsorganismen nachhaltig. 6.) Als Modellsubstanzen für die in Oberflächengewässern nachgewiesenen Pharmaka wurden das Antiepileptikum Carbamazepin, Clofibrinsäure als Metabolit zahlreicher Lipidsenker, das Antibiotikum Ciprofloxacin und das Antidepressivum Fluoxetin ausgewählt. Sämtliche Pharmaka werden in der Umwelt weit verbreitet nachgewiesen. 7.) Als Testorganismen dienten die Zuckmücke Chironomus riparius, die Zwergdeckelschnecke Potamopyrgus antipodarum und der aquatische Annelide Lumbriculus variegatus. C. riparius ist ein bereits standardisierter Versuchsorganismus, L. variegatus ist zur Zeit im Standardisierungsverfahren (OECD 2004B) und für ökotoxikologische Untersuchungen empfohlen (ASTM 1995). Außerdem wurde mit den Einzellern Blepharisma japonicum und Tetrahymena thermophila ein Destruentenmikrokosmos entwickelt. Beide Einzeller sind ebenfalls erprobte Versuchsorganismen (PAULI 1996, FOX & MORIN 2001). 8.) Von den vier untersuchten Pharmaka erwiesen sich im getesteten Konzentrationsbereich Carbamazepin und Fluoxetin für jeweils einen der Testorganismen als schädlich. Carbamazepin blockierte ab einer Sedimentkonzentration von 234 µg/kg Sediment (Trockengewicht) die Entwicklung von C. riparius. Fluoxetin führte ab einer Testkonzentration von 2 µg/l zu einer Reduzierung der Embryonenzahl bei P. antipodarum. Die EC10 für Carbamazepin wurde zu 113 µg/kg Sediment berechnet, die EC10 für Fluoxetin zu 0,81 µg/l. Beide Konzentrationen sind bei Berücksichtigung der im TGD vorgesehenen Sicherheitsfaktoren umweltrelevant (PEC/PNEC > 1). Als Grundlage dieser Berechnung dienten gemessene Umweltkonzentrationen im Sediment beziehungsweise Wasser. Ein negativer Effekt von Ciprofloxacin auf L. variegatus erschien anhand der Daten zwar möglich, konnte jedoch nicht statistisch belegt werden. Für Clofibrinsäure ergaben sich keine Hinweise auf negative Effekte im getesteten Konzentrationsbereich. 9.) Die vorliegenden Berechnungen sind weitaus tragfähiger als bisher vorliegende, da sie auf chronischen Toxizitätsdaten und gemessenen Umweltkonzentrationen beruhen, statt auf Akutdaten und geschätzten Umweltkonzentrationen. 10.) Die in den Versuchen festgestellten, sehr niedrigen Effektkonzentrationen lassen Effekte auch bei umweltrelevanten Konzentrationen als wahrscheinlich erscheinen. Indirekte Effekte wie vermindertes Futterangebot für Prädatoren oder Verschiebungen im Artenspektrum sind denkbar. 11.) Der Destruentenmikrokosmos erwies sich als prinzipiell geeignet, Effekte von Xenobiotika auf Einzeller zu untersuchen, da die Positivkontrolle funktionierte. Die Daten aus den Versuchsansätzen zeigen jedoch, dass Versuchsdesign und Haltung der Testorganismen weiter entwickelt werden müssen. 12.) Die vorliegenden Daten zeigen, dass Pharmaka bei umweltrelevanten Konzentrationen ein ökologisches Risiko darstellen können. Maßnahmen zur Risikominderung sind dringend erforderlich. Angesichts des therapeutischen Nutzens der Substanzen erscheinen Verbote nicht durchsetzbar.
Arten von Aschersonia Mont. (Anamorphe von Hypocrella spp., Clavicipitaceae, Hypocreales, Sordariomycetidae, Askomycota) parasitieren Weiße Fliegen und Schildläuse. Petch (1921) stellte eine Monographie über Hypocrella und Aschersonia vor. Seit dieser Zeit wurden einige Arten neu beschrieben und vereinzelte Artkomplexe revidiert. Die vorgestellte Arbeit ist seit rund 80 Jahren das umfassendste Werk über die Gattung Aschersonia. Hierfür wurden Proben in Kuba, Malaysia, Mexico, Panama, Taiwan und Thailand gesammelt und z.T. kultiviert. Es werden 20 Arten detailliert vorgestellt und illustriert. Die Arten sind: A. acutispora, A. aurantiaca, A. australiensis, A. badia, A. basicystis, A. blumenaviensis, A. caespiticia [A. insperata, syn. nov.], A. columnifera, A. crenulata, A. duplex, A. hypocreoidea [A. goldiana, syn. nov.; A. confluens, syn. nov.], A. marginata, A. oxystoma, A. philippinensis, die Anamorphe von H. rhombispora, A. samoensis, A. taitensis [A. aleyrodis, syn. nov.; A. placenta, syn. nov.; A. tamurai, syn. nov.], die Anamorphe von H. tubulata, A. turbinata [A. coffeae, syn. nov.] und A. viridans. Hierzu wurden auch wichtige Merkmale wie Stromataform und Konidiengröße in situ und in vitro charakterisiert. Mit anderen gültigen Beschreibungen von Arten, die nicht untersucht werden konnten, gibt es 32 Arten. Zum ersten Mal wurden ausführliche Daten über die Wirtsinsekten sowie die Trägerpflanzen berücksichtigt. Erstmals wurde die Verbreitung der Aschersonia-Arten kritisch beleuchtet. Die Funde von A. acutispora, A. basicystis, A. hypocreoidea, A. oxystoma, A. turbinata und A. viridans sind Erstnachweise für Panama. Die Funde von A. australiensis, A. hypocreoidea, A. marginata und A. tubulata sind Erstnachweise für Taiwan. Zum ersten Mal wird für Arten der Gattung Aschersonia ein dichotomer Bestimmungsschlüssel vorgestellt. Es werden drei Hypothesen zur Phylogenie der Aschersonia spp. vorgestellt: 1. Die Stellung der Aschersonia spp. innerhalb der Clavicipitaceae basierend auf Sequenzdaten des LSU-Gens: Aschersonia bildet eine schwach unterstützte Paraphylie, dabei steht A. badia basaler als die übrigen Aschersonia-Arten. 2. Die Beziehung der Aschersonia spp. zueinander: A. badia und eng verwandte Arten parasitieren ausschließlich Weiße Fliegen und stehen basal. Arten einer zweiten Gruppe parasitieren Arten der Aleurodidae und Coccidae und Arten einer dritten Gruppe parasitieren ausschließlich Arten der Coccidae. 3. Eine phylogenetische Hypothese basierend auf Sequenzdaten der ITS: Es gibt noch zu wenig Sequenzen um eine eindeutige Aussage treffen zu können.
Die Analyse von DNA-Sequenzen steht spätestens seit der Feststellung ihrer tragenden Rolle in der Vererbung organismischer Eigenschaften im Fokus biologischer Fragestellungen. Seit Kurzem wird mit modernsten Methoden die Untersuchung von kompletten Genomen ermöglicht. Dies eröffnet den Zugang zu genomweiten Informationen gegenüber begrenzt aussagekräftigen markerbasierten Analysen. Eine Genomsequenz ist die ultimative Quelle an organismischer Information. Allerdings sind diese Informationen oft aufgrund technischer und biologischer Gründe komplex und werfen meist mehr Fragen auf, als sie beantworten.
Die Rekonstruktion einer bislang unbekannten Genomsequenz aus kurzen Sequenzen stellt eine technische Herausforderung dar, die mit grundlegenden, aber in der Realität nicht zwingend zutreffenden Annahmen verbunden ist. Außerdem können biologische Faktoren, wie Repeatgehalt oder Heterozygotie, die Fehlerrate einer Assemblierung stark beeinflussen. Die Beurteilung der Qualität einer de novo Assemblierung ist herausfordernd, aber zugleich äußerst notwendig. Anschließend ist eine strukturelle und funktionale Annotation von Genen, kodierenden Bereichen und repeats nötig, um umfangreiche biologische Fragestellungen beantworten zu können. Ein qualitativ hochwertiges und annotiertes assembly ermöglicht genomweite Analysen von Individuen und Populationen. Diese Arbeit beinhaltet die Assemblierung und Annotation des Genoms der Süßwasserschnecke Radix auricularia und eine Studie vergleichender Genomik von fünf Individuen aus verschiedenen molekularen Gruppen (MOTUs).
Mollusken beherbergen nach den Insekten die größte Artenvielfalt innerhalb der Tierstämme und besiedeln verschiedenste, teils extreme, Habitate. Trotz der großen Bedeutung für die Biodiversitätsforschung sind verhältnismäßig wenige genomische Daten öffentlich verfügbar. Zudem sind Arten der Gattung Radix auch aufgrund ihrer großen geografischen Verbreitung in diversen biologischen Disziplinen als Modellorganismen etabliert. Eine annotierte Genomsequenz ermöglicht über bereits untersuchte Felder hinaus die Forschung an grundlegenden biologischen Fragestellungen, wie z.B. die Funktionsweise von Hybridisierung und Artbildung. Durch Assemblierung und scaffolding von sechs whole genome shotgun Bibliotheken verschiedener insert sizes und einem transkriptbasiertem scaffolding konnte trotz des hohen Repeatgehalts ein vergleichsweise kontinuierliches assembly erhalten werden. Die erhebliche Differenz zwischen der Gesamtlänge der Assemblierung und der geschätzten Genomgröße konnte zum Großteil auf kollabierte repeats zurückgeführt werden.
Die strukturelle Annotation basierend auf Transkriptomen, Proteinen einer Datenbank und artspezifisch trainierten Genvorhersagemodellen resultierte in 17.338 proteinkodierenden Genen, die etwa 12,5% der geschätzten Genomgröße abdecken. Der Annotation wird u.a. aufgrund beinhaltender Kernrthologen, konservierter Proteindomänenarrangements und der Übereinstimmung mit de novo sequenzierten Peptiden eine hohe Qualität zugesprochen.
Das mapping der Sequenzen von fünf Radix MOTUs gegen die R. auricularia Assemblierung zeigte stark verringerte coverage außerhalb kodierender Bereiche der nicht-Referenz MOTUs aufgrund hoher Nukleotiddiversität. Für 16.039 Gene konnten Topologien berechnet werden und ein Test auf positive Selektion ausgeführt werden. Insgesamt konnte über alle MOTUs hinweg in 678 verschiedenen Genen positive Selektion detektiert werden, wobei jede MOTU ein nahezu einzigartiges Set positiv selektierter Gene beinhaltet. Von allen 16.039 untersuchten Genen konnten 56,4% funktional annotiert werden. Diese niedrige Rate wird vermutlich durch Mangel an genomischer Information in Mollusken verursacht. Anschließende Analysen auf Anreicherungen von Funktionen sind deshalb nur bedingt repräsentativ.
Neben den biologischen Ergebnissen wurden Methoden und Optimierungen genomischer Analysen von Nichtmodellorganismen entwickelt. Dazu zählen eigens angefertigte Skripte, um beispielsweise Transkriptomalignments zu filtern, Trainings eines Genvorhersagemodells automatisiert und parallelisiert auszuführen und Orthogruppen bestimmter Arten aus einer Orthologievorhersage zu extrahieren. Zusätzlich wurden Abläufe entwickelt, um möglichst viele vorhandene Daten in die Assemblierung und Annotation zu integrieren. Etwa wurde ein zusätzliches scaffolding mit eigens assemblierten Transkripten mehrerer MOTUs sequenziell und phylogenetisch begründet ausgeführt.
Insgesamt wird eine umfassende und qualitativ hochwertige Genomsequenz eines Süßwassermollusken präsentiert, welche eine Grundlage für zukünftige Forschungsprojekte z.B. im Bereich der Biodiversität, Populationsgenomik und molekularen Ökologie bietet. Die Ergebnisse dieser Arbeit stellen einen Wissenszuwachs in der Genomik von Mollusken dar, welche bisher trotz ihrer Artenvielfalt deutlich unterrepräsentiert bezüglich assemblierter und annotierter Genome auffallen.
Die vorliegende Arbeit wurde partiell als Bestandteil eines von der EU geförderten TME-Projektes angefertigt. Das vorrangige Ziel war die Weiterentwicklung der Methodik, die Ring-Testung und die Freiland-Validierung eines offenen und ungestörten terrestrischen Modellökosystems (TMEs). Hierzu wurden die Auswirkungen der Modellchemikalie Carbendazim (fungizider Wirkstoff der Formulierung Derosal®) auf die Enchytraeidenzönose mit TMEs im Labor und in Freiland- Validierungsstudien untersucht. Die Familie Enchytraeidae (Annelida, Oligochaeta) unterlag auf Grund ihrer hohen ökologischen Wertigkeit und einer bekannten Sensitivität gegenüber Carbendazim, im Rahmen dieser Arbeit einer weitergehenden und vertiefenden Auswertung. Im Detail wurde analysiert, welcher der mittels TMEs für die Enchytraeen erhobenen Parameter gegenüber der Exposition von Carbendazim am sensitivsten reagiert und bei der statistischen Auswertung den niedrigsten NOEC- bzw. EC50-Wert liefert. Darüber hinaus wurde die Frage geklärt, welche der in einer TME-Studie generierten ökotoxikologischen Kenngrößen, NOEC oder EC50, am sinnvollsten in der Risikobeurteilung eingesetzt werden sollte. Die Versuche wurden in Amsterdam (Niederland), Bangor (Wales, England), Coimbra (Portugal) und Flörsheim (Deutschland) durchgeführt. An allen Standorten wurde mit dem gleichen Equipment gearbeitet. Die TMEs bestanden aus intakten Bodensäulen (Ø = 17.5 cm, Länge = 40 cm) mit ungestörter Schichtung, indigener Bodenfauna und natürlichem Pflanzenbewuchs. Die Entnahme der TMEs erfolgte auf den Flächen, auf denen auch die entsprechenden Freiland-Validierungsstudien durchgeführt wurden. Es handelte sich dabei um Grünland bzw. in einem Fall (Coimbra) um eine landwirtschaftliche Nutzfläche. Unabhängig von den jeweiligen Bodeneigenschaften konnten an allen Standorten mit den angewandten Methoden intakte Bodensäulen im Freiland entnommen und über eine dreimonatige Versuchsdauer als TMEs im Labor oder im Gewächshaus installiert werden. Zumindest für diesen Versuchszeitraum war die Aufrechterhaltung einer natürlichen Zönose der Enchytraeen in den TMEs unter den beschriebenen Versuchsbedingungen möglich. Untersucht wurden die Parameter Gesamtabundanz, Artenanzahl, Shannon-Wiener Index, Dominanzspektrum, Abundanz der Gattungen Fridericia und Enchytraeus, Anteil der Juvenilen an der Gesamtabundanz sowie die Vertikalverteilung der Enchytraeidae. Mittels einer multivariaten Statistik (PRC, Principal Response Curve) wurden die Auswirkungen auf den Endpunkt Enchytraeidae-Artengemeinschaft bestimmt. An allen Standorten kam es im TME-Vortest, im TME-Ringtest und in der Freiland-Validierungsstudie bei allen Probennahmezeitpunkten zu einer hohen Variabilität der Messwerte, die durch die heterogene räumliche Verteilung der Enchytraeidae bedingt ist. Traten Unterschiede zwischen den Kontrollen der verschiedenen Probennahmezeitpunkte im TME-Vortest und im TME-Ringtest auf, waren sie meist auf eine hohe Variabilität des jeweiligen Endpunktes zurückzuführen. Nur in wenigen Ausnahmefällen kam es zu einer kontinuierlichen Zunahme während der Versuchsdurchführung. In der Freiland-Validierungsstudie nahmen die jeweiligen Messwerte in den Kontrollen während der Versuchsdauer ab. Dies war die Folge der hohen Sommertemperaturen und der dadurch bedingten Austrocknung des Bodens, die in der Freiland-Validierungsstudie, wie alle Umweltbedingungen, nicht zu kontrollieren war. Beim Vergleich TME-Ringtest versus Freiland-Validierungsstudie lagen die Kontrollwerte der einzelnen Parameter in den beiden Studien in vergleichbaren Größenordnungen. Zwischen den Standorten konnten im TME-Vortest, im TME-Ringtest und in der Freiland- Validierungsstudie für alle Parameter keine prinzipiellen Differenzen bezüglich der Entwicklung der Kontrollen über die Probennahmezeitpunkte beobachtetet werden. An allen Standorten zeigten die untersuchten Parameter im TME-Vortest, im TME-Ringtest und in der Freiland-Validierungsstudie eine gute Übereinstimmung mit in der Literatur veröffentlichten Ergebnissen. Insgesamt lässt sich für die Entwicklung der Kontrollen über die Zeit ableiten, dass sich die Enchytraeenzönosen in den TMEs sowie am entsprechenden Freilandstandort hinsichtlich der untersuchten Parameter und ihrer räumlichen Heterogenität unabhängig von den Bodeneigenschaften nicht unterschieden. Aufgrund dieser Tatsache können systembedingte methodische Fehler bei der Erfassung von Chemikalienwirkungen auf die Enchytraeenzönosen unterschiedlicher Standorte mittels TMEs ausgeschlossen werden. Die grundlegenden Voraussetzungen für den Einsatz von TMEs als ökotoxikologisches Testsystem und Instrument in der Ökotoxikologie sind somit gegeben. An den unterschiedlichen Standorten waren die Auswirkungen von Carbendazim auf die untersuchten Parameter an den unterschiedlichen Probennahmezeitpunkten im TME-Ringtest ähnlich wie in der Freiland-Validierungsstudie. Zum Probennahmezeitpunkt w+16 waren die Effekte im TME-Ringtest und in der Freiland-Validierungsstudie vergleichbar denen im TME-Vortest. Die zwischen den Standorten festgestellten Unterschiede hinsichtlich des zeitlichen Verlaufs der Effekte sind auf die unterschiedlichen Bodeneigenschaften und die speziellen Substanzeigenschaften von Carbendazim zurückzuführen. Daher sollten bei der Planung einer TME-Studie neben den Charakteristika der zu testenden Substanz auch die standortspezifischen pedologischen Gegebenheiten berücksichtigt werden. Dabei sollten die Versuchdauer und das Raster der Probennahmen so angelegt sein, dass die maximalen Auswirkungen einer Testsubstanz sowie eine eventuelle Regeneration festgestellt werden können. Zwischen dem TME-Vortest, dem TME-Ringtest und der Freiland-Validierungsstudie sowie zwischen den verschiedenen Standorten konnten bezüglich der Sensitivität der untersuchten Endpunkte keine Unterschiede beobachtet werden. Die niedrigsten NOEC-Werte wurden im TME-Vortest, im TME-Ringtest und in der Freiland-Validierungsstudie am häufigsten mit den Parametern Dominanzspektrum und Enchytraeidae-Artengemeinschaft bestimmt. Die niedrigsten EC50-Werte (inklusive enger 95 % Vertrauensbereiche) wurden für die mit Hilfe der PRC ermittelten sensitivsten Taxa berechnet. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass multivariate statistische Verfahren wie die PRC am besten geeignet sind, um Multispezies-Testsysteme wie die TMEs auszuwerten. Darüber hinaus lassen sich mittels PRC die jeweils empfindlichsten Taxa ermitteln, für welche dann wiederum EC50-Werte mit sehr engen 95 % Vertrauensbereichen berechnet werden können. Eine einfachere Alternative ist die Auswertung des Parameters Dominanzspektrum. Mit diesem Endpunkt lassen sich sowohl NOEC-Werte bestimmen als auch sensitive Taxa ermitteln für die anschließend EC50-Werte zu berechnet werden können. EC50-Werte waren an allen Standorten sowohl im TME-Vortest und im TME-Ringtest als auch in der Freiland-Validierungsstudie häufiger bestimmbar als NOEC-Werte. Die EC50- Werte lagen meist unter den entsprechenden NOEC-Werten. Der Faktor zwischen den an den einzelnen Standorten ermittelten Minimum- bzw. Maximumwerten war für die EC50-Werte niedriger als für die NOEC-Werte. Die im TME-Ringtest ermittelten NOEC- und EC50-Werte entsprachen denen der Freiland-Validierungsstudie. Beim Vergleich der Standorte zeigten die EC50-Werte eine geringere Streuung als die NOEC-Werte. Der Variationskoeffizient der für den TME-Vortest und den TME-Ringtest berechneten EC50- Werte sowie der Faktor zwischen Minimum- und Maximumwert der unterschiedlichen Institute war denen anderer Ringtests, die mit Labormethoden durchgeführt wurden, vergleichbar, obwohl hier unterschiedliche Böden mit unterschiedlichen Enchytraeenzönosen verwendet wurden. Die im TME-Vortest und im TME-Ringtest festgestellten EC50-Werte sind mit den in der Literatur für Enchytraeen und Lumbriciden angegebenen LC/EC50-Werten sehr gut vergleichbar und liegen im unteren Bereich dieser Angaben. Damit konnte im Rahmen dieser Arbeit nachgewiesen werden, dass die mittels TME generierten Ergebnisse replizierbar und reproduzierbar sind, was eine wichtige Bedingung für die Verwendung als Testsystem in der Ökotoxikologie darstellt. Gleichzeitig wurde mittels der Freiland-Validierungsstudie die ökologische Relevanz der TME-Resultate belegt. TMEs können als sinnvolles Instrument zur Verbesserung der Risikobewertung für das Kompartiment Boden für neue/existierende Chemikalien, Biozide und Pflanzenschutzmittel betrachtet werden. Strukturelle Parameter wie z.B. die Enchytraeidae-Artengemeinschaft oder das Dominanzspektrum sollten in die Auswertung mit einbezogen und multivariate Verfahren wie die PRC verwendet werden. Damit ist es möglich, die sensitivsten Taxa zu identifizieren, Zusammenfasssung 178 für welche EC50-Werte berechnet werden können. Anstelle von NOEC-Werten sollten bei der Auswertung von TME-Studien bevorzugt EC50-Werte als ökotoxikologische Kenngröße in die Risikobewertung eingehen (z.B. zur Berechnung von TER-Werten). Die dabei zu verwendenden Sicherheitsfaktoren sind entsprechend anzupassen. Mit der Kombination Enchytraeidae und TME ist neben der Untersuchung von ökotoxikologischen Effekten zudem eine gute Möglichkeit gegeben, das Bioakkumulationspotential von Chemikalien zu bestimmen. Damit stehen für ökotoxikologische Untersuchungen auf den unterschiedlichsten Ebenen (Labor, Modellökosystem, Freiland, Bioakkumulation) standardisierte Testsysteme mit Enchytraeen zur Bestimmung der Wirkungen und des Verhaltens von Chemikalien zur Verfügung.
Das Auftreten von plötzlichem Herztod, das häufig durch ventrikuläre Tachyarrhythmien ausgelöst wird, stellt bis heute eine Herausforderung bei der Therapie der Patienten mit schwerer Herzinsuffizienz dar. Derartige Arrhythmien werden bei über 85% der Patienten mit schwerer Herzinsuffizienz beschrieben und über 50% der Todesursachen werden dabei auf das Auftreten von plötzlichem Herztod zurückgeführt. Es wird vermutet, dass das elektrische Remodeling als Teil der gesamten kardialen Umbauvorgänge bei der Entstehung einer Herzinsuffizienz die pathophysiologische Grundlage dieser Arrhythmien darstellt. Das Renin-Angiotensin-Aldosteron System spielt eine zentrale Rolle bei der Ausbildung des elektrischen Remodeling und insbesondere erhöhte Aldosteronkonzentrationen korrelieren mit dem Risiko kardiovaskulärer Zwischenfälle. Darüberhinaus konnte in zwei klinischen Studien (RALES und EPHESUS) gezeigt werden, dass die Therapie herzinsuffizienter Patienten mit den Aldosteronantagonisten Spironolacton und Eplerenon die Mortalität und Morbidität und insbesondere auch das Auftreten von plötzlichem Herztod signifikant senken konnte. Weitere Studien zeigen eine Verbindung zwischen dem Auftreten einer Herzinsuffizienz und Veränderungen in der Funktion und Expression kardiospezifischer repolarisierender K+-Kanäle. Neben den klinischen Daten, die einen protektiven Effekt der Aldosteronantagonisten bei plötzlichem Herztod belegen, ist wenig über die Auswirkungen von Aldosteron auf das elektrische Remodeling des Herzens bekannt. In dieser Arbeit sollte daher die Auswirkung einer chronischen Aldosteronexposition in Ratten auf die elektrophysiologischen Eigenschaften des Herzens untersucht werden. Dazu wurde Wistar-Ratten Aldosteron verabreicht und einigen Tieren die Aldosteronantagonisten Spironolacton und Eplerenon, um die Effekte der unspezifischen (Spironolacton) und spezifischen (Eplerenon) MR Blockade auf die elektrischen Eigenschaften der Kardiomyozyten zu untersuchen. Die Aldosteron exponierten Tiere entwickelten eine linksventrikuläre Hypertrophie, die sich unabhängig von Blutdruckveränderungen entwickelte, sowie ein signifikant verlängertes QT-Intervall, vermehrt auftretende ventrikuläre Extrasystolen und ventrikuläre Tachykardien. Die Elektrolytwerte (K+, Na+, Cl-) waren dabei nicht verändert. Die Aldosteronantagonisten Spironolacton und Eplerenon waren in der Lage, die unter Aldosteron auftretenden Veränderungen zu verhindern. Die Transkription der Untereinheiten kardiospezifischer K+-Kanäle (Ito, IKur, IK1) und des L-Typ Ca2+-Kanals war unter Aldosteronstimulation im linken Ventrikel signifikant erniedrigt. Auf Proteinebene konnte dies für die Kanaluntereinheiten Kv1.5 (IKur), Kir2.3 (IK1) und Cav1.2 (L-Typ Ca2+-Kanal) bestätigt werden. Die Untersuchung eventuell zugrunde liegender Signaltransduktionswege lieferte erniedrigte mRNA Expressionslevel der kardiospezifischen Proteinkinase C Isoformen PKC-α und PKC-ε, wohingegen die mRNA-Expression von PKC-δ unter Aldosteronstimulation unverändert war. Diese Veränderungen in der Transkription der PKC Isoformen wurden durch Behandlung der Tiere mit den Aldosteronantagonisten inhibiert, was für einen MR vermittelten Effekt spricht. Weiterhin zeigte eine chronische Aldosteronstimulation eine erniedrigte mRNA Expression von Calcineurin Aß (PPP3CB) sowie Calcineurinaktivität in linksventrikulärem Gewebe der Tiere. Dieser Effekt konnte durch die Aldosteronantagonisten nicht aufgehoben werden, so dass ein Signaltransduktionsweg, der nicht über den MR vermittelt wird, zugrunde liegen könnte. Insgesamt konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass chronisch erhöhte Aldosteronkonzentrationen im Rattenherz blutdruckunabhängig zu strukturellen und elektrischen Veränderungen führen, die das Auftreten maligner ventrikulärer Arrhythmien begünstigen. Beide Aldosteronantagonisten Spironolacton und Eplerenon sind in der Lage, die durch Aldosteron vermittelten Effekte in gleicher Weise zu inhibieren. Die Ergebnisse zeigen pathophysiologische Zusammenhänge auf, die die Bedeutung von Aldosteron und der Therapie mit Aldosteronantagonisten für die Behandlung der Herzinsuffizienz und in Zukunft möglicherweise der Hypertrophie unterstreichen.
Das geographische Verbreitungsgebiet von Arten ist ein fundamentales Struktur gebendes Merkmal der biologischen Welt. Warum Arten so verteilt sind, wie sie sind ist seit langem eine der zentralen Fragen in Ökologie, Biogeographie und Evolution. Gegenwärtig verändern sich, im Wesentlichen als unbeabsichtigtes Nebenprodukt menschlicher ökonomischen Aktivitäten und Populationsdynamik, die geographischen Verbreitungsgebiete von Arten mit entscheidender Bedeutung für Land- und Forstwirtschaft, als Krankheitsvektoren oder als Teil der biologischen Systeme, die Ökosystemfunktionen bereitstellen. Daher ist es dringend notwendig, dass wir unser Verständnis über die Dynamiken, aus denen die geographische Verbreitung von Arten erwachsen, verbessern. Mit dieser Doktorarbeit versuche ich, in drei Untersuchungen zur Dynamik der Verbreitungsgebiete von Singvögeln einen Beitrag zu unserem in Entwicklung begriffenen Verständnis der multiplen Faktoren die Artverbreitungsgebiete beeinflussen, zu leisten.
1) Zu einem mechanistischeren Verständnis von Artmerkmalen und Verbreitungsgebietsgrößen: Ein wichtiger, ungelöster Fragenkomplex in der Makroökologie ist, die immense interspezifische Variation in der Größe geographischer Verbreitungsgebiete zu verstehen. Während man davon ausgeht, dass Artmerkmale wie Fekundität und Körpergröße einen Effekt auf Verbreitungsgebietsgrößen haben, fehlt ein allgemeines Verständnis davon, wie Verbreitungsgebietsgrößen von mehreren Merkmalen gemeinsam beeinflusst werden. Hier beurteilen wir den Effekt von Lebensgeschichtsmerkmalen (Fekundität, Ausbreitungsfähigkeit), ökologischen Merkmalen (Habitatnische, Nahrungsnische, Zugverhalten, Flexibilität im Zugverhalten) und morphologischen Merkmalen (Körpergröße) auf die globale Verbreitungsgebietsgröße von 165 europäischen Singvögeln. Wir identifizieren Hypothesen zur Beziehung von Artmerkmalen und Verbreitungsgebietsgrößen aus der Literatur und verwenden die Methodik der Pfadanalyse, um sie zu testen. Die Größe der globalen geographischen Verbreitungsgebiete europäischer Singvögel wurde von Lebensgeschichtsmerkmalen (Fekundidtät und Ausbreitungsfähigkeit), ökologischen Merkmalen (Habitatnischenbreite, Nahrungsnischenposition und Zugverhalten) und von Körpergröße beeinflusst. Artmerkmale beeinflussten Verbreitungsgebietsgrößen auf direktem und indirektem Weg. Insbesondere der Einfluss von Körpergröße war komplex mit positiven und negativen Effekten über verschiedene Pfade. Die Größe von Verbreitungsgebieten ist sehr wahrscheinlich auch von anderen Faktoren als von Artmerkmalen abhängig. Wir zeigen, dass es notwendig ist, den direkten und indirekten Einfluss einer Vielzahl von Merkmalen zu entwirren, um die Mechanismen, die makroökologische Beziehungen generieren, aufzuklären.
2) Konkurrenz und Ausbreitungsfähigkeit interagieren bei der Bestimmung der geographischen Verbreitung von Vögeln: Es ist weiterhin eine Herausforderung für Ökologie und Evolutionsbiologie, die Faktoren zu verstehen , die die geographische Verbreitung von Arten beeinflussen. Wir untersuchen wie Konkurrenz, Ausbreitungsfähigkeit, das Alter eines Taxons und Habitatverschiebungen seit dem letzten glazialen Maximum das Ausmaß beeinflussen, in dem Arten der Vogelgattung Sylvia in allen Gegenden mit geeigneten Umweltbedingungen vorkommen (d.h. range filling).
Wir haben range filling in der Vogelgattung Sylvia (Grasmücken) unter Verwendung von Boosted Regression Trees und Ridge-Regression quantifiziert. Mittels multipler Regression haben wir für die Effekte von intragenerischer Konkurrenz, Ausbreitungfähigkeit, Alter des Taxons und Habitatverschiebung seit dem letzten glazialen Maximum auf range filling getestet.
Grasmücken mit hoher Ausbreitungsfähigkeit zeigten höheres range filling, aber nur wenn Konkurrenz in Gebieten mit weniger geeignetem Habitat innerhalb ihres potentiellen Verbreitungsgebietes niedrig war. Das Alter eines Taxon und Habitatverschiebung seit dem letzten glazialen Maximum hatten keinen konsistenten Effekt. Wir zeigen, dass die Verbreitungsgebiete von Grasmücken mit hoher Wahrscheinlichkeit durch den simultanen, interaktiven Effekt von Konkurrenz und Ausbreitungsfähigkeit geformt werden. Wenn biotische Interaktionen wie Konkurrenz generell die Fähigkeit von Arten beeinflussen auf der kontinentalen Skala neue Gebiete zu kolonisieren, wird es eine Herausforderung sein, den Effekt von Klimawandel auf Biodiversität vorherzusagen.
3) Nischenverfügbarkeit in Zeit und Raum: Vogelzug der Grasmücken: Im Kontext neuer Fortschritte in der ökologischen Nischenmodellierung sind sowohl die Umwelt als auch die ökologische Nische einer Art als statische Entitäten behandelt und quantifiziert worden. In der Realität sind aber die Umwelt und die Nischenanforderungen einer Art auf einer Vielzahl von Skalen dynamisch. Wir schlagen ein konzeptionelles System vor das berücksichtigt, wie die realisierte Nische und geographische Verbreitung von Arten durch die entkoppelte raumzeitliche Verfügbarkeit unterschiedlicher Umweltbedingungen und durch Veränderungen der Nischenanforderungen über die Lebenszeit eines Organismus geformt werden. Das Testen von aus dem konzeptionellen System abgeleiteten Vorhersagen am Beispiel des Vogelzugs der Grasmücken ergab neue Erkenntnisse: Das Verfolgen der Klimanische im geographischen Raum war höchstwahrscheinlich nicht die treibende Kraft für Migration in der Gattung und steht potentiell im Konflikt mit dem Verfolgen der Landnutzungsnische. Die Nischen der Grasmücken waren während der Brutsaison schmaler, was zeigt, dass Nischenanforderungen zeitlich dynamisch sein können. Wir legen nahe, dass die Berücksichtigung dynamischer Umwelten und Nischenanforderungen zu einer entscheidenden Verbessserung unseres Verständnisses der treibenden Faktoren hinter der Bewegung von Organismen im Raum und der Dynamik ihrer Nischen und Verbreitungsgebiete führt.