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Die Rheumatoide Arthritis (RA) ist die häufigste chronisch-entzündliche Gelenkerkrankung, die inadäquat therapiert zu Gelenkzerstörung und resultierender Invalidität führen kann. Genetische Risikofaktoren sowie Lebensstileinflüsse führen in präklinischen Erkrankungsstadien zu posttranslationalen Modifikationen körpereigener Strukturen, die die immunologische Selbst-Toleranz brechen und zur immunologischen Fehlerkennung von Gelenkstrukturen durch B- und T-Lymphozyten führen.
Das Ziel der hier vorliegenden Arbeit war die Aufklärung von Wirkmechanismen eines für die immunmodulatorische Therapie der RA entwickelten innovativen Ansatzes zur Rekonstitution der immunologischen Autotoleranz mittels rekombinant hergestellter MHC-Klasse-II/Peptidkomplexe durch Induktion regulatorischer T-Zellen. Im Mittelpunkt der in vitro Studien steht hierbei eine über Speziesbarrieren hinweg evolutionär konservierte, von T-Lymphozyten auf dem Kollagen Typ-II (CII) erkannte, durch Glykosylierung posttranslational modifizierte, autoantigene Strukturdeterminante. Dieses T-Zellepitop (CII-Peptid) stellt sowohl in der humanen RA als auch in der murinen Experimentalerkrankung der CIA (Collagen induced arthritis) eine immunodominante Struktur der arthritogenen Autoimmunität dar. Für die modellhaften in vitro Studien zur Aufklärung der Wirkweise rekombinanter MHC-II/Peptidkomplexe auf humane T-Zellen, standen über eine Kooperation mit Prof. Rikard Holmdahl (Karolinska Institut, Stockholm) T-Zell-Hydridome mit transgener Expression des humanen MHC-II/Moleküls DR4 (DRA1/DRB1*04:01) mit unterschiedlicher Epitopspezifität (T-Zell-Hybridom 3H8, Spezifität: unmodifiziertes CII-Peptid und mDR1.1, Spezifität: galaktosyliertes CII-Peptid an Position K264) zur Verfügung. Das aus einer α- und β-Kette bestehende MHC-II/Molekül DR4 ist durch das DRA1-Gen und allelische Varianten des DRB1-Locus (stärkste RA-Assoziation: DRB1*04:01) kodiert und bildet die Form seiner Bindungstasche für die Präsentation antigener Peptide an den T-Zell-Rezeptor (TCR) auf der Oberfläche antigenpräsentierender Zellen (APC). In den Studien zur Stimulation der Hybridomzellen konnte gezeigt werden, dass die T-Zellstimulation und die daraus resultierende Zytokinausschüttung (IL-2 und IL-10) kontextabhängig ist. Je nach Stimulationsart, ob festphasengebunden- oder löslich, erfolgt die Stimulusperzeption über differente TCR-Anordnungen in Mikrodomänen der Zelloberfläche und resultiert in entsprechend modulierten Signalstärken. So führt die Zellaktivierung über die festphasengebundene Stimulation mittels MHC-II/Peptidkomplexen zur Ausbildung einer hohen TCR-Dichte, die über hohe Signalstärken zu einer spezifischen IL-2 Sekretion als Antwort führen. Die Stimulation mit monomeren DR4/CII-Peptidkomplexen in gelöster Form adressiert dagegen die auf der gesamten Zelloberfläche verteilten T-Zell-Rezeptoren, was in einer geringeren Aktivierungsdichte und einer attenuierten Gesamtsignalstärke sowie der Sekretion des immunsupressiv wirkenden IL-10 resultiert. Für den angestrebten pharmakologischen Einsatz der DR4/CII-Peptidkomplexe ist bedeutsam, dass die aktivierende TCR-Bindung der gelösten monomeren Komplexe nur partiell agonistisch wirkt und die Induktion immunregulatorischer IL-10 Zytokinantworten begünstigt. Neben der direkten T-Zellinteraktion konnte auch die Möglichkeit einer indirekten Aktivierung unter Vermittlung von APCs nach Endozytose der DR4/CII-Peptidkomplexe, ihrer lysosomalen Prozessierung und Präsentation auf endogenen neusynthetisierten DR4/Molekülen experimentell u.a. unter Verwendung der HLA-DR4- exprimierenden murinen Makrophagenlinie BL25 als APC-Modell belegt werden. Im Hinblick auf die intendierte Weiterentwicklung zu therapeutischen Anwendungen der MHC-II/CII-Peptidkomplexe unter Gesichtspunkten der Arzneimittelsicherheit ist wichtig, dass der aufgezeigte indirekte Weg der T-Zellaktivierung nach vorausgehender Prozessierung durch APCs ineffizient ist. Dieser Weg erfordert nämlich sehr hohe Konzentrationen an MHC-II/Peptidkomplexen, welche weit oberhalb der in tierexperimentellen Studien unter therapeutisch wirksamen Dosierungen erreichten Gewebespiegel liegen.
Darüber hinaus ist es uns gelungen, methodisch den Nachweis CII-spezifischer T-Zellen, die im Gesamtrepertoire der CD4+ T-Zellen im peripheren Blut von RA-Patienten (HLA-DRB1*04:01) nur in sehr niedriger Frequenz vorkommen, mittels T-Zellaktivierung und spezifischer Tetramerbindung als phänotypischen Marker zu verbessern. Für die Tetramerbindung wurden Monomere mit dem galaktosylierten CII-Peptid (CIIgal259-273) beladenen DR4/Moleküle über einen aminoterminal konjugierten Biotinrest mittels eines Fluorochromgekoppelten Streptavidins tetramerisiert. Unter Einsatz dieser Methoden ist es gelungen, aus den durchflusszytometrisch sortierten CII-spezifischen Zellen, mittels Nukleotidsequenzierung, ihr TCR-Repertoire zu analysieren und hinsichtlich präferentieller V-Genverwendung zu charakterisieren. Für zwei humane DR4-restringiert gal264CII-spezifische T-Zell-Rezeptoren aus RA-Patienten konnte die Funktionalität und Epitopspezifität durch rekombinante Expression demonstriert werden. Auf Basis der gemeinsamen Vorarbeiten mit Prof. Rikard Holmdahl im murinen CIA-Modell und den bekannten Daten zur Induktion regulatorischer T-Zellen (Tr1-Zellen) durch MHC-II/CII-Peptidkomplexe, wurden in vitro Differenzierungsexperimente an humanen PBMCs DR4-positiver RA-Patienten unter dem Einfluss von DR4/gal264CII-Peptidkomplexen durchgeführt. Die Studien belegen, dass die Komplexe mit den antigenspezifischen T-Zellen interagieren und zur Induktion von Markern eines Tr1-Phänotyps, darunter PD-1 und IL-10 führen. Zukünftige Kristallstrukturanalysen eines TCR/DR4/gal264CII-Komplexes sollen dem verbesserten molekularen Verständnis der TCR-Erkennung von CII als Autoantigen insbesondere bzgl. des flexibleren Galaktoserestes für Arthritogenität und Tolerogenität dienen. Fernziel ist die Entwicklung einer wirksamen und sicheren immunmodulatorischen Therapie der RA durch Induktion regulatorischer T-Zellen.
The division Ascomycota(Fungi) contains a large number of taxa known to reproduce only asexually by the formation of conidia or other non-motile propagules produced by mitotic cellular devisions. They are called anamorphic, mitosporic, asexual or conidial fungi and ecologically, they are often found associated with plant debris in different stages of decay. In general, saprobic anamorphs of ascomycetous affinities are poorly studied and their outstanding diversity is currently underexplored. Phylogenetic relationships are unknown for many of them and they are still largely underrepresented in the current phylogenetic classification system of Fungi, with many morphologically defined anamorphic taxa still awaiting taxonomic reassessment in the light of molecular approaches. The increasing usage of molecular markers combined with robust statistical methods has allowed their phylogenetic affinities to be revealed and to gradually incorporate many of them into the different taxonomic groups of the division Ascomycota. However, the phylogenetic placement and taxonomic status of a large number of saprobic taxa remain unresolved due to the lack of DNA sequence data.
The present dissertation aims to explore the rich but understudied diversity of those anamorphic fungi traditionally known as hyphomycetes that inhabit dead plant debris. It consists of five publications in which a polyphasic approach integrating morphological, developmental, cultural and molecular data was used to incorporate novel or incertae sedis taxa within Ascomycota and to make more sound decisions regarding their taxonomic status. Specific objectives include: 1. the collection, isolation and morphological characterization of selected anamorphic fungi representing putative new or interesting taxa of uncertain phylogenetic placement; 2. the generation of novel DNA sequence data to infer their phylogenetic relationships and to resolve their taxonomic affinities within Ascomycota; 3. the testing of any previously available morphologically based hypotheses on their putative position, generic placement or relationships with teleomorphic, pleomorphic or other anamorphic taxa; and 4. the determination of their generic validity, monophyly and taxonomic boundaries using molecular data and phylogenetic analyses methods.
Materials studied in these five projects consisted of specimens collected during field work carried out by the author or collaborators in different countries including USA, the Czech Republic and Panama between the years 2014 and 2017. The target substrates were dead leaves of different palm trees, dead wood and bark of pines and twigs or stems of unknown shrubs and woody vines that are all known to harbor a rich saprobic mycobiota. Putative novelties or anamorphic taxa with unknown or poorly studied phylogenetic affinities were selected for further morphological and molecular investigation. Micromorphological studies were based on fungal structures observed on natural substrate, herbarium specimens and in culture. DNA was extracted from cultures and PCR amplification followed by Sanger sequencing was carried out using relevant molecular markers employed in fungal phylogenetic studies. Newly obtained DNA sequence data were analyzed following a standard phylogenetic analysis pipeline and phylogenetic relationships were reconstructed using character-based methods such as Maximum Likelihood and Bayesian inference.
Conclusion is that anamorphic Ascomycota inhabiting dead plant debris represents a largely untapped source of biodiversity and information still in need of further exploration. A new capnodiaceous genus Castanedospora, seven new species named Taeniolella sabalicola, Hermatomyces bifurcatus, H. constrictus, H. megasporus, H. sphaericoides, H. verrucosus and Septonema lohmanii, and two new combinations, Castanedospora pachyanthicola and H. reticulatus, are proposed based on morphological and DNA sequence data. Molecular phylogenetics was confirmed as the tool of choice for the inference of relationships in novel or incertae sedis anamorphic fungi that are otherwise difficult to assess in the absence of a teleomorphic state. They were first resolved or revisited for several saprobic species such as Ernakulamia cochinensis, H. sphaericus, H. tucumanensis or Septonema fasciculare in a suitable framework for phylogenetic hypothesis testing. Molecular data allowed to fully incorporate all these taxa in Ascomycota, particularly within the classes Dothideomycetes and Sordariomycetes, and to provide a foundation for better taxonomic decisions on their classification. Large and polyphyletic genera such as Taeniolella, Sporidesmium and Septonema, partially treated in this work and containing mostly saprobic species of obscure affinities, remained in need of further investigation.
Communication sounds are ubiquitous in the animal kingdom, where they play a role in advertising physiological states and/or socio-contextual scenarios. Distress sounds, for example, are typically uttered in distressful scenarios such as agonistic interactions. Here, we report on the occurrence of superfast temporal periodicities in distress calls emitted by bats (species Carollia perspicillata). Distress vocalizations uttered by this bat species are temporally modulated at frequencies close to 1.7 kHz, that is, ∼17 times faster than modulation rates observed in human screams. Fast temporal periodicities are represented in the bats’ brain by means of frequency following responses, and temporally periodic sounds are more effective in boosting the heart rate of awake bats than their demodulated versions. Altogether, our data suggest that bats, an animal group classically regarded as ultrasonic, can exploit the low frequency portion of the soundscape during distress calling to create spectro-temporally complex, arousing sounds.
Understanding global biodiversity patterns is one of the main objectives of ecology. Spatial variation in species richness can be explained by several environmental factors. The relationships between species richness and environmental factors have been associated with latitudinal, longitudinal and elevational gradients. The number of species is determined by birth, death and migration rates of species in a given area. These rates are affected by abiotic and biotic factors acting at local and regional scales. Climatic seasonal variation may also influence biodiversity, directly through physiological limitations and indirectly through biotic interactions, vegetation structure and food availability. Climate and land use change are the main factors for landscape simplification and biotic homogenization. Thus, the study of community patterns across environmental gradients may help to predict the effect of projected environmental change.
I investigated how abiotic and biotic factors influence different facets of bird diversity across an elevational gradient. My study was conducted along an elevational gradient spanning 2000 m within and around Podocarpus National Park and San Francisco reserve on the southeastern slope of the Andes in Ecuador. The climate is humid tropical montane with a bimodal rain regime. The region is characterized by evergreen premontane forest at low elevations, evergreen lower montane forest at mid elevations and upper montane forest at high elevations. The elevational gradient has natural continuous forests within the protected reserves and fragmented forests surrounding the reserves in a matrix of cattle pastures. To monitor bird diversity, I placed nine 20-m radius point counts within 18 one-hectare plots, in continuous and fragmented forest at 1000, 2000 and 3000 m a.s.l. I recorded and identified all birds for 10 minutes within each point count. Bird communities were sampled eight times per plot, in the most humid season and in the least humid season of 2014 and 2015. To estimate flower and fruit availability, I recorded all plants with open flowers and ripe fruits within each point count. To obtain the relative invertebrate availability, I assessed understory invertebrate fresh biomass using a standardized sweep-netting design along 100-metre borders of each plot. Vertical vegetation heterogeneity was estimated at eight layers above the ground within each point count. Temperature for each plot was obtained using an air temperature regionalization tool and precipitation through remote sensing techniques and meteorological data.
In the first chapter of this thesis, I explored the effects of elevation, climate and vegetation structure on overall bird communities as well as on frugivorous and insectivorous birds. I found that elevation was mostly indirectly associated with bird diversity, jointly mediated via temperature, precipitation and vegetation structure. Additionally, elevation was directly and positively associated with both the overall bird community and with insectivores, but not with frugivores. My findings indicate a reduction of bird diversity due to climatic factors and vegetation structure with increasing elevation. However, the direct, positive effect of elevation suggests that bird diversity was higher than expected towards high elevations, probably due to spatial, biotic and evolutionary settings.
In the second chapter, I analysed the influence of climate and resource availability on temporal variation of bird communities. I found a higher bird diversity in the least humid season than in the most humid season. The seasonality of the bird communities was mainly driven by temperature and precipitation. While temperature had a significant positive effect at high elevations, precipitation had a significant negative effect at low elevations. Resource availability had no significant effect. My findings suggest that the temporal fluctuations in bird communities likely occur due to climate
constraints rather than due to resource limitations.
In the third chapter, I studied the effect of forest fragmentation on taxonomic and functional bird diversity. I found that taxonomic diversity was higher in fragmented compared to continuous forests, while functional diversity was negatively affected by fragmentation, but only at low elevations. The increase of taxonomic diversity in disturbed habitats suggests an increase of habitat generalists, which may compensate the loss of forest specialists. My findings suggest that taxonomic diversity can be uncoupled from functional diversity in diverse communities at low elevations.
My results show the effects of environmental factors on the spatio-temporal patterns of bird communities and the potentially uncoupled responses of taxonomic and functional diversity to forest fragmentation. My findings highlight that bird communities respond differently to abiotic and biotic factors across elevational gradients. Overall, my study helps to better understand the mechanisms that drive species communities in response to complex environmental conditions, which could be an essential contribution for the conservation of bird communities in the tropical Andes.
Die Neurowissenschaften sind in Forschungsarbeiten für Schüler und Studierende immer wieder als eines der schwierigsten Teilgebiete der Biologie angeführt. Die Inhalte werden überwiegend nicht verstanden. Als mögliche Ursache gelten die seltenen praktischen Zugänge für die Lernenden aufgrund limitierter Ressourcen. Diese Ursache konnte in der vorliegenden Arbeit durch eine Befragung der Lehrkräfte zu ihren Praxisumsetzungen bestätigt werden. 70 % der Lehrkräfte gaben an, dass sie keine Experimente in der Schule zum Thema Nervenzellen anbieten. Experimente zur Verhaltensbiologie führen 65 % der Lehrkräfte nicht durch.
Um Schülern die Möglichkeit zu geben, sich experimentell mit den Themenfeldern der Neuro- und Verhaltensbiologie auseinanderzusetzen, wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit Schülerlabortage auf dem Feld der Neurowissenschaften konzipiert. Die Konzepte wurden schülerorientiert umgesetzt und neurowissenschaftliche Forschung durch den eigenen Umgang mit modernen Forschungsapparaturen erfahrbar gemacht. Die drei Labortage für die Sekundarstufe II wurden wissenschaftlich begleitet: 1) Verhaltensbiologie, 2) systemische Ebene der Elektrophysiologie, 3) elektrophysiologische Forschungsmethoden. Um die Qualität und Wirksamkeit der Labortage beurteilen zu können, wurden sie mit Feedbackerhebungen begleitet. Die drei Labortage wurden sowohl von den Lehrkräften als auch von den Schülern bezüglich ihrer Qualität positiv bewertet. Für die Schüler konnte gezeigt werden, dass die Beurteilung weitgehend unabhängig von einem zugrunde liegenden Interesse an Biologie und Forschung ausfällt. Anhand einer retrospektiven Erhebung wird außerdem gezeigt, dass alle drei Labortage eine höchst signifikante, selbsteingeschätzte Steigerung des „Wissens“, der „Anwendungszuversicht“ und des „Interesses“ bewirken. Schüler mit niedrigen Ausgangswerten zeigen einen besonders hohen Anstieg. Für das Interesse kann weiter gezeigt werden, dass auch Schüler mit hohem Ausgangswert eine große Interessenssteigerung durch den Labortag aufweisen. Das Interesse für den verhaltensbiologischen Labortag liegt etwas niedriger – die Labortage mit elektrophysiologischen Inhalten zeigen dagegen für die Anwendungszuversicht etwas niedrigere Werte.
Der Fokus der fachdidaktischen Forschung lag auf der Betrachtung des experimentellen Zugangs zur Elektrophysiologie über ein entwickeltes „EPhys-Setup“. Dabei handelt es sich um einen quasi-realen Messaufbau. Die Umsetzung kombiniert dazu Komponenten eines realen Elektrophysiologie-Setups (Hands-on Komponenten) mit einer speziell entwickelten schülerfreundlichen Software (Neurosimulation) und einem virtuellen Nervensystem in Form einer Platine. Als Modellnervensystem werden für diese Umsetzung Ganglien von Hirudo medicinalis verwendet – der Neurosimulation liegen originale elektrophysiologische Messspuren des Ganglions zugrunde. Experimentelle Vermittlungsansätze für die Elektrophysiologie finden sich kaum für den Schulbereich. Dem Bedarf einer entsprechenden Beforschung wurde mit verschiedenen Testinstrumenten nachgegangen, um den Vermittlungsansatz mit dem EPhys-Setup bewerten zu können. Dafür fand eine Wirksamkeitsanalyse über die Erhebung der Motivation der Schüler statt (Lab Motivation Scale; Dohn et al. 2016). Von Bedeutung war auch, inwiefern gegenüber der Umsetzung eine Technologieakzeptanz vorliegt (Technology Acceptance Model; Davis 1989), die im Schulkontext ausgehend von der steigenden Einbindung von Technologien einen entsprechenden Forschungsbedarf aufweist. Weiter wurde untersucht, ob sich die Bewertung des EPhys-Setups von der Bewertung einer Kontrollgruppe unterscheidet. Für die Kontrollgruppe wurde die Neurosimulation von den Hands-on Komponenten gelöst und die Schüler arbeiteten ausschließlich PC-basiert. Die Ergebnisse zeigen, dass beide Umsetzungen die Motivation förderten und eine Technologieakzeptanz bei den Schülern aufwiesen. Der Unterschied der Untersuchungsgruppen fällt gering aus. Die Abhängigkeiten, die für die verwendete Simulationsumsetzung gefunden wurden, beziehen sich ausschließlich auf Komponenten der „Freude“. Somit wird der intrinsische Bereich von den Schülern die am EPhys-Setup gearbeitet haben höher bewertet. Zur weiteren Analyse der Testinstrumente wurde auch eine Abhängigkeit der Bewertung vom zugrunde liegenden Biologieinteresse sowie von den Computerfähigkeiten vergleichend betrachtet. Der Einfluss auf die Bewertungen der drei Testskalen ist in vielen Fällen höher als der Einfluss der verwendeten Simulation. Vom individuellen Biologieinteresse der Schüler zeigen alle untersuchten Komponenten eine Abhängigkeit. Die größeren Effekte beziehen sich auf die Komponenten der „Lernwirksamkeit“ oder der „Freude“. Von den individuellen Computerfähigkeiten der Schüler zeigen Komponenten zur „Zuversicht bezüglich der Methoden und der Inhalte“ eine Abhängigkeit.
Proteins encoded by small open reading frames (sORFs) have a widespread occurrence in diverse microorganisms and can be of high functional importance. However, due to annotation biases and their technically challenging direct detection, these small proteins have been overlooked for a long time and were only recently rediscovered. The currently rapidly growing number of such proteins requires efficient methods to investigate their structure–function relationship. Herein, a method is presented for fast determination of the conformational properties of small proteins. Their small size makes them perfectly amenable for solution-state NMR spectroscopy. NMR spectroscopy can provide detailed information about their conformational states (folded, partially folded, and unstructured). In the context of the priority program on small proteins funded by the German research foundation (SPP2002), 27 small proteins from 9 different bacterial and archaeal organisms have been investigated. It is found that most of these small proteins are unstructured or partially folded. Bioinformatics tools predict that some of these unstructured proteins can potentially fold upon complex formation. A protocol for fast NMR spectroscopy structure elucidation is described for the small proteins that adopt a persistently folded structure by implementation of new NMR technologies, including automated resonance assignment and nonuniform sampling in combination with targeted acquisition.
Natural products (NPs) from microorganisms have been important sources for discovering new therapeutic and chemical entities. While their corresponding biosynthetic gene clusters (BGCs) can be easily identified by gene-sequence-similarity-based bioinformatics strategies, the actual access to these NPs for structure elucidation and bioactivity testing remains difficult. Deletion of the gene encoding the RNA chaperone, Hfq, results in strains losing the production of most NPs. By exchanging the native promoter of a desired BGC against an inducible promoter in Δhfq mutants, almost exclusive production of the corresponding NP from the targeted BGC in Photorhabdus, Xenorhabdus and Pseudomonas was observed including the production of several new NPs derived from previously uncharacterized non-ribosomal peptide synthetases (NRPS). This easyPACId approach (easy Promoter Activated Compound Identification) facilitates NP identification due to low interference from other NPs. Moreover, it allows direct bioactivity testing of supernatants containing secreted NPs, without laborious purification.
Frontal areas of the mammalian cortex are thought to be important for cognitive control and complex behaviour. These areas have been studied mostly in humans, non-human primates and rodents. In this article, we present a quantitative characterization of response properties of a frontal auditory area responsive to sound in the bat brain, the frontal auditory field (FAF). Bats are highly vocal animals and they constitute an important experimental model for studying the auditory system. At present, little is known about neuronal sound processing in the bat FAF. We combined electrophysiology experiments and computational simulations to compare the response properties of auditory neurons found in the bat FAF and auditory cortex (AC) to simple sounds (pure tones). Anatomical studies have shown that the latter provide feedforward inputs to the former. Our results show that bat FAF neurons are responsive to sounds, however, when compared to AC neurons, they presented sparser, less precise spiking and longer-lasting responses. Based on the results of an integrate-and-fire neuronal model, we speculate that slow, low-threshold, synaptic dynamics could contribute to the changes in activity pattern that occur as information travels through cortico-cortical projections from the AC to the FAF.
Durch natürliche Selektion werden Funktionen, die dem Überleben und dem Fortpflanzungserfolg eines Organismus dienen, optimiert. Da die Struktur eines Organs dessen Funktion und umgekehrt die Funktion eines Organs dessen Struktur bestimmt, kann durch das Studium der Morphologie die Funktionsweise von Organen verstanden werden. Trotz des umfangreichen Wissens über die Struktur von Nervensystemen sowohl auf mikro- als auch auf makroskopischer Ebene, ist es weiterhin unklar, wie Bewusstsein und ein kohärentes Abbild der Umwelt im Gehirn erzeugt werden. Der Grund hierfür ist vor allem die gewaltige Komplexität neuronaler Netzwerke, die unmöglich geistig erfasst werden können. Eine Möglichkeit, das Gehirn ohne das detaillierte Wissen über all seine Bestandteile zu verstehen, bietet das Studium von Optimierungsprinzipien und deren Anwendung in theoretischen Modellen. So wie eingangs erwähnt die Funktion von Organen durch natürliche Selektion optimiert wird, sollte auch die Funktion neuronaler Netzwerke optimiert werden und neuronale Netzwerke sollten entsprechend solcher Optimierungsprinzipien aufgebaut sein. Ein wichtiges Prinzip, das essenziell für die Effizienz neuronaler Netzwerke ist, ist die Minimierung der Verbindungslänge zwischen Neuronen. Basierend auf diesem Prinzip wurde im Rahmen dieser Dissertation eine algorithmische Methode etabliert, die es ermöglicht Vorhersagen der relativen Position von Neuronen anhand ihrer Verbindungen zu treffen. Diese neuronale Platzierungsmethode beruht darauf, dass Neuronen mit ähnlicher Verbindungsnachbarschaft näher zueinander platziert werden als zu Neuronen mit weniger ähnlichen Verbindungsnachbarn, wodurch die durchschnittliche Verbindungslänge minimiert wird. Nach der Etablierung dieser Methode, wurde diese benutzt um Modelle zu erstellen, die es ermöglichen die Entstehung neuronaler Karten und kortikaler Faltungen im Zusammenhang mit der Konnektivität und der Anzahl der Neuronen zu untersuchen.
Neuronale Karten sind geordnete Muster auf der Oberfläche des Kortex, die durch die präferierte Aktivität einzelner Neuronen in Antwort auf Stimuli einer Modalität beobachtet werden können. Im visuellen Kortex existieren sogar mehrere Karten, je nachdem welche Qualität visueller Stimuli man betrachtet. Abhängig von der Präferenz für einen Sehwinkel, ein stimuliertes Auge oder der Orientierung eines Balken-Stimulus, können retinotopische Karten, Karten mit streifenartigen Mustern oder Karten mit sogenannten „Pinwheel“-Strukturen beobachtet werden. Pinwheels sind periodische Strukturen, die sichtbar werden indem man die Orientierungspräferenz von Neuronen für die spezifische Orientierung eines Balken-Stimulus mit der entsprechenden Farbe des Farbkreises visualisiert. Da diese Strukturen eine Ähnlichkeit mit bunten Windrädern haben, werde sie als Pinwheels bezeichnet. Die in dieser Dissertation erstellten Modelle sagen vorher, dass die Entstehung strukturierter neuronaler Karten im Allgemeinen von der Anzahl der Neuronen abhängt. In der Tat könnte diese Abhängigkeit auch für neuronale Karten im Kortex gelten. Während strukturierte Karten im visuellen Kortex in verschiedenen Säugerordnungen wie Primaten, Karnivoren und Huftieren existieren, sind sie in kleinen Nagern mit weniger Neuronen nicht vorhanden, trotz ähnlicher Verbindungsspezifizität. Folglich müssen Unterschiede in der Struktur neuronaler Karten im Kortex nicht zwangsläufig mit einer unterschiedlichen Funktionsweise zusammenhängen, sondern könnten auch durch allgemeine Optimierungsprinzipien beim Aufbau neuronaler Netzwerke bedingt werden. Eine weitere Gemeinsamkeit zwischen verschiedenen Säugetierordnungen ist, dass die relative Dichte der Pinwheels ziemlich genau bei der Zahl Pi liegt. Entsprechend der Ergebnisse dieser Dissertation könnte dies dadurch erklärt werden, dass für neuronale Karten ähnlicher Struktur die Anzahl der Neuronen pro Pinwheel relativ konstant ist. Unterschiede in der räumlichen Dichte der Pinwheels könnten dann einfach durch Unterschiede in der Dichte der Neuronen erklärt werden.
Neben den Modellen für neuronale Karten wurde im Rahmen dieser Dissertation auch ein Modell kortikaler Faltungen mit derselben neuronalen Platzierungsmethode erstellt. Die Existenz kortikaler Faltungen wird gemeinhin damit erklärt, dass der Kortex ohne Faltungen wegen seiner verhältnismäßig großen Oberfläche nicht in den Schädel gepackt werden könnte. Allerdings haben Experimente gezeigt, dass die Faltungen nicht durch eine Restriktion des wachsenden Kortex an der Schädeloberfläche entstehen, da auch mit mehr Platz für die Expansion des Kortex die gleichen Faltungsmuster exprimiert werden. Interessanterweise entstehen die kortikalen Faltungen erst, wenn die Proliferation der Neuronen während der Entwicklung größtenteils abgeschlossen ist und die Neuronen anfangen ihre Verbindungen auszubilden. Um kortikale Faltungen basierend auf der Konnektivität zwischen Neuronen im Modell vorherzusagen, genügt es das allgemeine Muster einer starken lokalen, aber schwachen globalen Konnektivität zwischen Neuronen nachzubilden. Abhängig von Variationen dieser Konnektivität, der Anzahl der kortikalen Kolumnen und der Neuronenanzahl innerhalb dieser Kolumnen, können im Modell viele Eigenschaften kortikaler Faltungsmuster in Säugetieren vorhergesagt werden. Ähnlich wie in Säugetieren ist der Faltungsgrad der vom Modell vorhergesagt wird von dem Verhältnis zwischen Parametern, die die Größe und Dicke des Kortex beschreiben, abhängig. Dementsprechend werden mehr und mehr Faltungen mit steigender Anzahl der Kolumnen, aber gleicher Anzahl von Neuronen pro Kolumne vorhergesagt. Wie in Säugetieren entstehen dabei auch die größeren primären Faltungen zuerst bevor es innerhalb der größeren Faltungen zu kleineren Faltungen höherer Ordnung kommt. Neben der Abhängigkeit des Faltungsgrads von der Größe des Kortex können Variationen in der Konnektivität erklären, wie es einerseits zu stereotypischen Faltungsmustern kommen kann, aber andererseits auch warum der Faltungsgrad zwischen verschiedenen Säugerordnungen unterschiedlich mit der Größe des Kortex skaliert. Letztlich könnten pathologische Veränderungen der Konnektivität zu den entsprechenden Änderungen im Faltungsmuster führen.
Insgesamt wurde in dieser Arbeit gezeigt, dass mittels einfacher Prinzipien, die die Verbindung zwischen Neuronen und deren relative Position zueinander beschreiben, komplexe neuroanatomische Strukturen vorhergesagt werden können. Da mit derselben Methode zur neuronalen Platzierung sowohl neuronale Karten als auch kortikalen Faltungen, also sehr unterschiedliche Strukturen vorhergesagt werden konnten, stellt sich die Frage, ob diese Strukturen durch einen gemeinsamen biologischen Mechanismus entstehen. Neuronale Zugkräfte sind ein möglicher Mechanismus, der die Entstehung kortikaler Faltungen erklären könnte. Auch wenn es eher unwahrscheinlich ist, dass die Entstehung neuronaler Karten von Zugkräften zwischen Neuronen abhängt, kann es nicht vollständig ausgeschlossen werden. Ob solche Kräfte an der Selbstorganisation neuronaler Netzwerke beteiligt sein könnten, ist eine interessante Fragestellung für zukünftige empirische Studien.
Autophagy, meaning “self-eating”, is an important cellular waste disposal mechanism. Thereby, damaged proteins, lipids and organelles are enclosed by autophagosomes and subsequently transported to the lysosomes for degradation into basic, cellular building blocks. Under basal conditions autophagy prevents the accumulation of defective and harmful material and generally promotes cell survival. However, several studies reported that hyperactivated autophagy, e.g. during developmental processes in lower eukaryotes, or during chemotherapeutic treatment of cancer cells, can also trigger cell death.
In recent years, autophagic cell death (ACD) has been considered as an alternative cell death pathway for tumor therapy, especially for solid tumors with high apoptosis resistance such as glioblastoma. Glioblastoma (GBM) is a very aggressive, malignant primary brain tumor with a median survival of ~ 15 months despite surgery and chemoradiotherapy. Accordingly, there is a great interest in improving GBM therapy through alternative cell death mechanisms. Interestingly, it has been shown that various substances, e.g. AT 101, cannabinoids and the combination of imipramine and ticlopidine (IM+TIC), induce ACD in GBM cells.
The aim of this project was to identify the underlying mechanisms of stress- and drug-induced ACD and its therapeutic potential for glioblastoma treatment. For detailed investigation of ACD, a CRISPR/Cas9-based approach was used to generate ATG5 and ATG7 knockouts as genetic models of autophagy deficiency. In a previous study of our lab it was demonstrated that administration of AT 101 triggers ACD in glioblastoma cells, which was associated with early mitochondrial fragmentation but no signs of apoptosis. Since mitochondrial fragmentation often precedes mitophagy, the first part of this thesis explored the potential role of mitophagy in AT 101-induced cell death.
ATG5-depleted cells confirmed that AT 101 induces ACD. In addition, treatment with AT 101 resulted in a pronounced mitochondrial depolarization, which was at least partly caused by the opening of the mitochondrial permeability pore. Global proteome analysis of AT 101-treated GBM cells revealed a robust decrease in mitochondrial protein clusters as well as a strong increase in the enzyme heme oxygenase-1 (HMOX1). Subsequent experiments for detailed investigation of mitophagy following AT 101 treatment (western blot, flow cytometric MTG and mt-mKeima, qRT-PCR of mitochondrial vs nuclear DNA) consistently indicated strong mitophagy induction by AT 101, which could be reduced by genetic or pharmacological inhibition of autophagy. Furthermore, siRNA-mediated knockdown experiments revealed that the selective mitophagy receptors BNIP3 and BNIP3L and the HMOX1 enzyme play an essential role in AT 101-induced mitophagy and subsequent cell death. Taken together, these data demonstrate that AT 101-induced mitochondrial dysfunction and HMOX1 induction synergize to promote excessive mitophagy with a lethal outcome in glioma cells.
The second part of this thesis focused on the identification of new substances that cause ACD and the investigation of the underlying cell death pathways. Using a cell death screen of the ENZO Screen-Well™ autophagy library in MZ-54 wild-type vs ATG5 and ATG7-depleted cells, loperamide, pimozide, and STF-62247 were identified as ACD-inducing agents. The increase of the autophagic flux and the induction of ACD by these substances was confirmed by using different ATG5 and ATG7 knockout cell lines and the already established positive control IM+TIC.
In contrast to AT 101, IM+TIC, STF-62247, loperamide and pimozide produced neither mitochondrial dysfunction nor mitophagy. Interestingly, it has been described that imipramine, loperamide and pimozide inhibit the lysosomal enzyme acid sphingomyelinase, which is associated with impaired lipid transport. Global proteome analysis and cholesterol staining confirmed that all four substances, but especially loperamide and pimozide, inhibit cellular lipid transport, leading to massive lipid accumulation in the lysosomes. In the further course of the experiments, the connection between defective lipid transport and autophagy was investigated in more detail. On the one hand, the defective lipid transport contributed to the induction of autophagy, on the other hand the massive accumulation of lipids led to lysosomal membrane damage, inhibition of lysosomal degradation at later time points and finally to a lysosomal cell death. Remarkably, it has been shown that hyperactivated autophagy by IM+TIC, loperamide and pimozide massively promotes lysosomal membrane damage. This result highlights the difficulties of a clear distinction between autophagic and lysosomal cell death.
In summary, two new signaling pathways that induce autophagic cell death in GBM cells and may be relevant for glioblastoma therapy were investigated in this study.