Biologische Hochschulschriften (Goethe-Universität; nur lokal zugänglich)
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Acetylation-dependent Regulation of Notch Signaling by SIRT1
(2010)
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Virginia Guarani-Pereira
- One of the key functions of blood vessels is to transport nutrients and oxygen to distant tissues and organs in the body. When blood supply is insufficient, new vessels form to meet the metabolic tissue demands and to re-establish cellular homeostasis. Expansion of the vascular network through sprouting angiogenesis requires the specification of ECs into leading (sprouting) tip and following (non-sprouting) stalk cells. Attracted by guidance cues tip cells dynamically extend and retract filopodia to navigate the nascent vessel sprout, whereas trailing stalk cells proliferate to form the extending vascular tube. All of these processes are under the control of environmental signals (e.g. hypoxia, metabolism) and numerous cytokines and peptide growth factors. The Dll4/Notch pathway coordinates several critical steps of angiogenic blood vessel growth. Even subtle alterations in Notch activity can profoundly influence endothelial cell behavior and blood vessel formation, yet little is known about the intrinsic regulation and dynamics of Notch signaling in endothelial cells. In addition, it remains an open question, how different growth factor signals impinging on sprouting ECs are coordinated with local environmental cues originating from nutrient-deprived, hypoxic tissue to achieve a balanced endothelial cell response. Acetylation of lysines is a critical posttranslational modification of histones, which acts as an important regulatory mechanism to control chromatin structure and gene transcription. In addition to histones, several non-histone proteins are targeted for acetylation reversible acetylation is emerging as a fundamental regulatory mechanism to control protein function, interaction and stability. Previous studies from our group identified the NAD+-dependent deacetylase SIRT1 as a key regulator of blood vessel growth controlling endothelial angiogenic responses. These studies revealed that SIRT1 is highly expressed in the vascular endothelium during blood vessel development, where it controls the angiogenic activity of endothelial cells. Moreover, in this work SIRT1 has been shown to control the activity of key regulators of cardiovascular homeostasis such as eNOS, Foxo1 and p53. The present study describes that SIRT1 antagonizes Notch signaling by deacetylating the Notch intracellular domain (NICD). We showed that loss of SIRT1 enhances DLL4-induced endothelial Notch responses as assessed by different luciferase responsive elements as well as transcriptional analysis of Notch endogenous target genes activation. Conversely, SIRT1 gain of function by overexpression of pharmacological activation decreases induction of Notch targets in response to DLL4 stimulation. We also showed that the NICD can be directly acetylated by PC AF and p300 and that SIRT1 promotes deacetylation of NICD. We have identified 14 lysines that are targeted for acetylation and their mutation abolishes the effects of SIRT1 of Notch responses. Furthermore, over-expression or activation of SIRT1 significantly reduces the levels of NICD protein. Moreover, SIRT1-mediated NICD degradation can be reversed by blockade of the proteasome suggesting a mechanism resulting from ubiquitin-mediated proteolysis. Indeed, we have shown that SIRT1 knockdown or pharmacological inhibition decreased NICD ubiquitination. We propose a novel molecular mechanism of modulation of the amplitude and duration of Notch responses in which acetylation increases NICD stability and therefore permanence at the promoters, while SIRT1, by inducing NICD degradation through its deacetylation, shortens Notch responses. In order to evaluate the physiological relevance of our findings we used different models in which the Notch functions during blood vessel formation have been extensively characterized. First, retinal angiogenesis in mice lacking SIRT1 activity shows decreased branching and reduced endothelial proliferation, similar to what happens after Notch gain of function mutations. ECs from these mice exhibit increased expression of Notch target genes. Second, these results were reproducible during intersomitic vessel growth in sirt1-deficient zebrafish. In both models, the defects could be partially rescued by inhibition of Notch activation. Third, we used an in vitro model of vessel sprouting from differentiating embryonic bodies in response to VEGF in a collagen matrix. Our results showed that Sirt1-deficient cells shows impaired sprouting which correlated with increased NICD levels. In addition, when in competition with wild-type cells in this assay, Sirt1-deficient cells are more prone to occupy the stalk cell position. Taken together, our study identifies reversible acetylation of NICD as a novel molecular mechanism to adapt the dynamics of Notch signaling and suggest that SIRT1 acts as a rheostat to fine-tune endothelial Notch responses. The NAD+-dependent feature of SIRT1 activity possibly links endothelial Notch responses to environmental cues and metabolic changes during nutrient deprivation in ischemic environments or upon other cellular stresses.
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Addressing the biological function of the IQGAP1-WANP complex
(2009)
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Debora Mascheroni
- Signal-dependent regulation of actin dynamics is essential for many cellular processes, including directional cell migration. In particular, cell migration is initiated by lamellipodia, actin-based protrusions of the plasma membrane. The formation of these protruding structures require incessant assembly and disassembly of actin filaments. The Arp2/3 complex and WAVE proteins are essential for both lamellipodium formation and its dynamics. WAVEs mediate the activation of the Arp2/3 complex downstream of the small GTPase Rac, thus being critical for Rac- and RTK-induced actin polymerization and cell migration. The WAVE-family proteins are always found associated with multiprotein complexes. The most abundant WAVE-based complex is referred to as the WANP (WAVE2-Abi-1-Nap1-PIR121) complex. IQGAP1 is a huge scaffolding protein with multiple protein-interacting domains. IQGAP1 participates in many fundamental activities, including regulation of the actin cytoskeleton, mitogenic, adhesive and migratory responses, as well as in cell polarity and cellular trafficking. IQGAP1 binds to N-WASP, thus raising the possibility that it might control actin nucleation by the Arp2/3 complex. In this study, IQGAP1 was found co-immunoprecipitated not only with WAVE, but also with the endogenous WANP-complex subunits. Correspondingly, IQGAP1 associated to both anti-WAVE and anti-Abi-1 immuno-complexes. Pull-down experiments proved that IQGAP1 binds directly to the WANP-complex subunits. Physical interaction between IQGAP1 and the reconstituted WANP complex could also be demonstrated. Together, these data indicate that IQGAP1 is an accessory component of the WANP complex. Interestingly, the IQGAP-WANP complex disassembled after either EGF stimulation or transfection with constitutively active Cdc42 and Rac1. HeLa cells devoid of IQGAP1 showed diminished and less persistent ruffling upon EGF, but not HGF, stimulation in comparison with the control. This phenotype was accompanied by a strong reduction in chemotaxis towards both growth factors, which was as dramatic as in WANP-complex knockdown (KD) cells. Moreover, GM130 and Giantin showed a polarized and flat ribbon-like pattern in control cells, as it is expected for cis- and cis/medial-Golgi markers. Conversely, small and dispersed vesicular structures were found in both IQGAP1 KD and WANP-complex KD cells. Importantly, Arp2/3-complex silencing resulted in the same phenotypes. Consistently, Brefeldin A-induced disassembly of the Golgi strongly inhibited the IQGAP1-WANP-complex interaction and chemotaxis towards EGF in wild-type cells. The re-expression of an RNAi-resistant wild-type IQGAP1 in IQGAP1 KD cells fully rescued both the ruffling abilities and Golgi structure. A constitutively active mutant, unable to bind to neither Rac1 /Cdc42 nor the WANP complex, could reconstitute only the former defect. Hence, this study shows that actin dynamics regulated by the IQGAP1-WANP complex controls Golgi-apparatus architecture and its contribution to cell chemotaxis. The working model here proposes that at the Golgi apparatus, recruitment of the WANP complex by IQGAP1 leads to the assembly of actin filaments required to maintain the appropriated Golgi morphology. The dissociation of the complex may be required to allow the remodeling of the Golgi membranes in order to respond following a chemoattractant gradient.
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Alpha-synuclein-dependent functions and disease mechanisms : a systemic approach driven by mouse genetics
(2010)
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Alexander Kurz
- Während der vergangenen Jahrzehnte stieg die durchschnittliche Lebenserwartung der Bevölkerung in den westlichen Industrieländern durch die Verbesserung der allgemeinen Lebensbedingungen, insbesondere durch die Fortschritte in der Hygiene und der Medizin sowie stabile politische Verhältnisse, kontinuierlich an. Aufgrund dieser demographischen Entwicklung zu einer zunehmend älter werdenden Gesellschaft nimmt auch das Auftreten von progressiven, altersabhängigen Erkrankungen, wie zum Beispiel der Parkinson‟schen Krankheit zu. Dieser Trend stellt sowohl für die betroffenen Patienten und ihre Angehörigen als auch für die Gesundheits- und Sozialsysteme eine gewaltige und kostenintensive Herausforderung dar. Um wirkungsvolle Therapien entwickeln zu können, die früh im Krankheitsverlauf eingreifen und die Manifestation der Erkrankung verhindern oder verzögern beziehungs-weise die darauf abzielen, die Symptome der Erkrankung nach deren Manifestation zu lindern, ist es unerlässlich, die diesen progressiven, altersabhängigen Krankheiten zugrundeliegenden Mechanismen zu erforschen und entsprechende krankheitsspezifische, molekulare Biomarker zu identifizieren. Darüber hinaus stellt die Identifizierung solcher Biomarker einen wichtigen Ansatzpunkt für die klinische Diagnostik und Therapeutik sowie für die Entwicklung neuer therapeutischer Behandlungsstrategien dar. Das subzellulär vorwiegend präsynaptisch lokalisierte Protein alpha-Synuklein blieb in den Jahren nach seiner Erstbeschreibung 1988 durch Luc Maroteaux von der biomedizinischen Forschung weitgehend unbeachtet. Erst die Assoziationen von unterschiedlichen Mutationen des alpha-Synuklein-Gens mit seltenen, autosomal-dominant vererbten, monogenetischen Varianten der Parkinson‟schen Krankheit (PARK1 und PARK4) seit 1997 sowie die Identifizierung des Proteins im Jahre 1998 als Hauptbestandteil von intrazellulären Proteinaggregaten (Lewy-Körpern und Lewy-Neuriten), deren Vorkommen charakteristisch für progressive, neurodegenerative und unter dem Sammelbegriff „Synukleinopathien“ klassifizierte Erkrankungen (wie beispielsweise auch die häufigen, sporadischen Formen der Parkinson‟schen Krankheit) ist, ließen das alpha-Synuklein in den Fokus der biomedizinischen Forschung rücken. Trotz intensiver Bemühungen der weltweiten Forschungsgemeinschaft konnten seitdem in den vergangenen 13 Jahren die physiologischen Funktionen von alpha-Synuklein und die den unterschiedlichen Synukleinopathien zugrundeliegenden, molekularen pathophysiologischen Mechanismen nicht genau identifiziert werden. Stattdessen führte die intensive Forschung an alpha-Synuklein mit den unterschiedlichsten experimentellen Herangehensweisen und Modellsystemen zu verschiedenen und teilweise kontroversen Hypothesen und Theorien über dessen physiologische Funktion und pathophysiologische Wirkungsweisen. Die in dieser Dissertationschrift dargestellten experimentellen Untersuchungen wurden an zwei speziellen transgenen Mausmodellen durchgeführt, die entweder einen vollständigen Mangel (= „knockout“; KO) des alpha-Synuklein-Proteins oder eine transgene Überexpression von humanem, A53T-mutierten alpha-Synuklein aufwiesen. Das Hauptziel der dargestellten Studien war es, neue Erkenntnisse hinsichtlich der physiologischen Funktionen des alpha-Synuklein-Proteins, beziehungsweise der krankheits-relevanten, pathophysiologischen Mechanismen der den familiären PARK1- und PARK4-Varianten der Parkinson‟schen Krankheit zugrundeliegenden alpha-Synuklein-Mutationen (Substitution von Alanin durch Threonin an Position 53 der Aminosäuresequenz (A53T; PARK1) sowie Überexpression (Genduplikation/-triplikation; PARK4)) zu gewinnen...
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An ambiguous interface – on the transport mechanism of the ABC transport complex TAP
(2012)
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Nina Großmann
- The adaptive immune system protects against daily infections and malignant transformation. In this, the translocation of antigenic peptides by the transporter associated with antigen processing (TAP) into the ER lumen is an essential step in the antigen presentation by MHC I molecules. The heterodimeric ATP-binding cassette transporter (ABC) TAP consist of the two halftransporters TAP1 and TAP2. Each monomer contains an N-terminal transmembrane domain (TMD) and a conserved C-terminal nucleotide-binding domain (NBD). Together, the TMDs build the translocation core and the NBDs bind and hydrolyze ATP, energizing the peptide transport. TAP features an asymmetry in the two ATP-binding sites that are built of several conserved motifs. One motif is the D-loop with the consensus sequence SALD. The highly conserved aspartate of the D-loop of TAP1 reaches into the canonic ATP-binding site and contacts the Walker A motif and the H-loop of the opposite NBD, while the Asp of D-loop of TAP2 is part of the non-canonic ATP-binding site.
To examine this ABC transport complex in mechanistic detail, a purification and reconstitution procedure was established with the function of TAP being preserved. The heterodimeric TAP complex was purified via a His10-tag at TAP1 in a 1:1 ratio of the subunits. Nucleotide binding to the purified transporter was elucidated by tryptophan quenching assays and the affinity constants for MgADP and MgATP were determined to be 1.0 μM and 0.7 μM, respectevely. In addition, the TAP complex shows strict coupling between peptide binding and ATP hydrolysis, revealing no basal ATPase activity in the absence of peptides. Furthermore, TAP was reconstituted into proteoliposomes and the activity was tested by peptide transport and ATP hydrolysis. Interestingly, the kinetic parameters of the transporter in the reconstituted state are comparable to the data gained for TAP in microsomes.
To characterize the functional importance of the D-loop, D-loop mutants of either TAP1 or TAP2 were analyzed. Strikingly, TAP containing a mutated D-loop in TAP1 (D674A) shows an ATP-hydrolysis independent peptide translocation. Accordingly, the MHC I surface expression is similar to the wildtype situation. However, the same mutation in TAP2 (D638A) results in an ATPase dependent peptide transport similar to wildtype, whereas TAP containing mutations in both subunits leads to an inactive transporter. Although all D-loop mutants showed no altered peptide binding activity, the TAP1 mutant is inactive in peptide-stimulated ATPase activity. Strikingly, ATP or ADP binding is strictly required for the peptide translocation. Experiments carried out in proteoliposomes demonstrate that wildtype TAP can export peptides against their gradient when low peptide concentrations are offered. In contrast, the D674A mutant can facilitate peptide translocation along their concentration gradient in the two directions. At high peptide concentrations, TAP is trapped in a transport incompetent state induced by trans-inhibition. In conclusion, a TAP mutant that uncouples solute translocation from ATP hydrolysis was created. Since this passive substrate movement is strictly dependent on binding of ATP or ADP, an active transporter was turned into a “nucleotide-gated facilitator”.
In a cysteine cross-linking approach the conformational changes of TAP during peptide transport and the flexibility of the nucleotide binding domains were examined. Single cysteines were introduced in the D-loops of TAP1 and TAP2. Cross-linking by copper-phenantroline (CuPhe) was possible for all combinations. However, by adding ATP, ADP or peptide to the TAP complex no differences in the cross-linking efficiency were detected. By CuPhe cross-linking TAP was trapped in a conformation, in which the peptide binding site was not accessible. To complete a transport cycle, a flexibility of at least 17.8 Å of the NBDs is needed, since TAP cross-linked by CuPhe (2.0 Å) or bismaleimidoethane (BMOE, 8.0 Å) was transport inactive but when TAP was cross-linked by 1,11-bismaleimido-triethyleneglycol (BM[PEG]3, 17.8 Å) transport activity was preserved.
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An exciting in vivo function of ATP-sensitive potassium channels in substantia nigra dopamine neurons : implications for burst firing and novelty coding
(2012)
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Julia Schiemann
- An exciting in vivo function of ATP-sensitive potassium channels in substantia nigra dopamine neurons Ð Implications for burst firing and novelty coding ÐPhasic burst activity is a key feature of dopamine (DA) midbrain neurons. This particular pattern of excitation of DA neurons occurs via a synaptically triggered transition from low-frequency background spiking to transient high-frequency discharges. Burst-firing mediated phasic DA release is critical for flexible switching of behavioural strategies in response to unexpected rewards, novelty and other salient stimuli. However, the cellular and molecular bases of burst signalling in distinct DA subpopulations of the substantia nigra (SN) or the ventral tegmental area (VTA) are unknown.
DA neuron excitability is controlled by synaptic network inputs, neurotransmitter receptors and ion channels, which generate action potentials and determine frequency and pattern of electrical activity in a complex interplay. ATP-sensitive potassium (K-ATP) channels are widely expressed throughout the brain, where in most cases they are believed to act as metabolically-controlled 'excitation brakes' by matching excitability to cellular energy states. However, their precise physiological in vivo function in DA neurons remains elusive.
To study burst firing and the underlying ionic mechanisms with single cell resolution, in vivo single-unit recordings were combined with juxtacellular neurobiotin labelling as well as immunohistochemical and anatomical identification of individual DA neurons. In vivo recordings were performed in adult isoflurane-anaesthetised wildtype (WT) and global K-ATP channel knockout mice, lacking the pore forming Kir6.2 subunit (Kir6.2-/-). In addition, DA cell-selective functional silencing of K-ATP channel activity in vivo was established using virus-mediated expression of dominant-negative Kir6.2 subunits. Careful control experiments ruled out any significant contributions from nonDA neurons as transduction was effectively limited to SN DA neurons rather than affecting those cells that innervate them. Virus-based K-ATP channel silencing in combination with juxtacellular recording and labelling was achieved to define the electrophysiological phenotype of individually identified, virally-transduced DA neurons in vivo.
Single-unit recordings revealed that K-ATP channels Ð in contrast to their conventional hyperpolarising role Ð in a subpopulation of DA neurons located in the medial SN (m-SN) act as cell-type selective gates for excitatory burst firing in vivo. The percentage of spikes in bursts was threefold reduced in Kir6.2-/- compared to WT mice. Classification of firing patterns based on visual inspection of autocorrelation histograms and on a newly developed spike-train-model confirmed the dramatic shift from phasic burst to tonic single-spike oscillatory firing in Kir6.2-/-. This significant decrease of burstiness was selective for m-SN DA neurons and was not exhibited by DA cells in the lateral SN or VTA. Virus-based K-ATP channel silencing in vivo unequivocally demonstrated that the activity of postsynaptic K-ATP channels was sufficient to disrupt bursting in m-SN DA neuron subtypes. Patch-clamp recordings in brain slices indicated an essential role of K-ATP channels for NMDA-mediated in vitro bursting. In accordance with previous studies in DA midbrain neurons, NMDA receptor stimulation triggered burst-like firing in m-SN DA cells in vitro, but only when K-ATP channels were co-activated in these neurons.
K-ATP channel-gated burst firing in m-SN DA neurons might be functionally relevant in awake, freely moving mice. To explore the behavioural consequences of SN DA neuron subtype-selective K-ATP channel suppression, spontaneous open field (OF) behaviour of mice with bilateral K-ATP silencing across the whole SN (medial + lateral) or in only the lateral SN was tested. Analysis of WT and global Kir6.2-/- mice showed reduced exploratory locomotor activity of Kir6.2-/- in a novel OF environment. Remarkably, K-ATP channel silencing in m-SN DA neurons phenocopied this novelty-exploration deficit, indicating that K-ATP channel-gated burst firing in medial but not lateral SN DA neurons is crucial for WT-like novelty-dependent exploratory behaviour.
In summary, a novel role of K-ATP channels in promoting the excitatory switch from tonic to phasic firing in vivo in a cell-type specific manner was discovered. The present PhD thesis provides several important insights into the pivotal function of K-ATP channels in medial SN DA cells, which project to the dorsomedial striatum, for burst firing and its important consequences for context-dependent exploratory behaviour.
In collaboration with two other research groups transcriptional up-regulation of K-ATP channel and NMDA receptor subunits and high levels of in vivo burst firing were detected in surviving SN DA neurons from Parkinson's disease (PD) patients Ð providing a potential link of K-ATP channel activity to neurodegenerative pathomechanisms of PD. Using high-resolution fMRI imaging another study in humans has recently identified distinct DA midbrain regions that are preferentially activated by either reward or novelty. Taken together, these human data and the results of the present PhD thesis suggest that burst-gating K-ATP channel function in SN DA neurons impacts on phenotypes in disease as well as in health.
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Analyse der funktionellen Bedeutung der aktinbindenden Proteine VASP und α-Actinin-4 [Alpha-Actinin-4] in Helicobacter-pylori-kolonisierten Epithelzellen
(2010)
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Olivia Knauer
- Helicobacter pylori (H. pylori) ist ein gram-negatives Bakterium, das die menschliche Magenmukosa kolonisieren kann. Ca. 50 % der Weltbevölkerung sind mit diesem Erreger infiziert, wobei er ohne medizinische Behandlung über Jahrzehnte in seinem Wirt persistieren kann. Das Bakterium gilt als eine der häufigsten Ursachen bei der Entwicklung von schweren gastrointestinalen Erkrankungen wie chronischer Gastritis und Gastral- oder Duodenalulkus. Darüber hinaus kann eine Infektion aber auch zu einem gastralen Adenokarzinom oder dem MALT- („mucosa-associated lymphoid tissue“) Lymphom führen. Bestimmte H. pylori-Stämme können über ein Typ IV Sekretionssystem (T4SS) das bakterielle Protein CagA („cytotoxin-assoziiertes Gen A“) in die Wirtszelle injizieren und dadurch Signaltransduktionswege stören, die die Morphologie und Mobilität der infizierten Wirtszelle drastisch verändern. In diesem Zusammenhang wurde die putative Phosphorylierung der Proteine VASP („Vasodilator-stimuliertes Phosphoprotein“) und α-Actinin-4 untersucht, welche beide regulatorische Funktionen im Zytoskelett der Wirtszelle ausüben. Im Rahmen dieser Doktorarbeit sollte der Einfluss von H. pylori auf diese Proteine analysiert werden, sowie die daraus resultierenden zellulären Auswirkungen. Es konnte verifiziert werden, dass H. pylori die Phosphorylierung der drei bekannten Phosphorylierungsstellen von VASP, bzw. eine Tyrosin-Phosphorylierung von α-Actinin-4 (ACTN4) induziert. Weiterhin zeigte sich, dass beide Proteine nach einer Infektion mit dem Bakterium in fokalen Kontaktstellen der Zellen lokalisieren. Zusätzlich lies sich zeigen, dass VASP und α-Actinin-4 eine entscheidende Rolle bei der durch H. pylori-induzierten Zellelongation spielen, da eine Herunterregulation der Genexpression von beiden Proteinen über siRNA zu einer Inhibition der morphologischen Veränderungen führte. Die genaueren Studien über VASP zeigten, dass hauptsächlich die Phosphorylierungsstelle VASPSer239 für die H. pylori-induzierte Zellelongation verantwortlich ist und die Phosphorylierung durch die Proteinkinase G (PKG) vermittelt wird. Für α-Actinin-4 konnte in dieser Arbeit des Weiteren gezeigt werden, dass die Kinase c-Abl eine Tyrosin-Phosphorylierung vermitteln kann, wobei die genaue Phosphorylierungsstelle im Protein noch ermittelt werden muss. Durch den Einsatz von H. pylori-Mutanten lies sich darüber hinaus noch zeigen, dass die Phosphorylierung von VASPSer239 und VASPThr278 durch das bakterielle Protein CagA deutlich verstärkt wird. Für die Tyrosin-Phosphorylierung von α-Actinin-4 war CagA sogar ausschlaggebend. Diese neu entdeckten zellulären Zielproteine bei einer H. pylori-Infektion ermöglichen weitere Einblicke in die Deregulation des eukaryotischen Zytoskeletts und möglichen Mechanismen bei der Krebsentstehung.
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Analyse des nächtlichen Verhaltens von Afrikanischen Elefanten (Loxodonta africana) in Menschenobhut unter Anwendung chronoethologischer Methoden
(2010)
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Claudia Kandler
- Elefanten sind die größten landlebenden Säugetiere und werden schon seit Jahrhunderten in Menschenobhut gehalten. In der heutigen Zeit liegt der Schwerpunkt der Elefantenhaltung auf dem Unterbringen dieser anspruchsvollen Tiere in verhaltensgerechten Bedingungen, die auch das Wohlbefinden der Tiere berücksichtigen. Es mangelt jedoch an langfristigen Studien, die Veränderungen im Verhalten und im Wohlbefinden von Elefanten in Menschenobhut erforschen. Vor allem das nächtliche Verhalten fand bisher wenig Beachtung, obwohl Studien im natürlichen Lebensraum als auch in Menschenobhut zeigen, dass Elefanten den größten Teil der Nacht aktiv sind. Die vorliegende Studie konzentriert sich daher auf eine langfristige Überwachung des nächtlichen Verhaltens von Afrikanischen Elefanten und stellt, unter Anwendung chronoethologischer Methoden, die haltungsbedingten Einflüsse auf das Verhaltensmuster dar. Es wurden insgesamt 16 Afrikanische Elefanten (Loxodonta africana) mit Zeitraffer-Videoaufnahmen überwacht, im Opel-Zoo in Kronberg 600 Nächte, im Tiergarten Schönbrunn in Wien 300 Nächte und im Wuppertaler Zoo 70 Nächte. Dies ergibt bei einer Erfassungszeit von jeweils 16:00 Uhr bis 8:00 Uhr für alle Elefanten zusammen eine Summe von 64.320 Stunden Verhaltensregistrierung. Es konnte nachgewiesen werden, dass das nächtliche Verhalten von Elefanten durch die Haltungsbedingungen beeinflusst wird. Drei Haltungssysteme konnten zum ersten Mal in einer Studie direkt miteinander verglichen und Unterschiede aufgezeigt werden. Auch eine saisonale Abhängigkeit des nächtlichen Verhaltens konnte beobachtet werden. Es stellte sich heraus, dass Elefanten im Winter mehr und früher schlafen als im Sommer. Dies muss im nächtlichen Management berücksichtigt werden. Soziale Kontakte beeinflussen das nächtliche Verhalten ebenfalls. Es konnte erstmals beschrieben werden, dass Elefanten sich gegenseitig aus dem „Schlaf im Liegen“ aufwecken und dieses „Aufwecken“ einen Einfluss auf die Schlafdauer im Liegen hat. Die Verfügbarkeit von Nahrung ist ebenfalls ein wichtiger Faktor. Es konnte gezeigt werden, wie Elefanten zu unterschiedlichen Zeiten der Nacht auf zusätzliche Futtergaben reagieren und dass sie zu bestimmten Zeiten durch das zusätzliche Nahrungsangebot gestört werden. Unter Anwendung chronoethologischer Methoden konnte herausgearbeitet werden, dass Störungen im nächtlichen Verhaltensmuster durch vermehrtes „Weben“ erhöhte „Lokomotion“ und Reduzierung des Schlafverhaltens angezeigt werden. Beim Auftreten von Krankheiten mit Schmerzen wird die schmerzende Stelle gekühlt, indem sie mit z.B. Matsch beworfen wird. Die in dieser Studie dargestellten Einflüsse auf das nächtliche Verhalten von Afrikanischen Elefanten wurden vorher noch nicht beschrieben oder systematisch untersucht. Sie stellen wichtige Erkenntnisse für die zukünftige Haltung und das Management von Elefanten dar, sowohl im Hinblick auf eine weitere Optimierung als auch in Bezug auf die Beurteilung ihres Wohlbefindens.
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Analyse von Komponenten mit Auswirkung auf die Chloroplastenbewegung
(2010)
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Petra Lehmann
- Die Chloroplastenbewegung ist eine der wichtigsten Anpassungen, die Pflanzen entwickelt haben, um eine effiziente Ausbeute an Lichtquanten für die Photosynthese zu gewährleisten. Auch wenn der genaue Mechanismus und die Signalwege, die diesen Prozess vermitteln, noch nicht vollständig verstanden sind, konnten einige an der Chloroplastenbewegung beteiligte Proteine (phot1, phot2, chup1, Aktin, Profilin) in den letzten Jahren identifiziert werden. Chup1, das an der äußeren Chloroplastenmembran verankerte Protein, wird als putativer Linker zwischen den Chloroplasten und dem Aktin-Zytoskelett gesehen. Durch die Interaktion mit Profilaktin reguliert chup1 die Aktin-Polymerisierung und somit auch die Chloroplastenbewegung. Die Analyse der intra- und intermolekularen Interaktionen von chup1, die in dieser Studie ermittelt wurden, deutet auf eine Homodimerisierung von chup1 durch die Coiled coil Domäne sowie auf eine Assoziation des N- mit dem C-terminalen Leuzin- Zipper hin. Neben diesen Interaktionen konnte für einen der vier putativen Interaktionspartner von chup1, der wall associated kinase 3, eine mögliche Funktion bei der Vermeidungsbewegung der Chloroplasten gezeigt werden. In Anbetracht dieser Interaktion und der postulierten Phosphorylierungsstellen in chup1, könnte eine Regulierung von chup1 durch Phosphorylierung erfolgen. Um die Funktionen von chup1 und phot2 besser zu verstehen, wurden die Pflanzen mit knock-out in diesen Gene genauer charakterisiert und die T-DNA Insertionslinien von chup1 und phot2 zeigen keine Reduzierung in der photosynthetischen Aktivität. Im Gegensatz dazu, bedingt der knock out von beiden Genen eine deutliche Verminderung der photosynthetischen Leistung. Infolge der fehlenden Chloroplastenbewegung im chup1phot2 Doppel knock out führt das möglicherweise zu einem verringerten Schutz der Photosynthese. Dies bestätigt weiter die Verbindung zwischen der durch phot2 induzierten Signalkaskade und der Aktin-Polymerisierung, die durch chup1 reguliert wird. Um den Einfluss von chup1, phot1 und phot2 auf die transkriptionelle Regulierung nach BL zu analysieren, wurde das globale Expressionsmuster nach BL-Behandlung untersucht. Bei der Analyse der Mutanten-Pflanzen mit einem Defekt in der Chloroplastenbewegung (chup1, phot1, phot2) konnte keine Beeinflussung der Regulierung der Genexpression in BL-gesteuerten Signalkaskaden durch diese Proteine beobachtet werden. Die Regulierung der Expression geschieht eher auf posttranskriptioneller Ebene und wird mit Hilfe von microRNA gesteuert.
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Analyses of the human ribosome biogenesis co-factors PWP2, EMG1 and XPO5 / von Matthias Sebastian Leisegang
(2013)
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Matthias Leisegang
- Ribosome biogenesis is best understood in the yeast Saccharomyces cerevisiae. In human or mammalian ribosome biogenesis, it has been shown that basic principles are conserved to yeast, but additional features have been reported. Our understanding about the interplay between proteins and RNA in human ribosome biogenesis is far from complete.
The present study focused on the analysis of the human ribosome biogenesis co-factors PWP2, EMG1 and Exportin 5 (XPO5) to understand the degree of conservation of ribosome biogenesis. The proteins were characterized in respect to their localization and interaction partners. For the early 90S co-factor, PWP2, it was possible to pull down and identify the human UTP-B complex with MALDI mass spectrometry. Besides the orthologues of the members of this complex known in yeast (TBL3, WDR3, WDR36, UTP6, UTP18), the human UTP-B complex is not only conserved from yeast to humans, but contains also additional components, like the DEAD-box RNA helicase DDX21, which lacks a yeast orthologue. DDX21 was localized to the nucleus, assembled to the native UTP-B complex and co-precipitated also with other UTP-B complex members, presumably extending the functions of this complex in ribosome biogenesis.
This phenomenon was also observed for the 90S co-factor EMG1, an RNA methyltransferase, whose mutant form causes the Bowen-Conradi syndrome, if aspartic acid is mutated to glycine at position 86. This study revealed that the mutant, EMG1-D86G, clearly lost its nucleolar localization and co-precipitated to histones for unknown reasons.
A participation of the nuclear export receptor XPO5 in human ribosome biogenesis was shown in this study. Pulldown analysis, sucrose density gradients and UV crosslinking and analysis of cDNAs of XPO5 revealed the involvement of XPO5 in pre-60S subunit maturation. Moreover, besides the known pre-miRNAs and tRNAs as substrates for nuclear export, XPO5 crosslinked to snoRNAs. XPO5 was further demonstrated to interact with the miRNA Let-7a, which has an important regulatory function for MYC, a transcription factor required for ribosome biogenesis.
All results support a role of these proteins in human ribosome biogenesis and therefore it seems that the biogenesis of ribosomes in human cells requires additional components, like DDX21 and XPO5.
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Antidepressive Eigenschaften flavonoidhaltiger Pflanzenextrakte
(2011)
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Christian Fehske
- Zwei flavonoidhaltige Pflanzenextrakte, der neuartige Extrakt WS1261, sowie der standardisierte Ginkgo biloba L.-Extrakt EGb761 wurden auf antidepressive Wirkungsmechanismen untersucht, zusätzlich als chemisch definierte Einzelsubstanz das in beiden enthaltene Flavonoid Isorhamnetin. Methodisch wurden hierzu Effekte auf Transporter und Enzyme des Monoaminstoffwechsels, depressionsrelevante Stresshormone neurotrophe Eigenschaften untersucht.
WS1261 hemmte in höheren Konzentrationen in vitro die (Wieder-) Aufnahmetransportmechanismen von NA und 5-HT. Ex vivo war ein Effekt auf die Aufnahme von NA und 5-HT weder nach 1 h, noch 4 h nach Akutbehandlungen zu sehen, sondern erst nach (14-taegiger) subchronischer Behandlung, und dann auch nur Ufer 5-HT zu messen. Nach subchronischer Behandlung konnte eine ebenfalls in vitro festgestellte Hemmung der MAO-A durch WS1261 ebenfalls ex vivo gezeigt werden.
EGb761 hemmte in vitro die Wiederaufnahme von NA, 5-HT und DA. Ex vivo war dieser Effekt weder 1 h, noch 4 h nach einer Akutgabe, allerdings nach 14-taegiger Dauerbehandlung im Bezug auf eine Hemmung der NA-Aufnahme messbar, ohne dass MAO-A oder MAO-B-Aktivitaet beeinflusst wurden.
WS1261 erhoehte nach 14-taegiger Behandlung konzentrationsabhaengig die Plasma-Corticosteronspiegel. WS1261 war in der Lage, die Ausdifferenzierung von PC12-Zellen konzentrationsabhaengig zu fördern, wodurch auf eine Wirkung ähnlich dem neurotrophen Wachstumsfaktor NGF geschlossen werden kann. Die Konzentration des Wachstumsfaktor BDNF wurde in zwei relevanten Hirnregionen durch WS1261 nicht, in einer jedoch durch Isorhamnetin allein erhoeht.
Zusammengefasst ergaben sich Hinweise darauf, dass eine mögliche antidepressive Wirkung von WS1261 durch eine Wirkung auf eine Beeinflussung des Monoaminstoffwechsels, oder die Erhöhung depressionsrelevanter Stresshormonlevel erklärbar sein koennte, insbesondere nach subchronischer Behandlung. Es ergaben sich ausserdem Hinweise auf wachstumsfaktoraehnliche Wirkungsweisen. Eine Wirkung ueber eine Erhšhung zentraler BDNF-Konzentrationen konnte durch die vorliegende Untersuchung im Beobachtungszeitrum nicht festgestellt werden.
Die literaturbekannte kognitionsverbessernde Wirkung des Ginkgo biloba-Extraktes EGb761 koennte erklärbar sein durch eine nach subchronischer Behandlung feststellbare Hemmung des Noradrenalintransporters NET, da im frontalen Cortex vor allem ueber diesen die synaptische Elimination des hier mit Aufmerksamkeit und Lernprozessen im Zusammenhang stehenden Neurotransmitters Dopamin erfolgt.
Das in beiden Extrakten enthaltene Flavonoid Isorhamnetin kann hšchstens mit einem Teil dieser festgestellten Effekte in Verbindung stehen, da die Extrakte sich in ihrer Wirkungsweise unterschieden, und Isorhamnetin alleine teilweise andere Effekte zeigte, als die isorhamnetinhaltigen Extrakte WS1261 und EGb761. Dies koennte jedoch auch durch die unterschiedlichen in den Extrakten enthaltenen Mengen erklärbar sein.
