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After entorhinal deafferentiation of the hippocampal dentate gyrus a reinnervation of the denervated neurons by axon collaterals can be observed. This process takes place in a matter of weeks. However, the overall functional effect on the hippocampal network is still unclear.
In an effort to investigate this effect of axonal sprouting on the neuronal network of the dentate gyrus we compared the electrophysiological response of the dentate gyrus after electric stimulation in wild-type mice (WT mice) with a normal post-lesion sprouting, with genetically modified mice with an overexpression of the growth-protein CAP23 (cytoskeleton-associated protein 23). CAP23 overexpressing mice (CAP23tg mice) are known to have an enhanced axonal growth and sprouting after lesion.
The mice (both the WT as well as the CAP23tg mice) were deeply anesthetized and a lesion of the perforant path was induced stereotactically with a wire knife. After that the mice were permitted to survive for 4-6 weeks for partial reinnervation of the dentate gyrus before they were again operated and evoked potentials were measured (extracellular recordings of evoked potentials in the dentate gyrus). Non-lesioned litter-mate mice were taken as reference. The sprouting and the correct position of the electrodes was confirmed histologically.
For electrophysiological investigation we assessed laminar profiles and calculated a current-source density (CSD). In lesioned CAP23tg mice compared to lesioned WT mice this CSD-analysis revealed a significant enhancement of the current sink in the area of deafferentiation (outer molecular layer) and a significant excitation in the granule-cell layer.
Our results show that axonal sprouting seems to enhance the excitability of granule-cells. Thus, even if an enhanced axonal sprouting might accelerate the reinnervation of denervated dendrites after lesion, but it also leads to posttraumatic hyperexcitability of the neuronal network. In a therapeutic approach of fascilitating axonal sprouting this hyperexcitability has to be taken into consideration.
Cytochrome c oxidase (CcO), also called Complex IV of the aerobic respiratory chain, is located in the plasma membrane of prokaryotes and in the inner mitochondrial membrane of eukaryotes. The redox energy of dioxygen reduction is used to translocate protons across the membrane resulting in an electrochemical proton gradient. The generated proton gradient is exploited by the adenosine-5’-triphosphate synthase. In this work, bacterial four-subunit aa3-Type CcO from Paracoccus denitrificans (ATCC 13543, 4 SU-wt ATCC CcO) was used for analyses. 1) The recombinant homologously produced 4 SU-wt CcO (4 SU-wt rec CcO) was functionally compared with the native 4 SU-wt ATCC CcO. The 4 SU-wt rec CcO showed functional deficiencies as determined by UV-vis spectroscopy and electron paramagnetic resonance (EPR) studies. Total X-ray Reflection Fluorescence measurements show in both wild type CcOs the same ratio of the redoxactive Fe and Cu (2 Fe : 3 Cu) indicating full complement of the functional metals. If CcO contains only subunit I and II, it loses its functional integrity during continuous turnover activity. The importance of subunit III for integrity of CcO was demonstrated using 2 SU-wt rec CcO. Crystallisation trials of suicide inactivated 2 SU-wt rec CcOs have been ineffective using standard crystallisation conditions. Crystals of active 2 SU-wt rec CcO (positive control) have been obtained under these conditions and this result indicates possible structural changes in suicide inactivated 2 SU-wt rec CcO. The structure of active 2 SU-wt rec CcO was determined to 2.25 Å resolution. 2) Terminal oxidases require four electrons for the cleavage of the dioxygen bond (O=O). In general, the catalytic cycle of CcO is described by the electron input and thus by the different redox states of the metal centres: the O, E, R, P and F state. The two-electron reduced R intermediate is able to donate four electrons for dioxygen reduction forming the P state. The P intermediate is an oxoferryl state implying the lack of an electron for the R -> P transition, because the metal centres can only provide three electrons (Fe+II forms Fe+IV and Cu+II forms Cu+I). The P state, where the dioxygen bond is already broken, shows an oxoferryl state (FeIV=O2-) and a nearby tyrosine is proposed to form a tyrosyl radical representing the donor of the missing electron. H2O2-induced artificial intermediates provide the opportunity to investigated different catalytic intermediates in detail. Mixing equimolar amounts of H2O2 to CcO in the O state induces the "two-electron" reduced PH state at high pH and the electronically equal "two-electron" reduced F• H state at low pH. The addition of an excess amount of H2O2 leads to the three-electron reduced FH state. Functional studies using the 4 SU-wt ATCC CcO have demonstrated a bound peroxide (O- - O-) intermediate during the catalytic cycle. Using EPR it was previously shown that Y167 hosts a radical species in PH/F• H state which suggests that Y167 could provide this "missing electron". While X-ray structural models of CcO and Fourier-transformed infrared (FTIR) measurements of oxygenated ("pulsed") 4 SU-wt ATCC CcO suggest a bound peroxide in the O state, UV-vis and EPR spectroscopic studies indicate that other intermediates may also contain such peroxide species. Equimolar and excess amounts of H2O2 induce the PH/F• H and FH states, respectively and catalase treatment of the FH state leads, contrary to the natural direction of the catalytic cycle, to the apparent transition of the FH -> PH/F• H states, which is accompanied by reappearance of an EPR signal from the Y167• radical. The novel PFH/F• FH states are presented here and we postulate that the FH state hosts a superoxide (or peroxide) adduct at CuB in the binuclear site. In addition, the novel P10 state is also introduced having a maximum at lambda = 612 nm in the difference absorption spectrum (minus the O state). The P10 state is induced by mixing CcO in the O state with a pH 10 buffer. This pH 10 induced state resembles standard P states such as PCO, PH and PR. However, the P10 state evolves out of the O state without addition of reduction equivalents. Using EPR spectroscopy it was shown that Y167 hosts a radical species in the P10 state such as in the PH state. In summary, all functional data presented here provide evidence for a peroxide bound during the O state. Finally, a new model for the natural catalytic cycle is proposed. If the O state contains a peroxide, it is also likely that the E and R state contain this species. Even the oxoferryl intermediates P and F states may complex a peroxide at CuB in the binuclear site. 3) The amino acid residue Y167, which hosts the radical in the PH/F•H states, is not directly part of the binuclear site of CcO. For identification of the primary electron donor, two tryptophan variants of CcO, W272F and W164F, which are located nearby the binuclear site, were produced. Evidence is provided that W272 is a kinetically fast electron donor for the O2 molecule. The electron is replenished by Y167, or probably by Y280 in the natural cycle. The Y167 radical is detectable by EPR spectroscopy after treatment with equimolar amounts of H2O2 in the active variant W164F, but is absent in the inactive variant W272F. 4) CcO contains two proton conducting pathways, the D- and the K-pathway. Proteoliposomes of the variants H28A and D30N, mutations located at the entrance of the D-pathway, both show the identical proton pumping activity as the 4 SU-wt rec CcO (pumped H+/e- = 1). The variant N113D shows abolished proton pumping (pumped H+/e- = 0), but a relative high cytochrome c oxidation activity (63 %). G196D displays no cytochrome c oxidation and proton pumping activity. Overall, the addition or removal of a negative charge within the D-pathway such as in D124N, N131D, N113D and G196D leads to a decoupled phenotype indicating the high degree of electrostatic coupling in CcO.
Diese Zusammenfassung ist in zwei Abschnitte gegliedert. Im Abschnitt 6.1. wird die physiologische Bedeutung der Glutamatrezeptoren (GluR) und ihr biologischer Hintergrund kurz erklärt. Am Ende dieses Abschnitts wird der Stand der Strukturanalyse des GluR-B Ionenkanals zu Beginn des Projektes zusammengefasst. Im nachfolgenden Abschnitt 6.2. sind die wesentlichen Ergebnisse der hier vorgelegten Arbeit zusammengefasst. 6.1. Die Bedeutung von Glutamatrezeptoren - Stand der Strukturanalyse zum Beginn dieser Arbeit Die Kommunikation zwischen Nervenzellen erfolgt vorwiegend an hochspezialisierten Kontaktstellen den chemischen Synapsen. Der enge Raum zwischen sendender und empfangender Nervenzelle wird auch als synaptischer Spalt bezeichnet. Der Prozess der synaptischen Übertragung beruht auf der präsynaptischen Freisetzung von chemischen Botenstoffen, sogenannten Neurotransmittern in den synaptischen Spalt. Die Aminosäure L- Glutamat (Glu) ist der wichtigste erregende Neurotransmitter im menschlichen Gehirn und Rückenmark. Dementsprechend bedeutend ist die Rolle der ionotropen Glutamatrezeptoren (iGluRs), die sie bei der elektrochemischen Erregungsübertragung am synaptischen Spalt spielen (Seeburg, 1993), (Hollmann and Heinemann, 1994), (Dingledine et al., 1999). Die Freisetzung von Neurotransmittern wird durch ein elektrisches Signal (Aktionspotential) ausgelöst, das sich entlang der Nervenfaser, dem Axon, bis zur Nervenendigung, der Synapse, fortpflanzt. Nach der Freisetzung diffundieren die Neurotransmitter durch den synaptischen Spalt und binden an sogenannte Rezeptoren. Ionotrope Glutamatrezeptoren sind Ionenkanäle, die in die Membran der nachgeschalteten (postsynaptischen) Nervenzelle eingebaut sind. Sie zählen deshalb zu den Membranproteinen. Als ligandgesteuerte kationenselektive Ionenkanäle machen Glutamatrezeptoren (GluRs) die postsynaptische Membran nach Aktivierung durch Ligandbindung für bestimmte Kationen durchlässig. Der Einstrom von Ionen bewirkt eine Änderung des Membranpotentials. Die Stärke der synaptischen Übertragung ist lebenslang modulierbar; die sogennante synaptische Plastizität wird als eine entscheidende Grundlage für die Erklärung von Lernen und Gedächtnis angesehen. Drei synthetische Agonisten aktivieren die GluRs selektiv und wurden deshalb für die Klassifizierung der ionotropen Glutamatrezeptoren herangezogen. Bei den Agonisten handelt es sich um -Amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazol-4-propionat (AMPA), Kainat and N- Methyl-D-Aspartat (NMDA). Die ersten beiden Subtypen werden auch als non-NMDA- Rezeptoren zusammengefasst. Die Aktivierung und Desensitivierung der non-NMDA Rezeptoren ist schneller als die der NMDA-Rezeptoren. Aus molekularbiologischer Sicht (siehe Kapitel 1.3.2.) zeigen die drei Klassen der ionotropen Glutamatrezeptoren eine beträchliche Diversität. So gibt es vier verschiedene Unterheiten vom AMPA-Subtyp, nämlich GluR-A, GluR-B, GluR-C und GluR-B. In dieser Arbeit steht die Strukturanalyse eines aus GluR-B Untereinheiten bestehenden AMPA-Rezeptors im Vordergrund. (Die weitere Unterteilung der NMDA- und Kainatrezeptoren kann dem Kapitel 1.3.2. auf Seite 6 entnommen werden.) Bestimmte Abschnitte der Aminosäurensequenz von Glutamatrezeptoren sind durch hydrophobe Bereiche gekennzeichnet ((M1-M4) in Abbildung 6.1.A (A.)). Das durch verschiedene Untersuchungen etablierte Modell der Glutamatrezeptor-Topologie zeigt 3 Transmembrandomänen (M1, M3 und M4) und eine Membranschleife (M2) (Hollmann et al., 1994), (Kuner et al., 1996). Der Aminoterminus ist extrazellulär, der Carboxyterminus hingegen intrazellulär. Daraus ergibt sich die in Abbildung 6.1.A (B.) abgebildete Topologie (Paas, 1998). S1 und S2 kennzeichnen die Ligandbindungsdomäne. Glutamatrezeptoren (GluR) sind Oligomere, die sich mit grosser Wahrscheinlichkeit aus vier Untereinheiten (Rosenmund et al., 1998), (Ayalon and Stern-Bach, 2001) zusammensetzen (siehe Kapitel 1.3.3.). Die Zusammenlagerung verschiedener Untereinheiten zu einem funktionellen Kanal setzt voraus, dass die Untereinheiten zum gleichen Subtyp gehören, d.h. AMPA Untereinheiten können nur mit anderen AMPA Untereinheiten einen Ionenkanal bilden. Das gleiche gilt für die Zusammensetzung von NMDA und Kainat-Rezeptoren. Das Modell eines tetrameren Glutamatrezeptors ist im Bild C. der Abbildung 6.1.A zu sehen. Die Bestimmung der Quartärstruktur eines vollständigen Glutamatrezeptors ist bislang nicht veröffentlicht. Die strukturelle Analyse von Proteinen erfordert die Isolierung von reinem und funktionellem Protein. Im Vergleich zu den meisten löslichen Proteinen erfordert die Isolierung von Membranproteinen oft besonderer Optimierung. Falls das Vorkommen des Proteins in natürlichem Gewebe gering ist, so kann die strukturelle Analyse durch rekombinante Expression in einem geeigneten Wirtsorganismus zugänglich gemacht werden. Die Isolierung von Milligramm-Mengen eines rekombinanten homomeren GluR-B Rezeptors aus dem entsprechenden Baculovirusexpressionssystem (Keinänen et al., 1994) wurde in unserem Labor etabliert (Safferling et al., 2001) und wurde im ersten Jahr dieses Projektes fortgeführt. Durch zonale Ultrazentrifugation konnte gezeigt werden, dass die molekulare Masse des GluR-B Proteinkomplexes ca. 495 kD beträgt. Dieser Wert liegt in der Nähe des theoretischen Molekulargewichts eines tetrameren Ionenkanals, dessen Molmasse sich aus vier GluR-B Untereinheiten (104 kD) und einer Detergenzmizelle von ca. 63-97 kD zusammensetzt (Safferling et al., 2001). Die elektronenmikroskopische Analyse des Proteinkomplexes von W. Tichelaar aus unserer Gruppe erfolgte 1999 durch Negativfärbung. Für die Strukturanalyse mit Hilfe der Software IMAGIC wurden 10 000 Proteinteilchen selektiert. Das Ergebnis der Bildrekonstruktion ist in der folgenden Abbildung 6.1.B gezeigt. Die projezierten Dimensionen des Models entsprechen einem Molekül mit den Dimensionen 17 nm × 11 nm × 14 nm. Das Model zeigt keine ausgezeichnete Symmetrie, die auf die Stöchiometrie des GluR hinweisen könnte. Das Molekül zeigt mit Färbemittel gefüllte Vertiefungen und innere Strukturen, die vielleicht an der Ionenleitung beteiligt sind. 6.2. Funktionelle und strukturelle Charakterisierung des GluR-B Ionenkanals In der Fortsetzung des oben beschriebenen Projektes wurden für die rekombinante Expression desselben Rezeptors (GluR-B homomer) stabil transformierte Insektenzellen eingesetzt. Dazu wurde die für die GluR-B Untereinheit kodierende und in Plasmiden enthaltene DNA in Insektenzellen transformiert (siehe APPENDIX A.2.2.). Im Vergleich zu dieser auf Dauerhaftigkeit angelegten Integration der Rezeptor DNA wird die Proteinexpression beim Baculovirusexpressionssystem durch Infektion mit rekombinanten Baculoviren initiiert. Der Vergleich zeigte, dass die mit Baculoviren erzielten Ausbeuten bei GluR-B etwa doppelt so hoch waren als bei stabil transformierten Zellen. Allerdings fallen bei stabil transformierten Zellen die eventuellen Nachteile der viralen Belastung auf die zellulären Sekretionsprozesse weg. Im Verlauf der elektronenmikroskopischen Analyse von baculoviral erzeugtem GluR-B Protein hat sich gezeigt, dass Proteine viralen Ursprungs unter Umständen selbst doppelt aufgereinigte GluR-B Proben verunreinigen können (siehe APPENDIX A.2.1.). Dieser Punkt ist bei einer Einzelbildverarbeitung von grosser Relevanz, falls die virusspezifischen Proteinverunreinigungen eine ähnliche Grösse haben wie das eigentliche Zielprotein. Das Hauptziel dieser Arbeit war es, das Potenzial stabil transformierter Insektenzellen für die Expression von homomeren GluR-B Ionenkanälen zu bewerten und dabei die Stöchiometrie der Untereinheiten in diesem Ionenkanal aufzuklären. Zu diesem Zweck wurden biochemische und elektronenmikrosopische Techniken eingesetzt. Zur Isolierung des GluR-B Ionenkanals aus stabil transformierten Insektenzellen wurde das bestehende Aufreinigungsprotokoll für die Affinitätchromatographie an immobilisierten Metallionen (IMAC) (Safferling et al., 2001) optimiert, indem das Chargenverfahren durch das Durchflussverfahren ersetzt wurde (zur genaueren Erklärung der Optimierung siehe RESULTS 4.1.2.). Abbildung 6.C zeigt ein silbergefärbtes Gel mit den Eluaten der IMAC und Eluaten der abschliessenden Affinitätschromatographie mit immobilisiertem M1-Antikörper. Die auf den Bahnen 5-8 aufgetragen GluR-B Proben wurden auch für die Einzelteilchenanalyse mittels Elektronenmikroskopie verwendet. Die Ligandbindungsaktivität von GluR-B wurde durch Filterbindungsexperimente mit dem Radioliganden [3H]-AMPA vor und nach der Isolierung aus den Membranfragmenten bestimmt. Die KD-Werte sind für beide Proben ähnlich gross. Der Bmax-Werte ist für die aufgereinigte Probe wie erwartet sehr viel (mehr als 200×) höher. Die Ergebnisse der Ligandbindungsexperimente sind im Kapitel 4.2.1 tabellarisch zusammengefasst. Die oligomere Struktur des isolierten Ionenkanals wurde durch Quervernetzungsexperimente (Cross-linking) und Einzelteilchenanalyse von negativ gefärbten Proteinmolekülen bewertet. Die Quervernetzungsexerimente selbst erbrachten kein eindeutiges Ergebnis im Hinblick auf oligomere Struktur des komplett zusammengesetzten Rezeptors. Kontrollexperimente mit dem Lysat vom Rattenhippocampus zeigten, dass mit DTSSP ein geeigneter Cross-Linker verwendet wurde (siehe RESULTS 4.3.2.). Neben einem aus 4 Banden bestehenden Muster (siehe RESULTS 4.3.1.) lieferten die Quervernetzungsexperimente mit isoliertem GluR-B aber einen deutlichen Hinweis auf die Stabilität von dimeren GluR-B Strukturen, die im Einklang mit einer jüngst veröffentlichten Arbeit stehen (Ayalon and Stern-Bach, 2001). Diese Veröffentlichung liefert zusätzliche (Armstrong et al., 1998) Hinweise auf die Bedeutung von Dimeren in der Glutamatrezeptorstruktur und postuliert, dass sich ein kompletter Glutamaterezeptor aus einem Dimer-Paar zusmmensetzt, wobei die Dimere zuerst gebildet werden. Die nachfolgende Abbildung 6.2.B zeigt negativ gefärbte GluR-B Ionenkanäle bei einer 46000× Vergrösserung. Die Aufnahme stammt von einem Philips EM 400 Elektronenmikroskop. Für die 3D Rekonstruktion wurden 500 der in Abbildung 6.2.B gezeigten Rezeptormoleküle ausgewählt. Dieser relativ kleine Datensatz besteht aus GluR-B Ionenkanälen deren Präservierung in Uranylacetat als besonderes vielversprechend eingeschätzt wurde. Dieser positive Effekt wurde auf die Verwendung frisch von einer Wasseroberfläche aufgefischter Kohlefilme zurückgeführt (siehe RESULTS 4.4.3.3.). Während der Klassifizierung dieses Datensatzes fiel auf, dass die beim Band-Pass-Filtern für die niedrigen Frequenzen gesetzten Cut-offs einen deutlichen Einfluss auf die erste Klassifizierung der unterschiedlichen zweidimensionalen Ansichten des Proteinkomplexes haben (siehe RESULTS 4.4.3.4.). Aus diesem Grund wurde der gleiche Datensatz mit 5 verschiedenen low-frequency cut-offs (LFCO) gefiltert (siehe Table 4.4.3.4.) und getrennt klassifiziert. Von den 5 resultierenden Klassifikationen wurden 3 (LFCO 0,005, 0,03 und 0,05) für die weiterführende 3D Rekonstruktion ausgewählt. Die Evaluierung der resultiernden 3D Modelle ergab, dass der mit einem LFCO von 0,03 gefilterte Datensatz eine Klassifikationen erlaubte, die zu einem 3D Modell (Modell GluR-BII/a siehe RESULTS Figure 4.4.3.4.H) führte, das im Vergleich zu den beiden anderen Rekonstruktionen konsistenter war. Am stärksten spricht für dieses Modell die Übereinstimmung der Input-Projektionen mit den Reprojektionen der 3D Rekonstruktion (siehe siehe RESULTS Figure 4.4.3.4.H). Zur Verfeinerung des Modells GluR-BII/a wurden die beiden Projektionen mit der höchsten Standardabweichung vom Klassendurchschnitt (class average) eliminiert. Die verbleibenden 11 Projektionen bildeten die Input-Projektionen für die Berechung eines verfeinerten Modells, GluR-BII/b, das auf einer neuen Zuordnung der Euler-Winkel beruht. Das Ergebnis dieser Berechung ist in der nachfolgenden Abbildung gezeigt. Das Modell in Abbildung 6.2.C zeigt einen zentralen Kanal und hat die Dimensionen 18 nm × 14 nm × 11 nm. Die Stöchiometrie der Untereinheiten ist aus dem Modell, das mit grosser Wahrscheinlichkeit einen komplett zusammengesetzten GluR darstellt, nicht ablesbar. Ebensowenig zeigt das Modell eine eindeutig vierzählige oder fünfzählige Symmetrie. Allerdings ist die erkennbare zweizählige Symmetrie im Einklang mit dem vorgeschlagenen Pair-of-Dimer Modell (Ayalon and Stern-Bach, 2001), das auf eine teramere Struktur des oligomeren Ionenkanals schliessen lässt. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass stabil transifzierte Insektenzellen eine durchaus geeignete Quelle für GluR-B Ionenkanäle sind. Nachteilig sind die geringen Ausbeuten. Allerdings kann durch weitere Selektion der Zellen die GluR Expression noch gesteigert werden (siehe APPENDIX A.2.2.). Bei höheren GluR-B Ausbeuten könnte zukünftig auch die Detektion des Rezeptors in vitrifizierten Proben in Verbindung mit Kryo-Elektronen- mikroskopie und auch die 2D-Kristallisation gelingen. Die während dieses Projekts gemachten Kristallisationsexperimente (siehe APPENDIX A.3.) und Kryo-Experimente mit GluR-B Protein aus dem Baculovirusexpressionssystem (siehe RESULTS 4.4.1. und 4.4.2.) ergaben negative Ergebnisse. Das Potential der Kryo-Methode konnte allerdings in Kontrollexperimenten mit Tabak-Mosaik-Virus (TMV) gezeigt werden. Kryo-Daten von GluR-B würden die Berechnung eines genaueren Strukurmodells erlauben. Die Reprojektionen des hier besprochenen Strukturmodells GluR-BII/b aus der Abbildung 6.2.C könnten als Referenzen für das Alignment der vitrifizierten GluR Ionenkanäle dienen. Für das langfristige Ziel der Rekonstituition des Rezeptors in Liposomen sollte die Delipidierung des Membranproteins während der Aufreinigung möglichst reduziert werden. Hier erscheinen zwei Ansätze sinnvoll. Die Aufreinigung des Proteins in einem Schritt durch die Erweiterung des tags am Carboxyterminus von nur 6 auf 10 Histidin-Reste. Ausserdem gibt es Hinweise, dass die Anwesenheit von Lipiden während der Aufreinigung für seine Rekonstituierbarkeit förderlich ist (Huganir and Racker, 1982).
Functional and structural characterization of Aquifex aeolicus sulfide:quinone oxidoreductase
(2010)
This work presents the first complete structure of the membrane protein sulfide:quinone oxidoreductase (SQR), obtained by X-ray crystallography. Its description is complemented by the results of biochemical and functional experiments. SQRs are ubiquitous flavoprotein disulfide reductases (FDRs), present in all domains of life, including in humans. Their physiological role extends from sulfide detoxification to sulfide-dependent respiration and photosynthesis (in archaea and bacteria), to heavy metal tolerance (in yeast) and possibly to sulfide signalling (in higher eukaryotes). Until now understanding the function of SQRs was difficult because of the poor level of sequence conservation in this enzyme family, the limited functional characterization available and the absence of any structural data. SQR was identified in the native membranes of the hyperthermophilic bacterium Aquifex aeolicus by peptide mass fingerprinting (PMF) and by a spectrophotometric activity assay. The protein was solubilized in the detergent dodecyl-beta-D-maltoside (DDM) and purified to homogeneity in a functionally active state. It binds one FAD molecule per protein monomer and FAD is its only cofactor. Its structure was determined in the “as-purified”, substrate-bound and inhibitor-bound forms at resolutions of 2.3, 2.0 and 2.9 Å, respectively. It is composed of two Rossmann-fold domains and of one membrane-attachment region. Despite the overall monomeric architecture being similar to that of FDRs, the structure reveals properties that had not been observed in FDRs until now and that have strong implications for the SQR catalytic mechanism. Surprisingly, A. aeolicus SQR is trimeric in the crystal structure and in solution, as determined by density-matched analytical ultracentrifugation, cross-linking and single particle electron microscopy. The trimer creates an appropriate surface for binding lipids and thus ensures that SQR exclusively reduces hydrophobic quinones. SQR inserts to a depth of about 12 Å into the membrane as an integral monotopic membrane protein. The interaction is mediated by an amphipathic helix-turn-helix tripodal motif and two lipid clamps. A channel in the membrane-binding domain extends towards the si-side of FAD and represents the quinone-binding site. The quinone ring is sandwiched between the conserved amino acids Phe 385 and Ile 346 and is possibly protonated upon reduction via Glu 318, Lys 382 and/or neighboring solvent molecules. Sulfide polymerization occurs on the re-side of FAD, where the highly conserved Cys 156 and Cys 347 appear to be covalently bound to the putative product of the reaction, a polysulfur chain which takes the form of an S8 ring in some monomers. Finally, the structure shows that FAD is covalently connected to the protein in an unprecedented way, via a putative disulfide bridge between the 8-methyl group of the isoalloxazine moiety and Cys 124. The high resolution insight into the protein and all unexpected structural observations presented in this work suggest that the catalytic mechanism of SQRs is significantly different from that of FDRs. In agreement with the structural and functional data, two reaction schemes are proposed for A. aeolicus SQR. They both provide a detailed description of how sulfide and quinones reach and bind the active site, how electrons are transferred from sulfide to quinone via FAD and how the elongating polysulfur product is attached to the polypeptide and is finally released. The two hypotheses differ in defining the structure of the covalent protein-FAD intermediate that forms during the reaction cycle and whose identity still remains experimentally undetermined. Remarkably, the structure of the active site and the FAD-binding mode of A. aeolicus SQR are not conserved in another SQR structure which also became available recently, that of the archaeon Acidianus ambivalens. The variability in SQRs suggests that not all of these enzymes follow the same catalytic mechanism, despite having been considered homologous. Consequently, the currently available but contradictory sequence-based classifications of the SQR family were revised. A structure-based alignment calculated on the increasing number of available sequences allowed to define new SQR groups and their characteristic sequence fingerprints in agreement with the reported structural and functional data. In conclusion, the results obtained in this work offer for the first time a detailed look into the intriguing but complicated reactions catalysed by SQRs and provide a stimulus for further genetic, biochemical and structural investigation.
Integral membrane proteins (IMPs) account for 20-40% of all open reading frames in fully sequenced genomes and they are target of approximately 60% of all modern drugs. So far, cellular expression systems are often very insufficient for the high-level production of IMPs. Toxic effects, instability or formation of inclusion bodies are frequently observed effects that prevent the synthesis of sufficient amounts of functional protein. I have successfully established an individual cell-free (CF) expression system to overcome these IMP synthesis difficulties. The CF system was established in two different expression modes. If no hydrophobic compartment is provided, the IMPs precipitate in the reaction mixture. Interestingly, these insoluble proteins are found to differ from inclusion bodies as they readily solubilize in mild detergents and the bacterial small multi drug transporter EmrE, expressed in the insoluble mode was shown to reconstitute into liposomes in an active form. Alternatively, IMPs can be synthesized in a soluble way by supplementing the CF system with detergents. A comprehensive overview of 24 commonly used detergents was provided by analyzing their impact on the CF system as well as their ability to keep three structurally very different proteins in solution. The class of long chain polyoxyethylene-alkyl-ethers turned out to be most suitable for soluble expression of a-helical EmrE, the bacterial b-barrel type nucleoside transporter Tsx and the porcine vasopressin receptor type 2, resulting in several mg of protein per mL of reaction mixture. So far IMPs have almost completely been excluded from solution nuclear magnetic resonance (NMR) analyses. I could demonstrate that CF expression enables efficient isotopic labeling of IMPs for NMR analysis and further facilitates selective labeling strategies with combinations of 13C and 15N enriched amino acids that have not been feasible before. Four different G-protein coupled receptors (GPCRs) were successfully CF expressed in preparative scale and for the human endothelin B receptor (ETB), ligand binding ability was observed. A series of truncated ETB derivatives containing nested terminal deletions have been CF produced and functionally characterized. The core area essential for Endothelin-1 binding as well as a central region responsible for ETB oligomer formation was confined to a 39 amino acid fragment including the proposed transmembrane segment 1. The binding constant (KD) of ETB was determined to 6 nM for circular ET-1 by SPR and 29 nM for linear ET-1 by TIRFS. This data indicate a large potential of the established individual CF expression system for functional IMP synthesis.
Macrophages in the tumor microenvironment respond to complex cytokine signals. How these responses shape the phenotype of tumor-associated macrophages (TAMs) is incompletely understood. Here we explored how cytokines of the tumor milieu, interleukin (IL)-6 and IL-4, interact to influence target gene expression in primary human monocyte-derived macrophages (hMDMs). We show that dual stimulation with IL-4 and IL-6 synergistically modified gene expression. Among the synergistically induced genes are several targets with known pro-tumorigenic properties, such as CC-chemokine ligand 18 (CCL18), transforming growth factor alpha (TGFA) or CD274 (programmed cell death 1 ligand 1 (PD-L1)). We found that transcription factors of the signal transducer and activator of transcription (STAT) family, STAT3 and STAT6 bind regulatory regions of synergistically induced genes in close vicinity. STAT3 and STAT6 co-binding further induces the basic leucine zipper ATF-like transcription factor (BATF), which participates in synergistic induction of target gene expression. Functional analyses revealed increased MCF-7 and MDA-MB 231 tumor cell motility in response to conditioned media from co-treated hMDMs compared to cells incubated with media from single cytokine-treated hMDMs. Flow cytometric analysis of T cell populations upon co-culture with hMDMs polarized by different cytokines indicated that dual stimulation promoted immunosuppressive properties of hMDMs in a PD-L1-dependent manner. Analysis of clinical data revealed increased expression of BATF together with TAM markers in tumor stroma of breast cancer patients as compared to normal breast tissue stroma. Collectively, our findings suggest that IL-4 and IL-6 cooperate to alter the human macrophage transcriptome, endowing hMDMs with pro-tumorigenic properties.
Clonal hematopoiesis of indeterminate potential (CHIP) is caused by recurrent somatic mutations leading to clonal blood cell expansion. However, direct evidence of the fitness of CHIP-mutated human hematopoietic stem cells (HSCs) in blood reconstitution is lacking. Because myeloablative treatment and transplantation enforce stress on HSCs, we followed 81 patients with solid tumors or lymphoid diseases undergoing autologous stem cell transplantation (ASCT) for the development of CHIP. We found a high incidence of CHIP (22%) after ASCT with a high mean variant allele frequency (VAF) of 10.7%. Most mutations were already present in the graft, albeit at lower VAFs, demonstrating a selective reconstitution advantage of mutated HSCs after ASCT. Thus, CHIP-mutated stem and progenitor cells largely gain on clone size upon ASCT-related blood reconstitution, leading to an increased future risk of CHIP-associated complications. CHIP increase with age and is also associated with atherosclerosis and inflammation. Age and inflammation are the major risk factors for heart failure, yet the association of CHIP with chronic ischemic heart failure (CHF) in humans is unknown. Therefore, we analyzed bone marrow-derived mononuclear cells from 200 patients with CHF by NGS to detect the presence of CHIP and associated such with long-term prognosis in patients with CHF. Forty-seven mutations with a VAF of at least 2% were found in 18.5% of 200 patients with CHF. The mutations most commonly occurred in the genes DNMT3A and TET2. During a median follow-up of 4.4 years, a significantly worse clinical outcome for patients with either DNMT3A or TET2 mutations compared with non-CHIP carriers was notable. Importantly, there was a significant dose-response association between VAF and clinical outcome. Our data suggest that somatic mutations in hematopoietic cells, may be significantly associated with the progression and poor prognosis of CHF.
The ABC protein ABCE1, also called HP68 or RNase L inhibitor (RLI), is one of the most conserved proteins in evolution. It is universally expressed in eukaryotes and archaea, where ABCE1 is essential for life. ABCE1 plays a crucial role in translation initiation and ribosome biogenesis, however, the molecular mechanism of ABCE1 remains unclear. In addition to two ABC ATPase domains, ABCE1 contains a unique N-terminal region with eight conserved cysteines predicted to coordinate iron-sulfur (Fe-S) clusters. To analyze the function of ABCE1, the hyperthermophilic crenarchaeote Sulfolobus solfataricus was chosen as a model system. S. solfataricus ABCE1 was overexpressed homologously in S. solfataricus and heterologously in E. coli. Noteworthy, for tagged-protein production in S. solfataricus a novel expression system based on a virus shuttle vector was established. This is the first example for a successful overexpression and purification of isolated full-length ABCE1. For the first time it was shown that ABCE1 indeed bears biochemical properties of an ABC protein even though it has unique features. Remarkably, the nucleotide binding domains (NBDs) of ABCE1 bound ATP and AMP, but were functionally non-equivalent in ATP hydrolysis. Mutations of conserved residues in the second NBD led to a hyperactive ATPase, which implies an intramolecular mechanism of dimer formation. Truncation of the Fe-S cluster domains did not influence ATPase activity. The Fe-S clusters of ABCE1 were analyzed by biophysical and biochemical methods. As presented in this study, ABCE1 harbors two essential diamagnetic [4Fe-4S]2+ clusters, one ferredoxin-like cluster formed by cysteines at position 4/5/6/7 and one unique ABCE1 cluster formed by cysteines at position 1/2/3/8. ABCE1 was found to be associated with RNA after purification from S. solfataricus and bound ribosomal RNA in vitro. In addition, ABCE1 showed homo-oligomerization and appeared to form a hexameric complex of ~440 kDa, which was RNase sensitive. Archaeal ABCE1 associated with ribosomes, however, the unique Fe-S clusters of ABCE1 were not required for this interaction. Although archaeal ABCE1 assembled with ribosomes and ribosomal RNA, ABCE1 proved not to be essential for translation in S. solfataricus and did not interact with archaeal initiation factors. Nevertheless, the ABCE1 gene is one of the few genes conserved between archaea and eukaryotes and fulfills a universal task, which needs further characterization.
Die Translokation von gelösten Stoffen über zelluläre Membranen ist ein essentieller biologischer Prozess, der durch eine Vielfalt an integralen Membranproteinen vermittelt wird. Diese sind in den selektiven Austausch verschiedenster Stoffe bzw. Teilchen involviert und ermöglichen somit die Kommunikation zwischen den einzelnen Zellkompartimenten untereinander bzw. mit der extrazellulären Umgebung. Eine der größten Familien paraloger Proteine, die den vektoriellen Transport von Substanzen über Zellmembranen katalysieren, stellen die ATP‐binding cassette (ABC)‐Transporter dar. Mitglieder dieser Proteinfamilie sind in allen bisher untersuchten Organismen von Prokaryoten bis hin zu höheren Eukaryoten vertreten und übernehmen essentielle Funktionen in einer Vielzahl von zellulären Abläufen. ABC‐Transporter zeichnen sich durch eine breite Substratdiversität aus, d.h. sie energetisieren unter ATP‐Verbrauch die Translokation zahlreicher, strukturell und chemisch unterschiedlicher Substanzen wie Zucker, Lipide, Ionen, Aminosäuren, Proteine oder auch zelltoxische Stoffe. In Bakterien können sie sowohl als Importproteine fungieren, welche hauptsächlich die Aufnahme von Nährstoffen vermitteln, als auch als Exportproteine, deren Hauptaufgabe es ist, zelltoxische Substanzen aus der Zelle heraus zu schleusen. Eukaryotische ABC‐Transporter sind sowohl in der Plasmamembran als auch in den intrazellulären Membranen zu finden – beispielsweise in denen des Endoplasmatischen Retikulums, des Golgi Apparats, der Lysosomen, der Peroxisomen und der Mitochondrien. Sie fungieren als Exportproteine und sind z.B. an der Ionen‐Homöostase, der Antigenprozessierung, der Insulinfreisetzung oder am Cholesterol‐ und Lipidtransport beteiligt. ...
In dieser Dissertation wurde die Rolle des Proteins Carboxypeptidase E (CPE) im Glioblastom (GBM) untersucht. Ursprünglich wurde CPE in der neuroendokrinen Regulation beschrieben, wo es die Reifung der meisten Neuropeptide und Hormone reguliert und somit Einfluss auf Stoffwechsel und humorale Effekte hat (Fricker et al., 1982; Fricker & Snyder, 1982 and 1983; Davidson & Hutton, 1987; Shen & Loh, 1997; Lou et al., 2005). Ab 1989 wurde CPE in unterschiedlichen Tumorentitäten nachgewiesen (Grimwood et al., 1989; Manser et al., 1991), jedoch ohne Hinweise, welche Bedeutung das Protein dort haben könnte. Erst im letzten Jahrzehnt konnten sowohl pro- als auch anti-tumorigene Wirkungen von CPE gezeigt werden. Die beschriebenen Wirkungen von CPE sind jedoch von dessen Isoform abhängig. Das ∂(delta)N-trunkierte CPE zeigte sich mit erhöhtem Tumorwachstum und schlechter Überlebensprognose in verschiedenen Krebsentitäten assoziiert (Murthy et al., 2010; Lee et al., 2011; Zhou et al., 2013). Im Gegensatz dazu verringerte sezerniertes CPE (sCPE) im Fibrosarkom und Glioblastom die Zellmigration, was einen anti-tumorigenen Effekt suggeriert (Höring et al., 2012; Murthy et al., 2013a). Die Molekularmechanismen, die für die Regulation der Migration zuständig sind, sind jedoch kaum untersucht. Die meisten Untersuchungen von sCPE in Normal- und Tumorgewebe beschränken sich hauptsächlich auf Apoptose und Zellüberleben (Skalka et al., 2013; Murthy et al., 2013b; Cheng et al., 2013; Selvaraj et al., 2015; Cheng et al., 2015). Die vorliegende Arbeit ist demzufolge die erste Studie, die sich dem Mechanismus der Migrationsregulation durch sCPE im Glioblastom widmet.
Humane Gliome stellen die größte und bösartigste Gruppe hirneigener Tumore dar. Bösartige Gliome sind höchst resistent gegen alle zurzeit verfügbaren Behandlungsmethoden. Einer der Hauptgründe dafür ist, dass die Tumorzellen durch diffuse Infiltration in das Gehirn einwandern können. Ferner sind Gliomzellen metabolisch sehr aktiv und können sich dadurch an schnell verändertes Milieu anpassen (Fack et al., 2015; Demeure et al., 2016). Über die grundlegenden Mechanismen für diese Art des infiltrierenden Tumorwachstums ist bisher noch nicht viel bekannt. Zurzeit sind nur wenige Schlüsselfaktoren beschrieben, die den sogenannten Mechanismus der Migration oder Proliferation ("go or grow") in bösartigen Tumoren beeinflussen: wenige Transkriptionsfaktoren, miRNAs sowie metabolische Faktoren. Interessanterweise, sind miRNAs zum Teil mit der Regulation des Metabolismus in Tumorzellen assoziiert. Eine vorangehende Studie aus unserem Labor hat sCPE aufgrund seines Potentials, Zellwanderung zu verringern, als einen weiteren Schlüsselfaktor identifiziert. Wir konnten zeigen, dass sCPE in der Gliomzelllinie LNT-229 zur einer differentiellen Regulation von Migration und Proliferation führt (Höring et al., 2012). Die vorliegende Arbeit widmet sich nun der Frage nach den genauen zugrundeliegenden Mechanismen, wie sCPE seine Effekte auf molekularer Ebene vermittelt. Darüber hinaus soll geklärt werden, ob sCPE auch in der metabolischen Adaptation eine Rolle spielt und dadurch ebenfalls die Gliomzellmigration beeinflußen kann.
In the adult mammalian brain stem cells within defined neurogenic niches retain the capacity for lifelong de novo generation of neurons. The subventricular zone (SVZ) of the lateral ventricles and the subgranular layer (SGL) of the hippocampal dentate gyrus (DG) have been identified as the two major sites of adult neurogenesis. Moreover, the third ventricle in the hypothalamus is emerging as a new neurogenic niche in the adult brain. Extracellular purine and pyrimidine nucleotides are involved in the control of both embryonic and adult neuro-genesis. These nucleotides act via ionotropic P2X or metabotropic P2Y receptors and studies of the adult SVZ and the DG provide strong evidence that ATP promotes progenitor cell proliferation in this stem cell rich regions. Previous studies have shown that the extracellular nucleotide-hydrolyzing enzyme NTPDase2 is highly expressed by adult neural stem and progenitor cells of the SVZ and the rostral migratory stream (RMS), the hippocampal SGL, and the third ventricle. NTPDase2 preferentially hydrolyzes extracellular nucleoside triphosphates (NTPs) and, to a lower extent, diphosphates, thus modulating their effect on nearby nucleotide receptors. Deletion of the enzyme increases extracellular NTP concentrations, and might indicate roles of purinergic signaling in adult neurogenesis. As shown by enzyme histochemistry, genetic deletion of NTPDase2 essentially eliminates ATPase activity in neurogenic niches but does not affect protein expression levels and activity of other ectonucleotidases. Lack of NTPDase2 leads to expansion of the hippocampal stem cell pool as well as of the inter-mediate progenitor type-2 cells. Cell expansion is lost at around type-3 stage, paralleled by increased labeling for caspase-3, indicating increased apoptosis, and decreased levels in CREB phosphorylation in doublecortin-expressing cells, diminishing survival in this cell population. In line with increased cell death, P2Y12 receptor-expressing microglia is enriched at the hilus orientated side of the granule cell layer. These data strongly suggest that NTPDase2 functions as central homeostatic regulator of nucleotide-mediated neural progenitor cell proliferation and expansion in the adult brain by balancing extracellular nucleotide concentrations and activation of purinergic receptors.
In order to further characterize the role of purinergic signaling in adult neurogenesis, the ADP-sensitive P2Y13 receptor was identified as a potential candidate whose activation might inhibit neurogenesis in the hippocampal dentate gyrus and the newly identified neurogenic niche at the third ventricle. Deletion of P2ry13 increased progenitor cell proliferation and long-term progenitor survival as well as new neuron formation in the hippocampal neurogenic niche. This was further paralleled by increased thickening of the granule cell layer, CREB phosphorylation, and expression of the neuronal activity marker c-Fos. Increased progenitor cell proliferation and progenitor survival persist in aged P2ry13 knockout animals. However, in the ventral dentate gyrus proliferation and expansion levels of progenitor cells did not differ significantly from the wild type. This study strongly supports the notion that extracellular nucleotides significantly contribute to the control of adult neurogenesis in the dentate gyrus in situ. Data in this work suggest that activation of the P2Y13 receptor dampens progenitor cell proliferation, new neuron formation, and neuronal activity. In contrast to several in vitro studies and studies in the SVZ in situ, a contribution of the ATP/ADP-sensitive P2Y1 receptor could not be confirmed in the dentate gyrus in vivo.
To unravel implications of purinergic signaling and P2Y13 receptor action in the control of adult hypothalamic neurogenesis a pilot study was performed. Mice null for P2ry13 revealed increased progenitor cell proliferation at the third ventricle as well as long-term progeny survival and new neuron formation in the hypothalamus. In contrast to results obtained in the dentate gyrus expression of the neuronal activity marker c-Fos was significantly decreased in hypothalamic nuclei, indicating increased inhibition of appetite-regulating neuronal circuits by surplus neurons in knockout animals. These data provide first evidence that extracellular nucleotide signaling contributes to the control of adult hypothalamic neurogenesis in situ. Activation of the P2Y13 receptor inhibits progenitor cell proliferation, long-term survival and neuron formation and therefore controls inhibition of appetite-regulating circuits in the adult rodent hypothalamus.
The adaptive immune system of jawed vertebrates is based on recognition and elimination of cells that are either invaded by intracellular pathogens or malignantly transformed. One essential component of these processes is the cell surface presentation of antigenic peptides via major histocompatibility complex (MHC) class I molecules to cytotoxic T-cells (CTLs). Cells degrade defective ribosomal products and misfolded or unwanted proteins by the ubiquitin-proteasome pathway. The resulting degradation products are recognized and translocated by the transporter associated with antigen processing (TAP) into the endoplasmic reticulum (ER) lumen, where they are loaded onto MHC I molecules. Assembled peptide-MHC complexes are then shuttled by the secretory pathway to the cell surface for antigen presentation to CTLs, leading in the case of viral infection or malignant transformation to lysis and apoptosis of the target cell. Due to the fact that the TAP complex represents a key control point within the antigen presentation pathway, several viruses have evolved sophisticated strategies to evade immune surveillance by interfering with TAP function.
Detailed studies of the TAP mechanism or its viral inhibition have been severely impeded by difficulties in expressing sufficient amounts of functional heterodimeric TAP complex. Thus, the overexpression of TAP in the methylotrophic yeast Pichia pastoris was established for functional analysis of this important ABC complex. Biomass production was scaled up by fermentation using classical batch and feed methods. Extensive screening of optimal solubilization and purification conditions allowed the isolation of the heterodimeric transport complex. Notably, only the very mild detergent digitonin preserved TAP function. Hereby, the optimal solubilization and purification strategy yielded in 30 mg TAP transporter per liter culture. Remarkably, the protein amount was 50-fold increased compared to previously described expression/purification in cultured insect cells.
The high yield and quality of TAP produced in P. pastoris allowed an extensive analysis of substrate binding and transport kinetics of the transport complex in the membrane, its solubilized and purified state, as well as the reconstituted state. Thereby, a strong and direct effect of the lipid bilayer on ATP hydrolysis and peptide transport was discovered. These important results were extended further by successful functional reconstitution of the antigen translocation machinery in different lipid environments. For the first time, a stimulation of the transport activity by phosphatidylinositol (PI) and phosphatidylethanolamine (PE) was observed, whereas cholesterol was identified as an inhibitor of TAP activity.
Purification of TAP and subsequent thin-layer chromatography (TLC)/liquid chromatography Fourier transform-mass spectrometry (LC FT-MS) fingerprinting of residual lipids exhibited specifically associated glycerophospholipids; mainly PC, PE, and PI species. Strikingly, these lipids not only represent the primary class of phospholipids of the ER but were also shown to be essential for functional reactivation of delipidated, and thus inactive, TAP. The results demonstrate that transport of antigenic peptides by the ABC transporter TAP strictly requires specific glycerophospholipids.
In addition to the biochemical characterization of heterologous produced TAP, the soluble domain of the viral inhibitor US6 from human cytomegalovirus was expressed in E. coli. Optimization of the purification and refolding strategy yielded in functional protein, with a 35-fold increased protein amount compared to previous purification procedures. Protein activity was analyzed by specific inhibition of ATP binding to TAP. Furthermore, high protein yields allowed detailed investigation of TAP-dependent spatial and mechanistic separation of MHC I restricted cross-presentation in professional antigen presenting cells (pAPC).
Saint Clare of Assisi was born in 1194 to a family of notable social standing. Against her family’s wishes, she left home at the age of eighteen to join the Order of Saint Francis. She soon established the convent of the Poor Ladies in Assisi, which later became officially recognized as the Second Franciscan Order, and went on to govern it for 40 years. Like Saint Francis, who died in 1226 and was officially declared a saint in 1228, her canonization also took place only two years after her death in 1253, thereby demonstrating the tremendous impact she had on her contemporaries. ...
Plants absorb sunlight via photosynthetic pigments and convert light energy intochemical energy in the process of photosynthesis. These pigments are mainly bound to antenna protein complexes that funnel the excitation energy to the photosynthetic reaction centres. The peripheral antenna of plant photosystem II (PSII) consists of the major light-harvesting complex of PSII (LHC-II) and the minor LHCs CP29, CP26 and CP24. Light intensity can change frequently and plants need to adapt to high-light conditions in order to avoid photodamage. When more photons are absorbed than can be utilised by the photosynthetic machinery, excessive excitation energy is dissipated as heat by short-term adaptation processes collectively known as non-photochemical quenching (NPQ). A decrease in PSII antenna chlorophyll (Chl) fluorescence yield and a reduction in the average Chl fluorescence lifetime are associated with NPQ. The main component of NPQ is the so-called energy-dependent quenching (qE), and it is triggered by the rapid drop in thylakoid lumenal pH resulting from the plant’s photosynthetic activity. This process is thought to take place at the PSII antenna complexes, which therefore not only capture and transfer light energy but are also involved in balancing the energy flow. The decrease in lumenal pH acivates the enzyme violaxanthin de-epoxidase (VDE), which converts the xanthophyll violaxanthin (Vio) into zeaxanthin (Zea) in the xanthophyll cycle. In addition, the PSII subunit PsbS was discovered to be essential for qE by screening qE-deficient Arabidopsis thaliana mutants. This membrane protein is considered a member of the LHC superfamily, which also includes LHC-II and the minor LHCs. Previous studies on PsbS isolated either from native source or refolded in vitro have produced inconsistent results on its pigment binding capacity. Interestingly, a pH-dependent change in the quaternary structure of PsbS under high light conditions has been reported. This observed dimer-tomonomer transition very likely follows the protonation of lumenal glutamates upon the drop in pH and is accompanied by a change in PSII supercomplex localisation. PsbS dimers are preferentially found in association with the PSII core, whereas PsbS monomers co-localise with LHC-II.Despite the identification of !pH, Zea and PsbS as key players in qE, both the nature of the quencher(s) as well as the underlying molecular mechanism leading to excess energy dissipation still remain unknown. Several models have been put forward to explain the reversible switch in the antenna from an energy-transmitting to a quenched state. Proposals include a simple pigment exchange of Vio for Zea, and aggregation or an internal conformational change of LHC-II. Charge transfer (CT)quenching in the minor LHCs or quenching by carotenoid dark state (Car S1)-Chl interactions have also been suggested. However, none of these qE models has so far been capable of accommodating all the physiological observations and available experimental data. Most importantly, the function of PsbS remains an enigma. A recent qE model suggested that monomerisation of PsbS enables the protein to transiently bind a carotenoid and form a quenching unit with a Chl of a PSII LHC. In view of the various proposed qE mechanisms, this thesis aimed at understanding the interplay of the different qE components and the contribution of the PSII subunits LHC-II, the minor LHCs and PsbS to qE. The initial approach was to investigate the properties of the PSII subunits in the most simple in vitro model system, namely in detergent solution. For this purpose, LHC-II was isolated either from native source or refolded from recombinantly produced protein. Investigation of the minor LHCs and PsbS required heterologous expression and refolding. In addition, experiments were performed on aggregated LHC-II. Aggregates of LHC-II have been used as a popular model system for qE because they exhibit highly quenched Chl fluorescence. At the final stage of this doctoral work, a more sophisticated model system to approximate the thylakoid membrane was developed by reconstitution of the PSII subunits LHC-II and PsbS into liposomes. This system not only allowed for investigation of these membrane proteins in their native environment, but also for mimicking the xanthophyll cycle by distribution of Zea within the membrane as well as !pH by outside buffer exchange. The role of Zea in qE was first investigated with detergent solubilised antenna proteins. The requirement of this xanthophyll for qE is well-known, but the specific contribution to the molecular quenching mechansim is unclear. Previous work had shown that replacement of Vio for Zea in LHC-II was not sufficient to induce Chl fluorescence quenching in Zea-LHC-II, as suggested by the so-called molecular gearshift mechanism. However, by means of selective two-photon excitation spectroscopy, an increase in electronic interactions between Car S1 and Chls was observed for LHC-II upon lowering the pH of the detergent buffer. Electronic Car S1-Chl coupling became even stronger when Zea-LHC-II was probed. The extent of Car S1-Chl coupling correlated directly with the extent of Chl fluorescence quenching, in a similar way as observed previously in live plants under high-light conditions. However, very similar results were obtained with LHC-II aggregates. This implied that the increase in electronic interactions and fluorescence quenching was independent of Zea and low pH. Further experiments on aggregates of LHC-II Chl mutants indicated that the targeted pigments were also not essential for the observed effects. It is proposed that the same molecular mechanism causes an increase in electronic Car S1-Chl interactions and Chl fluorescence quenching in Zea-LHC-II at low pH as well as in aggregated LHC-II. Most likely, surface exposed pigments form random quenching centres in both cases. On the other hand, it was possible that Zea could act as a direct quencher of excess excitation energy in the minor LHCs. However, enrichment of refolded CP29, CP26 and CP24 with Zea did not lead to a change in the Chl excited state lifetime. Formation of a carotenoid radical cation, previously implied in CT quenching, was also not observed, although artificial generation of such a radical cation was principally possible as shown for CP29. During the course of this work, a study reporting the formation of Zea radical cations in minor LHCs was published. Therefore, Zea-enriched minor LHCs were again investigated on the experimental apparatus used in the reported study. Indeed, the presence of at least one carotenoid radical cation for each minor complex was detected. It is suggested that either the preparation method of incubating the refolded minor LHCs with Zea in contrast to refolding the complexes with only Zea and lutein causes the observed differences or that the observed spectral radical cation signatures are due to experimental artifacts. While the experiments with LHC-II and the minor LHCs gave useful insights into the putative qE mechanism, the quencher site and the mode of action of Zea could still not be unambiguously identified. Most importantly, these studies could not explain the function of the qE keyplayer PsbS. Therefore, the focus of the work was shifted to PsbS protein production, purification and characterisation. In view of inconsistent reports on the pigment binding capacity of this PSII subunit, refolding trials with and without photosynthetic pigments were conducted. The formation of a specific pigmentprotein complex typical for other LHCs was not observed and neither was the earlier reported “activation” of Zea for qE by binding to this protein. Nevertheless, PsbS refolded without pigments displayed secondary structure content in agreement with previous studies, indicating pigment-independent folding. Reconstitution of pigmentfree, refolded PsbS into liposomes confirmed that the protein is stable in the absence of pigments. Zea distributed in PsbS-containing liposomes also showed no spectral alteration that would indicate its “activation”. With the ability to reconstitute PsbS, it was then possible to proceed to modelling qE in a proteoliposome system. For this purpose, PsbS was co-reconstituted with LHC-II, which has been reported to interact with PsbS. One-photon excitation (OPE) and two-photon excitation (TPE) spectroscopy measurements were performed on LHC-II- and LHC-II/PsbS-containing liposomes. This enabled both quantification of Chl fluorescence quenching as well as determination of the extent of electronic Car S1-Chl interactions. The effect of Zea was investigated by incorporating it in the proteoliposome membrane. It was shown that Zea alone was not able to induce significant Chl fluorescence quenching when only LHC-II was present. However, when LHC-II and PsbS were co-reconstituted, pronounced Chl fluorescence quenching and an increase in electronic Car S1-Chl interactions were observed and both effects were enhanced when Zea was present. Western blot analysis indicated the presence of a LHC-II/PsbS-heterodimer in these proteoliposomes. In addition to the OPE and TPE measurements, the average Chl fluorescence lifetime was determined in detergent-free buffer at neutral pH and directly after buffer exchange to low pH. No significant changes in the average lifetime were observed for LHC-II proteoliposomes when either Zea was present or after exchange for low pH buffer. This indicated that Zea alone cannot act as a direct quencher, which concurs with the OPE measurements. Moreover, the complex was also properly reconstituted as no aggregation or significant Chl fluorescence quenching were observed. The average lifetime was not significantly affected in LHC-II/PsbS-proteoliposomes, independent of Zea or pH. However, a shortlived component in the presence of a long-lived component was not resolvable with the time resolution of the fluorescence lifetime apparatus.
Implications for qE model systems and the in vivo quenching mechanism are discussed based on the experiments in detergent solution, on LHC-II aggregates and with the proteoliposome model system.
Alzheimer’s disease (AD) is a common, age associated neurodegenerative disease that manifests as progressive dementia and is characterized by accumulation of the amyloid beta (Aβ) peptide which is a processing product of a transmembrane protein termed Alzheimer Amyloid Precursor Protein (APP). The Aβ peptide is generated by a sequential proteolytic processing of APP by two distinct proteases that are termed β- and γ-secretase. The β-secretase, also called BACE-1 or memapsin 2, belongs to the family of aspartyl proteases. BACE-1 evidently cleaves APP in an acidic endosomal compartment after endocytosis of APP, thereby facilitating Aβ peptide generation.
Sorting of transmembrane proteins is generally controlled by sorting signals in the cytoplasmic domains of the cargo proteins. The short cytoplasmic tail of BACE-1 with 23 amino acids contains a sorting signal of the acidic cluster, di-leucine (ACDL) type. The two Leu residues in this determinant are important for the clathrin mediated endocytosis of BACE-1, whereas the acidic residues together with the Leu are required for the endosomal sorting and recycling of BACE-1 back to the plasma membrane. The ACDL motif binds to the members of the GGA (Golgi-localized γ ear-containg ARF- binding proteins) family (GGA1-GGA3) that are involved in the sorting of BACE-1.
One of the major aims of this study was to address the role of flotillins in the intracellular sorting of BACE-1. This study shows that flotillin-1 directly binds to the di-leucine motif in the cytoplasmic tail of BACE-1, whereas flotillin-2 only shows an association mediated by flotillin-1. Flotillin-1 competes with GGA2 for the binding to BACE-1 tail, and thus influences the endosomal sorting of BACE-1. Importantly, depletion of flotillins results in an altered localization of the wildtype BACE-1, whereas the plasma membrane resident Leu to Ala (LLAA) mutant is not affected. Flotillin knockdown results in an accumulation of BACE-1, implicating reduced degradation and enhanced stability of this protease. Thus, flotillins appear to be important for the cellular targeting of BACE-1 and also influence the amyloidogenic processing of APP, as demonstrated by an increase in the amyloidogenic C-99 processing fragments.
When flotillin depleted cells were subjected to apoptotic stresses including Aβ25-35 synthetic peptide (inducer of the extrinsic apoptosis pathway) or several chemotherapeutic agents (staurosporine, brefeldin A, doxorubicin, carboplatin and paclitaxel: intrinsic apoptosis pathway) and cytotoxicity was determined, various apoptotic markers were activated in flotillin depleted cells. Caspase-3 and GGA3 are well accepted apoptosis markers and an enhanced caspase-3 cleavage was detected upon STS induced apoptosis in SH-SY5Y, HeLa, and HaCaT cell lines and increased GGA3 cleavage was observed in MCF7 cell line.
One of the major reasons for the apoptotic sensitivity in the absence of flotillins was a PI3K/Akt signaling defect. Neuroblastoma cells depleted of flotillins showed diminished levels of total Akt, phospho-Akt and phospho-ERK upon STS induced apoptosis. Since PI3K/Akt was the primary survival pathway affected upon STS induced apoptosis, ectopic expression of Akt in neuroblastoma cell line reduced caspase-3 cleavage and retarded apoptosis.
The direct downstream target of Akt is FOXO3a, whose localization was investigated in flotillin depleted cells. A major proportion of FOXO3a was localized in the nucleus of flotillin knockdown cells, implicating that FOXOs are active in these cells and subsequently trigger the transcription of death genes. Strikingly, an essential anti-apoptotic molecule and a major cancer target, Mcl-1, was inherently downregulated in flotillin knockdown cells. Mcl-1 is a chief member of the Bcl-2 family as it plays a pivotal role in cell survival and it is a critical protein in cancer therapeutics as suppression of Mcl-1 protein can curtail the survival and growth of tumorous cells.
Neuroblastoma cells were rescued from undergoing permanent damage due to STS induced apoptosis by overexpression of anti-apoptotic Bcl-2. Phorbol esters are well known PKC activators, and pre-treatment of neuroblastoma cells with phorbol esters along with staurosporine reduced caspase-3 cleavage.
These results demonstrate that absence of flotillins can sensitize cellular systems to apoptosis induction. The two main characteristics of cancer cells include resistance to apoptosis and unresponsiveness to chemotherapeutic agents. It is a well established fact that impaired apoptosis is central to tumour development. This study implicates that the downregulation of flotillin function can trigger cellular susceptibility and enhances apoptosis in response to conventional chemotherapeutic agents. Therefore, flotillins can serve as vital regulators in providing a more rational approach in molecular-targeted therapies for receding cancer growth and survival.
Nervous system development requires a sequence of processes such as neuronal migration, the development of dendrites and dendritic spines and the formation of synapses. The extracellular matrix protein Reelin plays an important role in these processes, Reelin regulates for example the migration of neurons from proliferative zones to their target positions in the brain. As a consequence, layered structures are formed in the neocortex, the hippocampus and cerebellum (Lambert de Rouvroit et al., 1999). Reelin exerts its functions by binding to two transmembrane receptors, apolipoprotein E receptor 2 (ApoER2) and very-low-density lipoprotein receptor (VLDLR). This binding causes phosphorylation of the intracellular adapter protein Disabled-1 (Dab1) (D’Arcangelo et al., 1999) via activation of Src-family kinases (SFKs) (Bock and Herz, 2003), leading to cytoskeletal reorganization which enables cell migration and morphological changes (Lambert de Rouvroit and Goffinet, 2001). Since ApoER2 and VLDLR do not possess intrinsic kinase activity to activate SFKs, the existence of a co-receptor was suggested. EphrinBs are transmembrane ligands for Eph receptors and have signaling capabilities required for axon guidance (Cowan et al., 2004), dendritic spine maturation (Segura et al., 2007) and synaptic plasticity (Essmann et al., 2008; Grunwald et al., 2004). As stimulation of cultured cortical neurons with soluble EphB receptors causes recruitment of SFKs to ephrinB-containing membrane patches and SFK activation (Palmer et al., 2002), we investigated whether ephrinB ligands would be the missing co-receptors in the Reelin signaling pathway functioning during neuronal migration, dendritic spine maturation and synaptic plasticity. We found that the extracellular part of ephrinBs directly binds to Reelin and that ephrinBs interact with Dab1, phospho-Dab1, ApoER2 and VLDLR. EphrinB3 is localized in the same neurons as ApoER2 and Dab1 in the cortex and hippocampus, and in the cerebellum ephrinB2 is detected in neurons that express Dab1. To investigate the requirement of ephrinBs for neuronal migration, triple knockout mice lacking all ephrinB ligands were analyzed. The cortical layering of ephrinB1, B2, B3 knockout brains is inverted, showing the outside-in pattern typical for the reeler cortex. The hippocampus and cerebellum of triple knockout mice also exhibit reeler-like malformations, although less penetrant than the cortical defects. Dab1 phosphorylation is impaired in mice lacking ephrinB3 and this effect is strongly enhanced in neurons lacking all ephrin ligands. Moreover, activation of ephrinB3 reverse signaling induces Dab1phosphorylation in reeler primary neurons. In agreement with an important regulatory function of ephrinBs in Reelin signaling, activation of ephrinB3 reverse signaling is even able to rescue reeler defects in cortical layering in organotypic slice cultures. In summary, all these results identify ephrinBs as co-receptors for Reelin signaling, playing essential roles in neuronal migration during the development of cortex, hippocampus and cerebellum (Sentürk et al., 2011).
Protein ubiquitination is a post-translational modification that typically involves the conjugation of ubiquitin to substrate proteins via a three-enzyme cascade and regulates a wide variety of cellular processes. Recent studies have revealed that SidE family of Legionella effectors such as SdeA catalyzes novel phosphoribosyl-linked ubiquitination (PR-ubiquitination) of serines in host substrate proteins utilizing NAD+, without the need of E2, E3. The catalytic core of SdeA comprises a mono-ADP-ribosyltransferase (mART) domain that functions to ADP-ribosylate ubiquitin, and a phosphodiesterase (PDE) domain that processes ADP-ribosylated ubiquitin and transfers the resulting phosphoribosylated ubiquitin to serines of substrates.
To date, extensive efforts have been made to study the function of SdeA and mechanism of SdeA mediated PR-ubiquitination, however, the cellular effects of this novel ubiquitination and phosphoribosylation of ubiquitin remained poorly understood. In our study, using biochemical and cell biological approaches, we explored the biological effect of phosphoribosylation of ubiquitin caused by SdeA in cells. We found that phosphoribosylated ubiquitin is not available for conventional ubiquitination, thereby phosphoribosylation of ubiquitin impairs numerous classical ubiquitination related cellular processes including mitophagy, TNF-α signaling and proteasomal degradation.
The precise temporal regulation of the functions of bacterial effectors during Legionella infection by other effectors with antagonizing activities has been well studied so far. Not surprisingly, PR-ubiquitination catalyzed by SidE family effecters is tightly controlled as well, it has been long known that effector SidJ counteracts the toxicity of SdeA to yeast cells. Interestingly, in an experiment for verifying the activity of SidJ, we found that Legionella lysate lacking SidJ was still able to remove ubiquitin from PR-ubiquitinated substrates. Using biochemical approach we identified DupA and DupB, two Legionella bacterial effectors that specifically reverse the novel serine PR-ubiquitination catalyzed by SdeA. We found that DupA and DupB possess a highly homologous PDE domain that removes ubiquitin from PR-ubiquitinated substrates by cleaving the phosphodiester bond between the phosphoribosylated-ubiquitin and serines of substrates. Catalytically deficient mutant DupA H67A strongly binds to PR-ubiquitinated proteins but not capable of cleaving PR-ubiquitin, using it as a trapping bait we identified over 180 substrates of PR-ubiquitination, including a number of ER and Golgi proteins.
In particular, we found that exogenously expressed SdeA localizes to the Golgi apparatus via its C-terminal region and disrupts the Golgi. We validated the identified potential substrates of SidE effectors and found that SdeA modifies Golgi tethering proteins GRASP55 and GRASP65. Using mass spectrometry analyses we identified four serine targets (S3, S408, S409, S449) of GRASP55 PR-ubiquitinated by SdeA in vitro. Ubiquitination of GRASP55 serine mutant in cells co-expressing SdeA or infected with Legionella was markedly decreased, compared with that of the wild-type GRASP55. In addition, with co-immunoprecipitation analyses we found that SdeA-catalyzed ubiquitination regulates the function of GRASP55. PR-ubiquitinated GRASP55 exhibited reduced self-interaction compared to unmodified GRASP55, expression of GRASP55 serine mutant in cells in part rescued Golgi damage caused by SdeA. Furthermore, our study reveals that Golgi structure disruption caused by SdeA does not result in the recruitment of Golgi membranes to the Legionella-containing vacuoles. Instead, it affects cellular secretory pathway including cytokine secretion in cells.
Taken all together, this work expands the understanding of this unconventional PR-ubiquitination catalyzed by Legionella effectors and sheds light on the functions of PR-ubiquitination by which Legionella regulates the Golgi function and secretion pathway during bacterial infection.
In the past decade, tissue-resident innate lymphoid cells (ILC) have become a central field of immunological research. ILC are a family of innate immune cells comprising cytotoxic Natural Killer (NK) cells and the non-cytotoxic helper like ILC1, ILC2 and ILC3. They mirror the functions and phenotypes of T cells, but do not require rearranged antigen-specific receptors for their rapid response to signals from injured or infected tissue. As potent cytokine producers being enriched in mucosal tissue, ILC play an essential role in tissue maintenance and regulating immunity to chronic inflammation and infection (Vivier et al., 2018). Although heterogeneity and plasticity of ILC complicates their classification, the pathophysiology of a broad variety of autoimmune and chronic inflammatory diseases have been associated with dysregulations in ILC subset distribution and functions (Dzopalic et al., 2019). This highlights their importance in human health and disease and accounts for the need for markers unambiguously describing the different ILC subtypes. This work introduces NKp65, a C-type lectin-like receptor (CTLR) encoded in the natural killer gene complex by the KLRF2 gene, as an exclusive marker for human ILC3. NKp65 expression especially discerns ILC3-like NK cell precursor from mature NK cells which express the NKp65-relative NKp80. Moreover, flow cytometric analysis of NKp65 expression aids in the demarcation of natural cytotoxicity receptor (NCR) expressing ILC3, from the closely related but functionally distinct RORt+ LTi cells and NCR- ILC3. This work further provides insights into NK cell development by in vitro differentiation studies in which NKp65 expressing cells are generated in presence of OP9 feeder cells and cytokines to support development. In such cultures, NKp65 expressing in vitro ILC (ivILC) acquire NKp80 expression in a Notch-dependent manner indicating their differentiation into mature NK cells. Acquisition of NK cell phenotypic markers is accompanied by NKp65 downregulation which leads to the mutually exclusive expression of NKp80 on NK cells and NKp65 on ILC3-like cells. Further insights are provided into the functional consequences of NKp65 engagement by its cognate high affinity ligand ‘keratinocyte-associated C-type lectin’ (KACL) which is selectively expressed on human keratinocytes (Bauer et al., 2015; Spreu et al., 2010). Expressed on ivILC, NKp65 mediates killing of KACL expressing target cells, suggesting that NKp65-KACL interaction promotes cellular cytotoxicity. In this context, the observed metalloproteinase dependent shedding of NKp65 might play a role in the termination of the cellular interaction. The findings on the regulation of NKp65 expression demonstrate the presence of a functional STAT5 response element in the KLRF2 promoter endowing a transcriptional control of NKp65 expression by IL-7 signaling. This provides an interesting link between the dependency of ILC3 on IL-7 signaling for their maintenance and the specific expression of NKp65 on these cells.
In summary, this study provides new insights into the physiologic expression of the CTLR NKp65 on human ILC3. The dependency of NKp65 surface expression on sustained STAT5 signaling provided by IL-7 underlines the connection of NKp65 expression and an ILC3 phenotype which might contribute to promote future research in discerning the interspersed pathways of ILC3 and NK cell development. The tissue and cell specific expression of NKp65 on ILC3 and its ligand KACL on keratinocytes of the human skin further suggests an important role of this genetically coupled receptor-ligand pair in tissue specific immunosurveillance.
Die lakustrinen Sedimente im Vorotan-Becken (Armenien) wurden palynologisch untersucht. Aus den Ergebnissen konnte die Vegetationsgeschichte im Südlichen Kaukasus während des Frühpleistozäns teilweise rekonstruiert werden.
Bei den Sedimenten handelt es sich um diatomeenreiche Tone, Silte und Feinsande, in denen Pollen gut und pflanzliche Makroreste ausgezeichnet erhalten sind. Die Datierung ist durch die Kombination von Paläomagnetik und 39Ar/40Ar-Methode eindeutig: Die Sedimente decken den Beginn der „mid Pleistocene transition“ (1?110?–?960 ka) ab.
An zehn Aufschlüssen wurden insgesamt 506 Sedimentproben genommen und die darin enthaltenen Pollen untersucht. So konnten insgesamt 64 Taxa nachgewiesen werden. Sie wurden in Pollenprofilen zusammengefasst und ökologisch bewertet. Die erhobenen Daten wurden zudem einer Faktorenanalyse und einer Clusteranalyse unterzogen, deren Ergebnisse ebenfalls in die Pollenprofile eingingen.
Die Pollenprofile lassen deutlich regionale Vegetationszyklen während des Frühpleistozäns erkennen. Diese Zyklen werden ausführlich beschrieben und mit Ergebnissen anderer Autoren aus dem Mittelmeerraum verglichen. Auch ein Bezug zur rezenten Vegetation im Südlichen Kaukasus und den angrenzenden Gebieten wird hergestellt.
Die Paläovegetation im Südlichen Kaukasus ist demnach während des Frühpleistozäns geprägt von einem Vegetationsmosaik aus Grassteppe und offenen Wäldern. Je nach Klima lassen sich Einflüsse von angrenzenden Vegetationszonen erkennen: borealer Nadelwald der Höhenlagen des Kaukasus, thermophiler Laubwald der euxinischen und hyrkanischen Wälder sowie xerotherme Steppe des Nordiran.
Während der Interglaziale herrscht eine Waldsteppe aus thermophilem Laubwald (z.?B. Quercus, Carpinus, Ulmus, Zelkova, Tilia) vor, in der bei starken Erwärmungsphasen die Grassteppe deutlich dominiert und die Wälder wohl an Nordhänge und in Uferbereiche zurückgedrängt werden. In den Glazialphasen finden sich zunehmend Koniferen in der Vegetation (z.?B. Tsuga, Abies, Picea, Pinus) – bis hin zu einem nahezu geschlossenen Kiefernwald am Ende des ersten lang andauernden Glazials MIS 30.
Es zeigt sich, dass sich die einzelnen Klimazyklen in der Ausprägung der Vegetation signifikant unterscheiden. Hierbei spielt sowohl die Amplitude der Erwärmung als auch die Dauer der jeweiligen Phase eine Rolle.
Der Vergleich mit anderen Untersuchungen zeigt, dass die Vegetationszyklen im Südlichen Kaukasus teilweise deutlich anders verlaufen als im westlichen, zentralen und östlichen Mittelmeerraum. Entlang einer Ost-West-Achse ist hier ein „Vegetationsgradient“ zu erkennen.
Das hat Auswirkungen auf die Interpretation der Ausbreitung früher Menschen aus Afrika nach Eurasien. Es ist davon auszugehen, dass sich nicht jeder Vegetationszyklus des Frühpleistozäns gleichermaßen gut für ein Vordringen nach Eurasien eignete. Geeignete Bedingungen (offene Landschaft, Vegetationsmosaik, warmes Klima) herrschten im Südlichen Kaukasus vor allem während stark ausgeprägter Interglaziale. Dagegen brachten lang anhaltende Glazialphasen wohl eher lebensfeindlichere Bedingungen für Homo erectus.
Weil in den südlichen Regionen Europas teilweise eine stark abweichende Vegetation während der unterschiedlichen Klimaphasen vorherrschte, ist es naheliegend, dass der Südliche Kaukasus für die frühen Menschen eine Rolle als Refugium spielte.
Deutlich zeichnen sich in den Ergebnissen Veränderungen in der Vegetation beim Übergang von den obliquitätsdominierten 41-ka-Klimazyklen zu den exzentrizitätsbestimmten 100-ka-Zyklen ab („mid Pleistocene transition“). Diese Veränderungen haben sich sicherlich auch auf die Population der Menschen ausgewirkt und größere Wanderbewegungen und/oder Anpassungen hervorgerufen. Möglicherweise haben in dieser drastischen Veränderung sogar kulturelle Entwicklungen ihren Anfang – zum Beispiel die Nutzbarmachung des Feuers.
Antigen-präsentierende Zellen spielen eine wichtige Rolle bei der Entstehung einer Kontaktallergie. Ziel dieser Arbeit war es, frühe Mechanismen der Signaltransduktion zu identifizieren, die an der Aktivierung von Antigen-präsentierenden Zellen durch Kontaktallergene beteiligt sind. · Monocyten und dendritische Zellen wurden auf ihre Eignung als Modell für epidermale Langerhanszellen hin untersucht. Die Aktivierbarkeit von Monocyten und dendritischen Zellen konnte durch den Anstieg der Tyrosinphosphorylierung nach Stimulation mit verschiedenen Kontaktallergenen gezeigt werden. Die durch Kontaktallergene induzierte TNF-alpha-Produktion von dendritischen Zellen belegt die funktionelle Relevanz des Modellsystems. · Ausgehend von der Bedeutung von Cytokinen für die Differenzierung von myeloiden Zellen wurde untersucht, ob Kontaktallergene die mit Cytokin-Rezeptoren assozierten Signalwege des Jak/STAT-Systems aktivieren. Es konnte keine Aktivierung von STAT-Moldekülen (STAT1, 3, 4, 5, 6) durch Kontaktallergene nachgewiesen werden. Daher ist davon auszugehen, daß Kontaktallergene die üblichen Jak/STAT-Signalwege nicht direkt aktivieren, weder durch Bindung an Jak-assoziierte Cytokin-Rezeptoren noch über deren downstream-Elemente. · Die Aktivierung der MAP Kinasen ERK und p38 durch verschiedene Kontaktallergene wurde charakterisiert. MCI/MI und TNCB aktivieren ERK und p38. Nicht alle Kontaktallergene bewirken die gleichen Aktivierungsmuster. Die Phosphorylierung von ERK durch MCI/MI wurde im Vergleich zur Aktivierung von p38 als früher Mechanismus der Signaltransduktion charakterisiert. Die Beteiligung von ERK und p38 an der TNF-alpha-Induktion durch MCI/MI belegt die Relevanz dieser MAP Kinasen für die Aktivierung von dendritischen Zellen. · Weiterhin wurden eine Reihe von upstream-Elementen von ERK untersucht. Die Aktivierung von ERK durch MCI/MI und TNCB verläuft nicht über den klassischen Ras-c-Raf-MEK-ERK Signalweg. Während MEK1/2 an der Aktivierung von ERK durch MCI/MI und TNCB beteiligt ist, werden c-Raf und Ras nicht aktiviert. · Die intrazelluläre Calcium-Konzentration ist wichtig für die ERK-Aktivierung durch MCI/MI und TNCB, extrazelluläres Calcium dagegen ist nicht erforderlich. Das Modellallergen MCI/MI bewirkt die Mobilisierung von intrazellulärem Calcium. Der Anstieg von [Ca2+]i allein jedoch löst keine Aktivierung von ERK aus. Das durch MCI/MI induzierte Calcium-Signal wird nicht durch Calmodulin vermittelt. · Durch Inhibition von Proteinkinase C konnte nachgewiesen werden, daß vorwiegend klassische Calcium-abhängige Isoformen der PKC an der Aktivierung von ERK durch MCI/MI beteiligt sind. Die Translokation von cPKC-Isoformen weist auf deren Aktivierung durch MCI/MI und TNCB hin. Die Inhibition von PI3-Kinase hingegen lieferte keinen Hinweis auf Beteiligung an der Aktivierung von ERK durch MCI/MI. Mit den Ergebnissen dieser Arbeit konnte auf der Grundlage der aktuellen Literatur ein möglicher Signalweg der Aktivierung von ERK durch Kontaktallergene entwickelt werden. Auslöser der Signalmechanismen wäre die Kopplung von Haptenen an ein heterodimeres (an die tTG siehe Zahn 2002) oder heterotrimeres G-Protein. Eine wichtige Rolle bei der Signalweiterleitung spielen die Freisetzung von Calcium aus intrazellulären Speichern, klassische Isoformen der Proteinkinase C und die MAPK Kinase MEK1/2. Sowohl ERK als auch p38 sind an der Induktion der TNF-alpha-Produktion durch Kontaktallergene in dendritischen Zellen beteiligt. Damit liefert diese Arbeit einen wesentlichen Beitrag zum Verständnis der molekularen Mechanismen bei der Aktivierung von dendritischen Zellen durch Kontaktallergene.
Frontal fibrosierende Alopezie: Literaturanalyse und Vergleich des eigenen Patientenkollektivs
(2017)
Seit Steven Kossard 1994 das Krankheitsbild der frontal fibrosierenden Alopezie bei 6 postmenopausalen Frauen erstmals beschrieb, wurden zunehmend mehr Fälle und Beschreibungen größerer Kohorten publiziert. Die Diagnose wird vorrangig klinisch gestellt. Typischerweise zeigt sich eine meist asymptomatische, vernarbende Regression des temporo-frontalen Haaransatzes mit Verlust der Haarfollikel und einem perifollikulären Erythem. Des Weiteren kann es auch zu einem Haarausfall in anderen Regionen des Capillitiums, im Bereich der Augenbrauen und anderer Körperregionen kommen. Histologisch zeigen sich eine perifollikuläre Fibrose und ein lymphozytisches Infiltrat. Die Pathogenese der frontal fibrosierenden Alopezie ist ungeklärt. Da es für die Therapie kein Konzept gibt, beruhen Therapieansätzen meistens auf Behandlungskonzepten anderer Alopezieformen.
In dieser Arbeit wurden weltweit erschienene Daten von insgesamt 932 Patienten mit frontal fibrosierenden Alopezie zusammengefasst und klinische Charakteristika, Komorbiditäten, sowie krankheitsbegünstigende- und auslösende Faktoren identifiziert und Therapien und deren Erfolge systematisch erhoben und ausgewertet. Diese wurden mit Daten von 12 Patientinnen des eigenen Kollektivs verglichen.
Hier ergaben sich für die Kriterien Geschlecht, Status der Menopause, Alter bei Auftreten, Erkrankungsdauer und Ethnie ähnliche Ergebnisse. Bezüglich der Beteiligung einzelner Areale fanden sich für die Bereiche frontaler Haaransatz und Augenbrauen ähnliche Werte, während die Beteiligung der übrigen Körperstellen zum Teil stark differierte. Auch die Charakteristika perifollikuläres Erythem, Verlust von Haarfollikeln und die histologischen Kriterien perifollikuläre Fibrose und lymphozytäres Infiltrat kamen in der Gruppe der eigenen Patienten häufiger vor als in der Gruppe der Literaturpatienten. Bezüglich der Komorbiditäten fiel in beiden Gruppen eine im Vergleich zur Normalbevölkerung erhöhte Prävalenz von Schilddrüsenerkrankungen auf.
Die Auswertung der Therapieversuche ergab in beiden Gruppen in den meisten Fällen einen fortschreitenden Verlauf, allenfalls eine Stabilisierung, wobei kein Therapieversuch positiv herausstach. In Ausnahmefällen konnte ein erneutes Haarwachstum, vorrangig im Bereich der Augenbrauen, beobachtet werden.
Für die Patienten des eigenen Patientenkollektivs wurde das Vorliegen einer atopischen Hautdiathese gemessen am Erlanger Atopiescore erhoben. Hierbei konnte jedoch kein Zusammenhang gefunden werden. Mit Hilfe zweier Fragebögen- dem Functional Assessment of Non-Life Threatening Conditions (FANLTC) und dem modifizierten Hairdex- wurde die Lebensqualität in Abhängigkeit der Ausprägung der frontal fibrosierenden Alopezie und der Erkrankungsdauer ausgewertet. Die These, dass die Ausprägung der Alopezie und die Erkrankungsdauer negativ in linearem Zusammenhang mit der Lebensqualität stehen, bestätigte sich hierbei nicht. Die Lebensqualität von Patienten mit frontal fibrosierender Alopezie ist unabhängig von der Ausprägung und der Erkrankungsdauer bis auf eine Ausnahme sehr gut, was darauf hindeutet, dass sich die Erkrankung auf die Lebensqualität nicht negativ auswirkt.
Cryo-electron tomography (CET) is a unique technique to visualize biological objects under near-to-native conditions at near-atomic resolution. CET provides three-dimensional (3D) snapshots of the cellular proteome, in which the spatial relations between macromolecular complexes in their near native cellular context can be explored. Due to the limitation of the electron dose applicable on biological samples, the achievable resolution of a tomogram is restricted to a few nanometers, higher resolution can be achieved by averaging of structures occurring in multiples. For this purpose, computational techniques such as template matching, sub-tomogram averaging and classification are essential for a meaningful processing of CET data.
This thesis introduces the techniques of template matching and sub-tomogram averaging and their applications on real biological data sets. Subsequently, the problem of reference bias, which restricts the applicability of those techniques, is addressed. Two methods that estimate the reference bias in Fourier and real space are demonstrated. The real space method, which we have named the “M-free” score, provides a reliable estimation of the reference bias, which gives access to the reliability of the template matching or sub-tomogram averaging process. Thus, the “M-free” score makes those approaches more applicable to structural biology. Furthermore, a classification algorithm based on Neural Networks (NN) called “KerDenSOM3D” is introduced, which is implemented in 3D and compensates for the missing-wedge. This approach helps extracting different structural states of macromolecular complexes or increasing the class purity of data sets by eliminating outliers. A comprehensive comparison with other classification methods shows superior performance of KerDenSOM3D.
The enzyme quinol:fumarate reductase (QFR) from the anaerobic epsilon-proteobacterium Wolinella succinogenes is a membrane protein complex that couples the catalysis of the oxidation of menaquinol to menaquinone to that of the reduction of fumarate to succinate. This is the terminal step in fumarate respiration, a form of anaerobic respiration in which oxygen is replaced by fumarate as the terminal electron acceptor in many anaerobic microorganisms. In QFR, both the heme groups (low-potential distal and high-potential proximal heme b group in transmembrane subunit C) are part of the electron transport chain between the two catalytic sites of the redox enzyme. Although the reduction of fumarate by menaquinol is exergonic, it is not exergonic enough to support the generation of a transmembrane electrochemical proton potential delta p. Evidence has previously shown that this reaction is catalysed by a novel mechanism, involving the facilitation of transmembrane electron transfer by transmembrane proton transfer via an essential compensatory transmembrane proton transfer pathway ("E-pathway") which is inactive in the oxidized state of the enzyme. The two key constitutents of the the pathway are the amino acid residue Glu C180 of the transmembrane helix V (located in subunit C) and the ring C propionate of the distal heme bD. The aim of the project was to obtain, by employing a combination of time-resolved as well as static spectroscopic approaches, a detailed insight of the transmembrane electron coupled proton transfer mechanism. Minute changes in both the oxidized and reduced states of a redox protein system can be selectively and sensitively monitored by static Fourier Transformed Infrared (FTIR) difference spectroscopy. The technique employed in this context, electrochemically induced FTIR difference spectroscopy, is complemented by computer-based electrostatic calculations. In order to elucidate the catalytic mechanism of the important reactions in QFR, it is necessary to investigate these in a time-resolved manner. Rapid scan FTIR difference spectroscopy is a suitable technique that allows the course of the reaction to be monitored in a time dependent fashion. The techniques employed in this context are time-resolved (tr-FTIR) and transient absorption spectroscopy. In the following, the details of individual sub-projects are discussed in brief. ...
This thesis concerns three specific constraint satisfaction problems: the k-SAT problem, random linear equations and the Potts model. We investigated a phenomenon called replica symmetry, its consequences and its limitation. For the $k$-SAT problem, we were able to show that replica symmetry holds up to a threshold $d^{*}$. However, after another critical threshold $d^{**}$, we discovered that replica symmetry could not hold anymore, which enabled us to establish the existence of a replica symmetry breaking region. For the random linear problem, a peculiar phenomenon occurs. We observed that a more robust version of replica symmetry (strong replica symmetry) holds up to a threshold $d=e$ and ceases to hold after. This phenomenon is linked to the fact that before the threshold $d=e$, the fraction of frozen variables, i.e. variable forced to take the same value in all solutions, is concentrated around a deterministic value but vacillates between two values with equal probability for $d>e$. Lastly, for the Potts model, we show that a phenomenon called metastability occurs. The latter phenomenon can be understood as a consequence of trivial replica symmetry breaking scheme. This metastability phenomenon further produces slow mixing results for two famous Markov chains, the Glauber and the Swendsen-Wang dynamics.
The brain is a large complex system which is remarkably good at maintaining stability under a wide range of input patterns and intensities. In addition, such a stable dynamical state is able to sustain essential functions, including the encoding of information about the external environment and storing memories. In order to succeed in these challenging tasks, neural circuits rely on a variety of plasticity mechanisms that act as self-organizational rules and regulate their dynamics. Based on toy models of self-organized criticality, this stable state has been proposed to be a phase transition point, poised between distinct types of unhealthy dynamics, in what has become known as the critical brain hypothesis. It is not yet known, however, if and how self-organization could drive biological neural networks towards a critical state while maintaining or improving their learning and memory functions.
Here, we investigate the emergence of criticality signatures in the form of neuronal avalanches due to self-organizational plasticity rules in a recurrent neural network. We show that power-law distributions of events, widely observed in experiments, arise from a combination of biologically inspired synaptic and homeostatic plasticity but are highly dependent on the external drive. Additionally, we describe how learning abilities and fading memory emerge and are improved by the same self-organizational processes. We finally propose an application of these enhanced functions, focusing on sequence and simple language learning tasks.
Taken together, our results suggest that the same self-organizational processes can be responsible for improving the brain’s spatio-temporal learning abilities and memory capacity while also giving rise to criticality signatures under particular input conditions, thus proposing a novel link between such abilities and neuronal avalanches. Although criticality was not verified, the detailed study of self-organization towards critical dynamics further elucidates its potential emergence and functions in the brain.
Staaten haben keine Freunde, sondern Interessen – das scheint sowohl unter Praktikern als auch unter Forschern der internationalen Politik allgemein bekannt zu sein. Entgegen diese weit verbreiteten Ansicht argumentiert diese Dissertation, dass es in der Tat Raum für das Konzept von Freundschaft in den internationalen Beziehungen gibt, und dass ein besseres Verständnis der hiermit verbundenen Dynamiken nicht nur dazu beiträgt, eine sich verändernde globale Ordnung besser zu verstehen, sondern auch die Beziehungen zwischen China und Afrika.
Aufbauend auf der konstruktivistischen Literatur zu staatlicher Identität sowie Erkenntnissen aus Psychologie, Soziologie und Anthropologie wird in einem ersten Schritt ein neues Modell internationaler Freundschaft entwickelt. Es bezieht sich auf eine verlässliche Beziehung zwischen Staaten, die sich gegenseitig entsprechend ihres eigenen Selbstverständnisses anerkennen, und die durch gegenseitige Identifikation sowie häufigen Austausch und enge Zusammenarbeit eine als intim zu bezeichnende Beziehung entwickelt haben. Dies bedeutet zwar nicht, dass ungleiche Macht und konkurrierende Interessen irrelevant werden; aber sie ermöglichen es den beteiligten Staaten, konstruktiv mit potenziell konfliktreichen Fragen von Macht und Interesse umzugehen, und bilden so eine zentrale Säule legitimer internationaler Ordnungen.
In einem zweiten Schritt wird dieses Modell der internationalen Freundschaft zur Analyse der chinesisch-äthiopischen und chinesisch-südafrikanischen Beziehungen herangezogen. Ausgehend von den Sichtweisen der jeweiligen Staatseliten wird das komplexe Zusammenspiel von Interessen und Identitäten in den gegenwärtigen Beziehungen zwischen China und Afrika beleuchtet, und wie die beiden bilateralen Beziehungen durch eine Reihe bewusster Entscheidungen schrittweise ihre aktuellen Qualitäten erworben haben. Heute bilden geteilte Ideen von historisch gewachsener Solidarität, überschneidendend strategischen Interessen und dem gemeinsamen Engagement für ein Projekt alternativer Modernisierung und globaler Transformation die Grundlage für zwei Beziehungen, die von China als beispielhafte „internationale Beziehungen neuen Typs“ gepriesen werden. Somit liefern die chinesisch-äthiopischen und chinesisch-südafrikanischen Beziehungen auch wichtige Einblicke, wie eine chinazentrierte internationale Ordnung aussehen könnte - zumindest für diejenigen Staaten, die diese Ordnung und ihre von Peking definierten Regeln und Rollen als legitim akzeptieren.
Freundschaft und Liebe haben eines gemeinsam: die innige und wechselseitige Zuneigung zweier Personen zueinander. Das Mittelalter kennt die diskursive Trennung von Freundschaft und Liebe als Codes der Intimität nicht. Mit dem Terminus "minne" wird in der mittelalterlichen Literatur sowohl die Freundschaft zweier Männer als auch die Liebe zwischen Ritter und Dame beschrieben. Die Gesellschaft des Mittelalters um 1200 ist eine patriarchal organisierte und damit männlich homosozial geprägte Kriegergesellschaft. Vor diesem Hintergrund wird die These formuliert, dass Freundschaft im Mittelalter eher nicht der unwahrscheinliche Code der Intimität ist, sondern die Liebe. Mit dieser These wird die moderne Perspektive auf personale Zweierbeziehungen umgekehrt, die intuitiv die heterosoziale Beziehung und damit Liebe als Code der Intimität präferiert.
Im Zentrum des Interesses stehen männlich homosoziale Freundschaften und heterosoziale Liebesbeziehungen. Diese werden auf Basis linearer und triangulärer Figurenkonstellationen und unter Rückgriff auf Niklas Luhmanns Thesen, die er in „Liebe als Passion“ (1982) entwickelt, untersucht. Luhmann unterscheidet drei historische Stufen des Liebesdiskurses und ordnet diese Epochen zu: die höfische Liebe des Mittelalters, die passionierte Liebe der frühen Neuzeit und die romantische Liebe des 19. Jahrhunderts, die bis heute den Liebesdiskurs prägt. Die strikte Epocheneinteilung, die Luhmann vornimmt, wird für die Analyse der mittelhochdeutschen Texte aufgebrochen um zu zeigen, dass in der Literatur des Mittelalters Beispiele für alle drei Formen der Liebe zu finden sind. Die höfische Epik präsentiert Freundschaft und Liebe als Codes der Intimität, die sich einerseits wechselseitig bedingen, andererseits miteinander konkurrieren. Zwar stehen in den untersuchten Texten die heterosozialen Beziehungen im Fokus, doch mündet die Dominanz der Liebe als Code der Intimität nicht in der Verdrängung der Freundschaft. Im Gegenteil: Freundschaft dient der Liebe als Modell.
Die Komplexität des durch 2-Aminoacetophenon (AAP) ausgelösten "Untypischen Alterungstones" (UTA) in Weinen wurde im Zusammenhang mit pflanzenbaulichen und mikrobiologischen Einflussfaktoren diskutiert. Neben einem Überblick über den Stand der Forschung wurde der Wirkzusammenhang zwischen Pflanzen- und Mikroorganismenstress verdeutlicht. Indol-3-essigsäure (IAA) gilt als wesentliche Vorstufe für die Bildung von AAP. Die Funktion und Wirkung des Pflanzenhormons IAA wurde vorgestellt, um die Bildung und den Stoffwechsel in der Pflanze in Verbindung mit der Metabolisierung durch Mikroorganismen zu diskutieren. Die mögliche Bedeutung des Elicitors Jasmonsäure konnte gezeigt werden. Um die Faktoren der typischen Weinentwicklung von denen der atypischen zu trennen, wurden zunächst die Einflüsse verschiedener Rebsorten, Rebsortenklone und der Gärungsbedingungen als substratdeterminierende Faktoren für die Hefen durch Mikrovinifikationen und Modellgärungen auf wertbestimmende Inhaltsstoffe untersucht. Die Zusammenhänge zwischen Umwelt- und Substrateinflüssen einerseits und dem Auftreten des UTA andrerseits wurden untersucht. Zum Schutz der Pflanze vor UV-B-Strahlung wurde ein Absorber in die Laubwand bzw. Traubenzone versprüht. Der Einfluss kurzwelliger energieintensiver Strahlung (UV-B) auf die Bildung fehltonrelevanter Verbindungen wie AAP und Skatol wurde festgestellt. Die in Verbindung mit dem UTA stehenden Substanzen AAP und Skatol konnten durch UV-B-Schutzmassnahmen sowie einer Blattdüngung und einer Argininsupplementierung des Mostes reduziert werden. Die Bildung wertbestimmender Inhaltsstoffe während der Weinbereitung steht im engen Zusammenhang mit pflanzenbaulichen und mikrobiologischen Parametern. Der Wirkungs-zusammenhang zwischen Pflanzen- und Mikroorganismenstress und seine Auswirkungen auf die Bildung von dem "UTA" zuzurechnenden unerwünschten Aromasubstanzen wurde aufgezeigt. Ein Stress-Organismus-Reaktions-Modell für Pflanzen zur Beschreibung von Stressreaktionen auf Umwelteinflüsse und ein Erklärungsansatz des "UTA" wurde erstellt. Vor dem Hintergrund der Beobachtungen wurde eine Stressdefinition für Mikroorganismen entwickelt.
Im Gegensatz zu den Arbeiterinnen der sozial lebenden Wespen und Bienen sind alle Ameisen flügellos. Die Flügellosigkeit der Ameisenarbeiterinnen bedingt, dass selbst kleinste Räume in der Erde oder in Holz von Kolonien besiedelt werden können. Sie war eine wichtige Voraussetzung für ihre Vorherrschaft auf dem Boden. Die für bodennistende Arten als Baumaterial in Frage kommende Erde hat jedoch die Eigenschaft, dass z. B. starke Regenfälle die Stabilität der Bauwerke negativ beeinflussen können. Deshalb und weil Erde in den höheren Regionen des Laubdaches schwierig zu beschaffen ist, sind Erdnester für den Übergang zum Leben in den Baumkronen wenig geeignet. Höhlungen in verrottendem Holz stehen aufgrund der schnellen Zersetzung in den Tropen nur für einen relativ kurzen Zeitraum und wenig regelhaft zur Verfügung. Der dadurch vorherrschende Mangel an Nistraum im tropischen Regenwald ist möglicherweise der wichtigste Faktor der Koloniegrößeregelung bei Ameisen. Erst mit dem Übergang zu aktivem Freinestbau ist es den Ameisen gelungen, sich (i) unabhängig von natürlichen Höhlen zu machen und dadurch große Kolonien zu etablieren, (ii) den Kronenraum als Habitat dauerhaft zu erschließen, (iii) negativen Witterungseinflüssen entgegenzuwirken und (iv) vorhandene Nahrungsressourcen in diesem Stratum permanent zu nutzen. Die in der vorliegenden Arbeit untersuchten freinestbauenden Ameisen sind selbst in der Lage, additiv Nistraum zu schaffen. Die Vertreter dieser Gilde legen ihre Nester nicht in der Erde oder in natürlichen oder selbst ,ausgeräumten-- Hohlräumen von Bäumen an, sondern konstruieren aktiv frei in der Laubregion der Holzgewächse Nisträume bzw. Unterstände, indem sie Material zusammentragen oder herstellen, mit dem eine Abschottung des Brut- und Nahrungsraumes gegenüber der Umwelt erreicht wird. Die erfolgreiche Besiedlung der Kronenregion war den Ameisen nur durch veränderte Bautechniken und eine verbesserte und angepasste Materialverwendung möglich. Gegenstand der vorliegenden Dissertation war zunächst die Bestandsaufnahme der freinestbauenden Ameisen der Baumkronenregion südostasiatischer Regenwälder. Der erste Schritt einer Analyse der Freinestkonstruktionen von Ameisen bestand darin, die Vielfältigkeit der verwirklichten Nestformen zu erfassen und darzustellen, Gemeinsamkeiten und Unterschiede herauszuarbeiten und die beteiligten Ameisenarten zu identifizieren. Im zweiten Teil der Arbeit wurden intensiv die proximaten Mechanismen des aktiven Nest- und Pavillonbaus untersucht. Dazu wurden die einzelnen Schritte der Nestentwicklung für sieben Ameisenarten aus sechs Gattungen in allen Details dargestellt und zusammenfassend beschrieben. Es wurde ermittelt, welche Baumaterialien die verschiedenen Ameisen nutzen und wie diese Materialien verwendet werden. Zur Bestimmung der verschiedensten Nesttypen wurden neben architektonischen Unterschieden auch Differenzen in der Substratwahl, Materialbeschaffenheit und in der Funktion der Nestkonstruktionen berücksichtigt. Als weiteres Kriterium zur Klassifikation arborealer Nestanlagen diente die Verschiedenartigkeit der Materialbearbeitung und der Substratvorbereitungen durch die Ameisen. Einige dieser Nestcharakteristika sind quantitativer, andere qualitativer Natur. Im Verlauf der Untersuchung wurden 1767 Kolonien bearbeitet und eingeordnet. Davon konnten insgesamt 100 Arten bzw. Morphospezies bestimmt und als echte Freinestbauer im Sinne der vorher formulierten Definition charakterisiert werden. Die ermittelten Arten verteilten sich auf acht Gattungen aus den drei Unterfamilien Formicinae, Dolichoderinae und Myrmicinae. Diese drei Unterfamilien gelten als die am weitesten entwickelten Ameisen und dominieren in der Kroneregion tropischer Regenwälder. Auffallend an dieser höher entwickelten Gruppe von Ameisen ist die Tendenz, pflanzliche Produkte als Hauptnahrungsressource zu nutzen. Die artenreichste Gattung Polyrhachis (39 Arten) gehört der Unterfamilie Formicinae an; zusammen mit den Gattungen Camponotus (10) und Oecophylla (1) wurden allein 50 Arten aus dieser Unterfamilie gefunden. In der Gattung Camponotus konnten zwei Untergattungen (C. Karavaievia, C. Myrmotarsus) mit freinestbauenden Arten ermittelt werden. Mit 29 identifizierten Arten aus drei Gattungen stellten die Myrmicinae die zweitgrößte Unterfamilie, wobei allein 23 Arten auf die Gattung Crematogaster entfielen. In den beiden anderen Myrmicinen-Gattungen Monomorium (5 Arten) und Myrmicaria (1 Art) fanden sich nur vergleichsweise wenige Vertreter mit Freinestbau. Die dritte Unterfamilie, die Dolichoderinae, wird durch die Gattungen Dolichoderus und Technomyrmex mit zusammen 21 Arten repräsentiert. Die als Freinestbauer ermittelten Ameisenarten zeigen hinsichtlich ihrer Koloniestruktur und Nestorganisation einige nennenswerte Parallelen. Die Mehrzahl der Arten lebt in polydomen Kolonieverbänden, die ihre manchmal mehr als 200 Nestanlagen meist nur auf eine einzelne oder wenige Nestpflanzen verteilen. In den Gattungen Camponotus und Monomorium sind alle Arten polydom organisiert, bei Dolichoderus und Technomyrmex sind es 90 % und bei Crematogaster 70 %. Polydomie findet man auch bei Myrmicaria arachnoides und Oecophylla smaragdina. Als weitere Gemeinsamkeit fällt ins Auge, dass mit Ausnahme von Myrmicaria arachnoides und Polyrhachis spp. funktionell als Stallnester zu charakterisierende Nestkonstruktionen überwiegen. Insbesondere bei Technomyrmex (100 %), Dolichoderus (100 %), Camponotus (70 %), Crematogaster (82 %), aber auch bei Monomorium (100 %) und Oecophylla smaragdina besteht eine ausgeprägte Tendenz, die Honigtau liefernden Trophobionten und die Brut in denselben Bauten unterzubringen. Bei den meisten Arten besteht somit ein enger Zusammenhang zwischen Freinestbau und trophobiotischer Ernährungsweise. Diese enge räumliche Vereinigung von Nahrungs- und Nistressourcen bildet die Basis für die Entwicklung individuenreicher, konkurrenzstarker und ökologisch dominanter Ameisenarten in der Kronenregion. Insgesamt wurden 22 unterscheidbare Nesttypen ermittelt und in allen Einzelheiten dargestellt. Auf 47 Bildtafeln wurden dazu fotografisch und zeichnerisch die Charakteristika der verschiedenen Nesttypen hinsichtlich der Nestarchitektur und ethologischer Besonderheiten der beteiligten Ameisenarten abgebildet. Während die Anzahl der freinestbauenden Ameisenarten sicherlich nur annähernd erfasst werden konnte, ist bei der Darstellung der verschiedenen Nesttypen zu erwarten, dass die erfolgreichsten, auf der Basis ethoökologischer sowie material- und substrattechnischer Unterschiede ermittelten Erscheinungsformen aufgeklärt werden konnten. Die vorgenommene Unterteilung der Hauptkategorie ,Nestsubstrat-- in drei blattgebundene und zwei stammgebundene Unterkategorien zeigte, dass die zweifach geschützte und materialsparende Position zwischen Blättern, von zusammen 13 Arten aus den Gattungen Polyrhachis (6), Camponotus (Karavaievia) (2), Oecophylla (1) und Crematogaster (3) präferiert wurde. Nester auf der vergleichsweise ungeschützten Blattoberseite wurden nur von Arten der Gattung Polyrhachis gebaut. Die bevorzugte Position der Polyrhachis-Nester war auf der Blattunterseite, 67 % aller Polyrhachis Nester waren dort lokalisiert. Die Nester der Untergattung Camponotus (Karavaievia) waren zu 75 % und die von Technomyrmex, Monomorium und Myrmicaria gar zu 100 % auf der Blattunterseite angebracht. Zusammen betrachtet waren 64 % aller im Rahmen der vorliegenden Arbeit aufgenommenen Nestbauten auf der Unterseite einzelner Blätter zu finden. Von allen Nestbauten auf Stamm- und Astoberflächen waren 75 % von Crematogaster-Arten besiedelt. Diese Nestposition konnte ansonsten nur noch bei zwei Polyrhachis-Arten und bei der mit Epiphyten assoziierten Camponotus (Myrmotarsus) gefunden werden. Je nach Anteil der hauptsächlich verarbeiteten Baustoffe kann man in vier Nestmaterialtypen unterteilen: (i) Nester aus toten pflanzlichen Materialien, (ii) Pilznester, (iii) Seidennester und (iv) Wurzelnester (Ameisengärten). Am häufigsten vertreten waren die aus Larvalseide gefertigten Webenester der Gattungen Polyrhachis, Camponotus (Karavaievia) und Oecophylla; insgesamt 45 % aller Funde gehörten zu dieser Materialgruppe. Fremde Seide konnten neben drei Polyrhachis-Arten auch drei Arten aus der Gattung Dolichoderus verarbeiten. Bemerkenswert ist der hohe Anteil pilzbewachsener Nestbauten. In allen drei Unterfamilien fanden sich Arten, die zu unterschiedlichen Teilen Pilze in ihren Nestern hielten. In der Gattung Technomyrmex waren 70 % aller älteren Nester vollständig aus Pilzhyphen gebildet. Mehr als die Hälfte des Nestmaterials von Monomorium-Nestern bestand ebenfalls aus einem dichten Pilzmyzel. Pilze bildeten auch in den Nestern von einigen Arten der Gattungen Dolichoderus, Crematogaster und Camponotus (Myrmotarsus) die maßgebliche Materialkomponente. Folgt man der bisher verwendeten Begriffsdefinition, die arboreale Ameisennester in der Regel nach den hauptsächlich verwendeten Baumaterialien einteilt, so muss man zu den bislang bekannten Karton- und Seidennestern die dritte Gruppe der Pilznester hinzufügen. Die Wahl des jeweiligen Baumaterials wirkt sich direkt auf die angewandten Bearbeitungsmechanismen und die Art und Weise der Nestfixierung und Neststabilisierung aus. Die Vertreter der Myrmicinen-Gattungen Myrmicaria und Monomorium zeigten in der Materialnutzung sowie bei der Stabilisierung und Fixierung der Konstruktionen gattungsspezifische Eigenheiten. Die Festigung der Nestbauten werden über H- Brückenstabilisierung (Myrmicaria) und Trichomstabilisierung (Monomorium) erreicht. Pilzhyphenstabilisierte Nester bauen Vertreter der Gattungen Technomyrmex, Dolichoderus und Crematogaster. Wobei innerhalb der beiden letztgenannten Gattungen noch eine Reihe weiterer Fixierungsmechanismen auftreten können. Bei Dolichoderus und Crematogaster sind die Methoden der Materialverfestigung sehr vielfältig und haben jeweils eine große Radiation erfahren (Stabilisierung durch Fremdseide, Pilze, Wurzeln und Klebstoff). Den Camponotus-Arten war die Eroberung der Baumkronenregion mit Hilfe von wurzelstabilisierten Ameisengärten (C. (Myrmotarsus)) und mit der Verwendung klebriger Larvalseide (C. (Karavaievia)) möglich. Beschränkt auf Seide zur Nestfixierung sind die Arten der Gattungen Oecophylla und Polyrhachis. Das bestimmende Element in der Nestarchitektur von fast allen Ameisennestern ist die Bogenkammer oder der Bogengang. Die innere Architektur von Oecophylla-Nestern weicht praktisch als einzige von dieser weit verbreiteten ,Bogenkammer-Struktur-- ab. Bei allen anderen Ameisenarten sind die Nestkammern in der Höhendimension in etwa auf die Größe einer einzelnen Arbeiterin beschränkt. Wegen der kooperativen Zusammenarbeit vieler Arbeiterinnen bei Oecophylla wird die Korrelation von Kammerhöhe und Körpergröße in dieser Gattung aufgehoben. Morphologische Besonderheiten, die als Anpassung an das Leben in Freinestern gedeutet werden könnten, konnten in der vorliegenden Arbeit bei keiner der untersuchten Arten festgestellt werden. Bei Bienen, Wespen und bei den Termiten wird überwiegend eine modellierende Bearbeitungstechnik angewandt. Die körpereigenen, flüssig-adhäsiven Substanzen (Wachs, Sekret und Kot) werden dazu oft noch mit Wasser verdünnt. Auch viele Ameisenarten verarbeiten wassergetränktes Material, nur einige wenige Vertreter der Gattung Crematogaster versetzen es allerdings mit klebenden Sekreten. Die durch das Baumaterial und dessen Fixierung am Substrat vorgegebene Verschiedenartigkeit der Bearbeitungstechniken hat bei den Ameisen zu sehr komplexen Verhaltensweisen geführt. So zum Beispiel das gezielte Verzahnen von Blatthaaren und das Verbinden von Baustoffen ohne die Zugabe von Leim. Weiter bearbeiten Ameisen Materialien, indem sie sie mit Fäkalien und anderen nährstoffreichen Substanzen düngen und so das Wachstum von Pilzhyphen und Wurzelfasern aktiv lenken. Die Seidenweber zeigen mit dem Verspinnen noch eine zusätzliche Möglichkeit der Materialbearbeitung bei Ameisen. Im Vergleich mit anderen sozialen Insekten findet man innerhalb der Ameisen eine mehr generalisierte Bautechnik, die möglicherweise variabler und effizienter ist als die Spezialisierung auf nur eine Materialkomponente. Generell sind die Freinestbauer, anders als die weitgehend deterministisch eingenischten obligaten Pflanzenameisen, bei der Auswahl des Nistplatzes nicht auf vorgegebene Hohlraumstrukturen (Domatien etc.) ganz bestimmter Pflanzen angewiesen, sondern erhöhen ihre Beweglichkeit in der Nistplatzwahl durch die Auswahl vergleichsweise häufig zu findender Substrattypen und Nestmaterialien. Bei allen untersuchten Freinestbauern konnte keine Spezialisierung auf eine bestimmte Pflanzenart festgestellt werden. Stochastische Besiedlungsprozesse gewinnen damit in dieser Ameisengilde, im Vergleich mit den myrmekophytischen Ameisenarten, an Bedeutung. In der vorliegenden Dissertation konnte erstmalig experimentell gezeigt werden, dass die bislang nur aus der Neotropis bekannten Ameisengärten auch im paläotropischen Faunengebiet zu finden sind. Die erstaunlichen Ähnlichkeiten zwischen neotropischen und paläotropischen Ameisengarten-Assoziationen deuten darauf hin, dass es in den unterschiedlichen tropischen Gebieten zu einer konvergenten und parallelen Entwicklung von ähnlich präadaptierten Ameisen und Pflanzen gekommen ist. Freinestbau ist mehrfach unabhängig voneinander entstanden. Sehr wahrscheinlich stand bei vielen Ameisen die Sicherung von Trophobiosestellen am Anfang der Entwicklung. Denkbar ist ebenso, dass die Vergesellschaftung von Epiphyten und Ameisen bei einigen Gruppen die Basis für die Evolution von Freinestbau war. Die Fertigung ausgedehnter Schutzbauten außerhalb der Nester, wie man sie beispielsweise bei der Myrmicinen-Gattung Pheidole findet, könnte ebenfalls die Evolution von frei gestalteten Nestern initiiert haben. Insgesamt wird deutlich, dass Konkurrenzvermeidung und die Erweiterung des Nistraum- und Nahrungsspektrums die drei bestimmenden Faktoren in der Evolution des Nestbauverhaltens von Ameisen waren. Anders als bei Wespen und Termiten fehlt den Ameisen jegliche Prädisposition für die Produktion von liquiden Klebesubstanzen. Sie haben vielfältige Wege gefunden, Wasser zum Nest zu transportieren und damit ihren Möglichkeiten entsprechende Verarbeitungs- mechanismen anzuwenden. Die fehlende gemeinsame Prädisposition der Ameisen für eine dauerhafte Fixierung von Baumaterialien, wie sie für freie Nestkonstruktionen notwendig ist, hat viele verschiedene Lösungen hervorgebracht und ist einer der Gründe für die hohe Variabilität der Freinestbauten bei Ameisen. Die in der vorliegenden Arbeit gezeigte variable Nistbiologie hat einen wichtigen Einfluss auf die Abundanzstrukturen tropischer arborealer Arthropodengemeinschaften und ist in hohem Maße für den großen Erfolg der Ameisen in diesem Habitat verantwortlich.
Im Gegensatz zu den Arbeiterinnen der sozial lebenden Wespen und Bienen sind alle Ameisen flügellos. Die Flügellosigkeit der Ameisenarbeiterinnen bedingt, dass selbst kleinste Räume in der Erde oder in Holz von Kolonien besiedelt werden können. Sie war eine wichtige Voraussetzung für ihre Vorherrschaft auf dem Boden. Die für bodennistende Arten als Baumaterial in Frage kommende Erde hat jedoch die Eigenschaft, dass z. B. starke Regenfälle die Stabilität der Bauwerke negativ beeinflussen können. Deshalb und weil Erde in den höheren Regionen des Laubdaches schwierig zu beschaffen ist, sind Erdnester für den Übergang zum Leben in den Baumkronen wenig geeignet. Höhlungen in verrottendem Holz stehen aufgrund der schnellen Zersetzung in den Tropen nur für einen relativ kurzen Zeitraum und wenig regelhaft zur Verfügung. Der dadurch vorherrschende Mangel an Nistraum im tropischen Regenwald ist möglicherweise der wichtigste Faktor der Koloniegrößeregelung bei Ameisen. Erst mit dem Übergang zu aktivem Freinestbau ist es den Ameisen gelungen, sich (i) unabhängig von natürlichen Höhlen zu machen und dadurch große Kolonien zu etablieren, (ii) den Kronenraum als Habitat dauerhaft zu erschließen, (iii) negativen Witterungseinflüssen entgegenzuwirken und (iv) vorhandene Nahrungsressourcen in diesem Stratum permanent zu nutzen. Die in der vorliegenden Arbeit untersuchten freinestbauenden Ameisen sind selbst in der Lage, additiv Nistraum zu schaffen. Die Vertreter dieser Gilde legen ihre Nester nicht in der Erde oder in natürlichen oder selbst ,ausgeräumten-- Hohlräumen von Bäumen an, sondern konstruieren aktiv frei in der Laubregion der Holzgewächse Nisträume bzw. Unterstände, indem sie Material zusammentragen oder herstellen, mit dem eine Abschottung des Brut- und Nahrungsraumes gegenüber der Umwelt erreicht wird. Die erfolgreiche Besiedlung der Kronenregion war den Ameisen nur durch veränderte Bautechniken und eine verbesserte und angepasste Materialverwendung möglich. Gegenstand der vorliegenden Dissertation war zunächst die Bestandsaufnahme der freinestbauenden Ameisen der Baumkronenregion südostasiatischer Regenwälder. Der erste Schritt einer Analyse der Freinestkonstruktionen von Ameisen bestand darin, die Vielfältigkeit der verwirklichten Nestformen zu erfassen und darzustellen, Gemeinsamkeiten und Unterschiede herauszuarbeiten und die beteiligten Ameisenarten zu identifizieren. Im zweiten Teil der Arbeit wurden intensiv die proximaten Mechanismen des aktiven Nest- und Pavillonbaus untersucht. Dazu wurden die einzelnen Schritte der Nestentwicklung für sieben Ameisenarten aus sechs Gattungen in allen Details dargestellt und zusammenfassend beschrieben. Es wurde ermittelt, welche Baumaterialien die verschiedenen Ameisen nutzen und wie diese Materialien verwendet werden. Zur Bestimmung der verschiedensten Nesttypen wurden neben architektonischen Unterschieden auch Differenzen in der Substratwahl, Materialbeschaffenheit und in der Funktion der Nestkonstruktionen berücksichtigt. Als weiteres Kriterium zur Klassifikation arborealer Nestanlagen diente die Verschiedenartigkeit der Materialbearbeitung und der Substratvorbereitungen durch die Ameisen. Einige dieser Nestcharakteristika sind quantitativer, andere qualitativer Natur. Im Verlauf der Untersuchung wurden 1767 Kolonien bearbeitet und eingeordnet. Davon konnten insgesamt 100 Arten bzw. Morphospezies bestimmt und als echte Freinestbauer im Sinne der vorher formulierten Definition charakterisiert werden. Die ermittelten Arten verteilten sich auf acht Gattungen aus den drei Unterfamilien Formicinae, Dolichoderinae und Myrmicinae. Diese drei Unterfamilien gelten als die am weitesten entwickelten Ameisen und dominieren in der Kroneregion tropischer Regenwälder. Auffallend an dieser höher entwickelten Gruppe von Ameisen ist die Tendenz, pflanzliche Produkte als Hauptnahrungsressource zu nutzen. Die artenreichste Gattung Polyrhachis (39 Arten) gehört der Unterfamilie Formicinae an; zusammen mit den Gattungen Camponotus (10) und Oecophylla (1) wurden allein 50 Arten aus dieser Unterfamilie gefunden. In der Gattung Camponotus konnten zwei Untergattungen (C. Karavaievia, C. Myrmotarsus) mit freinestbauenden Arten ermittelt werden. Mit 29 identifizierten Arten aus drei Gattungen stellten die Myrmicinae die zweitgrößte Unterfamilie, wobei allein 23 Arten auf die Gattung Crematogaster entfielen. In den beiden anderen Myrmicinen-Gattungen Monomorium (5 Arten) und Myrmicaria (1 Art) fanden sich nur vergleichsweise wenige Vertreter mit Freinestbau. Die dritte Unterfamilie, die Dolichoderinae, wird durch die Gattungen Dolichoderus und Technomyrmex mit zusammen 21 Arten repräsentiert. Die als Freinestbauer ermittelten Ameisenarten zeigen hinsichtlich ihrer Koloniestruktur und Nestorganisation einige nennenswerte Parallelen. Die Mehrzahl der Arten lebt in polydomen Kolonieverbänden, die ihre manchmal mehr als 200 Nestanlagen meist nur auf eine einzelne oder wenige Nestpflanzen verteilen. In den Gattungen Camponotus und Monomorium sind alle Arten polydom organisiert, bei Dolichoderus und Technomyrmex sind es 90 % und bei Crematogaster 70 %. Polydomie findet man auch bei Myrmicaria arachnoides und Oecophylla smaragdina. Als weitere Gemeinsamkeit fällt ins Auge, dass mit Ausnahme von Myrmicaria arachnoides und Polyrhachis spp. funktionell als Stallnester zu charakterisierende Nestkonstruktionen überwiegen. Insbesondere bei Technomyrmex (100 %), Dolichoderus (100 %), Camponotus (70 %), Crematogaster (82 %), aber auch bei Monomorium (100 %) und Oecophylla smaragdina besteht eine ausgeprägte Tendenz, die Honigtau liefernden Trophobionten und die Brut in denselben Bauten unterzubringen. Bei den meisten Arten besteht somit ein enger Zusammenhang zwischen Freinestbau und trophobiotischer Ernährungsweise. Diese enge räumliche Vereinigung von Nahrungs- und Nistressourcen bildet die Basis für die Entwicklung individuenreicher, konkurrenzstarker und ökologisch dominanter Ameisenarten in der Kronenregion. Insgesamt wurden 22 unterscheidbare Nesttypen ermittelt und in allen Einzelheiten dargestellt. Auf 47 Bildtafeln wurden dazu fotografisch und zeichnerisch die Charakteristika der verschiedenen Nesttypen hinsichtlich der Nestarchitektur und ethologischer Besonderheiten der beteiligten Ameisenarten abgebildet. Während die Anzahl der freinestbauenden Ameisenarten sicherlich nur annähernd erfasst werden konnte, ist bei der Darstellung der verschiedenen Nesttypen zu erwarten, dass die erfolgreichsten, auf der Basis ethoökologischer sowie material- und substrattechnischer Unterschiede ermittelten Erscheinungsformen aufgeklärt werden konnten. Die vorgenommene Unterteilung der Hauptkategorie ,Nestsubstrat-- in drei blattgebundene und zwei stammgebundene Unterkategorien zeigte, dass die zweifach geschützte und materialsparende Position zwischen Blättern, von zusammen 13 Arten aus den Gattungen Polyrhachis (6), Camponotus (Karavaievia) (2), Oecophylla (1) und Crematogaster (3) präferiert wurde. Nester auf der vergleichsweise ungeschützten Blattoberseite wurden nur von Arten der Gattung Polyrhachis gebaut. Die bevorzugte Position der Polyrhachis-Nester war auf der Blattunterseite, 67 % aller Polyrhachis Nester waren dort lokalisiert. Die Nester der Untergattung Camponotus (Karavaievia) waren zu 75 % und die von Technomyrmex, Monomorium und Myrmicaria gar zu 100 % auf der Blattunterseite angebracht. Zusammen betrachtet waren 64 % aller im Rahmen der vorliegenden Arbeit aufgenommenen Nestbauten auf der Unterseite einzelner Blätter zu finden. Von allen Nestbauten auf Stamm- und Astoberflächen waren 75 % von Crematogaster-Arten besiedelt. Diese Nestposition konnte ansonsten nur noch bei zwei Polyrhachis-Arten und bei der mit Epiphyten assoziierten Camponotus (Myrmotarsus) gefunden werden. Je nach Anteil der hauptsächlich verarbeiteten Baustoffe kann man in vier Nestmaterialtypen unterteilen: (i) Nester aus toten pflanzlichen Materialien, (ii) Pilznester, (iii) Seidennester und (iv) Wurzelnester (Ameisengärten). Am häufigsten vertreten waren die aus Larvalseide gefertigten Webenester der Gattungen Polyrhachis, Camponotus (Karavaievia) und Oecophylla; insgesamt 45 % aller Funde gehörten zu dieser Materialgruppe. Fremde Seide konnten neben drei Polyrhachis-Arten auch drei Arten aus der Gattung Dolichoderus verarbeiten. Bemerkenswert ist der hohe Anteil pilzbewachsener Nestbauten. In allen drei Unterfamilien fanden sich Arten, die zu unterschiedlichen Teilen Pilze in ihren Nestern hielten. In der Gattung Technomyrmex waren 70 % aller älteren Nester vollständig aus Pilzhyphen gebildet. Mehr als die Hälfte des Nestmaterials von Monomorium-Nestern bestand ebenfalls aus einem dichten Pilzmyzel. Pilze bildeten auch in den Nestern von einigen Arten der Gattungen Dolichoderus, Crematogaster und Camponotus (Myrmotarsus) die maßgebliche Materialkomponente. Folgt man der bisher verwendeten Begriffsdefinition, die arboreale Ameisennester in der Regel nach den hauptsächlich verwendeten Baumaterialien einteilt, so muss man zu den bislang bekannten Karton- und Seidennestern die dritte Gruppe der Pilznester hinzufügen. Die Wahl des jeweiligen Baumaterials wirkt sich direkt auf die angewandten Bearbeitungsmechanismen und die Art und Weise der Nestfixierung und Neststabilisierung aus. Die Vertreter der Myrmicinen-Gattungen Myrmicaria und Monomorium zeigten in der Materialnutzung sowie bei der Stabilisierung und Fixierung der Konstruktionen gattungsspezifische Eigenheiten. Die Festigung der Nestbauten werden über H- Brückenstabilisierung (Myrmicaria) und Trichomstabilisierung (Monomorium) erreicht. Pilzhyphenstabilisierte Nester bauen Vertreter der Gattungen Technomyrmex, Dolichoderus und Crematogaster. Wobei innerhalb der beiden letztgenannten Gattungen noch eine Reihe weiterer Fixierungsmechanismen auftreten können. Bei Dolichoderus und Crematogaster sind die Methoden der Materialverfestigung sehr vielfältig und haben jeweils eine große Radiation erfahren (Stabilisierung durch Fremdseide, Pilze, Wurzeln und Klebstoff). Den Camponotus-Arten war die Eroberung der Baumkronenregion mit Hilfe von wurzelstabilisierten Ameisengärten (C. (Myrmotarsus)) und mit der Verwendung klebriger Larvalseide (C. (Karavaievia)) möglich. Beschränkt auf Seide zur Nestfixierung sind die Arten der Gattungen Oecophylla und Polyrhachis. Das bestimmende Element in der Nestarchitektur von fast allen Ameisennestern ist die Bogenkammer oder der Bogengang. Die innere Architektur von Oecophylla-Nestern weicht praktisch als einzige von dieser weit verbreiteten ,Bogenkammer-Struktur-- ab. Bei allen anderen Ameisenarten sind die Nestkammern in der Höhendimension in etwa auf die Größe einer einzelnen Arbeiterin beschränkt. Wegen der kooperativen Zusammenarbeit vieler Arbeiterinnen bei Oecophylla wird die Korrelation von Kammerhöhe und Körpergröße in dieser Gattung aufgehoben. Morphologische Besonderheiten, die als Anpassung an das Leben in Freinestern gedeutet werden könnten, konnten in der vorliegenden Arbeit bei keiner der untersuchten Arten festgestellt werden. Bei Bienen, Wespen und bei den Termiten wird überwiegend eine modellierende Bearbeitungstechnik angewandt. Die körpereigenen, flüssig-adhäsiven Substanzen (Wachs, Sekret und Kot) werden dazu oft noch mit Wasser verdünnt. Auch viele Ameisenarten verarbeiten wassergetränktes Material, nur einige wenige Vertreter der Gattung Crematogaster versetzen es allerdings mit klebenden Sekreten. Die durch das Baumaterial und dessen Fixierung am Substrat vorgegebene Verschiedenartigkeit der Bearbeitungstechniken hat bei den Ameisen zu sehr komplexen Verhaltensweisen geführt. So zum Beispiel das gezielte Verzahnen von Blatthaaren und das Verbinden von Baustoffen ohne die Zugabe von Leim. Weiter bearbeiten Ameisen Materialien, indem sie sie mit Fäkalien und anderen nährstoffreichen Substanzen düngen und so das Wachstum von Pilzhyphen und Wurzelfasern aktiv lenken. Die Seidenweber zeigen mit dem Verspinnen noch eine zusätzliche Möglichkeit der Materialbearbeitung bei Ameisen. Im Vergleich mit anderen sozialen Insekten findet man innerhalb der Ameisen eine mehr generalisierte Bautechnik, die möglicherweise variabler und effizienter ist als die Spezialisierung auf nur eine Materialkomponente. Generell sind die Freinestbauer, anders als die weitgehend deterministisch eingenischten obligaten Pflanzenameisen, bei der Auswahl des Nistplatzes nicht auf vorgegebene Hohlraumstrukturen (Domatien etc.) ganz bestimmter Pflanzen angewiesen, sondern erhöhen ihre Beweglichkeit in der Nistplatzwahl durch die Auswahl vergleichsweise häufig zu findender Substrattypen und Nestmaterialien. Bei allen untersuchten Freinestbauern konnte keine Spezialisierung auf eine bestimmte Pflanzenart festgestellt werden. Stochastische Besiedlungsprozesse gewinnen damit in dieser Ameisengilde, im Vergleich mit den myrmekophytischen Ameisenarten, an Bedeutung. In der vorliegenden Dissertation konnte erstmalig experimentell gezeigt werden, dass die bislang nur aus der Neotropis bekannten Ameisengärten auch im paläotropischen Faunengebiet zu finden sind. Die erstaunlichen Ähnlichkeiten zwischen neotropischen und paläotropischen Ameisengarten-Assoziationen deuten darauf hin, dass es in den unterschiedlichen tropischen Gebieten zu einer konvergenten und parallelen Entwicklung von ähnlich präadaptierten Ameisen und Pflanzen gekommen ist. Freinestbau ist mehrfach unabhängig voneinander entstanden. Sehr wahrscheinlich stand bei vielen Ameisen die Sicherung von Trophobiosestellen am Anfang der Entwicklung. Denkbar ist ebenso, dass die Vergesellschaftung von Epiphyten und Ameisen bei einigen Gruppen die Basis für die Evolution von Freinestbau war. Die Fertigung ausgedehnter Schutzbauten außerhalb der Nester, wie man sie beispielsweise bei der Myrmicinen-Gattung Pheidole findet, könnte ebenfalls die Evolution von frei gestalteten Nestern initiiert haben. Insgesamt wird deutlich, dass Konkurrenzvermeidung und die Erweiterung des Nistraum- und Nahrungsspektrums die drei bestimmenden Faktoren in der Evolution des Nestbauverhaltens von Ameisen waren. Anders als bei Wespen und Termiten fehlt den Ameisen jegliche Prädisposition für die Produktion von liquiden Klebesubstanzen. Sie haben vielfältige Wege gefunden, Wasser zum Nest zu transportieren und damit ihren Möglichkeiten entsprechende Verarbeitungs- mechanismen anzuwenden. Die fehlende gemeinsame Prädisposition der Ameisen für eine dauerhafte Fixierung von Baumaterialien, wie sie für freie Nestkonstruktionen notwendig ist, hat viele verschiedene Lösungen hervorgebracht und ist einer der Gründe für die hohe Variabilität der Freinestbauten bei Ameisen. Die in der vorliegenden Arbeit gezeigte variable Nistbiologie hat einen wichtigen Einfluss auf die Abundanzstrukturen tropischer arborealer Arthropodengemeinschaften und ist in hohem Maße für den großen Erfolg der Ameisen in diesem Habitat verantwortlich.
Die Frage der Frauenrechte in Afghanistan diente nach dem Sturz des Taliban-Regimes als Legitimation für das militärische und entwicklungspolitische Engagement der internationalen Gemeinschaft. Jedoch existieren bis heute nur wenige empirische Arbeiten, die Aufschluss über Lebenslagen afghanischer Frauen geben und Interventionen lokaler Akteur*innen untersuchen, die diese adressieren. Die vorliegende Dissertation, die in der feministischen Ethnologie und in der Ethnologie der Menschenrechte verortet ist, trägt dazu bei, diese Forschungslücken zu schließen.
Die Daten wurden in mehrmonatigen teilnehmenden Beobachtungen in zwei afghanischen Frauenrechts-NGOs und einem Frauenrechtsnetzwerk erhoben, ergänzt von 38 Interviews. Vier Interventionsformen gegen Gewalt an Frauen werden analysiert: Neben Frauenselbsthilfegruppen und Frauenhäusern sind dies Interaktionen mit religiösen und anderen Machtakteuren. Nach Merry (2006) werden die Interventionen als Aushandlungs- und Übersetzungsprozesse divergierender Vorstellungen über Geschlechternormen und soziale Praktiken innerhalb des afghanischen Normenpluralismus konzeptualisiert.
Die Studie liefert Ergebnisse auf mehreren Ebenen. Erstens werden sowohl spezifische Bedingungen für die Wirksamkeit der untersuchten Interventionsformen herausgearbeitet als auch ihre jeweiligen Begrenzungen, welche in den vorherrschenden Machtdynamiken begründet sind. Deutlich wird zweitens der Nutzen der universalen Menschenrechte als Bezugs- und Legitimationsrahmen für die Aktivist*innen, wobei sich gleichermaßen zeigt, wo sich der Bezug auf Menschenrechte als problematisch erweist. Um Rückschlüsse für zukünftige Interventionen von Frauenrechts-NGOs auch über den afghanischen Kontext hinaus ziehen zu können, wird drittens eine Erweiterung des Theorie-Praxis-Modells nach Merry (2006) vorgeschlagen, welche die Kontextualisierung in Machtverhältnisse miteinbezieht, sowie Begrenzungen als Indikatoren für Aushandlungsspielräume postuliert.
Die meisten Informationen, die uns über Frauen im Römischen Reich zur Verfügung stehen, wurden von Männern in literarischen Texten und Rechtsquellen aufgeschrieben. Ein Thema, mit dem das Leben von Frauen des Römischen Reichs näher beleuchtet werden kann, sind Rechtstexte, die sich mit Themen beschäftigen, in denen Frauen eine zentrale Rolle spielen.
Weite Teile der Bevölkerung des Römischen Reichs konnten im zweiten und dritten nach- christlichen Jahrhundert zwischen lokalen und römischen Rechtsangeboten wählen, um be- stimmte Probleme des Alltags zu lösen. Innerhalb des römischen Reichs entstanden zu dieser Zeit Rechtstexte unterschiedlicher Kulturen und verschiedene Rechtssysteme entwickelten unterschiedliche Lösungen für sich inhaltlich überschneidende Themenbereiche und Probleme.
In Rom verschriftlichten römische Juristen ihre Gedanken zu theoretischen Fallbeispielen und gewannen in großen Teilen des römischen Reichs Ansehen. Teile davon liegen uns heute als die im fünften und sechsten Jahrhundert zusammengetragenen Digesten vor. In der römischen Provinz Palaestina lebten jüdische Gelehrte, Rabbinen, die über Jahrhunderte mündlich weitergegebenes Wissen und entwickelte Rechtsbestimmungen aufschrieben, die als die Schriften der Mischna und Tosefta überliefert wurden.
In der Dissertation werden anhand der Lebensabschnitte einer Frau wie sie in der Mischna gezeichnet werden – die Kindheit und Jugend in der Familie des Vaters, das Leben als Ehefrau und das Leben als Witwe – untersucht, welche Handlungsspielräume sich für Frauen in den Texten ergeben und welche Erwartungen an Frauen gestellt werden. Die untersuchten Abschnitte der Mischna und Tosefta werden mit Texten aus den Digesten verglichen.
Obwohl die jüdischen und römischen Rechtstexte auf Traditionen beruhen, die unabhängig voneinander entstanden, beschäftigen sie sich mit den gleichen Themen, nämlich mit dem Erwachsenwerden von jungen Frauen, Fragen des Erbrechts, der Heirat und dem Ende von Ehen durch den Tod des Ehemannes oder eine Scheidung. Weiterhin wird deutlich, dass die Autoren der jüdischen Rechtstexte als Bewohner des Römischen Reichs sich mithilfe von Bestimmungen für das Verhalten verschiedener Mitglieder ihrer Gesellschaft zugleich als Teil der griechisch–römischen Welt sahen und sich von dieser durch eigene Traditionen abgrenzten. Aus der Sicht der Rabbinen konnte das Verhalten von Frauen ihre Gruppenzugehörigkeit nach außen sichtbar machen.
Ziel der vorliegenden experimentellen Untersuchung war die Erfassung und vergleichende Beurteilung der mechanischen Belastbarkeit sowie des Frakturverhaltens von karbonfaserverstärkten, keramischen und palladiumfreien Wurzelstiftsystemen. Des Weiteren galt es, die Ergebnisse im Vergleich zum Permador®-Stift, dessen Bewährung in einer vorangegangenen klinischen Untersuchung nachgewiesen wurde, und zu wurzelgefüllten Zähnen zu überprüfen. Gegenstand der Untersuchung waren der palladiumhaltige Permador®-Stift, die palladiumfreien Stiftaufbausysteme AF1, ER® Pt-IR, die keramischen Stifte Cerapost®, Celay® Alumina und Celay® Zirkonia sowie der Karbonfaserstift Composipost®. Als Kontrollgruppe dienten wurzelgefüllte, nicht stiftversorgte Wurzeln. Um die Streuung der Messwerte, die durch die individuell unterschiedliche Dimensionierung und Morphologie von extrahierten natürlichen Frontzähnen beeinflusst werden, zu minimieren, fanden künstliche Zähne aus dem lichthärtenden BisGMAKomposit Estilux hybrid VS posterior (Heraeus Kulzer, Wehrheim/Ts.), Verwendung. Dessen Elastizitätsmodul beträgt nach Aushärtung 19.000 MPa und entspricht somit dem Wert des natürlichen Dentins. Die Herstellung der Wurzeln, Aufbauten und Kronen fand mit sogenannten Modeln statt, wodurch die Herstellung identischer Prüfkörper gewährleistet wurde. Als Aufbaumaterial fand für die metallischen Stiftsysteme ein Phantom-Metall, für das Cerapost®- und Composipost®-System ein Komposit und für die kopiergefrästen Systeme Celay® Alumina und Celay® Zirkonia-Keramik Verwendung. Sämtliche Stiftverankerungen wurden, nach Konditionierung mit dem Rocatec®-Verfahren, mit Panavia® 21 in den Wurzeln zementiert. Im Anschluss erfolgte die Zementierung standardisierter Kronen aus Phantommetall auf allen Wurzeln. Die zyklische Wechselbelastung (1,2x106 Zyklen; 1,4 Hz und 30 N) wurde im Willytec-Kausimulator Version 3.1. (Fa. Willytec, München) vorgenommen. Die Simulation der Wurzelhaut für die Wechsel- und die Bruchbelastung wurde durch Einbettung der Wurzeln in einem Elastomer (Permadyne® Garant; Espe, Seefeld) vorgenommen. In einer Universal-Prüfmaschine (Zwicki 1120; Zwick, Ulm) (Vorschubgeschwindigkeit 0,5 mm/min) wurden die Versuchszähne palatinal, 2 Millimeter unterhalb der Inzisalkante, unter einem Winkel von 135° bis zum Bruch der Wurzel belastet. Hinsichtlich der Bruchlast ergaben die Medianwerte folgende Resultate: Metallstifte: Permador®: 475,4 N; AF1: 444,7 N; ER Pt-Ir: 422,4 N. Der KRUSKAL-WALLIS-Test mit BONFERRONI-Korrektur (p ≤ 0,05) zeigte keine signifikanten Unterschiede zwischen diesen drei Stiftsystemen einerseits und der Kontrollgruppe andererseits. Für die keramischen Stifte wurden 432,2 N [Celay® Alumina], 488,8 N [Celay® Zirkonia] bzw. 416,4 N [Cerapost®] und für den Karbonfaserstift [Composipost®] 515,7 N ermittelt. Bei der Kontrollgruppe trat eine Bruchlast von 363,4 N auf. Bezüglich der Bruchlastwerte lagen unter Berücksichtigung des BONFERRONI-Tests bei der statistischen Datenanalyse zwischen dem kopiergefrästen Keramikstiftaufbau Celay® Zirkonia aus zirkoniumoxidverstärkten Al2O3 einerseits bzw. dem Karbonfaserstift Composipost® und der Kontrollgruppe andererseits signifikante Unterschiede vor (p ≤ 0,05). Die ermittelten Distanzen zwischen Kraftangriffspunkt und den oberen Bruchspaltenden ergaben Medianwerte von 8,0 mm bis 11,1 mm auf der vestibulären Seite und 7,6 mm bis 14,7 mm auf der palatinalen Seite der Wurzeloberfläche. Bezüglich der Distanzen der Frakturverläufe lagen unter Berücksichtigung des BONFERRONI-Tests bei der statistischen Datenanalyse nur palatinal zwischen dem Cerapost®-Stift einerseits und dem Celay® Alumina-Stift und der Kontrollgruppe andererseits signifikante Unterschiede vor. Die vorliegende Studie zeigt, dass hinsichtlich der Bruchlastwerte nach dynamischer Belastung der Karbonfaserstift Composipost® und, bei hohen ästhetischen Ansprüchen, der kopiergefräste Keramikstift Celay® Zirkonia als interessante Alternative zum klinisch bewährten Permador®-Stift zu sehen sind. Des Weiteren zeigt die Untersuchung, dass sich die Verwendung palladiumfreier Stiftsysteme nicht nachteilig auf das Bruchverhalten nach dynamischer Belastung auswirkt.
Mit der vorliegenden Arbeit wurden zu ersten Mal die seit mehreren Jahren vorhergesagten dynamischen Aufbruchsmechanismen - der direkte, der sequentielle und der asynchrone Zerfall - in mehratomigen Molekülen kinematisch vollständig untersucht. Experimentell wurde hierfür ein Kohlenstoffdioxid-(CO2)-Molekül in langsamen Ion-Molekül Stößen dreifach ionisiert, indem die Elektronen des Targets von den langsamen, hochgeladenen Projektilionen (Ar8+-Ionen) eingefangen wurden. Die Untersuchung des Zerfalls des CO2-Ions in die einfach geladenen ionischen Fragmente C+ + O+ + O+ zeigte, dass bei diesem Zerfall das Projektilion vornehmlich einen positiven Ladungszustand von q = 6 und nicht den zunächst erwarteten Ladungszustand q = 5 aufweist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die eingefangenen Elektronen oftmals elektronisch hoch angeregte Zustände im Projektil populieren und demnach im weiteren Verlauf über Autoionisationsprozesse dieses auch wieder verlassen können. Ähnliche Autoionisationsprozesse können auch im Target ablaufen, treten dort jedoch mit einer geringeren Wahrscheinlichkeit auf, da der Wirkungsquerschnitt für Autoionisationsprozesse im Target um einen Faktor 1,3 kleiner ist als für Autoionisationen im Projektil. Zusätzlich zeigte die Untersuchung der Stoßdynamik, dass der dreifache Elektroneneinfang primär bei einer parallelen Orientierung der Molekülachse zur Projektilstrahlachse auftritt. Eine weitere Abhängigkeit der Stoßdynamik zum Beispiel vom Stoßparameter beziehungsweise vom Streuwinkel konnte nicht beobachtet werden. Durch die koinzidente Messung aller vier Reaktionsteilchen konnte der Kanal Ar8+ + CO2 --> Ar6+ + C+ + O+ + O+ eindeutig bestimmt werden und die Reaktionsdynamik des CO2-Ions nach dem Stoß analysiert werden. Dabei tritt deutlich der direkte Aufbruch hervor, bei welchem die drei einfach geladenen Ionen sich rein aufgrund ihrer Coulombkräfte voneinander abstoßen. Bei einer solchen Coulombexplosion bleibt dem Molekülion kaum Zeit, um eine molekulare Schwingung zu vollführen. Neben diesem schnellen Zerfall konnten aber auch jene Zerfälle beobachtet werden, bei denen das Molekülion zuerst molekular schwingt und dann zu einem späteren Zeitpunkt in die ionischen Fragmente zerfällt. Dieser letztere Zerfallsprozess gehört zu den sogenannten asynchronen Zerfallsmechanismen. Er stellt einen Zwischenprozess zwischen dem reinen 1-Stufen-Prozess wie dem direkten Aufbruch und dem reinen 2-Stufen-Prozess dar. Bei solchen sequentiellen 2-Stufen Prozessen fragmentiert das CO2-Molekül im ersten Schritt in ein O+- und ein CO2+-Ion. Im zweiten Schritt dissoziiert dann das CO2+-Fragment, nachdem es nahezu keine Wirkung der Coulombkräfte des ersten Sauerstoffions mehr spürt, in ein C+- und ein O+-Ion. Durch die Darstellung der Schwerpunktsimpulse der Fragmente in Dalitz- und Newton-Diagrammen ist es mit dieser Arbeit erstmals gelungen diesen sequentiellen Prozess experimentell eindeutig nachzuweisen. In der weiteren Analyse konnte gezeigt werden, dass über die im System deponierte Energie, welche über die kinetische Energie der Fragmente bestimmt wird, die verschiedenen Reaktionsmechanismen direkt kontrolliert werden können. Speziell bei Energien unterhalb von 20 eV wurde gezeigt, dass es keine Potentialflächen gibt, die über einen direkten bzw. simultanen Aufbruch zu dem Endzustand C+ + O+ + O+ führen. Bei mehratomigen Molekülen erweist sich das Treffen detaillierter Aussagen über mögliche Dissoziationskanäle ohne die genaue Kenntnis der Lage der Potentialflächen und den Übergängen zwischen diesen als äußerst schwierig. Selbst bei genauer Kenntnis der Lage und Form der Potentialflächen, ist es aufgrund der hohen Dichten innerhalb der Übergangsbereiche der Potentialflächen nahezu unmöglich, den Verlauf der Dissoziationskanäle zu verfolgen. Mit dieser Arbeit ist es gelungen, die verschiedenen Reaktionskanäle ohne die Existenz von Energiepotentialflächen eindeutig zu identifizieren. Außerdem konnte gezeigt werden, dass die Energie, die während des Stoßes im Molekül deponiert wird, eine Schlüsselgröße darstellt, mit welcher die Fragmentationskanäle direkt kontrolliert werden können.
The thesis is composed of four Chapters.
In the first Chapter, the boundary expression of the one-sided shape derivative of nonlocal Sobolev best constants is derived. As a simple consequence, we obtain the fractional version of the so-called Hadamard formula for the torsional rigidity and the first Dirichlet eigenvalue. An application to the optimal obstacle placement problem for the torsional rigidity and the first eigenvalue of the fractional Laplacian is given.
In the second Chapter, we introduce and prove a new maximum principle for doubly antisymmetric functions. The latter can be seen as the first step towards studying the optimal obstacle placement problem for the second fractional eigenvalue. Using the new maximum principle we derive new symmetry results for odd solutions to semilinear Dirichlet boundary value problems with Lipschitz nonlinearity.
In the third Chapter, we derive new integration by parts formula for the fractional Laplace operator with a general globally Lipschitz vector field and in particular, we obtain a new Pohozaev type identity generalizing the one obtained by X. Ros-Oton and J. Serra. As an application we obtain nonexistence results for semilinear Dirichlet boundary problems in bounded domains that are not necessarly starshaped.
In the last Chapter, we study symmetry properties of second eigenfunctions of annuli. Using results from the first Chapter and the maximum principle in Chpater 2, we extend the result on the optimal obstacle placement problem from the first eigenvalue to the second eigenvalue.
Effiziente kryptographische Algorithmen sind ein wichtiger Grundstein für viele neue Anwendungen, wie zum Beispiel das Internet der Dinge (IoT) oder kontaktlose Zahlungssysteme. Daher ist es wichtig, dass neue Algorithmen mit verbesserten Sicherheitseigenschaften und speziellen Leistungseigenschaften entwickelt und analysiert werden. Ein Beispiel ist der aktuelle Trend zu leichtgewichtigen Algorithmen. Diese Entwicklungen erleichtern die Implementierung neuartiger Systeme und ermöglichen auch einen Schutz von bestehenden Systemen durch eine Anpassung auf den neuesten Stand der Technik. Neben der kryptologischen Analyse, ist die Bewertung von Implementierungs-Aspekten sehr wichtig, damit eine realistische Einschätzung der erzielbaren Leistung möglich ist.
Daher müssen für jeden neuen Algorithmus unterschiedliche Software- und Hardwarearchitekturen evaluiert werden. Die systematische Bewertung von Software-Implementierungen für unterschiedliche Hardware-Architekturen hat in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht, zum Beispiel durch den SHA-3 Wettbewerb. Im Vergleich dazu ist die Evaluation für Hardware-Plattformen wie z.B. FPGAs weiterhin sehr zeitaufwendig und fehleranfällig. Dies liegt an vielen Faktoren, z.B. an den mannigfaltigen Möglichkeiten der verschiedenen Zieltechnologien. Ein möglicher Verbesserungsansatz besteht darin, die Bewertung mit einem abstrakteren Ansatz zu beginnen, um interessante Architekturen und Implementierungen anhand von theoretischen Eigenschaften auszuwählen.
Der erste Hauptbeitrag dieser Arbeit ist die Entwicklung einer abstrakten Bewertungsmethodik, die auf einem theoretischen Modell von getakteten Schaltungen basiert. Das Modell verbessert das Verständnis von Grundeigenschaften dieser Schaltungen und erleichtert auch die abstrakte Modellierung von Architekturen für einen spezifischen Algorithmus. Wenn mehrere verschiedene Architekturen für den gleichen Algorithmus ausgewertet werden, ist es auch möglich zu bestimmen, ob ein Algorithmus gut skaliert. Beispielsweise können Auswirkungen einer Verkleinerung des Datenpfades auf die Größe des Speicherverbrauchs analysiert werden. Basierend auf der entwickelten Methodik können wichtige Eigenschaften, wie der Speicherbedarf, die Anzahl an Taktzyklen oder die Pipeline-Tiefe systematisch bewertet werden. Damit kann eine grobe Schätzung für die Effektivtät einer Architektur abgeleitet werden.
Die Performance-Abschätzung wird auch durch ein theoretisches Konzept der Optimalität der Anzahl an Taktzyklen untermauert. Optimal in diesem Sinne ist eine Architektur, wenn sie verzögerungsfrei ist, d.h. keine Wartezyklen benötigt. Durch die Betrachtung von Datenabhängigkeiten zwischen den einzelnen Runden kann eine minimale und maximale Anzahl an Taktzyklen ermittelt werden. Eine Verletzung dieser Grenzen würde bedeuten, dass die Berechnung der Runden-Funktion nicht alle Ausgangs-Bits produziert hat, wenn diese für die nächste Runde benötigt werden und somit würden Wartezyklen entstehen.
Der zweite Beitrag der Dissertation nutzt die Analysemethodik für mehrere Hash-Funktion. Es werden sechs Hash-Funktionen bewertet: BLAKE, Grøstl, Keccak, JH, Skein und Photon. Die ersten fünf Hash-Funktionen sind die Finalisten des SHA-3 Wettbewerb. Die SHA-3 Finalisten haben eine hohe Sicherheit als oberstes Design-Ziel und nur in zweiter Linie eine hohe Performance. Im Gegensatz dazu wurde Photon für leichtgewichtige Anwendungen konzipiert, z.B. RFID-Tags. Dazu wurde auch die Sicherheit von Photon reduziert. Für jeden Algorithmus wird eine oder mehrere mögliche Organisationensformen des Speichers entwickelt. Als nächstes wird die Anzahl von Taktzyklen auf der Grundlage der Speicherorganisation ermittelt. Das generelle Ziel dabei ist die Entwicklung von Architekturen mit einer optimalen Anzahl von Taktzyklen. Die Diskussion konzentriert sich als nächstes auf verschiedene Möglichkeiten die Runden-Funktion optimal umzusetzen. Das Ergebnis der Evaluierung umfasst mindestens die Schätzung der minimalen Speicheranforderung, die analysierte Pipeline-Tiefe und den theoretischen Durchsatz für lange Nachrichten mit einer festgelegten Taktfrequenz. Diese Ergebnisse lassen eine Einschätzung über die mögliche Leistung der jeweiligen Architekturen zu.
Der dritte Beitrag der Arbeit besteht aus mehreren Implementierungs-Ergebnissen. Zunächst werden Ergebnisse für die SHA-3 Finalisten BLAKE, Grøstl, JH, Keccak und Skein gezeigt. Von den fünf Algorithmen haben alle außer Skein eine relativ hohe Performanz, während Skein abgeschlagen ist. Eine weitere Untersuchung konzentriert sich auf kleinere Implementierungen des SHA-3 Siegers Keccak. Dazu gehören auch nicht standardisierte Varianten mit einem kleineren Zustand. Diese kleineren Versionen werden mit ersten FPGA-Ergebnissen für die Photon Hash-Funktion verglichen. Eine wesentliche Erkenntnis davon ist, dass Keccak auch für FPGA-Anwendungen mit beschränktem Ressourcen-Bedarf prinzipiell sehr wettbewerbsfähig ist.
The constantly increasing memory density and performance of recent Field Programmable Gate Arrays (FPGA) has boosted a usage in many technical applications such as particle accelerators, automotive industry as well as defense and space. Some of these fields of interest are characterized by the presence of ionizing radiation as caused by natural decay or artificial excitation processes. Unfortunately, this type of radiation affects various digital circuits, including transistors forming Static Random Access Memory (SRAM) storage cells that constitute the technology node for high performance FPGAs. Various digital misbehavior in temporal or permanent manner as well as physical destruction of transistors are the consequence. Therefore, the mitigation of such effects becomes an essential design rule when using SRAM FPGAs in ionizing radiation environments. Tolerance against soft errors can be handled across various layers of modern FPGA design, starting with the most basic silicon manufacturing process, towards configuration, firmware, and system design, until finally ending up with application and software engineering. But only a highly optimized, joint concept of system-wide fault tolerance provides sufficient resilience against ionizing radiation effects without losing too much valuable device resources to the safety approach. This concept is introduced, analyzed, improved and validated in the present work. It includes, but is not limited to, static configuration scrubbing, various firmware redundancy approaches, dynamic memory conservation as well as state machine protection. Guidelines are given to improve manual design practices concerning fault tolerance and tools are shown to reduce necessary efforts. Finally, the SysCore development platform has been maintained to support the recommended design methods and act as Device Under Test (DUT) for all particle irradiation experiments that prove the efficiency of the proposed concept of system-wide fault tolerance for SRAM FPGAs in ionizing radiation environments.
The future heavy-ion experiment CBM (FAIR/GSI, Darmstadt, Germany) will focus on the measurements of very rare probes, which require the experiment to operate under extreme interaction rates of up to 10 MHz. Due to high multiplicity of charged particles in heavy-ion collisions, this will lead to the data rates of up to 1 TB/s. In order to meet the modern achievable archival rate, this data ow has to be reduced online by more than two orders of magnitude.
The rare observables are featured with complicated trigger signatures and require full event topology reconstruction to be performed online. The huge data rates together with the absence of simple hardware triggers make traditional latency limited trigger architectures typical for conventional experiments inapplicable for the case of CBM. Instead, CBM will employ a novel data acquisition concept with autonomous, self-triggered front-end electronics.
While in conventional experiments with event-by-event processing the association of detector hits with corresponding physical event is known a priori, it is not true for the CBM experiment, where the reconstruction algorithms should be modified in order to process non-event-associated data. At the highest interaction rates the time difference between hits belonging to the same collision will be larger than the average time difference between two consecutive collisions. Thus, events will overlap in time. Due to a possible overlap of events one needs to analyze time-slices rather than isolated events.
The time-stamped data will be shipped and collected into a readout buffer in a form of a time-slice of a certain length. The time-slice data will be delivered to a large computer farm, where the archival decision will be obtained after performing online reconstruction. In this case association of hit information with physical events must be performed in software and requires full online event reconstruction not only in space, but also in time, so-called 4-dimensional (4D) track reconstruction.
Within the scope of this work the 4D track finder algorithm for online reconstruction has been developed. The 4D CA track finder is able to reproduce performance and speed of the traditional event-based algorithm. The 4D CA track finder is both vectorized (using SIMD instructions) and parallelized (between CPU cores). The algorithm shows strong scalability on many-core systems. The speed-up factor of 10.1 has been achieved on a CPU with 10 hyper-threaded physical cores.
The 4D CA track finder algorithm is ready for the time-slice-based reconstruction in the CBM experiment.
Relational data exchange deals with translating relational data according to a given specification. This problem is one of the many tasks that arise in data integration, for example, in data restructuring, in ETL (Extract-Transform-Load) processes used for updating data warehouses, or in data exchange between different, possibly independently created, applications. Systems for relational data exchange exist for several decades now. Motivated by their experiences with one of those systems, Fagin, Kolaitis, Miller, and Popa (2003) studied fundamental and algorithmic issues arising in relational data exchange. One of these issues is how to answer queries that are posed against the target schema (i.e., against the result of the data exchange) so that the answers are consistent with the source data. For monotonic queries, the certain answers semantics proposed by Fagin, Kolaitis, Miller, and Popa (2003) is appropriate. For many non-monotonic queries, however, the certain answers semantics was shown to yield counter-intuitive results. This thesis deals with computing the certain answers for monotonic queries on the one hand, and on the other hand, it deals with the issue of which semantics are appropriate for answering non-monotonic queries, and how hard it is to evaluate non-monotonic queries under these semantics. As shown by Fagin, Kolaitis, Miller, and Popa (2003), computing the certain answers for unions of conjunctive queries - a subclass of the monotonic queries - basically reduces to computing universal solutions, provided the data transformation is specified by a set of tgds (tuple-generating dependencies) and egds (equality-generating dependencies). If M is such a specification and S is a source database, then T is called a solution for S under M if T is a possible result of translating S according to M. Intuitively, universal solutions are most general solutions. Since the above-mentioned work by Fagin, Kolaitis, Miller, and Popa it was unknown whether it is decidable if a source database has a universal solution under a given data exchange specification. In this thesis, we show that this problem is undecidable. More precisely, we construct a specification M that consists of tgds only so that it is undecidable whether a given source database has a universal solution under M. From the proof it also follows that it is undecidable whether the chase procedure - by which universal models can be obtained - terminates on a given source database and the set of tgds in M. The above results in particular strengthen results of Deutsch, Nash, and Remmel (2008). Concerning the issue of which semantics are appropriate for answering non-monotonic queries, we study several semantics for answering such queries. All of these semantics are based on the closed world assumption (CWA). First, the CWA-semantics of Libkin (2006) are extended so that they can be applied to specifications consisting of tgds and egds. The key is to extend the concept of CWA-solution, on which the CWA-semantics are based. CWA-solutions are characterized as universal solutions that are derivable from the source database using a suitably controlled version of the chase procedure. In particular, if CWA-solutions exist, then there is a minimal CWA-solution that is unique up to isomorphism: the core of the universal solutions introduced by Fagin, Kolaitis, and Popa (2003). We show that evaluation of a query under some of the CWA-semantics reduces to computing the certain answers to the query on the minimal CWA-solution. The CWA-semantics resolve some the known problems with answering non-monotonic queries. There are, however, two natural properties that are not possessed by the CWA-semantics. On the one hand, queries may be answered differently with respect to data exchange specifications that are logically equivalent. On the other hand, there are queries whose answer under the CWA-semantics intuitively contradicts the information derivable from the source database and the data exchange specification. To find an alternative semantics, we first test several CWA-based semantics from the area of deductive databases for their suitability regarding non-monotonic query answering in relational data exchange. More precisely, we focus on the CWA-semantics by Reiter (1978), the GCWA-semantics (Minker 1982), the EGCWA-semantics (Yahya, Henschen 1985) and the PWS-semantics (Chan 1993). It turns out that these semantics are either too weak or too strong, or do not possess the desired properties. Finally, based on the GCWA-semantics we develop the GCWA*-semantics which intuitively possesses the desired properties. For monotonic queries, some of the CWA-semantics as well as the GCWA*-semantics coincide with the certain answers semantics, that is, results obtained for the certain answers semantics carry over to those semantics. When studying the complexity of evaluating non-monotonic queries under the above-mentioned semantics, we focus on the data complexity, that is, the complexity when the data exchange specification and the query are fixed. We show that in many cases, evaluating non-monotonic queries is hard: co-NP- or NP-complete, or even undecidable. For example, evaluating conjunctive queries with at least one negative literal under simple specifications may be co-NP-hard. Notice, however, that this result only says that there is such a query and such a specification for which the problem is hard, but not that the problem is hard for all such queries and specifications. On the other hand, we identify a broad class of queries - the class of universal queries - which can be evaluated in polynomial time under the GCWA*-semantics, provided the data exchange specification is suitably restricted. More precisely, we show that universal queries can be evaluated on the core of the universal solutions, independent of the source database and the specification.
The objective of this study is the avifauna of the North American Green River Formation. Five new Green River bird species as well as several new specimens of already known species are described. * Galliformes: Gallinuloides wyomingensis EASTMAN 1900 A second specimen of the galliform Gallinuloides wyomingensis could be identified. Gallinuloides wyomingensis resembles closely Paraortygoides MAYR 1999, which is known from Messel and the London Clay. The new specimen exhibits characters such as a cup-like cotyla scapularis of the coracoid that clearly indicate that Gallinuloides is a stem-group representative of galliforms. * Eurypygidae: Eoeurypyga olsoni gen. et sp. nov. Eoeurypyga is the only fossil representative of the Eurypygidae. Eoeurypyga and the modern sunbittern Eurypyga helias share the typical long bill, the caudally situated neck and the elongated vertebrae cervicales. Additional synapomorph characters were found. The new species indicates a North American origin for the Eurypygidae. * Messelornithidae: Messelornis nearctica HESSE 1992 The original description of Messelornis nearctica was based on a single specimen. Ten new specimens, described in this study, reveal additional information. Messelornis nearctica shows the same large intraspecific size range as Messelornis cristata HESSE 1988 from Messel, the type species of the genus. * Apodidae: Wyomingcypselus pohli gen. nov. sp. nov. Wyomingcypselus pohli is the first described fossil apodiform bird for North American. Due to characters of the wing, especially the position of the processus musculi extensor metacarpi radialis, Wyomingcypselus is referrred to the Apodidae. * Trogoniformes: unnamed species The Green River birds include a poorly preserved, but apparently heterodactyl specimen, which also resembles trogons in overall appearance. * Primobucconidae: Primobucco mcgrewi BRODKORB 1970 Originally, Primobucco mcgrewi was only known from a partial skeleton consisting of the right wing. Three new specimens could be referred to the species. Primobucco mcgrewi clearly exhibits an anisodactyl foot, which makes the assignment to the zygodactyl Bucconidae highly doubtful. Instead, Primobucco mcgrewi is referrred to the Coraciiformes s.s. Thus, Primobucconidae are the first New World representatives of stem-group Coraciiformes. * ?Leptosomidae: Plesiocathartes wyomingensis sp. nov. and Plesiocathartes major sp. nov. Plesiocathartes wyomingensis and Plesiocathartes major represent the first North American record for the genus. Both species exhibit the diagnostic characters for the Leptosomidae as listed by MAYR (2002a, b). * Primoscenidae: Eozygodactylus americanus gen. et sp. nov. and unnamed species Eozygodactylus americanus is the first North American member of this taxon. Both Eozygodactylus americanus and the unnamed species show the zygodactyl foot and the large processus intermetacarpalis of the carpometacarpus, which are typical for Primoscendiae. Due to differences mainly of the humerus, it was placed in a new genus. Besides the descriptionof new species, the avifauna of the Green River Formatin was studied and compared with the avifauna of Messel. The formations show a high concordance, more than 60 % of the Green River taxa also occur in Messel. Such a high concordance is also found for mammals. This is due to the existence of two landbridges, the Thule landbridge and the de Geer landbridge, between Europe and North America during the early Eocene.
Im Mittelpunkt der Studie steht die Überprüfung der Wirksamkeit der Fortbildungs¬reihe zum förder- und kompetenzorientierten Unterrichten, die von der Verfasserin konzipiert und hessenweit für Lehrpersonen aller Schulformen angeboten wurde. Bislang sind kohärente Konzepte zum förder- und kompetenzorientierten Unterrichten oder zur individuellen Förderung zumindest nicht weit verbreitet. Das Erkenntnisinteresse der vorliegenden Studie war daher auf die Frage gerichtet, ob sich durch eine dieser Art konzipierten Fortbildungsreihe tatsächlich die Nutzung ausgewählter Prinzipien, Instrumente und Verfahren sowie die Selbstwirksamkeitserwartungen bezüglich der Steuerung und Unterstützung von Lernprozessen verändern und beeinflussen lassen. Diese Fragestellung kann aufgrund der empirischen Daten bejaht werden.
Als wichtige Voraussetzung für den Erfolg der Fortbildungsreihe zum förder- und kompetenzorientierten Unterrichten kann die in den formativen Evaluationen ermittelte Akzeptanz der Fortbildung und der Fortbildungsinhalte angesehen werden. Sie bildet die Grundlage für Veränderungsprozesse, die sich messbar insbesondere in der Follow-Up-Erhebung in der Zunahme der Nutzung von Prinzipien, Instrumente und Verfahren und in den Selbstwirksamkeitserwartungen der Lehrpersonen niederschlagen. Dieser Veränderungsprozess kann als bemerkenswert bezeichnet werden, da in den formativen Evaluationen die Frage nach der Nutzung und Umsetzbarkeit im eigenen Unterricht stets durch niedrigere Zustimmungswerte gekennzeichnet war und damit das Zutrauen und die Überzeugung in den persönlichen Veränderungsprozess zurückhaltend war im Vergleich zu den Zustimmungswerten zu den Inhalten der Fortbildungsreihe sowie zu deren Sinnhaftigkeit.
Akzeptanz, Zustimmung und die Einsicht in die Sinnhaftigkeit sowie die Überzeugung der Umsetzbarkeit im eigenen Unterricht können als Schlüsselelemente für die Veränderung der Handlungskompetenz von Lehrpersonen gesehen werden und stehen in Übereinstimmung mit entsprechenden Befunden der Conceptual-Change-Forschung. Damit konnte ein wesentliches Element erfolgreicher, da wirksamer Fortbildung insbesondere durch die Follow-Up-Erhebung empirisch belegt. Diese sollte nach ca. einem halben Jahr nach dem Ende der Fortbildungsreihe Aufschluss über die Nachhaltigkeit der Wirkung der Fortbildungsinhalte erbringen. Einschränkend soll hier jedoch auf die Reduktion der Stichprobe hingewiesen werden: Waren es zum 1.MZP 422 Lehrpersonen (270 FG, 152 KG), die an der Erhebung teilgenommen haben, waren es zum 2.MZP noch 347 Lehrpersonen (229 FG, 118 KG) und zum 3. Messzeitpunkt nur 172 Lehrpersonen (101 FG, 71 KG).
Insbesondere die durch die Fortbildungsreihe erzielten positiven Veränderungen der Selbstwirksamkeitserwartungen unterstreichen den Forschungsstand zu deren Bedeutung für nachhaltige Veränderung des Unterrichtshandelns von Lehrpersonen aller Schulformen. Von besonderem Interesse für die Konzeptualisierung von Lehrerfortbildungen erscheint der Zusammenhang zwischen der Vermittlung von Wissen und den Selbstwirksamkeitserwartungen. Aufgrund von Forschungsbefunden kann angenommen werden, dass ohne die Überzeugung und die Zuversicht, das erworbene Wissen erfolgreich im eigenen Unterricht umsetzen und in Handlungskompetenz überleiten zu können, keine Veränderungsprozesse und Lernen ausgelöst und ermöglicht werden. Dieser Zusammenhang sollte stärker in weiteren Studien überprüft werden, um Lehrpersonen künftig gezielter für und auf Veränderungen im Unterrichtshandeln vorbereiten und unterstützen zu können. Desweiteren gilt es, die Anleitung der Lehrpersonen zur Reflexion ihres Unter¬richtshandelns genauer in den Blick zu nehmen. Nach dem kompetenztheoretischen Ansatz von Baumert und Kunter (2006) und entsprechenden Forschungsbefunden kann die Selbstreflexion als ein wesentlicher Faktor für Veränderungsprozesse und vor allem für die Selbstwirksamkeitserwartungen angenommen werden. In der Fortbildungsreihe zum förder- und kompetenzorientierten Unterrichten wurden die Lehrpersonen jeweils zu Beginn jeder Veranstaltung zur Reflexion angeleitet über die umgesetzten Fortbildungsinhalte sowie deren Wirkung auf die Schülerinnen und Schüler. Hierzu sind weitergehende Forschungen wünschenswert, um auf der Grundlage entsprechender Befunde wirksame Fortbildungsangebote gestalten zu können.
Weiterer Klärungsbedarf besteht hinsichtlich der Implementation von Fortbil¬dungsinhalten in die Unterrichtspraxis. In der vorliegenden empirischen Studie konnte insbesondere durch die Follow-Up-Erhebung gezeigt werden, dass die Umsetzung und Implementation der Fortbildungsinhalte gelungen zu sein scheint und die Verbesserung der Nutzung von Prinzipien, Instrumenten und Verfahren zum förder- und kompetenzorientierten Unterrichten sowie die Steigerung der Selbstwirksamkeitserwartungen erkennbar sind. Dabei gilt als einschränkend zu bedenken, dass es sich bei den erhobenen Werten um Selbstauskünfte der Teilnehmer/-innen handelt. Gleichwohl kann insbesondere der signifikante Zuwachs in den Selbstwirksamkeitserwartungen als bedeutsam eingeschätzt werden, nachdem durch Forschungsbefunde nachdrücklich darauf verwiesen wird, dass gerade Überzeugungen von Lehrpersonen schwer zugänglich und veränderbar sind.
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Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit war die Formulierungsentwicklung eines nanopartikulären Arzneistoffträgers für Zytostatika zur Gewinnung einer „Drug Targeting“ Zubereitung. Im Fokus der Arbeit stand dabei die Stabilität der unterschiedlichen Zubereitungen. Die untersuchten Partikel waren dabei auf Basis von humanem Serumalbumin. Mittels einer etablierten Desolvatationsmethode ließen sich reproduzierbar Nanopartikel im Größenbereich von 200 nm herstellen. Zur Partikelgrößenbestimmung bediente man sich sowohl der hotonenkorrelationsspektroskopie (PCS) als auch der Analytischen Ultrazentrifugation (AUZ). Bei der Untersuchung verschiedener HSA-Chargen, stellte sich heraus, dass das Ausgangsmaterial einen Einfluss auf die Partikelgröße besaß. Nichtsdestotrotz waren die Partikelgrößenschwankungen aufgrund von unterschiedlichen HSA-Chargen gering. Durch Einlagerung von Doxorubicin in die Partikelmatrix kam es zu einer wesentlichen Partikelvergrößerung, so dass die resultierten Partikel eine Größe von etwa 400 nm aufwiesen. Die Inkorporation des Arzneistoffs in die Partikelmatrix war reproduzierbar und stabil. Auch der Einsatz von Serumalbumin aus rekombinanter Quelle erwies sich als geeignet um Nanopartikel herstellen zu können. Allerdings waren unbeladene Partikel aus diesem Material wesentlich größer als Nanopartikel, die aus dem Standardmaterial hergestellt wurden. Doxorubicinbeladene Partikel zeigten wiederum eine vergleichbare Größe wie Partikel aus HSA. Allerdings war die Beladung der rHSA-Nanopartikel geringer als die der SA-Nanopartikel. Dies zeigte sich besonders bei der geringeren Quervernetzung von 40%. Als Fazit lässt sich sagen, dass prinzipiell eine Herstellung von sowohl Leerpartikeln als auch Doxorubicin-beladenen Partikeln möglich war. Die Biodegradierbarkeit von Nanopartikeln ist eine wichtige Voraussetzung für einen therapeutischen Einsatz kleinpartikulärer Strukturen, damit diese nicht im Körper kumulieren. Zudem könnte bei nicht abbaubaren Partikeln die Idee der intrazellulären Freigabe des eingebetteten Arzneistoffs aus der Partikelmatrix nicht verwirklicht werden. Vorversuche haben gezeigt, dass sich Nanopartikel auf Basis von HSA mit einer Reihe von Enzymen abbauen lassen. Versuche, Nanopartikel aus rHSA enzymatisch abzubauen, führten zu vergleichbaren Abbaukinetiken wie bei Partikeln aus HSA. Zu den eingesetzten nzymen zählten Proteinase K, Protease, Trypsin, Pankreatin, Pepsin und Cathepsin B, die mit Partikel aus rHSA mit den Quervernetzungen 40, 60, 80 und 100% inkubiert wurden. Alle Abbaukinetiken zeigten dabei, dass die Abbaugeschwindigkeit vom Grad der Quervernetzung abhängig war. 40% quervernetzte Nanopartikel wurden am schnellsten, 100% quervernetzte Partikel am langsamsten enzymatisch degradiert. Die Abbauversuche mit Cathepsin B bei zwei verschiedenen pH-Werten zeigten, dass die Wahl des richtigen pH-Werts entscheidend für einen effektiven Abbau ist, denn nur bei einem pH-Wert von 5,4 wurden die Nanopartikel von Cathepsin B abgebaut. Im Gegensatz dazu, wurden die Nanopartikel bei pH 6,4 kaum degradiert. Des Weiteren wurden Beladungsversuche von HSA-Nanopartikeln mit Cisplatin durchgeführt. Dabei wurden im ersten Schritt Adsorptionsversuche an gelöstes HSA durchgeführt, da viele Arzneistoffe eine hohe Plasmaeiweißbindung besitzen, wenn sie sich im Blutkreislauf des Menschen befinden. Diese Tatsache sollte bei der Herstellung von arzneistoffhaltigen Nanopartikel auf Basis von humanem Serumalbumin ausgenutzt werden. Vor dem eigentlichen Desolvatationsprozess wurden gelöstes HSA und Cisplatin bei unterschiedlichen pH-Werten und für unterschiedliche Zeitintervalle inkubiert, um eine Adsorption des Cisplatins an das Protein zu erreichen. Dadurch soll es bei der anschließenden Desolvatation zu einer effektiveren Inkorporation des Arzneistoffs kommen. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass bei sauren pH-Werten die Adsorption schwächer ausfällt als bei einem pH-Wert von 8,0. Zudem war die Adsorption umso ausgeprägter, je länger die Inkubation stattfand. Bei einem pH-Wert von 8,0 führten steigende Konzentrationen an eingesetztem Cisplatin bei konstanter Menge an HSA, zu höheren Konzentrationen an adsorbiertem Arzneistoff. Prozentual gesehen, führten aber zunehmende Mengen an eingesetztem Cisplatin zu geringeren Adsorptionsraten. Als Fazit muss aber festgehalten werden, dass Cisplatin eine geringe Tendenz zur Adsorption an gelöstes HSA zeigte. Die Herstellung von Cisplatin-beladenen HSA-Nanopartikeln zeigte, dass die Desolvatation bei pH 8,0 zu guten Ergebnissen führte. Zum einen wiesen die erhaltenen Nanopartikel gute physikochemische Eigenschaften mit nahezu quantitativen Partikelausbeuten auf, zum anderen besaßen die Partikel eine hohe Beladungseffizienz. Dabei galt, je höher die eingesetzte Menge an Cisplatin war, umso mehr Cisplatin wurde in die Matrix der Partikel eingelagert. Die Dauer der zuvor stattfindenden Adsorption spielte dabei eine eher untergeordnete Rolle im Vergleich zu den Adsorptionsversuchen. Eine Erklärung für diese Beobachtung könnte sein, dass die Zugabe des Desolvatationsmittels Ethanol, in welchem Cisplatin sehr schwer löslich ist, zu einer verstärkten Interaktion zwischen Arzneistoff und Protein führt und diese Komponenten zusammen ausfallen, nahezu unabhängig von der zuvor stattfindenden Adsorptionsphase. Um die Idee einer „Drug Targeting“ Zubereitung umsetzen zu können, wurden mit Hilfe von Polyethylenglykol-Ketten sowohl Leerpartikel als auch arzneistoffbeladene Nanopartikel auf ihrer Oberfläche mit monoklonalen Antikörpern modifiziert. Als Verum wurde dabei Trastuzumab verwendet, als Kontrolle diente ein IgG-Antikörper von Sigma, der kein Target besitzt. Sowohl eine adsorptive Bindung als auch die kovalente Kopplung der Antikörper an die Oberfläche der nanopartikulären Strukturen konnte reproduzierbar durchgeführt werden. Dabei spielte es keine Rolle, ob die Partikel mit Arzneistoff beladen waren oder nicht. Trastuzumab zeigte ein hohes Maß an adsorptiver Bindung an die Oberfläche von HSA-Nanopartikeln, die bei dem Kontollantikörper nicht festgestellt werden konnte. Von allen Partikelpräparationen wurden die Partikelgröße, die Größenverteilung, das Zetapotential und die Partikelausbeute bestimmt. Durch das Aufbringen neuer Oberflächenstrukturen, kam es zu keiner wesentlichen Veränderung der Partikelgröße bzw. der Oberflächenladung. Durch die zahlreichen Umsetzungsschritte, die für eine Oberflächenmodifikation nötig sind, kam es bei Nanopartikeln ohne Arzneistoffbeladung zu einem Verlust an Partikelausbeute. Da die Doxorubicin-beladenen Partikel viel größer waren als Leerpartikel, ließen sie sich einfacher und effektiver abzentrifugieren, was in einem geringeren Partikelausbeuteverlust sichbar wurde. Da die Gefriertrocknung zu den Standardmethoden zählt Zubereitungen eine gute Haltbarkeit zu verleihen, wurden eine Reihe von nanopartikulären Zubereitungen der Lyophilisation unterzogen und im Hinblick auf ihre Langzeitstabilität unter verschiedenen Lagerungsbedingungen getestet. Dabei stellte sich heraus, dass es mittels Gefriertrocknung möglich war aus HSA-Nanopartikelsuspensionen einfach und reproduzierbar Lyophilisate herzustellen. Als geeignete Hilfsstoffe kristallisierten sich dabei die Zucker Sucrose, Trehalose, der Zuckeralkohol Mannitol und Emulgatoren wie Tween® 80 und Pluronic® F68 heraus. Als ungeeignet zeichnete sich der Einsatz von L-Arginin und eines Natriumphosphat-Puffers pH 8,0 ab. Larginin führte schon vor dem Gefriertrocknen zu einer Partikelvergrößerung, die nach der Lyophilisation noch ausgeprägter war. Puffer auf Basis von Natriumsalzen führen zu einem starken pH-Shift während des Gefriertrocknungsprozesses. Dies führte beim Einsatz des Phosphat-Puffers pH 8,0 zu einem starken Partikelwachstum. Gefriertrocknungsprozesse mit unterschiedlichen Geräten haben gezeigt, dass der Zusatz von Sucrose bzw. Trehalose oder Mannitol ab einer Konzentration von 2% (m/V) zu guten physikochemischen Eigenschaften der rekonstituierten Proben führte. Hilfsstoffkombinationen, wie sie in der Literatur beschrieben sind, waren für die Stabilisierung der nanopartikulären Strukturen nicht nötig. Die Langzeitlagerungsstabilitätsdaten der gefriergetrockneten HSA-Nanopartikel über 13 Wochen bei unterschiedlichen Temperatur- und Luftfeuchtigkeitsbedingungen zeigten eine Überlegenheit der Hilfsstoffe Sucrose und Trehalose im Vergleich zu Mannitol. Als geeignete Hilfsstoffkonzentration stellte sich hier ein 3%iger (m/V) Zusatz heraus. Versuchsansätze mit unterschiedlichen Gefriertrocknern und somit unterschiedlichen Prozessen zeigten, dass nicht nur die Auswahl der Hilfsstoffe, sondern auch die Bedingungen des Gefriertrocknungsprozesses Einfluss auf die Lagerungsstabilität hatten. Ein kontrollierter Prozess zeigte sich dabei gegenüber dem schnellen Einfrieren mittels Stickstoff als überlegen. Von Nanopartikelsuspensionen mit den Hilfsstoffen Trehalsoe, Sucrose und Mannitol wurden die Glasübergangstemperaturen bestimmt. Die Ergebnisse deckten sich im Wesentlichen mit den in der Literatur beschriebenen Daten, so dass schlussgefolgert werden kann, dass die HSA-Nanopartikel keinen wesentlichen Einfluß auf die Glasübergangstemperatrur hatten. Zusätzlich wurde die Restfeuchte der Lyophilisate direkt nach der Gefriertrocknung und nach 13 wöchiger Einlagerungszeit bestimmt. Die Proben wiesen direkt nach dem Prozess eine Restfeuchte von ungefähr 3% auf, durch Lagerung der Partikel bei erhöhter Luftfeuchtigkeit kam es zu einem Anstieg des Wassergehalts in den Proben. Mit den Hilfsstoffzusätzen Trehalose, Sucrose und Mannitol ließen sich auch Doxorubicin-beladene HSA-Nanopartikel gefriertrocknen. Dabei kam es nach der Rekonstitution dieser Partikel zu keinem Austreten des eingelagerten Arzneistoffs. Zusätzlich wurden oberflächenmodifizierte Partikel lyophilisiert. Dabei bestand die Modifikation zum einen aus Methoxypolyethylenglykol-Ketten. Zum anderen wurden über NHS-PEG-Mal Crosslinker kovalent monoklonale Antikörper auf die Oberfläche von HSANanopartikeln gebunden. Zusätzlich wurden auch HSA-NP in Suspension einer Untersuchung bezüglich Langzeitlagerungsstabilität unterworfen. Dabei wiesen auch HSA-Nanopartikel in Suspension bei verschiedenen Einlagerungsbedingungen eine hohe Stabilität auf. Partikel, die über einen Zeitraum von 210 Tagen eingelagert wurden, zeigten bei den Temperaturen 4°C, 20°C und 30°C im Hinblick auf Partikelgröße und Polydispersität kaum Veränderungen. Die Lagerung der Nanopartikel bei Minusgraden führte allerdings zu Mikropartikeln. Bei der Untersuchung der Partikelüberstände hinsichtlich herausgelöstem HSA zeigte sich, dass je höher die Lagerungstemperatur und je länger die Einlagerung war, umso mehr HSA löste sich aus der mittels Glutaraldehyd fixierten Matrix heraus. Bei den eingefrorenen Partikeln löste sich über die gesamte Lagerungszeit kein Protein aus den Nanopartikeln heraus. Zellkulturexperimente zeigten, dass im Gegensatz zu Kontrollzubereitungen, Nanopartikel, die an ihrer Oberfläche therapeutisch wirksame Antikörper trugen, spezifisch von Krebszellen aufgenommen wurden und im Zellinneren den eingebetteten Arzneistoff freisetzten. Daraus resultierte eine spezifische Toxizität dieser Zubereitungen gegenüber Tumorzellen. Dies ist ein erster Ansatz, um zeigen zu können, dass durch nanopartikuläre Trägersysteme die unerwünschten Nebenwirkungen der unspezifisch wirkenden Zytostatika reduziert werden können. In weiteren Versuchen, vor allem mit Hilfe von in vivo Versuchen muss gezeigt werden, dass das Partikelsystem stabil genug ist, ausreichend lang im Körper zirkulieren zu können. Nur so ist das Trägersystem in der Lage, sein Zielgewebe zu erreichen. Zudem müssen Tierversuche die in der Literatur beschriebene Anreicherung des Partikelsystems im Tumorgewebe verifizieren. Dies ist nur möglich, wenn die Nanopartikel in der Lage sind, das Gefäßsystem im Bereich des Tumorgewebes zu verlassen und anschließend in die Tumormasse einwandern können. Nur dann können die in den Zellkulturversuchen gezeigten Effekte greifen.
Tumor development usually follows predictable paths where tumor cells acquire common characteristics and features known as the hallmarks of cancer. Recently, additional characteristics have been added to these hallmarks since solid tumors are composed of a very heterogeneous population of transformed, formerly normal tissue cells and stromal cells, e.g. immune cells and fibroblasts. Compelling evidence suggests that stromal cells and tumor cells maintain a symbiotic relationship to build up the tumor microenvironment and to fuel tumor growth. In cancer therapies, common features of tumors such as unrestricted cell growth, suppression of immunological responses, and the ability to form new blood vessels (angiogenesis) have emerged as the main targets of interest. The lipid mediator prostaglandin E2 (PGE2) is known to promote all these features and thus, is connected to cancer progression in general. Its synthesis is triggered in response to stress factors or during inflammation. Inducible PGE2 production relies on the enzymes cyclooxygenase 2 (COX-2) and microsomal prostanglandin E synthase 1 (mPGES-1), which are simultaneously expressed in response to a variety of different stimuli and are functionally coupled. Inhibition of COX-2 with non-steroidal antiinflammatory drugs (NSAIDs) for cancer treatment is, however, limited by cardiovascular risks, since selective COX-2 inhibition disrupts the prostacyclin/thromboxane balance. Therefore targeting mPGES-1 downstream of COX-2 for PGE2 inhibition was evaluated in this work in different steps of carcinogenesis. Knockdown of mPGES-1 in DU145 prostate cancer cells revealed that the mPGES-1 status did not affect growth of monolayer tumor cells, but significantly impaired 3D growth of multi-cellular tumor spheroids (MCTS). Spheroid formation induced COX-2 in DU145 and other prostate cancer spheroids. High levels of PGE2 were detected in supernatants of DU145 MCTS as opposed to monolayer DU145 cells. Pharmacological inhibition of COX-2 and mPGES-1 confirmed the pivotal role of PGE2 for DU145 MCTS growth. Besides promoting spheroid growth, MCTS-derived PGE2 also inhibited cytotoxic T lymphocyte (CTL) activation. When investigating the mechanisms of COX-2 induction during spheroid formation, the typical tumor microenvironmental factors such as glucose deprivation, hypoxia or tumor cell apoptosis failed to enhance COX-2. Interestingly, when interfering with apoptosis in DU145 spheroids, the pan-caspase inhibitor Z-VAD-FMK triggered a Summary 12 shift towards necrosis, thus enhancing COX-2 expression. Coculturing viable DU145 monolayer cells with isolated heat-shocked-treated necrotic DU145 cells, but not with necrotic cell supernatants, induced COX-2 and PGE2, confirming the impact of necrosis for MCTS growth and CTL inhibition. As mentioned, in vivo tumors are very heterogenous mixtures of tumor cells and stromal cells e.g. immune cells. Hence, the interaction of the immune system with tumors was investigated in further experiments. When coculturing MCF-7 breast cancer spheroids with human peripheral blood mononuclear cells (PBMCs), only low levels of PGE2 were detected, since MCF-7 cells did not upregulate COX-2 during spheroid formation and did not induce PGE2 production by PBMCs. Under inflammatory conditions, by adding the toll-like receptor 4 (TLR4) agonist lipopolysaccharide (LPS) to cocultures, PGE2 production was triggered, spheroid sizes were reduced, and numbers of high levels of granzyme B expressing (GrBhi) CTLs were increased, while CD80 expression by tumor-associated phagocytes was also elevated. Inhibition of CD80 but not CD86 diminished numbers of GrBhi CTLs and attenuated spheroid lysis. To determine the role of ctivation-induced PGE2 production, use of the COX-2 inhibitor celecoxib and the experimental mPGES-1 inhibitor C3 further increased CD80 expression. Addition of PGE2, the prostaglandin E2 (EP2) receptor agonist butaprost, and the phosphodiesterase 4 (PDE4) inhibitor rolipram reduced LPS/C3-triggered CD80 expression, confirming the impact of COX- 2/mPGES-1-derived PGE2 on shaping phagocyte phenotypes in an EP2/cAMP-dependent manner. In a spontaneous breast cancer model (MMTV-PyMT), mPGES-1-deficiency significantly delayed tumor growth in mice, confirming an overall protumorigenic role of mPGES-1 in breast cancer development in vivo. However in tumors of mPGES-1-/- mice, tumor-infiltrating phagocytes expressed low levels of CD80 similar to their wildtype counterparts. These data suggest that the immunosuppressive microenvironment does not allow for immunostimulatory effects by mPGES-1 inhibition without an activating stimulus. Evidences in this study recommend the application of mPGES-1 inhibitors for treating cancer diseases, since mPGES-1 promotes tumor growth in multiple steps of carcinogenesis, ranging from well-characterized effects of tumor cell growth to immune suppression of CTL activity and phagocyte polarization. Regarding the latter, blunting PGE2 during immune activation may limit the tumor-favoring features of inflammation and improve the efficiency of TLR4 based immune therapies.