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(2015)
Der Mittelmeerraum gilt im europäischen Kollektivgedächtnis als „Wiege Europas“ und Anfangspunkt „abendländischer“ Geschichte. Genauso markiert in gängigen Geschichtsnarrativen das Mittelmeer einen imaginären Bruch zwischen Orient und Okzident. „Der Islam“ kann so in europäischen Diskursen als „Fremdkörper“ konstruiert und aus der Vorstellung einer gemeinsamen kulturellen Identität ausgestoßen werden. Währenddessen vereint die Geschichte des Mittelmeerraums auf drei Kontinenten Christentum, Judentum und Islam. Nur eine Ausblendung der geschichtlichen Komplexität des Mittelmeerraums als kosmopolitischer Region ermöglicht es, die „abendländische“ als eine rein christliche oder jüdisch-christliche Geschichte aufzufassen.
Das islamische Erbe Europas resultiert etwa aus dem jahrhundertelangen Kulturaustausch während der islamischen Kolonisierung des europäischen Mittelmeerraums, die die süditalienische Insel Sizilien einst zu einem Teil Nordafrikas machte. Seit Anbeginn menschlicher Besiedlung ein Schmelztiegel der Kulturen, war Sizilien wie Andalusien im Mittelalter Teil des Maghrebs, des westlichen islamischen Reichs, und an dessen intellektuellen, wissenschaftlichen und philosophischen Errungenschaften beteiligt.
Zuvor sprachlich und religiös von Byzanz geprägt, kam die Insel im 9. Jahrhundert unter arabisch-islamischen Einfluss und wurde ab dem 11. Jahrhundert unter Normannen und Staufern dem lateinisch geprägten römisch-katholischen Christentum zugeführt. Eine Aufeinanderfolge sunnitischer und schiitischer Dynastien, die Entfremdung zwischen Ost- und Westkirche sowie die Präsenz einer vergleichsweise großen jüdischen Gemeinde erhöhen die konfessionelle Komplexität.
Noch lange nach der Ablösung der arabischen Herrschaft, die ihrerseits bewährte byzantinische Elemente in die Inselverwaltung integriert hatte, profitierten spätere Herrscher von den ökonomischen und wissenschaftlichen Strukturen der Muslime und förderten diese. Bis heute hat das arabisch-islamische Substrat Anteil an der Alltagskultur und Sprache, die die sizilianische Identität und das italienische nationale Narrativ konstituieren. Jahrhunderte nach der Vertreibung der Muslime aus Süditalien ist es vor allem in den Bereichen von Wortschatz, Volksliteratur, Orts-und Personennamen, in der Küche, Architektur und im Städtebild Italiens zu finden und wurde teils über Sizilien in ganz Europa verbreitet.
Während die Erzählung der italienischen Nationalgeschichte die arabische Vergangenheit oft ausblendete, traf sie in Sizilien, das von anderen Epochen nicht in gleichem Maße wirtschaftlich profitierte, seit der Aufklärung auf Hochachtung. Brückenbauende Narrative, die Italien als Teil einer mediterranen Hybridkultur definieren, reihen sich in Konzepte verschiedener Denker aus dem Mittelmeerraum ein, eine gemeinsame „mediterrane Kultur“ als zivilisatorische Brücke zu konstruieren im Dialog zwischen drei Kontinenten und drei bedeutenden Weltreligionen.
Biodiversity is unevenly distributed on Earth. Highly diverse biotas are particularly expected in mountain systems, because altitudinal zonation provides a number of habitat alternatives, which could lead to lower extinction rates during climatic changes. Nevertheless, the impact of environmental changes on plant diversification (especially for sub-alpine taxa) in the course of mountain orogenesis remains poorly understood. This is also true for the highest and largest plateau on Earth, the Qinghai-Tibetan Plateau (QTP) and its surrounding areas.In this doctoral thesis, I investigated the impact of environmental changes on plant diversification and the floristic exchange between the QTP region and biodiversity hotspots of Southeast Asia as well as other parts of the world by using the sub-alpine genera Agapetes and Vaccinium (Vaccinieae, Ericaceae) as well as Tripterospermum (Gentianinae, Gentianaceae) as model systems. Furthermore, I examined the role of niche evolution and conservatism in a changing environment over time, and detected possible beneficial morphological traits of plants in the surroundings of the QTP by investigating subtropical Gentianinae (Crawfurdia, Kuepferia, Metagentiana, Sinogentiana, and Tripterospermum; Gentianaceae).
Effekte von Neonikotinoiden auf die Aktivität des Muskels M17 und das Lernverhalten der Honigbiene
(2015)
Im Rahmen dieser Arbeit wurden Untersuchungen zur Auswirkung von Neonikotinoiden auf die Muskelspikeaktivität des Muskels M17 und auf das Lernvermögen in einer komplexen Aufgabe an der Honigbiene (Apis mellifera carnica) durchgeführt. Dabei wurden drei verschiedene Substanzen verwendet: Clothianidin, Thiacloprid und Imidacloprid. Neonikotinoide stehen häufig im Verdacht, für das Sterben von Bienenvölkern verantwortlich zu sein, da die Bienen bei ihrer Nahrungssuche an behandelten Pflanzen den Substanzen ausgesetzt sind und diese möglicherweise damit auch an ihr Volk weitergeben. Die vorliegende Arbeit soll dazu beitragen, diese mögliche Gefährdung der Honigbiene durch Neonikotinoide weiter aufzuklären und deren Risiken zu beurteilen. Der Hintergrund für die Versuche zur Muskelspikeaktivität waren vorangegangene Versuche, die Auswirkungen von Neonikotinoiden auf die Motorik von sich frei bewegenden Individuen dokumentierten. In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, ob sich diese Effekte auch an der Spikeaktivität des Muskels M17 widerspiegeln. Dafür wurden Elektromyogramme des Muskels M17 zu verschiedenen Zeitpunkten nach der Gabe der Substanzen erstellt und deren mediane Anzahl mit einer Kontrollgruppe verglichen.
In einem ersten Versuch wurden Clothianidin (1 µM), Thiacloprid (1 µM), Imidacloprid (1 µM) oder eine Kontrollsubstanz (PBS) in die Kopfkapsel appliziert. Beim Vergleich mit der Kontrollgruppe zeigten sich für Imidacloprid keine Auswirkungen. Clothianidin verursachte eine deutlich erhöhte mediane Spikerate des Muskels M17, während Thiacloprid diese absenkte, beides im Vergleich zur Kontrollgruppe. Auch bei einer um 30 Minuten versetzten Doppelapplikation von Clothianidin (1 µM) und Thiacloprid (10 µM) stellten sich diese Effekte ein, wobei Clothianidin eine dominante Rolle einzunehmen scheint. Diese Ergebnisse stehen im Einklang mit Untersuchungen zur Laufaktivität, welche sich ebenfalls durch Clothianidin erhöhte und durch Thiacloprid absenkte.
Ein weiteres Experiment untersuchte die Auswirkung einer akuten Fütterung mit Clothianidin (1 ng in 1 µl) bzw. Thiacloprid (250 ng in 1 µl) auf die Anzahl der Muskelaktionspotenziale. Auch hier zeigt sich eine deutliche Erhöhung der Spikeanzahl durch Clothianidin und eine Absenkung der Spikeanzahl durch Thiacloprid, was die Ergebnisse des ersten Versuchs nochmals bestätigt.
Des Weiteren wurden Untersuchungen zur Auswirkung einer chronischen Fütterung mit Clothianidin (50 ppb) bzw. Thiacloprid (5000 ppb) auf die Anzahl an Spikes durchgeführt. Die Bienen wurden dabei über mehrere Wochen im Volk mit den jeweiligen Substanzen gefüttert. Dabei zeigte sich, dass auch eine chronische Fütterung der Bienen mit Clothianidin ihre Anzahl an Muskelaktionspotenzialen deutlich erhöht, während eine chronische Fütterung mit Thiacloprid diese absenkt. In einer Kombination der chronischen Fütterung mit einer zusätzlichen akuten Fütterung des jeweils anderen Neonikotinoids zeigte sich, dass auch hier Clothianidin eine dominante Rolle gegenüber Thiacloprid einnimmt und auch keine synergistischen oder Gewöhnungseffekte der beiden Substanzen eintreten. Die chronisch eingefütterten Völker entwickelten sich dagegen wie die Kontrollvölker, sodass die hier beschriebenen Auswirkungen auf die Einzelbiene keine sichtbaren Effekte auf ganze Völker zu haben scheinen.
Zusätzlich wurden Versuche zum Duftlernen in einer komplexen Lernaufgabe, dem positiven Patterning, unter Einfluss von Clothianidin durchgeführt. Die Bienen müssen dabei zwischen unbelohnten Einzeldüften und einem belohnten Duftgemisch, bestehend aus den beiden Einzeldüften, unterscheiden. In verschiedenen Versuchsdurchläufen wurden 0,25 ng oder 1 ng Clothianidin (jeweils 1 µl) in den Thorax injiziert, entweder vor der Akquisitionsphase oder vor dem ersten Abruftest nach drei Stunden. In keinem der Versuchsdurchläufe zeigten sich Effekte des Clothianidins auf den Lernvorgang, weder in der Akquisitionsphase noch in den Abruftests. Somit wurden weder das Lernen an sich, noch die Konsolidierung und damit die Überführung des Gelernten in das Langzeitgedächtnis durch das Clothianidin beeinflusst. Allerdings könnte die Immunabwehr der Bienen nach längerer Einwirkung des Clothianidins (24 h) in der höheren Konzentration herabgesetzt sein, da viele Bienen starben.
Insgesamt ergaben sich Effekte von Clothianidin und Thiacloprid auf die Anzahl der Aktionspotenziale des Muskels M17, die sich aber im gesamten Volk nicht widerspiegeln. Der Lernvorgang in der hier durchgeführten komplexen Lernaufgabe wird durch Clothianidin nicht beeinflusst. Möglicherweise entsteht dieser Unterschied in den Ergebnissen durch eine Bindung der Substanzen an verschiedene Rezeptorsubtypen, die pharmakologisch unterschiedliche Eigenschaften besitzen und somit auch unterschiedliche Auswirkungen zeigen.
Sulfuric acid is an important gas influencing atmospheric new particle formation (NPF). Both the binary (H2SO4-H2O) system, and the ternary system involving ammonia (H2SO4-H2O-NH3) may be important in the free troposphere. An essential step in the nucleation of aerosol particles from gas-phase precursors is the formation of a dimer, so an understanding of the thermodynamics of dimer formation over a wide range of atmospheric conditions is essential to describe NPF. We have used the CLOUD chamber to conduct nucleation experiments for these systems at temperatures from 208 to 248 K. Neutral monomer and dimer concentrations of sulfuric acid were measured using a Chemical Ionization Mass Spectrometer (CIMS). From these measurements dimer evaporation rates in the binary system were derived for temperatures of 208 and 223 K. We compare these results to literature data from a previous study that was conducted at higher temperatures but is in good agreement with the present study. For the ternary system the formation of H2SO4·NH3 is very likely an essential step in the formation of sulfuric acid dimers, which were measured at 210, 223, and 248K. We estimate the thermodynamic properties (dH and dS) of the H2SO4·NH3 cluster using a simple heuristic model and the measured data. Furthermore, we report the first measurements of large neutral sulfuric acid clusters containing as many as 10 sulfuric acid molecules for the binary system using Chemical Ionization-Atmospheric Pressure interface-Time Of Flight (CI-APi-TOF) mass spectrometry.
Sulfuric acid is an important gas influencing atmospheric new particle formation (NPF). Both the binary (H2SO4–H2O) system and the ternary system involving ammonia (H2SO4–H2O–NH3) may be important in the free troposphere. An essential step in the nucleation of aerosol particles from gas-phase precursors is the formation of a dimer, so an understanding of the thermodynamics of dimer formation over a wide range of atmospheric conditions is essential to describe NPF. We have used the CLOUD chamber to conduct nucleation experiments for these systems at temperatures from 208 to 248 K. Neutral monomer and dimer concentrations of sulfuric acid were measured using a chemical ionization mass spectrometer (CIMS). From these measurements, dimer evaporation rates in the binary system were derived for temperatures of 208 and 223 K. We compare these results to literature data from a previous study that was conducted at higher temperatures but is in good agreement with the present study. For the ternary system the formation of H2SO4·NH3 is very likely an essential step in the formation of sulfuric acid dimers, which were measured at 210, 223, and 248 K. We estimate the thermodynamic properties (dH and dS) of the H2SO4·NH3 cluster using a simple heuristic model and the measured data. Furthermore, we report the first measurements of large neutral sulfuric acid clusters containing as many as 10 sulfuric acid molecules for the binary system using chemical ionization–atmospheric pressure interface time-of-flight (CI-APi-TOF) mass spectrometry.
Hintergrund: Traditionell werden Faszien, die bindegewebigen Hüllen der Skelettmuskulatur, als ein eher passives, abgrenzendes Gewebe beschrieben. Sie könnten für das Bewegungssystem jedoch eine größere Rolle spielen als bislang angenommen. Aktuellen Studien zufolge sind Faszien in der Lage, ihre Steifigkeit etwa mittels Zellkontraktion zu modifizieren. Konzepte myofaszialer Ketten postulieren zudem, dass das kollagene Bindegewebe die Muskeln des Körpers nicht voneinander trennt, sondern morphologisch verbindet. Veränderungen der mechanischen Eigenschaften von Faszien könnten sich daher auch auf benachbarte bzw. entfernte Körperstrukturen auswirken.
Fragestellung: Obwohl die Rationale zahlreicher Studien auf Konzepten myofaszialer Ketten begründet wird, ist deren Existenz bis dato nicht belegt. Die vorliegende, kumulative Dissertation verfolgt das Ziel, die morphologische Existenz myofaszialer Ketten zu überprüfen und ihre funktionelle Bedeutung für das Bewegungssystem zu beurteilen.
Publikation I – Validierung einer Skala zur methodologischen Bewertung von Kadaverstudien
Die im Rahmen dieses Papers entwickelte QUACS-Skala (QUality Appraisal for Cadaveric Studies) bildet die Grundvoraussetzung für das im Rahmen von Publikation II angefertigte systematische Review zur Existenz myofaszialer Ketten. Bislang lag im Bereich anatomischer Kadaverstudien am Leichenpräparat kein Instrument zur Beurteilung der Studienqualität vor. Ein solches ist gemäß den Leitlinien für evidenzbasierte Medizin jedoch zur Anfertigung eines systematischen Reviews notwendig. Die im Rahmen von Publikation I entwickelte, 13 dichotome Items umfassende QUACS-Skala besitzt eine hohe Interrater-Reliabilität (ICC: .87) sowie eine hohe Konstruktvalidität (Kendall’s Tau B-Koeffizient: .69) und ist daher geeignet, um die methodologische Qualität anatomischer Kadaverstudien zu erfassen.
Publikation II – Systematisches Review zur Existenz myofaszialer Ketten
Die mit diesem Paper vorgenommene systematische Literaturanalyse orientierte sich an den PRISMA-Guidelines (Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-Analyses). Zwei unabhängige Untersucher identifizierten mittels standardisierter Suche in drei Datenbanken (Pubmed inkl. MeSH-Terms, ScienceDirect, GoogleScholar) anatomische Kadaverstudien, die eine strukturelle Kontinuität zwischen Komponenten der myofaszialen Ketten nach Myers (2014) berichten (z.B. zwischen Waden- und hinterer Oberschenkelmuskulatur). Ihre methodologische Qualität wurde mithilfe der QUACS-Skala ermittelt. Die Einstufung der Evidenz erfolgte anhand der Richtlinien der Cochrane-Gesellschaft. Die initiale Recherche ergab 6589 Artikel, von denen 62 den definierten Einschlusskriterien entsprachen. Es besteht starke Evidenz für die vollständige Existenz dreier myofaszialer Ketten (oberflächliche Rückenlinie, funktionelle Rückenlinie, funktionelle Frontallinie). Moderate bis starke Evidenz liegt für gut die Hälfte der Kontinuitäten der Spirallinie (5 von 9 bestätigte Übergänge) bzw. Laterallinie (2 von 5 bestätigte Übergänge). Keine Evidenz ist für die Existenz der oberflächlichen Frontallinie verfügbar.
Publikation III – Interventionsstudie zu den Ferneffekten von Dehnübungen der unteren Extremität
Die dreiarmige, randomisiert-kontrollierte Studie wurde entsprechend der CONSORT-Guidelines durchgeführt (Consolidated Standards of Reporting Trials) und verfolgte das Ziel, die Auswirkung von Dehnübungen der unteren Extremität auf die Beweglichkeit der Halswirbelsäule zu ermitteln.
An eine vorherige Pilotstudie anknüpfend wurden 63 Probanden (36±13 Jahre, 32 männl.) zufallsbasiert drei Gruppen zugeteilt: statisches Dehnen der Waden- und hinteren Oberschenkelmuskulatur (Ferndehnen, FD), statisches Dehnen der Nackenstrecker (lokales Dehnen, LD), Wartekontrolle (KON). Als Outcome wurde vor (M1), unmittelbar nach (M2) sowie 5 Minuten nach der Intervention (M3) mittels ultraschalloptometrischer Messung die Beweglichkeit der Halswirbelsäule erfasst. Sowohl FD als auch LD steigerten nach der Intervention gegenüber KON mit einer Ausnahme (Rotation in LD bei M2) zu beiden Messzeitpunkten ihre Beweglichkeit in allen Ebenen (p<.05). Keine Unterschiede traten zwischen FD und LD auf (p>.05).
Diskussion: Die Muskeln des menschlichen Körpers sind strukturell nicht voneinander unabhängig, sondern – wie Publikation II zeigt - zumindest zu großen Teilen direkt miteinander verbunden. Das alleinige Vorliegen myofaszialer Ketten impliziert jedoch noch keine funktionelle Relevanz. Die im Rahmen von Publikation III durchgeführte Studie liefert Hinweise darauf, dass bewegungsbasierte Interventionen auf Basis myofaszialer Ketten zu relevanten Ferneffekten führen. Zu ermitteln bleiben die Ursachen für die richtungsunspezifischen Beweglichkeitssteigerungen im Bereich der Halswirbelsäule nach Ferndehnübungen sowie die einen möglichen mechanischen Krafttransfer beeinflussenden Faktoren.
In this work, the complex structure of ionization and dissociation pathways on the potential energy curves in small molecules were investigated that are initiated by the absorption of a sequence of multi-color pulses in the XUV, VUV, and IR spectrum. Femtosecond pump-probe spectroscopy was used to track the evolution of nuclear dynamics in neutral hydrogen molecules. Previously unpublished excitation and ionization pathways leading to the dissociative ionization of hydrogen molecules were investigated by employing 3D momentum imaging spectroscopy. These studies were extended to oxygen molecules where an XUV attosecond pulse train coherently ionized several electronic states of O2+ followed by the dissociation of the molecule via multiple pathways. The infrared electric field of the driving laser was then used to couple the electronic and nuclear wave-packets, thus, manipulating the dissociation dynamics of the molecule on an attosecond time scale.
In order to perform the experiments presented here, a novel experimental setup was developed and constructed. It combines an existing high-flux High Harmonic Generation light source that delivers attosecond pulse trains in the VUV and XUV spectrum with a state-of-the-art 3D momentum imaging apparatus (COLTRIMS), as well as a beamline consisting of several experimental tools enabling the selection, characterization, and propagation of the photon spectrum.
Die Biosynthese der Fettsäuren (FS) ist in Eukaryoten und Bakterien ein hochkonserviert zentraler Stoffwechselweg, der in zwei strukturell verschiedenen Systemen ausgeführt wird. Die meisten Bakterien, Parasiten, Pflanzen und Mitochondrien nutzen ein Fettsäuresesynthase Typ-II (FAS-II) System. Bei FAS II Systemen sind alle katalytischen Domänen separate lösliche Proteine. In Eukaryoten wie auch den Bakterien Corynebakteria, Mycobakteria, Nocardia (Klasse der CMN Bakterien) liegen die katalytischen Domänen fusioniert auf einer Polypeptidkette vor, die zu einem Multienzymkomplex der Fettsäuresynthase Typ I (FAS-I) assemblieren. Die Architektur der FAS-I zeigt große Unterschiede; die X förmige Säuger-FAS-I (Maier et al., 2006), sowie die fassartigen Enzyme der Pilz FAS-I (Jenni et al., 2007; Leibundgut et al., 2007; Lomakin et al., 2007; Johansson et al., 2008) und der bakteriellen FAS-I (Boehringer et al., 2013; Ciccarelli et al., 2013). Zwischen Pilz- und bakterieller FAS-I gibt es trotz des ähnlichen Aufbaus bedeutende Unterschiede. Mycobakterium tuberculosis, der Auslöser von Tuberkulose (TB), an der jährlich über eine Million Menschen weltweit sterben (WHO, 2014), synthetisiert durch eine Symbiose von FAS-I, FAS-II und der Polyketidsynthase-13 Mykolsäuren. Durch die Mykolsäuren ist M. tuberculosis resistent gegen äußere Einflüsse. FAS-I ist in die Synthese der Vorstufen der Mykolsäuren involviert. Sie stellt im Kampf gegen TB ein potentielles Inhibierungstarget dar.
Strukturell war die bakterielle FAS-I beim Beginn der vorliegenden Arbeit, nur durch negative-stain-Elektronenmikroskopie (EM) Aufnahmen aus dem Jahr 1982 charakterisiert (Morishima et al., 1982). In dieser Arbeit konnte die bakteriellen FAS I aus M. tuberculosis (MtFAS), sowie Corynebacterium ammoniagenes (CaFAS) und Corynebacterium efficiens (CeFAS) strukturell untersucht werden. Dies geschah mit den Methoden negative-stain-EM, Einzelmolekül-Cryo-EM (Cryo-EM), Cryo EM Tomographie (CET) und Röntgenkristallographie.
Anhand von CeFAS-Kristallen konnte erstmals durch Röntgenkristallographie die Struktur einer bakteriellen FAS-I bestimmt werden. Zudem wurde die hohe konformationelle Flexibilität der bakteriellen FAS-I mit mehreren Methoden gezeigt. Für die CaFAS konnte mit Cryo-EM initiale Prozesse der Proteinkristallbildung abgebildet werden.
Im Rahmen der hier vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss sowohl akuter als auch chronischer Aufnahme subletaler Mengen des Insektizids Thiacloprid auf Einzelbienen und Bienenvölker untersucht. Anlass für diese Art an Untersuchungen gibt ein seit Jahren in Nordamerika und Europa auftretendes unerklärliches Phänomen, „Colony Collapse Disorder“ genannt, bei dem Bienenvölker durch einen plötzlichen Verlust der Flugbienen zusammenbrechen. Als Ursache für das Völkersterben stehen neben anderen Faktoren wie Parasiten, Pathogenen und Umweltfaktoren die Insektizide aus der Gruppe der Neonikotinoide und deren Auswirkungen auf Bienen in subletalen Mengen im Verdacht. Basierend auf Studien der Europäischen Behörde für Lebensmittelsicherheit (EFSA) wurde der zugelassene Einsatz der drei Neonikotinoide Clothianidin, Imidacloprid und Thiamethoxam im Pflanzenschutz für zunächst zwei Jahre durch die EU-Kommission stark eingeschränkt.
Thiacloprid, ein weiteres Insektizid, welches zur Gruppe der Neonikotinoide gehört, ist weiterhin für den Einsatz im Pflanzenschutz zugelassen. Es wirkt in ähnlicher Weise wie die zuvor genannten Neonikotinoide als Agonist am nikotinischen Acetylcholinrezeptor, wobei es jedoch als weniger toxisch für Bienen gilt. Trotzdem sind subletale Auswirkungen dieses Neonikotinoids auf Bienen denkbar, die sich in Verhaltensänderungen der Bienen äußern und als Folge Einfluss auf das gesamte Bienenvolk nehmen könnten.
In der hier vorliegenden Arbeit wurden in chronisch mit Thiacloprid eingefütterten Völkern über mehrere Monate regelmäßige Populationsschätzungen durchgeführt, um die Entwicklung der Bienenvölker unter Aufnahme von Thiacloprid festzustellen. In einem weiteren Versuch wurde die Entwicklung der Brut unter chronischer Fütterung mit Thiacloprid beobachtet. Zusätzlich wurde eine große Zahl an Bienen mit RFID-Transpondern ausgestattet, um das Flugverhalten zu dokumentieren. Insbesondere wurden hier der Zeitpunkt des ersten Ausflugs und die Lebensdauer der Bienen zu Vergleichen herangezogen. Nach akuter Fütterung einer subletalen Einzeldosis Thiacloprid wurden Versuche zum Heimkehrvermögen von Bienen durchgeführt.
Unter feldrelevanten und bis zu zehnfach höheren Thiacloprid-Konzentrationen wurden keine beeinträchtigenden Einflüsse auf die Volksentwicklung beobachtet. Bei Konzentrationen, die um ein 25faches bzw. ein 40faches höher als die feldrelevante Konzentration waren, wurde festgestellt, dass die Brutzellenanzahl im Verhältnis zur Bienenanzahl verringert war. Bienen aus chronisch mit Thiacloprid eingefütterten Völkern starteten mit höherem Alter zu ihrem ersten Flug aus dem Bienenstock. Die Zeit, die die Bienen als Sammlerinnen verbrachten, änderte sich nicht. Durch Beobachtungen der Brutflächen konnte festgestellt werden, dass sich die Brut in Thiacloprid-gefütterten Völkern entsprechend der Brut in Kontrollvölkern entwickelte. Aufgrund weiterer Ergebnisse wurde eine Störung der olfaktorischen Wahrnehmung von Bienen aus Thiacloprid-gefütterten Völkern vermutet. Die akut verabreichte subletale Dosis an Thiacloprid führte zu einem erheblichen Verlust an heimkehrenden Bienen und deutet auf eine Beeinträchtigung des Orientierungs- bzw. Navigationsvermögens der Bienen hin.
In den durchgeführten Versuchen wurden sowohl direkte Auswirkungen von chronischer und akuter Aufnahme subletaler Mengen an Thiacloprid, als auch indirekte Auswirkungen auf Honigbienen beobachtet. Da teilweise erst bei hohen, nicht feldrelevanten Konzentrationen in den Versuchen Effekte beobachtet wurden, kann nur bedingt durch die Verhaltensänderung von Einzelbienen auf daraus resultierende Auswirkungen auf ein gesamtes Bienenvolk unter realistischen Bedingungen geschlossen werden.
A novel series of ribonucleosides of 1,2,3-triazolylbenzyl-aminophosphonates was synthesized through the Kabachnik–Fields reaction using I2 as catalyst followed by copper-catalyzed cycloaddition of the azide–alkyne reaction (CuAAC). All structures of the newly prepared compounds were characterized by 1H NMR, 13C NMR, and HRMS spectra. The structures of 2e, 2f, 3d, and 3g were further confirmed by X-ray diffraction analysis. These compounds were tested against various strains of DNA and RNA viruses; compounds 4b and 4c showed a modest inhibitory activity against respiratory syncytial virus (RSV) and compound 4h displayed modest inhibitory activity against Coxsackie virus B4.
Type 1 Diabetes (T1D) is an autoimmune disorder in which the own immune system attacks the insulin producing _-cells in the pancreas. Therapy of T1D with anti-CD3 antibodies (aCD3) leads to a blockade of the autoimmune process in animal models and patients resulting in reduced insulin need. Unfortunately, this effect is only temporal and the insulin need increases after a few years. In the first approach, I aimed at a blockade of the cellular re-entry into the islets of Langerhans after aCD3 treatment by neutralising the key chemokine CXCL10, which is important for the T cell migration. In the second approach I tried to block the transmigration of leukocytes trough the endothelial layer into inflamed tissue with an anti-JAM-C antibody (aJAM-C) after aCD3 treatment.
I used the well-established RIP-LCMV-GP mouse model of T1D. As target autoantigen in the _-cells, such mice express the glycoprotein (GP) of the lymphocytic choriomeningitis virus (LCMV) under control of the rat insulin promoter (RIP). These mice develop T1D within 10 to 14 days only after LCMV-infection. In the combination therapy (CT) I treated diabetic RIP-LCMV-GP mice with 3 5g aCD3 per mouse (3 injections in 3 days) followed by administration of a neutralising anti-CXCL10 (CT) or aJAM-C (CT-J) monoclonal antibody (8 injections of 100 5g per mouse over 2.5 weeks).
CT reverted T1D in RIP-LCMV-GP mice significantly (CT: 67 % reversion; control: 16 % reversion) and with superior efficacy to monotherapies with aCD3 (38 % reversion) and aCXCL10 (36 % reversion).
The CD8 T cells in the spleen have fully regenerated at day 31 after infection. However, the frequency of islet antigen (GP)-specific CD8 T-cells was significantly reduced by 73 % in the spleen after CT compared to isotype control treated mice. In contrast, in aCD3 treated mice the T cells were only reduced by 56 % of the frequency of isotype control treated mice. Flow cytometry and immunohistological examinations demonstrated a marked reduction of CD8 T cells in the pancreas of CT treated mice. Importantly, the number of GP-specific CD8 T cells was reduced dramatically by 78 % in the pancreas of CT treated mice, whereas aCD3 treatment led to a less pronounced reduction of the GP-specific CD8 T cell number (23 %). This reduction of infiltration was long lasting since in the pancreas of CT treated mice the _-cells produce insulin and there were almost no infiltrating T cells present at day 182 post-infection. aCD3 treated mice also showed many insulin producing cells after 182 days post-infection. Nevertheless, their pancreas displayed also some infiltrates around the islets.
In order to confirm my data I treated non-obese diabetic (NOD) mice with CT. In contrast to RIP-LCMV-GP mice, NOD mice develop spontaneous T1D within 15 to 30 weeks after birth, due to a mutation in the CTLA-4 gene. Strikingly CT cured 55 % of diabetic NOD mice, whereas only 30 % showed T1D reversion with aCD3 alone and none reverted after isotype control administration.
The impact of CT on GP-specific T cells (Teff) was stronger in the RIP LCMV-GP than in the NOD model. In contrast, regulatory T cells (Tregs) were induced predominantly in NOD mice rather than in RIP-LCMV-GP mice. However, looking at the Treg/Teff ratio and compared to isotype control antibody treated mice, I found a significant 4-fold increase in the pancreas of CT treated RIP LCMV-GP mice and a 17-fold increase in the PDLN of CT treated NOD mice. In addition, a tendency for an increase in Treg/Teff ratio was obtained in the spleen of CT-treated RIP LCMV-GP as well as NOD mice compared to aCD3 and isotype control antibody treated mice.
In the second combination therapy with neutralising aJAM-C, CT-J (51 % reversion) slightly improved the aCD3 therapy (41 % reversion). However, there was no significant difference between CT-J and aCD3 administration in terms of total CD8 and GP-specific CD8 T cells.
JAM-C also interacts with the integrin receptor macrophage-1 antigen (MAC-1), which is among others expressed by neutrophils. Accordingly, JAM-C could be involved in neutrophil transmigration to the pancreas. Indeed, I found a significant reduction for the infiltrating neutrophils into the pancreas of mice after CT-J compared to aCD3 monotherapy.
In summary the addition of aJAM-C to aCD3 monotherapy showed a small improvement, which was associated with a reduced neutrophil migration into the pancreas. However, JAM C seemed to play only a minor role in T1D development and some other adhesion molecules might be more important. Nevertheless, the combination of aCD3 and aCXCL10 resulted in a significant and long lasting reduction of aggressive T cells in the pancreas in two independent mouse models. Furthermore a protective immune balance was obtained. Since both antibodies are available for as well as tested in humans and the therapy is only for a short period of time after disease onset, this combination therapy might kick-start a novel therapy for T1D.
Schüler-Schüler-Interaktion wirkt sich als Miteinander-, Nebeneinander- oder auch Gegeneinander-Arbeiten stets auf die bildnerischen bzw. gestalterischen Prozesse im Kunstunterricht aus. Sei es als geplante aktive Zusammenarbeit oder innerhalb bestehender oder sich erst entwickelnder Beziehungen – sowohl auf den Prozess als auch auf die Qualität der bildnerischen Gestaltungen im Kunstunterricht hat die Schüler-Schüler-Interaktion Einfluss: Schülerinnen und Schüler erhalten Ideen im Gespräch mit anderen und werden durch die Werke ihrer Mitlernenden in ihrem eigenen bildnerischen Handeln beeinflusst. Die Zusammenarbeit in Gruppen ist häufig Voraussetzung für die Bewältigung komplexer Gestaltungsaufgaben, etwa beim Erstellen eines Kurzfilms oder dem Bau einer Plastik. Schülerinnen und Schüler sind sich gegenseitig Modelle, Darsteller und Assistenten und geben sich untereinander Rückmeldung zu Zwischenergebnissen und abgeschlossenen bildnerischen Gestaltungen.
Der Ausgangspunkt der Untersuchung ist die Beobachtung, dass sowohl die Schüler-Schüler-Interaktion allgemein als auch die Zusammenarbeit in Gruppen-, Partnerarbeiten und Gemeinschaftsprojekten gemessen an der hier skizzierten Relevanz für die Praxis des Kunstunterrichts in der fachdidaktischen Wissenschaft zu wenig Beachtung finden. Der spezifische Beitrag, den die Zusammenarbeit innerhalb einer Klassengemeinschaft, einer Kursgruppe oder in kleineren Arbeitsgruppen bezogen auf die bildnerischen Prozesse leistet, wird auf theoretischer Ebene in der Kunstdidaktik bzw. -pädagogik kaum untersucht und wissenschaftlich reflektiert. Historische und aktuelle Konzeptionen der Kunstdidaktik bieten keine oder nur sehr wenige Anhaltspunkte, inwiefern sich die Interaktion zwischen den Lernenden auf die Gestaltungsprozesse im Unterricht auswirkt und ob und wie diese bei der Planung und Durchführung von Kunstunterricht genutzt werden kann.
Dies muss vor dem Hintergrund aktueller gesellschaftlicher Entwicklungen noch kritischer gesehen werden, denn dort erlangen Interaktion und Kollaboration in verschiedenen Bereichen immer mehr den Status eines Wertes an sich, was hier durch den Verweis auf die immer größere Bedeutung sozialer Netzwerke, Online-Communities und kollaborativer Wissensplattformen nur angedeutet werden soll. Auch in der Bildenden Kunst werden zunehmend interaktive oder kollaborative Strategien verfolgt: Künstlerinnen und Künstler gehen bspw. vermehrt temporäre, projektbezogene Kollaborationen ein, Ausstellungen werden zunehmend von Gruppen oder Kollektiven kuratiert.
Der offenen Frage nach den Wechselbeziehungen bildnerischer und sozialer Prozesse in Gruppen im Kunstunterricht geht die Untersuchung als qualitativ-empirische Unterrichtsforschung in Form einer kunstpädagogischen Praxisforschung nach. Schwerpunktmäßig an und mit den Jugendlichen einer von der Autorin unterrichteten Kunst-Leistungskursgruppe wird über den Zeitraum eines Schulhalbjahres hinweg untersucht, welchen Einfluss die Schüler-Schüler-Interaktion bei unterschiedlichen Sozialformen und projektartigen Aufgabenstellungen auf den Kunstunterricht hat. Neben der reflektierten und theoretisch fundierten Beobachtung durch die Forscherin bzw. Lehrerin bilden die Perspektiven der Lernenden, d. h. ihre subjektiven Erfahrungen, Wahrnehmungen und Einschätzungen, den wesentlichen Zugang zur Klärung der Forschungsfragen. Die durch Fokus-Interviews mit einzelnen Schülerinnen und Schülern sowie Videografie erhobenen Daten werden hierfür in einer phänomenologischen Analyse ausgewertet. Die Untersuchung der Schüler-Schüler-Interaktion wird mit einer weiteren Fallstudie in einem nicht von der Autorin selbst unterrichteten Kunst-Leistungskurs trianguliert und der Blick auf den Forschungsgegenstand dadurch erweitert. Im Rahmen dieser Teilstudie formulieren Kursteilnehmende in Anlehnung an das partizipatorische Forschungsverfahren Photovoice im Medium der Fotografie gemeinsam Aussagen über ihre Kursgruppe und bearbeiten diese in einer Gruppendiskussion kommunikativ.
Aus der Konzeption als Praxisforschung ergibt sich der Anspruch, durch die Untersuchungsergebnisse nicht nur einen Beitrag zur Klärung der fachdidaktisch noch wenig beachteten Wechselbeziehungen zwischen sozialen und bildnerischen Prozessen zu leisten, sondern auch durch eine Rückführung der Forschung in die Unterrichtspraxis zu einer konkreten, empirisch begründeten Veränderung des Unterrichtshandelns der Lehrerin-Forscherin zu gelangen.
Rotary adenosine triphosphate (ATP)ases are ubiquitous, membrane-bound enzyme complexes involved in biological energy conversion. The first subtype, the so-called F1Fo ATP synthase, predominantly functions as an ATP synthesizing machinery in most bacteria, mitochondria and chloroplasts. The vacuolar subtype of enzyme, the V1Vo ATPase, operates as an ATP driven ion pump in eukaryotic membranes. The subtype found in archaea and some bacteria is called A1Ao ATP (synth)ase and is capable of working in both directions either to synthesize ATP or to generate an ion motive force by consuming the same.
All the three above-mentioned subtypes of rotary ATPases work as nanomolecular machines sharing a conserved mechanism to perform the energy conservation process. The simplest form of these enzymes is the bacterial F1Fo ATP synthase. Here, ions are channelled via the membrane stator subunit a to the rotor ring of the enzyme. After almost a complete rotation of the ring the ions are released again on the other side of the membrane. This rotation is further transmitted via the central stalk to the soluble part of the enzyme, the F1-complex, where conformational changes within the nucleotide binding sites result in the synthesis of ATP from ADP and Pi.
The rotor or c-ring of the enzyme is the key protein complex in mediating transmembrane ion translocation. Several structural and biochemical methods have been applied in the past years to study the rotor rings from many different organisms. The results revealed that the stoichiometry of a c-ring of a given species is constant while it can vary between different species within a range of 8 to 15 c subunits. The c-ring stoichiometry determines directly the number of ions transported through Fo per rotation whereby three molecules of ATP are concurrently synthesized in the water-soluble F1 headgroup. Hence the number of c subunits has an important influence on the bioenergetics of the corresponding enzyme and thus the entire organism.
The c-ring of a rotary ATPase is able to specifically bind either protons (H+) or sodium ions (Na+) as the coupling ion for the enzyme. Several structures are already available revealing the coordination network of both types of rotor rings. In each case ion binding includes a highly-conserved carboxylic acid residue (glutamate or aspartate), in addition to a more varying combination of amino acid residues, whereby Na+ coordination is structurally more demanding than H+ binding.
In the first part of my PhD thesis, I aimed to characterize the F1Fo ATP synthase rotor ring of the opportunistic pathogenic bacterium Fusobacterium nucleatum on a functional and structural level. F. nucleatum is an anaerobic bacterium which uses peptides and amino acids as a primary energy source. It is one of the most frequently occuring bacteria in human body infections and involved in human periodontal diseases.
The protein complex was heterologously expressed within a hybrid ATP synthase in Escherichia coli and purified without an affinity tag for further analysis. Two high resolution X-ray structures of the c-ring were solved at low (5.3) and high (8.7) pH to 2.2 and 2.64 Å, respectively. In both structures, the conserved glutamate is in an ion-locked conformation, revealing that the conformational state of the ion binding carboxylate is not depending on the pH of the crystallization condition, which is in good agreement with previous structural and biochemical studies of other c-rings.
A Na+ ion is present within the c-ring binding site and directly coordinated by four amino acid residues and a structural water molecule. Remarkably, the Na+ is bound by two glutamate residues instead of one as is the case in the I. tartaricus Na+ binding c-ring, of which the first high resolution X-ray structure of a c-ring has been solved in 2005. Thus, a new type of Na+ coordination in an ATP synthase rotor ring with a two-carboxylate ion binding motif is described here, which also occurs in other bacteria, including several pathogens. Na+ specificity of the investigated c-ring was further confirmed by a competitive biochemical labeling reaction performed with a fluorescent ATP synthase inhibitor molecule (N-cyclohexyl-N`-[4(dimethylamino)-α-naphtyl] carbodiimide, NCD-4).
We furthermore complemented our functional and structural data of the F. nucleatum c-ring by computational studies to explore the ion translocation mechanism of this enzyme in more details. We therefore analyzed the protonation state of the second, additional glutamate in the ion binding site. Molecular dynamics (MD) simulations and free-energy calculations indicated that this glutamate is constitutively protonated, in the ion-locked as well as in a simulated, more hydrated open-conformation of the ion binding glutamate as when it is travelling through the a/c-ring interface upon c-ring rotation.
Resistance in glucocorticoid-induced apoptosis is associated with poor prognosis for long term survival in childhood acute lymphoblastic leukemia (ALL). As Smac mimetics have been shown to reactivate apoptosis by antagonizing Inhibitor of Apoptosis (IAP) proteins, we investigate the potential of the Smac mimetic BV6 to overcome glucocorticoid-resistance in ALL. This study shows that BV6 synergistically cooperates with glucocorticoids to trigger apoptosis and to suppress clonogenic growth of pediatric ALL cells. Of note, the BV6/glucocorticoid combination treatment also induces cell death in cells having defects in the apoptotic signaling cascade by inducing a switch from apoptotic to necroptotic cell death. The clinical relevance of our novel combination treatment is underscored by parallel experiments in primary pediatric ALL samples, in which glucocorticoids and BV6 act together to induce cell death in a synergistic manner. Importantly, the addition of BV6 enhances the anti-leukemic effects of glucocorticoids in an in vivo mouse model of pediatric ALL without causing substantial side effects, highlighting the potency of a BV6/glucocorticoid combination treatment. In contrast, BV6 does not increase cytotoxicity of glucocorticoids against several non-malignant cell types of the lympho-hematopoietic system. Furthermore, we have identified the novel underlying mechanism of BV6/glucocorticoid-induced apoptosis by showing that BV6 and glucocorticoids synergistically act together to promote assembly of the ripoptosome, a RIP1/FADD/caspase-8-containing cell death complex. Ripoptosome assembly is critically required for BV6/Dexamethasone-induced cell death, since genetic silencing of its members, i.e. RIP1, reduces ROS production, caspase activation and most importantly cell death induction. BV6/glucocorticoid combination treatment promotes ripoptosome assembly by inhibition of both of its negative regulators, IAP proteins and cFLIP. Thus, we identify that BV6 and glucocorticoids cooperate together to reduce cIAP1, cIAP2 and XIAP protein levels and cFLIP expression. Ripoptosome formation occurs independently of autocrine/paracrine loops of death receptor ligands, since blocking antibodies for TNFα, TRAIL or CD95L or genetic silencing of their corresponding receptors fail to rescue BV6/glucocorticoid-induced cell death. In summary, this study shows that the Smac mimetic BV6 sensitizes for glucocorticoid-induced apoptosis by promoting ripoptosome assembly with important implications for the treatment of childhood ALL.
Patienten mit einer BCR/ABL positiven (Ph+) akuten lymphatischen Leukämie (ALL) bilden die größte genetisch definierte Untergruppe der ALL und gelten wegen ihrer schlechten Prognose als Höchstrisiko ALL. Die bisherigen Therapieergebnisse werden durch die Kombination von Tyrosin-Kinase-Inhibitoren (TKI) wie Imatinib und Chemotherapeutika verbessert, sind aber durch das Auftreten von Resistenzen gegen TKI in ihrer langfristigen Wirkung limitiert. Die derzeitige Forschung fokussiert sich weitestgehend auf konstitutive aktive Kinasen, die für die leukämische Transformation verantwortlich sind. Allerdings kann die Deregulation von Phosphatasen, die als Gegenspieler von Kinasen fungieren, durch eine verminderte Inaktivierung dieser Kinasen, ebenso zur Leukämogenese beitragen, indem ihre physiologische Funktion vermindert wird. Im Vorfeld konnte bereits gezeigt werden, dass die deregulierte Protein Tyrosin Phosphatase 1B (PTP1B) bei Ph+ Leukämien eine partielle Resistenz gegenüber TKI vermitteln kann.1 Darüber hinaus zeigen von Juric et al. (2007)2 publizierte Microarrays von 54 Ph+ ALL Patienten eine transkriptionelle Hochregulierung der Phosphatase „Supressor of T-Cell receptor Signalling 1“ (STS-1).2 STS-1 (TULA-2) gehört zusammen mit STS-2 (TULA-1) zur Familie der STS/TULA Proteine, von denen keine weiteren Mitglieder bekannt sind. STS-1 dephosphoryliert diverse Rezeptor-Tyrosin-Kinasen wie z.B. den T-Cell Receptor (TCR) und den Epidermal-Growth-Factor Receptor (EGFR) und verhindert somit deren Internalisierung und proteosomalen Abbau.3 Weitere durch STS-1 dephosphorylierte Substrate sind die Proteintyrosinkinase Syk, die eine wichtige Rolle bei der Signalweiterleitung des B-Cell-Receptors (BCR) spielt sowie andere SRC-Kinasen (z.B. FYN).4 Aufgrund der oben beschriebenen Zusammenhänge zwischen STS-1 und der Ph+ ALL ist die Untersuchung einer möglichen funktionellen Bedeutung von STS-1 bei der Entwicklung einer mutationsunabhängigen Resistenz von Ph+ ALL Inhalt dieser Arbeit. Als Modellsystem dienen in der hier vorliegenden Arbeit aus der BCR/ABL Zelllinie Sup B15 abgeleitete TKI resistente Zellen (Sup B15 RT). Imatinib ist in diesen immer noch in der Lage BCR/ABL zu binden und führt zu einer Verschiebung der Dosiswirkungskurve ohne Apoptose zu induzieren. Mutationen in der Tyrosinkinase Domäne von BCR/ABL konnten als zugrunde liegender Resistenzmechanismus durch Sequenzanalysen ausgeschlossen werden, ebenso wie zusätzliche Translokationen oder genomischen Amplifikationen von BCR/ABL. Eine Analyse der STS-1 Expression zeigte sowohl transkriptionell als auch auf Proteinebene eine deutliche Herunterregulierung von STS-1 in Sup B15 RT Zellen. Die Interaktion zwischen STS-1 und BCR/ABL wurde in verschiedenen Zellmodellen gezeigt. Dabei konnten bezüglich der Interaktion keine Unterschiede zwischen dem p210BCR/ABL und p185BCR/ABL Fusionsprotein festgestellt werden. Auch die „Gatekeeper“ Mutation T315I hatte keinen Einfluss auf die Interaktion. Die Unabhängigkeit der Bindung von STS-1 und BCR/ABL von einer aktiven BCR/ABL Kinase wurde durch die Zugabe von Imatinib gezeigt. Lediglich auf endogenem Level konnte eine Imatinib vermittelte Reduktion der Interaktion nachgewiesen werden. Durch die Verwendung unterschiedlich trunkierter BCR/ABL Proteine wurde gezeigt, dass STS-1 sowohl mit c-ABL als auch mit dem ABL-Anteil von BCR/ABL interagiert und dass eine Oligomerisierung für diese Interaktion nicht notwendig ist. Als Folge der Interaktion kommt es zu einer Dephosphorylierung von BCR/ABL durch STS-1, wobei vor allem die im ABL Anteil lokalisierten und für die Autophosphorylierung wichtigen Tyrosine 245 und 412 dephosphoryliert werden. Mittels eines Proliferations-Kompetitions-Assay konnte gezeigt werden, dass STS-1 sowohl die Proliferationsrate reduziert als auch erheblich die Sensitivität von SupB15 RT Zellen gegenüber Imatinib steigert. Dieser Befund steht im Einklang mit der Annahme, dass diese Sensitivitätssteigerung durch eine gegenüber den sensitiven Sup B15 WT deutlich verminderte STS-1 Expression bedingt ist. Dexamethason in klinisch relevanten Konzentrationen (10-6 M - 10-9 M) konnte sowohl in SupB15 WT als auch in SupB15 RT Zellen die STS-1 Expression um ein Vielfaches steigern und führte in Kombination mit 1 μM Imatinib sogar in den resistenten Zellen zu einer hoch signifikanten Inhibition der Proliferation sowie einer gesteigerten Apoptose. Die Resultate dieser Arbeit rücken Phosphatasen und im speziellen STS-1 in einen stärkeren Fokus, wenn es um die Bildung von Resistenzen geht. Dadurch können sich eine Vielzahl neuer Behandlungsstrategien sowie neue Ansätze für die klinische Wirkstoffforschung ergeben.
Die hier vorliegende Dissertation befasst sich mit der Synthese von Naturstoffen aus Xenorhabdus und Photorhabdus spp. Da 6,0 - 7,5% ihres Genoms Sekundärmetabolit Clustern zuzuordnen sind, gelten diese entomopathogenen Bakterien als vielversprechende Naturstoffproduzenten. Die Palette der von ihnen produzierten Naturstoffe reicht von Antibiotika über Insektizide bis hin zu potentiellen Zytostatika. Die im Rahmen dieser Arbeit synthetisierten und charakterisierten Substanzen lassen sich in vier Kategorien einteilen: kleine Sekundärmetabolite (Phurealipide), zyklische Makrolaktame (Xenotetrapeptide, GameXPeptide und Ambactin), zyklische Makrolaktone (Szentiamide, Xentrivalpeptide und Xenephematide) und methylierte lineare Peptide (Rhabdopeptide und Rhabdopeptid-ähnliche Moleküle).
Terézia Mora zählt zu den renommiertesten Übersetzerinnen aus dem Ungarischen und erhielt für ihr schriftstellerisches Werk bereits zahlreiche Auszeichnungen. Ihr literarisches Debüt, der Erzählband Seltsame Materie (1999) wurde sowohl mit dem Ingeborg-Bachmann-Preis (1999) als auch mit dem Adelbert-von-Chamisso-Förderpreis im Jahr 2000 bedacht. Ihr Romandebüt Alle Tage (2004) wurde unter anderem mit dem Mara-Cassens-Preis ausgezeichnet. 2009 erschien der erste Teilband der angekündigten Trilogie um den Protagonisten Darius Kopp Der einzige Mann auf dem Kontinent. Es folgte 2013 der zweite Teil Das Ungeheuer, für welchen Terézia Mora den Deutschen Buchpreis im selben Jahr erhielt.
In ihrer Laudatio im März 2010, anlässlich der Verleihung des Adelbert-von-Chamisso Preises, bezeichnet Sigrid Löffler Terézia Mora nicht nur als herausragende Übersetzerin, sondern auch als Schriftstellerin, die ihre „Herkunftsregion literaturfähig“ gemacht habe...
Ziel dieser Arbeit, die im Rahmen der Ice Nuclei Research Unit (INUIT) Forschergruppe erstellt wurde, war ursprünglich die saisonale und geographische Variabilität von bodennahen Eiskeimen zu untersuchen. Die Konzentrationen, Quellen und Zusammensetzung der Eisnuklei (ice nuclei, IN) sollte als Basis für Parametrisierungen dienen. Das Verständnis von Eiskeimen und deren Einfluss auf Wetter und Klima sind nur zum Teil bekannt und bedürfen daher noch weitgehender Forschung. Auch die Änderung der Eiskeimkonzentration mit der Zeit kann von Bedeutung sein, diese sollte durch die Fortführung einer Langzeitmessreihe untersucht werden. Durch Hinzuziehen von lokalen Parametern und Trajektorien sollten Proxies für die IN Konzentration ermittelt werden.
Im Rahmen dieser Arbeit taten sich jedoch Probleme am Messverfahren auf, weshalb die ursprünglichen Ziele in den Hintergrund gerieten und die Verbesserung und Neuaufnahme des Messverfahrens in den Vordergrund trat. Anhand von zielgerichteten Experimenten wurde ein Messfehler ermittelt, der durch die vorherige Fehlinterpretation von deliqueszierenden Partikeln und von Tröpfchen als vermeintliche Eiskristalle entstand. Dieser Fehler wurde charakterisiert und durch optische Analysen dessen Ursprung ermittelt. Datensätze, die durch diese hygroskopischen Partikel fehlerbehaftet waren, wurden korrigiert und reanalysiert. Ein in früheren Arbeiten am Taunus Observatorium/Kleiner Feldberg ermittelter Jahresgang in der Eiskeimkonzentration mit einem Maximum im Sommer und einem Minimum im Winter konnte bestätigt werden, die Absolutzahlen sind jedoch deutlich geringer als bisher angenommen. Lokale Parameter sowie Trajektorien wurden zur weiteren Analyse hinzugezogen.
Die Reevaluierung der Datensätze vom Taunus Observatorium führte zu keinem abschließenden Ergebnis. Ein allgemein gültiger Zusammenhang zwischen Eiskeimkonzentration und Parametern, welche das Staubvorkommen in der Atmosphäre quantifizieren (PM10 und Aerosol Optische Dicke), konnte nicht festgestellt werden. Da die Messungen bei relativ warmen Bedingungen (≥-18°C) durchgeführt wurden, Staub aber erst bei kälteren Temperaturen als effektiver Eiskeim gilt, ist dieses Ergebnis jedoch zu erwarten gewesen.
Auch die Luftmassenherkunft scheint keinen eindeutigen Einfluss zu haben. Betrachtungen der Bodenfeuchte lieferten signifikante Korrelationen, welche jedoch monatsabhängig positiv oder negativ ausfallen können. Im Frühling ist eine hohe Bodenfeuchte mit einer erhöhten Konzentration von IN in Verbindung zu bringen, im Sommer liegt bei niedriger Bodenfeuchte eine tendenziell höhere Eiskeimkonzentration vor. Die Windrichtung hat für die Eiskeimkonzentration einen Einfluss, wenn der Wind aus Südost zum Taunus Observatorium strömt. Anthropogenes Aerosol aus Frankfurt am Main hemmt hier vermutlich die Eisbildung, was zu einer signifikant niedrigeren mittleren Konzentration aus dieser Richtung führt.
Da das Messverfahren noch nicht in seinem vollen Potential genutzt wurde, wurde es um eine Analysemethode erweitert. Mittels Tröpfchengefrierexperimenten konnte ein weiterer Gefriermodus betrachtet werden. Nun deckt das hier genutzte Messverfahren drei der vier bekannten Gefriermoden ab. Anhand von Testsubstanzen wurde die Zuverlässigkeit der neu eingeführten Methode überprüft und nachgewiesen.
Erste Parallelproben der korrigierten Depositions- und Kondensationsgefriermessmethode und der neu eingeführten Immersionsgefriermessung wurden am Taunus Observatorium/Kleiner Feldberg genommen. Dabei wurde auch ein Staubereignis beprobt und detailliert ausgewertet. Zwischen lokalen Parametern und Eiskeimkonzentration fanden sich Zusammenhänge. Bei Messbedingungen <-20°C konnte ein signifikanter Zusammenhang zwischen PM10 und Eiskeimkonzentration im Immersions- und Kondensationsmodus gefunden werden. Der Depositionsgefriermodus blieb unauffällig. Zwischen Bodenfeuchte und IN-Konzentration konnten ebenfalls wie bei der Reevaluierung der alten Messdaten Signifikanzen festgestellt werden.
Die neu eingeführte Immersionsmessmethode und die korrigierte Methode zur Bestimmung von Depositions- und Kondensationsgefrierkernen liefern Messdaten, welche im Bereich anderer Eiskeimzähler liegen. Vergleiche mit Parametrisierungen zeigen, dass die Messwerte dem aktuellen Stand der Forschung entsprechen und davon ausgegangen werden kann, dass sie vertrauenswürdig und belastbar sind.
During my thesis, I worked on two different membrane proteins. One is a bacterial secondary transporter and the second is a human mitochondrial calcium channel.
The first part of my thesis involves the structural and biochemical characterization of an L-carnitine/ γ-butyrobetaine antiporter from bacteria called CaiT. The aim of the project was to understand the Na+ independence of CaiT and to determine the crystal structures of CaiT in different conformations to expand the mechanistic understanding of substrate/ product antiport in CaiT.
The study revealed how a positively charged amino acid side chain (arginine 262) in CaiT could structurally and functionally mimic a sodium ion. Additionally, various crystal structures of CaiT obtained in this study demonstrate that the central substrate-binding site is highly dynamic and can accommodate the substrate in various orientations.
In the second part of my thesis, I was able to optimize the expression and purification conditions for the human mitochondrial calcium uniporter or the MCU. Understanding how this channel functions can help us unravel the mechanism of calcium uptake by mitochondria. Secondary structure prediction analysis in combination with mass spectrometry of degraded MCU products obtained during the purification of the full-length protein led to the identification of a stable MCU construct. This study resulted in the successful purification of milligram quantities of stable MCU protein for the first time. Further optimization may be required to obtain more homogenous protein that is amenable for crystallization.
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 timing and duration of leaf deployment strongly regulate earth-atmosphere interactions and biotic processes. Leaf dynamics therefore have major implications for life on earth, including the global energy balance, carbon and water cycles, feedbacks to climate, species extinction risk and agriculture. Evidence of shifts in the timing of leaf deployment and senescence (leaf phenology) as a result of climate change has been accumulating over the past decades, particularly in relation to spring phenology in the northern hemisphere. However, leaf phenological change in other parts of the world has received less attention. This thesis quantifies global phenological change over the past three decades using remotely sensed data. Phenological change was found to be widespread and severe, also in the southern hemisphere. While the detected change testifies of the phenological plasticity of many plant species, it is not clear if the duration of leaf deployment (leaf habit) is equally sensitive to environmental change. Since evergreen and deciduous leaf habits are often distinctly sorted along environmental gradients, ecologists have hypothesised that these patterns result from natural selection for an optimal leaf habit, under a given environmental regime. Such evolutionary convergence can be examined by testing if the physiological niche that is occupied by a particular leaf habit (evergreen or deciduous) is similar among regions with distinct evolutionary histories. Using a process-based model of plant growth and a constructed map of evergreen and deciduous vegetation, the physiological niche of leaf habits was quantified in four global biogeographic realms. Substantial niche overlap was found between the same leaf habit in different realms, suggesting evolutionary convergence of the physiological niche. This implies a sensitivity of leaf habit to environmental change, as environmental variables determine the geographic space where the physiological niche allows a positive carbon balance, and therefore occurrence of the leaf habit. Since the physiological niche consists of the integrated effects of physiological traits and trade-offs, environmental dependencies and leaf habit and phenology, an understanding of the carbon economy of individual plants requires decomposing the physiological niche into its components. Using empirical data on leaf phenology, leaf habit and physiological processes from woody species in a seasonally dry African savanna, a simple carbon balance model was parametrised. Carbon gain varied considerably between species as a result of substantial variation in leaf habit, leaf phenology and physiological traits. The multiple lines of evidence in this thesis therefore suggest that, while convergent selective forces may determine the dominant leaf habit in a particular environment, inter-specific variation is substantial, potentially as a consequence of historical contingencies or competitive interactions.
In the qualitative analysis of solutions of partial differential equations, many interesting questions are related to the shape of solutions. In particular, the symmetries of a given solution are of interest. One of the first more general results in this direction was given in 1979 by Gidas, Ni and Nirenberg... The main tool in proving this symmetry and monotonicity result is the moving plane method. This method, which goes back to Alexandrov’s work on constant mean curvature surfaces in 1962, was introduced in 1971 by Serrin in the context of partial differential equations to analyze an overdetermined problem...
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der numerischen Behandlung elasto-plastischer Materialmodelle unter großen Deformationen. Elasto-plastisches Materialverhalten zeichnet sich dadurch aus, dass neben den reversiblen (elastischen) Deformationen auch irreversible (plastische) Deformationen betrachtet werden, die einem Evolutionsgesetz folgen. Ein numerischer Algorithmus der Elasto-Plastizität muss daher dieses plastische Evolutionsgesetz zusammen mit den klassischen Erhaltungsgleichungen der Kontinuumsmechanik lösen und geeignet behandeln. Der prominenteste Vertreter eines elasto-plastischen Algorithmus' ist der sogenannte Return-Mapping-Algorithmus (RMA). Neben seiner Funktionalität werden allerdings auch die einschränkenden Modellannahmen beleuchtet, auf denen der RMA gründet. Diese beschränkte Anwendungsmöglichkeit motiviert die Entwicklung eines neuen Plastizitätsalgorithmus'. Der in dieser Arbeit entwickelte Verallgemeinerte Plastizitätsalgorithmus (GPA: Generalised Plasticity Algorithm) führt eine zusätzliche Linearisierung bezüglich der plastischen Variable ein, in der das plastische Evolutionsgesetz formuliert ist. In der vorliegenden Arbeit ist diese Variable durch den plastischen Deformationstensor gegeben, der die Inverse des plastischen rechten Cauchy-Greenschen Deformationstensors beschreibt. Somit erlaubt der GPA eine Behandlung von allgemeineren und komplexeren elasto-plastischen Modellen als der RMA.
Anhand von bekannten Benchmark-Problemen werden die beiden Algorithmen in dieser Arbeit validiert und verglichen. Ein numerischer Test zur Poroplastizität unter großen Deformationen dient schließlich als Beleg dafür, dass der GPA auf Modelle anwendbar ist, die durch komplexes elasto-plastisches Materialverhalten charakterisiert sind und für die der RMA in seiner klassischen Form nicht als Lösungsstrategie gewählt werden kann.
Neben der Entwicklung des Verallgemeinerten Plastizitätsalgorithmus' hat diese Arbeit das Ziel industrielle Anwendungen effizient zu lösen. Dazu wird für ein Problem der linearen Elastizität der effiziente Einsatz des Mehrgitterlösers bis zu einer viertel Million Prozessoren gezeigt und es werden elasto-plastische Rechnungen für zwei industrielle Beispiele mit einer anspruchsvollen Geometrie durchgeführt.
Written during the fin de siècle, a period known as one of “sexual anarchy,” Ménie Muriel Dowie’s feminist Gallia (1895) joins the literary works of famous writers like Mona Caird or Sarah Grand. Wells. But although her novel covers the most explosive topics of the nineteenth century, namely degeneration and the female pursuit of emancipation, Dowie does not achieve great distinction as the limited se-lection of secondary literature on Gallia confirms. From my point of view, this has mostly to do with Dowie’s radical ideas on maintaining Britain’s health and su-premacy, as well as with the novel’s unconventional structure according that makes it hard to say what Dowie actually drives at. Superficially, Gallia might look like a conventional, but failed love-story with a strong and feminist heroine. But on sec-ond glance, one realises that some more important structure underlies this stereo-type-looking plot. Dowie’s creed is not that man is the measure – although the pub-licly powerful positions in this novel are all held by male characters – but that women set the new benchmarks for Britain’s society by secretly pulling the strings in order to disengage from male dominance.
Protein folding in cells is regulated by networks of chaperones, including the heat shock protein 70 (Hsp70) system, which consists of the Hsp40 cochaperone and a nucleotide exchange factor. Hsp40 mediates complex formation between Hsp70 and client proteins prior to interaction with Hsp90. We used mass spectrometry (MS) to monitor assemblies formed between eukaryotic Hsp90/Hsp70/Hsp40, Hop, p23, and a client protein, a fragment of the glucocorticoid receptor (GR). We found that Hsp40 promotes interactions between the client and Hsp70, and facilitates dimerization of monomeric Hsp70. This dimerization is antiparallel, stabilized by post-translational modifications (PTMs), and maintained in the stable heterohexameric client-loading complex Hsp902Hsp702HopGR identified here. Addition of p23 to this client-loading complex induces transfer of GR onto Hsp90 and leads to expulsion of Hop and Hsp70. Based on these results, we propose that Hsp70 antiparallel dimerization, stabilized by PTMs, positions the client for transfer from Hsp70 to Hsp90.
We previously reported that aberrant HH pathway activation confers a poor prognosis in rhabdomyosarcoma (RMS). Searching for new treatment strategies we therefore targeted HH signaling. Here, we identify a novel synthetic lethality of concomitant inhibition of HH and PI3K/AKT/mTOR pathways in RMS by GLI1/2 inhibitor GANT61 and PI3K/mTOR inhibitor PI103. Synergistic drug interaction is confirmed by calculation of combination index (CI < 0.2). Similarly, genetic silencing of GLI1/2 significantly increases PI103-induced apoptosis. GANT61 and PI103 also synergize to induce apoptosis in cultured primary RMS cells emphasizing the clinical relevance of this combination. Importantly, GANT61/PI103 cotreatment suppresses clonogenic survival, three-dimensional sphere formation and tumor growth in an in vivo model of RMS. Mechanistic studies reveal that GANT61 and PI103 cooperate to trigger caspase-dependent apoptosis via the mitochondrial pathway, as demonstrated by several lines of evidence. First, GANT61/PI103 cotreatment increases mRNA and protein expression of NOXA and BMF, which is required for apoptosis, since knockdown of NOXA or BMF significantly reduces GANT61/PI103-induced apoptosis. Second, GANT61/PI103 cotreatment triggers BAK/BAX activation, which contributes to GANT61/PI103-mediated apoptosis, since knockdown of BAK provides protection. Third, ectopic expression of BCL-2 or non-degradable phospho-mutant MCL-1 significantly rescue GANT61/PI103-triggered apoptosis. Fourth, GANT61/PI103 cotreatment initiate activation of the caspase cascade via apoptosome-mediated cleavage of the initiator caspase-9, as indicated by changes in the cleavage pattern of caspases (e.g. accumulation of the caspase-9 p35 cleavage fragment) upon addition of the caspase inhibitor zVAD.fmk. Thus, combined GLI1/2 and PI3K/mTOR inhibition represents a promising novel approach for synergistic apoptosis induction and tumor growth reduction with implications for new treatment strategies in RMS.
Habituation ist eine der einfachsten Formen des Gedächtnisses. Hierbei handelt es sich um die erlerne Gewöhnung an einen harmlosen Reiz. Dies bedeutet, dass nach mehrfacher wiederholter Repräsentation eines harmlosen Reizes die Reaktion darauf stetig abnimmt, bis sie völlig zum erliegen kommt. Je nach Trainingsprotokoll kann diese Gewöhnung bis zu mehren Tagen andauern. Habituation ist hoch konserviert und ein Verhaltensmuster, dass auch bei sehr einfachen vielzelligen Organismen zu finden ist und untersucht werden kann. Zur Untersuchung des Zusammenspiels innerhalb eines neuronalen Netzwerkes, welches für die Habituation des Rückzugsreflexes (Ausweichreaktion nach Berührung) verantwortlich ist wurde hier der Fadenwurm Caenohabditis elegans (C. elegans) als Modell Organismus verwendet. Aufgrund seines einfachen, nur 302 Zellen umfassenden, Nervensystems eignet sich C. elegans sehr gut für Grundlagenforschung in diesem Bereich. Das neuronale Netzwerk, das verantwortlich ist für den Rückzugsreflex ist in drei Ebenen organisiert. Wahrgenommen wird der Reiz von sensorischen Neuronen (ASH, ALM, AVM, PLM, PVM). Die Weiterleitung erfolgt über verschiedene Interneuronen (AVA, AVB, AD, AVE, PVC) hin zu den Motorneuronen, welche die Muskeln enervieren und somit die Reaktion auf den in erster Ebenen wahrgenommen Reiz auslösen.
Mit Hilfe von optogenetischen Werkzeugen wurde hier Untersucht welche Rolle einzelne Zellen innerhalb dieses Netzwerkes innehaben und an welcher Stelle innerhalb des Netzwerkes die kurzzeitige Habituation des Reizes, nach einem Einfachen Lernprotokoll stattfindet. Zuerst musste eine Möglichkeit gefunden werden die zur Verfügung stehenden optogenetischen Werkzeuge zellspezifisch zu exprimieren. In dieser Arbeit wurden hierfür Rekombinasesysteme verwendet, die es ermöglichten zur Expression eine Kombination aus 2 verschiedenen Promotoren zu verwenden. Beide Promotoren dürfen hierbei nur in einer Zelle, der Zielzelle, überlappen. Es konnte zellspezifische Expression des Kationenkanals Chanelrhodopsin 2 (ChR2) in den beiden Zellparen AVAL/R und ASHL/R (nimmt aversive Reize wahr) erreicht werden.
Zur Untersuchung der Habituation wurde zusätzlich noch ein Wurmstamm verwendet, welcher ChR2 unter dem mec-4 Promotor exprimiert. ChR2 ist hier in den Mechanorezeptorneuronen (MRN) ALM, AVM, PLM und PVM exprimiert. Die hier durchgeführten Experimente deuten darauf hin das den MRNs die Größte Rolle bei der Ausbildung einer Habituation zukommt. Es gibt jedoch auch Hinweise darauf, dass AVA zusätzlich eine Rolle spielt.
Im weiteren Verlauf der Arbeit wurde die Rolle von AVA genauer untersucht. AVA gilt als der Hauptsignalgeber für eine Rückwärtsbewegung (spontan und nach Reizempfang). Es konnte gezeigt werden dass eine Unterbrechung der ’Gap Junktionen’ zwischen AVA und PVC eine stärkere Reaktion zur Folge haben. AVA scheint also durch PVC inhibiert zu werden. Ebenfalls mit AVA direkt interagierende Neuronen sind AVD und AVE. Mit den hier zur Verfügung stehenden Mitteln konnte die genaue Modulation von AVA durch diese Zellen jedoch nicht gezeigt werden.
In dieser Arbeit konnte der Grundstein für eine funktionale Aufklärung des Nervensystems von C. elegans gelegt werden. Vor allem durch die Möglichkeit der zellspezifischen Expression kann es zukünftig gelingen das Zusammenspiel der einzelnen Nervenzellen und ihren Anteil an einem bestimmtem Verhalten zu Untersuchen.
Vom Übermaß an Licht
(2015)
Das Licht gilt uns als "das" Signum von Humanität, Aufklärung, Erkenntnis und Fortschritt, aber im Theater "übersehen" wir das Licht meist oder reduzieren seinen Einsatz auf eine technische Dienstleistung, die mit "hoher Kunst" scheinbar nichts zu tun hat. Woher kommt das? Und welche Gründe sprechen dafür, dem Licht im Theater mehr Aufmerksamkeit zu schenken, als es viele Zuschauer, Theaterwissenschaftler und Theaterschaffende derzeit tun? Antworten lassen sich unter anderem bei Michel Foucault, Friedrich Schiller und Adolphe Appia finden.
"Die Strahlen der Sonne vertreiben die Nacht" : Licht und Schatten im (Musik-)Theater der Vormoderne
(2015)
Bis zur Mitte des 18. Jahrhunderts waren Akteure und Zuschauer in einem geschlossenen Theaterraum gleich stark beleuchtet, wenn auch nur mit Kerzen und Öllampen. Erst danach geriet die Bühne – nicht ohne Protest der Besucher – ins Zentrum der Beleuchtung. Auf der Opernbühne führte der Einsatz der Kohlenbogenlampe, auch "Prophetensonne" genannt, im 19. Jahrhundert zu einem radikalen Umbruch: Endlich konnten Übergänge vom Dunkel zum Licht musikalisch und szenisch realisiert werden.
"Lichtspielhaus" – so nannten sich die Kinopaläste in früheren Zeiten gern. Eine große Rolle spielt das Licht schon bei der Produktion der Filme: Der gezielte Einsatz von Licht beim Dreh beeinflusst subtil die Wahrnehmung des Publikums. Das wussten schon die Pioniere des Kinos zu Beginn des 20. Jahrhunderts geschickt zu nutzen. Die Grundtechnik hat sich bis heute kaum geändert.
Mit der Möglichkeit, Glas als Baustoff zu verwenden, beginnt die Ära der modernen Architektur. Bruno Traut gilt als einer der wichtigsten Protagonisten dieser expressionistischen Phase. Mit seinen funkelnden Kristallarchitekturen in den Alpen schuf er zumindest auf dem Papier Visionen von besonderer Strahlkraft. Im Geheimbund "Gläserne Kette" sahen er und seine Mitstreiter sich als Propheten und "übermenschliche Wächter" aller Künste. Die quasi religiös inspirierte Glasarchitektur wurde schon wenige Jahre später im Staatlichen Bauhaus Weimar durch Gropius' ästhetische Rationalität abgelöst.
The mammalian family of bears (Ursidae) comprises eight extant species, occurring on four different continents. Among them are the iconic and well-known brown and polar bears, both widely distributed across the Northern hemisphere. Their intraspecific genetic structuring has been extensively investigated, albeit with a focus on genetic markers from maternally inherited parts of their genomes (mitochondrial DNA). The evolutionary relationship and divergence time between brown and polar bears have recently triggered an extensive debate, while less focus has been put on to other parts of the ursid phylogeny, particularly to a clade of three Asian bear species. To date, whole genomes of more than 100 bear individuals from four different species have been sequenced. Yet, one fundamental part of the genome has been largely omitted from specific analyses, in bears as well as in most other mammals: the Y chromosome.
The mammalian Y chromosome provides a unique perspective on the evolutionary history of organisms due to its distinct features, and specifically reflects the patriline because of its male-specific inheritance. The characteristics of this chromosome make it well suited to complement and contrast evolutionary inferences based on other genetic markers, and to uncover processes like sex-biased gene flow and hybridization. The unique insights that can be gained from analyses of Y-linked genetic variation made me utilize this part of the genome to investigate the evolution of male lineages in bears. Studying the patriline is particularly promising in this taxonomic group because of male-biased dispersal and a complex and fast radiation of bears. The analysis of Y-chromosomal genetic markers is thus the common theme of this dissertation: I present the identification of large amounts of Y-chromosomal sequence, the development of male-specific markers from such sequences, and the application of these markers to trace the evolution of male lineages of different bear species.
Specifically, I developed a molecular sex determination system based on the detection of two Y-linked fragments that allows to reliably discriminate between females and males from seven different bear species (Bidon et al. 2013). The approach is highly sensitive, bear-specific, and can be applied in standard molecular laboratories. This makes it valuable in conservation genetics and forensic applications, e.g. to analyze non-invasively collected samples.
Furthermore, I used Y-linked markers in a comprehensive and range-wide sample of brown and polar bears, and show that male-biased gene flow plays an important role in distributing genetic material throughout the ranges of both species (Bidon et al. 2014). In brown bears, I detected a lack of paternal population structuring which is in strong contrast to the detailed structuring of the matriline.
Analyzing Y-chromosomal sequences from all eight bear species, I present a phylogeny of the patriline that largely resembles the topology from other nuclear markers but is different from the topology of the mitochondrial gene tree (Kutschera et al. 2014). This discordance among loci generates interesting hypotheses about inter-species gene flow, particularly among American and Asiatic black bears.
With the identification of almost two million basepairs of Y-chromosomal sequence and the analysis of an unprecedented large male-specific dataset in polar bears, a high-resolution view on the distribution of their intraspecific variation was obtained (Bidon et al. 2015). In particular, two clades that are divergent but do not show pronounced phylogeographic structure were detected, confirming the great dispersal capacity of males of this high arctic species.
This dissertation thus represents a comprehensive investigation of Y-linked genetic variation on the intra- and interspecific level in a non-model organism. With my research, I contribute to an increased understanding of the complex evolutionary history of bears. In particular, I show that male-biased gene flow strongly influences the distribution of nuclear genetic variation, and that the contrast between phylogenies of differentially inherited markers can help to understand interspecific hybridization between closely related species. Moreover, my findings demonstrate the potential of Y-chromosomal markers to uncover unknown evolutionary patterns and processes. This applies not only to bears but to many species, even such that are generally well known and well described.
"Vortreffliche Belichtung!" : die Erfindung des Oberlichts und der Weg zum modernen Kunstmuseum
(2015)
Der Umgang mit Licht ist beim Kuratieren von Ausstellungen und Sammlungspräsentationen von zentraler Bedeutung. Welchen Status erhalten die Exponate, welche Position nehmen sie innerhalb des Raums ein? Werden nur einzelne Objekte im Halbdunkel punktuell angestrahlt und geradezu auratisch inszeniert, oder wird der Raum gleichmäßig ausgeleuchtet? Die Debatte um diese Fragen erhielt durch den Bau der Kasseler Gemäldegalerie 1750 entscheidende Impulse.
"Mehr Licht!", um die "Seele" der Natur zu erfassen – das verband die Impressionisten mit der vorangegangenen Künstlergeneration um Camille Corot. Claude Monet und seine Kollegen suchten die Wälder und Parks auf, um Licht, Atmosphäre und Farbigkeit in ihrer Malerei festzuhalten. Dabei reagierten sie eher intuitiv auf die in jener Zeit intensiv erforschten optischen Gesetzmäßigkeiten.
Als sich am 16. Mai 1891 die Drehkreuze zur Internationalen Elektrotechnischen Ausstellung vor dem Frankfurter Bahnhof öffneten, gab es unter den Besuchern kaum noch Zweifel: Elektrizität und künstliche Helligkeit werden die westliche Zivilisation und ihre urbanen Lebenswelten geradezu revolutionär verändern. Das sollte sich bewahrheiten!
Mond und Sonne spielen als Hauptgestirne in der Mythologie vieler Völker Lateinamerikas eine bedeutende Rolle. Häufig sind sie maßgeblich an der Schöpfung beteiligt und werden mit der Fruchtbarkeit der Pflanzen sowie dem Wohlergehen der Menschen in Verbindung gebracht. Zahlreiche Mythen berichten von den Taten der beiden Gestirne, die manchmal als Geschwister oder auch als Liebespaar gelten.
Dass das Mittelalter "dunkel", gar "finster" gewesen sei, kann als handelsüblicher Topos gelten. Der stillschweigende Verweis etwa auf Autoritäten der Geistesgeschichte wie Luther, Voltaire oder Heine erübrigt jeglichen Beleg. Doch professionelle Mediävisten wagen, ein anderes Mittelalterbild zu zeichnen und werfen gleichzeitig ein Licht darauf, wie es zu diesem falschen Verständnis kam.
Dass nur das sonnenhafte Auge die Sonne erblicken kann, diese These geht wie so vieles letztlich auf Platon zurück. Der griechische Philosoph interessiert sich für Licht nicht in physikalischer, sondern in wahrnehmungstheoretischer Hinsicht. Und diese Hinsicht interessiert ihn wiederum, weil nach seiner Auffassung der Fall des Sehens zur Illustration des rationalen Erfassens von etwas dienen kann.
Leben braucht Licht und den täglichen Wechsel von Licht und Dunkel. Das gilt auch für den Menschen. Licht dient unserer Orientierung – nicht nur im Raum, sondern auch in der Zeit. Der Tag-Nacht-Wechsel ist der wichtigste Umweltreiz für die Taktung unserer Inneren Uhr. Zu wenig Licht am Tag und zu viel Licht in der Nacht kann sie aus dem Takt bringen und zu Schlafstörungen und Depressionen führen.
Photosynthese zwischen Überfluss und Mangel : wie Kieselalgen sich Lichtintensitäten anpassen
(2015)
Kieselalgen können auf hocheffiziente Weise Energie aus dem Sonnenlicht gewinnen. So überleben sie selbst lange Dunkelphasen im Meer. Doch wie schützen sie sich vor zu viel Strahlung, wenn Wind und Strömung sie in seichtes Wasser oder an die Oberfläche treiben? Dahinter steckt ein cleverer Regulations-Mechanismus.
Pflanzen, aber auch einige Bakterien und Archäen verfügen über hocheffiziente Mechanismen, Licht in Energie umzuwandeln. Photovoltaik-Zellen reichen an die Perfektion dieser natürlichen Systeme noch lange nicht heran. Deshalb versuchen Forscher, mit ultraschnellen spektroskopischen Methoden der Natur in die Karten zu schauen und von ihr zu lernen.
Der unscheinbare Fadenwurm "C. elegans" ist einer der ersten und bis heute wichtigsten Modellorganismen der Optogenetik. Zwei Frankfurter Arbeitsgruppen gelang es vor zehn Jahren erstmals, das Tier genetisch mit lichtaktivierbaren Ionenkanälen auszustatten und seine Bewegungen mit Licht zu steuern. Inzwischen studieren Forscher an dem durchsichtigen Wurm auch Prozesse, die für die medizinische Forschung bedeutsam sind – etwa die Entstehung und Behandlung genetisch bedingter Herz-Rhythmus-Störungen.
Mit der Optogenetik hat sich in der Neurowissenschaft eine Revolution vollzogen. Die Optogenetik erlaubt, Nervenzellen einfach mit Licht und mit bis dato nicht gekannter Genauigkeit zeitlich und räumlich elektrodenfrei an- und abzuschalten. Dies wird durch das Einbringen genetisch codierter Lichtschalter, sogenannter mikrobieller Rhodopsine, in den Nervenzellen erreicht. Die Methode, die in Frankfurt und in Regensburg ihren Ursprung genommen hat, wird heute in der Neurobiologie weltweit eingesetzt. Neben der Grundlagenforschung eröffnen sich dank der Optogenetik auch neue biomedizinische Perspektiven zur Gentherapie neurodegenerativer Krankheiten.
"Stellen Sie sich vor, wir könnten einzelne Zellen mit einer Art Fernbedienung von außen steuern", träumt Ralph Wieneke, Juniorgruppenleiter in der Zellulären Biochemie. Licht als Steuerungsquelle habe entscheidende Vorteile, schildert Institutsleiter Robert Tampé: "Es schadet Zellen nicht und kann schnell und sehr genau reguliert werden." Von ihrem Ziel ist die Arbeitsgruppe gar nicht so weit entfernt.
Um das komplizierte Geschehen in der Zelle entschlüsseln zu können, blockieren Forscher oft bestimmte Proteine oder Gene. Eine moderne und elegante Methode besteht darin, Lichtaktivierbare Moleküle als "Schalter" zu verwenden. Die Gruppe von Alexander Heckel entwickelt maßgeschneiderte Moleküle für Biologen, Biochemiker oder Mediziner.
Die Glühbirne hat ausgedient. Auch Energiesparlampen sind nur eine Übergangslösung. Große Hoffnungen richten sich auf organische Leuchtdioden, zumal man daraus auch großflächige und biegsame Displays und Flachbildschirme herstellen kann. Für eines der größten Probleme, das Ausbleichen der blauen Leuchtstoffe, findet man immer bessere Lösungen. Anwendungen, die heute noch wie Science-Fiction klingen, rücken damit in erreichbare Nähe.
Ein Laserblitz von unvorstellbarer Intensität pulverisiert im Labor ein Molekül. Wachsam zeichnen die Instrumente die Flugbahn und Geschwindigkeit jedes Bruchstücks auf. Physiker gewinnen daraus hochpräzise Informationen über die Molekülstruktur. Auch links- und rechtshändige Formen lassen sich unterscheiden.
Der Auflösung mikroskopischer Verfahren ist durch die Beugungsgrenze eine natürliche Schranke gesetzt. Strukturen, die näher als die halbe Wellenlänge des verwendeten Lichts zusammenliegen, können nicht aufgelöst werden. Doch Forscher haben einen Weg gefunden, diese Grenze zu umgehen. Die entstehenden Bilder ähneln dem Pointillismus in der Malerei.
"Mehr Licht!" – so lauteten, glaubt man seinem Arzt Carl Vogel, die letzten Worte des größten deutschen Dichters und Denkers Johann Wolfgang Goethe. Aus der Sicht der Fluoreszenzmikroskopie ist das kein guter Grundsatz. Die Kernidee der Lichtscheiben-Fluoreszenzmikroskopie (LSFM) liegt in der Macht der dunklen Seite. Anders gesagt: Sie folgt dem Prinzip, dass weniger manchmal viel mehr sein kann. Die schonende Beleuchtung empfindlicher Proben bei der LSFM birgt großes Potenzial für die moderne Zell- und Entwicklungsbiologie.
Die Freisetzung von Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW) in die Atmosphäre ist seit Inkrafttreten des Montreal-Protokolls zum Schutz der Ozonschicht im Jahr 1987 reglementiert. Aber die ozonzerstörenden Gase sind äußerst langlebig. Sie können erst in der Stratosphäre, also in Höhen oberhalb von etwa zehn Kilometern, durch kurzwelliges, energiereiches Sonnenlicht gespalten werden. Messungen der FCKW und ihrer Ersatzstoffe am Institut für Atmosphäre und Umwelt erlauben es, die Lebenszeiten dieser Substanzen zu bestimmen und damit auch ihr Potenzial, die Ozonschicht zu schädigen und zur Klimaerwärmung beizutragen. Sie stellen einen wichtigen Beitrag zur Klimaforschung dar.
Aus der Redaktion
(2015)
Vom 26. Juli bis 04. August 2015 veranstaltete die Akademie BURG FÜRSTENECK die 5. Hessische Schülerakademie für die Mittelstufe (Jgs. 7-9). Fünf Jahre Schülerakademie für die Mittelstufe – ein halbes Jahrzehnt Erfahrung und Entwicklung eines Projektes mit 12-15jährigen Schülerinnen und Schülern, hessischen Hochschullehrenden und Kulturschaffenden im Kontext von Engagement und überdurchschnittlicher Begabung!
p-process nucleosynthesis via proton-capture reactions in thermonuclear supernovae explosions
(2015)
Model calculations within the framework of the so-called γ process show an underproduction of the p nucleus with the highest isotopic abundace 92Mo. This discrepancy can be narrowed by taking into account the alternative production site of a type Ia supernova explosion. Here, the nucleus 92Mo can be produced by a sequence of proton-capture reactions. The amount of 92Mo nuclei produced via this reaction chain is most sensitive to the reactions 90Zr(p,γ) and 91Nb(p,γ). Both rates have to be investigated experimentally to study the impact of this nucleosynthesis aspect on the long-standing 92Mo-problem. We have already measured the proton-capture reaction on 90Zr using high-resolution in-beam γ-ray spectroscopy. In this contribution, we will present our preliminary results of the total cross sections as well as the partial cross sections. Furthermore, we plan to measure the 91Nb(p,γ) reaction soon. Due to the radioactive target material, the 91Nb nuclei have to be produced prior to the experiment. The current status of this production will be presented in this contribution.
Triangles of groups have been introduced by Gersten and Stallings. They are, roughly speaking, a generalization of the amalgamated free product of two groups and occur in the framework of Corson diagrams. First, we prove an intersection theorem for Corson diagrams. Then, we focus on triangles of groups. It has been shown by Howie and Kopteva that the colimit of a hyperbolic triangle of groups contains a non-abelian free subgroup. We give two natural conditions, each of which ensures that the colimit of a non-spherical triangle of groups either contains a non-abelian free subgroup or is virtually solvable.
After the mass-vaccination campaign during the influenza A (H1N1) 2009 pandemic, a significant increase in narcolepsy incidence was observed initially in Scandinavia, later in other European countries and recently also in Canada. Narcolepsy is a sleep disease caused by the loss of hypocretin-producing cells in the hypothalamus. Almost all narcolepsy patients carry the HLA-DQB1*0602 allele, giving a link to an autoimmune-mediated process.
Most of the observed narcolepsy cases were correlated to the vaccination with Pandemrix, the most frequently used vaccine in the EU, and a slight connection to Arepanrix was also detected, which was distributed in Canada. Both vaccines were adjuvanted with AS03, suggesting a possible link between AS03 and narcolepsy. No narcolepsy cases were detected with MF59-adjuvanted or non-adjuvanted influenza vaccines. Recent studies reported differences between Pandemrix and Arepanrix and suggested the vaccine rather than the adjuvant as a suspect for narcolepsy development following vaccination. In addition, in China an increase of narcolepsy cases was reported to occur in absence of vaccination. Possible factors and potential additive effects that may have triggered narcolepsy after the pandemic vaccination are being reviewed in this paper.
Fossils are often anatomically and functionally compared to extant model taxa such as Pan, Gorilla, Pongo and modern Homo sapiens to put the respective fossils into the (taxonomical) context of human evolution. Therefore, knowledge of extant hominid anatomy is necessary as well as knowledge of which traits differ between sexes, populations, (sub-)species and taxa, and whether these differences are pronounced enough to separate respective groups. Dental and mandibular structures have been of particular interest in many paleoanthropological studies, simply due to the fact that these morphological structures are most abundant in the human fossil record.
Various studies have addressed questions regarding taxonomy, variation and sexual dimorphism of hominid taxa with regard to dental and mandibular size. Tooth size, however, has almost exclusively referred to crown size, with little focus on root size. The focus on tooth crowns is partly due to roots being embedded in mandibular bone which makes access difficult. With the help of micro-computed tomography (μCT) it is now possible to render virtual 3D models of dental roots and measure these models without harming the original specimens. In addition, measurements are much more precise using μCT data than previous techniques such as 2D x-rays. The present study used 3D models of 231 (first, second and third) molars and 80 mandibles of 53 Pan troglodytes verus (consisting of individuals form the Tai and Liberia populations), 14 Gorilla sp. and 13 Pongo sp. individuals to investigate molar and mandibular sizes within, and between, taxa and populations with regard to sexual dimorphism, variability and taxonomical value. Molar root size was assessed by applying 7 measurements to each molar. Mandibular size was investigated using three different measurements: overall mandibular size, mandibular robusticity (at each molar position) and 15 linear measurements. Overall mandibular size and root measurements were used to investigate the dental and mandibular size relationship. Furthermore, based on data acquired from great apes, how well fossil mandibles (including their dentition) of Australopithecus africanus, Paranthropus sp. and Homo sp. match one or multiple extant hominid taxa was examined Overall, molar root and mandibular metrics are suitable to differentiate between sexes, populations and taxa. Investigation of 40 (21 molar and 19 mandibular) different measure ments resulted in five common characteristics among Pan, Gorilla and Pongo only: firstly, molar root size sequence in root volume and root surface area (M3 < M1 < M2). Secondly, M2 as the molar with the largest cervical area, root volume, root surface area and mesial root lengths and thirdly, mandibular robusticity is larger in females than in males, yet the difference is not signifficant. Fourthly, mandibular length and premolar width are sexually dimorphic and fifthly, the best factors to discriminate between taxa are bicondyle width and molar root length. There is no generalized answer to the question which molar and/or measurement (dental or mandibular) is best to discriminate between sex or taxa in extant hominids. Moreover, size relationships differ among taxa, depending on the measurement. The overall trend, however, is that Pan is the taxa with the smallest, and Gorilla the largest, mean values. Among Pan populations, Liberian chimpanzees tend to have larger average values compared to Tai chimpanzees, with the exception of mandibular robusticity. The highest percentage of sexual dimorphic measurements is found in Pongo, yet only half of the measurements are statistically different between sexes. African apes are less sexually dimorphic compared to Pongo, and surprisingly, Gorilla is only slightly more dimorphic than Pan. The study also shows that statements and conclusions relating to \mandibular size" should not be generalized: whereas male and female Pongo do not differ significantly in overall mandibular size, they do differ in linear mandibular measurements. Moreover, Gorilla has the overall largest mandible, yet robusticity is higher in Pan, as are some linear measurements. Sexual dimorphism in overall mandibular size does not seem to reflect body mass dimorphism, whereas mandibular size appears to be related to body mass. The same was previously proposed for mandibular robusticity, yet Pan, the smallest taxa, has the most robust mandibular corpus (> Gorilla > Pongo). A substantial amount of molar measurements that positively correlate with (overall) mandibular size was found, but in African apes only. This contrasts with former studies which found no, or weak, correlations between dental and mandibular sizes. Given that the percentage of correlation is highest in Pan, and not present in Pongo, it is proposed that small jaws feature small teeth, rather than large jaws feature large teeth. This proposition assumes a size-threshold from which, when reached, dental and mandibular sizes no longer correlate, as has been previously proposed for the relationship between canine size and mandibular breadth. This assumption is further supported by the fact that the smaller and more robust Tai population shows more significant correlation compared to the less robust and larger Liberia population. Results show that fossil metrics are similar to one or multiple extant hominid taxa, depending on the measurement (dental or mandibular) used for comparison. Subsequently, the assignment to a specific sex depends on the earlier selected extant model taxa. Therefore the study questions whether choosing one model taxa for one fossil, or taxonomical group, is advisable. This study is the first to extensively investigate molar root size in extant hominids and to broadly describe differences in molar root sizes among and between taxa and therefore provides a solid database for future studies. The same applies to mandibular robusticity which has not been investigated as systematically or to such a great extent as in this work. The study specifically shows how complex the search for taxa or sex differentiating molar root and/or mandibular measurements is. Subsequently it shows that generalizations in relation to taxonomical values and statements about sexual dimorphism can be misleading.
In addition, the study contributes to the understanding of intra- and inter-population differences within Pan torglodytes verus. Furthermore, it could be demonstrated that results of a subspecies sample very likely depend on the sample composition, i.e. whether the sample consists of individuals from one or more populations. This study serves as a database for further studies investigating molar root sizes in great apes, whether these studies are investigating various relationships between taxa, population or sex, or as database to investigate functional adaptations or to examine mandibular robusticity and molar root relationships.
Biomedical data obtained during cell experiments, laboratory animal research, or human studies often display a complex distribution. Statistical identification of subgroups in research data poses an analytical challenge. Here were introduce an interactive R-based bioinformatics tool, called “AdaptGauss”. It enables a valid identification of a biologically-meaningful multimodal structure in the data by fitting a Gaussian mixture model (GMM) to the data. The interface allows a supervised selection of the number of subgroups. This enables the expectation maximization (EM) algorithm to adapt more complex GMM than usually observed with a noninteractive approach. Interactively fitting a GMM to heat pain threshold data acquired from human volunteers revealed a distribution pattern with four Gaussian modes located at temperatures of 32.3, 37.2, 41.4, and 45.4 °C. Noninteractive fitting was unable to identify a meaningful data structure. Obtained results are compatible with known activity temperatures of different TRP ion channels suggesting the mechanistic contribution of different heat sensors to the perception of thermal pain. Thus, sophisticated analysis of the modal structure of biomedical data provides a basis for the mechanistic interpretation of the observations. As it may reflect the involvement of different TRP thermosensory ion channels, the analysis provides a starting point for hypothesis-driven laboratory experiments.
The increasing number of casting shows and talent contests in the media over the past years suggests a public interest in rating the quality of vocal performances. In many of these formats, laymen alongside music experts act as judges. Whereas experts' judgments are considered objective and reliable when it comes to evaluating singing voice, little is known about laymen's ability to evaluate peers. On the one hand, layman listeners–who by definition did not have any formal training or regular musical practice–are known to have internalized the musical rules on which singing accuracy is based. On the other hand, layman listeners' judgment of their own vocal skills is highly inaccurate. Also, when compared with that of music experts, their level of competence in pitch perception has proven limited. The present study investigates laypersons' ability to objectively evaluate melodies performed by untrained singers. For this purpose, laymen listeners were asked to judge sung melodies. The results were compared with those of music experts who had performed the same task in a previous study. Interestingly, the findings show a high objectivity and reliability in layman listeners. Whereas both the laymen's and experts' definition of pitch accuracy overlap, differences regarding the musical criteria employed in the rating task were evident. The findings suggest that the effect of expertise is circumscribed and limited and supports the view that laypersons make trustworthy judges when evaluating the pitch accuracy of untrained singers.
It is now accepted that heart failure (HF) is a complex multifunctional disease rather than simply a hemodynamic dysfunction. Despite its complexity, stressed cardiomyocytes often follow conserved patterns of structural remodelling in order to adapt, survive, and regenerate. When cardiac adaptations cannot cope with mechanical, ischemic, and metabolic loads efficiently or become chronically activated, as, for example, after infection, then the ongoing structural remodelling and dedifferentiation often lead to compromised pump function and patient death. It is, therefore, of major importance to understand key events in the progression from a compensatory left ventricular (LV) systolic dysfunction to a decompensatory LV systolic dysfunction and HF. To achieve this, various animal models in combination with an “omics” toolbox can be used. These approaches will ultimately lead to the identification of an arsenal of biomarkers and therapeutic targets which have the potential to shape the medicine of the future.
The Sonic Hedgehog (SHH) pathway plays a central role in the developing mammalian CNS. In our study, we aimed to investigate the spatiotemporal SHH pathway expression pattern in human fetal brains. We analyzed 22 normal fetal brains for Shh, Patched, Smoothened, and Gli1-3 expression by immunohistochemistry. In the telencephalon, strongest expression of Shh, Smoothened, and Gli2 was found in the cortical plate (CP) and ventricular zone. Patched was strongly upregulated in the ventricular zone and Gli1 in the CP. In the cerebellum, SHH pathway members were strongly expressed in the external granular layer (EGL). SHH pathway members significantly decreased over time in the ventricular and subventricular zone and in the cerebellar EGL, while increasing levels were found in more superficial telencephalic layers. Our findings show that SHH pathway members are strongly expressed in areas important for proliferation and differentiation and indicate a temporal expression gradient in telencephalic and cerebellar layers probably due to decreased proliferation of progenitor cells and increased differentiation. Our data about the spatiotemporal expression of SHH pathway members in the developing human brain serves as a base for the understanding of both normal and pathological CNS development.
Psoriatic arthritis (PsA) is a chronic inflammatory arthritis associated with psoriasis and, despite the larger estimated heritability for PsA, the majority of genetic susceptibility loci identified to date are shared with psoriasis. Here, we present results from a case-control association study on 1,962 PsA patients and 8,923 controls using the Immunochip genotyping array. We identify eight loci passing genome-wide significance, secondary independent effects at three loci and a distinct PsA-specific variant at the IL23R locus. We report two novel loci and evidence of a novel PsA-specific association at chromosome 5q31. Imputation of classical HLA alleles, amino acids and SNPs across the MHC region highlights three independent associations to class I genes. Finally, we find an enrichment of associated variants to markers of open chromatin in CD8(+) memory primary T cells. This study identifies key insights into the genetics of PsA that could begin to explain fundamental differences between psoriasis and PsA.
Objective: To evaluate two ultrafast cone-beam CT (UF-CBCT) imaging protocols with different acquisition and injection parameters regarding image quality and required contrast media during image-guided hepatic transarterial chemoembolization (TACE).
Methods: In 80 patients (male: 46, female: 34; mean age: 56.8 years; range: 33–83) UF-CBCT was performed during TACE for intraprocedural guidance. Imaging was performed using two ultrafast CBCT acquisition protocols with different acquisition and injection parameters (imaging protocol 1: acquisition time 2.54 s, and contrast 6 mL with 3 s delay; imaging protocol 2: acquisition time 2.72 s, and contrast 7 mL with 6 s delay). Image evaluation was performed with both qualitative and quantitative methods. Contrast injection volume and dose parameters were compared using values from the literature.
Results: Imaging protocol 2 provided significantly better (P < 0.05) image quality than protocol 1 at the cost of slightly higher contrast load and patient dose. Imaging protocol 1 provided good contrast perfusion but it mostly failed to delineate the tumors (P < 0.05). On the contrary, imaging protocol 2 showed excellent enhancement of hepatic parenchyma, tumor, and feeding vessels.
Conclusion: Tumor delineation, visualization of hepatic parenchyma, and feeding vessels are clearly possible using imaging protocol 2 with ultrafast CBCT imaging. A reduction of required contrast volume and patient dose were achieved due to the ultrafast CBCT imaging.
Animal experiments report contradictory findings on the presence of a behavioural and neuronal anisotropy exhibited in vertical and horizontal capabilities of spatial orientation and navigation. We performed a pointing experiment in humans on the imagined 3-D direction of the location of various invisible goals that were distributed horizontally and vertically in a familiar multilevel hospital building. The 21 participants were employees who had worked for years in this building. The hypothesis was that comparison of the experimentally determined directions and the true directions would reveal systematic inaccuracy or dimensional anisotropy of the localizations. The study provides first evidence that the internal representation of a familiar multilevel building was distorted compared to the dimensions of the true building: vertically 215% taller and horizontally 51% shorter. This was not only demonstrated in the mathematical reconstruction of the mental model based on the analysis of the pointing experiments but also by the participants’ drawings of the front view and the ground plan of the building. Thus, in the mental model both planes were altered in different directions: compressed for the horizontal floor plane and stretched for the vertical column plane. This could be related to human anisotropic behavioural performance of horizontal and vertical navigation in such buildings.
Abstract: Fine-scale temporal organization of cortical activity in the gamma range (∼25–80Hz) may play a significant role in information processing, for example by neural grouping ('binding') and phase coding. Recent experimental studies have shown that the precise frequency of gamma oscillations varies with input drive (e.g. visual contrast) and that it can differ among nearby cortical locations. This has challenged theories assuming widespread gamma synchronization at a fixed common frequency. In the present study, we investigated which principles govern gamma synchronization in the presence of input-dependent frequency modulations and whether they are detrimental for meaningful input-dependent gamma-mediated temporal organization. To this aim, we constructed a biophysically realistic excitatory-inhibitory network able to express different oscillation frequencies at nearby spatial locations. Similarly to cortical networks, the model was topographically organized with spatially local connectivity and spatially-varying input drive. We analyzed gamma synchronization with respect to phase-locking, phase-relations and frequency differences, and quantified the stimulus-related information represented by gamma phase and frequency. By stepwise simplification of our models, we found that the gamma-mediated temporal organization could be reduced to basic synchronization principles of weakly coupled oscillators, where input drive determines the intrinsic (natural) frequency of oscillators. The gamma phase-locking, the precise phase relation and the emergent (measurable) frequencies were determined by two principal factors: the detuning (intrinsic frequency difference, i.e. local input difference) and the coupling strength. In addition to frequency coding, gamma phase contained complementary stimulus information. Crucially, the phase code reflected input differences, but not the absolute input level. This property of relative input-to-phase conversion, contrasting with latency codes or slower oscillation phase codes, may resolve conflicting experimental observations on gamma phase coding. Our modeling results offer clear testable experimental predictions. We conclude that input-dependency of gamma frequencies could be essential rather than detrimental for meaningful gamma-mediated temporal organization of cortical activity.
Author Summary: Almost 350 years ago the physicist and polymath Christiaan Huygens first observed the synchronization between two pendulum clocks attached to a common support. Since then synchronization has been recognized as a universal phenomenon from astronomy to biology. The phase-locking (synchrony) and the phase-relation between the two pendulums are determined by two principal forces: the synchronization force exerted over the connection and the tendency to desynchronize due to frequency (speed) differences. We propose that gamma synchronization (25–80Hz) among oscillating cortical neurons in the brain can be understood according to the same principles—like a field of many connected pendula—with the critical addition that input changes the frequency of gamma oscillations, as shown by recent experimental studies. It has been assumed that input-dependent changes in oscillation frequency are detrimental for a meaningful role of gamma synchronization in neural processing. To the contrary, our theoretical analysis demonstrates that because input can change the frequency of the oscillation, phase-locking and phase-relations among neurons relate systematically to input. By analogy, it is because a local push to a pendulum will change its frequency, that resulting changes in phase-locking and phase-relation among the pendula can be used to derive the external force applied.
In vivo long-term monitoring of circulating tumor cells fluctuation during medical interventions
(2015)
The goal of this research was to study the long-term impact of medical interventions on circulating tumor cell (CTC) dynamics. We have explored whether tumor compression, punch biopsy or tumor resection cause dissemination of CTCs into peripheral blood circulation using in vivo fluorescent flow cytometry and breast cancer-bearing mouse model inoculated with MDA-MB-231-Luc2-GFP cells in the mammary gland. Two weeks after tumor inoculation, three groups of mice were the subject of the following interventions: (1) tumor compression for 15 minutes using 400 g weight to approximate the pressure during mammography; (2) punch biopsy; or (3) surgery. The CTC dynamics were determined before, during and six weeks after these interventions. An additional group of tumor-bearing mice was used as control and did not receive an intervention. The CTC dynamics in all mice were monitored weekly for eight weeks after tumor inoculation. We determined that tumor compression did not significantly affect CTC dynamics, either during the procedure itself (P = 0.28), or during the 6-week follow-up. In the punch biopsy group, we observed a significant increase in CTC immediately after the biopsy (P = 0.02), and the rate stayed elevated up to six weeks after the procedure in comparison to the tumor control group. The CTCs in the group of mice that received a tumor resection disappeared immediately after the surgery (P = 0.03). However, CTC recurrence in small numbers was detected during six weeks after the surgery. In the future, to prevent these side effects of medical interventions, the defined dynamics of intervention-induced CTCs may be used as a basis for initiation of aggressive anti-CTC therapy at time-points of increasing CTC number.
Network graphs have become a popular tool to represent complex systems composed of many interacting subunits; especially in neuroscience, network graphs are increasingly used to represent and analyze functional interactions between multiple neural sources. Interactions are often reconstructed using pairwise bivariate analyses, overlooking the multivariate nature of interactions: it is neglected that investigating the effect of one source on a target necessitates to take all other sources as potential nuisance variables into account; also combinations of sources may act jointly on a given target. Bivariate analyses produce networks that may contain spurious interactions, which reduce the interpretability of the network and its graph metrics. A truly multivariate reconstruction, however, is computationally intractable because of the combinatorial explosion in the number of potential interactions. Thus, we have to resort to approximative methods to handle the intractability of multivariate interaction reconstruction, and thereby enable the use of networks in neuroscience. Here, we suggest such an approximative approach in the form of an algorithm that extends fast bivariate interaction reconstruction by identifying potentially spurious interactions post-hoc: the algorithm uses interaction delays reconstructed for directed bivariate interactions to tag potentially spurious edges on the basis of their timing signatures in the context of the surrounding network. Such tagged interactions may then be pruned, which produces a statistically conservative network approximation that is guaranteed to contain non-spurious interactions only. We describe the algorithm and present a reference implementation in MATLAB to test the algorithm’s performance on simulated networks as well as networks derived from magnetoencephalographic data. We discuss the algorithm in relation to other approximative multivariate methods and highlight suitable application scenarios. Our approach is a tractable and data-efficient way of reconstructing approximative networks of multivariate interactions. It is preferable if available data are limited or if fully multivariate approaches are computationally infeasible.
The bug Gyaclavator kohlsi Wappler, Guilbert, Wedmann et Labandeira, gen. et sp. nov., represents a new extinct genus of lace bugs (Insecta: Heteroptera: Tingidae) occurring in latest early Eocene deposits of the Green River Formation, from the southern Piceance Basin of Northwestern Colorado, in North America. Gyaclavator can be placed within the Tingidae with certainty, perhaps it is sistergroup to Cantacaderinae. If it belongs to Cantacaderinae, it is the first fossil record of this group for North America. Gyaclavator has unique, conspicuous antennae bearing a specialized, highly dilated distiflagellomere, likely important for intra- or intersex reproductive competition and attraction. This character parallels similar antennae in leaf-footed bugs (Coreidae), and probably is associated with a behavioral convergence as well.
At the sensor level many aspects, such as spectral power, functional and effective connectivity as well as relative-power-ratio ratio (RPR) and spatial resolution have been comprehensively investigated through both electroencephalography (EEG) and magnetoencephalography (MEG). Despite this, differences between both modalities have not yet been systematically studied by direct comparison. It remains an open question as to whether the integration of EEG and MEG data would improve the information obtained from the above mentioned parameters. Here, EEG (64-channel system) and MEG (275 sensor system) were recorded simultaneously in conditions with eyes open (EO) and eyes closed (EC) in 29 healthy adults. Spectral power, functional and effective connectivity, RPR, and spatial resolution were analyzed at five different frequency bands (delta, theta, alpha, beta and gamma). Networks of functional and effective connectivity were described using a spatial filter approach called the dynamic imaging of coherent sources (DICS) followed by the renormalized partial directed coherence (RPDC). Absolute mean power at the sensor level was significantly higher in EEG than in MEG data in both EO and EC conditions. At the source level, there was a trend towards a better performance of the combined EEG+MEG analysis compared with separate EEG or MEG analyses for the source mean power, functional correlation, effective connectivity for both EO and EC. The network of coherent sources and the spatial resolution were similar for both the EEG and MEG data if they were analyzed separately. Results indicate that the combined approach has several advantages over the separate analyses of both EEG and MEG. Moreover, by a direct comparison of EEG and MEG, EEG was characterized by significantly higher values in all measured parameters in both sensor and source level. All the above conclusions are specific to the resting state task and the specific analysis used in this study to have general conclusion multi-center studies would be helpful.
Adult neurogenesis is frequently studied in the mouse hippocampus. We examined the morphological development of adult-born, immature granule cells in the suprapyramidal blade of the septal dentate gyrus over the period of 7–77 days after mitosis with BrdU-labeling in 6-weeks-old male Thy1-GFP mice. As Thy1-GFP expression was restricted to maturated granule cells, it was combined with doublecortin-immunolabeling of immature granule cells. We developed a novel classification system that is easily applicable and enables objective and direct categorization of newborn granule cells based on the degree of dendritic development in relation to the layer specificity of the dentate gyrus. The structural development of adult-generated granule cells was correlated with age, albeit with notable differences in the time course of development between individual cells. In addition, the size of the nucleus, immunolabeled with the granule cell specific marker Prospero-related homeobox 1 gene, was a stable indicator of the degree of a cell's structural maturation and could be used as a straightforward parameter of granule cell development. Therefore, further studies could employ our doublecortin-staging system and nuclear size measurement to perform investigations of morphological development in combination with functional studies of adult-born granule cells. Furthermore, the Thy1-GFP transgenic mouse model can be used as an additional investigation tool because the reporter gene labels granule cells that are 4 weeks or older, while very young cells could be visualized through the immature marker doublecortin. This will enable comparison studies regarding the structure and function between young immature and older matured granule cells.
Background: From 2008–2013, the European indication for panitumumab required that patients' tumor KRAS exon 2 mutation status was known prior to starting treatment. To evaluate physician awareness of panitumumab prescribing information and how physicians prescribe panitumumab in patients with metastatic colorectal cancer (mCRC), two European multi-country, cross-sectional, observational studies were initiated in 2012: a physician survey and a medical records review. The first two out of three planned rounds for each study are reported.
Methods: The primary objective in the physician survey was to estimate the prevalence of KRAS testing, and in the medical records review, it was to evaluate the effect of test results on patterns of panitumumab use. The medical records review study also included a pathologists' survey.
Results: In the physician survey, nearly all oncologists (299/301) were aware of the correct panitumumab indication and the need to test patients' tumor KRAS status before treatment with panitumumab. Nearly all oncologists (283/301) had in the past 6 months of clinical practice administered panitumumab correctly to mCRC patients with wild-type KRAS status. In the medical records review, 97.5% of participating oncologists (77/79) conducted a KRAS test for all of their patients prior to prescribing panitumumab. Four patients (1.3%) did not have tumor KRAS mutation status tested prior to starting panitumumab treatment. Approximately one-quarter of patients (85/306) were treated with panitumumab and concurrent oxaliplatin-containing chemotherapy; of these, 83/85 had confirmed wild-type KRAS status prior to starting panitumumab treatment. All 56 referred laboratories that participated used a Conformité Européenne-marked or otherwise validated KRAS detection method, and nearly all (55/56) participated in a quality assurance scheme.
Conclusions: There was a high level of knowledge amongst oncologists around panitumumab prescribing information and the need to test and confirm patients' tumors as being wild-type KRAS prior to treatment with panitumumab, with or without concurrent oxaliplatin-containing therapy.
Synaptic vesicles (SVs) undergo a cycle of biogenesis and membrane fusion to release transmitter, followed by recycling. How exocytosis and endocytosis are coupled is intensively investigated. We describe an all-optical method for identification of neurotransmission genes that can directly distinguish SV recycling factors in C. elegans, by motoneuron photostimulation and muscular RCaMP Ca2+ imaging. We verified our approach on mutants affecting synaptic transmission. Mutation of genes affecting SV recycling (unc-26 synaptojanin, unc-41 stonin, unc-57 endophilin, itsn-1 intersectin, snt-1 synaptotagmin) showed a distinct ‘signature’ of muscle Ca2+ dynamics, induced by cholinergic motoneuron photostimulation, i.e. faster rise, and earlier decrease of the signal, reflecting increased synaptic fatigue during ongoing photostimulation. To facilitate high throughput, we measured (3–5 times) ~1000 nematodes for each gene. We explored if this method enables RNAi screening for SV recycling genes. Previous screens for synaptic function genes, based on behavioral or pharmacological assays, allowed no distinction of the stage of the SV cycle in which a protein might act. We generated a strain enabling RNAi specifically only in cholinergic neurons, thus resulting in healthier animals and avoiding lethal phenotypes resulting from knockdown elsewhere. RNAi of control genes resulted in Ca2+ measurements that were consistent with results obtained in the respective genomic mutants, albeit to a weaker extent in most cases, and could further be confirmed by opto-electrophysiological measurements for mutants of some of the genes, including synaptojanin. We screened 95 genes that were previously implicated in cholinergic transmission, and several controls. We identified genes that clustered together with known SV recycling genes, exhibiting a similar signature of their Ca2+ dynamics. Five of these genes (C27B7.7, erp-1, inx-8, inx-10, spp-10) were further assessed in respective genomic mutants; however, while all showed electrophysiological phenotypes indicative of reduced cholinergic transmission, no obvious SV recycling phenotypes could be uncovered for these genes.
An individual's choices are shaped by its experience, a fundamental property of behavior important to understanding complex processes. Learning and memory are observed across many taxa and can drive behaviors, including foraging behavior. To explore the conditions under which memory provides an advantage, we present a continuous-space, continuous-time model of animal movement that incorporates learning and memory. Using simulation models, we evaluate the benefit memory provides across several types of landscapes with variable-quality resources and compare the memory model within a nested hierarchy of simpler models (behavioral switching and random walk). We find that memory almost always leads to improved foraging success, but that this effect is most marked in landscapes containing sparse, contiguous patches of high-value resources that regenerate relatively fast and are located in an otherwise devoid landscape. In these cases, there is a large payoff for finding a resource patch, due to size, value, or locational difficulty. While memory-informed search is difficult to differentiate from other factors using solely movement data, our results suggest that disproportionate spatial use of higher value areas, higher consumption rates, and consumption variability all point to memory influencing the movement direction of animals in certain ecosystems.
Magnetic resonance imaging (MRI) provides non-invasive, repetitive measures in the same individual, allowing the study of a physio-pathological event over time. In this study, we tested the performance of 7 Tesla multi-parametric MRI to monitor the dynamic changes of mouse skeletal muscle injury and regeneration upon acute ischemia induced by femoral artery dissection. T2-mapping (T2 relaxation time), diffusion-tensor imaging (Fractional Anisotropy) and perfusion by Dynamic Contrast-Enhanced MRI (K-trans) were measured and imaging results were correlated with histological morphometric analysis in both Gastrocnemius and Tibialis anterior muscles. We found that tissue damage positively correlated with T2-relaxation time, while myofiber regeneration and capillary density positively correlated with Fractional Anisotropy. Interestingly, K-trans positively correlated with capillary density. Accordingly, repeated MRI measurements between day 1 and day 28 after surgery in ischemic muscles showed that: 1) T2-relaxation time rapidly increased upon ischemia and then gradually declined, returning almost to basal level in the last phases of the regeneration process; 2) Fractional Anisotropy dropped upon ischemic damage induction and then recovered along with muscle regeneration and neoangiogenesis; 3) K-trans reached a minimum upon ischemia, then progressively recovered. Overall, Gastrocnemius and Tibialis anterior muscles displayed similar patterns of MRI parameters dynamic, with more marked responses and less variability in Tibialis anterior. We conclude that MRI provides quantitative information about both tissue damage after ischemia and the subsequent vascular and muscle regeneration, accounting for the differences between subjects and, within the same individual, between different muscles.
Background: Chronic ethanol (EtOH) abuse worsens pathophysiological derangements after hemorrhagic shock and resuscitation (H/R) that induce hepatic injury and strong inflammatory changes via JNK and NF-κB activation. Inhibiting JNK with a cell-penetrating, protease-resistant peptide D-JNKI-1 after H/R in mice with healthy livers ameliorated these effects. Here, we studied if JNK inhibition by D-JNKI-1 in chronically EtOH-fed mice after hemorrhagic shock prior to the onset of resuscitation also confers protection.
Methods: Male mice were fed a Lieber-DeCarli diet containing EtOH or an isocaloric control (ctrl) diet for 4 weeks. Animals were hemorrhaged for 90 min (32 ± 2 mm Hg) and randomly received either D-JNKI-1 (11 mg/kg, intraperitoneally, i. p.) or sterile saline as vehicle (veh) immediately before the onset of resuscitation. Sham animals underwent surgical procedures without H/R and were either D-JNKI-1 or veh treated. Two hours after resuscitation, blood samples and liver tissue were harvested.
Results: H/R induced hepatic injury with increased systemic interleukin (IL)-6 levels, and enhanced local gene expression of NF-κB-controlled genes such as intercellular adhesion molecule (ICAM)-1 and matrix metallopeptidase (MMP)9. c-Jun and NF-κB phosphorylation were increased after H/R. These effects were further increased in EtOH-fed mice after H/R. D-JNKI-1 application inhibited the proinflammatory changes and reduced significantly hepatic injury after H/R in ctrl-fed mice. Moreover, D-JNKI-1 reduces in ctrl-fed mice the H/R-induced c-Jun and NF-κB phosphorylation. However, in chronically EtOH-fed mice, JNK inhibition did not prevent the H/R-induced hepatic damage and proinflammatory changes nor c-Jun and NF-κB phosphorylation after H/R.
Conclusions: These results indicate, that JNK inhibition is protective only in not pre-harmed liver after H/R. In contrast, the pronounced H/R-induced liver damage in mice being chronically fed with ethanol cannot be prevented by JNK inhibition after H/R and seems to be under the control of NF-κB.
A fundamental question in evolutionary genetics concerns the extent to which adaptive phenotypic convergence is attributable to convergent or parallel changes at the molecular sequence level. Here we report a comparative analysis of hemoglobin (Hb) function in eight phylogenetically replicated pairs of high- and low-altitude waterfowl taxa to test for convergence in the oxygenation properties of Hb, and to assess the extent to which convergence in biochemical phenotype is attributable to repeated amino acid replacements. Functional experiments on native Hb variants and protein engineering experiments based on site-directed mutagenesis revealed the phenotypic effects of specific amino acid replacements that were responsible for convergent increases in Hb-O2 affinity in multiple high-altitude taxa. In six of the eight taxon pairs, high-altitude taxa evolved derived increases in Hb-O2 affinity that were caused by a combination of unique replacements, parallel replacements (involving identical-by-state variants with independent mutational origins in different lineages), and collateral replacements (involving shared, identical-by-descent variants derived via introgressive hybridization). In genome scans of nucleotide differentiation involving high- and low-altitude populations of three separate species, function-altering amino acid polymorphisms in the globin genes emerged as highly significant outliers, providing independent evidence for adaptive divergence in Hb function. The experimental results demonstrate that convergent changes in protein function can occur through multiple historical paths, and can involve multiple possible mutations. Most cases of convergence in Hb function did not involve parallel substitutions and most parallel substitutions did not affect Hb-O2 affinity, indicating that the repeatability of phenotypic evolution does not require parallelism at the molecular level.
We describe a new large-sized species of hypercarnivorous hyainailourine–Kerberos langebadreae gen. & sp. nov.–from the Bartonian (MP16) locality of Montespieu (Tarn, France). These specimens consist of a skull, two hemimandibles and several hind limb elements (fibula, astragalus, calcaneum, metatarsals, and phalanges). Size estimates suggest K. langebadreae may have weighed up to 140 kg, revealing this species as the largest carnivorous mammal in Europe at that time. Besides its very large size, K. langebadreae possesses an interesting combination of primitive and derived features. The distinctive skull morphology of K. langebadreae reflects a powerful bite force. The postcranial elements, which are rarely associated with hyainailourine specimens, indicate an animal capable of a plantigrade stance and adapted for terrestrial locomotion. We performed the first phylogenetic analysis of hyainailourines to determine the systematic position of K. langebadreae and to understand the evolution of the group that includes other massive carnivores. The analysis demonstrates that Hemipsalodon, a North American taxon, is a hyainailourine and is closely related to European Paroxyaena. Based on this analysis we hypothesize the biogeographic history of the Hyainailourinae. The group appeared in Africa with a first migration to Europe during the Bartonian that likely included the ancestors of Kerberos, Paroxyaena and Hemipsalodon, which further dispersed into North America at this time. We propose that the hyainailourines dispersed into Europe also during the Priabonian. These migrants have no ecological equivalent in Europe during these intervals and likely did not conflict with the endemic hyaenodont proviverrines. The discovery of K. langebadreae shows that large body size appears early in the evolution of hyainailourines. Surprisingly, the late Miocene Hyainailouros shares a more recent common ancestor with small-bodied hyainailourines (below 15 kg). Finally, our study supports a close relationship between the Hyainailourinae and Apterodontinae and we propose the new clade: Hyainailouridae.
During the last decade, Bayesian probability theory has emerged as a framework in cognitive science and neuroscience for describing perception, reasoning and learning of mammals. However, our understanding of how probabilistic computations could be organized in the brain, and how the observed connectivity structure of cortical microcircuits supports these calculations, is rudimentary at best. In this study, we investigate statistical inference and self-organized learning in a spatially extended spiking network model, that accommodates both local competitive and large-scale associative aspects of neural information processing, under a unified Bayesian account. Specifically, we show how the spiking dynamics of a recurrent network with lateral excitation and local inhibition in response to distributed spiking input, can be understood as sampling from a variational posterior distribution of a well-defined implicit probabilistic model. This interpretation further permits a rigorous analytical treatment of experience-dependent plasticity on the network level. Using machine learning theory, we derive update rules for neuron and synapse parameters which equate with Hebbian synaptic and homeostatic intrinsic plasticity rules in a neural implementation. In computer simulations, we demonstrate that the interplay of these plasticity rules leads to the emergence of probabilistic local experts that form distributed assemblies of similarly tuned cells communicating through lateral excitatory connections. The resulting sparse distributed spike code of a well-adapted network carries compressed information on salient input features combined with prior experience on correlations among them. Our theory predicts that the emergence of such efficient representations benefits from network architectures in which the range of local inhibition matches the spatial extent of pyramidal cells that share common afferent input.
Understanding factors that structure regional biodiversity is important for linking ecological and biogeographic processes. Our objective was to explore regional patterns in riverine benthic invertebrate assemblages in relation to their broad positioning along the river network and examine differences in composition, biodiversity (alpha and beta diversity), and environmental drivers. We up-scaled methods used to examine patterns in metacommunity structure (Elements of Metacommunity Structure framework) to examine faunal distribution patterns at the regional extent for 168 low-mountain stream invertebrate assemblages in central Germany. We then identified the most influential environmental factors using boosted regression trees. Faunal composition patterns were compartmentalised (Clementsian or quasi-Clementsian), with little difference from headwaters to large rivers, potentially reflecting the regional scale of the study, by crossing major catchment boundaries and incorporating different species pools. While idealised structures did not vary, environmental drivers of composition varied considerably between river sections and with alpha diversity. Prediction was substantially weaker, and the importance of space was greater, in large rivers compared to other sections suggesting a weakening in species sorting downstream. Further, there was a stronger transition in composition than for alpha diversity downstream. The stronger links with regional faunal composition than with richness further emphasises the importance of considering the alternative ways in which anthropogenic stressors are operating to affect biodiversity patterns. Our approach allowed bridging the gap between local (or metacommunity) and regional scales, providing key insights into drivers of regional biodiversity patterns.
Long-term potentiation (LTP) and long-term depression (LTD) are widely accepted to be synaptic mechanisms involved in learning and memory. It remains uncertain, however, which particular activity rules are utilized by hippocampal neurons to induce LTP and LTD in behaving animals. Recent experiments in the dentate gyrus of freely moving rats revealed an unexpected pattern of LTP and LTD from high-frequency perforant path stimulation. While 400 Hz theta-burst stimulation (400-TBS) and 400 Hz delta-burst stimulation (400-DBS) elicited substantial LTP of the tetanized medial path input and, concurrently, LTD of the non-tetanized lateral path input, 100 Hz theta-burst stimulation (100-TBS, a normally efficient LTP protocol for in vitro preparations) produced only weak LTP and concurrent LTD. Here we show in a biophysically realistic compartmental granule cell model that this pattern of results can be accounted for by a voltage-based spike-timing-dependent plasticity (STDP) rule combined with a relatively fast Bienenstock-Cooper-Munro (BCM)-like homeostatic metaplasticity rule, all on a background of ongoing spontaneous activity in the input fibers. Our results suggest that, at least for dentate granule cells, the interplay of STDP-BCM plasticity rules and ongoing pre- and postsynaptic background activity determines not only the degree of input-specific LTP elicited by various plasticity-inducing protocols, but also the degree of associated LTD in neighboring non-tetanized inputs, as generated by the ongoing constitutive activity at these synapses.
Even in the absence of sensory stimulation the brain is spontaneously active. This background “noise” seems to be the dominant cause of the notoriously high trial-to-trial variability of neural recordings. Recent experimental observations have extended our knowledge of trial-to-trial variability and spontaneous activity in several directions: 1. Trial-to-trial variability systematically decreases following the onset of a sensory stimulus or the start of a motor act. 2. Spontaneous activity states in sensory cortex outline the region of evoked sensory responses. 3. Across development, spontaneous activity aligns itself with typical evoked activity patterns. 4. The spontaneous brain activity prior to the presentation of an ambiguous stimulus predicts how the stimulus will be interpreted. At present it is unclear how these observations relate to each other and how they arise in cortical circuits. Here we demonstrate that all of these phenomena can be accounted for by a deterministic self-organizing recurrent neural network model (SORN), which learns a predictive model of its sensory environment. The SORN comprises recurrently coupled populations of excitatory and inhibitory threshold units and learns via a combination of spike-timing dependent plasticity (STDP) and homeostatic plasticity mechanisms. Similar to balanced network architectures, units in the network show irregular activity and variable responses to inputs. Additionally, however, the SORN exhibits sequence learning abilities matching recent findings from visual cortex and the network's spontaneous activity reproduces the experimental findings mentioned above. Intriguingly, the network's behaviour is reminiscent of sampling-based probabilistic inference, suggesting that correlates of sampling-based inference can develop from the interaction of STDP and homeostasis in deterministic networks. We conclude that key observations on spontaneous brain activity and the variability of neural responses can be accounted for by a simple deterministic recurrent neural network which learns a predictive model of its sensory environment via a combination of generic neural plasticity mechanisms.