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In allen drei Domänen des Lebens ist in der Translation die Initiation der geschwindigkeits-bestimmende Schritt. Die Effizienz der Translationsinitiation und ihre unterschiedliche Regula-tion ist von Translationsinitiationsfaktoren (IFs) abhängig. Bakterien enthalten nur drei IFs, während die Anzahl bei Archaeen (aIFs) und Eukaryoten (eIFs) deutlich höher ist.
Das Archaeon Haloferax volcanii beispielsweise besitzt 14 Gene, die für aIFs bzw. deren Untereinheiten kodieren. Eine Deletionsanalyse ergab, dass fünf aIFs essenziell und neun aIFs nicht essenziell sind. Um einen Einblick in die Funktions- und Interaktionsbereiche der aIFs in H. volcanii zu erhalten, wurden die aIFs mit einem His-Tag versehen und überexpri-miert. Die Überexpression erfolgte in der jeweiligen Deletionsmutante. Für essenzielle aIFs fand sie im Wildtyp statt. Durch Affinitätsaufreinigungen wurden die aIFs und ihre Bindungs-partner isoliert und mittels Massenspektrometrie (MS) identifiziert. Für den Ausschluss unspe-zifischer Proteine dienten zwei stringente Kontrollen als Referenz, das Reportergen Dihydro-folatreduktase (HVO_1279) mit His-Tag und das Expressionsplasmid ohne Gen.
Die ersten Arbeiten konzentrierten sich auf den heterotrimeren Faktor aIF2. Er bindet die Ini-tiator-tRNA und ist damit für die Bildung des Präinitiationskomplexes von zentraler Bedeu-tung. Der Faktor aIF2 besteht aus jeweils einer α-, β- und γ-Untereinheit. In H. volcanii existie-ren zwei Orthologe für aIF2β. Die Überexpressionen der α-, β1-, β2- und γ-Untereinheiten führten zur Co-Isolation der jeweils anderen Untereinheiten des aIF2 (α, β1/ β2, γ).
Die Strategie der Co-Affinitätsaufreinigung und MS wurde auf alle weiteren annotierten aIFs ausgedehnt, um mögliche Funktionen zu identifizieren und ein potenzielles Interaktionsnetz-werk der aIFs zu erstellen. Für alle aIFs konnte ein unterschiedliches Muster an co-gereinigten Proteinen festgestellt werden. Mitgereinigte Proteine waren aIFs, Proteine der Translation, Transkription, Replikation und ribosomale Proteine. Auch RNA-Polymerase-Untereinheiten (RNAPUs) konnten co-isoliert werden. Mit 13 der 14 aIFs konnten andere Ini-tiationsfaktoren co-gereinigt werden. Sechs aIFs konnten zu Beginn bei keinem weiteren Initi-ationsfaktor mitgereinigt werden. Einer dieser Faktoren war aIF2β-1, der jedoch in den Affini-tätsaufreinigungen mit nachfolgender FPLC von aIF2β-2 identifiziert werden konnte. Der Fak-tor aIF1 konnte nur in der stationären Phase von aIF2α mitgereinigt werden.
Die am häufigsten co-gereinigten Proteine waren aIF2Bδ-1 und aIF5B. Für aIF2Bδ-1 kam dies überraschend, da er bereits als Translationsinitiationsfaktor ausgeschlossen wurde. Mit dem Faktor aIF2Bδ-1 selbst konnten fünf aIFs co-gereinigt werden.
Da mit den aIFs auch RNAPUs co-gereinigt werden konnten, wurden sieben RNAPUs ebenfalls mit einem His-Tag versehen und überexprimiert. Auch mit den RNAPUs konnten aIFs, sowie weitere Proteine der Translation mitgereinigt werden.
Diese Umstände legen nahe, dass es möglicherweise eine engere Verbindung der Tran-skription und Translation in H. volcanii geben könnte, als bisher angenommen.
Fatty acids in oomycetes
(2021)
Das Vorkommen von Kunststoffmaterialien <5 mm, sogenanntem Mikroplastik
(MP), in marinen Ökosystemen wurde bereits eingehend untersucht. Im Gegensatz dazu existieren erhebliche Wissenslücken hinsichtlich der Abundanz und der Auswirkung von MP in limnischen Ökosystemen. Vor diesem Hintergrund steht das Umweltvorkommen, mögliche Eintragspfade und die Auswirkungen von MP auf aquatische Invertebraten im Fokus dieser Arbeit. Zur Bestimmung der MP-Abundanz in Fließgewässern sind Sedimente der Elbe untersucht worden. Hierfür wurde zunächst eine Methode zur Extraktion und Identifizierung von MP aus Umweltproben entwickelt, optimiert und validiert. In der anschließenden Analyse konnten in elf Probenahmestellen 55–17400 MP kg-1 in den Sedimenten nachgewiesen werden. Der Einfluss der Gezeitenströmung wurde anhand der abnehmenden MP-Abundanz in der Tideelbe deutlich. Insgesamt weisen die Ergebnisse darauf hin, dass Sedimente von Fließgewässern eine Senke für MP darstellen. Für die Evaluation von Eintragspfaden von MP in Oberflächengewässer wurden die
Einleiter von fünf Kläranlagen beprobt und 240–897 MP m-3 in den Einleitern detektiert. Die Detailuntersuchung einer Kläranlage zeigte, dass >99% der MP-Fracht im Verlauf der Abwasseraufbereitung entfernt wird. Hierbei erfolgte die Hauptentfernung
bereits in der Vorklärung. Somit stellen Kläranlagen effektive Barrieren für den Eintrag von MP dar.
Insgesamt wird ersichtlich, dass die getesteten Arten C. riparius und G. pulex relativ insensitiv gegenüber einer MP-Exposition sind. So konnten bei G. pulex keine und bei C. riparius erst bei sehr hohen MP-Konzentrationen adverse Effekte detektiert werden. Hierbei ist die Autökologie der Spezies eine mögliche Erklärung für die Toleranz gegenüber partikulären Stressoren. Auf Basis dieser Daten sowie der ermittelten MPAbundanz kann das Umweltrisiko von MP in limnischen Ökosystemen vorläufig als
gering eingeschätzt werden. Hierbei gilt es jedoch zu beachten, dass eine abschließende
Bewertung aufgrund der nach wie vor existierenden Unsicherheiten nicht möglich ist. Diese Unsicherheiten betreffen die Umweltkonzentration von MP <80 μm, das Verhaltensowie das Wirkpotential dieser heterogenen und dynamischen Stressorenklasse
in umweltrelevanten Szenarien.
Cellular communication is a concept that can be explained as the transfer of signals or material (such as cytokines, ions, small molecules) between cells from the same or different type, across either short or long distances. Once this signal or material is received, it will, as a rule, promote a functional effect. Several routes, involved in this transfer, are well described and are of global importance for organ/tissue communication in an organism.
The brain interacts dynamically with the immune system, and the main route known to mediate this communication, is via the release of cytokines (by peripheral blood cells), which can then activate certain brain cell types, such as microglia, directly, or activate the vagus nerve transferring signals to neuronal populations in the brain. The communication between these two systems plays a key role in the pathophysiology of neurodegenerative diseases, and the mechanisms involved in this interaction are of central importance for understanding disease initiation and progression and search for therapeutic models.
The Momma lab previously addressed the mechanisms of interaction between the peripheral immune system and the brain by investigating cellular fusion of haematopoietic cells with neurons after inflammation. They addressed the question of whether this phenomenon also occurs under non-invasive conditions. To approach this problem, a genetic tracing model that relies on the Cre-Lox recombination system was used. Transgenic mice expressing Cre recombinase specifically in the haematopoietic lineage were crossed into a Cre-reporter background, thus all haematopoietic cells irreversibly express the reporter marker-gene EYFP. Using this model, EYFP was detected in non-haematopoietic tissues, suggesting the existence of a communication mechanism never described before. As cells containing two nuclei were never detected, fusion as a mechanism was excluded, suggesting that Cre reaches non-haematopoietic cells via a different signalling pathway. The Momma lab investigated whether the transfer of material through extracellular vesicles (EVs) could be behind this periphery-to-brain communication. Using the genetic mouse model, they were able to trace the transfer of Cre RNA via EVs between cells in vivo, generating the first in vivo evidence of functional RNA transfer by EVs between blood and brain.
The last decade has witnessed a rapid expansion of the field of EVs. Initially considered as waste disposal material, recent evidence has challenged this view. EVs are currently considered as a widespread intercellular communication system that can transport and transfer all types of biomolecules, from nucleic acids to lipids and proteins. However, several important questions are still under investigation. One of them is whether EVs are involved in brain pathophysiology, as inflammation plays an important role in onset and progression of neurodegenerative diseases and is well described in Parkinson Disease (PD). Based on preliminary data in a mouse, peripherally injected with a low dose of Lipopolysaccharide (LPS, an endotoxin found in the outer-membrane of Gram-negative bacteria, which causes an immune response), neurons and other cell population in the brain take up EVs from the periphery. Particularly, dopaminergic neurons from Substantia Nigra and Ventral Tegmental Area have been shown to receive functional RNA, transported through EVs, which can lead up to 20% of recombination. Furthermore, different neuronal populations from Hippocampus, Cortex and Cerebellum exhibit recombination, indicating a widespread signalling from blood to the brain. Therefore, the goal of my PhD thesis was to investigate the mechanisms of this transfer and the triggers that lead to EV uptake by neural cells in vivo both in pathological and physiological conditions.
In this project, the extent and function of EV-mediated signalling from blood to brain is explored in the context of peripheral inflammation and neurodegenerative diseases. Firstly, EVs isolated from WT mice were further characterized using size-exclusion chromatography (SEC), Western Blot (WB) and electron microscopy in order to extend the knowledge from previous work done in the Momma lab. Secondly, to expand on the biological relevance of the fact that inflammation is correlated with an increase in EV uptake, different approaches using the genetic murine tracing model were used. Recombination events from haematopoietic cells to the brain have been followed after peripheral injection of LPS. Peripheral inflammation caused by LPS injection led to widespread recombination events in the brain, specifically in microglia and neurons, including dopaminergic (DA) neurons. In contrast, astrocytes, oligodendrocytes and endothelial cells were never or very rarely recombined. Additionally, peripheral LPS injection in a murine model, where Cre is expressed only in erythrocytes, led to recombination events only in microglia, suggesting that the type of EV-secreting cell plays a role in the targeting of EVs to a specific cell population.
Der Verzehr von radioaktiv belasteten Pilzfruchtkörpern stellt ein Gesundheitsrisiko für den Menschen dar und auch fast 35 Jahre nach der Reaktorkatastrophe von Tschernobyl im Jahr 1986 sind Pilze aus Waldökosystemen zum Teil noch stark durch das ausgetretene radioaktive 137Cs belastet. Die Einschätzung der Belastung und somit des Gesundheitsrisikos ist aufgrund einer Vielzahl von Einflussfaktoren, wie z. B. der Pilzart, der Tiefe des Myzels, der Bodenkontamination und der Feuchtigkeit des Bodens, schwierig. Ziel dieser Arbeit war es die Variabilität, den Einfluss verschiedener Faktoren sowie die effektive Halbwertszeit der 137Cs-Aktivität in Pilzfruchtkörpern zu ermitteln. Des Weiteren wurde überprüft, ob die Bodenkontamination für eine Abschätzung der 137Cs-Aktivität von Pilzfruchtkörpern herangezogen werden kann. Für die Untersuchungen wurden über mehrere Jahre Proben von Maronenröhrlingen (Imleria badia) und Steinpilzen (Boletus edulis) aus vier Waldgebieten in Mittel- und Süddeutschland mit unterschiedlichem Aktivitätseintrag nach der Reaktorkatastrophe von Tschernobyl im Jahr 1986 analysiert. Die Gebiete waren Eichenzell, Wülfersreuth, Oberschönenfeld und der Nationalpark Bayerischer Wald. Als Ergänzung dienten zugesendete Proben derselben Pilzarten von Mitgliedern aus Pilzvereinen aus ganz Deutschland. Zusätzlich zu den Pilzproben wurden Bodenproben gemessen, um zum einen die aktuelle Bodenkontamination zu bestimmen und zum anderen zu überprüfen, ob der Großteil des 137Cs weiterhin im Bereich des Pilzmyzels zu finden ist.
Für die Untersuchung der örtlichen Variabilität der 137Cs-Aktivität wurden Maronenröhrlinge (Imleria badia) aus dem Waldgebiet Eichenzell in den Jahren 2017 bis 2019 analysiert. Innerhalb eines Sammeltages variierten die Messwerte verschiedener Proben innerhalb des Waldgebietes teilweise um den Faktor sechs. Dabei ist die Variabilität innerhalb eines Teilgebietes größer als zwischen beiden Teilgebieten des Waldgebietes Eichenzell. Für ein repräsentatives Ergebnis eines Gebietes ist es aufgrund der Variabilität erforderlich, eine ausreichende Menge an Fruchtkörpern zu analysieren.
Um die effektive Halbwertszeit der 137Cs-Aktivität in Maronenröhrlingen (Imleria badia) zu ermitteln, wurden Proben aus drei Waldgebieten über fünf bis neun Jahre analysiert. Die Wahl der drei Waldgebiete erfolgte anhand des 137Cs-Aktivitätseintrags nach der Reaktorkatastrophe von Tschernobyl im Jahr 1986. Die Bodenkontaminationswerte variieren von 3.000 Bq/m² in Eichenzell über 12.500 Bq/m² in Wülfersreuth bis 35.000 Bq/m² in Oberschönenfeld. Die effektiven Halbwerts-zeiten liegen in einem engen Bereich von 5,2 bis 5,8 Jahre mit einem Mittelwert von 5,4 ± 0,3 Jahren. Damit reduziert sich die radioaktive Belastung der Pilzfruchtkörper in etwa fünfmal schneller als durch die rein physikalische Halbwertszeit des 137Cs von 30,08 Jahren. Durch die Hinzunahme von bereits im Jahr 1990 veröffentlichten Daten ergab sich eine längere effektive Halbwertszeit von 7,7 ± 0,6 Jahren.
Für die Untersuchung der zwei Einflussfaktoren Exposition des Sammelgebiets (Hangausrichtung nach Ost oder West) und Höhenlage wurden sowohl Maronenröhrlinge (Imleria badia) als auch Steinpilze (Boletus edulis) hinsichtlich der 137Cs-Aktivität gemessen, um die Auswirkung auf Pilzarten mit unterschiedlichem Akkumulationsvermögen zu analysieren. Als Untersuchungsgebiet diente der Nationalpark Bayerischer Wald, da dieser ein großes Gebiet umfasst und verschiedene Ausprägungen der beiden Faktoren abbildet. Zudem wurde das Gebiet in Folge der Reaktorkatastrophe von Tschernobyl stark kontaminiert und der Park ist ein beliebtes Pilzsammelgebiet. Anhand der 137Cs-Aktivität von Bodenproben konnte das Gebiet in zwei Regionen (Cluster) eingeteilt werden: eine Region mit hohem und eine mit niedrigem Aktivitätseintrag. Im Vergleich wiesen Maronenröhrlinge (Imleria badia) durchschnittlich eine um den Faktor fünf höhere 137Cs-Aktivität als Steinpilze (Boletus edulis) auf. Der Faktor Höhenlage zeigte im Gegensatz zur Exposition einen Einfluss auf die Kontamination der Pilzfruchtkörper. In Bezug auf die Höhenlage war der Einfluss nur im Falle eines hohen Aktivitätseintrags signifikant, wobei die Pilzproben aus der niedrigsten Höhenlage am höchsten belastet waren.
Zur Ermittlung der vertikalen Verteilung des 137Cs im Boden wurden in den Waldgebieten Eichenzell und Nationalpark Bayerischer Wald Proben bis zu einer Tiefe von 24 cm entnommen und anschließend in 2 cm Schichten analysiert. Alle Verteilungen konnten mit einem Gauß-Fit oder einem multiplen Gauß-Fit mit 2 bis 3 Maxima abgebildet werden. Das erste Maximum lag in allen Fällen in den organischen Horizonten oder im Übergangsbereich zum Ah-Horizont. Folglich befindet sich der Großteil des 137Cs fast 35 Jahre nach der Reaktorkatastrophe von Tschernobyl immer noch im Bereich des Pilzmyzels und kann somit von den Pilzen aufgenommen und in den Fruchtkörpern angereichert werden.
Der Vergleich der 137Cs-Aktivität der Pilz- und Bodenproben aus dem Nationalpark Bayerischer Wald ergab sowohl für Maronenröhrlinge (Imleria badia) als auch für Steinpilze (Boletus edulis) eine positive Korrelation. Nach Unterteilung der Proben anhand der Höhenlage zeigte sich eine noch stärkere Korrelation. Dies zeigt, dass neben der Bodenkontamination auch die Höhenlage einen Einfluss auf die 137Cs-Aktivität der Fruchtkörper hat.
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Non-ribosomal peptide synthetase docking domains : structure, function and engineering strategies
(2021)
Non-ribosomal peptide synthetases (NRPSs) are known for their capability to produce a wide range of natural compounds and some of them possess interesting bioactivities relevant for clinical application like antibiotics, anticancer, and immunosuppressive drugs. The diverse bioactivity of non-ribosomal peptides (NRPs) originates from their structural diversity, which results not only from the incorporation of non-proteinogenic amino acids into the growing peptide chain, but also the formation of heterocycles or further peptide modifications like methylation, hydroxylation and acetylation.
The biosynthesis of NRPs is achieved via the orchestrated interplay of distinct catalytic domains, which are grouped to modules that are located on one or more polypeptide chains. Each cycle starts with the selection and activation of a specific amino acid by the adenylation (A) domain, which catalyzes the aminoacyl adenylate formation under ATP consumption. This activated amino acid is then bound via a thioester bond to the 4’-phosphopantetheine cofactor (PPant-arm) of the following thiolation (T) domain. Before substrate loading, the PPant-arm is post-translationally added to the T domain by a phosphopantetheinyl transferase (PPTase), which converts the inactive apo-T domain in its active holo-form. In the last step of the catalytic cycle, two T domain bound peptide building blocks are connected by the condensation (C) domain, resulting in peptide bond formation and transfer of the nascent peptide chain to the following module. Each catalytic cycle is performed by a C-A-T elongation module until the termination module with a C-terminal thioesterase (TE) domain is reached. Here, the peptide product is released by hydrolysis or intramolecular cyclisation.
In comparison to single-protein NRPSs, where all modules are encoded on a single polypeptide chain, multi-protein NRPS systems must also maintain a specific module order during the peptide biosynthesis. Therefore, small C-terminal and N-terminal communication-mediating (COM) domains/docking domains (DD) were identified in the C- and N-terminal regions of multi-protein NRPSs. It was shown that these domains mediate specific and selective non-covalent protein-protein interaction, even though DD interactions are generally characterized by low affinities.
The first publication of this work focuses on the Peptide-Antimicrobial-Xenorhabdus peptide-producing NRPS called PaxS, which consists of the three proteins PaxA, PaxB and PaxC. Here, in particular the trans DD interface between the C-terminal attached DD of PaxB and N-terminal attached DD of PaxC was structurally investigated and thermodynamically characterized by isothermal titration calorimetry (ITC), yielding a dissociation constant (KD) of ~25 µM, which is a DD typical affinity known from further characterized DD pairs. The artificial linking of the PaxB/C C/NDD pair via a glycine-serine (GS) linker facilitated the structure determination of the DD complex by solution nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy. In comparison to known docking domain structures, this DD complex assembles in a completely new fold which is characterized by a central α-helix of PaxC NDD wrapped in two V-shaped α-helices of PaxB CDD.
The first manuscript of this work focuses on the application of synthetic zippers (SZ) to mimic natural docking domains, enabling the easy assembly of NRPS building blocks encoded on different plasmids in a functional way. Here, the high-affinity interaction of SZs unambiguously defines the order of the synthetases derived from single-protein NRPSs in the engineered NRPS system and allows the recombination in a plug-and-play manner. Notably, the SZ engineering strategy even facilitates the functional assembly of NRPSs derived from Gram-positive and Gram-negative bacteria. Furthermore, the functional incorporation of SZs into NRPS modules is not limited to a specific linker region, so we could introduce them within all native NRPS linker regions (A-T, T-C, C-A).
The second publication and the second manuscript of this thesis again focus on the multi-protein PaxS, in particular on the trans interface between the proteins PaxA and PaxB on a molecular level by solution NMR. Therefore, the PaxA CDD adjacent T domain was included into the structural investigation besides the native interaction partner PaxB NDD. Before a three-dimensional structure could be obtained from NMR data, the NH groups located in the peptide bonds had to be assigned to the respective amino acids of the proteins (backbone assignment). Based on these backbone assignments, the secondary structure of PaxA T1-CDD and PaxB NDD in the absence and presence of the respective interaction partner were predicted.
The structural and functional characterization of the PaxA T1-CDD:PaxB NDD complex is summarized in manuscript two. The thermodynamic analysis of this complex by ITC determined a KD value of ~250 nM, whereas the discrete DDs did not interact at all. The high-affinity interaction allowed to determine the solution NMR structure of the PaxA T1-CDD:PaxB NDD complex without the covalent linkage of the interaction partners and an extended docking domain interface could be determined. This interface comprises on the one hand α-helix 4 of the PaxA T1 domain together with the α-helical CDD, and on the other hand the PaxB NDD, which is composed of two α-helices separated by a sharp bend.
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Most cellular processes are regulated by RNA-binding proteins (RBPs). These RBPs usually use defined binding sites to recognize and directly interact with their target RNA molecule. Individual-nucleotide resolution UV crosslinking and immunoprecipitation (iCLIP) experiments are an important tool to de- scribe such interactions in cell cultures in-vivo. This experimental protocol yields millions of individual sequencing reads from which the binding spec- trum of the RBP under study can be deduced. In this PhD thesis I studied how RNA processing is driven from RBP binding by analyzing iCLIP-derived sequencing datasets.
First, I described a complete data analysis pipeline to detect RBP binding sites from iCLIP sequencing reads. This workflow covers all essential process- ing steps, from the first quality control to the final annotation of binding sites. I described the accurate integration of biological iCLIP replicates to boost the initial peak calling step while ensuring high specificity through replicate re- producibility analysis. Further I proposed a routine to level binding site width to streamline downstream analysis processes. This was exemplified in the re- analysis of the binding spectrum of the U2 small nuclear RNA auxiliary factor 2 (U2AF2, U2AF65). I recaptured the known dominance of U2AF65 to bind to intronic sequences of protein-coding genes, where it likely recognizes the polypyrimidine tract as part of the core spliceosome machinery.
In the second part of my thesis, I analyzed the binding spectrum of the serine and arginine rich splicing factor 6 (SRSF6) in the context of diabetes. In pancreatic beta-cells, the expression of SRSF6 is regulated by the transcription factor GLIS3, which encodes for a diabetes susceptibility gene. It is known that SRSF6 promotes beta-cell death through the splicing dysregulation of genes essential to beta-cell function and survival. However, the exact mechanism of how these RNAs are targeted by SRSF6 remains poorly understood. Here, I applied the defined iCLIP processing pipeline to describe the binding landscape of the splicing factor SRSF6 in the human pancreatic beta-cell line EndoC-H1. The initial binding sites definition revealed a predominant binding to coding sequences (CDS) of protein-coding genes. This was followed up by extensive motif analysis which revealed a so far, in human, unknown purine-rich binding motif. SRSF6 seemed to specifically recognize repetitions of the triplet GAA. I also showed that the number of contiguous triplets correlated with increasing binding site strength. I further integrated RNA-sequencing data from the same cell type, with SRSF6 in KD and in basal conditions, to analyze SRSF6- related splicing changes. I showed that the exact positioning of SRSF6 on alternatively spliced exons regulates the produced transcript isoforms. This mechanism seemed to control exons in several known susceptibility genes for diabetes.
In summary, in my PhD thesis, I presented a comprehensive workflow for the processing of iCLIP-derived sequencing data. I applied this pipeline on a dataset from pancreatic beta-cells to unveil the impact of SRSF6-mediated splicing changes. Thus, my analysis provides novel insights into the regulation of diabetes susceptibility genes.
Die Physiologie des Schmerzes umfasst komplexe immunologische, sensorische und inflammatorische Prozesse im Rückenmark, im Gehirn und in der Peripherie. Wiederholte nozizeptive Stimulation induziert pathophysiologische Veränderungen bei der Schmerzweiterleitung, aus denen eine periphere oder zentrale Sensibilisierung resultiert. Diese kann bei dafür anfälligen Patienten zu der Ausbildung von chronischen Schmerzzuständen führen. Obwohl das Wissen über die genauen molekularen Vorgänge der Schmerz-Chronifizierung noch immer unvollständig ist, sind die Identifizierung von Risikofaktoren vernünftige Schritte, um die individuelle Anfälligkeit für die Entwicklung chronischer Schmerzen zu bestimmen. Das Hauptziel dieser Doktorarbeit bestand daher in der Identifikation humaner genetischer Biomarker für chronische Schmerzzustände.
Octanoic acid (C8 FA) is a medium-chain fatty acid which, in nature, mainly occurs in palm kernel oil and coconuts. It is used in various products including cleaning agents, cosmetics, pesticides and herbicides as well as in foods for preservation or flavoring. Furthermore, it is investigated for medical treatments, for instance, of high cholesterol levels. The cultivation of palm oil plants has surged in the last years to satisfy an increasing market demand. However, concerns about extensive monocultures, which often come along with deforestation of rainforest, have driven the search for more environmentally friendly production methods. A biotechnological production with microbial organisms presents an attractive, more sustainable alternative.
Traditionally, the yeast Saccharomyces cerevisiae has been utilized by mankind in bread, wine, and beer making. Based on comprehensive knowledge about its metabolism and genetics, it can nowadays be metabolically engineered to produce a plethora of compounds of industrial interest. To produce octanoic acid, the cytosolic fatty acid synthase (FAS) of S. cerevisiae was utilized and engineered. Naturally, the yeast produces mostly long-chain fatty acids with chain lengths of C16 and C18, and only trace amounts of medium-chain fatty acids, i.e. C8-C14 fatty acids. To generate an S. cerevisiae strain that produces primarily octanoic acid, a mutated version of the FAS was generated (Gajewski et al., 2017) and the resulting S. cerevisiae FASR1834K strain was utilized in this work as a starting strain.
The goal of this thesis was to develop and implement strategies to improve the production level of this strain. The current mode of quantification of octanoic acid includes labor-intensive, low-throughput sample preparation and measurement – a main obstacle in generating and screening for improved strain variants. To this end, a main objective of this thesis was the development of a biosensor. The biosensor was based on the pPDR12 promotor, which is regulated by the transcription factor War1. Coupling pPDR12 to GFP as the reporter gene on a multicopy plasmid allowed in vivo detection via fluorescence intensity. The developed biosensor enabled rapid and facile quantification of the short- and medium-chain fatty acids C6, C7 and C8 fatty acids (Baumann et al., 2018). This is the first biosensor that can quantify externally supplied octanoic acid as well as octanoic acid present in the culture supernatant of producer strains with a high linear and dynamic range. Its reliability was validated by correlation of the biosensor signal to the octanoic acid concentrations extracted from culture supernatants as determined by gas chromatography. The biosensor’s ability to detect octanoic acid in a linear range of 0.01-0.75 mM (≈1-110 mg/L), which is within the production range of the starting strain, and a response of up to 10-fold increase in fluorescence after activation was demonstrated.
A high-throughput FACS (fluorescence-activated cell sorting) screening of an octanoic acid producer strain library was performed with the biosensor to detect improved strain variants (Baumann et al., 2020a). For this purpose, the biosensor was genomically integrated into an octanoic acid producer strain, resulting in drastically reduced single cell noise. The additional knockout of FAA2 successfully prevented medium-chain fatty acid degradation. A high-throughput screening protocol was designed to include iterative enrichment rounds which decreased false positives. The functionality of the biosensor on single cell level was validated by adding octanoic acid in the range of 0-80 mg/L and subsequent flow cytometric analysis. The biosensor-assisted FACS screening of a plasmid overexpression library of the yeast genome led to the detection of two genetic targets, FSH2 and KCS1, that in combined overexpression enhanced octanoic acid titers by 55 % compared to the parental strain. This was the first report of an effect of FSH2 and KCS1 on fatty acid titers. The presented method can also be utilized to screen other genetic libraries and is a means to facilitate future engineering efforts.
In growth tests, the previously reported toxicity of octanoic acid on S. cerevisiae was confirmed. Different strategies were harnessed to create more robust strains. An adaptive laboratory evolution (ALE) experiment was conducted and several rational targets including transporter- (PDR12, TPO1) and transcription factor-encoding genes (PDR1, PDR3, WAR1) as well as the mutated acetyl-CoA carboxylase encoding gene ACC1S1157A were overexpressed or knocked out in producer or non-producer strains, respectively. Despite contrary previous reports for other strain backgrounds, an enhanced robustness was not observable. Suspecting that the utilized laboratory strains have a natively low tolerance level, four industrial S. cerevisiae strains were evaluated in growth assays with octanoic acid and inherently more robust strains were detected, which are suitable future production hosts.
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The division Ascomycota(Fungi) contains a large number of taxa known to reproduce only asexually by the formation of conidia or other non-motile propagules produced by mitotic cellular devisions. They are called anamorphic, mitosporic, asexual or conidial fungi and ecologically, they are often found associated with plant debris in different stages of decay. In general, saprobic anamorphs of ascomycetous affinities are poorly studied and their outstanding diversity is currently underexplored. Phylogenetic relationships are unknown for many of them and they are still largely underrepresented in the current phylogenetic classification system of Fungi, with many morphologically defined anamorphic taxa still awaiting taxonomic reassessment in the light of molecular approaches. The increasing usage of molecular markers combined with robust statistical methods has allowed their phylogenetic affinities to be revealed and to gradually incorporate many of them into the different taxonomic groups of the division Ascomycota. However, the phylogenetic placement and taxonomic status of a large number of saprobic taxa remain unresolved due to the lack of DNA sequence data.
The present dissertation aims to explore the rich but understudied diversity of those anamorphic fungi traditionally known as hyphomycetes that inhabit dead plant debris. It consists of five publications in which a polyphasic approach integrating morphological, developmental, cultural and molecular data was used to incorporate novel or incertae sedis taxa within Ascomycota and to make more sound decisions regarding their taxonomic status. Specific objectives include: 1. the collection, isolation and morphological characterization of selected anamorphic fungi representing putative new or interesting taxa of uncertain phylogenetic placement; 2. the generation of novel DNA sequence data to infer their phylogenetic relationships and to resolve their taxonomic affinities within Ascomycota; 3. the testing of any previously available morphologically based hypotheses on their putative position, generic placement or relationships with teleomorphic, pleomorphic or other anamorphic taxa; and 4. the determination of their generic validity, monophyly and taxonomic boundaries using molecular data and phylogenetic analyses methods.
Materials studied in these five projects consisted of specimens collected during field work carried out by the author or collaborators in different countries including USA, the Czech Republic and Panama between the years 2014 and 2017. The target substrates were dead leaves of different palm trees, dead wood and bark of pines and twigs or stems of unknown shrubs and woody vines that are all known to harbor a rich saprobic mycobiota. Putative novelties or anamorphic taxa with unknown or poorly studied phylogenetic affinities were selected for further morphological and molecular investigation. Micromorphological studies were based on fungal structures observed on natural substrate, herbarium specimens and in culture. DNA was extracted from cultures and PCR amplification followed by Sanger sequencing was carried out using relevant molecular markers employed in fungal phylogenetic studies. Newly obtained DNA sequence data were analyzed following a standard phylogenetic analysis pipeline and phylogenetic relationships were reconstructed using character-based methods such as Maximum Likelihood and Bayesian inference.
Conclusion is that anamorphic Ascomycota inhabiting dead plant debris represents a largely untapped source of biodiversity and information still in need of further exploration. A new capnodiaceous genus Castanedospora, seven new species named Taeniolella sabalicola, Hermatomyces bifurcatus, H. constrictus, H. megasporus, H. sphaericoides, H. verrucosus and Septonema lohmanii, and two new combinations, Castanedospora pachyanthicola and H. reticulatus, are proposed based on morphological and DNA sequence data. Molecular phylogenetics was confirmed as the tool of choice for the inference of relationships in novel or incertae sedis anamorphic fungi that are otherwise difficult to assess in the absence of a teleomorphic state. They were first resolved or revisited for several saprobic species such as Ernakulamia cochinensis, H. sphaericus, H. tucumanensis or Septonema fasciculare in a suitable framework for phylogenetic hypothesis testing. Molecular data allowed to fully incorporate all these taxa in Ascomycota, particularly within the classes Dothideomycetes and Sordariomycetes, and to provide a foundation for better taxonomic decisions on their classification. Large and polyphyletic genera such as Taeniolella, Sporidesmium and Septonema, partially treated in this work and containing mostly saprobic species of obscure affinities, remained in need of further investigation.
The oleochemical and petrochemical industries provide diverse chemicals used in personal care products, food and pharmaceutical industries or as fuels, oils, polymers and others. However, fossil resources are dwindling and concerns about these conventional production methods have risen due to their strong negative impact on the environment and contribution to climate change.
Therefore, alternative, sustainable and environmentally friendly production methods for oleochemical compounds such as fatty acids, fatty alcohols, hydroxy fatty acids and dicarboxylic acids are desired. The biotechnological production by engineered microorganism could fulfill these requirements. The concept of metabolic engineering, which is the modification of metabolic pathways of a host organism for increased production of a target compound, is a widely used strategy in biotechnology to generate cell factories or chassis strains for robust, efficient and high production. In this work, the versatile model and industrial yeast Saccharomyces cerevisiae was manipulated by metabolic engineering strategies for increased production of the medium-chain fatty acid octanoic acid and de novo production the derived 8-hydroxyoctanoic acid.
Octanoic acid production was enabled by the fatty acid biosynthesis pathway by use of a mutated fatty acid synthase (FASRK) in a wild type FAS deficient strain. The yeast fatty acid synthase (FAS) consists of two polypeptides, α and β, which assemble to a α6β6 complex in a co-translational manner by interaction of the subunits. Because this step might be subject to cellular regulation, the α- and β- subunits of fatty acid synthase were fused to form a single-chain construct (fusFASRK), which displayed superior octanoic acid production compared with split FASRK. Thus, FASRK expression was identified as a limiting step of octanoic acid production. But the strains that produce octanoic acid have a severe growth defect that is undesirable for biotechnological applications and could lead to lower production titers. One reason is the strong
inhibitory effect of octanoic acid. Another possibility is that the mutant FAS no longer produces enough essential long-chain fatty acids. To compensate for this, the mutated split and fused FAS variants were co-expressed individually in a strain harboring genomic wild type FAS alleles. In
addition, mutant and wild type variants of fused and split FAS were co-expressed together in a FAS deficient strain. However, both cases resulted in decreased octanoic acid titers potentially by physical and/or metabolic crosstalk of the FAS variants.
The fatty acid biosynthesis relies on cytosolic acetyl-CoA for initiation and derived malonyl-CoA for elongation and requires NADPH for reductive power. To increase production of octanoic acid, engineering strategies for increased acetyl-CoA and NADHP supply were investigated. First, the flux through the native cytosolic acetyl-CoA and NADPH providing pyruvate dehydrogenase bypass was enhanced by overexpression of the target genes ADH2, ALD6 and ACSL461P from Salmonella enterica in combination or individually. Next, the acety-CoA forming heterologous phosphoketolase/phosphotransacetylase pathway was expressed and NADPH formation was increased by redirecting the flux of glucose-6-phosphate into the NADPH producing oxidative branch of the pentose phosphate pathway. In particular, the flux through glycolysis and pyruvate dehydrogenase bypass was reduced by downregulating the expression of the phosphoglucose isomerase PGI1 and deleting the acetaldehyde dehydrogenase ALD6. Glucose-6-phosphate was guided into the pentose phosphate pathway by overexpressing the glucose-6-phosphate dehydrogenase ZWF1. The first approach did not influence octanoic acid production but the latter increased yields in the glucose consumption phase by 65 %. However,
combining the superior fusFASRK with acetyl-CoA and NADPH supply engineering strategies did not result in additive production effects, indicating that other limitations hinder high octanoic acid accumulation. Limitations could be caused in particular by the strong inhibitory effects of octanoic acid or by intrinsic limitations of the FASRK mutant. To enlarge the octanoic acid production platform towards other derived valuable oleochemical compounds the de novo production of 8-hydroxyoctanoic acid was targeted. Since short- and medium-chain fatty acids have a strong inhibitory effect on Saccharomyces cerevisiae, the inhibitory effect of hydroxy fatty acid and dicarboxylic with eight or ten carbon atoms were compared and revealed only little or no growth impairment. Subsequently, the formation of 8-hydroxyoctanoic acid was targeted by a terminal hydroxylation of externally supplied octanoic acid in a bioconversion. For that, three heterologous genes, encoding for cytochromes P450 enzymes and their cognate cytochrome P450 reductases were expressed and 8-hydroxyoctanoic acid production was compared. In addition, the use of different carbon sources was compared.
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Exploring the in vivo subthreshold membrane activity of phasic firing in midbrain dopamine neurons
(2021)
Dopamine is a key neurotransmitter that serves several essential functions in daily behaviors such as locomotion, motivation, stimulus coding, and learning. Disrupted dopamine circuits can result in altered functions of these behaviors which can lead to motor and psychiatric symptoms and diseases. In the central nervous system, dopamine is primarily released by dopamine neurons located in the substantia nigra pars compacta (SNc) and ventral tegmental area (VTA) within the midbrain, where they signal behaviorally-relevant information to downstream structures by altering their firing patterns. Their “pacemaker” firing maintains baseline dopamine levels at projection sites, whereas phasic “burst” firing transiently elevates dopamine concentrations. Firing activity of dopamine neurons projecting to different brain regions controls the activation of distinct dopamine pathways and circuits. Therefore, characterization of how distinct firing patterns are generated in dopamine neuron populations will be necessary to further advance our understanding of dopamine circuits that encode environmental information and facilitate a behavior.
However, there is currently a large gap in the knowledge of biophysical mechanisms of phasic firing in dopamine neurons, as spontaneous burst firing is only observed in the intact brain, where access to intrinsic neuronal activity remains a challenge. So far, a series of highly-influential studies published in the 1980s by Grace and Bunney is the only available source of information on the intrinsic activity of midbrain dopamine neurons in vivo, in which sharp electrodes were used to penetrate dopamine neurons to record their intracellular activity. A novel approach is thus needed to fill in the gap. In vivo whole-cell patch-clamp method is a tool that enables access to a neuron’s intrinsic activity and subthreshold membrane potential dynamics in the intact brain. It has been used to record from neurons in superficial brain regions such as the cortex and hippocampus, and more recently in deeper regions such as the amygdala and brainstem, but has not yet been performed on midbrain dopamine neurons. Thus, the deep brain in vivo patch-clamp recording method was established in the lab in an attempt to investigate the subthreshold membrane potential dynamics of tonic and phasic firing in dopamine neurons in vivo.
The use of this method allowed the first in-depth examination of burst firing and its subthreshold membrane potential activity of in vivo midbrain dopamine neurons, which illuminated that firing activity and subthreshold membrane activity of dopamine neurons are very closely related. Furthermore, systematic characterization of subthreshold membrane patterns revealed that tonic and phasic firing patterns of in vivo dopamine neurons can be classified based on three distinct subthreshold membrane signatures: 1) tonic firing, characterized by stable, non-fluctuating subthreshold membrane potentials; 2) rebound bursting, characterized by prominent hyperpolarizations that initiate bursting; and 3) plateau bursting, characterized by transient, depolarized plateaus on which bursting terminates. The results thus demonstrated that different types of phasic firing are driven by distinct patterns of subthreshold membrane activity, which may potentially signal distinct types of information. Taken together, the deep brain in vivo patch-clamp technique can be used for the investigation of firing mechanisms of dopamine neurons in the intact brain and will help address open questions in the dopamine field, particularly regarding the biophysical mechanisms of burst firing in dopamine neurons that control behavior.
Plastics contain a complex mixture of chemicals including polymers, additives, starting substances and side-products of processing. These plastic chemicals are prone to leach into the packaged goods, in the case of food contact materials (FCMs), or into the natural environment, in the case of plastic debris. Thus, plastics represent an exposure source of chemicals for humans and wildlife alike. While it is widely known that individual plastic chemicals, such as bisphenol A and phthalates, are hazardous, little is known on the overall chemical composition and toxicity of plastics. When fragmented into smaller particles, referred to as microplastics (< 5 mm), the plastic itself can be ingested by many species. It is well established that microplastic ingestion can have negative consequences for a wide range of organisms including invertebrates, but the contribution of plastic chemicals to the toxicity of microplastics is unclear.
Given the above, the present thesis aimed at a comprehensive toxicological, ecotoxicological and chemical characterization of everyday plastics. For a comparative evaluation, 77 plastic products were selected covering 16 material types (e.g., polyethylene) made from petroleum or renewable feedstocks. These products included biodegradable products, FCMs and non-FCMs, as well as raw materials and final products, respectively. In the first two studies, the chemical mixtures contained in the 77 products were extracted with methanol and extracts were analyzed in a set of four in vitro bioassays and by non-target high-resolution gas or liquid chromatography mass spectrometry. Since an exposure only occurs if chemicals actually leach under realistic conditions, in a third study migration experiments with water were conducted for 24 out of the 77 products. The aqueous migrates were assessed in the same way as the methanolic extracts. In addition, the freshwater invertebrate Daphnia magna was exposed chronically to microplastics made of polyvinylchloride (PVC), polyurethane (PUR) and polylactic acid (PLA) to investigate the contribution of chemicals in microplastic toxicity, in a fourth study.
The experimental findings demonstrate that a wide variety of chemicals is present in plastics. A single plastic product can contain up to several thousand chemical features, most of which unique to that product and at the same time unknown. The results also indicate that the majority of these chemical mixtures are toxic in vitro. Accordingly, 65% of the plastic extracts induced baseline toxicity and 42% an oxidative stress response, while 25% had an antiandrogenic and 6% an estrogenic activity. This implies that chemicals causing unspecific toxicity are more prevalent in plastics than such with endocrine effects. These chemicals can also leach from plastics under realistic conditions. Between 17 and 8936 chemical features were detected in a single migrate sample and all 24 tested migrates induced in vitro toxicity. This means that humans and wildlife can actually be exposed to toxic plastic chemicals under realistic conditions. Generally, each product has its individual toxicological and chemical fingerprint. Thus, neither material type, feedstock, biodegradability nor the food contact suitability of a product can serve as a predictor for the toxicity, the chemical composition or complexity of a product. Likewise, this means that bio-based and biodegradable materials are not superior to their petroleum-based counterparts from a toxicological perspective despite being promoted as sustainable alternatives to conventional plastics.
Moreover, the present thesis demonstrates that plastic chemicals can be the main driver for microplastic toxicity. Irregular microplastics made of PVC, PUR and PLA adversely affected life-history traits of D. magna in a polymer type- and endpoint-dependent manner at concentrations between 100 and 500 mg L-1 and with a higher efficiency than natural kaolin particles. While the toxicity of PVC was triggered by the chemicals used in the material, the effects of PUR and PLA were induced by the physical properties of the particle.
In addition, in the fifth study, results and observations made during this thesis were integrated inter- and transdisciplinarily with the perspectives of a social scientist and a product manufacturer. This elucidated that knowledge on plastic ingredients is often concealed, is lacking or not applicable in practice. These intransparencies hinder the safety evaluation of plastic products as well as the choice and sale of the least toxic packaging material.
Overall, the present thesis highlights that the chemical safety of plastics and their bio-based and biodegradable alternatives is currently not ensured. Thus, chemicals require more consideration in the toxicity and risk assessment of plastics and microplastics. Product-specific and complex chemical compositions, including unknown compounds, pose a challenge here. Two essential steps towards non-toxic products are to increase transparency along the product life cycle and to reduce the chemical complexity of plastics by communication and regulation. The results of the present thesis indicate that products exist which do not contain toxic chemicals. These can serve to direct the design of safer plastics. Since toxicity and chemical complexity seem to increase with processing, the integration of toxicity testing during the production steps would further support the safe and sustainable production and use of plastic products.
Sympathetic influences on articular cartilage regeneration capacity and osteoarthritis manifestation
(2021)
The pathogenesis of osteoarthritis (OA) involves articular cartilage, synovial tissue and subchondral bone and is therefore a disease of the whole joint. OA is characterized by progressive degradation of cartilage, synovial inflammation, osteophyte formation and subchondral bone sclerosis. Cartilage-surrounding tissues are innervated by tyrosine hydroxylase (TH)-positive sympathetic nerve fibers with the most important sympathetic neurotransmitter norepinephrine (NE) detected in the synovial fluid of OA patients. Furthermore, adrenergic receptors are expressed in different knee joint tissues. Most in vitro studies indicate a potential role of the β2-adrenergic receptor, which has been not investigated during OA pathogenesis in vivo. The role of the sympathetic nervous system (SNS) in OA progression has not yet been studied. Therefore, the objective of this study was to analyze how the SNS and NE influence the MSC dependent cartilage regeneration in vitro and the OA pathogenesis and manifestation in vivo.
In the first part of this study, the effect of NE on the chondrogenesis of sASC, which are known to play an important role in cartilage regeneration was analyzed in vitro. In the second part of this study, the role of the SNS was studied in vivo in mice that were sympathectomized chemically followed by surgically induced OA. The specific focus was on the β2-adrenergic receptor effects on OA pathogenesis, which were analyzed in β2-adrenergic receptor-deficient mice.
The in vitro experiments have shown that NE reduced the chondrogenic potential of sASCs by decreasing the expression of type II collagen and sGAG. NE mediated these effects mainly by the α2-AR signalling. Furthermore, NE treatment led to activation of the ERK1/2 signal pathway. These findings suggested that the sympathetic neurotransmitter NE might suppress the chondrogenic capacity of MSC and their dependent cartilage regeneration and may also play a role in OA progression and manifestation.
The in vivo study has shown that sympathectomy reduced synovial TH-positive nerve fibers in the synovium and the NE concentration in the spleen significantly. In WT mice, DMM leads to increased NE concentrations in the spleen compared to sham mice indicating an increased SNS activity after mechanical stress or inflammation due to DMM. Sympathectomy leads to less pronounced cartilage degeneration (OARSI score) after DMM compared to DMM in WT mice. Furthermore, the release of the type II collagen degradation fragment CTX-II was abolished in Syx DMM mice compared to WT DMM mice, suggesting that less SNS activity due to sympathectomy reduced the cartilage degeneration during OA pathogenesis. Similarly, sympathectomy decreased the synovitis score significantly after DMM compared to DMM in
WT mice. Synovitis in WT mice was accompanied by increased MMP-13 expression in the synovium after DMM, compared to Syx mice. Cartilage degeneration seemed to be driven mainly by the increased synovial inflammation accompanied by an increased MMP13 expression in synoviocytes and not in chondrocytes. The pathological changes in synovium and cartilage might also be linked to each other, as indicated by the moderate correlation between the synovial inflammation (synovitis score) and cartilage degeneration (OARSI score). Subchondral bone volume as well the thickness of the subchondral bone plate (SCBP) and calcified cartilage (CC) were increased in Syx mice compared to WT after DMM. The data on DMM induction in β2-AR deficient mice revealed that the β2-AR signaling is involved in cartilage degeneration and the aggravated subchondral bone changes as these mice had less pronounced cartilage degeneration compared to WT mice. While the cartilage degeneration was similar, the subchondral bone changes were more pronounced in β2-AR deficient mice compared to the Syx mice.
Overall, the SNS had differential effects in cartilage, synovium and subchondral bone. A reduced SNS activity by sympathectomy attenuated cartilage degeneration and synovitis but aggravated the OA specific subchondral bone changes. These findings provide new insights into the development of novel therapeutic strategies for OA by targeting the SNS in a tissue- specific manner.
In der vorliegenden Arbeit wurde das Zinkfinger-µ-Protein HVO_2753 des halophilen Archaeons Haloferax volcanii hinsichtlich seiner biologischen Funktion und seiner Struktur charakterisiert.
Zinkfinger-µ-Proteine wurden bisher nur sehr wenig untersucht, während ihnen jedoch in den letzten Jahren steigendes Interesse entgegengebracht wird. Im Genom von H. volcanii sind mehr als 40 solcher Zinkfinger-µ-Proteine codiert. Von diesen besitzt mit HVO_2753 lediglich eines nicht nur zwei, sondern vier der charakteristischen C(P)XCG-Muster, was für die Anwesenheit von zwei Zinkfinger-Motiven spricht. Während Homologe von HVO_2753 in vielen Euryachaeota vorkommen und manche davon als Zink-Ribbon RNA-Bindeproteine annotiert sind, ist über ihre Funktion jedoch nichts bekannt. Zur Charakterisierung des Proteins wurde zunächst eine in frame-Deletionsmutante seines Gens erstellt und diese einer phänotypischen Charakterisierung unterzogen. Die Mutante wies, verglichen mit dem Wildtyp, keine Unterschiede im Wachstum in Komplexmedium oder in synthetischem Medium mit Glukose als Kohlenstoffquelle auf. Ein schweres Defizit konnte jedoch sowohl bei der Adhäsion und Biofilmbildung als auch der Schwärmfähigkeit der Deletionsmutante festgestellt werden. Während die Schwärmfähigkeit des Wildtyps durch plasmidische Expression von HVO_2753 in der Deletionsmutante teilweise wiederhergestellt werden konnte, war eine solche Komplementation bei der Biofilmbildung nicht möglich. Die Analyse der Relevanz ausgewählter Aminosäuren, wie beispielsweise das jeweils erste Cystein in jedem C(P)XCG-Muster zeigte, dass die Substitution jeder einzelnen der getesteten Aminosäuren einen Funktionsverlust des Proteins nach sich zieht. Die Untersuchung des HVO_2753-Transkripts mittels Northern Blot-Analyse bestätigte erste Hinweise aus vorangegangenen dRNA- und RNA-Seq-Studien, die eine Co-Transkription von HVO_2753 mit dem Nachbargen HVO_2752, das für den Translations-Elongationsfaktor aEF-1 beta codiert, aufzeigten. Daraufhin erfolgte eine Untersuchung des Ribosomenprofils, bei der keine Unterschiede zwischen der Deletionsmutante und der Überexpressionsmutante von HVO_2753 festgestellt werden konnten.
Eine Variante von HVO_2753 mit N-terminalem Hexahistidin-Tag wurde homolog überproduziert und aufgereinigt. Die Überproduktion und Aufreinigung wurden im Zuge dieser Arbeit weiter, speziell für HVO_2753, optimiert. So konnten große Mengen von HVO_2753n überproduziert und bei nativen Salzbedingungen mittels Nickel-Affinitätschromatographie und anschließender Größenausschlusschromatographie aufgereinigt werden. Eine massenspektrometrische Analyse bestätigte sowohl das Molekulargewicht als auch die Abwesenheit posttranslationaler Modifikationen. Die Untersuchung der Menge an gebundenem Zink im Protein erfolgte beim Zink-Assay mit Hilfe des hochsensitiven und hochspezifischen Fluorophors ZnAF-2F. Dabei konnte gezeigt werden, dass überraschenderweise lediglich ein Zink-Ion in HVO_2753 gebunden vorliegt.
Zur weiteren Funktionsaufklärung erfolgte eine Interaktionspartnersuche. Hierfür wurde HVO_2753 überproduziert, ein in vivo-Crosslink und anschließend eine native Aufreinung durchgeführt. Die massenspektrometrische Analyse ausgewählter Fraktionen nach der Größenausschlusschromatographie ergaben eine Vielzahl an möglichen Bindepartnern. Besonders häufig wurde hier die GalE family Epimerase/Dehydratase gefunden. Eine weitere Methode zur Suche nach Interaktionspartnern richtete sich auf RNAs. Hier konnten mittels eines eigens entwickelten Protokolls neben RNAs des Translationsapparates auch mehrfach die tRNA(Glu) gefunden werden.
Zusätzlich sollte die Transkriptomanalyse mittels RNA-Sequenzierung Unterschiede zwischen Wildtyp, Deletionsmutante und Komplementationsmutante aufzeigen. Hier wurden weitreichende Auswirkungen der Deletion von HVO_2753 gefunden. Zahlreiche Gene in mehreren Operons zur Motilität und Chemotaxis lagen in der Deletionsmutante stark herunterreguliert vor, während die Gene einiger Metallionen-Transporter und der Eisen(III)-Siderophor-Biosynthese hochreguliert vorlagen. In der Komplementationsmutante konnten nur von den letzteren Genen Transkriptlevel vergleichbar mit denen des Wildtyps wiedergefunden werden.
In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass das kleine Zinkfinger-Protein HVO_2753 eine essenzielle Rolle in der positiven Regulation der Motilität, Chemotaxis und der Adhäsion bzw. Biofilmbildung spielt. Gleichzeitig übt HVO_2753 eine negative Regulation auf den Metallionen-Transport und die Biosynthese des Eisen(III)-Siderophors aus.
Photorhabdus and Xenorhabdus are Gram-negative, entomopathogenic bacteria, living in endosymbiosis with the soil-dwelling nematode of the genera Steinernema and Heterorhabditis. The life cycle of these nematodes consists of non-feeding infective juvenile (IJ) stage, which actively searches for insects in the soil. After penetrating the insect prey, Photorhabdus and Xenorhabdus bacteria are released from the nematode gut. The bacteria proliferate and produce toxins to kill the insect. Photorhabdus and Xenorhabdus support nematode development throughout the life cycle and to get rid of food competitors by providing a wide variety of specialized metabolites (SMs). However, little is known about which SMs function as so called “food signals” to trigger the development process.
The IJs develop into adult, self-fertilizing hermaphrodites in a process called recovery, while feeding on cadaver and bacterial biomass. Heterorhabditis and Steinernema proceed to breed until nutrients are exhausted. Next generation IJs (NG-IJs) develop and leave the cadaver to search for another insect prey.
Photorhabdus and Xenorhabdus can be cultivated in defined medium under laboratory conditions. By placing IJs on a plate containing their respective bacterial symbiont, the complete life cycle of the nematodes can be observed in vitro. The in vitro nematode bioassay was used as a tool to investigate the development of the nematode.
The aim of this study was to find the food signals responsible for nematode development. Different Photorhabdus deletion strains unable to produce one or several SMs were co-cultivated with nematodes in the nematode bioassay. Subsequently, two aspects of the life cycle were investigated: recovery and NG-IJ development.
As isopropyl stilbene (IPS) is postulated to function as a food signal to support nematode recovery, it was used as a starting point for investigations. This study was focused on the biosynthetic pathway of IPS, including intermediates, side products and derivatives to investigate which one is in fact responsible for supporting nematode development.
The biosynthesis of IPS requires two precursors, phenylalanine and leucine (Figure 5). The first topic was focused on the phenylalanine derived pathway. Photorhabdus laumondii deletion mutants, defective in intermediate steps of this pathway, were created. The deletion of the genes coding for the phenylalanine ammonium lyase (stlA), converting phenylalanine into cinnamic acid (CA), the coenzyme A (CoA) ligase (stlB) and the operon coding for a ketosynthase and aromatase (stlCDE), were used. These strains were used for nematode bioassay including complementation of mutant phenotypes by feeding experiments. Recovery of nematodes grown on the deletion strains was always lower than recovery of nematodes grown on wild type bacteria. Feeding IPS to a deletion strain did not restore wild type level nematode recovery, thus IPS cannot be the food signal. Instead, the food signal must be another compound derived from this part of biosynthetic pathway. Lumiquinone and 2,5-dihydrostilbene are suggested to function as food signals and need to be investigated in future work.
The second part of this study was focused on the leucine derived pathway, which involved the Bkd complex forming the iso-branched part of IPS. A deletion of bkd was created and phenotypically analysed, subsequently performed with the nematode bioassay. Not only IPS but also other branched SMs, like photopyrones and phurealipids are synthetised by the Bkd complex. Deletions strains defective in producing photopyrones and phurealipids were also performed in nematode bioassays to investigate effects of these SMs individually. Branched SMs did not have an impact on nematode development, but nematodes grown on the ΔbkdABC strain showed a reduced nematode recovery and almost diminished NG-IJs development. As the Bkd complex also produces branched chain fatty acids (BCFAs), feeding experiments were performed with lipid extracts of wild type and mutant strain. All lipid extracts improved recovery, but only wild type lipids could complement NG-IJ development. This strongly indicates that BCFAs play an important role in NG-IJ development, which needs to be proven with purified BCFA feeding. This is an interesting finding, which could improve nematode production for biocontrol agent usage.
The role of IPS derived to epoxy stilbene (EPS) for nematode development, was another focus in the nematode life cycle. Recently it was demonstrated that EPS does not support nematode development. However, EPS forms adducts with amino acids. In my thesis, novel adducts containing the amino acid phenylalanine or a tetrapeptide were characterized. Another adduct, most likely being an EPS dimer, was also characterized. The biological role of such adducts was discussed to be potentially important for insect weakening and the structure of the novel compounds need to be structure elucidated and tested for bioactivity.
Operons wurden zuerst im Jahre 1961 beschrieben. Bis heute ist bekannt, dass die prokaryotischen Domänen Bacteria und Archaea Gene sowohl in monocistronischen als auch in bi- oder polycistronischen Transkripten exprimieren können. Häufig überlappen Gene sogar in ihren Sequenzen. Diese überlappenden Genpaare stehen nicht in Korrelation mit der Kompaktheit ihres Genoms. Das führt zu der Annahme, dass eine Art der Regulation vorliegt, welche weitere Proteine oder Gene nicht benötigt. Diese könnte eine gekoppelte Translation sein. Das bedeutet die Translation des stromabwärts-liegenden Gens ist abhängig von der Translation eines stromaufwärts-liegenden Gens. Diese Abhängigkeit kann zum Beispiel durch lang reichende Sekundärstrukturen entstehen, bei welchen Ribosomenbindestellen (RBS) des stromabwärts-liegenden Gens blockiert sind. Die de novo-Initiation am stromabwärts-liegenden Gen kann nur stattfinden, wenn das erste Gen translatiert wird und dabei die Sekundärstruktur an der RBS aufgeschmolzen wird. Für Genpaare in E. coli ist dieser Mechanismus gut untersucht. Ein anderes Beispiel für die Translationskopplung ist die Termination-Reinitiation, bei welcher ein Ribosom das erste Gen translatiert bis zum Stop-Codon, dort terminiert und direkt am stromabwärts-liegenden Start-Codon reinitiiert. Der Mechanismus via Termination-Reinitiation ist bis jetzt nur für eukaryontische Viren beschrieben worden. Im Gegensatz zu einer Kopplung über Sekundärstrukturen kommt es bei der Termination-Reinitiation am stromabwärts-liegenden Gen nicht zu einer de novo-Initiation sondern eine Reinitiation des Ribosoms findet statt. Diese Arbeit analysiert jene Art der Translationskopplung an Genen polycistronischer mRNAs in jeweils einem Modellorganismus als Vertreter der Archaea (Haloferax volcanii) und Bacteria (Escherichia coli). Hierfür wurden Reportergenvektoren erstellt, welche die überlappenden Genpaare an Reportergene fusionierten. Für diese Reportergene ist es möglich die Transkriptmenge zu quantifizieren sowie für die exprimierten Proteine Enzymassays durchgeführt werden können. Aus beiden Werten können Translationseffizienzen berechnet werden indem jeweils die Enzymaktivität pro Transkriptmenge ermittelt wird. Durch ein prämatures Stop-Codon in diesen Konstrukten ist es möglich zu unterscheiden ob es für die Translation des zweiten Gens essentiell ist, dass das Ribosom den Überlapp erreicht. Hiermit konnte für neun Genpaare in H. volcanii und vier Genpaare in E. coli gezeigt werden, dass eine Art der Kopplung stattfindet bei der es sich um eine Termination-Reinitiation handelt. Des Weiteren wurde analysiert, welche Auswirkungen intragene Shine-Dalgarno Sequenzen bei dem Event der Translationskopplung besitzen. Durch die Mutation solcher Motive und dem Vergleich der Translationseffizienzen der Konstrukte, mit und ohne einer SD Sequenz, wird für alle analysierten Genpaare beider Modellorganismen gezeigt, dass die SD Sequenz einen Einfluss auf diese Art der Kopplung hat. Zwischen den Genpaaren ist dieser Einfluss jedoch stark variabel. Weiterhin wurde der maximale Abstand zwischen zwei bicistronischen Genen untersucht, für welchen Translationskopplung via Termination-Reinitiation noch stattfinden kann. Hierfür wird durch site-directed mutagenesis jeweils ein prämatures Stop-Codon im stromaufwärts-liegenden Gen eingebracht, welches den intergenen Abstand zwischen den Genen in den jeweiligen Konstrukten vergrößert. Der Vergleich aller Konstrukte eines Genpaars zeigt in beiden Modellorganismen, dass die Termination-Reinitiation vom intergenen Abstand abhängig ist und die Translationseffizienz des stromabwärts-liegenden Reporters bereits ab 15 Nukleotiden Abstand abnimmt.
Eine weitere Fragestellung dieser Arbeit war es, den genauen Mechanismus der Termination-Reinitiation zu analysieren. Für Ribosomen gibt es an der mRNA nach der Termination der Translation zwei Möglichkeiten: Entweder als 70S Ribosom bestehen zu bleiben und ein weiteres Start-Codon auf der mRNA zu suchen oder in seine beiden Untereinheiten zu dissoziieren, während die 50S Untereinheit die mRNA verlässt und die 30S Untereinheit über Wechselwirkungen an der mRNA verbleiben kann. Um diesen Mechanismus auf molekularer Ebene zu untersuchen, wird ein Versuchsablauf vorgestellt. Dieser ermöglicht das Event bei der Termination-Reinitiation in vitro zu analysieren. Eine Unterscheidung von 30S oder 70S Ribosomen bei der Reinitiation der Translation des stromabwärts-liegenden Gens wird ermöglicht. Die Idee dabei basiert auf einem ribosome display, bei welchem Translationskomplexe am Ende der Translation nicht in ihre Bestandteile zerfallen können, da die eingesetzte mRNA kein Stop-Codon enthält Der genaue Versuchsablauf, die benötigten Bestandteile sowie proof-of-principal Versuche sind in der Arbeit dargestellt und mögliche Optimierungen werden diskutiert.
Viele Gruppen der Lebewesen, insbesondere Insekten breiten sich durch steigende Temperaturen zunehmend in Gebieten aus, in denen sie ursprünglich nicht vorkommen(Novikov und Vaulin 2014; Bebber 2015). Hierbei ist die steigende Temperatur in
verschiedenen Gebieten der Hauptfaktor für Expansionen dieser Arten in Richtung des nördlichen Polarkreises. Einige dieser Arten sind sehr tolerant für verschiedene Variablen und können damit ihr Verbreitungsgebiet deutlich nach Norden hin ausdehnen. Aufgrund steigender Temperaturen werden jedoch andere Arten in ihrem Verbreitungsgebiet eingeschränkt oder ihre Verbreitung verschiebt sich in nördliche Richtung (Ogden und Lindsay 2016; Lawler et al. 2009). Auch für die Verbreitung von Krankheiten spielen Temperaturen, Ausbreitungen oder Verbreitungsverschiebungen eine wichtige Rolle (Mordecai et al. 2019).
So können, durch die Etablierung der passenden Vektoren, bisher nur in wärmeren Gebieten auftretende Krankheiten zukünftig auch in unseren Breitengraden eingeschleppt und
verbreitet werden. Bremsen, invasive Stechmücken aber auch einheimische Mücken tragen alle ein Potential,verschiedenste Krankheitserreger zu verbreiten, auch wenn die Eignung als
Vektor für jede Art unterschiedlich groß ausfällt und manche Arten daher kaum beobachtet und untersucht werden. Mit dem Augenmerk auf sich ändernde Verbreitungsgebiete hinsichtlich zukünftigen klimatischen Veränderungen und sich wandelnden anthropogenen Einflüssen sollten jedoch auch Arten mit bisher geringem Vektorpotential mit in Beobachtungsprogramme aufgenommen werden.
Wir untersuchten in Projekt I auf kontinentaler Skala die Verbreitung von sechs verschiedenen Bremsenarten und konnten sowohl Rückschlüsse auf eine mangelhafte Beobachtung der
Arten ziehen als auch Artpräferenzen hinsichtlich der Landschaftsnutzung, Auswirkungen des Klimas auf die Verbreitung der Art und bisher unbekannte Toleranzen hinsichtlich tiefen Temperaturen und äußerst verkürzten Wärmeperioden aufdecken. Eine Größenordnung niedriger wurde in Projekt II, basierend auf aktuellen und Vergangenen Klimadaten, die zukünftige und aktuelle Verbreitung einer invasiven, sich zukünftig ausbreitenden Stechmückenart innerhalb Deutschlands modelliert. Durch bisherig im Untersuchungsgebiet nur begrenztes Auftreten konnten noch keine Rückschlüsse auf die unterschiedlichen Präferenzen für das Habitat gezogen werden, es können jedoch für zukünftige Berechnungen Habitatpräferenzen aus anderen Gebieten hinzugezogen werden um die Art und ihre fortschreitende Ausbreitung genauer zu beobachten. Auf der kleinsten untersuchten Ebene konnten in Projekt III innerhalb eines Mikrohabitates verschiedenste Rückschlüsse auf limitierende oder förderliche abiotische Faktoren, die teilweise bisherig nicht oder nur geringfügig beobachtet wurden, gezogen werden. Ebenfalls konnten Auswirkungen der umgebenden Landschaft auf die Abundanzen der Tiere beobachtet werden. Mithilfe von verschiedenen Modellen und in Abhängigkeit von Klimakarten, Landbedeckungsdaten und Landnutzung sowie Eigenschaften und Toleranzen der untersuchten Arten lassen sich in verschiedenen Größenordnungen geeignete Habitate von einheimischen sowie invasiven Arten identifizieren und zukünftige Verbreitungen effizient vorhersagen.
Insgesamt können, basierend auf all diesen Daten, dadurch für alle untersuchten Faktoren Modelle auf andere Gebiete übertragen werden um somit potentielle Verbreitungen dort
vorherzusagen. Auf unseren Daten basierend können so zum Beispiel Modellierungen für die potentielle Ausbreitung der untersuchten Tabaniden innerhalb anderer Kontinente berechnet werden und Monitoringprogramme können die Ergebnisse unserer Studie als Startpunkt aufgreifen, um durch Beprobung an modellierten Standorten die Korrektheit unserer Modelle zu überprüfen und sowohl Landschaftstypen als auch Artzusammensetzung aufzunehmen um das Modell zu bestätigen oder zu verbessern. Die Modellierung der invasiven Art Aedes albopictus bietet die Möglichkeit, diese Art in Zukunft innerhalb der möglichen Ausbreitungskorridore genauer zu beobachten um ihre fortschreitende Verbreitung zu
verifizieren oder eventuelle Änderungen des klimatischen Verlaufes mit einzubinden und das Modell anzupassen. Die Untersuchung des Mikrohabitats von Culex pipiens pipiens und Culex torrentium bietet, auch hinsichtlich anderer Arten in diesem Habitat, eine potente Methode, Vorhersagen für Artvorkommen innerhalb anderer Unterirdischen Objekte zu berechnen. Hier können, bei ausreichend großer Datenlage, eine Vielzahl von Faktoren in die Auswertung mit einfließen.
Die durchgeführten Studien bestätigen die Notwendigkeit für verbesserte Monitoringkonzepte für alle vektorkompetenten Tiergruppen hinsichtlich der sich ändernden klimatischen Bedingungen, des globalen Handels und die sich wandelnde Nutzung der Landschaften durch den Menschen und darin begründete Veränderungen der Artenzusammensetzung eines Habitates, zeigen Möglichkeiten, diese Konzepte mit bisher
ungenutzten Daten aufzubauen und zu verbessern und können gleichzeitig zu deren Verbesserung herangezogen werden.
Taxa under scrutiny in this thesis are Halophytophthora-like oomycetes. The genus Halophytophthora, proposed in 1990, is an assemblage of unrelated species grouped together on the basis habitat preference, i.e. the mangrove or saltmarsh biome, and morphological similarity to Phytophthora. The premise “Phytophthora-like species from the mangrove environment” became the genus concept for Halophytophthora and lasted for almost 2 decades which resulted to the addition of several species (i.e. H. elongata, H. exoprolifera, H. porrigovesica, H. kandeliae, H. masteri, and H. tartarea). At the onset of molecular phylogenetics, Halophytophthora was inferred as a highly polyphyletic taxon and the genus concept was found to be unsuitable. This thesis adds to this, since six Phytophthora spp. were isolated from the mangrove environment, two of which were found in the Philippines (Phytophthora elongata and Phytophthora insolita). After a thorough assessment of the morphologic and phylogenetic data of taxa included in this thesis, several taxonomic novelties were introduced – a new family (Salispinaceae), a new genus (Calycofera), new species (Calycofera cryptica, Phytopythium dogmae, Phytopythium leanoi, Salisapilia coffeyi, and Salispina hoi), and new combinations (Calycofera operculata, Salisapilia bahamensis, S. elongata, S. epistomia, S. masteri, S. mycoparasitica). In addition, Salisapiliaceae and Salisapilia were emended.
Nematophilic bacteria as a source of novel macrocyclised antimicrobial non-ribosomal peptides
(2020)
A solution to ineffective clinical antimicrobials is the discovery of new ones from under-explored sources such as macrocyclic non-ribosomal peptides (NRP) from nematophilic bacteria. In this dissertation an antimicrobial discovery process –from soil sample to inhibitory peptide– is demonstrated through investigations on six nematophilic bacteria: Xenorhabdus griffiniae XN45, X. griffiniae VH1, Xenorhabdus sp. nov. BG5, Xenorhabdus sp. nov. BMMCB, X. ishibashii and Photorhabdus temperata. To demonstrate the first step of bacterium isolation and species delineation, endosymbionts were isolated from Steinernema sp. strains BG5 and VH1 that were isolated directly from soil samples in Western Kenya. After genome sequencing and assembly of novel Xenorhabdus isolates VH1 and BG5, species delineation was done via three overall genome relatedness indices. VH1 was identified as X. griffiniae VH1, BG5 as Xenorhabdus sp. nov. BG5 and X. griffiniae BMMCB was emended to Xenorhabdus sp. nov. BMMCB. The nematode host of X. griffiniae XN45, Steinernema sp. scarpo was highlighted as a putative novel species. To demonstrate the second step of genome mining and macrocyclic non-ribosomal peptide structure elucidation, chemosynthesis and biosynthesis, the non-ribosomal peptide whose production is encoded by the ishA-B genes in X. ishibashii was investigated. Through a combination of refactoring the ishA-B operon by a promoter exchange mechanism, isotope labelling experiments, high resolution tandem mass spectrometry analysis, bioinformatic protein domain analysis and chemoinformatic comparisons of actual to hypothetical mass spectrometry spectra, the structures of Ishipeptides were elucidated and confirmed by chemical synthesis. Ishipeptide A was a branch cyclic depsidodecapeptide macrocyclised via an ester bond between serine and the terminal glutamate. It chemosynthesis route was via a late stage macrolactamation and linearised Ishipeptide B was synthesised via solid phase iterative synthesis. Ishipeptides were not N-terminally acylated despite being biosynthesised from the IshA protein that had a C-starter domain. It was highlighted that more than restoration of the histidine active site of this domain is required to restore N-terminal acylation activity.
To demonstrate the final step of determination of antimicrobial activity, minimum inhibitory concentrations of Ishipeptides and Photoditritide from Photorhabdus temperata against fungi and bacteria were determined. None were antifungal while only the macrocyclic compounds were inhibitory, with Ishipeptide A inhibitory to Gram-positive bacteria at 37 µM. The cationic Photoditritide, a cyclic hexapeptide macrocyclised via a lactam bond between homoarginine and tryptophan, was 12 times more inhibitory (3.0 µM), even more effective than a current clinical compound, Ampicillin (4.2 µM). For both, macrocyclisation was hypothesised to contribute to antimicrobial activity. Ultimately, this dissertation demonstrated not only nematophilic bacteria as a source of novel macrocyclic antimicrobial non-ribosomal peptides but also a process of antimicrobial discovery–from soil sample to inhibitory peptide– from these useful bacteria genera. This is significant for the fight against antimicrobial resistance.
Spinocerebellar ataxia type 2 (SCA2) is an autosomal dominant neurodegenerative movement disorder caused by expansion of CAG repeats in the ATXN2 gene beyond 33 units, while healthy individuals carry 22-23 repeats. First symptoms of SCA2 include uncoordinated movement, ataxic gait and slowing of the saccadic eye movements in line with the early pronounced atrophy of cerebellum, spinal cord and brainstem. Cerebellar Purkinje cells and spinal cord motor neurons are the most affected cells from ATXN2 expansions. Later on, patients manifest distal amyotrophy, problems in breathing and swallowing, depression and cognitive decline caused by widespread degeneration throughout the brain. The striking loss of mass in the brain, due to severe myelin fat atrophy, is accompanied by a similar reduction in the peripheral fat stores. After the devastating progression of disease, the severity and duration of which depends on the CAG repeat size, genetic background and environmental factors, patients succumb to SCA2 mostly because of respiratory failure at the terminal stage. Larger repeat sizes lead to an earlier manifestation of the disease and a more rapid progression. Aside from SCA2, intermediate-length and short pathogenic CAG expansions in ATXN2 between 26-39 repeats significantly increase the risk of developing other neurodegenerative disorders, such as amyotrophic lateral sclerosis (ALS), fronto-temporal lobar dementia (FTLD) or Parkinson plus tauopathies like progressive supranuclear palsy (PSP) in various cohorts across the world.
Ataxin-2 (ATXN2) is a ubiquitously expressed cytosolic protein most famous for its involvement in neurodegenerative disease caused by the expanded poly-glutamine (polyQ) domain corresponding to a genomic (CAG)n tract. This N-terminal polyQ domain has no known function, other than increasing the aggregation propensity of mutant ATXN2 and facilitating interaction with other polyQ containing proteins, leading to their sequestration. The progressive accumulation of ATXN2 into cytosolic foci, and also that of its interaction partners over time, underlies the molecular pathomechanism. Next to polyQ domain, ATXN2 also contains a Like-Sm domain (Lsm), an Lsm-associated domain (LsmAD), multiple proline-rich domains (PRD) and a Poly(A)-Binding-Protein (PABP)-interacting motif (PAM2).
Through its Lsm/LsmAD domains, ATXN2 directly binds to a large number of transcripts, regulating their quality and translation rate. In a similar fashion, through its direct interaction with PABP via PAM2 motif, ATXN2 indirectly modifies the fate of even larger number of transcripts and global translation. Several PRDs scattered across the protein help ATXN2 associate with growth factor receptors and other endocytosis factors, modulating nutrient uptake and downstream signaling.
ATXN2 is a stress response factor. Therefore, its involvement in nutrient uptake plays a crucial part in cell’s capability to overcome non-permissive conditions. Upon nutrient deprivation, oxidative stress, proteotoxicity, heat stress or Ca2+ imbalance, ATXN2 relocalizes into cytosolic ribonucleoprotein particles known as stress granules (SGs), together with PABP, several eukaryotic translation initiation factors, many other RNA-binding proteins (RBP) with their target transcripts and the small ribosomal subunit. Collectively, they modulate the stability of the trapped transcripts, favoring the maturation and translation of IRES-dependent stress response proteins instead, according to the specific need. Many RBPs interact either directly or in an RNA-dependent manner in the SGs, and due to the large number of ALS-causing mutations identified in them (such as TDP-43, FUS, TIA-1, hnRNPA2/B1), SGs became a hot topic in neuropathology. Acute SGs serve to halt translation and growth, and to spend energy only for survival until stress disappears. However, chronic SG assembly eventually activates apoptotis leading to cell death. While the polyQ expansions in ATXN2 enhance SG stability, reduce their dissociation rate after stress, and lead to aberrant post-translational modifications of other SG components like TDP-43, complete loss of ATXN2 delays SG formation and results in easily dissolvable foci.
Most of the stressors that induce SG formation eventually converge on energetic deficit. Therefore, it is logical that the ultimate task of SGs is to stop further growth when it cannot be afforded. In yeast, the molecular mechanism underlying this growth arrest was explained as sequestration of the master growth regulator complex, Target-of-Rapamycin Complex 1 (TORC1), into SGs in an ATXN2-dependent manner. The repressor effect of ATXN2 on mammalian TORC1 (mTORC1) and global protein translation had already been documented in earlier studies; complete loss of ATXN2 function in knock-out mouse (Atxn2-KO) resulted in mTORC1 hyperactivity and transcriptional upregulation of multiple ribosomal subunits indicating an increased need for these machines. ...
Nematophilic bacteria as a source of novel macrocyclised antimicrobial non-ribosomal peptides
(2020)
A solution to ineffective clinical antimicrobials is the discovery of new ones from under-explored sources such as macrocyclic non-ribosomal peptides (NRP) from nematophilic bacteria. In this dissertation an antimicrobial discovery process –from soil sample to inhibitory peptide– is demonstrated through investigations on six nematophilic bacteria: Xenorhabdus griffiniae XN45, X. griffiniae VH1, Xenorhabdus sp. nov. BG5, Xenorhabdus sp. nov. BMMCB, X. ishibashii and Photorhabdus temperata. To demonstrate the first step of bacterium isolation and species delineation, endosymbionts were isolated from Steinernema sp. strains BG5 and VH1 that were isolated directly from soil samples in Western Kenya. After genome sequencing and assembly of novel Xenorhabdus isolates VH1 and BG5, species delineation was done via three overall genome relatedness indices. VH1 was identified as X. griffiniae VH1, BG5 as Xenorhabdus sp. nov. BG5 and X. griffiniae BMMCB was emended to Xenorhabdus sp. nov. BMMCB. The nematode host of X. griffiniae XN45, Steinernema sp. scarpo was highlighted as a putative novel species. To demonstrate the second step of genome mining and macrocyclic non-ribosomal peptide structure elucidation, chemosynthesis and biosynthesis, the non-ribosomal peptide whose production is encoded by the ishA-B genes in X. ishibashii was investigated. Through a combination of refactoring the ishA-B operon by a promoter exchange mechanism, isotope labelling experiments, high resolution tandem mass spectrometry analysis, bioinformatic protein domain analysis and chemoinformatic comparisons of actual to hypothetical mass spectrometry spectra, the structures of Ishipeptides were elucidated and confirmed by chemical synthesis. Ishipeptide A was a branch cyclic depsidodecapeptide macrocyclised via an ester bond between serine and the terminal glutamate. It chemosynthesis route was via a late stage macrolactamation and linearised Ishipeptide B was synthesised via solid phase iterative synthesis. Ishipeptides were not N-terminally acylated despite being biosynthesised from the IshA protein that had a C-starter domain. It was highlighted that more than restoration of the histidine active site of this domain is required to restore N-terminal acylation activity.
To demonstrate the final step of determination of antimicrobial activity, minimum inhibitory concentrations of Ishipeptides and Photoditritide from Photorhabdus temperata against fungi and bacteria were determined. None were antifungal while only the macrocyclic compounds were inhibitory, with Ishipeptide A inhibitory to Gram-positive bacteria at 37 µM. The cationic Photoditritide, a cyclic hexapeptide macrocyclised via a lactam bond between homoarginine and tryptophan, was 12 times more inhibitory (3.0 µM), even more effective than a current clinical compound, Ampicillin (4.2 µM). For both, macrocyclisation was hypothesised to contribute to antimicrobial activity. Ultimately, this dissertation demonstrated not only nematophilic bacteria as a source of novel macrocyclic antimicrobial non-ribosomal peptides but also a process of antimicrobial discovery–from soil sample to inhibitory peptide– from these useful bacteria genera. This is significant for the fight against antimicrobial resistance.
The compound class of the fabclavines was described as secondary or specialized metabolites (SM) for Xenorhabdus budapestensis and X. szentirmaii. Their corresponding structure was elucidated by NMR and further derivatives could be identified in both strains. Biochemically, fabclavines are hybrid SMs derived from two non-ribosomal-peptide-synthetases (NRPS), one type I polyketide-synthase (PKS) and polyunsaturated fatty acid (PUFA) synthases. In detail, a hexapeptide is connected via partially reduced polyketide units to an unsual polyamine. Structurally, they are related to the (pre-)zeamines, described for Serratia plymuthica and Dickeya zeae. Fabclavines exhibit a broad-spectrum bioactivity against a variety of different organisms like Grampositive and Gram-negative bacteria, fungi, protozoa but also against eukaryotic celllines.
In this work, the fabclavine biosynthesis was elucidated and assigned to two independently working assembly lines. The NRPS-PKS-pathway is initiated by the first NRPS FclI via generation of a tetrapeptide, which is elongated by the second NRPS FclJ, leading to a hexapeptide. Alternatively, FclJ can also act as direct start of the biosynthesis, resulting in the final formation of shortened fabclavine derivatives with a diinstead of a hexapeptide. In both cases, the peptide moiety is transferred to the iterative type I PKS FclK, leading to an elongation with partially reduced polyketide units. The resulting NRPS-PKS-intermediate is still enzyme-bound. The PUFA-homologues FclC, FclD and FclE in combination with FclF, FclG and FclH belong to the polyamine-forming pathway. Briefly, repeating decarboxylative Claisen thioester condensation reactions of acyl-coenzym A building blocks lead to the generation of an acyl chain in a PKS- or fatty acid biosynthesis-like manner. The corresponding β-keto-groups are either completely reduced or transaminated in a specific and repetitive way, resulting in the concatenation of so-called amine-units. The final β-keto-group is reduced to a hydroxy-group and the intermediate is reductively released by the thioester reductase FclG. A subsequent transamination step leads to the final polyamine. The NRPS-PKS- as well as the polyamine-pathway are connected by FclL. This condensation domain-like protein catalyzes the condensation of the polyamine with the NRPS-PKS-part, which results in the release of the final fabclavine. The results are described in detail in the first publication (first author).
Fabclavine biosynthesis gene cluster (BGC) are widely spread among the genus Xenorhabdus and Photorhabdus. In Xenorhabdus strains a high degree of conservation regarding the BGC synteny as well as the identity of single proteins can be observed. However, Photorhabdus strains harbor only the PUFA-homologues. While in Photorhabdus no product could be detected, our analysis revealed that the Xenorhabdus strains produce a large chemical diversity of different derivatives. Briefly, the general backbone of the fabclavines is conserved and only four chemical moieties are variable: The second and last amino acids of the NRPS-part, the number of incorporated polyketide units as well as the number of amine units in the polyamine. In combination with the elucidated biosynthesis, these variables could be assigned to single biosynthesis components as diversity mechanisms. Together with the 10 already described derivatives, a total of 32 derivatives could be detected. Interestingly, except for taxonomic closely related strains, all analyzed strains produce their own set of derivatives. Finally, we could confirm that the fabclavines are the major bioactive compound class in the analyzed strains under laboratory conditions. The results are described in detail in the second publication (first author).
Together with our collaboration partner Prof. Selcuk Hazir a potent bioactivity against Enterococcus faecalis, which is associated with endodontic infections, could be contributed to X. cabanillasii. Here, we could confirm that this bioactivity can be assigned to the fabclavines. The results are described in detail in the third publication(co-author).
Among the genus Xenorhabdus, X. bovienii represents an exception as its NRPS and PKS genes of the fabclavine BGC are missing or truncated, resulting in the exclusive production of polyamines. Furthermore, its PUFA-homologue FclC harbors an additional dehydratase (DH) domain. Upon extensive analysis a yet unknown deoxy-polyamine was identified and assigned to this additional domain. Finally, the DH domain was transferred into other polyamine pathways. Regardless of an in cis or in trans integration, the chimeric pathways produced deoxy-derivatives of its naturally occurring polyamines, suggesting that this represents another diversification mechanism. The results are described in detail in the attached manuscript (first author).
Monoterpenes and their monoterpenoid derivatives form a subclass of terpene(oid)s. They are widely used in medicines/pharmaceuticals, as flavor and fragrance compounds, or in agriculture and are also considered as future biofuels. However, for many of these substances, the extraction from natural sources poses challenges such as occurring at low concentrations in their raw material or because the natural sources are diminishing. Furthermore, many of the structurally more complex terpenoids cannot be chemically synthesized in an economic way. Therefore, microbial production provides an attractive alternative, taking advantage of the often distinct regio- and stereoselectivity of enzymatic reactions. However, monoterpenes and monoterpenoids are challenging products for industrial biotechnology processes due to their pronounced cytotoxicity, which complicates the production in microorganisms compared to longer-chain terpenes (sesquiterpenes, diterpenes, etc.).
The aim of this thesis was to generate a biotechnological complement to fossil-resources-based chemical processes for industrial monoterpenoid production. Therefore, a starting point for the further development of a microbial cell factory based on the microbe Pseudomonas putida KT2440 was aimed to be created. This production organism should be able to conduct a whole- cell biocatalysis to selectively oxyfunctionalize monoterpene hydrocarbons using renewable industrial by-products and waste streams as raw material for monoterpenoid production (Figure 1). As a model substance, the production of (-)-menthol should be addressed due to its industrial significance. (-)-Menthol is one of the world’s most widely-used flavor and fragrance compounds by volume as well as a medical component, having an annual production volume of over 30,000 tons. An approach for (-)-menthol production from renewable resources could be a biotechnological(-chemical) two-step conversion (Figure 1), starting from (+)-limonene, a by-product of the citrus fruit processing industry.
The thesis project was divided into three parts. In the first part, enzymes (limonene-3- hydroxylases) were to be identified that can convert (+)-limonene into the precursor of (-)-menthol, (+)-trans-isopiperitenol. To counteract product toxicity, in the second part, the tolerance of the intended production organism P. putida KT2440 towards monoterpenes and their monoterpenoid derivatives should be increased. Finally, in the third part, the identified hydroxylase enzymes would be expressed in the improved P. putida KT2440 strain to create a whole-cell biocatalyst for the first reaction step of a two-step (-)-menthol production, starting from (+)-limonene.
To achieve these objectives, different genetic/molecular biology and analytical methods were applied. In this way, two cytochrome P450 monooxygenase enzymes from the fungi Aureobasidium pullulans and Hormonema carpetanum could be identified and functionally expressed in Pichia pastoris, which can catalyze the intended hydroxylation reaction on (+) limonene with high stereo- and regioselectivity. A further characterization of the enzyme from A. pullulans showed that apart from (+) limonene the protein can also hydroxylate ( ) limonene, - and -pinene, as well as 3-carene.
Furthermore, within this thesis, mechanisms of microbial monoterpenoid resistance of P. putida could be identified. It was shown that the different monoterpenes and monoterpenoids tested have very different toxicity levels and that mainly the Ttg efflux pumps of P. putida GS1 are responsible for the tolerance to many of these compounds. Based on these results, a P. putida KT2440 strain with increased resistance to various monoterpenoids, including isopiperitenol, could then be generated, which can be used as a host organism for the further development of monoterpenoid-producing cell factories.
While within the scope of this work the heterologous expression of the fungal gene in prokaryotic cells in a functional form could not be realized despite different approaches, the identified enzymes, the monoterpenoid-tolerant P. putida strain and a plasmid developed for heterologous gene expression in P. putida provide a starting point for the further design of a microbial cell factory for biotechnological monoterpenoid production.
Evidence is increasingly pointing towards a significant global decline in biodiversity. The drivers of this decline are numerous, including habitat change and overexploitation, rapid deforestation, pollution, exotic species and disease, and finally climate change as an emerging driver of biodiversity change (Nakamura, et al., 2013; Hancocks, 2001; Pereira, Navarro & Martins, 2012). Raising public awareness of the need to conserve biological diversity is essential to safeguard the richness of life forms all over the world (Lindemann-Matthies, 2002). In this regard, institutions such as science museums, zoos and aquariums have the potential to play an important role (Rennie & Stocklmayer, 2003). Especially, zoos can provide a productive learning environment (Miles & Tout, 1992), facilitating the promotion of public conservation awareness and the adoption of pro-environmental behaviours that would reduce negative human impacts on biodiversity (Barongi, et al., 2015).
Based on these concepts, my study contributes to the developing field of visitor studies. Taking as reference non-zoo visitors and zoo visitors, I have focused on reviewing some aspects of conservation education, such as people's awareness of conservation, people's interest in animals and people's feelings towards animals and attitudes towards zoos. The study identified differences between non-regular and regular zoo visitors in interests in animals, as well as visitor attitudes towards conservation issues and zoos. Therefore, the present study indicated that positive emotional reactions and, in particular, a perceived sense of connection to the animal were linked and depended on the frequency of zoo visits. It was as well remarkable, that conservation awareness was influenced by the interest in animals, the interest in visiting zoos, the attitudes towards these institutions, and the age and the country of origin. All these variables had a greater effect in the conservation consciousness of the participants. Additionally interestingly, the main reason for visiting zoos in every country was to learn something about animals. This highlights the educational role of zoos and broadly supports the idea that people want to visit zoos to learn something about animals, in turn facilitating pro-conservation learning and changes in attitude. They are uniquely positioned to interact with visitors, communities, and society and to contribute by providing an informative and entertaining environment. Visiting zoos could led to contribute to promoting animal connectedness and interest in species.
Carotinoide sind Pigmente, die in Pflanzen, Algen, einigen Pilzen und Bakterien vorkommen. Sie spielen eine wichtige Rolle bei der Photosynthese durch Absorption von Licht und beim Lichtschutz. Sie sind verantwortlich für die braunen, roten, orangen und gelben Farben von Obst, Gemüse, Herbstblättern und die Farbe einiger Blumen und Algen. Tiere können keine Carotinoide synthetisieren, daher ist ihre Anwesenheit auf die Nahrungsaufnahme zurückzuführen. Carotinoide sind Tetraterpenoide (40C), die aus Isoprenoidmolekülen (5C) synthetisiert werden. Der Methylerythritol-phosphatweg ist der Carotinoid-Vorläuferweg, der die Isoprenoideinheiten bildet. Carotinoide haben aufgrund ihrer gesundheitlichen Vorteile das Interesse der Nutrazeutika-Industrie geweckt.
Fucoxanthin ist ein Carotinoid, das nur in Kieselalgen, Braunalgen, Haptophyten und einigen Dinoflagellaten vorkommt. Aufgrund seiner Vorteile zur Vorbeugung von Krebs, kognitiven Erkrankungen und Fettleibigkeit sowie seiner antioxidativen Eigenschaften ist Fucoxanthin ein sehr interessantes Molekül fur die Nutrazeutikabranche.
Fucoxanthin hat eine komplexe chemische Struktur mit einer Allenbindung und einer Epoxyketogruppe. Daher wäre seine chemische Synthese kompliziert, da es auch eine stereokontrollierte Synthese erfordert86. Aus diesem Grund ist die Extraktion aus Makroalgen oder Mikroalgen die Methode der Wahl für die kommerzielle Herstellung von Fucoxanthin.
In dieser Arbeit bestand das Ziel darin, die Fucoxanthin-Produktivität in Kieselalgen mit gentechnischen Methoden zu steigern, damit die Zellen mehr Fucoxanthin produzieren. Zu diesem Zweck wurde der Effekt der Insertion zusätzlicher Kopien von Genen in das Genom untersucht, die für geschwindigkeitsbestimmende oder Schlüsselenzyme im Carotinoid- und MEP-Weg kodieren.
Zu Beginn wurden diese Effekte bei einzelnen Mutanten beobachtet. Letztendlich ist es jedoch das Ziel, eine Mutante zu erzeugen, die mehrere geschwindigkeitsbestimmende Enzyme überexprimiert, um auf diese Weise Engpässe zu vermeiden. In früheren Studien erreichten Eilers et al.54 durch die einmalige Überexpression der psy- und dxs-Gene in der Kieselalge P. tricornutum einen 2.4- und 1.8-fachen Anstieg der Fucoxanthin-Spiegel.
In dieser Arbeit führte die Insertion zusätzlicher Kopien der Gene idi und pds2 nicht dazu, dass die Zellen mehr Fucoxanthin produzieren. Im Gegensatz dazu erreichten die Mutanten mit zusätzlichen Kopien der Gen ggpps und mit zusätzlichen Kopien sowohl von psy als auch von dxs seine um 28% bzw. 10% höhere Fucoxanthin-Produktivität pro Million Zellen. Bei diesen Mutanten ist die Gesamtproduktivität jedoch geringer als beim Wildtyp, da ihr Wachstum langsamer als beim Wildtyp ist.
Unter Berücksichtigung der besten Zielgene wurden Mutanten erzeugt, die gleichzeitig zusätzliche Kopien von psy, dxs und ggpps enthielten. Die Mutanten hatten unter sehr niedriegen Lichtbedingungen eine um bis zu 61% höhere Produktivität pro Million Zellen als der Wildtyp. Ausnahmsweise wurden diese Mutanten bei sehr schwachem Licht (10 µE m-2 s-1) gezüchtet, da sie sehr gestresst waren und als Zellklumpen wuchsen. Obwohl die Gesamt-Fucoxanthin-Spiegel in diesen Mutanten unter diesen Bedingungen höher sind als im Wildtyp, sind sie daher niedriger als die Fucoxanthin-Spiegel bei den in anderen Experimenten verwendeten Lichtbedingungen (50 µE m-2 s-1). Als Ergebnis dieser Experimente kann gesagt werden, dass die Belastung der Zellen nach den genetischen Veränderungen untersucht werden muss, da dies zu einer Abnahme der Biomasse und folglich zu einer Abnahme der Fucoxanthinproduktion führt. Alternativ könnte auch eine 2-Stufen-Kultur etabliert werden, in der in einem ersten Schritt eine hohe Biomasse erreicht wird und im zweiten Schritt die Expression der interessierenden Gene induziert wird.
Aufgrund der antioxidativen Eigenschaften von Carotinoiden besteht eine übliche Strategie zur Akkumulation von Carotinoiden darin, die Zellen unter oxidative Stressbedingungen zu setzen. Diese Strategie ist jedoch nicht wirksam für die Anreicherung von Fucoxanthin unter hohen Salzkonzentrationen oder hohen Lichtbedingungen. Bessere Versuchspläne könnten jedoch eine 2-Stufen-Kultur oder adaptive Laborbedingungen gewesen sein.
Eine andere mögliche Strategie zur Erhöhung des Fucoxanthinspiegels wäre die Durchführung einer zufälligen Mutagenese der Zellen. Auf diese Weise sind keine Vorkenntnisse über den Carotinoidsyntheseweg und seine Regulation erforderlich und es kann zu Veränderungen in Genen führen, die keine offensichtlichen Ziele sind.
Experimente mit zufälliger Mutagenese erfordern ein Hochdurchsatz-Screeningsystem, da Hunderte oder sogar Tausende von Mutanten erhalten werden. Eine mögliche Strategie, um die Kultivierung der hohen Anzahl von Mutanten zu vereinfachen, ist die Einkapselung dieser Mutanten in Alginatkügelchen. Auf diese Weise können alle Mutanten in demselben Gefäß kultiviert werden. Die eingekapselten Zellen können dann beispielsweise mit einem Durchflusszytometer auf große Partikel durch Fluoreszenz- oder Absorptionsmessungen gescreent werden.
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This work deals with the characterization of three different type II polyketide synthase systems (PKS II) from the Gram-negative bacteria Xenorhabdus and Photorhabdus.
Particular attention was paid to a biochemically underexplored class of aryl polyene (APE) pigments. Bioinformatic analysis of enzymes involved in the biosynthesis and the in vitro reconstruction proved that the synthesis of APEs involves an unusual fatty acid-like elongation mechanism. Furthermore, the discovery of unexpected protein-protein interactions provided new insights into the multienzyme complex formation of this unusual PKS II system. Through collaboration with the groups from Prof. Michael Groll and junior Prof. Nina Morgner, two protein complexes were structurally solved and several native protein multimerization events were identified and allowed us to suggest a possible protein-interaction network. The results are summarized in publication ‘An Uncommon Type II PKS Catalyzes Biosynthesis of Aryl Polyene Pigments’ (first author; J. Am. Chem. Soc.).
In addition to in vitro-analysis, in vivo-studies were used to investigate the APE compound produced by X. doucetiae in more detail. The activation of the silent biosynthetic gene cluster (BGC) led to the detection of the APE compound in the homologous host. Further combination of homologous expression and targeted deletions of the APE BGC revealed an APE-lipid-like structure. MS-based analyses and purification of intermediates allowed us to deduce structural building blocks of the APE-lipid, which is composed of an APE structural core, a glucosamine residue and an unusual long-chain fatty acid with unusual conjugated double bonds and a phosphoethanolamine head group. In combination with the above stated in vitro-data, we assumed a plausible biosynthetic mechanism of the APE-lipid. The results are summarized in the section ‘Additional Results: Tracing the Full-length APE’.
The biosynthesis of isopropylstilbene (IPS) has already been well-studied by the Bode laboratory and the group of Prof. Ikuro Abe. Studies with Photorhabdus laumondii TT01 by the Bode group revealed the distributed locations and functions of the genes involved in biosynthesis, which originate from two pathways. Particularly, the Bode group first demonstrated that an unusual ketosynthase/cyclase (StlD) catalyzes the condensation of 5-phenyl-2,4-pentadienoyl-ACP and isovaleryl-beta-ketoacyl-ACP via a Michael addition. Such a pathway for stilbene formation is distinct from those widespread in plants. The Abe group solved the structure and biochemical mechanism of StlD and further investigated the aromatization reaction of the aromatase StlC. However, the generation of the required cinnamoyl-precursor 5-phenyl-2,4-pentadienoyl-ACP as a Michael acceptor for this cyclization reaction remained elusive. In this work, we were able to reconstitute the synthesis of the Michael acceptor in vitro, by the action of enzymes from the fatty acid biosynthesis. With the knowledge about the crucial cross-talk from primary and specialized metabolism, we further determined the minimal endowment for stilbene production in a heterologous host. Here, the discovered AasS enzyme StlB is responsible for the generation of cinnamoyl-ACP and among others, plFabH plays a key role as gatekeeper enzyme for further processing. With this information in hand, we were able to obtain IPS production in E. coli. These results are presented in the manuscript ‘Biosynthesis of the Multifunctional Isopropylstilbene in Photorhabdus laumondii Involves Cross-talk Between Specialized and Primary Metabolism’ (co-first author, manuscript).
The biosynthesis of the orange-to-red-pigmented anthraquinones (AQs) is the best-studied type II PKS system according to preliminary results. While several investigations by Brachmann et al. discovered the BGC and the overall product spectrum of the main AQ-256 and its methylated derivatives, data of Quiqin Zhou (Bode group) performed biochemical in vitro analysis paired with in vivo heterologous expression of the ant-genes antA-I. This led to the identification of shunt products that indicated an AQ-scaffold derived from an octaketide intermediate that gets shortened to a heptaketide by the hydrolase AntI, resulting in the main anthraquinone AQ-256. This PKS-shortening mechanism was further confirmed by the protein crystal structure of AntI by the Groll group (publication, minor contributions, co-author, Chem Sci. ‘Molecular Mechanism of Polyketide Shortening in Anthraquinone Biosynthesis of Photorhabdus luminescens’). Further substrate analysis of the P. luminescens AQ-producer and mutants revealed an inhibitory effect of cinnamic acid against the hydrolase AntI. Cinnamic acid might therefore be involved in regulation of AQ biosynthesis (‘Anthraquinone Production is Influenced by Cinnamic Acid’, first author, manuscript).
Biochemical analysis from Quiqin Zhou with the minimal PKS of the AQ-synthase further revealed the exclusive activation of the AQ-ACP by the PPTase AntB. The PPTase is insoluble alone but gets stabilized by the CoA-ligase, most likely inactive, working as a chaperone. Thus, the minimal PKS endowment to produce the octaketide scaffold compromises, besides the ACP, the KS:CLF heterodimer and the MCAT, the co-occurrence of the PPTase AntB and the CoA-ligase AntG. For the first time, X-ray crystallography depicted a minimal PKS in action, by obtaining the structural data of native complexes from an ACP:KS:CLF, the KS:CLF alone and an ACP:MCAT in their non-active and active forms. It was possible to confirm a KS-bound hexaketide, which was built upon heterologous expression of the KS:CLF. Mutagenesis with amino-acids proposed to be involved in protein-protein interactions in the ACP:KS:CLF complex revealed some interesting protein-interaction sites. Additionally, an induced-fit mechanism of the MCAT with the ACP during the malonylation reaction confirmed a monodirectional transfer reaction (‘Structural Snapshots of the Minimal PKS System Responsible for Octaketide Biosynthesis’ co-author, manuscript under review).
In the past decades, the use and production of chemicals has been on the rise globally due to increasing industrialization and intensive agriculture; resulting in the occurrence and ecotoxicological risks of chemicals of emerging concern (CECs) in the aquatic compartments. Risks include changes in community structure resulting in the dominance of one species and ecosystem imbalance. When dominant disease-causing organisms are in the environment, the disease transmission is increased. For example, host snails for the schistosomiasis, a human trematode disease, are known to be tolerant to pesticide
exposure compared to the predators. This would therefore result in an increased abundance of snails which consequently increase the disease transmission in the human population.
Kenya, being a low income country faces a lot of challenges with provision of clean water, diseases and sanitation facilities, and increasing population which results in intensive agriculture coupled with pesticide use. Although a lot of research has been carried out on the environmental occurrence and risk of CECs (Chapter 1), most of these studies have been done in developed countries with limited information from Africa. Additionally, research in Africa focused on urban areas with limited number of compounds analyzed and mostly in the water phase, and inadequate information on the effects of CECs on the aquatic organisms. In order to reduce this knowledge gap, this dissertation focused on identification and quantification of CECs present in water, sediment and snails from western Kenya, and the contribution of pesticides to the transmission of schistosomiasis.
Chapter 2 gives a summary of the results and discussion of the dissertation. In Chapter 3, a comprehensive chemical analysis was carried out on 48 water samples to identify compounds, spatial patterns and associated risks for fish, crustacean and algae using toxic unit (TU) approach. A total of 78 compounds were detected with pesticides and biocides being the compounds most frequently detected. Spatial pattern analysis revealed limited compound grouping based on land use. Acute risk for crustaceans and algae were driven by one to three individual compounds. These compounds responsible for toxicity were prioritized as candidate compounds for monitoring and regulation in Kenya.
In Chapter 4, an extension of Chapter 3 was done to cover the CECs present in snails and sediment from the 48 sites. A total of 30 compounds were found in snails and 78 in sediments with 68 additional compounds being found which were not previously detected in water. Higher contaminant concentrations were found in agricultural sites than in areas without anthropogenic activities. The highest acute toxicity (TU 0.99) was determined for crustaceans based on compounds in sediment samples. The risk was driven by diazinon and pirimiphos-methyl. Acute and chronic risks to algae were driven by diuron whereas fish were found to be at low to no acute risk.
In Chapter 5, the effect of pesticide contamination on schistosomiasis transmission was evaluated by applying complimentary laboratory and field studies. In the field studies, the ecological mechanisms through which pesticides and physical chemical parameters affect host snails, predators and competitors were investigated. Pesticide data was obtained from the results in chapter 3. The overall distribution of grazers and predators was not affected by pesticide pollution. However, within the grazers, pesticide pollution increased dominance of host snails. On the contrary, the host-snail competitors were highly sensitive to pesticide exposure. For the laboratory studies, macroinvertebrates including Schistosoma-host snails, competitors and predators were exposed to 6 concentrations levels of imidacloprid and diazinon. Snails showed higher insecticide tolerance compared to competitors and predators. Finally, Chapter 6 summarizes the conclusions of this dissertation, placing it in a broader
context. In this dissertation, a comprehensive chemical characterization and risk assessment of CECs has been carried out in freshwater systems; together with the effects of pesticides on schistosomiasis transmission in rural western Kenya. Results of this dissertation showed that rural areas are contaminated posing a risk to aquatic organisms which contribute to schistosomiasis transmission. This shows the need for regular monitoring and policy formulation to reduce pollutant emissions which contributes negatively to both ecological and human health effects.
Freshwater is one of the most fundamental resources for life and is the habitat for a wide diversity of species. One of the most diverse aquatic insect taxa is Trichoptera Kirby, 1813, caddisflies. These semi-aquatic insects have aquatic larvae and terrestrial adults and are found all around the globe in freshwater habitats. Water is also one of the most important natural resources for the human population, but alarmingly, freshwaters are among the most threatened natural habitats. Thus, the monitoring and preservation of the quality of freshwater habitats should have a high priority. In order to track changes in the biota a baseline reference is necessary, but freshwater biodiversity is under-studied in many parts of the Earth such as the biodiversity hotspots of the Himalaya and the Hengduan Mountains. This thesis treats the trichopteran genus Himalopsyche Banks, 1940 (Rhyacophilidae) which has its diversity center in the Himalayas and the Hengduan Mountains. Himalopsyche larvae are large and conspicuous and only occur in clean, unpolluted streams. This makes Himalopsyche potentially suited as indicator organisms for freshwater quality monitoring, but taxonomic knowledge is yet insufficient. Based on samples from a field survey in the Hengduan Mountains targeting both larvae and adults I uncovered three new Himalopsyche species which are described in this thesis (Chapter II), and with the aid of molecular data I associated larvae of Himalopsyche to adult species (Chapter I). The molecular association enabled the first comparative morphological study of Himalopsyche species in the larval stage, and the morphological study in Chapter II revealed that there are four distinct larval types of Himalopsyche. However, no diagnostic characters to identify Himalopsyche larvae to species level were found. To understand Himalopsyche larval morphology from an evolutionary perspective, I reconstructed the first molecular phylogeny of the genus (Chapter III). This demonstrated that each larval type corresponds to a deep phylogenetic split, indicating that larval types evolved early in Himalopsyche evolution and remained constant since. Based on the phylogenetic results as well as larval and adult morphology, I re-defined five species groups of Himalopsyche: H. kuldschensis Group, H. lepcha Group, H. navasi Group, H. phryganea Group, and H. tibetana Group. The species groups differ with respect to their diversity centers. The monotypic H. lepcha Group resides in the Himalayas, and the monotypic H. phryganea Group inhabits Western Nearctic. The H. kuldschensis and H. tibetana Groups are geographically overlapping with distributions in the Himalayas, but the distribution of H. kuldschensis Group stretches more to the west to include the Tian Shan, and the H. tibetana Group is more concentrated around the eastern Himalayas and the Hengduan Mountains. The H. navasi Group has a more eastern distribution than most Himalopsyche including isolated areas such as Japan and Indonesia. The earliest split in Himalopsyche divides the H. navasi Group from remaining Himalopsyche, suggesting a more eastern area of origin of Himalopsyche than its current diversity center, with subsequent radiations in the Himalayas and Hengduan Mountains. In addition to the three chapters, in this thesis I discuss further aspects of Himalopsyche biology including genital evolution, species complexes, and Himalopsyche ecology.
Xenorhabdus and Photorhabdus are bacterial genera that live in symbiosis with entomopathogenic nematodes of the genera Steinernema and Heterorhabditis, respectively. These nematodes infect insect larvae through the trachea and then enter the hemocoel. Once inside the hemocoel, the nematodes release the bacteria through their intestine. Thereafter, the bacteria become active and kill the larvae within 48 h. During this process, the immune system of the insect host is compromised by molecules produced and secreted by the bacteria. This illustrates that the bacteria possess not only a large arsenal of biological weaponry such as antibiotics and fungicides but also lipases, proteases, etc. Therefore, they are not only able to kill the insect but also protect the cadaver from other food competitors.
During the past decades, a large number of natural products have been identified from Xenorhabdus and Photorhabdus. However, the targets and functions for many of these biological molecules are still unknown. Therefore, the goal of the doctoral thesis is to elucidate the modes of action of these natural products from Xenorhabdus and Photorhabdus with the main focus on non-ribosomal peptides (NRPs). The work can be divided into two parts. Initially, it starts with the synthesis of natural compounds and various chemically modified derivatives. Besides that, a number of peptides were synthesized for other projects to either verify their structures or quantify the amount produced by the bacteria. Then, secondary analysis methods are applied and provide additional insight into the modes of action of these compounds.
During the thesis, I carried out peptide synthesis either manually or with an automatic synthesizer system from Biotage. Here, the Fmoc-protecting group strategy was preferred in most cases. Natural products, such as silathride, xenoautoxin, phenylethylamide, tryptamide, rhabdopeptide, 3-hydroxyoctanoic acid, and PAX, were produced during this process. Furthermore, new peptide derivatives derived from synthetic NRPS approaches using the XU concept or SYNZIP were generated as standards.
Most of these natural compounds were experimentally verified by MIC tests (broth microdilution, plate diffusion) to be biologically active. For example, silathride, phenylethylamide, and tryptamide showed quorum quenching effects when tested against Chromobacterium violaceum. Initial results from collaborators (PD Dr. Nadja Hellmann/Mainz) showed that tryptamide and phenylethylamide interact with membrane or membrane proteins.
(R)-3-hydroxyoctanoic acid was synthesized to verify the molecule structure of phototemtide A, a cyclic lipopeptide with antiprotozoal activity. The rhabdopeptides are another class, which showed remarkable antiprotozoal effects. However, their mode of action was unknown. These compounds are relatively short peptide sequences, which contain hydrophobic residues, such as valine, leucine, or phenylalanine. Moreover, they possess N methylation, resulting in a rod-shaped highly hydrophobic structure. In this work, I synthesized eight new derivatives of rhabdopeptides for photo-affinity labeling (PAL). These molecules should react covalently under UV-light irradiation with the biological target of the peptides. In addition, these derivatives can be enriched in a pull-down assay using click chemistry. Afterward, analytic methods such as mass detection (proteome analysis) can be applied to elucidate the protein targets.
The PAX peptides derivatives are well-known to have anti-microbial activities and believed to be secreted into the environment by the producing bacteria. However, I found that the majority of these peptides are located in the cell pellet fraction and not in the supernatant. This has been shown through quantification using HPLC MS. New PAX derivatives were synthesized, which carry a moiety suitable for covalent modification using click-chemistry, therefore being functionalizable with a fluorescence dye. In collaboration with Dr. Christoph Spahn (Prof. Dr. Mike Heilemann group), we used confocal, as well as super-resolution microscopy, in particular, single-molecule localization microscopy (SMLM) to investigate the spatial distribution of clickable PAX molecules and revealed that they localize at the bacterial membrane. Furthermore, bioactivity assays revealed that the promotor exchanged X. doucetiae PAX mutants, which do not produce PAX molecules without chemical induction (hereby termed as pax-), were more susceptible to several insect AMPs tested. Based on these findings, a new dual mechanism of action for PAX was proposed. Besides the previously shown antimicrobial activity, these molecules with a positive net charge of +5 (pH = 7) would bind to the negatively charged bacterial surface. Hereby, the surface charge (typically negative) would be inversed resulting in a protective effect for Xenorhabdus against other positively charged AMPs. Furthermore, PAX was investigated as AMP against E. coli to study its antimicrobial mechanism of action. Here, the results show that PAX can disrupt the E. coli membrane at higher concentrations (> 30 µg/ml), enter the cytosol, and lead to reorganization of subcellular structures, such as the nucleoid during this process.
Another aspect of secondary analysis is the application of proteomic analysis. Therefore, I induced X. nematophila, X. szentirmaii, and P. luminescens with insect lysate. These samples were analyzed using HPLC-MS/MS (Q Exactive) together with a database approach (Maxquant/Andromeda). The results showed that in all strains the lipid degradation and the glyoxylate pathway were induced. This is in line with the given insect lysate diet, which mostly contained lipids. Moreover, several interesting unknown peptides and proteins were also upregulated and might get into the focus of future research.
The genus Giraffa likely evolved around seven million years ago in Indo-Asia and spread over the Arabian-African land bridge into Eastern Africa. The oldest fossil of the African lineage was found in Kenya and dated to 7-5.4 Mya. Beside modern giraffe, four additional African species have likely existed (G. gracilis, G. pygmaea, G. stillei, and G. jumae). Based on their morphological similarities, G. gracilis is often considered to be the closest relative of the modern giraffe. Nevertheless, the phylogeny within the genus Giraffa is largely unresolved.
Modern giraffe (Giraffa sp.) have been neglected by the scientific community for a long time and still very little is known about their biology. Traditionally, present-day giraffe have been considered a single species (G. camelopardalis) which is divided into six to eleven subspecies, with nine subspecies being the most accepted classification. This classification was based on morphological differences and geographic ranges. However, recent genetic analyses found hidden diversity within Giraffa and proposed four genetically distinct giraffe species (G. camelopardalis, G. reticulata, G. tippelskirchi, G. giraffa) with presumably little gene flow among them.
Gene flow on a population level is the exchange of genetic information among populations facilitated by the migration of individuals between populations. Additionally, it is an important criterion to delineate species, because many species concepts, especially the Biological Species Concept, rely on the concept of reproductive isolation. Yet, new genetic methods are identifying an increasing number of species that show signs of introgressive hybridization or gene flow among them. Therefore, strict reproductive isolation cannot always be applied to delineate species, especially in young, probably still diverging, species such as giraffe.
Therefore, giraffe are ideal study organisms to investigate the level of gene flow in recently diverged species with adjacent or potentially overlapping ranges. Furthermore, their recent classification as “Vulnerable” by the IUCN and their unreliable distribution maps require the genetic evaluation of their population structure, distribution and conservation status.
In Publication 1 (Winter et al. (2018a), Ecological Genetics and Genomics, 7–8, 1–5), I studied the distribution and matrilineal population structure of Angolan giraffe (G. giraffa angolensis) using sequences from the cytochrome b gene (1,140 bp) and the mitochondrial control region for individuals from across their known range and beyond, and additionally including individuals from all known giraffe species and subspecies. The reconstruction of a phylogenetic tree and a mitochondrial haplotype network allowed to identify the most easterly known natural population of Angolan giraffe, a population that was previously assigned to their sister-subspecies South African giraffe (G. giraffa giraffa), indicating the limit of classification by morphology and geography. Furthermore, the analyses show that Namibia’s iconic desert-dwelling giraffe population is genetically distinct, even from the nearest population at Etosha National Park, suggesting very limited, if any, natural exchange of matrilines. Yet, no geographic barriers are known for this region that would prevent genetic exchange. Therefore, the two populations are likely on different evolutionary trajectories. Limited individuals with an Etosha haplotype further suggest that translocation of Etosha giraffe into the desert population had only a minor impact on the local population. Two separate haplogroups within Etosha National Park suggest an “out of Etosha” radiation of Angolan giraffe to the East followed by a later back-migration.
In Publication 2 (Winter et al. (2018b), Ecology and Evolution, 8(20), 10156–10165), I investigated the genetic population structure of giraffe across their range (n = 137) with focus on the amount of gene flow among the proposed giraffe species with a 3-fold increased set of nuclear introns (n = 21). Limited gene flow of less than one effective migrant per generation, even between the closely related northern (G. camelopardalis) and reticulated giraffe (G. reticulata) further supports the existence of four giraffe species by a different methodology, gene flow. This is significant because most species concepts build on reproductive isolation. Furthermore, this result is corroborated by four distinct major clades in a phylogenetic tree analysis, and distinct clusters in Principal Component Analysis and STRUCTURE analysis. All these analyses suggest a low level of genetic exchange among the four giraffe species and, therefore, a high degree of reproductive isolation in accordance with the Biological Species Concept (BSC). In Addition, only a single individual in 137 was identified as being potential of natural hybrid origin, which promotes the four-species concept further. ...
A novel role for mutant mRNA degradation in triggering transcriptional adaptation to mutations
(2020)
Robustness to mutations promotes organisms’ well-being and fitness. The increasing number of mutants in various model organisms, and humans, showing no obvious phenotype (Bouche and Bouchez, 2001; Chen et al., 2016b; Giaever et al., 2002; Kok et al., 2015) has renewed interest into how organisms adapt to gene loss. In the presence of deleterious mutations, genetic compensation by transcriptional upregulation of related gene(s) (also known as transcriptional adaptation) has been reported in numerous systems (El-Brolosy and Stainier, 2017; Rossi et al., 2015; Tondeleir et al., 2012); however, the molecular mechanisms underlying this response remained unclear. To investigate this phenomenon, I develop and study multiple models of transcriptional adaptation in zebrafish and mouse cell lines. I first show that transcriptional adaptation is not caused by loss of protein function, indicating that the trigger lies upstream, and find that the response involves enhanced transcription of the related gene(s). Furthermore, I observe a correlation between levels of mutant mRNA degradation and upregulation of related genes. To investigate the role of mutant mRNA degradation in triggering the response, I generate mutant alleles that do not transcribe the mutated gene and find that they fail to induce a transcriptional response and display stronger phenotypes. Transcriptome analysis of alleles displaying mutant mRNA degradation revealed upregulation of a significant proportion of genes displaying sequence similarity with the mutated gene’s mRNA, suggesting a model whereby mRNA degradation intermediates induce transcriptional adaptation via sequence similarity. Further mechanistic analyses suggested RNA-decay factors-dependent chromatin remodeling, and repression of antisense RNAs to be implicated in the response. These results identify a novel role for mutant mRNA degradation in buffering against mutations. Besides, they hold huge implications on understanding disease-causing mutations and shall help in designing mutations that lead to minimal transcriptional adaptation-induced compensation, facilitating studying gene function in model organisms.
Even one century after Santiago Ramón y Cajal’s groundbreaking contribu- tions to neuroscience, one of the most fundamental questions in the field is still largely open, namely understanding how the shape of a dendrite is adapted to its specific biological function. A systematic investigation of this problem is challenging both technically and conceptually because neurons have diverse genetic, molecular, morphological, connectional and functional properties.
In the light of the preceding, dendritic arborisation (da) neurons of the Drosophila melanogaster larva PNS have proven to be an excellent model system for the study of such growth and patterning processes. Structure and function in these cell classes are intimately intertwined, as class type-specific dendritic arbour differentiation processes are required to satisfy a given phys- iological need. Also, there is a remarkable genetic toolkit that enables one to selectively and reproducibly label, image and manipulate each one of these sensory neuron classes. In this thesis, I address the aforementioned open problem by linking single-cell patterning, information processing and wiring optimisation in sensory da neurons to behaviour in Drosophila larva.
In particular, I study Class I ventral peripherical dendritic arborisation (c1vpda) neurons. These are a class of proprioceptive neurons that relay information on the position of the larva’s body back to the CNS during crawling behaviour to assure proper locomotion. Their stereotypical comb- like shaped dendritic branches spread along the body-wall, and they get noticeably deformed during crawling behaviour. The bending of the den- dritic branches is hypothesised to be a possible mechanism to transduce the mechanosensory inputs arising from cuticle folding. Interestingly, c1vpda neurons do not necessarily satisfy optimal wiring constraints since they are required to pattern into a specific shape to fulfil their function. Therefore, I considered the da system to study how the specific functional requirements may be combined with optimal wiring constraints during development.
Although the molecular machinery of dendrite patterning in c1vpda neurons is well studied, the precise elaboration of the comb-like shaped dendrites of these cells remains elusive. Moreover, even though a lot of work has been put into the description and quantification of growth processes of the nervous system, there are still few solid and standardised models of arbour staging and patterning. Importantly, the defining parameters that determine the dendrite elaboration program that in turn is responsible for creating the final arbour morphology are still unknown. As a result, unraveling possible universal stages of dendrite elaboration shared between different model systems and cell types is challenging.
Thus, in order to understand the development of the fine regulation of branch outgrowth that leads to the observed terminal arbour morphology in the mature cell, I collected in vivo, long-term, non-invasive high temporal res- olution time-lapse recordings of dendritic trees during the differentiation process in the embryo and its maturation phase in the larva. For further analysis, I developed new algorithms that quantified the structural changes in dendrite morphology in the time-lapse videos. My approach provides a framework to analyse such developmental data, or any dataset comprising continuous morphological dynamical processes in an unbiased way. Using these newly developed methods, I examined the development of a sample of c1vpda cells and identified five stages of differentiation in these data: initial stem polarization, extension, pruning, stabilization, and isometric stretching during larval stages.
The beginning of the growth process is marked by the polarisation of the main stem. Subsequently, during the extension phase, branches emerge interstitially from the existing main stem. Later, higher-order branches sprout from pre-existing lateral branches, increasing arbour complexity. This is followed by a pruning stage where developmental intermediate dendritic branches are removed. This step leads to a spatial rearrangement of the dendritic tree. The end of the pruning step is followed by a stabilisation period where arbour morphology remains virtually unaltered in the embryo. After hatching, c1vpda dendrites experience an isometric scaling, with their branching complexity and pattern being invariant across all larval stages.
After dissecting the c1vpda dendrites spatiotemporal differentiation process, I established a link between dendritic shape and behaviour. I measured intra- cellular Ca++ activity in the dendrite branches of l1 larvae during forward locomotion, while simultaneously recording branch deformation using a dual genetic line. I reported that post-embryonic c1vpda dendrites Ca++ responses increased in freely crawling larvae. Furthermore, I showed strong correlations between Ca++ signal and deformation of the comb-like dendritic ranches during body-wall contractions.
Then, using a geometrical model, I provided evidence that the pruning stage could reorganise the dendrite morphology to maximise mechanosensory re- sponses during body wall contraction. I showed that the angle orientation of each side branch correlates with the bending curvature and thus with the me- chanical displacement of the cell membrane during locomotion. During the pruning phase, I observed a preferential reduction of less efficient branches with low bending curvature, influencing the mechanisms of dendritic sig- nal integration of c1vpda sensory neurons. I proceeded to quantify branch dynamics at single tip resolution during pruning, providing evidence that a simple random pruning mechanism is sufficient to remodel the tree structure compatible with the observed way.
I used these time-lapse data to constrain a new computational noisy growth model with random pruning based on optimal wiring principles. This model is able to generate highly realistic synthetic c1vpda morphologies. The model furthermore requires few parameters to generate highly accurate temporal development trajectories and morphologies at single-cell level. Utilising this data and model enabled me to investigate upon the hypothesis that a noisy dendrite growth and random pruning mechanism synergise to achieve den- dritic trees efficient in terms of both wiring and function. My findings show how single neurons can create functionally specialised dendrites while min- imising wiring costs, elucidating how general principles of self-organisation may be involved in the generation of these structures.
The growing number of infections with multi-resistant bacteria or the current COVID-19 pandemic put compounds with therapeutic properties into the public focus. Non-ribosomal peptides (NRPs) are natural products that are already marketed as antibiotics, cytotoxic agents or immunosuppressants. Their biological activities rely on the structural diversity including non-proteinogenic amino acids (AAs), heterocycles or modifications like methylation or acylation.
The biosynthesis of NRPs is carried out by non-ribosomal peptide synthetases (NRPSs). These multifunctional megaenzymes show a modular architecture like in an assembly-line. Each module is thereby responsible for the incorporation and modification of one AA and therefore contains different catalytic domains. The adenylation (A) domain recognizes and activates its specific substrate in an ATP-dependent manner which is transferred to a 4’-phosphopantetheine cofactor post-translationally attached to the thiolation (T) domain. Peptide bond formation between two T domain bound substrates catalysed by the condensation (C) domain transfers the growing peptide chain to the following module. Such a C-A-T module can be extended with optional domains to integrate structural diversity and a terminal thioesterase (TE) domain usually releases the peptide via hydrolysis or intramolecular attack of nucleophiles. Inspired by the modular architecture, NRPS engineering deals with the modification of NRPs in order to increase biological activities, circumvent bacterial resistances or create de novo peptides. This can be achieved by mutasynthesis or modification of the substrate binding pocket as well as single and multiple domain substitution. However, the few successful approaches led to impaired enzymes and did not establish a general applicable guideline. In the first publication as part of this work, the development of such a guideline comprising three rules is addressed. First, the A-T-C tridomain named exchange unit (XU) is seen as a catalytic unit instead of a module. When using them as building blocks, the C domain’s specificity for the AA of the following XU has to be considered as second rule. Third, a conserved WNATE motif within the C-A linker depicts the fusion point of the XUs. Upon heterologous expression of the cloned plasmids in E. coli and high performance liquid chromatography coupled mass spectrometry-based analysis of the extracts, the ambactin-producing NRPS from Xenorhabdus was reprogrammed with one and two XUs. This only leads to a moderate loss of production titre or an even higher one when the AA configuration was changed by introducing a dual condensation/epimerization (C/E) domain. The pentamodular GameXPeptide-producing NRPS was reconstructed using up to five XUs of four different NRPSs and even completely de novo synthetases were created. The second publication describes the exchange unit condensation domain (XUC) concept and relies on a fusion point between the two subdomains (N-terminal CDsub and C-terminal CAsub) of the C domain’s V-shaped pseudodimeric structure which generates A-T didomains with flanking CAsub and CDsub. These hybrid C domain-forming building blocks depict an improvement to the XU concept by avoiding the drawback of C domain specificity. This allows a more flexible NRPS engineering that can e.g. enable peptide library design. Furthermore, beside a combination of both concepts within one NRPS and a transfer to Bacillus NRPSs, the use of XUC with relaxed A domain specificity allowed further peptide modifications by introducing non-natural AAs. The third publication deals with aldehyde and alcohol-generating reductase (R) domains which depict an alternative for peptide release in NRPSs. A promoter exchange in X. indica identified a pyrazine-producing NRPS with a minimal architecture of an A, T and R domain and was therefore termed ATRed. R domains were additionally used in engineered NRPSs to produce pyrazinones and derivatives thereof by XU substitution although most constructs failed to show production. Beyond that, an R domain has been shown to replace a TE domain in wild type synthetases leading to slightly modified NRPs and the postulated biosynthesis was incidentally revised. Furthermore, an NRPS with terminal R domain was engineered to produce a free peptide aldehyde, which are known to be potent proteasome inhibitors. For the above mentioned ATReds, the presence of up to three coding regions was further identified in 20 different Xenorhabdus strains but only six of them were verified to produce pyrazines. All ATReds share variable sequence similarities among each other and were subsequently divided into three subtypes. One subtype is supposed to perform the pyrazine biosynthesis via a non-canonical catalytic triad.
Photorhabdus and Xenorhabdus bacteria live in a highly specific symbiosis with nematodes that belong to the genus of Heterorhabditis and Steinernema, respectively. These cruiser type nematodes actively search for soil-dwelling insects and infect them via natural openings. Inside of the insect, the bacteria are released into the hemocoel where they start producing an array of secondary metabolites to bypass the insect immune system and kill the prey within 48 hours. Many of those natural products possess bioactivities against other bacteria, fungi, protozoa or insects, which makes them interesting candidates for pharmaceutical applications. Even though advanced molecular biological methods in combination with bioinformatics tools can now be used to predict biosynthetic gene clusters (BGCs) and their products, there are still many BGCs with unknown products. Even for the plethora of natural products that were successfully identified in the last couple of years, the exact ecological function often remains elusive, as laboratory conditions can vary considerably from the natural environment of the bacteria. Knowledge about the natural conditions that stimulate, or repress production of certain natural products and their underlying regulatory mechanisms yield new approaches for natural product research and enables possibilities for selective manipulations of the regulatory cascades.
The overarching goal of this work was to examine the regulatory networks in Photorhabdus and Xenorhabdus strains. The first part of this work focused on the Hfq-dependent regulation of specialized metabolite production. In those genera, the RNA chaperone, Hfq, represses expression of hexA, which encodes for a global transcriptional regulator that acts as the master repressor for SM production. Multiple global approaches were used to identify the sRNA ArcZ, which targets a specific region in the 5’-untranslated region of the hexA mRNA and ultimately guides Hfq in order to repress its expression. It was shown that a deletion of arcZ led to a drastic reduction of SM production in Photorhabdus and Xenorhabdus, consistent with the phenotype of their respective hfq deletion mutants. Transcriptomic profiling revealed far-reaching effects on the transcriptome, with up to 735 coding sequences significantly affected in the arcZ deletion strain. Finally, it was shown that the resulting chemical background, devoid of SMs, in combination with targeted promotor exchange can be used to exclusively overproduce a desired natural product, representing an alternative route of genetic manipulation.
The second part of this work focused on the influence and identification of insect related compounds that affect SM production in P. laumondii, X. szentirmaii and X. nematophila. Insect homogenate was generated from G. mellonella larvae, a model host for these bacteria. Supplementation of the cultivation medium with homogenate induced considerable shifts in the SM profiles of those bacteria. A global effect on the transcriptional output was determined by transcriptomic profiling. The core response to the simulation of an insect environment consisted of ten CDS, eight of which are involved in the degradation of fatty acids or the import of maltose and maltodextrin into the cells. Two abundant components in the insect homogenate, trehalose and putrescin, were added to the cultivation medium of those strains and subsequent HPLC-MS analysis revealed a direct correlation of their concentration in the medium and the production titres of certain SMs. These results indicated that the bacteria sense the insect environment via different insect specific components in order to initiate a metabolic adjustment, which is probably required for adaptation to the insect host.
The last part of this work examined the influence of other, so far not directly related genes on SM production, based on the isolation of P. laumondii transposon-insertion mutants with clear phenotypic alterations. Re-sequencing and SM profiling of the mutant strains revealed that a transposon-insertion in the gene encoding for a putative DNA-adenine methyltransferase affected SM production. The phenotype was confirmed by deleting this gene. Based on Single-Molecule Real-Time sequencing, the complete methylome of the WT, deletion- and complementation mutant were analysed (experimental work performed by Sacha J. Pidot, Melbourne, Australia). No obvious alterations were detected in the methylation patterns of the strains, indicating that the dam gene product does not methylate the adenine in GATC-motifs, as it was described in literature for E. coli. This data raises the question what the function of the putative DNA-adenine methyltransferase is in P. laumondii and how it can influence the secondary metabolism. Even though there is currently no clear evidence, the potential role of epigenetic gene regulation mechanisms should be considered in further work.
Die CXCR4/CXCL12-Achse ist von entscheidender Bedeutung für die Entstehung und Aufrechterhaltung einer gesunden, reifen Hämatopoese. Erstmals beschrieben wurde der später als CXCR4 bezeichnete Rezeptor 1996 allerdings als Co-Rezeptor für den Eintritt humaner HI-Viren in Lymphozyten. Ein großes Interesse bestand daraufhin darin, sowohl natürliche Inhibitoren des G-Protein gekoppelten Rezeptors zu identifizieren, als auch synthetische herzustellen, um einen Eintritt des Virus in den menschlichen Organismus zu verhindern bzw. seine Ausbreitung zu unterbinden. Ein natürlich vorkommender CXCR4-Ligand, der 2015 von Zirafi und Kollegen erstmals beschrieben wurde, fand sich im Hämofiltrat von Dialysepatienten. Der im weiteren Verlauf als EPI-X4 bezeichnete CXCR4-Antagonist wurde als Spaltprodukt von Albumin identifiziert, welches über viele Spezies hochkonserviert ist. Diese Eigenschaft interpretieren wir als Hinweis auf eine relevante physiologische Funktion des Peptids. Da die Halbwertszeit von natürlich vorkommendem EPI-X4 beim Menschen vermutlich sehr kurz ist, sind in vivo- und darauffolgende in vitro-Analysen schwierig durchzuführen. In-vitro-Spike-Analysen von synthetischem EPI-X4 in humanem Plasma ergaben eine Halbwertszeit von nur 17 Minuten. Die geringen auftretenden Konzentrationen erschweren die Problematik zusätzlich. In dieser Arbeit sollen deshalb im Mausmodell in vivo-Analysen durchgeführt werden, um die Effekte von potentiell entstehendem EPI-X4 in verschiedenen experimentellen Ansätzen aufzudecken. Ein probates, hier verwendetes Mittel, ist die Analyse einer Knock-out (KO)-Maus. Die für die Bindung an CXCR4 entscheidende Aminosäure von EPI-X4, das am N-Terminus gelegene Leucin, wurde durch Alanin ersetzt, welches die Entstehung von EPI-X4 unterbindet und zusätzlich dessen Bindung an CXCR4 verhindert. Mit Hilfe zweier Mausmodelle können nun Analysen im EPI-X4-defizienten Modell durchgeführt werden, die im Umkehrschluss Informationen über die organismische Wirkung von EPI-X4 beinhalten. Zunächst wurde in beiden Modellen die physiologisch normale reife und unreife Hämatopoese charakterisiert. Hierbei zeigte sich kein signifikanter systematischer Einfluss von EPI-X4 auf reife Leukozyten (WBC), lediglich eine leichte Lymphozytose in der HR-Ala-Variante. Im weiteren Verlauf der homöostatischen Analyse der Hämatopoese der Ala-EPI-X4-Mäuse zeigten sich keine signifikanten Unterschiede zu wildtypischen Mäusen. Sowohl reife als auch unreife Zellen zeigten, außer in der T- und B-Zelllinie, keine zahlenmäßigen oder funktionalen Auffälligkeiten, weder im Blut, noch in der Milz oder im Knochenmark. Analysen der Zellzyklusaktivität unterschiedlicher Unreifestufen wiesen ebenfalls keine Auffälligkeiten auf. Diese Daten einer normalen, von einer C57Bl/6-Maus zu erwartenden Ergebnisse dienten als Grundlage zur Bewertung und Analyse von durchgeführten hämatopoetischen Stressmodellen. Hierfür wurden
zunächst hämatopoetische Stamm- und Vorläuferzellen (HSPC) mobilisiert. In den angewandten Mobilisierungsmodellen fanden sich lediglich unter G-CSF-Behandlung im Knochenmark eine größere Anzahl Granulozyten, was auf einen Einfluss von EPI-X4 auf HSPC schließen lässt. Um potentielle Auswirkungen von EPI-X4 im Knochenmark weiter zu untersuchen, wurde ein weiteres Stressmodell gewählt, welches ebenfalls mutmaßlich die Bedingungen zur EPI-X4-Generierung schafft: Subletale Bestrahlung der Mäuse sorgt für Schäden an allen Zellarten im Knochenmark, es wird ein steriles entzündliches Milieu kreiert. Unter diesen Umständen wurde die Regeneration von Blutzellen analysiert. Es zeigten sich keine nennenswerten Unterschiede sowohl in der akuten Phase des Schadens als auch in regelmäßigen Blutentnahmen während der Regenerierung.
Die Beschreibung von natürlich vorkommendem EPI-X4 in Vaginal- und Rektalschleimhaut zeigt seine Entstehung an Schleimhautbarrieren auf. Ala-EPI-X4-Muse werden deshalb auf deren Durchlässigkeit untersucht: LPS-Konzentrationen als Marker für eindringende pathogene Bakterien wurden im Plasma untersucht. Hierbei zeigten sich keine Unterschiede zwischen den Gruppen, eine Störung scheint hier nicht vorzuliegen. Zusätzlich wurde die Zusammensetzung des Mikrobioms im Darm untersucht, da beschrieben wurde, dass sich Mikrobiom und die Integrität der Darmschleimhaut gegenseitig beeinflussen. Im Falle der EPI-X4-defizienten Mäuse liegt zwar keine offensichtliche pathologische Veränderung vor, dennoch konnte in männlichen HR-Ala-Mäusen die Abwesenheit des Proteobakteriums Parasutterella nachgewiesen werden. Um eine mögliche Defizienz der Barrierefunktion weiter zu testen, wurden zwei Stressmodelle gewählt: Zunächst wurde den Mäusen eine akute, sterile Peritonitis zugefügt, woraufhin die Anzahl und Zusammensetzung der ins Peritoneum einströmenden Leukozyten analysiert wird. Die Reaktion auf diesen Entzündungsprozess war nicht verändert. Ähnliche Ergebnisse zeigten sich auch in einem akuten Colitis-Stressmodell.
Insgesamt konnte in dieser Arbeit mithilfe zweier KO-Mausmodelle die Rolle von EPI-X4 in der Hämatopoese und der Immunologie von Mäusen beginnend charakterisiert werden. Die homöostatische Hämatopoese scheint kaum von EPI-X4 abhängig zu sein, lediglich die Zahl der B- und T-Zellen, insbesondere der regulatorischen T-Zellen, scheint beeinflusst. Damit einhergehend konnten Veränderungen in Zytokinlevels bei inflammatorischen Ereignissen gezeigt werden. Experimente zur beeinflussten, eventuell gestörten Barrierefunktion von Ala-EPI-X4-Mäusen zeigten vielversprechende Ansätze und sollten in Zukunft weiter analysiert werden.
Das Gehirn weist in mehreren Bereichen anatomische Asymmetrien zwischen beiden Hemisphären auf, so auch in Bereichen der Hörrinde. Zudem ist bereits langjährig bekannt, dass menschliche Sprache vorrangig in der linken Gehirnhälfte, d.h. linksseitig lateralisiert, verarbeitet wird. Daraus folgend stellt sich die Frage, ob dies eine besondere Spezialisierung ist, oder ob es noch weitere lateralisierte Hirnfunktionen gibt. Viele akustische Signale haben dabei frequenzmodulierte (FM) Komponenten, die im Hörsystem für die Erkennung nach Parametern wie Richtung und Dauer der Modulation analysiert werden müssen. Ob die Analyse von FM-Komponenten oder einzelner Reizparameter im Gehirn lateralisiert stattfindet, wurde in der Literatur meist mit bildgebenden Verfahren untersucht.
Für das Erkennen und Unterscheiden der Modulationsrichtung weist eine Vielzahl von Studien auf eine erhöhte Aktivität in der rechten Hörrinde hin. Für die Analyse von Stimulusdauern ist es bisher allerdings noch unklar bzw. umstritten, ob diese lateralisiert erfolgt. Für die Untersuchung der Lateralisierung einfacher Sprachkomponenten werden häufig Konsonant-Vokal-Silben (CV-Silben) verwendet. In einer Vielzahl von Studien konnte eine linkslastige Lateralisierung, wie bei der Spracherkennung, gezeigt werden.
In der vorliegenden Arbeit wurde nun untersucht, ob ein eindeutigeres Muster von Lateralisierung zu finden ist, wenn diese in Wahrnehmungsexperimenten, untersucht wird. Dabei wurde ein zu untersuchender Teststimulus (FM-/CV-Stimulus) auf einem Ohr mit einem kontralateralen breitbandigen Rauschen auf dem anderen Ohr gleichzeitig präsentiert. Durch die Struktur der Hörbahn kann dabei davon ausgegangen werden, dass in einer Hemisphäre des Vorderhirns vorrangig Informationen aus dem kontralateralen Ohr verarbeitet und Informationen aus dem ipsilateralen Ohr unterdrückt werden und sich somit Rückschlüsse auf die Funktion/Beteiligung einer Hemishpäre ziehen lassen. Das Rauschen diente dabei zur unspezifischen Aktivierung der gegenüberliegenden Hemisphäre.
Die Lateralisierung wurde systematisch für unterschiedlich komplexe Reize untersucht. Dazu wurden in zwei Versuchsreihen Unterscheidungsexperimente durchgeführt, die sich in mehrere Messungen (mit mehreren Durchläufen) mit unterschiedlichen Parametereinstellungen gliederten. Pro Durchlauf musste sich die Versuchsperson immer zwischen zwei Antwortmöglichkeiten entscheiden (2-AFC-Verfahren). Der Schalldruckpegel des Rauschens war dabei für alle Messungen konstant. Der Schalldruckpegel der Teststimuli blieb zwar während einer Messung konstant, wurde jedoch innerhalb eines Experimentes von Messung zu Messung reduziert.
In einer gemeinsamen Analyse wurden jeweils die Fehlerraten und Reaktionszeiten beider Ohren, getrennt nach Seite und FM-/ CV-Stimulus, miteinander verglichen, um so auf eine mögliche Lateralisierung schließen zu können. Damit die Daten der Versuchspersonen bei vergleichbarer Schwierigkeit analysiert werden konnten, wurde als Vergleichswert zwischen allen Versuchspersonen der Schalldruckpegel der ersten Messung mit einer Fehlerrate von mindestens 15,0 % gewählt (15 %-Kriterium). Um auszuschließen, dass das Hörvermögen der Versuchspersonen Unterschiede zwischen beiden Ohren aufweist, wurde vor jeder Messung der „Punkt subjektiver Gleichheit“ für die Lautstärke-wahrnehmung zwischen linkem und rechten Ohr bestimmt.
In der ersten Versuchsreihe wurde dabei die Verarbeitung der Modulationsrichtung und der Stimulusdauer von FM-Stimuli untersucht. Es zeigte sich für beide Experimente, dass ein sinkender Schalldruckpegel des FM-Stimulus zu einer steigenden Fehlerrate führte. Unter Anwendung des 15 %-Kriteriums waren die Fehlerraten für die Unterscheidung der Modulationsrichtung signifikant geringer, wenn der FM-Stimulus auf dem linken Ohr präsentiert wurde. Dies ist ein deutlicher Hinweis für eine rechtslastige Lateralisierung.
Für die Unterscheidung der Stimulusdauer gab es dagegen keinen signifikanten Unterschied zwischen den Fehlerraten beider Ohren. Somit muss davon ausgegangen werden, dass beide Hemisphären für diese Aufgabe benötigt werden und eine bilaterale Verarbeitung stattfindet. In den Reaktionszeiten konnten in beiden Experimente keine signifikanten Unterschiede gezeigt werden. Die Unterscheidung der Modulationsrichtung wurde dabei von allen Versuchspersonen als einfacher eingestuft als die Unterscheidung der Stimulusdauer, was sich auch in niedrigeren Antwortschnelligkeit und Fehlerraten bei vergleichbaren Schalldruckpegeln zeigte.
In der zweiten Versuchsreihe wurde als Referenzmessung nochmals die Unterscheidung der Modulationsrichtungen von FM-Stimuli durchgeführt. Anschließend wurde die Unterscheidung von „da“ und „ga“ untersucht. Diese CV-Silben differieren ausschließlich in der FM-Komponente. Die Untercheidung von CV-Silben ohne Unterschied in der FM-Komponente wurde mittels „ta“ und „ka“ getestet. Für alle drei Experimente zeigte sich, dass ein geringerer Schalldruckpegel des FM- oder CV-Stimulus zu einer steigenden Fehlerrate führte. Unter Anwendung des 15 %-Kriteriums zeigte sich für die Unterscheidung der Modulationsrichtung ein Trend zu niedrigeren Fehlerraten bei der Präsentation des FM-Stimulus auf dem linken im Vergleich mit dem rechten Ohr. In den Reaktionszeiten konnten keine signifikanten Unterschiede gezeigt werden.
Für die Unterscheidung von „da“ und „ga“ ließ sich unter Anwendung des 15 %-Kriteriums in den Fehlerraten und Reaktionszeiten kein Vorteil eines Ohres nachweisen. Dagegen zeigten sich klare Unterschiede bei einzelnen Versuchspersonen. So waren die Fehlerraten für Versuchspersonen, die vorwiegend „da“ erkannt bzw. gehört hatten signifikant höher, wenn der CV-Stimulus auf dem rechten Ohr präsentiert wurde, für „ga“-Hörer war das Gegenteil der Fall. In den Reaktionszeiten konnte kein signifikanter Zusammenhang nachgewiesen werden. Somit ließ sich zeigen, dass je nach Strategie der Versuchsperson bzw. deren individueller Wahrnehmung der CV-Silben, Unterschiede in der Lateralisierung erreicht werden können.
Für die Unterscheidung von „ta“ und „ka“ zeigten sich unter Anwendung des 15 %-Kriteriums signifikant niedrigere Fehlerraten und Reaktionszeiten, wenn der CV-Stimulus auf dem linken Ohr präsentiert wurde. Dies weist deutlich auf eine rechtslastige Lateralisierung hin. Vergleicht man alle drei Experimente ließ sich zudem zeigen, dass die Unterscheidung der Modulationsrichtung einfacher war als die Unterscheidung verschiedener CV-Stimuli. Dabei war die Unterscheidung von „da“ und „ga“ für die Versuchspersonen schwieriger als die Unterscheidung von „ta“ und „ka“. Allerdings konnte in den Lateralisierungsdaten kein direkter Zusammenhang zwischen den FM- und „da“-/„ga“-Stimuli gezeigt werden.
Zusammenfassend konnte in allen fünf Experimenten eine verschieden stark lateralisierte Verarbeitung von akustischen Stimuli bei gleichzeitigem kontralateralen Rauschen gezeigt werden. Der Vorteil eines Ohres (bzw. einer Hemisphäre) war sowohl von der Aufgabe als auch vom Stimulustyp abhängig. Dabei gab es zum Teil starke Unterschiede in der Effektstärke und dem Grad der Lateralisierung zwischen den einzelnen Versuchspersonen. Insgesamt konnte gezeigt werden, dass sich die hier angewendete psychophysische Methode gut eignet, um Ergebnisse zur Lateralisierung von akustischen Stimuli zu gewinnen und somit die Verhaltensrelevanz von Ergebnissen aus Studien mit bildgebenden Verfahren zu überprüfen.
Cardiovascular diseases are still regarded as the main cause of death in the modern world. However, the generic term "cardiovascular diseases" is not uniformly defined. It essentially describes diseases of the cardiovascular system and includes diseases such as hypertension, arteriosclerosis, myocardial infarctions, heart failure, coronary heart diseases, rheumatic heart diseases and heart valve defects. In addition to the well-known risk factors such as obesity, smoking, hypercholesterolemia and lack of exercise, age is a further risk factor that plays an important role in the development of cardiovascular diseases. As the modern societies age; this becomes an increasing problem.
But why does the prevalence of cardiovascular diseases increase with age? In gen-eral, age-dependent changes at the cellular level are assumed to be responsible for the pathological changes in the cardiac and vascular tissues. Important mechanisms such as autophagy, oxidative stress, mitochondrial dysfunctions, genomic instability, cellular senescence and disturbances in signaling pathways of growth factors play a decisive role. In old age, myocardial hypertrophy occurs, which results in cardiac wall thickening and an altered geometry of the ventricle. Chronic inflammations, paracrine and age-dependent cell-intrinsic factors further lead to activation of cardiac fibro-blasts with increase cell proliferation, collagen secretion and matrix cross-linking. The consequences are interstitial and perivascular fibrosis, which stiffen the heart and blood vessels. Oxidative stress and inflammations additionally attack the blood ves-sels and impair endothelial function, which is further aggravated by possible pre-existing conditions such as diabetes mellitus and hypertension.
In the past decades, the main focus has therefore been on researching these age-dependent changes in the hope of better understanding cardiovascular ageing and developing possible regenerative interventions. By studying the repair mechanisms of other organs such as the lungs and the bone marrow, the endothelium in particular showed a high regenerative capacity, which influences the proliferation and cell func-tion of the surrounding cells.
For a long time, the general opinion was that the endothelium is only the internal lin-ing of blood and lymphatic vessels, as well as the heart chambers, which as a single-layer barrier guarantees the integrity of the blood vessels. However, endothelial cells are very heterogeneous, depending on the type of blood vessel and the type of tis-sue they serve. In addition to their barrier function, endothelial cells also regulate the exchange of substances between blood and tissue, stimulate the formation of new blood vessels and re-model existing vascular networks. They are also able to re-structure the extracellular matrix that surrounds them. They release not only matrix proteins, but also cytokines and growth factors into the extracellular space. On de-mand, these factors are then released and stimulate angiogenesis or cell prolifera-tion. In addition, the secretion of various matrix proteins not only stabilizes the cellu-lar neighborhood, but also regulates various cell functions.
By modelling the endothelial environment - the so-called vascular niche - endothelial cells are able to communicate with the surrounding cells. As a result, a regenerative effect of the vascular niche has already been described in various organs. In the liv-er, for example, it has been shown that increased concentrations of endothelial Ang2 and decreased endothelial activin A after partial hepatectomy stimulate the prolifera-tion of hepatocytes and thus liver regeneration. In the bone marrow, endothelial cells mobilize stem cells via nitric oxide and in the lungs, endothelial MMP14 releases growth factors from the extracellular matrix, which stimulate epithelial cell prolifera-tion after partial pneumectomy. Whether such a regenerative effect of the vascular niche also plays a role in the heart is largely unknown.
Since both the regenerative capacity of the heart and endothelial function decrease with age, the aim of this dissertation was to investigate the role of the vascular niche and endothelial cell communication in the aged heart. Human cell lines as well as mouse and artificial rat models were used for these investigations. Since this thesis is a cumulative dissertation with partially published papers, it is divided into three parts.
In the first part of this thesis, the transcriptional signature of secretory genes in the aged cardiac endothelium was studied. Perfused endothelial cells from hearts of young (12-week-old animals) and old mice (20-month-old animals) were isolated and used for bulk RNA sequencing. The two matrix proteins laminin β1 and β2 were among the top-regulated genes. While laminin β2 was particularly expressed in the young cardiac endothelium, laminin β1 was predominantly found in the old endotheli-um. This change in laminin expression was confirmed histologically at protein level and its autocrine function was investigated in vitro. To mimic the in vivo situation in vitro, cell culture dishes were coated with human recombinant laminin 421 or laminin 411 and sutured with human endothelial cells from the umbilical vein (HUVEC). Di-verse functional investigations showed that endothelial cells migrated and adhered poorly in the presence of laminin 411, while in Matrigel tube formation assays HU-VEC formed reduced endothelial networks when cultured on LM 411.
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Die klimatische Nische beschreibt die klimatischen Bedingungen, unter denen eine Art eine stabile Population aufrechterhalten kann. Die Quantifizierung von Klimanischen ist ein wichtiges Werkzeug, um tiefergehende Einsichten in individuelle Art-Umwelt Beziehungen zu erlangen, um den Effekt des Klimawandels effektiv zu bewerten, und um Arten- und Naturschutz zu unterstützen. Ein makroökologischer Ansatz ist von Vorteil um Ökosysteme über ein breites taxonomisches, geographisches und zeitliches Spektrum zu untersuchen, und damit die klimatischen Nischen vieler Arten auf eine konsistente Art und Weise zu quantifizieren und vergleichen.
Im Kontext des aktuellen Klimawandels ist es wichtig zu verstehen, ob Arten in der Lage sind ihre Klima-nische anzupassen. Viele bisherige Vorhersagen über klimawandelbedingte Veränderungen von Artverbreitungen beruhen auf der Annahme, dass die klimatische Nische einer Art konstant ist. Allerdings ist bekannt, dass Arten ihre klimatischen Präferenzen auf unterschiedlichen Zeitskalen verändern - sowohl über kurze (ökologische) als auch evolutionäre Zeiträume. Dies ist ein wichtiger, aber oft missachteter Faktor für die Nischenquantifizierung. Ein gutes Beispiel für solche ökologische Dynamiken sind Zugvögel, die etwa 20% aller Vogelarten ausmachen. Sie stellen eine interessante, aber auch herausfordernde Artengruppe für die Untersuchung klimatischer Nischen dar. Des Weiteren ist es wichtig klimatische Nischen über evolutionäre Zeiträume zu untersuchen, um die Prozesse zu verstehen, die Evolution, Diversifikation und Extinktion unterliegen, da sich Klimanischen mit der Anpassung einzelner Arten an neue klimatische Gegebenheiten ebenfalls wandeln. Bislang hat ein Mangel an geographisch expliziten Daten über terrestrische Umwelt-bedingungen durch evolutionäre Zeiträume eine explizite Überprüfung dieser Zusammenhänge verhindert.
Das übergeordnete Ziel dieser Dissertation war es, die ökologische (d.h. saisonale) und evolutionäre Dynamik klimatischer Nischen von Vögeln zu untersuchen. Dazu wurde ein Ansatz gewählt der makroökologische, und evolutionsbiologische Methoden vereint, um ein breites taxonomisches und zeitliches Spektrum abzudecken. Das erste Kapitel bearbeitet die Frage wie klimatische Nischen am besten zu quantifizieren sind, wenn man die Dynamik des Vogelzuges in Betracht zieht. Dazu wurde eine Datenbank erstellt, die das Zugverhalten aller 10.443 lebenden Vogelarten katalogisiert. Des Weiteren wurde eine Übersicht über die Methoden zur Quantifizierung klimatischer Nischen in der makroökologischen Literatur erstellt. Das Ergebnis derselben ist, dass die überwiegende Mehrzahl der Veröffentlichungen saisonalen Zugbewegungen nicht ausreichend berücksichtigt. Zuletzt habe ich anhand der Avifauna Australiens die Vor- und Nachteile der Verwendung von Verbreitungskarten gegenüber Punktverbreitungsdaten zur Erfassung saisonaler geographischer Muster der Artenvielfalt bewertet. Damit bietet dieses Kapitel Rahmenempfehlungen für die Datenanforderungen und Methoden, die je nach Zugverhalten einer Art, und dem geographischen, bzw. zeitlichen Fokus einer Studie für eine optimale Nischenquantifizierung notwendig sind.
Im zweiten Kapitel untersuchte ich die saisonale Dynamik klimatischer Nischen von Zugvögeln. Dabei überprüfte ich die Hypothese, dass Zugvögel in ihrem Jahreszyklus durch die Zugbewegung eine gewisse Klimanische verfolgen. Zu diesem Zweck habe ich mit Brut- und Überwinterungsarealkarten saisonale Klima-nischen für 437 Zug- und Standvogelarten aus acht Kladen der Sperlingsvögel (Passeriformes) charakterisiert. Mit Ordinationsmethoden wurde dann der innerartliche saisonale Nischenüberlapp quantifiziert. Der Beweis für die Verfolgung einer klimatischen Nische in einer Art war von mehreren Faktoren, z.B. der geographischen Verortung des Brutareals und der Zugrichtung, abhängig. Dies lässt darauf schließen, dass sich die Ursachen für den Vogelzug sowohl geographisch als auch saisonal (d.h. abhängig von der Zugrichtung) unterscheiden.
Im dritten Kapitel untersuchte ich die evolutionäre Dynamik klimatischer Nischen in Steinschmätzern (Gattung Oenanthe), um explizit zu untersuchen ob es einen Zusammenhang zwischen den Raten klimatischer Nischen-evolution und den Veränderungen paläoklimatischer Bedingungen gibt. Methoden der Klimanischen-quantifizierung wurden mit datierten molekularen Phylogenien verknüpft, um die Raten klimatischer Nischen-evolution mit einem variablen Ratenmodell abzuschätzen. Paläoklimatische Umweltbedingungen wurden mit paläobiologischen Methoden aus dem Fossilbericht altweltlicher Säugetiere der vergangenen 20 Millionen Jahre erschlossen. Die Fallstudie konnte keinen Zusammenhang zwischen Nischenevolution und Umwelt-bedingungen feststellen. Dies legt nahe, dass Vögel als überaus mobile Organismen, auf Klimaveränderungen eher durch Arealverschiebungen reagieren, als durch eine Anpassung ihrer klimatischen Nische. Die Klimanischen der Steinschmätzer waren allerdings an sich nicht statisch, so dass andere Faktoren wie z.B. biologische Wechselbeziehungen für die Nischenevolution dieser Gattung verantwortlich sein müssen.
Meine Dissertation beleuchtet die zentrale Bedeutung zeitlicher Dynamiken für den Nischenraum, den Arten über ökologische (d.h. saisonale) und evolutionäre Zeiträume einnehmen. Aus ihr ergeben sich methodische Konsequenzen für zukünftige Studien klimatischer Nischen. Der Befund, dass die klimatischen Nischen von Zugvögeln nicht saisonal konstant sind, zeigt dass es für mobile Kladen wie Vögel notwendig ist die klimatischen Bedingungen über den gesamten Jahreszyklus und das gesamte Verbreitungsgebiet in Betracht zu nehmen, um die jeweiligen klimatischen Nischen voll charakterisieren zu können.
Über diese methodischen Innovationen hinaus, hat meine Arbeit auch wichtige theoretische und praktische Schlussfolgerungen produziert. Zum einen zeigt die Betrachtung saisonaler Klimanischen, dass Zugvögel entgegen gängiger Annahmen nicht denselben Umweltbedingungen in ihren Brut- und Überwinterungsarealen ausgesetzt sind. Zum anderen zeigt meine Betrachtung von Klimanischen über evolutionäre Zeiträume, dass die Nischenevolution nicht von klimatischen Bedingungen angetrieben wird. Zusammengenommen zeigen diese Ergebnisse auf unterschiedlichen Zeitskalen, dass das Klima nicht der alleinige Faktor ist, der die Artverbreitung von Vögeln bestimmt. Während dieser Befund Raum für Optimismus schafft, was die Auswirkungen des aktuellen Klimawandels auf Vögel angeht, zeigt er auch auf, dass Faktoren wie wechselseitige Artbeziehungen und das Mobilitätspotential von Arten einen wichtigen Einfluss auf Artverbreitungen ausüben. Diese Faktoren könnten jedoch an sich vom Klimawandel beeinflusst sein, und Untersuchungen dieses Zusammenspiels zwischen Klima und anderen Faktoren und die daraus resultierenden Einflüsse auf Artareale bieten ein vielversprechendes Arbeitsfeld für zukünftige Studien.
Light is one of the most important abiotic factors for plant physiological processes. In addition to light intensity, the spectral quality of light can also influence the plant morphology and the content of secondary metabolites. In the horticultural industry, artificial light is used in to enable year-round production of herbs, ornamental plants and vegetables in winter terms.
Until today, discharge lamps like high-pressure sodium (HPS) lamps, emitting predominantly orange and red light and high amounts of infrared radiation, are the most common lamp systems in greenhouses. In the last decades, light-emitting diodes (LEDs) emerged as an efficient alternative light source. LEDs have the advantage of distinct adjustments to the light spectrum. For a usage in horticultural industry LEDs are often too expensive. Furthermore, reduced plant growth can occur due to incorrectly adjusted light spectra and lower leaf temperatures caused by the lack of infrared radiation.
In a research project (LOEWE, funding no. 487/15-29) funded by the Hessen State Ministry of Higher Education, Research and Arts, Microwave plasma lamps (MPL) were tested as new light sources for horticultural industry and plant research. The electrodeless lamp systems emit light in similar properties like sun light. The aim of the study was to determine the influence of artificial sunlight of the MPL on the accumulation of secondary metabolites, plant architecture and plant physiology of three different species (coleus, basil and potted roses). The MPL was compared with other light systems such as commercial HPS lamps, LEDs or ceramic metal halide lamps (CDM). In addition to morphological parameters such as plant height, internode length or fresh and dry weight, the phenolic content of leaves grown under the respective light sources were examined.
Overall an increased far-red light content in the emission spectra of the MPL showed high influence on the plant architecture which was observed in all three plant species. Artificial sunlight from MPL induced stem elongation in coleus and basil plants, compared to the other tested light sources. In potted roses a reduced branching degree was observed under MPL light compared to HPS grown plants.
In addition to the impact of far-red light also the blue light content of the emission spectra was found to be a strong influencing factor for plant physiological processes. A positive correlation between blue light content and leaf thickness was determined in coleus cultivated under MPL, LED, HPS and CDM lamps. Low blue light content in HPS emission spectra resulted in shade-adapted leaves with low photosynthetic capacity and susceptibility to high irradiances. Blue light was assumed to increase phenolic metabolites in basil and rose leaves. Furthermore, the different light treatments resulted in an alteration of the composition of essential oils of basil.
Experiments with coleus plants demonstrated that besides light color also the infrared radiation, had an influence on secondary metabolites by causing different leaf temperatures. Coleus plants grown with MPL showed the lowest content of phenolic compounds such as rosmarinic acid per dry weight. Infrared radiation resulted in a faster plant development indicated by increased biomass production and higher leaf formation rate as observed in coleus and basil plants.
The results obtained in this study show that the influence of leaf temperature should always be considered when comparing different lamp systems. Especially when LEDs are compared to discharge lamps an overestimation of light color can be a consequence since also infrared radiation influences the content of phenolic compounds and plant growth.
The early-diverging oomycetes contain a large number of holocarpic obligate parasites of diatoms, algae, aquatic phycomycetes, and invertebrate animals. These organisms are diverse and widespread. However, taxonomic placement most of the early-diverging oomycetes remains provisional and unresolved, since many have not been sequenced and studied for molecular phylogeny. Here, we report the taxonomy and phylogeny of several holocarpic oomycetes that we have rediscovered and newly classified, including several new species combinations. Phylogenetic reconstructions revealed that the type species of genus Ectrogella (E. bacillariacearum) is a member of the early-diverging Saprolegniales, while the type species of Olpidiopsis (O. saprolegniae) and Pontisma (P. lagenidioides) grouped within the early-diverging lineage of oomycetes forming distinct clades. Since the monophyletic red-algae parasitoids are unrelated to the Olpidiopsis, these were reclassified to the genus Pontisma, while genus Diatomophthora was introduced to accommodate all the diatom parasitoids that were previously assigned to Olpidiopsis. In addition, four new oomycete parasitoids, Miracula helgolandica, Miracula moenusica, Diatomophthora drebesii and Olpidiopsis parthenogenetica and a single rediscovered species, Diatomophthora gillii, are also classified here, including eight new species combinations of red-algae parasites (Pontisma bostrychiae, P. heterosiphoniae, P. muelleri, P. palmariae, P. porphyrae, P. pyropiae) and diatom parasitoids (Diatomophthora drebesii, D. gillii). The results obtained in this study have further improved the resolution and expanded the knowledge on the phylogeny of the earlydiverging oomycetes, leading to the establishment of three new orders (Miraculales, Diatomophthorales, Pontismatales) and one order (Anisolpidiales) being reintroduced.
Alternative splicing (AS) is a co- or post-transcriptional process by which one gene gives rise to multiple isoforms. This ‘split and combine’ step multiplies eukaryotic proteome diversity several fold and is implicated in several diseases given its pervasive impact. Control of alternative splicing is brought about by cis-regulatory elements, such as RNA sequence and structure, which recruit trans-acting RNA-binding proteins (RBPs). Although several of these interactions are already described in detail, we lack a comprehensive understanding of the regulatory code that underlies a splicing decision.
Here, we have established a high-throughput screen to comprehensively identify and characterise cis-regulatory elements that control a specific splicing decision. A cancer-relevant splicing event in proto-oncogene RON was picked as a minigene prototype for initialising the screening approach. Then, we transfected a library of thousands of randomly mutagenised minigene variants as a pool into human cells, and subsequently quantified the spliced isoforms by RNA sequencing. Importantly, we used a barcode sequence to tag the minigene variants and thereby linked mutations to their corresponding spliced products. By using a linear regression-based modelling approach, we were able to determine the effects of single mutations on RON AS. In total, more than 700 mutations were found to significantly affect the splicing regulation of the RON alternative exon. In addition, mutation effects quantified from the screening approach correlate with RON alternative splicing in cancer patients. We discovered numerous previously unknown cis-regulatory elements in both introns and exons, and found that the RBP heterogeneous nuclear ribonucleoprotein H (HNRNPH) extensively regulates RON AS at multiple levels in both cell lines and cancer. Furthermore, the large number of RBPs involved in the process, point to a complex splicing regulatory network involved in the control of RON splicing. iCLIP and synergy analysis between mutations and HNRNPH knockdown data pinpointed the most relevant HNRNPH binding sites across RON. Finally, cooperative HNRNPH binding was shown to mediate a splicing switch of RON alternative exon. In summary, our results provide an unprecedented view on the complexity of splicing regulation of an alternative exon. The novel screening approach introduces a tool to study the relationship of RNA sequence variants along with trans-acting regulators to their impact on the splicing outcome, offering insights on alternative splicing regulation and the relevance of mutations in human disease.
Die Rheumatoide Arthritis (RA) ist die häufigste chronisch-entzündliche Gelenkerkrankung, die inadäquat therapiert zu Gelenkzerstörung und resultierender Invalidität führen kann. Genetische Risikofaktoren sowie Lebensstileinflüsse führen in präklinischen Erkrankungsstadien zu posttranslationalen Modifikationen körpereigener Strukturen, die die immunologische Selbst-Toleranz brechen und zur immunologischen Fehlerkennung von Gelenkstrukturen durch B- und T-Lymphozyten führen.
Das Ziel der hier vorliegenden Arbeit war die Aufklärung von Wirkmechanismen eines für die immunmodulatorische Therapie der RA entwickelten innovativen Ansatzes zur Rekonstitution der immunologischen Autotoleranz mittels rekombinant hergestellter MHC-Klasse-II/Peptidkomplexe durch Induktion regulatorischer T-Zellen. Im Mittelpunkt der in vitro Studien steht hierbei eine über Speziesbarrieren hinweg evolutionär konservierte, von T-Lymphozyten auf dem Kollagen Typ-II (CII) erkannte, durch Glykosylierung posttranslational modifizierte, autoantigene Strukturdeterminante. Dieses T-Zellepitop (CII-Peptid) stellt sowohl in der humanen RA als auch in der murinen Experimentalerkrankung der CIA (Collagen induced arthritis) eine immunodominante Struktur der arthritogenen Autoimmunität dar. Für die modellhaften in vitro Studien zur Aufklärung der Wirkweise rekombinanter MHC-II/Peptidkomplexe auf humane T-Zellen, standen über eine Kooperation mit Prof. Rikard Holmdahl (Karolinska Institut, Stockholm) T-Zell-Hydridome mit transgener Expression des humanen MHC-II/Moleküls DR4 (DRA1/DRB1*04:01) mit unterschiedlicher Epitopspezifität (T-Zell-Hybridom 3H8, Spezifität: unmodifiziertes CII-Peptid und mDR1.1, Spezifität: galaktosyliertes CII-Peptid an Position K264) zur Verfügung. Das aus einer α- und β-Kette bestehende MHC-II/Molekül DR4 ist durch das DRA1-Gen und allelische Varianten des DRB1-Locus (stärkste RA-Assoziation: DRB1*04:01) kodiert und bildet die Form seiner Bindungstasche für die Präsentation antigener Peptide an den T-Zell-Rezeptor (TCR) auf der Oberfläche antigenpräsentierender Zellen (APC). In den Studien zur Stimulation der Hybridomzellen konnte gezeigt werden, dass die T-Zellstimulation und die daraus resultierende Zytokinausschüttung (IL-2 und IL-10) kontextabhängig ist. Je nach Stimulationsart, ob festphasengebunden- oder löslich, erfolgt die Stimulusperzeption über differente TCR-Anordnungen in Mikrodomänen der Zelloberfläche und resultiert in entsprechend modulierten Signalstärken. So führt die Zellaktivierung über die festphasengebundene Stimulation mittels MHC-II/Peptidkomplexen zur Ausbildung einer hohen TCR-Dichte, die über hohe Signalstärken zu einer spezifischen IL-2 Sekretion als Antwort führen. Die Stimulation mit monomeren DR4/CII-Peptidkomplexen in gelöster Form adressiert dagegen die auf der gesamten Zelloberfläche verteilten T-Zell-Rezeptoren, was in einer geringeren Aktivierungsdichte und einer attenuierten Gesamtsignalstärke sowie der Sekretion des immunsupressiv wirkenden IL-10 resultiert. Für den angestrebten pharmakologischen Einsatz der DR4/CII-Peptidkomplexe ist bedeutsam, dass die aktivierende TCR-Bindung der gelösten monomeren Komplexe nur partiell agonistisch wirkt und die Induktion immunregulatorischer IL-10 Zytokinantworten begünstigt. Neben der direkten T-Zellinteraktion konnte auch die Möglichkeit einer indirekten Aktivierung unter Vermittlung von APCs nach Endozytose der DR4/CII-Peptidkomplexe, ihrer lysosomalen Prozessierung und Präsentation auf endogenen neusynthetisierten DR4/Molekülen experimentell u.a. unter Verwendung der HLA-DR4- exprimierenden murinen Makrophagenlinie BL25 als APC-Modell belegt werden. Im Hinblick auf die intendierte Weiterentwicklung zu therapeutischen Anwendungen der MHC-II/CII-Peptidkomplexe unter Gesichtspunkten der Arzneimittelsicherheit ist wichtig, dass der aufgezeigte indirekte Weg der T-Zellaktivierung nach vorausgehender Prozessierung durch APCs ineffizient ist. Dieser Weg erfordert nämlich sehr hohe Konzentrationen an MHC-II/Peptidkomplexen, welche weit oberhalb der in tierexperimentellen Studien unter therapeutisch wirksamen Dosierungen erreichten Gewebespiegel liegen.
Darüber hinaus ist es uns gelungen, methodisch den Nachweis CII-spezifischer T-Zellen, die im Gesamtrepertoire der CD4+ T-Zellen im peripheren Blut von RA-Patienten (HLA-DRB1*04:01) nur in sehr niedriger Frequenz vorkommen, mittels T-Zellaktivierung und spezifischer Tetramerbindung als phänotypischen Marker zu verbessern. Für die Tetramerbindung wurden Monomere mit dem galaktosylierten CII-Peptid (CIIgal259-273) beladenen DR4/Moleküle über einen aminoterminal konjugierten Biotinrest mittels eines Fluorochromgekoppelten Streptavidins tetramerisiert. Unter Einsatz dieser Methoden ist es gelungen, aus den durchflusszytometrisch sortierten CII-spezifischen Zellen, mittels Nukleotidsequenzierung, ihr TCR-Repertoire zu analysieren und hinsichtlich präferentieller V-Genverwendung zu charakterisieren. Für zwei humane DR4-restringiert gal264CII-spezifische T-Zell-Rezeptoren aus RA-Patienten konnte die Funktionalität und Epitopspezifität durch rekombinante Expression demonstriert werden. Auf Basis der gemeinsamen Vorarbeiten mit Prof. Rikard Holmdahl im murinen CIA-Modell und den bekannten Daten zur Induktion regulatorischer T-Zellen (Tr1-Zellen) durch MHC-II/CII-Peptidkomplexe, wurden in vitro Differenzierungsexperimente an humanen PBMCs DR4-positiver RA-Patienten unter dem Einfluss von DR4/gal264CII-Peptidkomplexen durchgeführt. Die Studien belegen, dass die Komplexe mit den antigenspezifischen T-Zellen interagieren und zur Induktion von Markern eines Tr1-Phänotyps, darunter PD-1 und IL-10 führen. Zukünftige Kristallstrukturanalysen eines TCR/DR4/gal264CII-Komplexes sollen dem verbesserten molekularen Verständnis der TCR-Erkennung von CII als Autoantigen insbesondere bzgl. des flexibleren Galaktoserestes für Arthritogenität und Tolerogenität dienen. Fernziel ist die Entwicklung einer wirksamen und sicheren immunmodulatorischen Therapie der RA durch Induktion regulatorischer T-Zellen.
The existence of all living organisms depends on their multidimensional adjustment to the conditions of the environment in which they live. Organisms must constantly deal with not only abiotic stress factors (such as water availability or extreme temperatures), but also with various biotic interactions (the competition between different organisms, both intraspecific and interspecies). When there is a consensus between an organism and the environment it means that this organism is well adjusted and increases its probability of survival.
Symbiotic organisms possess the ability to establish an intimate interaction with another species (symbiont) that provides benefits for survival. Organisms that are involved in obligate symbiosis may adapt to a new environment by switching to another symbiotic partner that is locally better adapted; or by reshuffling symbiont communities present in the holobiont. This ability potentially gives them the opportunity to flexibly react to changing environmental conditions.
In this thesis I studied the genetic diversity and geographic distribution of symbiont lineages in a lichen symbiosis to better understand environmental adaptation in symbiotic systems. Lichens are symbiotic associations of photobionts (one or several green-algal species or cyanobacteria), filamentous mycobionts (lichen-forming fungi) and co-inhabiting symbiotic microorganisms (lichen-associated bacteria, endolichenic fungi, and basidiomycete yeast). The coccoid green algae of the genus Trebouxia are the most common and the most studied lichen photobionts. However, the lack of formal Trebouxia taxonomy impedes our understanding of this photobiont diversity.
Different species of mycobionts may share the same photobionts and a single species of mycobiont may associate with multiple, genetically different photobionts. Interactions among symbionts are not random and are constrained by evolutionary and environmental processes. The ability to associate with specific symbiotic partner is considered as a lichen strategy to facilitate adaptation to the constantly changing environments.
The objectives of this thesis were to 1. Elucidate the intraspecific diversity of fungal and algal symbionts in the lichen Umbilicaria pustulata, given a range-wide (Europe-wide) sampling; 2. Evaluate species delimitation in trebouxioid photobionts based on molecular data, and 3. Quantify the climatic niches of photobiont lineages within U. pustulata, to establish whether the association with particular photobionts may modify the range and ecological niche of this lichen.
The main findings of this thesis are:
1. The genetic diversity within trebouxoid photobiont of U. pustulata is higher than within the mycobiont. The most variable photobiont loci are nrITS rDNA, psbJ-L, and COX2. RbcL is the least variable photobiont locus. The most variable mycobiont loci are MCM7 and TSR1. This study shows a lack of genetic variability in the mycobiont loci EF1, nrITS rDNA, RPB1, and RPB2.
2. U. pustulata shows a low level of selectivity and is associated with numerous (most likely six) putative algal species. All photobiont haplotypes found in U. pustulata are shared between other lichen-forming fungi species, showing different patterns of species-to-species and species-to-community interactions.
3. The geographic distribution of U. pustulata symbionts associations is strongly connected to changes in the climatic niches. The mycobiont-photobiont interactions change along latitudinal temperature gradients (cold-adapted hotspot) and in Mediterranean climate zones (warm-adapted hotspot). U. pustulata broadens its distribution range by switching between photobionts that posses specific environmental preferences.
Overall, this thesis contributes to the understanding of the symbiont diversity, fungal-algal association patterns and local adaptation linked to symbiont-mediated niche expansion in lichens. While identifying intraspecific diversity of both lichen symbionts is a key predisposition to understand symbiont interactions, population dynamics or co-evolution, my comparative study of the sequence-based molecular markers is relevant to reveal cryptic diversity in other lichen-forming fungi and their photobionts.
The determination of species boundaries in lichen symbionts is essential for the study of selectivity and specificity, co-distribution, and co-evolution. Whereas the phylogenetic relationships of Trebouxiophyceae are poorly understood, the application of a novel multifaceted approach based on phylogenetic relationships, coalescence methods and morphological traits presented in this thesis is a promising tool to address species boundaries within this heterogeneous genus.
This thesis provides evidence for symbiont-mediated niche expansion in lichens and highlights the preferential photobiont association from a niche-modeling perspective. My results shed light on symbiont polymorphism and partner switching as potential mechanisms of environmental adaptation in the lichen symbiosis. The spatial genetic pattern found in U. pustulata symbionts supports the concept of ecological fitting and is consistent with patterns found in other lichen studies. Results presented here relate also to findings in different symbiotic systems, like reef-building corals, where different latitudinal patterns and symbiont switching has been reported as an adaptive response to severe bleaching events. Furthermore, this study is timely in light of global warming, because the identification of interaction hotspots among symbionts helps to understand how lichens or other symbiotic organisms adjust to the ongoing climate change. This knowledge will, in turn, facilitate the proper conservation of the most vulnerable lichen populations. My doctoral thesis provides a conceptual framework for analyzing symbiont diversity, interaction patterns, and symbiont-mediated niche expansion that could be applied to other types of lichen species as well as other organisms involved in facultative or obligate symbiosis.
Downy mildew of common sage (Salvia officinalis), caused by Peronospora salviae-officinalis, has become a serious problem in sage production worldwide. The causal agent of the disease belongs to the Pe. belbahrii species complex and was described as a species of its own in 2009. Nevertheless, very little is known about its infection biology and epidemiology. The aims of the current study were therefore to unravel the life cycle of this downy mildew and gain deeper insights into the epidemiology of the disease, as well as to clarify the species boundaries in the Pe. belbahrii species complex.
Infection studies showed that temperatures between 15 and 20 °C were most favourable for infection and disease progress. At 5 °C Pe. salviae-officinalis is still able to infect sage plants, but sporulation was only observed at higher temperatures. Furthermore, Pe. salviae-officinalis needs two events of leaf wetness or high humidity, a first one of at least three hours for conidial germination and penetration of the host, and a second one for sporulation. Additionally, contamination of sage seeds by Pe. salviae-officinalis was proven by seed washing and by PCR and DNA sequence comparisons, suggesting that infested seeds might play a major role in the fast spread of sage downy mildew, which is an important finding for phytosanitary or quarantine measures.
A protocol for fluorescence staining and confocal laser scanning microscopy was established and the whole life cycle of Pe. salviae-officinalis was tracked including oospore formation. The method was also used to examine samples of Pe. lamii on Lamium purpureum and Pe. belbahrii on Ocimum basilicum demonstrating the usefulness of this method for studying the infection process of downy mildews in general.
Peronospora species parasitizing S. sclarea, S. pratensis, O. basilicum, and Plectranthus scutellarioides were studied using light microscopy and molecular phylogenetic analyses based on six loci (ITS rDNA, cox1, cox2, ef1a, hsp90 and β-tubulin). The downy mildew on S. pratensis was shown to be distinct from Pe. salviae-officinalis and closely related to Pe. glechomae, and is herein described as a new taxon, Peronospora salviae-pratensis. The downy mildew on S. sclarea was found to be caused by Peronospora salviae-officinalis. The multi-gene phylogeny revealed that the causal agent of downy mildew on coleus is distinct from Pe. belbahrii on basil, and is herein described as a new taxon, Pe. choii.
Derzeit breiten sich gebietsfremde Stechmücken (Diptera: Culicidae) aufgrund von Globalisierung und Klimawandel auf der ganzen Welt aus und bilden neue, stabile Populationen. Wegen ihrer hämatophagen Ernährungsweise sind sie Überträger von Pathogenen, die teilweise schwere bis tödliche Krankheiten beim Menschen, seinen Haustieren oder auch Wildtieren auslösen können. Mit den Stechmücken treten daher auch Infektionskrankheiten vermehrt in Gebieten auf, in denen sie vorher nicht vorkamen oder als bereits ausgerottet galten. Da die meisten im Menschen wirksamen Pathogene nicht durch Impfungen kontrolliert werden können, bleibt als eine der wenigen Möglichkeit der Krankheitsprävention die Dezimierung der Stechmückenpopulation. Daher sind Stechmücken momentan im Fokus von biologischer und epidemiologischer Forschung. Diese hat zum Ziel epidemische Krankheitsausbrüche vektorübertragener Krankheiten in der menschlichen Population zu verhindern. Eine Verringerung der lokalen Stechmückenpopulation bis hin zum Aussterben kann durch die Verwendung von Insektiziden, die Vernichtung von Bruthabitaten oder anderen Kontrollmaßnahmen erreicht werden. Jedoch sind diese Maßnahmen unterschiedlich effektiv, haben zum Teil unerwünsch-te ökologische und gesundheitsschädigende Folgen und sind unterschiedlich aufwendig und kostenintensiv in der Anwendung. Für die Entwicklung eines integrierten, effektiven, zielgerichteten und kostengünstigen Vektormanagements fehlen bislang jedoch die populationsbiologischen Grundlagen.
Ziel dieser Arbeit ist daher die Schaffung der Datengrundlage eines Integrierten Stechmückenmanagements für die Asiatische Buschmücke (Aedes japonicus japonicus THEOBALD 1901), die am weitesten verbreitete exotische Stechmücke in Deutschland. Schwerpunkte dafür wurden auf das zeitliche und räumliche Vorkommen, die Temperaturabhängigkeit des Lebenszyklus, sowie die Wirksamkeit von Kontrollmethoden gelegt.
Die Kenntnis der räumlichen Verbreitung und saisonalen Häufigkeit der Stechmücken ist notwendig, um befallene Standorte und Zeitpunkte des größten Populationszuwachses definieren zu können. Die Verbreitung und die Häufigkeit der endothermen Stechmücken sind stark von der Umgebungstemperatur abhängig, die beispielsweise deren Entwicklungsdauer und Sterblichkeit beeinflusst. Dabei entwickeln sich die verschiedenen Stadien (Ei, Larven, Puppe, Imago), die eine Stechmücke während ihres Lebens durchläuft, in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur unterschiedlich und haben jeweils andere Temperaturpräferenzen. Lebenszyklustabellen geben die Entwicklungsdauer und Mortalität pro Stadium in Abhängigkeit von der Temperatur an. Mit ihrer Hilfe können somit die räumlichen und zeitlichen Vorkommen und Häufigkeiten einer Stechmückenart berechnet werden. Dies ist insbesondere für Stechmücken in Gebieten mit jahreszeitlichen Temperaturveränderungen wichtig. Um Daten für eine solche Lebenszyklustabelle aufnehmen zu können, ist es notwendig Laborexperimente bei festgelegten Temperaturen durchzuführen. Die Voraussetzung dafür ist, dass die Stechmückenart im Labor optimale Bedingungen erhält, um ihren Lebenszyklus abschließen zu können. In dieser Arbeit wurde daher ein Laborprotokoll entwickelt, mithilfe dessen der Lebenszyklus der Asiatischen Buschmücke im Labor untersucht werden kann. Dazu wurden systematisch die Fütterung, die innerartliche Konkurrenz und das Wasservolumen des Brutge-fäßes für die aquatischen Stadien erprobt. Auf Basis dieses Protokolls wurden anschließend die Temperatureinflüsse auf die Entwicklung aller Stadien aufgenommen. Diese Daten dienten der Parametrisierung eines populationsdynamischen Modells. Dieses wurde verwendet, um Standorte mehrjähriger Populationen zu definieren, saisonale Häufigkeiten für Deutschland zu berechnen, durch Temperaturveränderungen hervorgerufene zukünftige Verbreitungsgebiete vorherzusagen, sowie Effekte von Kontrollmaßnahmen auf die Häufigkeit der Asiatischen Buschmücke zu modellieren.
Um eine dauerhafte Kontrolle der Stechmückenvektoren zu gewährleisten, ist weiterhin die permanente Neuentwicklung von wirksamen Kontrollmethoden notwendig. Dazu gehört die präventive Vermeidung von Bruthabitaten der aquatischen Stadien von Stechmücken. Die exotischen Stechmücken, die in Deutschland etabliert sind, gehören mehrheitlich der Gattung Aedes an und sind sogenannte Gefäßbrüter. Ihre bevorzugten Bruthabitate sind kleine Was-seransammlungen wie sie in Baumhöhlen, Gesteinsauswaschungen, Gießkannen, Regentonnen und Blumenuntersetzern vorkommen. In dieser Arbeit wurde untersucht, welche Farben und Volumina von Plastikbechern die Asiatische Buschmücke zur Eiablage bevorzugt, um präferierte Bruthabitate gezielt zu identifizieren und verringern zu können. Auch die Bereitstellung von Insektiziden wird durch in Stechmücken auftretende Insektizidresistenzen erschwert. Insektizide sollen dabei umweltfreundlich, spezifisch für den Zielorganismus und nicht gesundheitsschädlich für den Menschen sein. Weiterhin sind eine gute Anwendbarkeit, geringe Kosten und eine hohe Effizienz wünschenswert. Eine Quelle für potentielle Insektizide sind pflanzliche Stoffe, zum Beispiel ätherische Öle. Diese sind leicht erhältlich, natürlichen Ursprungs und wirksame Vergrämungsmittel gegen stechbereite Stechmückenweibchen. In dieser Arbeit wurde nach einer Literaturrecherche Nelkenöl ausgewählt und als Insektizid gegen Larven der Asiatischen Buschmücke getestet. Dafür wurden die akute toxische Wirkung von Nelkenöl bei drei Temperaturen untersucht und zusätzlich die Wirkung von Nelkenöl auf die Eiablage im Freiland. Nelkenöl zeigte dabei sowohl eine larvizide als auch eine eiablagehemmende Wirkung. Weiterhin wurde Kupfer in Form von kupferhaltigen Euromünzen als Larvizid untersucht. Kupfer ist ein wirksamer Stoff gegen die aquatischen Stadien von Stechmücken. Allerdings wurde der Stoff noch nicht in Form der einfach zu handhabenden, leicht erhältlichen Kupfermünzen getestet. Dazu wurden Vorexperimente durchgeführt, um herauszufinden, wieviel Kupferionen sich aus den Münzen lösen lassen. Anschließend wurde der akut toxische Effekt auf Larven der Asiatischen Buschmücke untersucht.
Ein Integriertes Stechmückenmanagement hat zum Ziel, die lokale Stechmückenpopulation zu kontrollieren, um so Stichen und daraus resultierender Krankheitsübertragung vorzubeugen. Dies erfolgt über die Aufklärung von Betroffenen, der Überwachung der Stechmückenpopulation, dem Testen auf Pathogenbefall und der direkten Kontrolle von Stechmücken. Diese Arbeit leistet einen Beitrag zu den Kenntnissen über die Laborhaltung einer exotischen Stechmückenart, zur Identifizierung von Bruthabitaten, zur zeitlichen und räumlichen Festlegung von Kontrollmaßnahmen und zur Anwendung von Larviziden und eines Vergrämungsmittels. Mit dieser Arbeit wurde die Grundlage eines faktenbasierten Integrativen Stechmückenmanagements für die Asiatische Buschmücke entwickelt, das eventuell auch auf weitere Aedes-Arten übertragbar ist, und als Handlungsempfehlung für politische Entscheidungstragende dienen kann.
Durch natürliche Selektion werden Funktionen, die dem Überleben und dem Fortpflanzungserfolg eines Organismus dienen, optimiert. Da die Struktur eines Organs dessen Funktion und umgekehrt die Funktion eines Organs dessen Struktur bestimmt, kann durch das Studium der Morphologie die Funktionsweise von Organen verstanden werden. Trotz des umfangreichen Wissens über die Struktur von Nervensystemen sowohl auf mikro- als auch auf makroskopischer Ebene, ist es weiterhin unklar, wie Bewusstsein und ein kohärentes Abbild der Umwelt im Gehirn erzeugt werden. Der Grund hierfür ist vor allem die gewaltige Komplexität neuronaler Netzwerke, die unmöglich geistig erfasst werden können. Eine Möglichkeit, das Gehirn ohne das detaillierte Wissen über all seine Bestandteile zu verstehen, bietet das Studium von Optimierungsprinzipien und deren Anwendung in theoretischen Modellen. So wie eingangs erwähnt die Funktion von Organen durch natürliche Selektion optimiert wird, sollte auch die Funktion neuronaler Netzwerke optimiert werden und neuronale Netzwerke sollten entsprechend solcher Optimierungsprinzipien aufgebaut sein. Ein wichtiges Prinzip, das essenziell für die Effizienz neuronaler Netzwerke ist, ist die Minimierung der Verbindungslänge zwischen Neuronen. Basierend auf diesem Prinzip wurde im Rahmen dieser Dissertation eine algorithmische Methode etabliert, die es ermöglicht Vorhersagen der relativen Position von Neuronen anhand ihrer Verbindungen zu treffen. Diese neuronale Platzierungsmethode beruht darauf, dass Neuronen mit ähnlicher Verbindungsnachbarschaft näher zueinander platziert werden als zu Neuronen mit weniger ähnlichen Verbindungsnachbarn, wodurch die durchschnittliche Verbindungslänge minimiert wird. Nach der Etablierung dieser Methode, wurde diese benutzt um Modelle zu erstellen, die es ermöglichen die Entstehung neuronaler Karten und kortikaler Faltungen im Zusammenhang mit der Konnektivität und der Anzahl der Neuronen zu untersuchen.
Neuronale Karten sind geordnete Muster auf der Oberfläche des Kortex, die durch die präferierte Aktivität einzelner Neuronen in Antwort auf Stimuli einer Modalität beobachtet werden können. Im visuellen Kortex existieren sogar mehrere Karten, je nachdem welche Qualität visueller Stimuli man betrachtet. Abhängig von der Präferenz für einen Sehwinkel, ein stimuliertes Auge oder der Orientierung eines Balken-Stimulus, können retinotopische Karten, Karten mit streifenartigen Mustern oder Karten mit sogenannten „Pinwheel“-Strukturen beobachtet werden. Pinwheels sind periodische Strukturen, die sichtbar werden indem man die Orientierungspräferenz von Neuronen für die spezifische Orientierung eines Balken-Stimulus mit der entsprechenden Farbe des Farbkreises visualisiert. Da diese Strukturen eine Ähnlichkeit mit bunten Windrädern haben, werde sie als Pinwheels bezeichnet. Die in dieser Dissertation erstellten Modelle sagen vorher, dass die Entstehung strukturierter neuronaler Karten im Allgemeinen von der Anzahl der Neuronen abhängt. In der Tat könnte diese Abhängigkeit auch für neuronale Karten im Kortex gelten. Während strukturierte Karten im visuellen Kortex in verschiedenen Säugerordnungen wie Primaten, Karnivoren und Huftieren existieren, sind sie in kleinen Nagern mit weniger Neuronen nicht vorhanden, trotz ähnlicher Verbindungsspezifizität. Folglich müssen Unterschiede in der Struktur neuronaler Karten im Kortex nicht zwangsläufig mit einer unterschiedlichen Funktionsweise zusammenhängen, sondern könnten auch durch allgemeine Optimierungsprinzipien beim Aufbau neuronaler Netzwerke bedingt werden. Eine weitere Gemeinsamkeit zwischen verschiedenen Säugetierordnungen ist, dass die relative Dichte der Pinwheels ziemlich genau bei der Zahl Pi liegt. Entsprechend der Ergebnisse dieser Dissertation könnte dies dadurch erklärt werden, dass für neuronale Karten ähnlicher Struktur die Anzahl der Neuronen pro Pinwheel relativ konstant ist. Unterschiede in der räumlichen Dichte der Pinwheels könnten dann einfach durch Unterschiede in der Dichte der Neuronen erklärt werden.
Neben den Modellen für neuronale Karten wurde im Rahmen dieser Dissertation auch ein Modell kortikaler Faltungen mit derselben neuronalen Platzierungsmethode erstellt. Die Existenz kortikaler Faltungen wird gemeinhin damit erklärt, dass der Kortex ohne Faltungen wegen seiner verhältnismäßig großen Oberfläche nicht in den Schädel gepackt werden könnte. Allerdings haben Experimente gezeigt, dass die Faltungen nicht durch eine Restriktion des wachsenden Kortex an der Schädeloberfläche entstehen, da auch mit mehr Platz für die Expansion des Kortex die gleichen Faltungsmuster exprimiert werden. Interessanterweise entstehen die kortikalen Faltungen erst, wenn die Proliferation der Neuronen während der Entwicklung größtenteils abgeschlossen ist und die Neuronen anfangen ihre Verbindungen auszubilden. Um kortikale Faltungen basierend auf der Konnektivität zwischen Neuronen im Modell vorherzusagen, genügt es das allgemeine Muster einer starken lokalen, aber schwachen globalen Konnektivität zwischen Neuronen nachzubilden. Abhängig von Variationen dieser Konnektivität, der Anzahl der kortikalen Kolumnen und der Neuronenanzahl innerhalb dieser Kolumnen, können im Modell viele Eigenschaften kortikaler Faltungsmuster in Säugetieren vorhergesagt werden. Ähnlich wie in Säugetieren ist der Faltungsgrad der vom Modell vorhergesagt wird von dem Verhältnis zwischen Parametern, die die Größe und Dicke des Kortex beschreiben, abhängig. Dementsprechend werden mehr und mehr Faltungen mit steigender Anzahl der Kolumnen, aber gleicher Anzahl von Neuronen pro Kolumne vorhergesagt. Wie in Säugetieren entstehen dabei auch die größeren primären Faltungen zuerst bevor es innerhalb der größeren Faltungen zu kleineren Faltungen höherer Ordnung kommt. Neben der Abhängigkeit des Faltungsgrads von der Größe des Kortex können Variationen in der Konnektivität erklären, wie es einerseits zu stereotypischen Faltungsmustern kommen kann, aber andererseits auch warum der Faltungsgrad zwischen verschiedenen Säugerordnungen unterschiedlich mit der Größe des Kortex skaliert. Letztlich könnten pathologische Veränderungen der Konnektivität zu den entsprechenden Änderungen im Faltungsmuster führen.
Insgesamt wurde in dieser Arbeit gezeigt, dass mittels einfacher Prinzipien, die die Verbindung zwischen Neuronen und deren relative Position zueinander beschreiben, komplexe neuroanatomische Strukturen vorhergesagt werden können. Da mit derselben Methode zur neuronalen Platzierung sowohl neuronale Karten als auch kortikalen Faltungen, also sehr unterschiedliche Strukturen vorhergesagt werden konnten, stellt sich die Frage, ob diese Strukturen durch einen gemeinsamen biologischen Mechanismus entstehen. Neuronale Zugkräfte sind ein möglicher Mechanismus, der die Entstehung kortikaler Faltungen erklären könnte. Auch wenn es eher unwahrscheinlich ist, dass die Entstehung neuronaler Karten von Zugkräften zwischen Neuronen abhängt, kann es nicht vollständig ausgeschlossen werden. Ob solche Kräfte an der Selbstorganisation neuronaler Netzwerke beteiligt sein könnten, ist eine interessante Fragestellung für zukünftige empirische Studien.
Humans and other primates are highly visual animals. Our daily visual activities such as recognizing familiar faces, interacting with objects, or reading, are supported by an extensive system of interacting brain areas. The interactions between the many individual nerve cells both within and between brain areas need to be coordinated. One possible solution to achieve flexible coordination between cells in the network is rhythmic activity, or oscillations. The focus of the thesis will be activity in the largest visual area, V1, in non-human primates. In V1, high-frequency activity, so-called gamma-band activity (“gamma”, ca. 30-90 Hz) can be frequently observed and has been suggested to play a role in coordinating activity in the visual system. In Chapter 1, the coordination problem, the primate visual system and gamma-band oscillations are introduced in detail. The following chapters explore the dependence of gamma on contextual influences. Does V1 use contextual information to optimize co-ordination? In the first part, the short-term consequences of repeated encounters with visual stimuli on V1 responses are explored (Chapters 2 and 3). Inspired by results from colored, naturalistic images in the first part, the second part tests the dependence of gamma on spatial and chromatic stimulus aspects (Chapters 4 and 5).
Stimulus repetition is a simple yet powerful way to tap into our brains’ ability to learn and adapt to our environment. Repeated presentation of a visual stimulus tends to decrease responses to this stimulus. Is this accompanied by changes in the coordination of brain activity? In Chapter 2, the stimulus-specificity of repetition effects on gamma was tested using naturalistic stimuli. V1 is most typically studied using black-and-white, artificial stimuli that are very familiar to the animals. Here, colored natural images were repeatedly presented that were initially novel to the animals, to provide a wider and more naturalistic range of stimulation. Both multi-unit spiking activity (MUA) and gamma showed stimulus-specific repetition effects. MUA responses de-creased most strongly for initial repetitions and less for later repetitions. In contrast, gamma could increase or decrease for initial repetitions, but tended to increase for later repetitions. This points to the operation of multiple plasticity mechanisms. One process may rapidly decrease MUA and gamma and be related to initial novelty or adaptation. The other increases gamma, is active for more repetitions, and could constitute a form of refinement of coordination over time. Moreover, based on the spacing of stimulus repetitions, stimulus memory in V1 persisted for tens of seconds.
In the following Chapter 3, the stimulus location specificity and persistence of the repetition effects for longer timescales were tested. To this end, the observation that the increase in gamma with repetition was strongest for the first tens of repetitions was used to test for location specificity and memory. Using simple artificial stimuli that were repeated many times at two alternating locations, both location specificity and memory on the order of minutes was observed. Due to the structure of the primate visual system, location specificity suggests that the repetition effects involve early to mid-level visual areas such as V1. Memory for previous stimulus presentations on the order of minutes has not been previously reported for V1 gamma. Taken together, these experiments demonstrate short-term plasticity of gamma that is stimulus- and location specific and persists on the timescale of minutes.
In Chapter 2, the average gamma-band response to the large, naturalistic stimuli was highly stimulus dependent. Relative increases in gamma-band activity scaled between tens and thousands of percent change depending on the stimulus. Particularly the color of the stimuli appeared to play a strong role, although the stimulus set was too limited and uncontrolled to draw strong conclusions. In Chapters 4 and 5, underlying mechanisms for the stimulus specificity of gamma were explored using more well-controlled, artificial stimuli that varied in color and spatial structure.
Much of vision relies on the analysis of spatial structure. Each nerve cell in V1 only responds to visual stimuli in a particular, small part of the visual field, its so-called “receptive field” (RF). Compared to isolated RF stimulation, nearby cells that are stimulated by a similar structure from different parts of visual space can show response decreases, commonly known as “surround suppression”, and may show coordinated activity in the gamma band. In Chapter 3, responses to large, uniformly colored disks are contrasted with responses to black or white (achromatic) disks. A first experiment showed that gamma-band responses were stronger for colored than achromatic stimuli, whereas MUA responses could decrease below baseline for colored stimuli. To test whether these phenomena were related to surround suppression, stimulus size was manipulated in a second experiment. When stimuli were of sufficient size to induce surround suppression, clear gamma-band responses emerged. Surround suppression and gamma were stronger for chromatic stimuli. However, the change of stimulus size could have changed not only surround suppression but also stimulus saliency. Therefore, in a third experiment, the overall size of the stimulus was kept constant, and the spatial structure of the stimulus was manipulated. In comparison to uniform, predictable stimulus structure, mismatches between the center of the stimulus and the surrounding visual space led to strong increases in MUA responses and strong de-creases in gamma-band activity. These effects were restricted to the recording sites with RFs at the mismatch location. These experiments underpin the strong role of both spatial structure and color for gamma in V1.
In Chapter 4, responses to different color hues are studied in more detail. Gamma response strength depended on hue, being strongest for red compared to blue and green stimuli when measured with a gray background. To better understand the underlying mechanisms of the differential responses, the spatio-temporal context in the form of the background color was manipulated. Background color had a strong influence on gamma strength. Using differently colored backgrounds, different parts of the color signaling pathways could be adapted. Response differences to different color hues could be explained well with a model that incorporates differences in adaptation between pathways involving long- compared to medium-wavelength cone signals.
Taken together, these experiments indicate a strong role of both spatial context (stimulus size and structure) and temporal context and drive (repetition, adaptation) for the generation of gamma-band activity in V1. Functional implications of these dependencies are considered in the final Chapter 6, and a role for gamma-band syn-chronization in a coding regime for visual inputs that generate strong drive and high predictability is suggested.
Eine qualitative und quantitative Studie zum Einsatz der virtuellen Mikroskopie in der Schule
(2019)
Das Mikroskop stellt in der Alltagswelt ein Sinnbild für naturwissenschaftliches Arbeiten dar (Coleman 2009, Paulsen 2010). Im Bereich der Lehre eröffnet dieses Laborgerät das Eintauchen in die mikroskopische Dimension und besitzt eine wesentliche Rolle bei der damit verbundenen Erkenntnisgewinnung, insbesondere von funktionsmorphologischen Konzepten (Gropengießer & Kattmann 2008, Kremer 2002). Jedoch wird die Durchführung der klassischen Mikroskopie und damit die aktive Auseinandersetzung mit mikroskopischen Präparaten im schulischen (Biologie-)Unterricht durch verschiedene Faktoren erschwert. Zu den Limitierungen gehören beispielsweise die Verfügbarkeit geeigneter Mikroskope und Dauerpräparate, die aufwendige Vor- und Nachbereitungszeit sowie der zeitliche Aufwand bei der Herstellung hochwertiger mikroskopischer Frischpräparate. Die virtuelle Mikroskopie könnte diese Schwierigkeiten umgehen. Das virtuelle Mikroskop kann als eine Simulation verstanden werden, bei der die bildanalytischen Vorgehensweisen bei mikroskopischen Präparaten analog zur klassischen Mikroskopie nachvollzogen werden können (Gu & Oglivie 2005, Hentschel 2009). Hierbei umfasst das virtuelle Mikroskop ein Akquisitionssystem zum Einscannen und Digitalisieren mikroskopischer Präparate, einen Server zum Speichern und Bereitstellen der entstandenen virtuellen hochauflösenden Aufnahmen (WSI) sowie eine Bildbetrachtungssoftware auf einem Anwendungsrechner (Kalinski et al. 2006). Basierend auf einer Nutzerbefragung wurde eine Betrachtungssoftware programmiert, die hinsicht¬lich ihrer Benutzerfreundlichkeit und ihren Eigenschaften auf den schulischen Einsatz angepasst wurde. Um die Relevanz in diesem Anwendungsfeld zu testen, wurden die Untersuchungen der vorliegenden Arbeit sowohl im Schülerlabor Goethe BioLab als auch in der universitären Lehre der Abteilung für Didaktik der Biowissen¬schaften der Goethe–Universität Frankfurt am Main durchgeführt. Der Schülerlabortag „Blut und das virtuelle Mikroskop“ wurde entwickelt, um die computerbasierte virtuelle Mikroskopie mit Schülern ergänzend zur klassischen Mikroskopie in einem fachlichen Kontext anzuwenden und zu erforschen.
Beruhend auf der Vergleichbarkeit beider Mikroskopiemethoden (Paulsen et al. 2010) lagen die Forschungsschwerpunkte neben der Nutzung der Software durch Schülerinnen und Schülern auf einer gegenüberstellenden Beurteilung beider mikroskopischer Verfahren von Schülern und Lehramtsstudierenden. Es wurden in diesem Zusammenhang drei zentrale Forschungsfragen formuliert.
Die erste Forschungsfrage untersucht das Nutzerverhalten der Schüler (n = 123) bei der virtuellen Mikroskopie mittels automatisch generierter Datensätze während der Anwendung der Bildbetrachtungssoftware. Die Analyse der Anwendungsdaten zeigt, dass das mikroskopische Sehen, insbesondere das Fokussieren auf relevante Bildbereiche, im virtuellen Humanblutausstrich angewandt wurde.
Die zweite Forschungsfrage untersuchte das aktuelle Interesses bei Schülern (n = 293) im direkten Vergleich zwischen virtueller und klassischer Mikroskopie. Dabei wurde das aktuelle Interesse aufgrund des engen Zusammenhangs zum Lernen (vgl. Krapp 1992a) als Indikator der Lernwirksamkeit gewählt. Die Erhebung erfolgte mittels eines Fragebogens. Die Ergebnisse dieser Untersuchung zeigen, dass der Einsatz beider mikroskopischer Verfahren das aktuelle Interesse fördert, das emotionale und das wertbezogene Merkmal sich jedoch zugunsten der klassischen Mikroskopie signifikant unterscheiden.
Im Rahmen der dritten Forschungsfrage erfolgte eine Beurteilung der Vorteile virtueller Mikroskopie gegenüber der klassischen Mikroskopie von Schülern (n = 504) sowie Lehramtsstudierenden (n = 247). Hierbei diente ebenfalls ein Fragebogen als Grundlage der Erhebung. Die Auswertung zeigt, dass sowohl die Schüler als auch die Studierenden die Vorteile der virtuellen Mikroskopie klar erkennen. Es liegen jedoch signifikante Unterschiede zwischen den Versuchsgruppen vor. Die Schüler bewerten die Vorteile betreffend der Förderung von Lernprozessen, des Erkennens von Strukturen und des mikroskopischen Zeichnens höher.
Zusammenfassend bestärken die Ergebnisse dieser Studie die Ansicht, dass das virtuelle Mikroskop nicht als Ersatz, sondern als sinnvolle Ergänzung zu der klassischen Lichtmikroskopie angesehen werden sollte (Bloodgood et al. 2006, Berg et al. 2016, Braun & Kearns 2008, Hufnagl et al. 2012, Mione et al. 2013, Santiago 2018, Scoville & Buskirk 2007). Dabei sollte die vorliegende Arbeit als Einstieg verstanden werden, um bestehende Forschungslücken zu verkleinern, damit ein Transfer der virtuellen Mikroskopie in den schulischen Kontext möglichst lernwirksam erfolgen kann.