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This thesis deals with the NMR characterization of the structure and the folding dynamics of DNA G quadruplexes as potential therapeutic target in cancer therapy and building block for DNA based nanotechnology.
The first part of this thesis (Chapters 1-5) introduces the reader to the world of G quadruplexes.
The main features of the classic Watson Crick double helix and alternative non B DNA structures are illustrated in Chapter 1. Many different base pairing schemes are possible, besides the canonical Watson Crick motif, thereby expanding the structural complexity of DNA. Non canonical base pairing, such as Hoogsteen hydrogen bonding, enables the assembly of triplets and quartets, which are the building blocks of triplex and quadruplex structures, respectively.
The structural characteristics of DNA G quadruplexes are delineated in detail in Chapter 2.
G quadruplex structures are extremely polymorphic, in terms of strands orientation, loops geometry, grooves width and arrangement of the glycosidic torsion angles. The various structural elements as well as the different cation coordination geometries are here presented, with a special emphasis on the diversity of conformations reported for the telomeric DNA G quadruplexes.
Chapter 3 describes the biological roles of G quadruplex structures in the genome. After introducing the architecture of the telomeric DNA and its interacting proteins, the mechanism of the telomeres elongation catalysed by the telomerase enzyme and its implications for cancer are discussed. The occurrence of G quadruplex structures in functional regions of the genome, such as promoter regions of oncogenes, and their possible roles in regulating the gene transcription are then outlined in the second part of the chapter.
The potential of G quadruplex as a novel anti cancer target is examined in Chapter 4 and the proposed anti cancer mechanisms for a ligand stabilizing G quadruplex structures are discussed.
RNA G quadruplexes and their putative role in gene regulation at the level of translation are briefly illustrated at the end of the chapter.
A general overview on the NMR methods to investigate the G quadruplex structures is presented in Chapter 5. The experimental set up used for the real time NMR studies of the G quadruplex folding is also described.
The second part of the thesis (Chapters 6-8), which is the cumulative part, comprises the original publications grouped in three Chapters according to the topic.
The state of the art on small molecules targeting G quadruplex structures is given at the beginning of Chapter 6, including a summary of the experimental structures of G quadruplexes in complex with ligands available up to date. The publications presented in Chapters 6.1-6.3 are concerned with the elucidation of the interaction modes between DNA G quadruplexes and selected ligands with potential therapeutic applications.
The binding ability of two natural alkaloids (berberine and sanguinarine) to telomeric G quadruplexes is examined in Chapter 6.1. The ability of carbazole and diguanosine derivatives (synthetized in the group of Prof. Dash, IISER, Kolkata) to interact with c-MYC G quadruplex and down regulate c-MYC expression is explored in Chapter 6.2 and Chapter 6.3, respectively.
The energy landscape of human telomeric G quadruplex structures is discussed in Chapter 7, in light of the experimental kinetic studies as well as molecular dynamics simulations reported in literature until now. Up to date there is no general consensus regarding the folding pathway of unimolecular human telomeric G quadruplex, in particular due to the lack of atomic resolution data on the species involved in the folding. Chapter 7.1 presents the first real time NMR study of the human telomeric G quadruplex folding kinetics.
The final chapter of this thesis (Chapter 8) outlines the potential of G-quadruplex structures as building blocks in nanotechnology. After illustrating briefly the additional possibilities offered by alternative non B DNA structures to programme nanomaterials, a number of applications employing G quadruplex structures in different fields of nanotechnology are described. The article presented in Chapter 8.1 investigates the structural and photoswitching properties of a novel intermolecular azobenzene containing G quadruplex synthetized in the group of Prof. Heckel (Goethe University, Frankfurt).
Mitochondrial membrane dynamics is increasingly implicated in various human diseases. Numerous studies show that the protein OPA1 plays a central role in determining mitochondrial ultrastructure and apoptotic remodeling of the inner mitochondrial membrane during Cytochrome c release and apoptosis. Crista junctions are crucial for the regulation of apoptotic Cytochrome c release. Previous publications suggest that OPA1 is required to maintain a normal structure of the inner mitochondrial membrane. The protein MIC60 (Mitofilin) appears to be an essential physical constituent of crista junctions and is also crucial for the general determination of mitochondrial ultrastructure. Furthermore, recent studies suggest that MIC60 is also implicated in Cytochrome c release during apoptosis.
In this regard, the question whether OPA1 is essential for crista junction formation was investigated. In addition to that, the interplay between OPA1 and MIC60 and its physiological role were analyzed. Electron microscopy of OPA1+/- and OPA1+/+ mice, as well as of OPA1-/- and OPA1+/+ MEFs clearly showed that OPA1 plays a role but is not essential for crista junction formation. In contrast to that, the results indicate that OPA1 is crucial to maintain a normal structure of the inner mitochondrial membrane. Immunogold experiments fit well to these observations as OPA1 was found equally distributed throughout the cristae membrane with only a minor part located at crista junctions. MIC60 localization studies showed a clear enrichment at crista junctions. Interaction studies revealed that endogenous OPA1 and MIC60 physically interact with each other. Analysis of protein levels upon OPA1 or MIC60 depletion indicate that both proteins play a dual role in cristae- and crista junction formation in which MIC60 is a physical constituent of crista junctions essential for their formation while OPA1 primarily has a regulatory impact on MIC60 function. Finally, apoptosis assays and cell viability measurements showed that knockout of OPA1 in MEFs leads to increased cellular resistance suggesting that the interplay of these proteins is important for the regulation of crista junction remodeling during apoptosis.
Besides its role in determining mitochondrial ultrastructure, OPA1 mediates inner membrane fusion of mitochondria thereby contributing to mitochondrial quality control. Additionally, proteolytic processing is crucial for the ability of OPA1 to distinguish between functional and dysfunctional mitochondria. Functional mitochondria are fused while dysfunctional mitochondria are not, a process termed selective mitochondrial fusion. Dysfunctional mitochondria were shown to be degraded by mitophagy in a fission-dependent manner. Numerous studies suggest that OPA1 and mitophagy are directly linked. However, this idea is still under debate. Mitophagy is also crucial for mitochondrial quality control, which directly impacts mitochondrial integrity. Furthermore, mitochondrial quality control has been linked to neurodegeneration as demonstrated by the observation that mutations in OPA1 cause the disorder ADOA-1.
In order to analyze a potential link between OPA1 and mitophagy, mitochondrial colocalization with LC3 was analyzed microscopically in primary adult skin fibroblasts isolated from OPA1+/- and OPA1+/+ mice in an age-dependent manner. Fibroblasts from young OPA1+/- mice showed increased colocalization of mitochondria with autophagosomes compared to fibroblasts from young wild type mice suggesting that OPA1 exerts an inhibitory role in mitophagy. This effect was even more pronounced in old mice, which also displayed higher mitophagy levels in general than young mice, consistent with the finding that old mice had higher Parkin levels than young mice. Mitochondrial fragmentation was elevated in fibroblasts from young and old OPA1+/- mice compared to control fibroblasts. However, extensive mitochondrial fusion, which occurred in fibroblasts from old wild type mice, was prevented in old OPA1+/- mice. Furthermore, old wild type mice had decreased numbers of crista junctions compared to young wild type mice, an effect that was not observed in OPA1+/- mice. Despite the observed age-dependent phenotypes in mitochondrial quality control and mitochondrial integrity, deletion of one allele of OPA1 had no influence on the life span in vivo. Analysis of the OPA1-dependent proteome of aging mice, which was performed in collaboration with Ansgar Poetsch and Carina Ramallo-Guevara from Bochum, showed that OPA1-dependent aging is accompanied by a reduction of proteins involved in autophagy. In contrast to that, a switch from glucose to fatty acid metabolism and alterations in apoptotic proteins were observed in both OPA1+/- and OPA1+/+ mice in an age-dependent manner indicating that the changes in proteins implicated in autophagy could be a compensatory response to the diminished inhibitory effect of OPA1 on mitophagy. On the other hand, increased mitochondrial degradation by mitophagy could be a cellular response to itself compensating for the loss of OPA1 mediated fusion thereby contributing to the observation that OPA1+/- and OPA1+/+ mice had no differences in life span. Furthermore, analysis of the OPA1-dependent proteome of aging mice revealed that OPA1, besides its role in mitochondrial fusion, could interact with the fission machinery: MFF and Neuronal pentraxin 1, two proteins involved in mitochondrial fission, were up-regulated in 12-month-old OPA1+/- mice suggesting that a reduced fission activity could contribute to mitochondrial hyperfusion in aged wild- type mice. Nonetheless, the exact nature of the possible interplays between OPA1 and these candidates remains to be investigated.
Die eukaryotische RNA-Polymerase II (RNAPII) ist der zentrale Faktor für die Umsetzung des genetischen Codes in funktionelle Proteine. Durch die Transkription wird die statische Information der DNA in ein transient nutzbares RNA-Molekül umgewandelt. Bei diesem fundamentalen Prozess der Genexpression wird ein spezifischer DNA-Abschnitt des Genoms abgelesen und in die komplementäre RNA transkribiert, die entweder direkt regulatorische bzw. funktionelle Aufgaben in der Zelle übernimmt oder als Matrize für die Proteinbiosynthese dient. Zur Erhaltung der Funktionalität eines Organismus und zur schnellen und gezielten Reaktion auf exogene Reize ist eine strikte Regulation der Transkription und der zahlreichen beteiligten Faktoren notwendig. Aufgrund der zentralen Rolle in der Genexpression ist diese Regulation äußerst vielschichtig und erfordert eine feinabgestimmte Maschinerie an Enzymen und Transkriptionsfaktoren, deren genaue Wirkungsweise und Abhängigkeit noch nicht vollständig verstanden sind. Fehler in der Transkriptionsregulation werden mit einer Reihe von schwerwiegenden metabolischen Störungen und der möglichen malignen Transformation der betroffenen Zelle in Verbindung gebracht.
Während einige Regulationsmechanismen der RNAPII bereits seit längerer Zeit beschrieben sind, ist eine besondere Form der RNAPII-abhängigen Regulation erst in den letzten Jahren Gegenstand genauerer Untersuchungen geworden. So erfährt die RNAPII bei einer Vielzahl von Genen unmittelbar nach der Transkriptionsinitiation einen Arrest, der das Enzym nicht weiter über die DNA prozessieren lässt und somit die produktive Elongation des Gens blockiert. Die Aufhebung dieses promotornahen Arrests wird durch den positiven Transkriptions-Elongationsfaktor b (P-TEFb) dominiert, der durch distinkte post-translationale Modifikationen der C-terminalen Domäne der RNAPII und assoziierter Faktoren den Übergang in die produktive Transkriptionselongation ermöglicht. P-TEFb selbst unterliegt dabei einer strengen Regulation durch die Inkorporation in inhibierende Speicherkomplexe (7SK snRNPs), bestehend aus der 7SK snRNA und mehrerer assoziierter Proteine. Abseits des 7SK snRNP wurde P-TEFb als Bestandteil großer Multiproteinkomplexe identifiziert, die einen positiven Einfluss auf die Transkriptionselongation besitzen. Die Transition von P-TEFb aus dem 7SK snRNP in diese sogenannten Superelongationskomplexe (SECs) stellt einen der zentralen Regulationsmechanismen der eukaryotischen Transkription dar, ist jedoch noch nicht ausreichend verstanden.
Ein zentrales Element aller SECs bilden die Mitglieder der AF4/FMR2-Proteinfamilie, darunter das AF4 Protein, dem neben der Erhaltung der strukturellen Integrität mittlerweile auch eine Funktion in der Rekrutierung von P-TEFb zugeschrieben wird. Dabei scheint AF4 jedoch auf die Hilfe bislang noch nicht charakterisierter Faktoren angewiesen zu sein. AF4 ist über diese Rolle hinaus als Bestandteil des Fusionsproteins AF4-MLL eng mit der onkogenen Zelltransformation im Falle einer durch die Translokation t(4;11)(q21;q23) bedingten, akuten lymphoblastischen Leukämie assoziiert.
Das zentrale Thema dieser Arbeit stellen Untersuchungen zum Transfer von P-TEFb aus dem 7SK snRNP zum AF4-Protein dar. Dabei konnte zunächst die DEAD-Box RNA-Helikase DDX6 als Integraler Bestandteil der AF4-SECs identifiziert werden, der bereits eine Funktion in der Kontrolle des microRNA- wie auch des mRNA-Metabolismus zugeschrieben werden konnte. Aus diesem Grund wurde von uns eine mögliche Beteiligung von DDX6 an der Rekrutierung von P-TEFb zum AF4-SEC durch Modulationen der 7SK snRNA postuliert. Des Weiteren konnte eine Bindefähigkeit von DDX6 gegenüber der 7SK snRNA sowie eine direkte Korrelation zwischen des zellulären DDX6-Proteinlevel und der Akkumulation von P-TEFb im AF4-SEC nachgewiesen werden. Sowohl die Überexpression von DDX6 als auch die von AF4 resultierten in einer gesteigerten mRNA-Produktion, wobei die Ergebnisse auf einen kooperativen Mechanismus zwischen den beiden Proteinen in der Aktivierung der Transkription hindeuteten. Außerdem konnte die These einer DDX6-vermittelten Aktivierung von P-TEFb anhand von Expressionsanalysen des bekannten P-TEFb Zielgens HEXIM1, dessen Expression im Zusammenhang eines negativen Rückkopplungsmechanismus gesteigert wird, bestätigt werden. Damit konnte der DEAD-Box RNA-Helikase DDX6 in dieser Arbeit das erste Mal eine entscheidende Funktion in der Rekrutierung von P-TEFb aus dem 7SK snRNP in den AF4-SEC, und somit an der Kontrolle der eukaryotischen Transkription, zugeschrieben werden.
Die vorliegende Dissertation untersucht wie Hegel nicht nur den Begriff der Freiheit, aber auch das Subjekt der Freiheit verstanden hat. Sie versucht diese Idee Hegels durch die gegenwärtige Philosophie, insbesondere die analytische Philosophie, und auch die Soziologie, insbesondere die Soziologie von Talcott Parsons, umzudenken.
Im ersten Kapitel wird die Idee der Freiheit als private Sphäre analysiert, die durch eine ganze Gruppe von subjektiven Rechten gesichert oder sogar geschaffen ist, die ohne Hilfe anderer Struktur existierte und von den meisten Naturrechttheoretiker verteidigt wurden, den alten sowie den neuen. Hegel nannte diese Ideen abstraktes Recht. Er wirft diese Vorstellung als noch funktional unvollständig oder metaphysisch inkohärent vor.
Im zweiten Kapitel wird das andere große Modell der Freiheit in der Moderne, nämlich, die Freiheit als Autonomie analysiert. Hegel untersucht diese Idee durch die Konzepte der Verantwortlichkeit und Handelns, die sich in der Praxis des Strafrechts befinden. Nach Hegel ist Verantwortlichkeit das Ergebnis einer gesamten sozialen Beziehung der Anerkennung. Daher ist ein Verbrechen, erstens, die Verletzung einer Norm und diese Normverletzung ist zugleich Anerkennungsverletzung. Zweitens, ein Verbrechen ist die Negation des objektiven Rechts, die dem Akteur zurechnen werden kann, und das ist, warum ein Verbrechen eine Anerkennungsverletzung ist. Ein zentraler Begriff für die Verantwortlichkeit ist der Vorsatz. In dem Konzept von Vorsatz finden wir sowohl die Absicht wie das Wissen, d. i. wenn jemand vorsätzlich handelt, nicht nur wünscht er etwas, sondern er denkt auch, wie er handeln sollte, um zu erreichen, was sie will. Man findet im Vorsatz auch die Idee des Grundes. Dies öffnet wiederum die Idee der moralischen Standards und auch die Möglichkeit eines moralischen Gewissens. Hegel sieht Kant als der größte Befürworter dieser Theorie. Hegel kritisiert Kant, dass er eine Art solipsistischer Methode hat. Die Gewissheit des Guten in die eigene Handlung könnte das Böse verbreiten. Hegel argumentiert, dass ohne eine soziale Basis dafür, die Sittlichkeit, solche moralischen Standards und moralisches Gewissen nicht möglich sind.
Im letzten Kapitel wird analysiert, wie jemand in der hegelschen Lehre frei sein könnte. Nach Hegel gibt es mindestens drei Bedingungen, sodass jemand tatsächlich als frei betrachtet werden könnte: eine metaphysische Bedingung, eine psychologische Bedingung, und eine soziale Bedingung. Diese drei Bedingungen entsprechen den Hauptkritiken gegen die Möglichkeit des freien Willens. Die erste der Kritik besagt, dass es in einer durch mechanische Gesetze geregelten Welt keinen Raum für die Freiheit gibt. Nach Hegel sei die Möglichkeit der teleologischen Erklärung zugleich die Möglichkeit für die Freiheit. In der psychologischen Bedingung argumentiert Hegel, dass das hedonistische oder Wunsch-Überzeugung-Handlung Modell in der Tat fast eine mechanische Erklärung wäre. In einem systemischen Selbstbewusstsein Vorstellung der individuellen Persönlichkeit, in dem alle Teile des Akteurs systemisch artikuliert sind, könnte das Individuum wirklich frei handeln, da das Individuum nicht mehr in seinen Wünschen oder anderen Trieben verschwunden wäre. Am Ende argumentiert noch Hegel, dass die Gary Strawson‘ Kritik an der Idee des freien Willens, dass wir nicht den ersten Umstand unseres Lebens, unsere Sozialisierung und Erziehung ändern könnten, nicht korrekt wäre. Freiheit bedeutet nicht, jeden Aspekt unseres Lebens zu bestimmen, sondern uns selbst und unser Handeln zu bestimmen. Hegel zufolge können wir in der Tat unseren Anfang ändern, indem wir uns selbst neu interpretieren. Diese Art der Selbstbestimmung setzt die Teilnahme an der Gesellschaft voraus. Wenn wir die semantische in unserer Kultur ändern, ändern wir uns selbst und solches aktive Engagement mit unserer Gesellschaft wäre auch eine Bedingung, um ein freies Leben zu führen.
Technology integration in physical education : examining the physical education teachers' domain
(2016)
Physical education (PE), in the meantime, has evolved as school subject that willingly adapts to technology trends to foster student learning. Several efforts to nurture and facilitate technology integration in PE indicate the growth in interest in this topic over the past years: multiple physical education teacher education (PETE) programs, textbooks, and journal papers have adopted technology issues as a regular topic in the realm of PE research and practice. Although there are plenty of conceptual papers and technology teaching tips available in common publication outputs, empirical evidence on technology integration in PE is still a rare sight. Empirical evidence on technology integration in PE is still limited. However, available studies reported vastly positive findings, favorably of a mutual linking of technology and PE Scanning through the various articles that described pedagogical scenarios for technology integration in PE, five pedagogical scenarios that stand for a typical and most beneficiary use of technology integration in PE classes in regard to student learning: a) homework and theory, b) informational Input, c) learning stations, d) feedback, and e) physical activity tracking. Focusing on the PE teachers? perspective, two empirical studies were carried out. The theoretical framework consists of three building blocks: the a) significance of technology in everyday life and school, b) organizational development and agents of school development and change, and c) determinants of technology integration in schools and in the classroom ? emphasizing the teacher as an agent of change. The first study examined PE teachers? subjective theories toward technology integration in PE. Findings indicated that a) computer literacy, b) household computer ownership, c) professional experience, as well as d) gender had an effect on PE teachers? subjective theories toward technology integration in PE. The second study surveyed PE teachers? computer literacy, and instructional technology and media use in PE. The majority of the PE teachers seldom used technology in PE classes. PE teachers? computer literacy had a statistically significant effect on their technology use in PE class for information and communications technology (ICT) such as laptops, Internet, and digital cameras. PE teachers who showed higher levels of computer literacy were more likely to use technology in the classroom. However, the sample tended to consist of PE teachers that do not use technology often. No statistical relation was found for the link of PE teachers? computer literacy and the use of traditional media (e.g., printed images, chalkboard) in the classroom. Conclusively summing up the discussion, the following developmental areas in the field of technology can be posited: a) curriculum development, b) media database, c) documentation, d) empirical research, e) PE environment, f) dissemination, g) implementation strategies, and g) professional development and PETE. Nonetheless, several concerns against technology integration in PE can be stated: a) Physical activity levels and physical activity time, b) sedentary lifestyle, c) empirical evidence, d) unfiltered experience and alienation, and e) preparation time and budget.
Nanomaterials, i.e., materials that are manufactured at a very small spatial scale, can possess unique physical and chemical properties and exhibit novel characteristics as compared to the same material without nanoscale features. The reduction of size down to the nanometer scale leads to the abundance of potential applications in different fields of technology. For instance, tailoring the physicochemical properties of nanomaterials for modification of their interaction with a biological environment has been reflected in a number of biomedical applications.
Strategies to choose the size and the composition of nanoscale systems are often hindered by a limited understanding of interactions that are difficult to study experimentally. However, this goal can be achieved by means of advanced computer simulations. This thesis explores, from a theoretical and a computational viewpoints, stability, electronic and thermo-mechanical properties of nanoscale systems and materials which are related to biomedical applications.
We examine the ability of existing classical interatomic potentials to reproduce stability and thermo-mechanical properties of metal systems, assuming that these potentials have been fitted to describe ground-state properties of the perfect bulk materials.
It is found that existing classical interatomic potentials poorly describe highly-excited vibrational states when the system is far from the potential energy minimum. On the other hand, construction of a reliable computational model is essential for further development of nanomaterials for applications. A new interatomic potential that is able to correctly reproduce both the melting temperature and the ground-state properties of different metals, such as gold, platinum, titanium, and magnesium, by means of classical molecular dynamics simulations is proposed in this work. The suggested modification of a many-body potential has a general nature and can be utilized for similar numerical exploration of thermo-mechanical properties of a broad range of molecular and solid state systems experiencing phase transitions.
The applicability of the classical interatomic potentials to the description of nanoscale systems, consisting of several tens-hundreds of atoms, is also explored in this study. This issue is important, for instance, in the case of nanostructured materials, where grains or nanocrystals have a typical size of about a few nanometers. We validate classical potentials through the comparison with density-functional theory calculations of small
atomic clusters made of titanium and nickel. By this analysis, we demonstrate that the classical potentials fitted to describe ground-state properties of a bulk material can describe the energetics of nanoscale systems with a reasonable accuracy.
In this work, we also analyze electronic properties of nanometer-size nanoparticles made of gold, platinum, silver, and gadolinium; nanoparticles composed of these materials are of current interest for radiation therapy applications. We focus on the production of low-energy electrons, having the kinetic energy from a few electronvolts to several tens of electronvolts. It is currently established that the low-energy secondary electrons of such energies play an important role in the nanoscale mechanisms of biological damage resulting from ionizing radiation. We provide a methodology for analyzing the dynamic response of nanoparticles of the experimentally relevant sizes, namely of about several nanometers, exposed to ionizing radiation. Because of a large number of constituent atoms (about 1000 −10000 atoms) and consequently high computational costs, the electronic properties of such systems can hardly be described by means of ab initio methods based on a quantum-mechanical treatment of electrons, and this analysis should rely on model approaches. By comparing the response of smaller systems (of about 1 nm size) calculated within the ab initio- and the model framework, we validate this methodology and make predictions for the electron production in larger systems.
We have revealed that a significant increase in the number of the low-energy electrons emitted from nanometer-size noble metal nanoparticles arises from collective electron excitations formed in the systems. It is demonstrated that the dominating mechanisms of electron yield enhancement are related to the formation of plasmons excited in a whole system and of atomic giant resonances formed due to excitation of valence d electrons in individual atoms of a nanoparticle. Being embedded in a biological medium, the noble metal nanoparticles thus represent an important source of low-energy electrons, able to produce a significant irrepairable damage in biological systems.
A general methodology for studying electronic properties of nanosystems is used to make quantitative predictions for electron production by non-metal nanoparticles. The analysis illustrates that due to a prominent collective response to an external electric field, carbon nanoparticles embedded in a biological medium also enhance the production of low-energy electrons. The number of low-energy electrons emitted from carbon nanoparticles is demonstrated to be several times higher as compared to the case of liquid water.
Identification of disease modulating compounds in juvenile neuronal ceroid lipofuscinosis (JNCL)
(2016)
Mutationen im CLN3 Gen verursachen die neurodegenerative Erkrankung juvenile neuronale Zeroidlipofuszinose (JNCL). Bei dieser Erkrankung sind die Autophagie, der lysosomale pH Wert und der mitochondriale Metabolismus beeinträchtigt. Störungen dieser Prozesse führen zu einer erhöhten Verletzlichkeit neuronaler Zellen gegenüber alters- und umweltbedingten Schäden, einer Anhäufung von Autophagosomen und lysosomalem Speichermaterial, Zelltod und Neurodegeneration. Um die JNCL zu erforschen bedienen wir uns eines Zellmodels aus der Maus, welches die häufigste krankheitsauslösende CLN3 Mutation im Menschen, die Deletion der Exons 7 und 8, nachbildet. Die aus dem Kleinhirn dieser Mäuse stammenden cerebellaren Körnerstammzellen werden als CbCln3Δex7/8/Δex7/8 Zellen, solche aus wild-typ Mäusen als CbCln3+/+ Zellen bezeichnet. Die JNCL ist nicht heilbar und die Entwicklung von Wirkstoffen steht noch am Anfang.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Durchführung eines Hochdursatzscreenings um Wirkstoffe zu identifizieren, welche eine Anhäufung von Autophagosomen in CbCln3Δex7/8/Δex7/8 Zellen verhindern können. Unter 1750 verschiedenen untersuchten Wirkstoffen konnten wir 28 aktive „Hits“ identifizieren und stellten fest, dass Kalziumkanalblocker, Östrogene und HMG-CoA-Reduktase Inhibitoren gehäuft vertreten waren. Eine sorgfältige Untersuchung die möglichen Interaktionen der aktiven Wirkstoffe mit zellulären Signalwegen und die Analyse ihrer Dosis-Wirkungskurven unterstützte uns bei der Auswahl von Verapamil, Nicardipin und Fluspirilen zur näheren Untersuchung. Diese Wirkstoffe sind Kalziumkanalblocker und Fluspirilen blockt auch D2 Dopaminrezeptoren.
Außerdem untersuchten und quantifizierten wir mitochondriale Phänotypen in CbCln3Δex7/8/Δex7/8 Zellen. Unsere Untersuchungen ergaben, dass Mitochondrien in CbCln3Δex7/8/Δex7/8 Zellen einer signifikanten Hyperfusion unterliegen und ein schwächeres Membranpotenzial aufweisen. Weiterhin fanden wir eine Verringerung der maximalen der mitochondrialen Elektronentransportkapazität und eine verringerte Aktivität des Enzyms Zitratsynthase, welches die Effizienz des Zitratzyklus bestimmt.
Fluspirilen, Verapamil und, in geringerem Ausmaß, Nicardipin, verbesserten einige krankheitsbedingte lysosomale und mitochondriale Phänotypen. Des Weiteren konnten Verapamil und Nicardipin, nicht aber Fluspirilen, den erhöhten zellulären Kalziumspiegel in CbCln3Δex7/8/Δex7/8 Zellen absenken. Erniedrigungen im Kalziumgehalt können durch die Inhibition der kalziumabhängigen Protease Calpain 1 zu einer Induktion der Autophagie führen. Wir untersuchten, ob eine chemische Inhibition der Calpain 1-Protease die Anzahl der Autophagosomen in CbCln3Δex7/8/Δex7/8 Zellen senkt, und stellten fest, dass dies nicht der Fall ist. Eine Inhibition von Calpain 1 führte lediglich zu einem Anstieg der Zahl zellulärer Autophagosomen. Als Nächstes untersuchten wir die Auswirkung der Wirkstoffbehandlung auf den Autophagiefluss. Verapamil und Nicardipin hatten keinen Einfluss auf den Autophagiefluss in der getesteten Konzentration in CbCln3Δex7/8/Δex7/8 Zellen während Fluspirilen die Autophagie induzierte. Gleichzeitig stellten wir fest, dass hohe Dosen von Nicardipin und Verapamil teilweise vor einem Verlust des lysosomalen pH-Werts durch eine Behandlung mit Bafilomycin A1 schützen konnten. Da Fluspirilen auch ein Dopaminrezeptorblocker ist, untersuchten wir die Auswirkung einer erhöhten Dosis von Dopamin auf die Zahl der Autophagosomen. Wir fanden, dass eine mittlere Dosierung von Dopamin einen Trend zu einer leichten Verringerung von Autophagosomen in CbCln3Δex7/8/Δex7/8 Zellen zur Folge hat.
Wir vermuten, dass die Kalziumkanalblocker Verapamil und Nicardipin und der Dopaminrezeptorblocker Fluspirilen unterschiedliche zelluläre Signalwege benutzen, aber letztendlich um ähnliche Botenstoffe verwenden, um die Funktion der Lysosomen in CbCln3Δex7/8/Δex7/8 Zellen zu verbessern. Die Verringerung des intrazellulären Kalziumgehalts durch Verapamil und Nicardipin führt zu einer Aktivierung von Adenylatzyklasen, welche eine Erhöhung des intrazellulären cAMP Spiegels herbeiführen. Fluspirilen inhibiert Dopaminrezeptoren vom Typ D2 (D2DR), was zu einer selektiven Aktivierung von Dopaminrezeptoren des Typs D5 (D5DR) führen könnte. Im Gegensatz zu D2 führen D5D Rezeptoren zu einer Aktivierung von Adenylatzyklasen und einer Erhöhung des cAMP Spiegels. cAMP aktiviert die Protein Kinase A (PKA), welche durch eine Proteinphosphorylierung von lysosomalen Chloridkanälen und Protonenpumpen die lysosomale Aktivität erhöht. Dies führt zu einer Verbesserung des Abbaus von Autophagosomen und lysosomalem Speichermaterial und zu einer verbesserten Zellgesundheit in CbCln3Δex7/8/Δex7/8 Zellen.
Eine Verbesserung der lysosomalen Funktion in der JNCL kann einen wirksamen Therapieansatz ergeben. Wir hoffen, dass die hier vorgestellten Methoden und Ergebnisse einen ersten Schritt in diese Richtung darstellen.
Das Hören hat für den Menschen eine maßgebliche Bedeutung hinsichtlich Kommunikation und Orientierung. Auch wenn sich der Mensch stark auf seinen visuellen Sinn verlässt, wird mit dem Ausfall des Hörvermögens deutlich, wie viele Informationen oft unterbewusst über die Analyse von Schallsignalen gezogen werden. Trotz dieser grundlegenden Relevanz sind bis heute noch nicht alle Komponenten, die dem Hörprozess zugrunde liegen, entschlüsselt.
Um sich diesen offenen Fragestellungen anzunähern, müssen Forscher oft auf Tiermodelle zurückgreifen. Auf Grund ihres exzellenten Gehörs haben sich hier in den letzten Jahrzehnten Fledermäuse als taugliche Versuchstiere qualifiziert. Diese Tiere sind in der Lage sich ohne Verwendung des visuellen Systems in absoluter Dunkelheit zu orientieren, indem sie mit Hilfe der wiederkehrenden Echos ihrer ausgesendeten Ultraschalllaute die Umgebungsstrukturen analysieren. Weiterhin umfasst der zur Kommunikation und Ortung verwendete Frequenzbereich bei Fledermäusen ein Vielfaches von dem des menschlichen, was ebenfalls verschiedene Aspekte der Hörforschung begünstigt. Die in dieser Studie verwendete fruchtfressende Fledermausart Carollia perspicillata eignet sich hervorragend für akustische Untersuchungen, da ihr Innenohr keine speziellen morphologischen Spezialisierungen aufweist.
Anhand der Fledermausart C. perspicillata sollen innerhalb der vorliegenden Studie verschiedene offene Fragestellungen bezüglich der Innenohrmechanik näher beleuchtet werden. Um sich diesen Fragestellungen anzunähern, wurde eine Kombination aus zwei etablierten Methoden verwendet. Zum einen die Messung von Distortions-Produkt otoakustischen Emissionen (DPOAEs), welche auf Grund ihrer Generierung durch aktive Prozesse innerhalb der Kochlea die Möglichkeit bietet, Veränderungen im Innenohr festzustellen und zum anderen kontralaterale akustische Stimulation (KAS), welche eine erprobte Methode zur Aktivierung des efferenten Systems darstellt. Dadurch, dass die äußeren Haarsinneszellen in der Kochlea direkte synaptische Kontakte mit efferenten Fasern der absteigenden Hörbahn eingehen, kann eine Aktivierung des efferenten Systems Modulationen des kochleären Verstärkers bewirken, wodurch sich wiederum die Antworteigenschaften der Kochlea verändern. Mit einer Kombination dieser beiden Methoden lassen sich demnach zum einen höhere Zentren der Hörbahn aktivieren, die über efferente Fasern einen direkten Einfluss auf das Innenohr nehmen, zum anderen die induzierten Modulationen in Form von DPOAEs mit Hilfe eines sensitiven Mikrofons aufnehmen. Die Grundvoraussetzung für die Funktionalität dieser Methodenkombination ist das Vorhandensein von efferenten Fasern innerhalb der Kochlea. Da das efferente System verschiedener Säuger eine große Diversität aufweist, wurden innerhalb dieser Arbeit zusätzlich zu den akustischen Untersuchungen histologische Schnittserien der Kochlea von C. perspicillata angefertigt. Hierbei lag das Hauptaugenmerk auf dem Verlauf der efferenten Fasern innerhalb der Kochlea. Mit Hilfe der Thiocholinmethode wurde der Ort der Umsetzung des Achetylcholinabbauenden Enzyms Achetylcholin-esterase angefärbt. Achetylcholin ist der vorranig vorkommende Transmitter an den efferenten Synapsen.
Diese Studie untersucht weiter den Einfluss der Narkose auf das Innenohr. In zahlreichen Studien, die Innenohrmechanik betreffend, wurden die Untersuchungen an narkotisierten Tieren durchgeführt. Oftmals wird zwar die Problematik der möglichen Beeinflussung des Innenohres durch das verwendete Narkosemittel diskutiert, aber meisthin als unumgänglich eingestuft. Innerhalb der vorliegenden Studie wurde ein Großteil der Experimente an narkotisierten und auch wachen Tieren durchgeführt, um die Auswirkungen der häufig verwendeten Ketamin-Xylazin-Narkose auf die Innenohr-aktivität zu verdeutlichen.
In der Literatur lässt sich eine Vielzahl von akustischen Untersuchungen finden, in denen artifizielle Stimuli wie Reintöne oder Rauschen verwendet werden. Die Problematik dahinter ergibt sich daraus, dass diese Art der Töne in der Natur selten zu finden sind. Derartige Studien werfen daher die Frage auf, ob das Innenohr beispielsweise Rauschstimuli auf die gleiche Weise verarbeitet wie natürliche, komplexere Stimuli. Innerhalb der vorliegenden Studie wurden demzufolge im Vergleich zu artifiziellen Stimuli arteigene Rufe der Fledermausspezies C. perspicillata aufgenommen und als akustische Stimuli während der Messungen verwendet.
Im Zuge dieser Fragestellung wurde in einem weiteren Teilprojekt versucht ein neues Verfahren zur Messung von OAEs zu etablieren, mit dem es möglich ist das Ohr nicht ausschließlich mit den herkömmlich verwendeten Reintönen zu stimulieren, sondern ebenfalls mit komplexen Lauten, wie arteigenen Kommunikations- und Echo-ortungsrufen. Hierfür wurde ein von Douglas Keefe vorgestelltes Paradigma zur Messung von OAE-Residualen herangezogen, welches die am Trommelfell gemessenen akustischen Signale von den Trommelfellantworten auf einzelne Komponenten dieser Signale subtrahiert.
Anhand der in dieser Studie gewonnenen Ergebnisse kann deutlich gezeigt werden, dass eine akustische Stimulation der kontralateralen Kochlea mit verschiedenen artifiziellen sowie arteigenen Stimuli zuverlässig eine Änderung des Pegels der 2f1-f2 DPOAE von bis zu 37,3 dB in der ipsilateralen Kochlea bei wachen Tieren bewirkt. Dabei unterscheidet sich die Art der Beeinflussung deutlich je nach verwendetem kontralateralem Stimulus. Die Stimulation mit artifiziellem Breitbandrauschen supprimiert den Emissionspegel über den gesamten getesteten Frequenzbereich um etwa 11,6 dB, während die verwendeten arteigenen Laute eine vergleichbare Beeinflussung des DPOAE-Pegels ausschließlich in einem Frequenzbereich zwischen 50 und 70 kHz bewirken. Im Frequenzbereich von 20 bis 30 kHz verursachen die arteigenen Laute nahezu keine Pegelabsenkung, was im deutlichen Kontrast zu den Ergebnissen unter KAS mit Breitbandrauschen steht. Unter Narkoseeinfluss konnte, unabhängig vom verwendeten Stimulus, keine Beeinflussung des DPOAE-Pegels festgestellt werden, was die Annahme bestätigt, dass die verwendete Ketamin-Xylazin-Narkose einen drastischen Einfluss auf den Hörprozess und insbesondere auf das efferente System nimmt. Die Ursache dafür, dass arteigene Stimuli anders verarbeitet werden als artifizielle Stimuli (wie z. B. Breitbandrauschen) konnte zwar nicht abschließend geklärt werden, aber die Vermutung liegt nahe, dass in diesem Verarbeitungsprozess höhere Zentren der Hörbahn involviert sind und selektiven Einfluss auf die ablaufenden Prozesse nehmen.
Die Etablierung des OAE-Residual-Messparadigmas auf der Basis der Methode von Keefe und Ling (1998) sollte die Möglichkeit bieten sowohl Reintöne als auch komplexe, arteigene Stimuli zu verwenden und so eine Erweiterung des herkömmlich verwendeten Messverfahrens darstellen. Über verschiedene Vorversuche unter Anwendung einer Zweitonreizung konnte gezeigt werden, dass die Ergebnisse des neu entwickelten Paradigmas mit denen der herkömmlichen DPOAE-Messungen hinsichtlich Reintonstimuli vergleichbar sind. Anhand der gewonnenen Ergebnisse mit einer Stimulation mit komplexen Signalen zeigen sich allerdings die Schwierigkeiten der neuen Methode. Die bisher erhobenen Daten zeigen keine klaren, reproduzierbare Ergebnisse, sollten aber die Grundbedingungen für die weiterführenden Versuche ebnen.
Rhythms, i.e. periodic sequences of events or states, are a ubiquitous feature of physiological systems such as the heart, the lungs or the brain. For the brain in particular, the diversity of rhythms is remarkable, ranging from low frequency rhythms in the slow/delta band (0.5-4 Hz) during sleep to gamma band oscillations (30-120 Hz) rhythms during alert behavior, all expressed in various brain areas and at various spatial scales. To understand whether these rhythms subserve a function for the organism it is important to also understand the underlying mechanisms that generate them. While the generation of some rhythms appear to be well-understood, e.g. sleep spindles, others such as the cortical beta rhythm (13-30 Hz) have remained elusive.
Understanding the generation of a brain rhythm involves multiple spatial scales, from identifying intracellular mechanisms such as the contribution of individual transmembrane currents to studying how specific neuronal populations or areas affect the full physiological rhythm present in the intact, highly interconnected brain. The aim of this work has been to delineate the mechanistic contributions of individual brain areas to the in vivo generation of two particular rhythms present in efferent areas: (1) The first part of this work studies the influence of thalamocortical neurons on cortical slow/delta waves (0.5-4 Hz) of sleep that are sometimes also present in awake animals. (2) The second part is about the contribution of primary visual cortex to the beta rhythm (13-30 Hz) in extrastriate cortex of awake behaving animals.
Mikroalgen wird aufgrund ihrer photoautotrophen Lebensweise, ihrer meist einfachen Anzucht und ihres schnellen Wachstums ein großes Potential als Produzenten verschiedener Stoffe, wie beispielsweise den Sekundärmetaboliten der Carotinoidbiosynthese, zugesprochen. Zur Produktion solcher Stoffe bedarf es der Aufklärung der in einem Biosyntheseweg operierenden Enzyme und ihrer zugehörigen Gene.
In dieser Arbeit sollte einerseits durch genetische Modifikation der Carotinoidbiosynthese der Fucoxanthingehalt erhöht und andererseits die Produktion von Astaxanthin in P. tricornutum erreicht werden. Bisher fehlen experimentelle Nachweise über die Funktion, Regulation und die limitierenden Eigenschaften daran beteiligter Gene und deren Enzyme. Um dem Ziel der Arbeit näher zu kommen, wurden zuerst potentiell an der Regulation der Carotinoidbiosynthese beteiligte Gene ausgewählt und deren Enzyme funktionell charakterisiert. Eines dieser Enzyme ist das Eingangsenzym der Carotinoidbiosynthese, die Phytoen-Synthase. Die entsprechend annotierte putative Sequenz (psy #Pt56881) wurde zur Analyse herangezogen. Nachdem im Rahmen dieser Arbeit über die Komplementation in einem dafür ausgerichteten E. coli Stamm der funktionelle Nachweis der Phytoen-Synthase erbracht werden konnte, wurde untersucht, ob die Phytoen-Synthase einer lichtabhängigen Expression unterliegt und somit die Carotinoidsynthese im WT von P. tricornutum limitiert. Durch die Inhibierung der Phytoen-Desaturase mittels Norflurazon konnte die verstärkte Akkumulation des Produktes der Phytoen-Synthase, Phytoen, bei einem Transfer der P. tricornutum-Kulturen von Schwach- in Starklicht gezeigt werden. Die Expression der Phytoen-Synthase von P. tricornutum wird demnach durch die Lichtbedingungen reguliert und limitiert auch die Carotinoidsynthese. Ein weiteres an der Carotinoidsynthese beteiligtes Enzym ist die Zeaxanthin-Epoxidase. Sie bietet zugleich eine Möglichkeit, an dieser Stelle die Carotinoidsynthese in Richtung Astaxanthinproduktion umzulenken. Für P. tricornutum sind drei potentielle Genkandidaten (zep1: #Pt45845; zep2: #Pt56488; zep3: #Pt56792) annotiert, welche ebenfalls im Rahmen dieser Arbeit funktionell charakterisiert wurden. Der funktionelle Nachweis erfolgte dabei ebenfalls mittels eines Komplementationsansatzes in einem damit neu etablierten Expressionssystem mit npq2-Mutanten aus der Modellpflanze A. thaliana. Die Analyse der Transformanden zeigte eine Epoxidase-Aktivität des Produktes aus zep2 und zep3. Das Enzym Zeaxanthin-Epoxidase 2 weist dabei eine andere Spezifität auf als die Zeaxanthin-Epoxidase 3, welche funktionell betrachtet der Zeaxanthin-Epoxidase aus A. thaliana am nächsten kommt. Die Zeaxanthin-Epoxidase 2 akzeptiert im Unterschied zu Zeaxanthin-Epoxidase 3 neben Zeaxanthin auch andere Substrate wie Lutein mit nur einem 3 Hydroxy-β-Iononring und stellt damit einen validen Kandidaten für die Umwandlung von Diatoxanthin in Diadinoxanthin in P. tricornutum dar. Obwohl die Transkriptanalysen ausreichende Mengen an RNA von zep1 in A. thaliana zeigen und anhand eines zusätzlichen mit der Sequenz für GFP markierten zep1-Konstruktes in WT-Protoplasten von A. thaliana der Import in den Chloroplasten und die Expression nachgewiesen werden konnte, weist die Zeaxanthin-Epoxidase 1 zumindest in den A. thaliana-Transformanden keine Epoxidase-Aktivität auf. Des Weiteren zeigt die diurnale Expression in P. tricornutum, dass die Regulation der Zeaxanthin-Epoxidasen an den Bedarf photoprotektiver Pigmente angepasst wird. Während die Regulation des Transkript-Levels von zep2 und zep3 nahezu parallel laufen und ein gemeinsames Maximum aufweisen, zeigt das Transkript-Level von zep1 ein anderes Maximum.
Die gewonnenen Erkenntnisse wurden dann zur Steigerung der Synthesekapazität mittels genetischer Modifikation des Carotinoidsyntheseweges in P. tricornutum angewendet. Durch das Einbringen zusätzlicher Genkopien der Phytoen-Synthase in P. tricornutum konnte dabei eine deutliche Steigerung des Fucoxanthingehalts unter Schwachlichtbedingungen erreicht werden. Gleichzeitig konnte durch weitere inhibitorische Versuche mittels Norflurazon beim Transfer von Schwach- zu Starklicht demonstriert werden, dass die Carotinoidsynthese durch die Kombination der genetischen Modifikation mit der Phytoen-Synthase und Starklicht per se weiterhin gesteigert werden kann. Zusammen mit den Transkriptanalysen zeigen die Pigmentanalysen, dass es einen nicht-linearen Zusammenhang zwischen RNA-Menge und gebildeter Phytoenmenge gibt, welcher durch eine zusätzliche Substratlimitierung der Phytoen-Synthase erklärt werden kann.
Bevor das Herunterregulieren der Zeaxanthin-Epoxidasen in P. tricornutum durchgeführt und damit ein verstärkter Fluss zur Astaxanthinbildung erreicht werden sollte, wurde das Potential von P. tricornutum zur Astaxanthinproduktion überprüft. Hierfür wurde die β-Carotin-Ketolase (bkt #CrAEA35045.1) aus C. reinhardtii einmal ohne und zusätzlich mit verschiedenen Präsequenzen fusioniert separat in P. tricornutum eingebracht. Astaxanthin konnte trotz Nutzung funktionell bestätigter Präsequenzen aus der Literatur nicht nachgewiesen werden. Die Versuche zeigen damit, dass hier noch weitere Untersuchungen nötig sind, um mittels eines geeigneten Transportsystems Fremd-Proteine in den Chloroplasten von P. tricornutum einzubringen. Das Ausbleiben der Astaxanthinproduktion konnte an dieser Stelle nicht hinreichend geklärt werden.
Insgesamt schaffen die Ergebnisse dieser Arbeit eine weitere Grundlage, um die Carotinoidbiosynthese in P. tricornutum besser zu verstehen und diese mittels genetischer Modifikationen biotechnologisch nutzbar zu machen.