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Ziel dieser Arbeit war, die Reaktion von biologischen Gewebeproben auf dünn- und dicht-ionisierende Strahlung zu evaluieren. Dafür wurden die Gewebeproben konventioneller Röntgenstrahlung sowie einem ausgedehnten 12C-Ionen Bragg-Peak ausgesetzt. Zur Bestrahlung der biologischen Proben mit 12C wurde mit dem GSI-eigenen Simulationsprogramm TRiP98 ein Tiefendosisprofil eines ausgedehnten Bragg-peaks erstellt. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war, dieses Tiefendosisprofil mit drei anderen Simulationsprogrammen (ATIMA, MCHIT, TRIM) zu reproduzieren und zu vergleichen.
ATIMA und TRIM sind allgemeine Programme für den Energieverlust von Ionen in Materie. Sie können das von TRiP98 berechnetet Tiefendosisprofil nur ungenügend reproduzieren, da sie aufgrund fehlender Fragmentierung ein linear ansteigendes Tiefendosisprofil berechnen. Das Monte Carlo-Programm MCHIT, welches speziell für die Wechselwirkung von Ionen mit Materie in medizinischer Anwendung entwickelt wurde, zeigt die beste Übereinstimmung mit der TRiP98-Referenzkurve. Bis auf eine leicht höhere Durchschnittsdosis um 0.1 Gy konnte das Tiefendosisprofil nahezu exakt reproduziert werden.
Die biologischen Proben bestanden aus Schnittkulturen gesunder Maus-Lebern und Explantatkulturen gesunder Maus-Pankreata, um Nebenwirkungen ionisierender Strahlen abzuschätzen. Zusätzlich wurde die Reaktion auf 12C-Bestrahlung in neoplastischem Lebergewebe transgener c-myc/TGF-α Mäuse mit induzierbarem Lebertumor bestimmt. Um eine mögliche Tageszeitabhängigkeit der Gewebereaktion auf die Bestrahlung zu untersuchen, wurden die Schnitt- und Explantatkulturen zu zwei unterschiedlichen Tageszeiten präpariert: zur Mitte des subjektiven Tages und zur Mitte der subjektiven Nacht.
Die Präparate wurden für mehrere Tage auf einer Membran an einer Grenzschicht von Flüssigkeit und Luft kultiviert. Leber- und Pankreaskulturen gesunder C3H wildtyp Mäuse wurden mit einer Dosis von 2 Gy, 5 Gy oder 10 Gy Röntgenstrahlen bestrahlt. Leber- und Pankreaskulturen transgener Mäuse wurden mit ausgedehnten C-Ionen Bragg Peaks gleicher Dosen bestrahlt. Als Kontrolle dienten unbestrahlte Proben. Alle Proben wurden 1 h bzw. 24 h nach der Bestrahlung fixiert und immunhistochemisch auf Marker für Proliferation (Ki67), Apoptose (Caspase3) und DNA- Doppelstrangbrüche (γH2AX) untersucht.
Während die Pankreas-Präparate im Hinblick auf die untersuchten Parameter leider keine auswertbaren Ergebnisse ergaben, zeigten die untersuchten Parameter im gesunden Lebergewebe deutliche Tag-Nacht Unterschiede: die Proliferationsrate war zur Mitte des subjektiven Tages signifikant höher als zur Mitte der subjektiven Nacht. Umgekehrt waren die Raten für DNA-Doppelstrangbrüche zur Mitte der subjektiven Nacht signifikant erhöht. Diese Tag-Nacht Unterschiede ließen sich in neoplastischem Lebergewebe nicht nachweisen. Unabhängig von der Art und Dosis, hatte die Bestrahlung im gesunden Lebergewebe keinen Einfluss auf die untersuchten Parameter. In neoplastischem Lebergewebe hingegen wird die Rate an DNA-Doppelstrangbrüchen durch eine Bestrahlung dosisabhängig erhöht.
Die Auswirkungen ionisierender Strahlen auf das circadiane Uhrwerk wurden in Gewebeproben transgener Per2luc-Mäuse überprüft. Per2luc-Mäuse exprimieren das Enzym Luziferase unter der Kontrolle des Promoters von Per2, einem wichtigen Bestandteil des circadianen Uhrwerks. Daher erlaubt die Analyse dieser Tiere, den circadianen Rhythmus des molekularen Uhrwerks in Leber und anderen Geweben durch Messung der Luziferase-Aktivität in Echtzeit aufzuzeichnen. Wie in Leber- und Nebennierenkulturen dieser Tiere gezeigt werden konnte, führten ioniserende Strahlen dosisabhängig zu einem Phasenvorsprung des circadianen Uhrwerks.
Die Ergebnisse erlauben die Schlussfolgerung, dass ionisierende Strahlen das circadiane Uhrwerk verstellen, Proliferation und Apoptose in gesundem Lebergewebe jedoch kaum beeinflussen.
Modern computational molecular quantum chemical studies, such as the present one, typically employ a wide range of theoretical techniques. The latter are often rather complicated and one should not generally expect that an experimental scientist in the area of physical chemistry, a potential reader of this work, should be familiar with all these techniques. To simplify the reading of the Thesis and to make it self-sufficient, it is supplied with an overview of the employed theoretical methodologies (Chapter 1). The overview explains basic quantum-chemical terminology referred to throughout the Thesis, introduces theoretical foundations of the methods and outlines their properties and limitations. In Part 1.1 of Chapter 1, methods for the solution of the molecular Schrödinger equation are introduced, while in the subsequent Parts 1.2 and 1.3 methods for the solution of the electronic Schrödinger equation are presented to find the ground and excited states, respectively. Part 1.4 is dedicated to basis-set effects which are omnipresent in electronic-structure calculations. It contains a number of unusual insights and concepts proposed by the author and, thus, may be insightful also to experts in quantum chemistry.
In Chapter 2, the phenomenon of acetone-water proton exchange catalyzed by tubular as well as amorphous aggregates of calix[4]hydroquinone (CHQ) macromolecules, which has been observed previously in NMR experiments (Ref. D1D), is investigated by means of correlated quantum-chemical methods. The first part of the study (Section 2.3-2.7) considers concerted proton transfer, assisted by several initially neutral OH-groups in the hydrogen-bonded networks of CHQ aggregates. The second part of the study (Section 2.8-2.13) is dedicated to a second mechanism of proton exchange: step-wise proton transfer via formation of ionic intermediates resulting from CHQ pre-dissociation. CHQ application-specific as well as general conclusions, relevant to the main topic of the Thesis (i.e. influence of specific microsolvation on the considered proton transfer processes), are presented in Section 2.14.
The phenomenon of dual fluorescence observed in clusters of methyl 4-N,N-dimethylaminobenzoate ester (DMABME) and two water molecules in the gas phase, is studied in Chapter 3. Experimentally, the dual fluorescence was detected in experiments combining optical and ground-state ion-depletion infrared spectroscopies in ultracold molecular beams (Ref. D2D). In Section 3.3, calculated ground-state infrared spectra are presented that allow to identify the structures of those isomers, which are present in the gas-phase, as well as the structure of the isomer responsible for dual fluorescence. To further understand the reaction mechanism of dual fluorescence, excited-state potential energy surfaces of the identified isomers were computed along the relevant twisted intermolecular charge-transfer formation coordinate and the mechanism of energy dissipation in these complexes was investigated (Section 3.4-3.5) (Ref. D3D). A brief summary of the main results of this chapter and conclusions are given in Section 3.6. Finally, in Section 3.7 a complementary benchmark study of the quality of ground-state potential energy surfaces of prototypical hydrogen-bonded systems (ammonia-water and formic acid-water dimers) obtained at the level of BSSE-corrected MP2 combined with moderate basis sets, has been conducted. The quality of potential energy surfaces was tested with respect to basis-set size, level of electron correlation and anharmonicity effects and the applied methodology to identify the IR spectrum of hydrated DMABME complexes (Section 3.3) has been found to be sufficient to uniquely assign the IR spectra.
Das Gehirn ist die wohl komplexeste Struktur auf Erden, die der Mensch erforscht. Es besteht aus einem riesigen Netzwerk von Nervenzellen, welches in der Lage ist eingehende sensorische Informationen zu verarbeiten um daraus eine sinnvolle Repräsentation der Umgebung zu erstellen. Außerdem koordiniert es die Aktionen des Organismus um mit der Umgebung zu interagieren. Das Gehirn hat die bemerkenswerte Fähigkeit sowohl Informationen zu speichern als auch sich ständig an ändernde Bedingungen anzupassen, und zwar über die gesamte Lebensdauer. Dies ist essentiell für Mensch oder Tier um sich zu entwickeln und zu lernen. Die Grundlage für diesen lebenslangen Lernprozess ist die Plastizität des Gehirns, welche das riesige Netzwerk von Neuronen ständig anpasst und neu verbindet. Die Veränderungen an den synaptischen Verbindungen und der intrinsischen Erregbarkeit jedes Neurons finden durch selbstorganisierte Mechanismen statt und optimieren das Verhalten des Organismus als Ganzes. Das Phänomen der neuronalen Plastizität beschäftigt die Neurowissenschaften und anderen Disziplinen bereits über mehrere Jahrzehnte. Dabei beschreibt die intrinsische Plastizität die ständige Anpassung der Erregbarkeit eines Neurons um einen ausbalancierten, homöostatischen Arbeitsbereich zu gewährleisten. Aber besonders die synaptische Plastizität, welche die Änderungen in der Stärke bestehender Verbindungen bezeichnet, wurde unter vielen verschiedenen Bedingungen erforscht und erwies sich mit jeder neuen Studie als immer komplexer. Sie wird durch ein komplexes Zusammenspiel von biophysikalischen Mechanismen induziert und hängt von verschiedenen Faktoren wie der Frequenz der Aktionspotentiale, deren Timing und dem Membranpotential ab und zeigt außerdem eine metaplastische Abhängigkeit von vergangenen Ereignissen. Letztlich beeinflusst die synaptische Plastizität die Signalverarbeitung und Berechnung einzelner Neuronen und der neuronalen Netzwerke.
Der Schwerpunkt dieser Arbeit ist es das Verständnis der biologischen Mechanismen und deren Folgen, die zu den beobachteten Plastizitätsphänomene führen, durch eine stärker vereinheitlichte Theorie voranzutreiben.Dazu stelle ich zwei funktionale Ziele für neuronale Plastizität auf, leite Lernregeln aus diesen ab und analysiere deren Konsequenzen und Vorhersagen.
Kapitel 3 untersucht die Unterscheidbarkeit der Populationsaktivität in Netzwerken als funktionales Ziel für neuronale Plastizität. Die Hypothese ist dabei, dass gerade in rekurrenten aber auch in vorwärtsgekoppelten Netzwerken die Populationsaktivität als Repräsentation der Eingangssignale optimiert werden kann, wenn ähnliche Eingangssignale eine möglichst unterschiedliche Repräsentation haben und dadurch für die nachfolgende Verarbeitung besser unterscheidbar sind. Das funktionale Ziel ist daher diese Unterscheidbarkeit durch Veränderungen an den Verbindungsstärke und der Erregbarkeit der Neuronen mithilfe von lokalen selbst-organisierten Lernregeln zu maximieren. Aus diesem funktionale Ziel lassen sich eine Reihe von Standard-Lernenregeln für künstliche neuronale Netze gemeinsam abzuleiten.
Kapitel 4 wendet einen ähnlichen funktionalen Ansatz auf ein komplexeres, biophysikalisches Neuronenmodell an. Das Ziel ist eine spärliche, stark asymmetrische Verteilung der synaptischen Stärke, wie sie auch bereits mehrfach experimentell gefunden wurde, durch lokale, synaptische Lernregeln zu maximieren. Aus diesem funktionalen Ansatz können alle wichtigen Phänomene der synaptischen Plastizität erklärt werden. Simulationen der Lernregel in einem realistischen Neuronmodell mit voller Morphologie erklären die Daten von timing-, raten- und spannungsabhängigen Plastizitätsprotokollen. Die Lernregel hat auch eine intrinsische Abhängigkeit von der Position der Synapse, welche mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmt. Darüber hinaus kann die Lernregel ohne zusätzliche Annahmen metaplastische Phänomene erklären. Dabei sagt der Ansatz eine neue Form der Metaplastizität voraus, welche die timing-abhängige Plastizität beeinflusst. Die formulierte Lernregel führt zu zwei neuartigen Vereinheitlichungen für synaptische Plastizität: Erstens zeigt sie, dass die verschiedenen Phänomene der synaptischen Plastizität als Folge eines einzigen funktionalen Ziels verstanden werden können. Und zweitens überbrückt der Ansatz die Lücke zwischen der funktionalen und mechanistische Beschreibungsweise. Das vorgeschlagene funktionale Ziel führt zu einer Lernregel mit biophysikalischer Formulierung, welche mit etablierten Theorien der biologischen Mechanismen in Verbindung gebracht werden kann. Außerdem kann das Ziel einer spärlichen Verteilung der synaptischen Stärke als Beitrag zu einer energieeffizienten synaptischen Signalübertragung und optimierten Codierung interpretiert werden.
Diese Dissertation stellt die systematische Einbeziehung von Eichkorrekturen in die Theorie der thermischen Leptogenese vor, welche eine Erklärung für die Frage nach dem Ursprung der Materie in unserem Universum bereitstellt.
Geht man vom weithin anerkannten Urknallmodell aus, so müsste hierbei zu gleichen Teilen Materie sowie Antimaterie entstanden sein. Aufgrund von Annihilationsprozessen sollte demnach die gesamte Materie zerstrahlt sein und ein leeres Universum zurückbleiben. Da dies aber nicht der Fall ist, stellt sich die Frage, wie das Ungleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie entstehen konnte. Der Wert der Asymmetrie lässt sich mit Hilfe von Experimenten sehr genau bestimmen. Für eine systematische theoretische Beschreibung dieser Problematik stellte A. Sacharow drei Bedingungen auf: 1. die Verletzung der Baryonenzahl, 2. die Verletzung der Invarianz von Ladungskonjugation C sowie der Zusammensetzung von Ladungskonjugation und Parität CP sowie 3. eine Abweichung vom thermischen Gleichgewicht.
Da das Urknallmodell und das Standardmodell der Teilchenphysik nicht in der Lage sind, diese Asymmetrie zu beschreiben, beschäftigt sich die vorliegende Dissertation mit der Theorie der thermischen Leptogenese, welche statt von einer ursprünglichen Baryonenasymmetrie von einer Leptonenasymmetrie ausgeht. Zu einem späteren Zeitpunkt wird diese dann mittels Sphaleron-Prozesse, welche die Baryonenzahl verletzen, in eine Baryonenasymmetrie übertragen. Hierzu werden neue Teilchen zum Standardmodell hinzugefügt: schwere Majorana-Neutrinos. Diese zerfallen im thermischen Nichtgleichgewicht CP-verletzend in die bekannten Standardmodell-Leptonen und Higgs-Teilchen.
In dieser Arbeit wird eine hierarchische Anordnung der drei schweren Neutrinomassen betrachtet. Dies hat zur Folge, dass zwei der drei Majorana-Neutrinos ausintegriert werden können und eine effektive Theorie aufgestellt werden kann. Dieses Modell wird auch vanilla leptogenesis genannt und im Folgenden verwendet.
Die Dissertation ist wie folgt gegliedert. Die einleitenden Betrachtungen sind Gegenstand der Kapitel 1 und 2. Dort werden weiterhin andere Modelle zur Lösung des Problems der Baryonenasymmetrie kurz vorgestellt. Die thermische Leptogenese wird eingeführt und der See-saw-Mechanismus sowie die CP-Asymmetrie genauer beschrieben. Am Ende des Kapitels wird der klassische Ansatz für Leptogenese über Boltzmann Gleichungen präsentiert.
In Kapitel 3 werden die Grundlagen für Quantenfeldtheorien im Nichtgleichgewicht eingeführt. Die wichtigsten Definitionen im Falle des thermischen Gleichgewichts werden gegeben, anschließend findet sich die Verallgemeinerung auf Nichtgleichgewichtszustände. Die Bewegungsgleichungen, die sogenannten Kadanoff-Baym-Gleichungen, werden im Folgenden sowohl für skalare Teilchen als auch für Fermionen gelöst.
Kapitel 4 stellt die Notwendigkeit der Einbeziehung von Eichkorrekturen im Kontext der thermischen Leptogenese vor. Durch die Definition einer Leptonenzahlmatrix lässt sich die Asymmetrie durch die Kadanoff-Baym Gleichung für Leptonen umschreiben. Da der Vergleich von Boltzmann und Kadanoff-Baym Gleichungen im letzten Teil dieses Kapitels Unterschiede im Zeitverhalten zeigt, werden im Kadanoff-Baym Ansatz thermische Standardmodell-Breiten des Higgsfeldes und der Leptonen per Hand eingeführt. Mit dieser naiven Erweiterung erhält man ein gleiches Verhalten für die Leptonenzahlmatrix, lokal in der Zeit wie die Lösung der Boltzmann Gleichung. Eine systematische Einführung von Standardmodellkorrekturen für thermische Leptogenese ist daher unumgänglich, weshalb im Rahmen der vorliegenden Dissertation von Grund auf Eichkorrekturen der Diagramme, die zur Asymmetrie führen, berücksichtigt werden.
Die vier für diese Arbeit wichtigen Skalenbereich bedingen zwei Resummationsschemata, Hard Thermal Loop (HTL) und Collinear Thermal Loop (CTL), welche in Kapitel 5 vorgestellt werden. Dies führt schließlich auf zwei Differenzialgleichungen für die Berechnung der thermischen Produktionsrate des Majorana-Neutrinos, welche in Kapitel 6 numerisch weiter ausgewertet werden.
In Kapitel 7 erfolgt zunächst eine naive Berechnung aller eichkorrigierter 3-Schleifen-Diagramme, die zu den beiden die Asymmetrie verursachenden Diagrammen gehören. Da eine einfache Berechnung der 3-Schleifen-Diagramme nicht ausreicht, wird an dieser Stelle ein neues, zylindrisches Diagramm eingeführt, welches alle wichtigen Beiträge, insbesondere die HTL- und CTL-resummierten, enthält. Am Ende des Kapitels findet sich der erste geschlossene Ausdruck für die eichkorrigierte Leptonenzahlmatrix in führender Ordnung in allen Kopplungen.
Abschließend gibt es eine kurze Zusammenfassung und einen Ausblick in Kapitel 8. In dieser Dissertation findet sich zum ersten Mal ein systematischer Zugang zur Berücksichtigung aller Eichwechselwirkungen in der Theorie der thermischen Leptogenese. Ein geschlossener Ausdruck für die eichkorrigierte Leptonenasymmetrie konnte vorgestellt werden.
Spin(9)-invariant valuations
(2013)
The first aim of this thesis is to give a Hadwiger-type theorem for the exceptional Lie group Spin(9). The space of Spin(9)-invariant k-homogeneous valuations is studied through the construction of an exact sequence involving some spaces of differential forms. We present then a description of the spin representation using the properties of the 8-dimensional division algebra of the octonions. Using this description as well as representation-theoretic formulas, we can compute the dimensions of the spaces of differential forms appearing in the exact sequence. Hence we obtain the dimensions of the spaces of k-homogeneous Spin(9)-invariant valuations for k=0,1,...,16.
In the second part of this work, we construct one new element for a basis of one of these spaces. It is clear, that the k-th intrinsic volume is also Spin(9)-invariant. The last chapter of this work presents the construction of a new 2-homogeneous Spin(9)-invariant valuation. On a Riemannian manifold (M,g), we construct a valuation by integrating the curvature tensor over the disc bundle. We associate to this valuation on M a family of valuations on the tangent spaces. We show that these valuations are even and homogeneous of degree 2. Moreover, since the valuation on M is invariant under the action of the isometry group of M, the induced valuation on the tangent space in a point p in M is invariant under the action of the stabilisator of p for all p in M. In the special case where M is the octonionic projective plane, this construction yields an even, homogeneous of degree 2, Spin(9)-invariant valuation, whose Klain function is not constant, i.e. which is linearly independent of the second intrinsic volume.
Alzheimer’s disease (AD), which was first reported more than a century ago by Alhzeimer, is one of the commonest forms of dementia which affects >30 million people globally (>8 million in Europe). The origin and pathogenesis of AD is poorly understood and there is no cure available for the disease. AD is characterized by the accumulation of senile plaques composed of amyloid beta peptides (Ab 37-43) which is formed by the gamma secretase (GS) complex by cleaving amyloid precursor protein. Therefore GS can be an attractive drug target. Since GS processes several other substrates like Notch, CD44 and Cadherins, nonspecific inhibition of GS has many side effects. Due to the lack of crystal structure of GS, which is attributed to the extreme difficulties in purifying it, molecular modeling can be useful to understand its architecture. So far only low resolution cryoEM structures of the complex has been solved which only provides a rough structure of the complex at low 12-15 A resolution Furthermore the activity of GS in vitro can be achieved by means of cell-free (CF) expression.
GS comprises catalytic subunits namely presenilins and supporting elements containing Pen-2, Aph-1 and Nicastrin. The origin of AD is hidden in the regulated intramembrnae proteolysis (RIP) which is involved in various physiological processes and also in leukemia. So far growth factors, cytokines, receptors, viral proteins, cell adhesion proteins, signal peptides and GS has been shown to undergo RIP. During RIP, the target proteins undergo extracellular shredding and intramembrane proteolysis.
This thesis is based on molecular modeling, molecular dynamics (MD) simulations, cell-free (CF) expression, mass spectrometry, NMR, crystallization, activity assay etc of the components of GS complex and G-protein coupled receptors (GPCRs).
First I validated the NMR structure of PS1 CTF in detergent micelles and lipid bilayers using coarse-grained MD simulations using MARTINI forcefield implemented in Gromacs. CTF was simulated in DPC micelles, DPPC and DLPC lipid bilayer. Starting from random configuration of detergent and lipids, micelle and lipid bilyer were formed respectively in presence of CTF and it was oriented properly to the micelle and bilyer during the simulation. Around DPC molecules formed micelle around CTF in agreement of the experimental results in which 80-85 DPC molecules are required to form micelles. The structure obtained in DPC was similar to that of NMR structure but differed in bilayer simulations showed the possibility of substrate docking in the conserved PAL motif. Simulations of CTF in implicit membrane (IMM1) in CHAMM yielded similar structure to that from coarse grained MD.
I performed cell-free expression optimization, crystallization and NMR spectroscopy of Pen-2 in various detergent micelles. Additionally Pen-2 was modeled by a combination of rosetta membrane ab-initio method, HHPred distant homology modeling and incorporating NMR constraints. The models were validated by all atom and coarse grained MD simulations both in detergent micelles and POPC/DPPC lipid bilayers using MARTINI forcefield.
GS operon consisting of all four subunits was co-expressed in CF and purified. The presence of of GS subunits after pull-down with Aph-1 was determined by western blotting (Pen-2) and mass spectrometry (Presenilin-1 and Aph-1). I also studied interactions of especially PS1 CTF, APP and NTF by docking and MD.
I also made models and interfaces of Pen-2 with PS1 NTF and checked their stability by MD simulations and compared with experimental results. The goal is to model the interfaces between GS subunits using molecular modeling approaches based on available experimental data like cross-linking, mutations and NMR structure of C-terminal fragment of PS1 and transmembrane part of APP. The obtained interfaces of GS subunits may explain its catalysis mechanism which can be exploited for novel lead design. Due to lack of crystal/NMR structure of the GS subunits except the PS1 CTF, it is not possible to predict the effect of mutations in terms of APP cleavage. So I also developed a sequence based approach based on machine learning using support vector machine to predict the effect of PS1 CTF L383 mutations in terms of Aβ40/Aβ42 ratio with 88% accuracy. Mutational data derived from the Molgen database of Presenilin 1 mutations was using for training.
GPCRs (also called 7TM receptors) form a large superfamily of membrane proteins, which can be activated by small molecules, lipids, hormones, peptides, light, pain, taste and smell etc. Although 50% of the drugs in market target GPCRs , only few are targeted therapeutically. Such wide range of targets is due to involvement of GPCRs in signaling pathways related to many diseases i.e. dementia (like Alzheimer's disease), metabolic (like diabetes) including endocrinological disorders, immunological including viral infections, cardiovascular, inflammatory, senses disorders, pain and cancer.
Cannabinoid and adrenergic receptors belong to the class A (similar to rhodopsin) GPCRs. Docking of agonists and antagonists to CB1 and CB2 cannabinoid receptors revealed the importance of a centrally located rotamer toggle switch, and its possible role in the mechanism of agonist/antagonist recognition. The switch is composed of two residues, F3.36 and W6.48, located on opposite transmembrane helices TM3 and TM6 in the central part of the membranous domain of cannabinoid receptors. The CB1 and CB2 receptor models were constructed based on the adenosine A2A receptor template. The two best scored conformations of each receptor were used for the docking procedure. In all poses (ligand-receptor conformations) characterized by the lowest ligand-receptor intermolecular energy and free energy of binding the ligand type matched the state of the rotamer toggle switch: antagonists maintained an inactive state of the switch, whereas agonists changed it. In case of agonists of β2AR, the (R,R) and (S,S) stereoisomers of fenoterol, the molecular dynamics simulations provided evidence of different binding modes while preserving the same average position of ligands in the binding site. The (S,S) isomer was much more labile in the binding site and only one stable hydrogen bond was created. Such dynamical binding modes may also be valid for ligands of cannabinoid receptors because of the hydrophobic nature of their ligand-receptor interactions. However, only very long molecular dynamics simulations could verify the validity of such binding modes and how they affect the process of activation.
Human N-formyl peptide receptors (FPRs) are G protein-coupled receptors (GPCRs) involved in many physiological processes, including host defense against bacterial infection and resolving inflammation. The three human FPRs (FPR1, FPR2 and FPR3) share significant sequence homology and perform their action via coupling to Gi protein. Activation of FPRs induces a variety of responses, which are dependent on the agonist, cell type, receptor subtype, and also species involved. FPRs are expressed mainly by phagocytic leukocytes. Together, these receptors bind a large number of structurally diverse groups of agonistic ligands, including N-formyl and nonformyl peptides of different composition, that chemoattract and activate phagocytes. For example, N-formyl-Met-Leu-Phe (fMLF), an FPR1 agonist, activates human phagocyte inflammatory responses, such as intracellular calcium mobilization, production of cytokines, generation of reactive oxygen species, and chemotaxis. This ligand can efficiently activate the major bactericidal neutrophil functions and it was one of the first characterized bacterial chemotactic peptides. Whereas fMLF is by far the most frequently used chemotactic peptide in studies of neutrophil functions, atomistic descriptions for fMLF-FPR1 binding mode are still scarce mainly because of the absence of a crystal structure of this receptor. Elucidating the binding modes may contribute to designing novel and more efficient non-peptide FPR1 drug candidates. Molecular modeling of FPR1, on the other hand, can provide an efficient way to reveal details of ligand binding and activation of the receptor. However, recent modelings of FPRs were confined only to bovine rhodopsin as a template.
To locate specific ligand-receptor interactions based on a more appropriate template than rhodopsin we generated the homology models of FPR1 using the crystal structure of the chemokine receptor CXCR4, which shares over 30% sequence identity with FPR1 and is located in the same γ branch of phylogenetic tree of GPCRs (rhodopsin is located in α branch). Docking and model refinement procedures were pursued afterward. Finally, 40 ns full-atom MD simulations were conducted for the Apo form as well as for complexes of fMLF (agonist) and tBocMLF (antagonist) with FPR1 in the membrane. Based on locations of the N- and C-termini of the ligand the FPR1 extracellular pocket can be divided into two zones, namely, the anchor and activation regions. The formylated M1 residue of fMLF bound to the activation region led to a series of conformational changes of conserved residues. Internal water molecules participating in extended hydrogen bond networks were found to play a crucial role in transmitting the agonist-receptor interactions. A mechanism of initial steps of the activation concurrent with ligand binding is proposed.
I accurately predicted the structure and ligand binding pose of dopamine receptor 3 (RMSD to the crystal structure: 2.13 Å) and chemokine receptor 4 (CXCR4, RMSD to the crystal structure 3.21 Å) in GPCR-Dock 2010 competition. The homology model of the dopamine receptor 3 was 8 th best overall in the competition.
A stochastic model for the joint evaluation of burstiness and regularity in oscillatory spike trains
(2013)
The thesis provides a stochastic model to quantify and classify neuronal firing patterns of oscillatory spike trains. A spike train is a finite sequence of time points at which a neuron has an electric discharge (spike) which is recorded over a finite time interval. In this work, these spike times are analyzed regarding special firing patterns like the presence or absence of oscillatory activity and clusters (so called bursts). These bursts do not have a clear and unique definition in the literature. They are often fired in response to behaviorally relevant stimuli, e.g., an unexpected reward or a novel stimulus, but may also appear spontaneously. Oscillatory activity has been found to be related to complex information processing such as feature binding or figure ground segregation in the visual cortex. Thus, in the context of neurophysiology, it is important to quantify and classify these firing patterns and their change under certain experimental conditions like pharmacological treatment or genetical manipulation. In neuroscientific practice, the classification is often done by visual inspection criteria without giving reproducible results. Furthermore, descriptive methods are used for the quantification of spike trains without relating the extracted measures to properties of the underlying processes.
For that reason, a doubly stochastic point process model is proposed and termed 'Gaussian Locking to a free Oscillator' - GLO. The model has been developed on the basis of empirical observations in dopaminergic neurons and in cooperation with neurophysiologists. The GLO model uses as a first stage an unobservable oscillatory background rhythm which is represented by a stationary random walk whose increments are normally distributed. Two different model types are used to describe single spike firing or clusters of spikes. For both model types, the distribution of the random number of spikes per beat has different probability distributions (Bernoulli in the single spike case or Poisson in the cluster case). In the second stage, the random spike times are placed around their birth beat according to a normal distribution. These spike times represent the observed point process which has five easily interpretable parameters to describe the regularity and the burstiness of the firing patterns.
It turns out that the point process is stationary, simple and ergodic. It can be characterized as a cluster process and for the bursty firing mode as a Cox process. Furthermore, the distribution of the waiting times between spikes can be derived for some parameter combination. The conditional intensity function of the point process is derived which is also called autocorrelation function (ACF) in the neuroscience literature. This function arises by conditioning on a spike at time zero and measures the intensity of spikes x time units later. The autocorrelation histogram (ACH) is an estimate for the ACF. The parameters of the GLO are estimated by fitting the ACF to the ACH with a nonlinear least squares algorithm. This is a common procedure in neuroscientific practice and has the advantage that the GLO ACF can be computed for all parameter combinations and that its properties are closely related to the burstiness and regularity of the process. The precision of estimation is investigated for different scenarios using Monte-Carlo simulations and bootstrap methods.
The GLO provides the neuroscientist with objective and reproducible classification rules for the firing patterns on the basis of the model ACF. These rules are inspired by visual inspection criteria often used in neuroscientific practice and thus support and complement usual analysis of empirical spike trains. When applied to a sample data set, the model is able to detect significant changes in the regularity and burst behavior of the cells and provides confidence intervals for the parameter estimates.
In der nuklearen Astrophysik sind Experimente mit hochgeladenen Radionukliden von großer Bedeutung. Diese exotischen Nuklide können in Schwerionenbeschleunigeranlagen hergestellt und in Speicherringen gespeichert werden. Momentan existieren weltweit zwei Anlagen, die solche Experimente ermöglichen: das GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH in Darmstadt und das Institut für moderne Physik (IMP) in Lanzhou, China. Da die Ausbeute dieser Nuklide gering ist, werden zerstörungsfreie Nachweismethoden in den Speicherringen verwendet. Diese machen von den Methoden der Spektralanalyse Gebrauch. Nicht nur die geringe Ausbeute, sondern auch die kurze Lebensdauer dieser Nuklide stellen hohe Anforderungen an die Sensitivität und Geschwindigkeit dieser Detektoren.
Eine übliche Methode ist die Verwendung kapazitiver Schottky-Sonden. Eine solche Sonde ist seit 1991 an der GSI im Speicherring ESR im Einsatz. Um die Empfindlichkeit zu erhöhen, kann man Mikrowellenkavitäten als resonante Pickups verwenden. Die von den Teilchen induzierten elektromagnetischen Felder können resonante Moden im Resonator anregen. Die Geometrie des Pickups und das verwendete Material spielen eine wesentliche Rolle in der Gestaltung der Feldbilder. Die resultierenden Signale, auch Schottky Signale genannt, werden mittels einer Antenne ausgekoppelt und anschliessend an einen Spektrumanalysator angeschlossen. Für die Analyse der gespeicherten Daten können verschiedene Methoden der Spektralschätzung wie z.B. das Multi-Taper angewendet werden. Nachdem eine externe Kalibrierung durchgeführt worden ist, kann das Pickup auch als ein Stromsensor verwendet werden.
Diese Arbeit befasst sich mit der Theorie, dem Aufbau und ersten Anwendungen eines neuen resonanten Pickups, das im Jahr 2010 in den Speicherring ESR eingebaut und in mehreren Experimenten erfolgreich eingesetzt wurde. Ein ähnliches Pickup wurde im Jahr 2011 in den CSRe im IMP Lanzhou eingebaut. Einzelne Schwerionen mit 400 MeV pro Nukleon wurden erfolgreich mit dem GSI-Pickup nachgewiesen. Das Pickup wird regelmässig in Speicherringexperimenten eingesetzt. Ähnliche Experimente sind für CSRe in Lanzhou geplant.
We investigate multivariate Laurent polynomials f \in \C[\mathbf{z}^{\pm 1}] = \C[z_1^{\pm 1},\ldots,z_n^{\pm 1}] with varieties \mathcal{V}(f) restricted to the algebraic torus (\C^*)^n = (\C \setminus \{0\})^n. For such Laurent polynomials f one defines the amoeba \mathcal{A}(f) of f as the image of the variety \mathcal{V}(f) under the \Log-map \Log : (\C^*)^n \to \R^n, (z_1,\ldots,z_n) \mapsto (\log|z_1|, \ldots, \log|z_n|). I.e., the amoeba \mathcal{A}(f) is the projection of the variety \mathcal{V}(f) on its (componentwise logarithmized) absolute values. Amoebas were first defined in 1994 by Gelfand, Kapranov and Zelevinksy. Amoeba theory has been strongly developed since the beginning of the new century. It is related to various mathematical subjects, e.g., complex analysis or real algebraic curves. In particular, amoeba theory can be understood as a natural connection between algebraic and tropical geometry.
In this thesis we investigate the geometry, topology and methods for the approximation of amoebas.
Let \C^A denote the space of all Laurent polynomials with a given, finite support set A \subset \Z^n and coefficients in \C^*. It is well known that, in general, the existence of specific complement components of the amoebas \mathcal{A}(f) for f \in \C^A depends on the choice of coefficients of f. One prominent key problem is to provide bounds on the coefficients in order to guarantee the existence of certain complement components. A second key problem is the question whether the set U_\alpha^A \subseteq \C^A of all polynomials whose amoeba has a complement component of order \alpha \in \conv(A) \cap \Z^n is always connected.
We prove such (upper and lower) bounds for multivariate Laurent polynomials supported on a circuit. If the support set A \subset \Z^n satisfies some additional barycentric condition, we can even give an exact description of the particular sets U_\alpha^A and, especially, prove that they are path-connected.
For the univariate case of polynomials supported on a circuit, i.e., trinomials f = z^{s+t} + p z^t + q (with p,q \in \C^*), we show that a couple of classical questions from the late 19th / early 20th century regarding the connection between the coefficients and the roots of trinomials can be traced back to questions in amoeba theory. This yields nice geometrical and topological counterparts for classical algebraic results. We show for example that a trinomial has a root of a certain, given modulus if and only if the coefficient p is located on a particular hypotrochoid curve. Furthermore, there exist two roots with the same modulus if and only if the coefficient p is located on a particular 1-fan. This local description of the configuration space \C^A yields in particular that all sets U_\alpha^A for \alpha \in \{0,1,\ldots,s+t\} \setminus \{t\} are connected but not simply connected.
We show that for a given lattice polytope P the set of all configuration spaces \C^A of amoebas with \conv(A) = P is a boolean lattice with respect to some order relation \sqsubseteq induced by the set theoretic order relation \subseteq. This boolean lattice turns out to have some nice structural properties and gives in particular an independent motivation for Passare's and Rullgard's conjecture about solidness of amoebas of maximally sparse polynomials. We prove this conjecture for special instances of support sets.
A further key problem in the theory of amoebas is the description of their boundaries. Obviously, every boundary point \mathbf{w} \in \partial \mathcal{A}(f) is the image of a critical point under the \Log-map (where \mathcal{V}(f) is supposed to be non-singular here). Mikhalkin showed that this is equivalent to the fact that there exists a point in the intersection of the variety \mathcal{V}(f) and the fiber \F_{\mathbf{w}} of \mathbf{w} (w.r.t. the \Log-map), which has a (projective) real image under the logarithmic Gauss map. We strengthen this result by showing that a point \mathbf{w} may only be contained in the boundary of \mathcal{A}(f), if every point in the intersection of \mathcal{V}(f) and \F_{\mathbf{w}} has a (projective) real image under the logarithmic Gauss map.
With respect to the approximation of amoebas one is in particular interested in deciding membership, i.e., whether a given point \mathbf{w} \in \R^n is contained in a given amoeba \mathcal{A}(f). We show that this problem can be traced back to a semidefinite optimization problem (SDP), basically via usage of the Real Nullstellensatz. This SDP can be implemented and solved with standard software (we use SOSTools and SeDuMi here). As main theoretic result we show that, from the complexity point of view, our approach is at least as good as Purbhoo's approximation process (which is state of the art).
Ribosome biogenesis is best understood in the yeast Saccharomyces cerevisiae. In human or mammalian ribosome biogenesis, it has been shown that basic principles are conserved to yeast, but additional features have been reported. Our understanding about the interplay between proteins and RNA in human ribosome biogenesis is far from complete.
The present study focused on the analysis of the human ribosome biogenesis co-factors PWP2, EMG1 and Exportin 5 (XPO5) to understand the degree of conservation of ribosome biogenesis. The proteins were characterized in respect to their localization and interaction partners. For the early 90S co-factor, PWP2, it was possible to pull down and identify the human UTP-B complex with MALDI mass spectrometry. Besides the orthologues of the members of this complex known in yeast (TBL3, WDR3, WDR36, UTP6, UTP18), the human UTP-B complex is not only conserved from yeast to humans, but contains also additional components, like the DEAD-box RNA helicase DDX21, which lacks a yeast orthologue. DDX21 was localized to the nucleus, assembled to the native UTP-B complex and co-precipitated also with other UTP-B complex members, presumably extending the functions of this complex in ribosome biogenesis.
This phenomenon was also observed for the 90S co-factor EMG1, an RNA methyltransferase, whose mutant form causes the Bowen-Conradi syndrome, if aspartic acid is mutated to glycine at position 86. This study revealed that the mutant, EMG1-D86G, clearly lost its nucleolar localization and co-precipitated to histones for unknown reasons.
A participation of the nuclear export receptor XPO5 in human ribosome biogenesis was shown in this study. Pulldown analysis, sucrose density gradients and UV crosslinking and analysis of cDNAs of XPO5 revealed the involvement of XPO5 in pre-60S subunit maturation. Moreover, besides the known pre-miRNAs and tRNAs as substrates for nuclear export, XPO5 crosslinked to snoRNAs. XPO5 was further demonstrated to interact with the miRNA Let-7a, which has an important regulatory function for MYC, a transcription factor required for ribosome biogenesis.
All results support a role of these proteins in human ribosome biogenesis and therefore it seems that the biogenesis of ribosomes in human cells requires additional components, like DDX21 and XPO5.