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"Stellen Sie sich vor, wir könnten einzelne Zellen mit einer Art Fernbedienung von außen steuern", träumt Ralph Wieneke, Juniorgruppenleiter in der Zellulären Biochemie. Licht als Steuerungsquelle habe entscheidende Vorteile, schildert Institutsleiter Robert Tampé: "Es schadet Zellen nicht und kann schnell und sehr genau reguliert werden." Von ihrem Ziel ist die Arbeitsgruppe gar nicht so weit entfernt.
Um das komplizierte Geschehen in der Zelle entschlüsseln zu können, blockieren Forscher oft bestimmte Proteine oder Gene. Eine moderne und elegante Methode besteht darin, Lichtaktivierbare Moleküle als "Schalter" zu verwenden. Die Gruppe von Alexander Heckel entwickelt maßgeschneiderte Moleküle für Biologen, Biochemiker oder Mediziner.
In recent years, there have been prominent calls for a new social contract that accords a more central role to citizens in health research. Typically, this has been understood as citizens and patients having a greater voice and role within the standard research enterprise. Beyond this, however, it is important that the renegotiated contract specifically addresses the oversight of a new, path-breaking approach to health research: participant-led research. In light of the momentum behind participant-led research and its potential to advance health knowledge by challenging and complementing traditional research, it is vital for all stakeholders to work together in securing the conditions that will enable it to flourish.
Ceraceosorus bombacis is an early-diverging lineage of smut fungi and a pathogen of cotton trees (Bombax ceiba). To study the evolutionary genomics of smut fungi in comparison with other fungal and oomycete pathogens, the genome of C. bombacis was sequenced and comparative genomic analyses were performed. The genome of 26.09 Mb encodes for 8,024 proteins, of which 576 are putative-secreted effector proteins (PSEPs). Orthology analysis revealed 30 ortholog PSEPs among six Ustilaginomycotina genomes, the largest groups of which are lytic enzymes, such as aspartic peptidase and glycoside hydrolase. Positive selection analyses revealed the highest percentage of positively selected PSEPs in C. bombacis compared with other Ustilaginomycotina genomes. Metabolic pathway analyses revealed the absence of genes encoding for nitrite and nitrate reductase in the genome of the human skin pathogen Malassezia globosa, but these enzymes are present in the sequenced plant pathogens in smut fungi. Interestingly, these genes are also absent in cultivable oomycete animal pathogens, while nitrate reductase has been lost in cultivable oomycete plant pathogens. Similar patterns were also observed for obligate biotrophic and hemi-biotrophic fungal and oomycete pathogens. Furthermore, it was found that both fungal and oomycete animal pathogen genomes are lacking cutinases and pectinesterases. Overall, these findings highlight the parallel evolution of certain genomic traits, revealing potential common evolutionary trajectories among fungal and oomycete pathogens, shaping the pathogen genomes according to their lifestyle.
Background: Due to the large amount of data produced by advanced microscopy, automated image analysis is crucial in modern biology. Most applications require reliable cell nuclei segmentation. However, in many biological specimens cell nuclei are densely packed and appear to touch one another in the images. Therefore, a major difficulty of three-dimensional cell nuclei segmentation is the decomposition of cell nuclei that apparently touch each other. Current methods are highly adapted to a certain biological specimen or a specific microscope. They do not ensure similarly accurate segmentation performance, i.e. their robustness for different datasets is not guaranteed. Hence, these methods require elaborate adjustments to each dataset.
Results: We present an advanced three-dimensional cell nuclei segmentation algorithm that is accurate and robust. Our approach combines local adaptive pre-processing with decomposition based on Lines-of-Sight (LoS) to separate apparently touching cell nuclei into approximately convex parts. We demonstrate the superior performance of our algorithm using data from different specimens recorded with different microscopes. The three-dimensional images were recorded with confocal and light sheet-based fluorescence microscopes. The specimens are an early mouse embryo and two different cellular spheroids. We compared the segmentation accuracy of our algorithm with ground truth data for the test images and results from state-of-the-art methods. The analysis shows that our method is accurate throughout all test datasets (mean F-measure: 91%) whereas the other methods each failed for at least one dataset (F-measure≤69%). Furthermore, nuclei volume measurements are improved for LoS decomposition. The state-of-the-art methods required laborious adjustments of parameter values to achieve these results. Our LoS algorithm did not require parameter value adjustments. The accurate performance was achieved with one fixed set of parameter values.
Conclusion: We developed a novel and fully automated three-dimensional cell nuclei segmentation method incorporating LoS decomposition. LoS are easily accessible features that ensure correct splitting of apparently touching cell nuclei independent of their shape, size or intensity. Our method showed superior performance compared to state-of-the-art methods, performing accurately for a variety of test images. Hence, our LoS approach can be readily applied to quantitative evaluation in drug testing, developmental and cell biology.
Mitochondrial respiratory supercomplexes (mtRSCs) are stoichiometric assemblies of electron transport chain (ETC) complexes in the inner mitochondrial membrane. They are hypothesized to regulate electron flow, the generation of reactive oxygen species (ROS) and to stabilize ETC complexes. Using the fungal ageing model Podospora anserina, we investigated the impact of homologues of the Saccharomyces cerevisiae respiratory supercomplex factors 1 and 2 (termed PaRCF1 and PaRCF2) on mtRSC formation, fitness and lifespan. Whereas PaRCF2’s role seems negligible, ablation of PaRCF1 alters size of monomeric complex IV, reduces the abundance of complex IV-containing supercomplexes, negatively affects vital functions and shortens lifespan. PaRcf1 overexpression slightly prolongs lifespan, though without appreciably influencing ETC organization. Overall, our results identify PaRCF1 as necessary yet not sufficient for mtRSC formation and demonstrate that PaRCF1-dependent stability of complex IV and associated supercomplexes is highly relevant for maintenance of the healthy lifespan in a eukaryotic model organism.
Photosynthese zwischen Überfluss und Mangel : wie Kieselalgen sich Lichtintensitäten anpassen
(2015)
Kieselalgen können auf hocheffiziente Weise Energie aus dem Sonnenlicht gewinnen. So überleben sie selbst lange Dunkelphasen im Meer. Doch wie schützen sie sich vor zu viel Strahlung, wenn Wind und Strömung sie in seichtes Wasser oder an die Oberfläche treiben? Dahinter steckt ein cleverer Regulations-Mechanismus.
The mammalian family of bears (Ursidae) comprises eight extant species, occurring on four different continents. Among them are the iconic and well-known brown and polar bears, both widely distributed across the Northern hemisphere. Their intraspecific genetic structuring has been extensively investigated, albeit with a focus on genetic markers from maternally inherited parts of their genomes (mitochondrial DNA). The evolutionary relationship and divergence time between brown and polar bears have recently triggered an extensive debate, while less focus has been put on to other parts of the ursid phylogeny, particularly to a clade of three Asian bear species. To date, whole genomes of more than 100 bear individuals from four different species have been sequenced. Yet, one fundamental part of the genome has been largely omitted from specific analyses, in bears as well as in most other mammals: the Y chromosome.
The mammalian Y chromosome provides a unique perspective on the evolutionary history of organisms due to its distinct features, and specifically reflects the patriline because of its male-specific inheritance. The characteristics of this chromosome make it well suited to complement and contrast evolutionary inferences based on other genetic markers, and to uncover processes like sex-biased gene flow and hybridization. The unique insights that can be gained from analyses of Y-linked genetic variation made me utilize this part of the genome to investigate the evolution of male lineages in bears. Studying the patriline is particularly promising in this taxonomic group because of male-biased dispersal and a complex and fast radiation of bears. The analysis of Y-chromosomal genetic markers is thus the common theme of this dissertation: I present the identification of large amounts of Y-chromosomal sequence, the development of male-specific markers from such sequences, and the application of these markers to trace the evolution of male lineages of different bear species.
Specifically, I developed a molecular sex determination system based on the detection of two Y-linked fragments that allows to reliably discriminate between females and males from seven different bear species (Bidon et al. 2013). The approach is highly sensitive, bear-specific, and can be applied in standard molecular laboratories. This makes it valuable in conservation genetics and forensic applications, e.g. to analyze non-invasively collected samples.
Furthermore, I used Y-linked markers in a comprehensive and range-wide sample of brown and polar bears, and show that male-biased gene flow plays an important role in distributing genetic material throughout the ranges of both species (Bidon et al. 2014). In brown bears, I detected a lack of paternal population structuring which is in strong contrast to the detailed structuring of the matriline.
Analyzing Y-chromosomal sequences from all eight bear species, I present a phylogeny of the patriline that largely resembles the topology from other nuclear markers but is different from the topology of the mitochondrial gene tree (Kutschera et al. 2014). This discordance among loci generates interesting hypotheses about inter-species gene flow, particularly among American and Asiatic black bears.
With the identification of almost two million basepairs of Y-chromosomal sequence and the analysis of an unprecedented large male-specific dataset in polar bears, a high-resolution view on the distribution of their intraspecific variation was obtained (Bidon et al. 2015). In particular, two clades that are divergent but do not show pronounced phylogeographic structure were detected, confirming the great dispersal capacity of males of this high arctic species.
This dissertation thus represents a comprehensive investigation of Y-linked genetic variation on the intra- and interspecific level in a non-model organism. With my research, I contribute to an increased understanding of the complex evolutionary history of bears. In particular, I show that male-biased gene flow strongly influences the distribution of nuclear genetic variation, and that the contrast between phylogenies of differentially inherited markers can help to understand interspecific hybridization between closely related species. Moreover, my findings demonstrate the potential of Y-chromosomal markers to uncover unknown evolutionary patterns and processes. This applies not only to bears but to many species, even such that are generally well known and well described.
Network graphs have become a popular tool to represent complex systems composed of many interacting subunits; especially in neuroscience, network graphs are increasingly used to represent and analyze functional interactions between multiple neural sources. Interactions are often reconstructed using pairwise bivariate analyses, overlooking the multivariate nature of interactions: it is neglected that investigating the effect of one source on a target necessitates to take all other sources as potential nuisance variables into account; also combinations of sources may act jointly on a given target. Bivariate analyses produce networks that may contain spurious interactions, which reduce the interpretability of the network and its graph metrics. A truly multivariate reconstruction, however, is computationally intractable because of the combinatorial explosion in the number of potential interactions. Thus, we have to resort to approximative methods to handle the intractability of multivariate interaction reconstruction, and thereby enable the use of networks in neuroscience. Here, we suggest such an approximative approach in the form of an algorithm that extends fast bivariate interaction reconstruction by identifying potentially spurious interactions post-hoc: the algorithm uses interaction delays reconstructed for directed bivariate interactions to tag potentially spurious edges on the basis of their timing signatures in the context of the surrounding network. Such tagged interactions may then be pruned, which produces a statistically conservative network approximation that is guaranteed to contain non-spurious interactions only. We describe the algorithm and present a reference implementation in MATLAB to test the algorithm’s performance on simulated networks as well as networks derived from magnetoencephalographic data. We discuss the algorithm in relation to other approximative multivariate methods and highlight suitable application scenarios. Our approach is a tractable and data-efficient way of reconstructing approximative networks of multivariate interactions. It is preferable if available data are limited or if fully multivariate approaches are computationally infeasible.
Die Spinozerebelläre Ataxie Typ 2 (SCA2) ist eine autosomal dominant vererbte neurodegenerative Krankheit, welche durch die Expansion des Trinukleotids Cytosin-Adenin-Guanin von ~22/23 auf >32 im Ataxin-2 Gen (ATXN2) verursacht wird. Dieses Trinukleotid codiert für die Aminosäure Glutamin weshalb SCA2 auch zu den Polyglutaminerkrankungen zählt. Zu dieser Gruppe zählen außerdem fünf weitere SCA-Subtypen sowie drei weitere neurodegenerative Erkrankungen, darunter die Huntington-Krankheit.
SCA2 wurde 1971 zum ersten Mal von Wadia und Swami beschrieben und unterscheidet sich von den anderen SCAs aufgrund der typischen Störung der sakkadischen Augenbewegungen. Weitere klinische Symptome von SCA2 sind Ataxie, Tremor, Dysmetrie, Dysarthrie, Hyporeflexie und Dysdiadochokinese. Die Symptome gehen auf einen neuronalen Verlust insbesondere im Cerebellum, aber auch in anderen Hirnregionen wie zum Beispiel dem Hirnstamm zurück.
Atxn2 wird in weiten Teilen des Zentralnervensystems aber auch in vielen nicht-neuronalen Geweben exprimiert. Es handelt sich um ein überwiegend cytoplasmatisch lokalisiertes Protein, welches im Gegensatz zu vielen anderen SCA-Proteinen cytoplasmatische und nur selten nukleäre Aggregate bildet. Die exakte Funktion von Atxn2 ist bisher unklar, es wurde allerdings mehrfach gezeigt, dass es in die mRNA Translation involviert ist aufgrund seiner Interaktion mit dem PolyA-bindenden Protein PABPC1.
Eine Expansion des Trinukleotids in Ataxin-2 kann nicht nur zu SCA2 führen, sondern stellt bei Wiederholungen zwischen 27 und 32 CAGs auch ein erhöhtes Risiko für eine Erkrankung an Amyotropher Lateralsklerose (ALS) und anderen neurodegenerativen Krankheiten dar. Eine Interaktion zwischen ATXN2 und dem ALS-verursachenden TDP43 (Tardbp) wurde bereits zahlreich beforscht, da Aggregate von ATXN2 in Motoneuronen des Rückenmarks von ALS-Patienten und aggregiertes TDP43 in SCA2-Neuronen beobachtet wurden.
Generell sind die Mechanismen, die zur Pathologie von SCA2 und ALS führen, noch weitgehend unklar. Ziel dieser Arbeit war es daher auf der einen Seite einen Einblick in den Pathomechanismus von SCA2 zu erhalten, indem mögliche oder bereits bekannte Interaktoren in etablierten Atxn2-Mausmodellen untersucht wurden. Auf der anderen Seite wurden zwei neue Mausmodelle charakterisiert, um ihre Eignung für die Erforschung von ALS und SCA2 zu prüfen.
Für den ersten Teil der Arbeit dienten Daten aus mehreren Transkriptomstudien von Atxn2-Knock-Out (KO) und Atxn2-CAG42-Knock-In (KIN) Mäusen als Grundlage. Konnten die Daten mit einer unabhängigen Methode bestätigt werden, folgten weitere Untersuchungen auf mRNA und Proteinebene sowie unter zusätzlicher Verwendung von Zellkultur und Patientenmaterial. Dadurch konnten neue Interaktionspartner von ATXN2 identifiziert und bereits bekannte in diesen Mausmodellen bestätigt werden.
So wurde zum Beispiel eine Interaktion von ATXN2 mit der E3-Ubiquitin-Protein-Ligasekomponente FBXW8 gezeigt und deren Beteiligung am Abbau von expandiertem ATXN2. Außerdem wurde eine Interaktion von FBXW8 mit dem bereits bekannten ATXN2-degradierenden Protein PARK2 gezeigt. Eine Hochregulierung des Fbxw8 Transkripts wurde sowohl im Atxn2-CAG42-KIN-Mausmodell als auch in SCA2-Patientenfibroblasten gefunden, während Park2 in keinem der Modelle signifikant veränderte Transkriptspiegel aufwies. Diese Daten belegen die Relevanz von Fbxw8 für den Abbau von moderat-expandiertem Atxn2 und begründen weitere Studien zur genauen Funktion dieses Proteins im Pathomechanismus von Atxn2.
Des Weiteren wurden diverse Kalziumhomöostasefaktoren untersucht, welche eine konsistente Herunterregulierung der Transkripte in beiden Mausmodellen aufwiesen. Auf Proteinebene zeigten sich jedoch Unterschiede zwischen den Modellen. Diese Daten belegen, dass zwar ähnliche Transkriptveränderungen im KIN- und KO-Modell auftreten, diesen aber vermutlich verschiedene Mechanismen zugrunde liegen. Welche Mechanismen dies genau sind bleibt zu klären, es ist jedoch wahrscheinlich, dass im KIN-Modell die Aggregatbildung sowie in beiden Modellen die Beteiligung von ATXN2 an der Translationregulation eine Rolle spielen. Die Ergebnisse dieser Studie unterstreichen die Relevanz des Ca2+ Signalwegs für die Entwicklung von SCA2.
Der zweite Teil der Arbeit beinhaltet die Charakterisierung einer ATXN2/TDP43 Doppelmutante auf Verhaltensebene sowie die gründliche Evaluierung des Phänotyps einer vollkommen neuen SCA2 Mausmutante. Während in der Doppelmutante trotz doppelter Genmutation nur ein sehr schwacher Phänotyp auf Verhaltensebene festgestellt werden konnte und bis zu einem Alter von 12 Monaten keine Potenzierung der Mutationen zu beobachten war, zeigte die Atxn2-CAG100-KIN Maus signifikante und früh auftretende Pathologie. Neben einer verminderten Überlebensrate, einem Gewichtsverlust und diversen motorischen Störungen, konnten auch Aggregate des mutierten Proteins in diversen Hirnregionen identifiziert werden. Der Atxn2-CAG100-KIN Phänotyp spiegelt die humanen Symptome daher recht gut wider, weshalb diese Mausmutante ein wertvolles Modell für die weitere SCA2-Forschung darstellt.
Zusammengefasst zeigt diese Arbeit die Bedeutung des ATXN2-Interaktors FBXW8 im SCA2-Mausmodell als auch im Patientenmaterial. Sie betont die Relevanz des Atxn2-KO-Modells in Bezug auf Störungen der Kalziumhomöostase und dokumentiert die Alters- und Gewebespezifität dieser Veränderungen. Außerdem beinhaltet sie die vorläufige Beschreibung eines kombinierten Atxn2/TDP43-Mausmodells und schließlich die ausführliche Charakterisierung eines vollkommen neuen und äußerst wertvollen SCA2-Mausmodells.