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Microsporidia are a group of parasites that infect a wide range of species, many of which play important roles in agriculture and human disease. At least 14 microsporidian species have been confirmed to cause potentially lifethreatening infectious diseases in both immunocompromised and immunocompetent humans. Approximately 1,400 species of microsporidia have been described. Depending on their host and habitat they are classified into three groups, the aquasporidia, the terresporidia and the marinosporidia.
Microsporidia were originally classified as fungi by Naegeli (1857). However, their lack of typical eukaryotic components – such as mitochondria, Golgi bodies or peroxisomes – suggested to place the microsporidia together with other amitochondriate protists within the Archezoa kingdom. This "microsporidia-early" hypothesis was further supported by molecular phylogenies inferred from individual genes. Despite this evidence, the placement of microsporidia as an early branching eukaryote remained a topic for debate. The phylogeny of microsporidia is prone to suffer from biases in their reconstruction. The high evolutionary rate of microsporidian proteins tends to place these proteins together with other fast evolving lineages, a phenomenon known as long-branch attraction. In 1996, the first molecular phylogenetic studies placed the microsporidia inside the fungi.
Subsequently, several further studies located the microsporidia at different positions inside the fungal clade. Since then, microsporidia have been considered as members of the Ascomycota, Zygomycota, Cryptomycota, or as a sister group to the Ascomycota and Basidiomycota, or even as the sister group of all fungi.
The difficulties in determining the evolutionary origin of microsporidia are not only caused by their lack of several cellular components but also by their reduced genomes and metabolism. Being obligate intracellular parasites, microsporidia successfully reduced their genome sizes, down to the range of bacteria. As the smallest eukaryotic genome described so far, the genome of Encephalitozoon intestinalis is just 2.3 Mbp, about half the size of the one of Escherichia coli. Due to their low number of protein coding genes (less than 4,000), microsporidia are thought to retain only genes essential for their survival and development. Furthermore, several key metabolic pathways are missing in the microsporidia, such as the citric acid cycle, oxidative phosphorylation, or the de novo biosynthesis of nucleotides. As a result they are in an obligatory dependence on many primary metabolites from the hosts. However, the presence of hsp70 protein suggests a more complex genome of the microsporidian ancestor. Consequently, the small microsporidian genomes and the reduced metabolism would be consequences of a secondary loss process that molded the contemporary microsporidia from a functionally more complex ancestral species. However, it remains unclear whether the last common ancestor (LCA) of the microsporidia was already reduced, or whether the genome compaction was lineage-specific and started from a more complex LCA.
We investigated the evolutionary history of the contemporary microsporidia through the reconstruction and analysis of their LCA. As a first step in our analysis, we have developed and implemented a software facilitating an intuitive data analysis of the large presence absence-patterns resulting from the tracing of microsporidian proteins in gene sets of many different species. These so called phylogenetic profiles can now be dynamically visualized and explored with PhyloProfile. The software allows the integration of other additional information layers into the phylogenetic profile, such as the similarity of feature architecture (FAS) between the protein under study and its orthologs. The FAS score can be displayed along the presence-absence pattern, which can help to identify orthologs that have likely diverged in function. PhyloProfile closes the methodological gap that existed between tools to generate large phylogenetic profiles to delineate the evolutionary history and the contemporary distribution of large – and ultimately complete – gene sets, and the more function-oriented analysis of individual protein. In the next step we tackled the problem of how to transfer functional annotation from one protein to another. We have developed HamFAS that integrates a targeted ortholog search based on the HaMStR algorithm with a weighted assessment of feature architecture similarities (FAS) between orthologs. In brief, for a seed protein we identify orthologs in reference species in which proteins have been functionally annotated based on manually curated assignments to KEGG Ortholog (KO) groups. The FAS scores between the orthologs and seed proteins are calculated. Subsequently, we compute pairwise FAS scores for all reference proteins within a KO group. A group's mean FAS score serves then as cutoff that must be exceeded to warrant transfer of its KO identifier to the seed. A benchmark using a manually curated yeast protein set showed that HamFAS yields the best precision (98.5%) when compared with two state-of-the-art annotation tools, KAAS and BlastKOALA. Furthermore, HamFAS achieves a higher sensitivity. On average HamFAS annotates almost 50% more proteins than KAAS or BlastKOALA.
With this extended bioinformatics toolbox at hand, we aimed at reconstructing the evolutionary history of the microsporidia. We generated a robust phylogeny of microsporidia using a phylogenomics approach. As a data basis, we identified a set of microsporidian proteins encoded by 80 core genes with one-to-one orthologs. A maximum likelihood analysis of this data
with 48 fungi and additionally in 13 species from more distantly related such as animals and plants combined in a supermatrix strongly supported the hypothesis that microsporidia form the sister group of the fungi. We confirmed that the data explains this microsporidia-fungi relationship significantly better than any other of the previously proposed phylogenetic hypotheses.
On the basis of this phylogeny, and of the phylogenetic profiles of microsporidian proteins, we then focused on reconstructing the dynamics microsporidian genome evolution. Between 2% of the proteins in the compact microsporidia Encephalitozoon intestinalis and up to 49% of the proteins of Edhazardia aedis are private for individual microsporidian species. A comparison of the sequence characteristics of these proteins to that of proteins with orthologs in other microsporidian species revealed individual differences. Yet, without further evidences it remains unclear whether these private genes are indeed lineage-specific innovations contributing to the adaptation of each microsporidium to its host, or whether these are artifacts introduced in the process of gene annotation. A total of 14,410 microsporidian proteins could then be grouped into 1605 orthologous groups that can be traced back to the last common ancestor of the microsporidia (LCA set). We found that 94% of the microsporidian LCA proteins could be tracked back to the last eukaryotic common ancestor. The high evolutionary age of these proteins, together with the resistance against gene loss in the microsporidia suggests that the corresponding functions are essential for eukaryotic life. Further 3% of the LCA proteins could be dated to the common ancestor microsporidia share with the fungi. Only 3% of the LCA proteins appear as microsporidia specific inventions. These proteins are potentially of importance for the evolutionary of the obligate parasitic lifestyle nowadays shared by all microsporidia.
The functional annotation and metabolic pathway analysis of the microsporidian LCA protein set gave us more insight into the adaptation of the microsporidia to their parasitic lifestyle and the origin of the microsporidian genome reduction. The presence of E1 and E3 components of the pyruvate dehydrogenase complex and the mitochondrial hsp70 protein support an ancestral presence of mitochondria in the ancestral microsporidia. In addition, several ancient proteins that complement gapped metabolic pathways were found in the microsporidian LCA. They suggested a more complex genome and metabolism in the LCA. However, our reconstruction of the metabolic network of the microsporidian LCA still lacks many main pathways. For example, the TCA cycle for effective energy production, and key enzymes that are required for in vivo synthesis of critical metabolites like purines and pyrimidines appear absent. We therefore find that the parasitic lifestyle and the genome reduction already occurred in the microsporidian LCA. This ancestral state was followed by further losses and gains during the evolution of each individual microsporidian lineage.
This thesis presents the first measurement of the proton capture reaction on the isotope 124Xe performed in inverse kinematics. The experiment was carried out in June 2016 at the Experimental Storage Ring (ESR) at the GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research in Darmstadt, Germany.
124Xe is one of about 35 p-nuclei that cannot be produced via neutron-induced nucleo- synthesis as the vast majority of heavy elements. Its production and destruction provide important information about the nucleosynthesis of the p-nuclei. Measuring the 124Xe(p,g)125Cs reaction also gives strong constraints for its reverse 125Cs(g,p)124Xe reaction.
Fully stripped 124Xe ions repeatedly passed a H2 gas jet target at five different energies between 5.5 MeV/u and 8 MeV/u. An electron cooler compensated for the energy loss in the target and reduced the beam momentum spread. The reaction product 125Cs55+ has a smaller magnetic rigidity than 124Xe54+. Therefore 125Cs55+ was deflected towards smaller radii in the first dipole after the target area and thereby separated from 124Xe54+. It was detected with a position-sensitive Double-Sided Silicon Strip Detector (DSSSD). The novelty of this experiment was the installation of the DSSSD inside the ultra-high vacuum of the storage ring using a newly designed manipulator.
Three High-Purity Germanium X-ray detectors were used to measure the X-rays following the Radiative Electron Capture (REC) events into 124Xe53+. The REC cross sections are well-known and were used to determine the luminosity.
The 124Xe(p,g)125Cs cross sections at ion beam energies between 5.5 MeV/u and 8 MeV/u were determined relatively to the K-REC cross sections and finally compared to the theoretically predicted cross sections. While theoretical predictions of the TENDL database are lower than the measured ones by a factor of up to seven, the NON-SMOKER data are higher by a factor of up to two, except of the cross section at 7 MeV/u, where NON-SMOKER data are slightly lower than the experimental value.
For the first time, a proton capture cross section could be measured in inverse kinematics close to the astrophysically relevant Gamow window. This allows the direct determination of the (p,g) cross section of isotopes with half-lives down to several minutes, which is not possible with any other technique.
In this thesis we work on the theoretical description of relativistic heavy-ion collisions, focussing on electromagnetic probes. We present mainly four topics: electric conductivity and diffusion properties of the hot plasma and hadronic matter, response of the quark-gluon plasma to external magnetic fields, direct photon production in the quark-gluon plasma and a study about initial and final state effects in small systems. The latter topic aims, i.a., at a better understanding of the initial state, which is crucial for electromagnetic probes. In all research areas we make use of the Boltzmann transport equation, whereby the presented methods provide analytical and numerical solutions. We pay particular attention to the construction of complete leading order photon production processes in numerical transport simulations of the quark-gluon plasma.
To begin with, our findings are the complete conserved charge diffusion matrix and electric conductivity. Those properties are important ingredients, e.g., for future simulations of baryon rich collisions. Next, we find that the influence of external magnetic fields to the QGP dynamics is not quantifiable in observables.
We present results for a variety of direct photon observables and we can partly explain experimental data. We emphasize the importance of the chemical composition and non-equilibrium nature of the medium to the direct photon puzzle. Lastly, we observe the interesting dynamic behavior of azimuthal correlations in small systems and identify signatures of the initial state in final observables. This will also be of interest for more precise simulations of electromagnetic probes and allows for various future studies.
Whereas many writers across all times and cultures have written about the potential aesthetic effects of music experiences which could be labeled as absorption, only limited empirical research has been done on the state aspects of this fascinating aspect of human involvement. What is more, there are still few tested models which explain how people can be absorbed by a piece of music as well as continue to be third-person observers monitoring and even reflecting on that same musical experience.
Adopting a dual process approach – in which human thinking, emotion, and routes to appraisal are defined in terms of an interplay between two distinct systems of psychological processing – this thesis aimed to examine a) the cognitive mechanisms underlying the paradox of losing oneself in the music on the one hand, and meta-awareness on the other, b) its corresponding psychophenomenological profile(s) when listening intentionally to self-chosen music, and c) the different potential of state and trait aspects of absorption and meta-awareness in predicting three indicators of the aesthetic response to music: enjoyment, lasting impression, and behavioral intention.
To this end, a quantitative empirical research method (state and trait questionnaires) was employed in a series of online surveys, using self-selected music as well as pre-determined music by the researcher as stimulus, together approaching a naturalistic listening setting.Aesthetic absorption was confirmed to be structured– in terms of dual process terminology – by intuitive type I and reflective type II processing. Two forms of music absorption were empirically
identified and labeled as zoning in and tuning in. These experience profiles distinguished themselves significantly in terms of the degree in which a music listener maintained his or her meta-awareness, assessed via volitional control, rationality, self-awareness, and memory of the previous event. The overall pattern of consciousness parameters of both types of absorbed listening are suggestive of a unique interchanging between brain networks for intuitive processing and areas related to self-reference, -awareness and -control. The distinction between zoning in and tuning in was further found to be strongly related to the quality of affective state.
These emotions modulate the experiential intensity of absorption, suggesting this experience to be an affect-biased type of attention. Based on the feelings-as-information theory, postulating that positive emotions are differently processed than negatively-tinted types of emotions, it was
concluded that music-induced rumination ‘competes’ with higher-order functions relevant to meta-awareness. From this perspective, the two found absorption types match conceptually with the positively-tinged self-reflection and negatively-tinged self-rumination as two different types of self-focused introspection. It was also shown that being absorbed by music is a continuous phenomenon; a matter of ‘more-or-less’ involvement rather than a ‘unique state of mind’. Consequently, determining ‘music absorbers’ is a matter of imprecise estimation rather than being marked by a clear observable onset. Finally, as expected, an absorbed state of mind - operationalized here as a multidimensional bifactor model – completely mediated the effect of trait absorption, and was a good predictor for enjoyment, lasting impression, and behavioral intention.
Whereas absorption and enjoyment were found to have a mutual positive effect on each other, absorption and meta-awareness were found to be unrelated to each other. Also, meta-awareness contributed little to aesthetic appreciation. The results confirm the need for a dynamic approach to the relationship between state absorption and enjoyment; the one-directional approach common in many research reports does not seem to fully capture the relationship between them. Taken together, this dissertation shows the potential of including the interplay between the trait and state constructs of absorption and meta-awareness in order to better understand the mechanisms underlying aesthetic experiences with music. The present work demonstrated that these two constructs should not be conflated. Moreover, this thesis underlined the power of absorption not only to evoke short-lived pleasurable experiences, but also to stimulate longlasting impressions. Knowing more about absorbed listening and its potential effects, learning to consciously recognize it as it happens, and perhaps regulate and maintain its positive consequences (i.e., savoring), could further improve the way we engage ourselves with music or other aesthetic objects. Only then could we engage in behavior that we’re sure would make us happy rather than seeking out experiences which we hope would make us happy.
In conclusion, I described for the first time the in vivo functions of PAK2 during cardiac development and its requirement for heart contractility
AIM1 – Characterization of Pak2a and Pak2b functions during cardiovascular system development: description of the phenotype triggered by the loss of expression of pak2b in the pak2a mutant Firstly, in addition to the confirmation of the published data regarding the pak2a mutant and morphant phenotype, I showed that pak2bbns159 mutant does not exhibit morphological defects, neither in the ISV formation nor in the brain vascular patterning. More importantly, I analyzed in more details the phenotypic consequences of pak2a and pak2b loss of expression in the trunk and brain vasculatures. Indeed, the lack of blood flow in the embryos, was associated with central arteries migration defects and reduced lumen in these central arteries and the ISVs. Moreover, pak2a and pak2b loss of expression resulted in cardiac failure.
AIM2 – Role of Pak2 on cardiac contractility From 40 -46 hpf, I found a weaker heart contractility in the pak2ami149/mi149;pak2bbns159/bns159. Although, the PAK proteins have been shown to impact the actin cytoskeleton organization, the heart morphological defects associated with the altered contractility, were not associated with acto-myosin filament reorganization. However, by analyzing in more details the structure of the sarcomeres, I was able to demonstrate that the proteins constituting the sarcomeres were strongly affected and showed an altered spatial organization. Then, I also described the effects of the loss of expression of both paralogs on the junctional protein localization. I demonstrated the loss of Pak2 function resulted in junction protein rearrangement in the cardiomyocytes in the pak2ami149/mi149;pak2bbns159/bns159 mutants at 40 and 46 hpf.
Thus, I was able for the first time to demonstrate in vivo PAK2 functions during cardiac development and its requirement for proper cardiac contractility activity.
AIM3 – Decipher mechanism of Pak2 signaling cascade involved during cardiac development Both pak2a and pak2b WT mRNAs were able to rescue the pak2ami149/mi149;pak2bbns159/bns159 mutant heart defects and the results indicated that these paralogs share overlapping function during cardiac development. Moreover, although I was not able to examine the control transgenic lines, myocardial and endothelial specific pak2a overexpression did not ameliorate the mutant cardiac deficiency. Thus,the absence of rescue by reactivating pak2a in cardiomyocytes indicates a non-cell autonomous function of Pak2a on cardiomyocytes.
For the first time, this study allowed to follow PAK2 in vivo functions during cardiovascular development. More importantly, its role on heart contractility regulation would enable further investigations to generate new tools for the treatment of cardiomyopathies.
Die vorliegende Untersuchung wurde mit dem Ziel durchgeführt, fördernde und hemmende Einflussfaktoren auf die Entstehung und Durchführung von translationaler Forschung näher bestimmen zu können. Dazu wurden im Verlauf der Forschung sechs Gruppen von möglichen Einflussfaktoren untersucht. Diese waren 1) externe politische, 2) institutsbezogene, 3) soziale (auf soziale Rollen und sozialen Status bezogene), 4) epistemische, 5) forschungskulturelle und 6) individuelle Faktoren.
Translationale Forschung wurde als Spezialform interdisziplinärer Forschung konzeptualisiert. Auch bei dieser wird Wissen aus mehr als einer wissenschaftlichen Disziplin herangezogen, um ein disziplinübergreifendes Problem zu lösen. Das Besondere an der translationalen Forschung ist jedoch, dass zusätzlich mindestens eine der beteiligten Disziplinen grundlagenorientiert und eine andere anwendungsorientiert ist. Der Vorteil besteht darin, dass fortan der Wissensbestand beider Disziplinen kombiniert werden kann. Ein Nachteil ergibt sich daraus, dass die Wissensbestände untereinander nicht ohne Weiteres anschlussfähig sind und eine „Übersetzung“ durch die unterschiedlichen Praxisbezüge der beteiligten Disziplinen erschwert wird. Die translationalen Forschung muss neben dieser noch einer weiteren Herausforderung begegnen: Denn sie gewinnt ihre Erkenntnisse unter Laborbedingungen, wo Umweltfaktoren praktisch keine Rolle spielen. Dadurch lassen sich ihre Ergebnisse nicht unbedingt in die klinische Praxis transferieren. Kurz gesagt: Was im Labor eine bestimmte Wirkung erzielt hat, entfaltet diese Wirkung nicht automatisch am Patienten.
Im Rahmen der Dissertation wurden sechs translationale Forschungsprojekte aus Berlin-Buch aus der Zeit zwischen 1959 und 1989 untersucht. Aufgrund der in der DDR etablierten, staatlichen Überführungspolitik konnte insbesondere der Einfluss externen politischen Drucks auf diese Forschungsprojekte untersucht werden. Als Quellen dienten archivierte Akten, graue Literatur, zur damaligen Zeit publizierte Fachliteratur und Interviews mit Forschern, die damals an diesen Projekten beteiligt waren. Da es an soziologischer Literatur spezifisch zu translationaler Forschung bisher mangelt, wurden mehrere Einzelstudien aus der soziologischen und wissenschaftshistorischen Forschung herangezogen. Die Untersuchungsergebnisse erweitern den Forschungsstand zur interdisziplinären Forschung und zu Praxisbezügen von Forschung.
Die untersuchten Fallstudien zeigen exemplarisch, dass es die von der Staatsführung der DDR gewollten anwendungsorientierten medizinischen Forschungsprojekte auch in Berlin-Buch gegeben hat. Entgegen der Erwartung zeigen sie aber auch, dass translationale Forschung nicht speziell gefördert (mit Ressourcen oder einem besonderen Commitment) wurde und es somit oft vom Zufall abhängig war, ob diese (vorzeitig) beendet wurde oder nicht. Darüber hinaus konnten Anhaltspunkte dafür gefunden werden, dass translationale Forschung im Wesentlichen auf epistemischen (fachlichen) Schnittstellen beruht, die von anwendungsorientierten Biomedizinern meist aus persönlichem Interesse aufgegriffen werden, wenn sie als solche erkannt werden und wenn entsprechende Ressourcen zur Forschung zur Verfügung stehen.
Somit konnte widerlegt werden, dass das so genante „Translationsproblem“ darauf zurückzuführen ist, dass Kliniker und Forscher kein Interesse haben, miteinander zu kommunizieren oder zu forschen. Ein Problem stellt lediglich dar, dass epistemische Schnittstellen meist zufällig (oft als Nebenprodukte von disziplinärer Forschung) sichtbar werden und es an kurzfristig verfügbaren Ressourcen fehlen kann, um diesen nachzugehen. Hinzu kommt der erhöhte Aufwand, der sich durch das Einbeziehen von Forschern aus anderen Disziplinen ergibt und das vergleichsweise hohe Risiko, dass medizinische Anwendungen, die auf translationaler Forschung aufbauen, unter komplexen Umweltbedingungen (am Patienten) nicht mehr die gewünschte Wirkung entfalten. Die untersuchten Fallstudien haben jedoch auch gezeigt, dass translationale Infrastrukturen und regelmäßiges Peer Review Forschern dabei helfen können, Ergebnisse translationaler Forschung auf ihre Tauglichkeit in der Klinik zu prüfen. Das Risiko des Scheiterns lässt sich jedoch nicht vollständig ausschließen.
Seit einigen Jahren ist bekannt, dass Sphingolipide nicht nur eine strukturgebende Funktion in der Plasmamembran aufweisen, sondern ebenfalls als Botenstoffe intra- und extrazellulär aktiv sind. Sphingosin-1-Phosphat (S1P) bildet dabei einen Schlüssel-Metaboliten, da es verschiedene Zellfunktionen wie Wachstum und Zelltod beeinflusst. Es wird durch zwei Isoformen der Sphingosinkinasen, SK1 und SK2, gebildet. Die SK1 wurde bereits gut untersucht und es konnte gezeigt werden, dass sie eine wichtige Rolle beim Zellwachstum einnimmt und einen entscheidender Regulator bei inflammatorischen Erkrankungen und Krebs darstellt. Über die SK2 ist soweit wenig bekannt und die Ergebnisse sind zum Teil kontrovers. Sowohl pro-proliferative als auch anti-proliferative Funktionen der SK2 wurden beschrieben. Andererseits handelt meine Arbeit von Nierenfibrose, da beschrieben wurde, dass Sphingolipide einen wichtigen Einfluss auf die Entwicklung chronischer Nierenerkrankungen nehmen. Nierenfibrose stellt das Endstadium chronischer Nierenerkrankungen dar und führt zu einer Akkumulation der Extrazellulärmatrix, Organvernarbung und zum Verlust der Nierenfunktion. Die SK1 spielt dabei eine protektive Rolle bei der Entstehung von Nierenfibrose. Deshalb sollte in dieser Arbeit die Rolle der Sk2 bei der Entstehung von Nierenfibrose untersucht werden.
Im ersten Teil meiner Arbeit wurde das Mausmodell der unilateralen Ureterobstruktion (UUO) verwendet, welches zur Entwicklung einer tubulointerstitiellen Nephritits und nachfolgender Fibrose führt. Es konnte dabei gezeigt werden, dass sowohl die Protein-Expression als auch die Aktivität der SK2 im fibrotischen Nierengewebe gesteigert wurden. Allgemein wiesen die SK2-/--Mäuse eine verminderte Fibrose in Folge des UUO auf im Vergleich zu den Wildtyp-Mäusen. Dies wurde bestätigt durch eine reduzierte Kollagenakkumulation, sowie eine verminderte Protein-Expression von Fibronektin-1, Kollagen-1, α-smooth muscle actin, connective tissue growth factor (CTGF) und Plasminogen-Aktivator-Inhibitor1 (PAI-1). Diese Effekte gingen einher mit einer gesteigerten Protein-Expression des inhibitorischen Smad7 und erhöhten Sphingosin-Spiegeln in SK2-/--UUO-Nieren. Auf mechanistischer Ebene vermindern die erhöhten Sphingosin-Spiegel die durch transforming growth factor-β (TGFβ) induzierte Kollagenakkumulation, die PAI-1- und CTGF-Expression, aber induzieren die Smad7-Expression in primären Nierenfibroblasten. In einem komplementären Versuch mit hSK2 tg-Mäusen wurde eine verstärkte Entstehung von Nierenfibrose mit erhöhter Kollagenakkumulation, sowie erhöhte Protein-Expressionen von Fibronektin-1, Kollagen-1, α-smooth muscle actin, CTGF und PAI-1 festgestellt. Die Smad7-Expression dagegen war vermindert.
Im zweiten Teil meiner Arbeit stand der glomeruläre Teil der Niere im Fokus und es wurde untersucht, ob die Überexpression der SK2 zu einer phänotypischen Veränderung der glomerulären Mesangiumzellen führt. Mesangiumzellen wurden dazu aus den hSK2 tg-Mäuse isoliert und charakterisiert. Es konnte gezeigt werden, dass hSK2 und mSK2 in den transgenen Zellen hauptsächlich in der zytosolischen Fraktion lokalisiert sind, während S1P ausschließlich im Kern akkumulierte. Weiterhin konnte eine verminderte Proliferation unter normalen Wachstumsbedingungen der hSK2 tg-Zellen im Vergleich zu den Kontrollzellen beobachtet werden. Die Zellen reagierten auch sensitiver auf Stress-induzierte Apoptose. Auf molekularer Ebene konnte dies durch eine reduzierte ERK- und Akt/PKB-Aktivierung erklärt werden. Nach Staurosporin-Behandlung wurde Apoptose durch den intrinsischen, mitochondrialen Apoptosesignalweg induziert. Dabei konnte eine reduzierte anti-apoptotische Bcl-xL-Expression und vermehrte Prozessierung von Caspase-9 und Caspase-3 und PARP beobachtet werden.
Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass eine verminderte tubulointerstitielle Fibrose-Entstehung durch die Deletion der SK2, sowie anti-proliferative und Apoptose-induzierende Effekte durch die SK2 in Mesangiumzellen nachgewiesen werden konnten. Somit könnten SK2-Inhibitoren die Entstehung tubulointerstitieller Fibrose und mit Proliferation assoziierte Erkrankungen wie mesangioproliferative Glomerulonephritis positiv beeinflussen.
The purpose of this thesis is to achieve two highly interconnected yet distinct tasks. On the one hand, the thesis explains how foreign investment insurance works by focusing on the law governing the relationships between involved actors. On the other hand, it provides a critique of the operation of foreign investment insurance as an investment protection instrument by mainly drawing on critical studies of the investment protection regime.
The main question this thesis attempts to answer is how foreign investment insurance works. I construe foreign investment insurance as a typical insurance product and focus on the operation of insurance arrangements from a legal perspective. Ideas about how insurance should be deployed in any given social, political or economic context are instrumental in the development of insurers, insurance products and insurance techniques. The thesis examines investment insurers, the products they offer and their techniques to identify and deal with so-called political risks.
Another important question concerns the notion of political risk. What are considered political risks in the context of investment insurance and how are they conceptualized by investment insurance providers? Investment insurers have largely adopted a business-oriented political risk definition which denotes governmental intervention in foreign investment as political risk without regard to the objectives of government actions. Descriptive studies explain political risk by replicating investment insurers’ categorization of basic coverages that include expropriation, currency inconvertibility and remittance transfer restrictions, political violence and breach of contract. Yet recent studies have increasingly provided in-depth analyses on the notion of political risk as well as on the specific categories of political risk, particularly expropriation. The thesis draws on these studies to critically discuss the concept of political risk as it is used by investment insurance providers.
I focus on foreign investment insurance provided by OPIC and MIGA due to their mandate to promote economic development in the capital-importing countries and for their historical role as the major providers of investment insurance. While focus is on MIGA and OPIC, the thesis offers a general account of the operation of foreign investment insurance by incorporating the available information on investment insurance industry and the international governance of investment insurance. The central issues explored in this thesis such as the principle of subrogation and the notion of political risk help me generalize the study as these issues are characterized similarly with respect to each public investment insurance provider.
The case studies and most examples in this thesis are based on expropriation risk insurance.
Precise timing of spikes between different neurons has been found to convey reliable information beyond the spike count. In contrast, the role of small phase delays with high temporal variability, as reported for example in oscillatory activity in the visual cortex, remains largely unclear. This issue becomes particularly important considering the high speed of neuronal information processing, which is assumed to be based on only a few milliseconds, or oscillation cycles within each processing step.
We investigate the role of small and imprecise phase delays with a stochastic spiking model that is strongly motivated by experimental observations. Within individual oscillation cycles the model contains only two signal parameters describing directly the rate and the phase. We specifically investigate two quantities, the probability of correct stimulus detection and the probability of correct change point detection, as a function of these signal parameters and within short periods of time such as individual oscillation cycles.
Optimal combinations of the signal parameters are derived that maximize these probabilities and enable comparison of pure rate, pure phase and combined codes. In particular, the gain in detection probability when adding imprecise phases to pure rate coding increases with the number of stimuli. More interestingly, imprecise phase delays can considerably improve the process of detecting changes in the stimulus, while also decreasing the probability of false alarms and thus, increasing robustness and speed of change point detection.
The results are applied to parameters extracted from empirical spike train recordings of neurons in the visual cortex in response to a number of visual stimuli. The results suggest that near-optimal combinations of rate and phase parameters can be implemented in the brain, and that phase parameters could particularly increase the quality of change point detection in cases of highly similar stimuli.
Systemerkrankungen der arteriellen Gefäße stellen eine häufige Todesursache in Deutschland und der westlichen Welt dar. Hierbei sind vor allem die auf Grundlage von Arteriosklerose entstehende Koronare Herzerkrankung sowie der Myokardinfarkt zu nennen. Ursache des Myokardinfarktes ist eine Minderperfusion und damit bedingte Ischämie des Myokardgewebes. Ziel einer jeden Minderperfusion ist die therapeutisch schnellstmögliche Reperfusion. Ischämie- und Hypoxie-bedingt entstehen hierbei durch inflammatorische Prozesse, Ansammlung toxischer Metabolite, veränderter Protein-Expressionsmuster sowie durch das reperfundierende Blut der sogenannte Ischämie-Reperfusionsschaden. Dieser komplexe Effekt lässt sich über dem hinaus auch bei Organtransplantationen beobachten.
Die vorliegende Arbeit beschreibt den Versuch den Ischämie-Reperfusionsschaden durch den Einfluss von mTOR-Inhibition im humanen Gefäßmodel zu quantifizieren. Hierbei wurden die mTOR-Inhibitoren Sirolimus und Everolimus verwendet. Beide Immunsuppressiva finden aktuell unter anderem klinische Anwendung nach Organtransplantationen. Bereits in einigen Studien konnten positive Effekte von Sirolimus als auch Everolimus auf den Ischämie-Reperfusionsschaden nachgewiesen werden. Dieser Versuch sollte nun weitere zielführende Erkenntnisse hinsichtlich mTOR-Inhibition und proinflammatorischer Prozesse sowie der Expression von Zell-Adhäsionsmolekülen im humanen Gefäßmodell liefern. Ebenso sollte die Qualität des Bioreaktors als adäquates Humangefäß-Perfusionsmodell evaluiert werden.
Als Versuchsgrundlage wurde hierbei eine Ischämiezeit der Gefäße von vier bis fünf Stunden festgelegt. Die verwendeten Gefäße wurden in der Folge nach standardisierten Kriterien (Präoxygenierung, Heparinisierung, 37° Grad Celsius Temperatur, Blutgruppe AB Rhesusfaktor negativ, Hämatokritwert 30%) zwei Stunden lang mittels Vollblut im Bioreaktormodel reperfundiert. Unterschieden wurde hierbei eine Gefäßkontrollgruppe (n=7), von einer Sirolimus-Gruppe (n=6, standardisierte Blutkonzentration 10ng/ml) und einer Everolimus-Gruppe (n=7, standardisierte Blutkonzentration 5 ng/ml). Nach standardisierten Zeitpunkten der Reperfusion (0 Minuten, 15 Minuten, 30 Minuten, 60 Minuten und 120 Minuten) wurden jeweils Blutproben dem simulierten Kreislauf entnommen. Mittels Blutgasanalyse wurde über die Bestimmung des Sauerstoffpartialdrucks, des Kohlendioxidpartialdrucks sowie des pH-Wertes eine qualitative Evaluierung des Bioreaktors als humanes Gefäßmodel vorgenommen. Des Weiteren dienten die Blutproben zur Erfassung der proinflammatorischer Marker Interleukin-6, TNF-α, sowie VEGF während der unterschiedlichen Zeitpunkte der Blutentnahme. Nach Beendigung der Reperfusion wurden Gefäßproben mittels immunhistochemischen Verfahren auf die Expression der Zell-Adhäsionsmoleküle CD31 sowie CD11b hin untersucht.
Aufgrund durchgeführter Versuche konnte gezeigt werden, dass in der Kontrollgruppe die Interleukin-6- sowie VEGF-Spiegel signifikant im Zuge der Reperfusion anstiegen. Sirolimus als auch Everolimus konnten demgegenüber einen signifikanten Anstieg dieser proinflammatorischen Signalmoleküle verhindern. Im Vergleich des proinflammatorischen TNF-α konnte allerdings ein signifikanter Einfluss der mTOR-Inhibitoren nicht bestätigt werden. Hinsichtlich des Expressionsmusters konnte Sirolimus als auch Everolimus eine signifikante Reduktion von sowohl CD31-positiven als auch CD11b-positiven Zellen im Vergleich zur Kontrollgruppe aufzeigen.
In der Zusammenschau lässt sich aus den erhobenen Daten schlussfolgern, dass der Bioreaktor als humanes Gefäßmodell ein suffizientes Perfusionssystem darstellt. Sirolimus als auch Everolimus können über ihren Wirkungsmechanismus der mTOR-Inhibition einen Anstieg proinflammatorischen Moleküle zum Teil verhindern. Den größten Einfluss auf den Ischämie-Reperfusionsschaden nehmen Sirolimus als auch Everolimus hierbei mittels der Suppression von Zell-Adhäsionsmolekülen CD31 und CD11b.
Polyploidie in Prokaryoten
(2018)
Diese Arbeit teilt sich in drei Teile auf, die sich mit der Regulation der Polyploidie sowie mit der Genkonversion als evolutionären Vorteil von Polyploidie in Haloferax volcanii beschäftigen.
Im ersten Teil dieser Arbeit, wurde der Einfluss der DNA-Replikationsinitiatorproteine Orc1/Cdc6 auf das Ploidielevel untersucht. Hierbei konnte anhand von Deletionsmutanten zunächst gezeigt werden, dass lediglich drei der 16 Orc1/Cdc6-Proteine in H. volcanii essentiell sind. Bestimmung des Ploidielevels mittels qPCR-Analyse ergab, dass jedes der 12 untersuchten Orc1/Cdc6-Proteine das Ploidielevel mindestens eines Replikons beeinflusst und dementsprechend sowohl die mit einem Replikationsursprung assoziierten als auch die „verwaisten“ Orc1/Cdc6-Proteine eine Funktion haben. Die mit einem Replikationsursprung assoziierten Orc1/Cdc6-Proteine hatten hierbei keinen größeren Einfluss auf das Ploidielevel als die „verwaisten“. Zusätzlich konnte durch Wachstumsanalysen in Mikrotiterplatten gezeigt werden, dass die meisten Deletionsmutanten unter allen getesteten Bedingungen ein mit dem Wildtyp vergleichbares oder besseres Wachstum zeigen. Eine Deletionsmutante eines Orc1/Cdc6-Proteins hingegen zeigte nur verbessertes Wachstum bei Glukose als Kohlenstoffquelle, was ein Hinweis auf die Verwendung verschiedener Orc1/Cdc6-Proteine unter verschiedenen Bedingungen sein könnte. Zusätzlich wurden zwei mit dem Replikationsursprung assoziierte Orc1/Cdc6-Proteine überexprimiert und via ihres N-terminalen His-Tag im Western-Blot nachgewiesen, sodass diese nun für Co-Affinitätsaufreinigungen zur weiteren Charakterisierung des komplexen Zusammenspiels der Orc1/Cdc6-Proteine zur Verfügung stehen.
Im Rahme des zweiten Teils der Arbeit wurde der Einfluss der in der 5‘-Region der der Replikationsursprünge ori1 und ori2 kodierten Proteine auf Wachstum und die Kopienzahl des Hauptchromosoms bestimmt. Zunächst wurde die Expression der drei in Haloarchaea hoch-konservierten oap-Gene upstream von ori1 mittels Nothern-Blot untersucht und es konnte gezeigt werden, dass das oap-Operon tatsächlich als Operon abgelesen wird. Um alle Gene in den 5‘-Regionen von ori1 und ori2 genauer zu charakterisieren, wurden induzierbare Überexpressionsmutanten im Wildtyp-Hintergrund angefertigt. Es konnte mittels Wachstumsversuchen in Mikrotiterplatten gezeigt werden, dass bei Induktion von Beginn an die Überexpression der Hef-Helikase und des oapB-Proteins zu einem starken Wachstumsdefekt führen, die von oapC und HVO_1724 zu einem moderaten Wachstumsdefekt, wohingegen für die Überexpressionsmutante von oapA vergleichbares Wachstum zum Wildtyp und für die Überexpression der Rad25d-Helikase verbessertes Wachstum beobachtet werden konnte. Es konnte darüber hinaus gezeigt werden, dass sowohl die Deletion als auch die Überexpression der Helikasen keinen Einfluss auf das Ploidielevel hat; die Deletion von oapC führt jedoch zu einer Reduktion der Genomkopienzahl in exponentieller und stationärer Phase, was ein erster Hinweis darauf ist, dass das oap-Operon eine Rolle bei der Regulation des Ploidielevels spielen könnte.
Im dritten Teil der Arbeit wurde eine Methode entwickelt, um Genkonversion farblich sichtbar zu machen. Hierbei wurde sich H. volcaniis Carotinoidbiosynthese zu Nutze gemacht. Es wurden zwei verschiedene, auxotrophe Elternstämme mittels Protoplastenfusion verschmolzen, um eine heterozygote Tochterzelle zu erzeugen. Ein Genkonversionsereignis wurde durch einen roten Keil angezeigt, der aus einer weißen Kolonie wuchs und durch die erfolgreiche Reparatur des Carotinoidbiosynthesegens entstand. Es wurden insgesamt 8525 Klone ausgestrichen und 0,14 % der Kolonien zeigten eine entsprechende rote Färbung. Das Proof-of-Principle dieser Methode ist in damit in dieser Arbeit gelungen. Um die Genkonversion in den weißen Kolonien auf genetischer Ebene genauer zu untersuchen, wurde PCR verwendet. Es konnte gezeigt werden, dass in den Zellen aller 135 untersuchten Kolonien Genkonversion stattgefunden hatte und zwar so effizient, dass nur in seltenen Fällen Heterozygotie vorlag. Unter Selektionsdruck stehende Loci hatten in beiden untersuchten Fällen eine starke Präferenz in Richtung Homozygotie und Erhalt der Prototrophie. Für nicht unter Selektionsdruck stehende Loci konnte gezeigt werden, dass die Hälfte der untersuchten Kolonien dem Elternstamm 1 glich, während die andere Hälfte dem Elternstamm 2 glich. Auch hier waren die Zellen nur in seltenen Fällen homozygot.
Der ligandaktivierte Transkriptionsfaktor Farnesoid X Rezeptor (FXR) ist neben seiner Funktion als Regulator des Gallensäurehaushaltes auch in vielen anderen metabolischen Prozessen wie Glukose- und Lipidhomöostase involviert und besitzt antiinflammatorische Eigenschaften. Gerade bei hepatischen, gastrointestinalen und systemischen Erkrankungen erscheint FXR daher als interessante Zielstruktur zur Behandlung metabolischer Erkrankungen. Basierend auf den natürlichen Liganden von FXR, den Gallensäuren, wurde Obeticholsäure (OCA) als seminsynthetisches Derivat der endogenen Chenodesoxycholsäure zu einem potenten FXR-Agonisten entwickelt. OCA wurde in mehreren Studien auf seine therapeutische Wirkung bei hepatisch-entzündlichen Krankheitsbildern wie der primären biliären Cholangitis (PBC), der nicht-alkoholischen Fettleber (engl: non-alcoholic fatty liver disease, NAFLD) und der daraus folgenden nicht-alkoholischen Steatohepatitis (NASH) getestet. Mittlerweile ist OCA als Zweitlinientherapie der PBC auf dem Arzneimittelmarkt zuge-lassen. Neben OCA gibt es noch eine große Anzahl an weiteren FXR-Liganden, deren strukturelle Diversität von Steroiden bis nicht-steroidalen kleinen Molekülen (engl: small molecules) reicht. Trotz dieser Erfolge muss das Therapiepotential von FXR noch weiter ausgebaut werden. Die meisten verfügbaren Liganden besitzen in vitro zwar eine hohe Potenz, können in ihrem pharmakokinetischen Profil oder ihrer Selektivität gegenüber anderen nukleären Rezeptoren aber nicht überzeugen.
Die hier vorliegende Arbeit hat sich mit der Entwicklung unterschiedlicher Liganden für FXR beschäftigt und diese in vitro und teilweise auch in vivo charakterisiert, um sie entsprechend ihrer Wirkungsweise einzuordnen und ein besseres Verständnis der regulatorischen Funktion von FXR zu erlangen.
Modulation von FXR bezieht sich nicht nur auf die agonistische Aktivierung, sondern setzt sich auch mit Antagonismus auseinander. Neben einigen Krankheitsbildern, die aus einer Überexpression von FXR resultieren, werden Antagonisten als Werkzeug (engl: tool compound) zur Aufklärung von konformellen Veränderungen von FXR und deren Auswirkung auf bestimmte Signalwege benötigt. Für die Erforschung solcher FXR-Antagonisten sollte das Potential nicht-steroidaler Antirheumatika (engl: non-steroidal anti-rheumatic drugs, NSAIDs) als etwaige Leitstrukturen untersucht werden, da in einer Veröffentlichung von Lu et al. ein FXR-Antagonismus durch NSAIDs postuliert wurde. Beim Versuch der Reproduktion der Ergebnisse von Lu et al. mit den drei NSAIDs Ibuprofen, Indometacin und Diclofenac wurde festgestellt, dass die Effekte auf den ersten Blick antagonistisch erscheinen, aber bei genaueren biochemischen Untersuchungen zweifelsfrei als Zytotoxizität identifiziert wurden.
FXR-Antagonisten wie Guggulsteron oder Gly-MCA sind auf ihre therapeutische Wirksamkeit unter-sucht worden, aber die genaue Wirkweise ist noch nicht aufgeklärt. Aufgrund ihrer steroidalen Grundstruktur ist ihre Selektivität gegenüber anderen nukleären Rezeptoren fraglich. Die überschaubare Anzahl an publizierten nicht-steroidalen FXR-Antagonisten besitzt zwar moderate IC50-Werte, ihre strukturelle Diversität und Selektivität ist aber limitiert. Zur Entwicklung neuer potenter FXR-Antagonisten, die aus kleinen Molekülen (engl: small molecules) aufgebaut sind, wurde eine N-Phenylbenzamid-Leitstruktur ausgewählt. Diese Leitstruktur wurde im Rahmen der SAR-Unter-suchungen zur Entwicklung von Anthranilsäurederivaten als FXR-Partialagonisten innerhalb des Arbeitskreises entdeckt. Ausgehend von dieser Leitstruktur wurde eine mehrstufige, systematische SAR-Untersuchung durchgeführt, wodurch ein sehr potenter FXR-Antagonist entwickelt werden konnte, der anschließend umfangreich biochemisch auf FXR-Modulation, Selektivität, Löslichkeit, Toxizität und metabolische Stabilität charakterisiert wurde.
Neben dem Verständnis eines Modulationsmechanismus ist die konkrete Anwendung eines FXR-Liganden zu therapeutischen Zwecken von großem Interesse. Die Beteiligung von FXR in unterschiedlichen metabolischen Prozessen macht den Rezeptor zu einem begehrten Ansatzpunkt für die Wirkstoffentwicklung. Doch die Behandlung eines multifaktoriellen Krankheitsbildes (z.B. metabolisches Syndrom, NASH) sollte sich nicht nur auf einen der gestörten Signalwege beziehen, da diese Erkrankungen durch mehrere Faktoren ausgelöst oder beeinflusst werden. Der semisynthetische FXR-Agonist OCA zeigte innerhalb der FLINT-Studie sowohl antientzündliche und antifibrotische Effekte, als auch eine Verbesserung der metabolischen Parameter mit Blick auf NAFLD und NASH. Die lösliche Epoxidhydrolase (engl: soluble epoxidhydrolase, sEH) besitzt nachweislich anti-inflammatorische und antisteatotische Effekte in der Leber. Aus diesem Grund wurde eine Leitstruktur entwickelt, die eine duale Modulation aus FXR-Aktivierung und sEH-Inhibition erzeugt. Dafür wurden die Pharmakophore eines im Arbeitskreis entwickelten FXR-Partialagonisten sowie eines potenten sEH-Inhibitors miteinander verknüpft. Zur Weiterentwicklung einer ausgewogenen hohen Potenz beider Modulationsfaktoren wurden mehrere unterschiedliche SAR-Untersuchungen als translationales Projekt in mehreren Arbeiten durchgeführt. In der hier vorliegenden Arbeit konnten dieses SAR-Untersuchungen zusammengeführt und weiterentwickelt werden. Dabei wurde ein ausgewogener und hochpotenter dualer Modulator erhalten, der umfassend in vitro und in vivo charakterisiert wurde. Die gezielte duale Aktivität, die mit dieser Substanz erreicht wurde, führt in einem Krankheitsbild zu synergistischer Ergänzung zweier Therapieoptionen. Jedoch kann eine unerwünschte Promiskuität über verwandten nukleären Faktoren zu Nebenwirkungen führen. Die Ursache dafür kann eine saure Funktion darstellen. Ein sehr potenter nicht-azider FXR-Agonist mit einem subnanomolaren EC50-Wert konnte im Arbeitskreis entwickelt werden. Diese Verbindung ist FXR-selektiv, hat keinen toxischen Effekt auf HepG2-Zellen und eine moderate metabolische Halbwertszeit. Die qRT-PCR-Untersuchung direkter und indirekter FXR-Zielgene zeigte eine verstärkte Expression nach der Inkubation mit der nicht-aziden Substanz. Dadurch lässt sich das Prinzip der Nebenwirkungsminderung durch nicht-azide Verbindungen beweisen.
Insgesamt konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, wie vielfältig und vielversprechend eine FXR-Modulation aufgebaut sein kann. Zum einen konnte über eine ausgeprägte biochemische Evaluation eine Differenzierung zwischen FXR-Antagonismus und Zelltoxizität bewiesen werden, worauf sich aufbauend eine genaue in vitro-Charakterisierung von neuen N-phenylbenzamidbasierten FXR-Antagonisten durchführen ließ, die ausgehend von einer moderat potenten Leitstruktur zu einer sehr potenten optimierten Substanz entwickelt wurden. FXR-Antagonismus und die dazu passenden tool compounds sind nicht nur von Bedeutung zum besseren Verständnis der unterschiedlichen Bindungsmodi des FXR, sondern auch potentielle Therapieansätze zur Behandlung von Krankheiten, in denen eine FXR-Überexpression stattfindet. Die agonistische Modulation von FXR wurde genauer betrachtet in der in vitro-Untersuchung nicht-azider FXR-Agonisten, die durch das Fehlen einer sauren Funktion ein hohes Maß an Selektivität und dabei eine geringe Toxizität aufwiesen. Synergistische Effekte zur Behandlung eines multifaktoriellen Krankheitsbildes durch die Kombination von FXR-Partialagonismus und sEH-Inhibition konnte durch die Entwicklung der potenten und balancierten Substanz sowohl in vitro als auch in vivo bewiesen werden, wodurch diese Verbindung ein vielversprechender Kandidat für weitere klinische Entwicklung ist.
Kurzwirksame Effekte von Akupunktur und Stretching bei Myofaszialen Triggerpunktschmerzen im Nackenbereich: eine verblindete, placebo-kontrollierte RCT
Ziel: Untersuchung der kurzwirksamen Effekte von Akupunktur in Kombination mit Stretching hinsichtlich der Reduktion von Schmerzen und der Verbesserung des Bewegungsumfanges. Die Untersuchung wurde an Patienten mit Myofaszialen Schmerzen in der Schulter-Nackenregion durchgeführt.
Studiendesign: Randomisierte, verblindete, placebo-kontrollierte Cross-over-Studie.
Durchführung: Neunzehn Patienten (11 Frauen, 8 Männer, 33 ± 14 Jahre) mit myofaszial-bedingten Nackenschmerzen erhielten in randomisierter Reihenfolge und einer Auswaschphase von jeweils einer Woche, folgende Behandlungen: Akupunktur, Akupunktur plus Stretching und Scheinlaserakupunktur.
Methoden: Die Mechanische Druckschmerzschwelle (PPT, gemessen mit einem Druckalgometer) stellte den Hauptmesswert dar, während der bewegungsbezogene Schmerz (VAS, mittels visueller Analogskala) und der zervikale Bewegungsumfang als zusätzliche Messwerte erhoben wurden (ROM, range of motion, mit einem Ultraschall 3D-Messgerät registriert und analysiert). Die Messwerte wurden direkt vor der Behandlung, sowie 5, 15 und 30 Minuten danach erhoben. Friedman-Tests mit post-hoc Bonferroni-Holm-Korrektur wurden angewandt, um die Unterschiede zwischen den Behandlungen aufzuzeigen.
Ergebnisse: Akupunktur, sowie Akupunktur in Kombination mit Stretching erhöhten die mechanische Druckschmerzschwelle (PPT) bei 5 Personen bzw. 11% nach der Behandlung. Jedoch war nur Akupunktur in Kombination mit Stretching der Scheinlaserakupunktur signifikant überlegen (p < 0,05). 15 und 30 Minuten nach der Behandlung waren keine signifikanten Unterschiede mehr festzustellen. Bezüglich des bewegungsbezogenen Schmerzes 45 sind zwischen den Behandlungen keine Unterschiede zu erkennen. 5 Minuten nach der Behandlung mit Akupunktur und Stretching, war der Bewegungsumfang (ROM) in der Frontal- und Transversalebene signifikant höher gegenüber dem Bewegungsumfang nach Scheinlaserakupunktur (p < 0,05).
Application of a developed tool to visualize newly synthesized AMPA receptor components in situ
(2018)
The information flow between neurons happens at contact points, the synapses. One underlying mechanism of learning and memory is the change in the strength of information flow in selected synapses. In order to match the huge demand in membranes and proteins to build and maintain the neurites' complex architecture, neurons use decentralized protein synthesis. Many candidate proteins for local synthesis are known, and the need of de novo synthesis for memory formation is well established. The underlying mechanisms of how somatic versus dendritic synthesis is regulated are yet to be elucidated. Which proteins are newly synthesized in order to allow learning?
In this thesis protein synthesis is studied in hippocampal neurons. The fractional distribution of somatic and dendritic synthesis for candidate proteins and their subsequent transport to their destination are investigated using a newly developed technique. In the first part of this study we describe the development of this technique and use it in the second part to answer biological questions.
We focus here on AMPA receptor subunits, the key players in fast excitatory transmission. AMPA receptors contain multiple subunits with diverse functions. It remains to be understood, when and where in a neuron these subunits come together to form a protein complex and how the choice of subunits is regulated.
The investigation of the subunits' site of synthesis and redistribution kinetics in this study will help us to understand how neurons are able to change their synaptic strength in an input specific manner which eventually allows learning and memory.
Key questions which are addressed in this study:
How can specific newly synthesized endogenous proteins be visualized in situ? What are the neuron's abilities to locally synthesize and fully assemble AMPA receptor complexes?
How fast do different AMPA receptor subunits redistribute within neurons after synthesis?
Die vorliegende Arbeit präsentiert die wissenschaftlichen Erkenntnisse, welche im Rahmen dreier verschiedener Messreihen gewonnen wurden. Kernthema ist in allen Fällen die Ionisation von molekularem Wasserstoff mit Photonen.
Im Rahmen der Messung sollte eine 2014 veröffentlichte Vorhersage der theoretischen Physiker Vladislav V. Serov und Anatoli S. Kheifets im Experiment überprüft werden. Ihren Berechnungen zufolge kann ein sich langsam vom Wasserstoff Molekülion entfernendes Photoelektron durch sein elektrisches Feld das Mutterion polarisieren und dafür sorgen, dass beim anschließenden Aufbruch in ein Proton und ein Wasserstoffatom eine asymmetrische Emissionswinkelverteilung zu beobachten ist [SK14]. Diese Vorhersage konnte mit den Ergebnissen der hier vorgestellten Messung zweifelsfrei untermauert werden. Für drei verschiedene Photonenenergien, welche im relevanten Reaktionskanal Photoelektronenenergien von 1, 2 und 3 eV entsprechen, wurden die prognostizierten Symmetrien in den Messdaten herauspräpariert. Es zeigte sich, dass diese sowohl in qualitativer wie auch in quantitativer Hinsicht gut bis sehr gut mit den Vorhersagen übereinstimmen.
Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde erneut die Dissoziationsreaktion, allerdings bei deutlich höheren Photonenenergien, untersucht. Ziel war es, den in Zusammenarbeit mit den Physikern um Fernando Martin gelungenen theoretischen Nachweis der Möglichkeit einer direkten Abbildung von elektronischen Wellenfunktionen auch im Experiment zu vollziehen. Der überwiegende Teil aller Veröffentlichungen im Vorfeld dieser Messung fokussierte sich bei den Untersuchungen der Wellenfunktion entweder auf die rein elektronischen Korrelationen - so zum Beispiel in Experimenten zur Ein-Photon-Doppelionisation, wo Korrelationen zwischen beiden beteiligten Elektronen den Prozess überhaupt erst möglich machen - oder aber auf den Einfluss, welchen das Molekülpotential auf das emittierte Elektron ausübt. Die wenigen Arbeiten, die sich bis heute an einer unmittelbaren Abbildung elektronischer Wellenfunktionen versuchten, gingen meist den im Vergleich zu dieser Arbeit umgekehrten Weg: Man untersuchte hier das Licht höherer Harmonischer, wie sie bei der lasergetriebenen Ionisation und anschließenden Rekombination eines Photoelektrons mit seinem Mutterion entstehen.
In dieser Arbeit wurde ein Ansatz präsentiert, der zwei überaus gängige und verbreitete Messtechniken geschickt kombiniert - Während das Photoelektron direkt nachgewiesen und seine wesentlichen Eigenschaften abgefragt werden, kann der quantenmechanische Zustand des zweiten, gebunden verbleibenden Elektrons über einen koinzident dazu geführten Nachweis des ionischen Reaktionsfragments bestimmt werden. Dieser Vorgang stützt sich wesentlich auf Berechnungen der Gruppe um Fernando Martín, welche eine Quantifizierung der Beiträge einzelner Zustande zum gesamten Wechselwirkungsquerschnitt dieser Reaktion erlauben. Diese unterscheiden sich je nach Energie der Fragmente signifikant, so dass über eine Selektion des untersuchten KER-Intervalls Kenntnis vom elektronischen Zustand des H2 +-Ions nach der Photoemission erlangt werden kann. Die experimentellen Daten unterstützen die Theorie von Martin et al. nicht nur mit verblüffend guter Übereinstimmung, die gemessenen Emissionswinkelverteilungen stehen darüber hinaus auch in sehr gutem Einklang mit ihren theoretisch berechneten Gegenstücken. Die Ergebnisse wurden zwischenzeitlich in der renommierten Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht [WBM+17].
Die dritte Messreihe innerhalb dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Photodoppelionisation von Wasserstoff. Im Rahmen des selben Experiments wie die weiter vorn beschriebene Dissoziationsmessung bei 400 eV Photonenenergie aufgenommen, belegen die Ergebnisse auf wunderbar anschauliche Art und Weise, dass die Natur in unserer Umgebung voller Prozesse ist, die ursprünglich als rein quantenmechanische Laborkonstrukte angesehen wurden. Es konnte zweifelsfrei gezeigt werden, dass die beiden Elektronen, die bei der Photodoppelionisation freigesetzt werden, als ein Quasiteilchen aufgefasst werden können. Sie befinden sich in einem verschränkten Zweiteilchenzustand, und nur eine koinzidente Messung beider Elektronen vermag es, Interferenzeffekte in ihren Impulsverteilungen sichtbar zu machen - betrachtet man beide hingegen individuell, so treten keinerlei derartige Phänomene auf. Es gelang dabei zudem, eine beispielhafte Übereinstimmung zwischen den gemessenen Daten und einer theoretischen Berechnung der Kollegen um Fernando Martín zu erreichen.
The fungal interaction with plants is a 400 million years old phenomenon, which presumably assisted in the plants’ establishment on land. In a natural ecosystem, all plant-ranging from large trees to sea-grasses-are colonized by fungal endophytes, which can be detected inter- and intracellularly within the tissues of apparently healthy plants, without causing obvious negative effects on their host. These ubiquitous and diverse microorganisms are likely playing important roles in plant fitness and development. However, the knowledge on the ecological functions of fungal root endophytes is scarce. Among possible functions of endophytes, they are implicated in mutualisms with plants, which may increase plant resistance to biotic stressors like herbivores and pathogens, and/or to abiotic factors like soil salinity and drought. Also, endophytes are fascinating microorganisms in regard to their high potential to produce a great spectrum of secondary metabolites with expected ecological functions. However, evidences suggest that the interactions between host plants and endophytes are not static and endophytes express different symbiotic lifestyles ranging from mutualism to parasitism, which makes difficult to predict the ecological roles of these cryptic microorganisms. To reveal the ecological function of fungal root endophytes, this doctoral thesis aims at assessing fungal root endophytes interactions with different plants and their effects on plant fitness, based on their phylogeny, traits, and competition potential in settings encompassing different abiotic contexts. To understand the cryptic implication of nonmycorrhizal endophytes in ecosystem processes, we isolated a diverse spectrum of fungal endophytes from roots of several plant species growing in different natural contexts and tested their effects on different model plants under axenic laboratory conditions. Additionally,we aimed at investigating the effect of abiotic and biotic variables on the outcome of interactions between fungal root endophytes and plants.
In summary, the morphological and physiological traits of 128 fungal endophyte strains within ten fungal orders were studied and artificial experimental systems were used to reproduce their interactions with three plant species under laboratory conditions. Under defined axenic conditions, most endophytes behaved as weak parasites, but their performance varied across plant species and fungal taxa. The variation in the interactions was partly explained by convergent fungal traits that separate groups of endophytes with potentially different niche preferences. According to my findings, I predict that the functional complementarity of strains is essential in structuring natural root endophytic communities. Additionally, the responses of plant-endophyte interactions to different abiotic factors, namely nutrient availability, light intensity, and substrate’s pH, indicate that the outcome of plant-fungus relationships may be robust to changes in the abiotic environment. The assessment of the responses of plant endophyte interactions to biotic context, as combinations of selected dominant root fungal endophytes with different degrees of trait similarity and shared evolutionary history, indicates that frequently coexisting root-colonizing fungi may avoid competition in inter-specific interactions by occupying specific niches, and that their interactions likely define the structure of root-associated fungal communities and influence the microbiome impacts on plant fitness.
In conclusion, my findings suggest that dominant fungal lineages display different ecological preferences and complementary sets of functional traits, with different niche preferences within root tissues to avoid competition. Also, their diverse effects on plant fitness is likely host-isolate dependent and robust to changes in the abiotic environment when these encompass the tolerance range of either symbiont.
This research investigated variation in the pronunciations of three RP vowels phonemes /e/, /ɜ:/ and /ə/, among Ewe speakers of English in Ghana. It focused on variation at both individual and societal levels, investigating how social relations within these structures influenced the use of the three vowels among the speakers. In this study, social structures were seen as a system where individual members depended on one another and were linked through multiple ties. The distribution of the vowels was in respect with the social variables: age, gender and education, including dialect and social network. The study used a corpus of word-list recorded in a face-to-face interview from 96 participants selected through stratification and networking across two dialect regions: Aŋlɔ and Eveme. Using both aural and acoustic analyses, coupled with ANOVA and t-test, the study has shown that the three RP vowels exist in Ghana Eve English as independent phonemes. Each of them however has allophonic variants; /e/ has variants [e̠], [ɪ] and [ɜ:]; /ɜ:/ has [eː] and [ɜ:], while /ə/ has [ə], [ɪ], [o] and [ʌ] as its variants. The choice of the variants of /ɜ:/ and /e/ have been found to depend on speaker age, gender, and social network. But the geographical location of the speaker will largely determine how these vowels are spoken. Phonological contexts as well as speaker idiosyncrasy are also likely to condition the choice of some of these variants, however, their effects seem less important as determinant of the differences observed than those of the social factors. It is evident that age, gender and class differentiations that have been widely reported cannot be universal, they can vary from one society to another. Also though social structures as well as social relations in a speech community can play significant roles in the individual’s linguistic repertoire, the attitude of the speaker and the phonological contexts of a segment can have a huge impact on the use of that variable.
Biologischen Systemen liegen Mechanismen zugrunde, die bis heute nicht vollständig aufgeklärt sind. Für die Untersuchung eignen sich externe Trigger, die eine Regulation von außen auf das System erlauben und Prozesse gezielt steuerbar machen. Eine Möglichkeit ist das System unter optische Kontrolle zu bringen, d.h. durch Licht eine externe Steuerung zu implementieren, was von einem internen Chromophor aufgenommen wird. In der vorliegenden Dissertation werden drei individuelle Projekte vorgestellt, die alle dieses Prinzip auf unterschiedliche Weise anwenden.
RNAs haben eine Vielzahl an verschiedenen Funktionen in der Zelle, die von der Proteinsynthese bis zur Genregulation variieren. Im ersten Projekt wurde der Photoschalter Spiropyran im Kontext von RNA eingesetzt. Mit dem Ziel das Derivat PyBIPS kovalent an ein Oligonukleotid zu binden und damit die Hybridisierung eines Duplexes zu steuern, wurden Strukturmotive gesucht, an die der Photoschalter postsynthetisch gebunden werden kann. Dabei soll die sterisch anspruchsvolle Spiropyran-Form die Watson-Crick-Basenpaarung stören und die planare, konjugierte Merocyanin-Form in den Duplex, zur zusätzlichen Stabilisierung, interkalieren. In Vorarbeiten von Clara Brieke wurde festgestellt, dass erstens nur PyBIPS, nach kovalenter Verknüpfung, noch vollständig photochemisch aktiv ist und zweitens eine Herstellung über Festphasensynthese nur in schlechter Ausbeute realisierbar ist. Ausgehend davon wurde PyBIPS an die drei nicht-nukleosidischen Linker, Aminoglykol, D-Threoninol und Serinol, postsynthetisch über eine Amidbindung angebracht, die zuvor über Oligonukleotidfestphasensynthese in 2´-OMe-RNA eingebaut wurden.
In der photochemischen Charakterisierung konnte gezeigt werden, dass PyBIPS, gebunden an alle drei Motive, noch photochemisch aktiv ist und im Vergleich zu ungebundenem PyBIPS stabiler ist gegenüber Photolyse. In Untersuchungen im Doppelstrang im Wedge Motiv, d.h. im Gegenstrang befindet sich kein Nukleotid gegenüber dem Photoschalter, wurde ein ähnliches Verhalten festgestellt. Zusätzlich zur charakteristischen Merocyanin-Bande bei 550 nm ist ein zweites, rotverschobenes Absorptionsmaximum entstanden, das die gleichen Eigenschaften besitzt. In Schaltzyklen wurde festgestellt, dass eine Isomerisierung bis 660 nm möglich ist, was eine Anwendung im therapeutischen Fenster zwischen ca. 600 und 1000 nm von Blut ermöglichen würde. Das Auftreten der zweiten Bande hängt stark vom Linker und dem Baustein im gegenüberliegenden Strang ab. Es wird vermutet, dass sich das, sonst nicht-bevorzugte, TTT-Isomer der Merocyanin-Form, durch Stabilisierung durch die Umgebung im Oligonukleotid ausbildet.
Zur Untersuchung, inwiefern die Isomerisierung des Photoschalters die Duplexstruktur beeinflusst, wurden Schmelzpunktstudien und Fluoreszenzmessungen zur KD-Bestimmung durchgeführt, ohne dass eine Veränderung zu erkennen war. In einer größeren NMR-Studie, in Kooperation mit Tom Landgraf (Arbeitsgruppe Prof. Dr. Harald Schwalbe) wurde der Fokus darauf-gelegt mehr Informationen über die strukturelle Integrität zu erhalten. Es findet eine Störung der benachbarten Basenpaarungen durch den Photoschalter statt, jedoch kann die Kraft der Isomerisierung des Photoschalters nicht übertragen warden. Der Einfluss war zunächst geringer als erwartet, was in anderen Anwendungen überprüft warden muss.
Im zweiten Projekt steht das Membranprotein OmpG aus E. Coli K12 im Fokus. Proteine besitzen viele verschiedene funktionelle Gruppen, die für selektive Biokonjugation genutzt werden können in einer Reihe von Anwendungen. OmpG gehört zur Gruppe der Porine, die in der äußeren Membran von Gram-negativen Bakterien sitzen und die seltene ß-Fassstruktur ausbilden. Die Pore besitzt einen großen Innendurchmesser ohne Selektivität. Das Molekül wurde bereits intensiv auf seine Struktur, insbesondere Loop 6, der pH-abhängig die Pore verschließt, untersucht. In Vorarbeiten von Grosse et al. wurde der Loop entfernt, sodass ein ruhiger Kanal entstanden ist, der ein optimales Modellsystem darstellt. Außerdem wurden in der Pore zwei Cysteine, die auf gegenüberliegenden Seiten auf halber Höhe des Kanals sitzen, eingeführt. An die Thiolgruppen wurden photolabile Schutzgruppen angebracht, die erst den Kanal blockieren und nach Abspaltung durch Licht wieder freigeben. Dazu wurde jeweils ein 7-Diethylaminocumarin (DEACM) postsynthetisch angebracht.
Der Linker am Cumarin-Alkohol stellt dabei einen Kompromiss dar, da er zum einen selektiv mit der Thiolgruppe des Cysteins reagieren soll, gleichzeitig aber noch photo-induziert wieder abspalten muss. Durch Belichtung findet eine Hydrolyse des Esters unter Abspaltung des Alkohols statt, der einen Carbonsäurerest am Thiol in der Pore zurück lässt. In spannungsabhängigen Einzelkanal-messungen, durchgeführt von Dr. Philipp Reiß (Universität Marburg), konnte gezeigt werden, dass die zwei DEACM Modifikationen eine Reduktion der Leitfähigkeit bewirkten und durch Licht abgespalten und aus dem Kanal entfernt werden konnten. Dabei war außerdem zu erkennen, dass die Leitfähigkeit aufgrund der Carboxylreste über das Niveau von unmodifiziertem OmpG steigt.
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Einleitung und Hintergrund: Self-Myofascial-Release (SMR), eine in den letzten Jahren populär gewordene Trainingsform, beschreibt das Training mit sog. Hartschaumrollen oder anderer Hilfsmittel zur Selbstmassage. Mit dem Ziel der Nachahmung einer manuellen Behandlung übt der Trainierende mit dem eigenen Körpergewicht oder etwa einem Massagestick Druck auf das zu behandelnde Gewebe aus und bewegt sich rollend über das Sportgerät. Aktuelle Forschungsergebnisse deuten auf einen positiven Effekt von SMR auf Parameter der Beweglichkeit sowie der Regeneration hin, die zu Grunde liegenden Mechanismen sind bisher allerdings noch unklar. Bezüglich der Beweglichkeitsverbesserung könnten neurophysiologische Veränderungen im Bereich der Dehnwahrnehmung und Dehntoleranz eine Rolle spielen. Auf mechanischer Ebene könnte es analog zum statischen Stretching zu einer akuten Veränderung der viskoelastischen Gewebeeigenschaften kommen. Ebenso werden Effekte von SMR auf Gleiteigenschaften einzelner Faszienschichten postuliert. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war daher die Evaluation der Akuteffekte von SMR auf die Beweglichkeit, die passive Gewebespannung und -steifigkeit sowie die Gleitbewegungen einzelner Faszienschichten am vorderen Oberschenkel.
Methodik: Nach Fallzahlplanung durchliefen in einem Cross-Over Studiendesign insgesamt 16 Probanden (w=6, m=10, 32±3 Jahre, 177,6±2,4cm, 78,2±5,2kg) alle der drei folgenden Interventionen in ausbalancierter, randomisierter Reihenfolge: a) 2x60 Sekunden SMR am vorderen Oberschenkel, b) 2x60s passives, statisches Stretching des vorderen Oberschenkels und c) eine passive Kontrollbedingung. Mindestens drei Tage vor Beginn des ersten Messtermins erhielten alle Probanden eine standardisierte Gewöhnungseinheit, in der alle Messungen sowie die SMR Intervention durchgeführt wurden. Die passive Gewebespannung und -steifigkeit bei 13, 9, 5 und 1 Grad vor dem individuellen Bewegungsende sowie die Position der ersten Dehnwahrnehmung wurden mittels isokinetischem Dynamometer (Biodex System 3 Professional), die aktive und passive Kniegelenksbeweglichkeit mittels ultraschallbasiertem 3D-Bewegunsanalysesystem (Zebris CMS20) vor sowie direkt nach der jeweiligen Intervention erhoben. Ebenso wurden Gleitbewegung einzelner Faszienschichten vor und nach der jeweiligen Intervention anhand von Ultraschallvideos (Siemens Acuson X300) und anschließender Cross-Correlation-Analyse berechnet. Die statistische Überprüfung auf Inter- und Intragruppeunterschiede erfolge nach Überprüfung der Anwendungsvoraussetzungen mittels Friedmann-Test und anschließendem post-hoc Wilcoxon-Test oder ANCOVA (Baselinewerte als Covariate) und post-hoc Vergleichen mit geschätzten Randmitteln und zugehörigen 95%-Konfidenzintervallen.
Ergebnisse: Die aktive und passive Gelenkbeweglichkeit verbesserte sich nach SMR im Mittel um 1,8° bzw. 3,4° signifikant. Nach statischen Dehnen war lediglich die Verbesserung der passiven Kniegelenksbeweglichkeit von im Mittel 3,2° signifikant, nach der passiven Kontrolle blieben aktive und passive Beweglichkeit unverändert. Der Winkel der ersten Dehnwahrnehmung vergrößerte sich SMR (+4,3° (1,4°-7,2°)) und Stretching (+6,7° (3,7°-9,6°)), blieb nach Kontrollbedingung jedoch unverändert (+0,3° (-2,5°-3,1°)). Passiver Gewebewiderstand und -steifigkeit veränderten sich nach keiner der Interventionen in keinem getesteten Winkel signifikant. Veränderungen in der Gleitbewegung einzelner Faszienschichten ergaben sich lediglich nach SMR. Die Gleitbewegung der tiefen Schicht gegenüber des Muskels sowie die Gleitbewegung zwischen oberflächlicher und tiefer Schicht verringerten sich nach SMR signifikant zur Baseline (-5,7mm (-11,3mm – -0,1mm) bzw. (-4.9mm (-9.1mm – -0.7mm)).
Diskussion: Die vorliegenden Ergebnisse bestätigen den positiven Einfluss von SMR auf die aktive und passive Beweglichkeit und liefern erste Hinweise bezüglich der zu Grunde liegenden Mechanismen. Während biomechanische Parameter wie passive Gewebespannung nach SMR und Stretching unverändert blieben, deuten Veränderungen der Dehnwahrnehmung auf einen Einfluss neurophysiologischer Mechanismen hinsichtlich akuter Effekte auf die Beweglichkeit hin. Die Ausschüttung verschiedener Neurotransmitter wie z.B. Oxytocin könnte Schmerz- und auch Dehnwahrnehmung nach SMR beeinflussen. Die Ergebnisse zeigen weiter, dass SMR zu einer Veränderung der Gleitbewegung einzelner Bindegewebsschichten am vorderen Oberschenkel führte. Diesbezüglich könnten veränderte thixotrophe Eigenschaften des losen Bindegewebes zwischen Faszie und Muskels sowie Veränderungen des Hydratationsgrades eine Rolle spielen.
Aus den Ergebnissen der vorliegenden Studie lassen sich verschiedene Implikationen für die Trainings- und Therapiepraxis ableiten. So eignet sich SMR u.a. als Alternative zu statischen Dehnmethoden zur akuten Verbesserung der Beweglichkeit, zur Veränderung der Dehnwahrnehmung (etwa bei akuten und schmerzhaften Bewegungseinschränkungen) und möglicherweise zur Normalisierung der Gleiteigenschaften einzelner Bindegewebsschichten. Unklar bleiben bisher die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf andere Körperregionen sowie die Effekte von SMR bei Patienten mit strukturellen Bindegewebsveränderungen. Ebenso sind die langfristigen Effekte von SMR bisher unklar und bieten Anschlusspunkte zukünftiger Studien.
We live in age of data ubiquity. Even the most conservative estimates predict exponential growth in produced, transmitted and stored data. Big data is used to power business analytics as well as to foster scientific discoveries. In many cases, explosion of produced data exceeds capabilities of digital storage systems. Scientific high-performance computing environments cope with this problem by utilizing large, distributed, storage systems. These complex systems can only provide a high degree of reliability and durability by means of data redundancy. The most straight-forward way of doing that is by replicating the data over different physical devices. However, more elaborate approaches, such as erasure coding, can provide similar data protection while utilizing less storage. Recently, software-defined reliability methods began to replace traditional, hardware- based, solutions. Complicated failure modes of storage system components also warrant checksums to guaranty long-term data integrity. To cope with ever increasing data volumes, flexible and efficient software implementation of error correction codes is of great importance. This thesis introduces a method for realizing a flexible Reed-Solomon erasure code using the “Just-In-Time” compilation technique. By exploiting intrinsic arithmetic redundancy in the algorithm, and by relying on modern optimizing compilers, we obtain a throughput-efficient erasure code implementation. Additionally, exploitation of data parallelism is achieved effortlessly by instructing the compiler to produce SIMD code for desired execution platform. We show results of codes implemented using SSE and AVX2 SIMD instruction sets for x86, and NEON instruction set for ARM platforms. Next, we introduce a framework for efficient vectorized RAID-Z redundancy operations of ZFS file system. Traditional, table-based Galois field multiplication algorithms are replaced with custom SSE and AVX2 parallel methods, providing significantly faster and more efficient parity operations. The implementation of this framework was made publicly available as a part of ZFS on Linux project, since version 0.7. Finally, we propose a new erasure scheme for use with existing, high performance, parallel filesystems. Described reliability middleware (ECCFS) allows definition of flexible, file-based, reliability policies, adapting to customized user needs. By utilizing the block erasure code, the ECCFS achieves optimal storage, computation, and network resource utilization, while providing a high level of reliability. The distributed nature of the middleware allows greater scalability and more efficient utilization of storage and network resources, in order to improve availability of the system.