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Research in cell and developmental biology requires the application of three-dimensional model systems that reproduce the natural environment of cells. Processes in developmental biology are therefore studied in entire systems like insects or plants. In cell biology, three-dimensional cell cultures (e.g. spheroids or organoids) model the physiology and pathology of cells, tissues or organs. In all systems, the cellular neighborhood and interactions, but also physicochemical influences, are realistically presented. The production and handling of these model systems is rather simple and allows for reproducible characterization.
Confocal and light sheet-based fluorescence microscopy (LSFM) enable the observation of these systems while maintaining their three-dimensional integrity. LSFM is applicable to imaging live samples at high spatio-temporal resolution over long periods of time. The quality of the acquired datasets enables the extraction of quantitative features about morphology, functionality and dynamics in the context of the complete system. This approach is referred to as image-based systems biology. Exploiting the potential of the generated datasets requires an image analysis pipeline for data management, visualization and the retrieval of biologically meaningful values.
The goal of this thesis was to identify, develop and optimize modules of the image analysis pipeline. The modules cover data management and reduction, visualization, reconstruction of multiview image datasets, the segmentation and tracking of cell nuclei and the extraction of quantitative features. The modules were developed in an application-driven manner to test and ensure their applicability to real datasets from three-dimensional fluorescence microscopy. The underlying datasets were taken from research projects in developmental biology in insects and plants, as well as from cell biology.
The datasets acquired in fluorescence microscopy are typically complex and require common image processing steps in order to manage, visualize, and analyze the datasets. The first module accomplishes automatic structuring of large image datasets, reduces the data amount by image cropping and compression and computes maximum projection images along different spatial directions. The second module corrects for intensity variations in the generated maximum projection images that occur as a function of time. The program was published as a part of an article in Nature Protocols. Another developed module named BugCube provides a web-based platform to visualize and share the processed image datasets.
In LSFM, samples can be rotated in-between two acquisitions enabling the generation of multiview image datasets. Prior to my work, Frederic Strobl and Alexander Ross acquired the complete embryogenesis of the red flour beetle, Tribolium castaneum, and the field cricket, Gryllus bimaculatus, with LSFM. I evaluated a plugin for the software FIJI as a module for the reconstruction of such datasets. The plugin was optimized for automation and efficiency. We obtained the first high quality three-dimensional reconstructions of Tribolium and Gryllus datasets.
Optical clearing increases the penetration depth into samples, thus providing endpoint images of entire three-dimensional objects with cellular detail. This work contributes a quantitative characterization module that was applied to endpoint images of optically cleared spheroids. A program for the generation of ground truth datasets was developed in order to evaluate the cell nuclei segmentation performance. The program was part of a paper that was published in BMC Bioinformatics. Using the program, I could show that the cell nuclei segmentation is robust and accurate. Approaches from computational topology and graph theory complete the segmentation of cell nuclei. Thus, the developed module provides a comprehensive quantitative characterization of spheroids on the level of the individual cell, the cell neighborhood and the whole cell aggregate. The module was employed in four applications to analyze the influence of different stress conditions on the morphology and cellular arrangement of cells in spheroids. The module was accepted for publication in Scientific Reports along with the results for one application. The cell nuclei segmentation further provided a data source for simulation models that used correlation functions to identify structural zones in spheroids. These results were published in Royal Society Interface.
The final part of this work presents a module for cell tracking and lineage reconstruction. In collaboration with Dr. Alexis Maizel, Dr. Jens Fangerau and Dr. Daniel von Wangenheim, I developed a module to track the positions of all cells involved in lateral root formation in Arabidopsis thaliana and used the extracted positions for extensive data analysis. We reconstructed the cell lineages and established the first atlas of all founder cells that contribute to the formation. The analysis of the retrieved data allowed us to study conserved and individual patterns in lateral root formation. The atlas and parts of the analysis presented in this thesis were published in Current Biology.
In this thesis, I developed modules for an image analysis pipeline in three-dimensional fluorescence microscopy and applied them in interdisciplinary research projects. The modules enabled the organization, processing, visualization and analysis of the datasets. The perspective of the image analysis pipeline is not restricted to image-based systems biology. With ongoing development of the image analysis pipeline, it can also be a valuable tool for medical diagnostics or industrial high-throughput approaches.
In the cochlea of the mustached bat, cochlear resonance produces extremely sharp frequency tuning to the dominant frequency of the echolocation calls, around 61 kHz. Such high frequency resolution in the cochlea is accomplished at the expense of losing temporal resolution because of cochlear ringing, an effect that is observable not only in the cochlea but also in the cochlear nucleus. In the midbrain, the duration of sounds is thought to be analyzed by duration-tuned neurons, which are selective to both stimulus duration and frequency. We recorded from 57 DTNs in the auditory midbrain of the mustached bat to assess if a spectral-temporal trade-off is present. Such spectral-temporal trade-off is known to occur as sharp tuning in the frequency domain which results in poorer resolution in the time domain, and vice versa. We found that a specialized sub-population of midbrain DTNs tuned to the bat’s mechanical cochlear resonance frequency escape the cochlear spectral-temporal trade-off. We also show evidence that points towards an underlying neuronal inhibition that appears to be specific only at the resonance frequency.
Precise temporal coding is necessary for proper acoustic analysis. However, at cortical level, forward suppression appears to limit the ability of neurons to extract temporal information from natural sound sequences. Here we studied how temporal processing can be maintained in the bats’ cortex in the presence of suppression evoked by natural echolocation streams that are relevant to the bats’ behavior. We show that cortical neurons tuned to target-distance actually profit from forward suppression induced by natural echolocation sequences. These neurons can more precisely extract target distance information when they are stimulated with natural echolocation sequences than during stimulation with isolated call-echo pairs. We conclude that forward suppression does for time domain tuning what lateral inhibition does for selectivity forms such as auditory frequency tuning and visual orientation tuning. When talking about cortical processing, suppression should be seen as a mechanistic tool rather than a limiting element.
Background: Differential RNA-Seq (dRNA-Seq) is a recently developed method of performing primary transcriptome analyses that allows for the genome-wide mapping of transcriptional start sites (TSSs) and the identification of novel transcripts. Although the transcriptomes of diverse bacterial species have been characterized by dRNA-Seq, the transcriptome analysis of archaeal species is still rather limited. Therefore, we used dRNA-Seq to characterize the primary transcriptome of the model archaeon Haloferax volcanii.
Results: Three independent cultures of Hfx. volcanii grown under optimal conditions to the mid-exponential growth phase were used to determine the primary transcriptome and map the 5′-ends of the transcripts. In total, 4749 potential TSSs were detected. A position weight matrix (PWM) was derived for the promoter predictions, and the results showed that 64 % of the TSSs were preceded by stringent or relaxed basal promoters. Of the identified TSSs, 1851 belonged to protein-coding genes. Thus, fewer than half (46 %) of the 4040 protein-coding genes were expressed under optimal growth conditions. Seventy-two percent of all protein-coding transcripts were leaderless, which emphasized that this pathway is the major pathway for translation initiation in haloarchaea. A total of 2898 of the TSSs belonged to potential non-coding RNAs, which accounted for an unexpectedly high fraction (61 %) of all transcripts. Most of the non-coding TSSs had not been previously described (2792) and represented novel sequences (59 % of all TSSs). A large fraction of the potential novel non-coding transcripts were cis-antisense RNAs (1244 aTSSs). A strong negative correlation between the levels of antisense transcripts and cognate sense mRNAs was found, which suggested that the negative regulation of gene expression via antisense RNAs may play an important role in haloarchaea. The other types of novel non-coding transcripts corresponded to internal transcripts overlapping with mRNAs (1153 iTSSs) and intergenic small RNA (sRNA) candidates (395 TSSs).
Conclusion: This study provides a comprehensive map of the primary transcriptome of Hfx. volcanii grown under optimal conditions. Fewer than half of all protein-coding genes have been transcribed under these conditions. Unexpectedly, more than half of the detected TSSs belonged to several classes of non-coding RNAs. Thus, RNA-based regulation appears to play a more important role in haloarchaea than previously anticipated.
Anthropogenic changes in climate and land use are driving changes in migration patterns of birds worldwide. Spatial changes in migration have been related to long-term temperature trends, but the intrinsic mechanisms by which migratory species adapt to environmental change remain largely unexplored. We show that, for a long-lived social species, older birds with more experience are critical for innovating new migration behaviours. Groups containing older, more experienced individuals establish new overwintering sites closer to the breeding grounds, leading to a rapid population-level shift in migration patterns. Furthermore, these new overwintering sites are in areas where changes in climate have increased temperatures and where food availability from agriculture is high, creating favourable conditions for overwintering. Our results reveal that the age structure of populations is critical for the behavioural mechanisms that allow species to adapt to global change, particularly for long-lived animals, where changes in behaviour can occur faster than evolution.
Photosystem II (PSII) catalyzes the unique reaction of light-dependent water oxidation and subsequent reduction of plastoquinone at the beginning of the photosynthetic electron transport chain. The mature complex consists of at least 20 protein-subunits and over 80 cofactors. Further proteins are required for biogenesis and repair of PSII. Most of these proteins interact specifically with assembly intermediates during defined steps in PSII assembly. This review shall emphasize the function of the two factors Psb27 and Psb28 during the biogenesis and repair of PSII in cyanobacteria and give an impression of their potential biochemical, structural and physiological properties in plants considering the fact that they both have homologues in all oxygenic photosynthetic organisms. We hypothesize that Psb28 may have retained its function in higher plants while the two Psb27 forms bind differently to PSII intermediates depending on PSII core phosphorylation state.
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.
Filamentous, heterocyst-forming cyanobacteria exchange nutrients and regulators between cells for diazotrophic growth. Two alternative modes of exchange have been discussed involving transport either through the periplasm or through septal junctions linking adjacent cells. Septal junctions and channels in the septal peptidoglycan are likely filled with septal junction complexes. While possible proteinaceous factors involved in septal junction formation, SepJ (FraG), FraC, and FraD, have been identified, little is known about peptidoglycan channel formation and septal junction complex anchoring to the peptidoglycan. We describe a factor, SjcF1, involved in regulation of septal junction channel formation in the heterocyst-forming cyanobacterium Anabaena sp. strain PCC 7120. SjcF1 interacts with the peptidoglycan layer through two peptidoglycan-binding domains and is localized throughout the cell periphery but at higher levels in the intercellular septa. A strain with an insertion in sjcF1 was not affected in peptidoglycan synthesis but showed an altered morphology of the septal peptidoglycan channels, which were significantly wider in the mutant than in the wild type. The mutant was impaired in intercellular exchange of a fluorescent probe to a similar extent as a sepJ deletion mutant. SjcF1 additionally bears an SH3 domain for protein-protein interactions. SH3 binding domains were identified in SepJ and FraC, and evidence for interaction of SjcF1 with both SepJ and FraC was obtained. SjcF1 represents a novel protein involved in structuring the peptidoglycan layer, which links peptidoglycan channel formation to septal junction complex function in multicellular cyanobacteria. Nonetheless, based on its subcellular distribution, this might not be the only function of SjcF1.
Phylogenetic reconstruction from transposable elements (TEs) offers an additional perspective to study evolutionary processes. However, detecting phylogenetically informative TE insertions requires tedious experimental work, limiting the power of phylogenetic inference. Here, we analyzed the genomes of seven bear species using high-throughput sequencing data to detect thousands of TE insertions. The newly developed pipeline for TE detection called TeddyPi (TE detection and discovery for Phylogenetic Inference) identified 150,513 high-quality TE insertions in the genomes of ursine and tremarctine bears. By integrating different TE insertion callers and using a stringent filtering approach, the TeddyPi pipeline produced highly reliable TE insertion calls, which were confirmed by extensive in vitro validation experiments. Analysis of single nucleotide substitutions in the flanking regions of the TEs shows that these substitutions correlate with the phylogenetic signal from the TE insertions. Our phylogenomic analyses show that TEs are a major driver of genomic variation in bears and enabled phylogenetic reconstruction of a well-resolved species tree, despite strong signals for incomplete lineage sorting and introgression. The analyses show that the Asiatic black, sun, and sloth bear form a monophyletic clade, in which phylogenetic incongruence originates from incomplete lineage sorting. TeddyPi is open source and can be adapted to various TE and structural variation callers. The pipeline makes it possible to confidently extract thousands of TE insertions even from low-coverage genomes (∼10×) of nonmodel organisms. This opens new possibilities for biologists to study phylogenies and evolutionary processes as well as rates and patterns of (retro-)transposition and structural variation.
Some anaerobic archaea and bacteria live on substrates that do not allow the synthesis of one mol of ATP per mol of substrate via substrate level phosphorylation (SLP). Energy conservation in these cases is only possible by a chemiosmotic mechanism that involves the generation of an electrochemical ion gradient across the cytoplasmic membrane that then drives ATP synthesis via an ATP synthase. The minimal amount of energy required for ATP synthesis is thus dependent on the magnitude of the electrochemical ion gradient, the phosphorylation potential in the cell and the ion/ATP ratio of the ATP synthase. It was always thought that the minimum biological energy quantum is defined as the amount of energy required to translocate one ion across the cytoplasmic membrane. We will discuss the thermodynamics of the reactions involved in chemiosmosis and describe the limitations for ion transport and ATP synthesis that led to the proposal that at least −20 kJ/mol are required for ATP synthesis. We will challenge this hypothesis by arguing that the enzyme energizing the membrane may translocate net less than one ion: By using a primary pump connected to an antiporter module a stoichiometry below one can be obtained, implying that the minimum biological energy quantum that sustains life is even lower than assumed to date.
Die mitochondriale Innenmembran (IM) besteht aus zwei Subkompartimenten. Der
Cristae Membran (CM) und der inneren Grenzmembran (IBM), welche durch die runden und
schlitzartige Strukturen der Christa Junctions (CJs) verbunden werden Der MICOS-Komplex
ist an den CJs lokalisiert und besteht aus mindestens 6 Komponenten, Mic60, Mic27, Mic26,
Mic19, Mic12 und Mic10. Es ist bekannt, dass der MICOS-Komplex essentiell für die Stabilität der CJs ist. Die in dieser Arbeit gezeigten Ergebnisse, geben Aufschluss darüber, wie sich
einzelne MICOS-Komponenten auf die Stabilität von Cristae und CJs im Modellsystem Hefe (S
cerevisiae) auswirken. Zu Beginn dieser Arbeit war zum einen bekannt, dass die MICOSKomponente
Mic60 essentiell für die Bildung von CJs ist. Zum Anderen wurden im Vorfeld
dieser Arbeit Interaktionen von Mic60 mit Proteinen in der mitochondrialen Außenmembran,
vor allem Proteinkomplexe mit ȕ-barrel-Proteinen identifiziert. Diese Interaktionen werden
über den evolutionär, konservierten C-Terminus von Mic60 vermittelt.
ȕ-barrel Proteine besitzen eine charakteristische Peptidsequenz, die ȕ-Sequenz. Diese
dient nach dem Import der ȕ-barrel Proteine in die Mitochondrien als Signalpeptid für den
SAM-/TOB-Komplex, welcher daraufhin die Proteine in die Außenmembran insertiert. In
dieser Arbeit wurde ebenfalls eine ȕ-Sequenz im C-Terminus von Mic60 identifiziert, diese
zeigte einen Einfluss auf die Cristae-Stabilität. Zellen die eine Mic60-Variante mit einer
Deletion oder Punktmutation der ȕ- Domäne exprimieren, zeigten eine reduzierte Anzahl an
CJs. Auch das Verkürzen des C-Terminus von Mic60 hatte diesen Effekt auf die mitochondriale
Ultrastruktur. So konnte gezeigt werden, dass die ȕ-Domäne und die Integrität des C-Terminus
essentiell für die Stabilität von CJs sind.
Der Fokus dieser Arbeit lag in der Charakterisierung der MICOS-Komponenten Mic26
und Mic27. Es konnte bewiesen werden, dass beide Proteine genetisch mit der MICOSKernkomponente
Mic60 interagieren. Die Untersuchung der mitochondrialen Ultrastruktur von
Δmicβ6- und Δmicβ7-Zellen zeigte, dass eine Deletion vom Mic26 keinen Einfluss auf die
Organisation der mitochondrialen Innenmembran hat. Im Gegensatz dazu, ist im Vergleich zum
Wildtyp die Anzahl an CJs in Δmicβ7-Zellen um zwei Drittel reduziert. Auch die
Innenmembranoberfläche ist in diesen Zellen stark vergrößert. Die Untersuchung der
Morphologie der mitochondrialen Innenmembran in Zellen ohne Mic27 durch KryoElektronentomographie
isolierter Mitochondrien, veranschaulichte die Struktur der CJs in
diesen Zellen genauer. Es zeigten sich hier breitere CJs, und der Übergang von der
Cristaemembran in den Bereich der inneren Grenzmembran ist sehr flach und undefiniert. In
Wildtyp-Mitochondrien waren die CJs schmal und schlitzartig und haben einen scharfkantigen
Übergang von der Cristaemembran zur inneren Grenzmembran. Des Weiteren wies die
Cristaemembran in Δmicβ7-Zellen unregelmäßige zackige Strukturelemente auf, was auf eine
Anhäufung an Dimeren der F1FO-ATP Synthase hinweist.
Diese Beobachtungen in den Kryo-Tomogrammen, wurde durch Analysen des sich deutlich weniger höhere Oligomere und vermehrt Dimere. So kann aus diesen Befunden
geschlossen werden, dass Mic27 die Oligomere der F1FO-ATP Synthase stabilisiert.
Um zu untersuchen, wie der MICOS-Komplex mit der F1FO-ATP Synthase in
Verbindung steht, wurde mittels 2D-BNE-Analysen und einem Complexome Profiling die
Komplexierung der nativen Komplexe in Wildtyp- und Δmicβ7-Mitochondrien analysiert. Zum
einen konnte durch diese Untersuchungen gezeigt werden, dass Mic27 neben der F1FO-ATP
Synthase auch stabilisierend auf den MICOS-Komplex wirkt. Die Komplexe im
hochmolekularen Bereich der MICOS-Komponenten zerfielen in Δmicβ7-Zellen, was darauf
hinweist, dass die anderen MICOS-Komponenten hier nicht mehr assemblieren können. Mic10
war die einzige MICOS-Komponente die in Δmicβ7-Zellen noch stabile Komplexe im hohen
Massenbereich ausbildete. Mic10 findet sich zudem nicht nur in Klustern mit anderen MICOSKomponenten
sondern auch mit der F1FO-ATP Synthase.
Die Interaktion von Mic10 und der F1FO-ATP Synthase wurde auch biochemisch,
mittels chemischer Quervernetzern und Ko-Immunpräzipitationsexperimenten bestätigt. Dies
legt nahe, dass Mic10 die CJs mit hoher Wahrscheinlichkeit, durch die Verbindung mit der
F1FO-ATP Synthase, mit der Cristaemembran verbindet und so stabilisiert.
Aufgrund der Erkenntnisse dieser Arbeit konnte ein neuartiges Modell postuliert
werden. Die MICOS-Komponente Mic60 stabilisiert die CJs durch eine Interaktion seines CTerminus
mit Proteinen in der Außenmembran. Mic27 vermittelt über Mic10 die Interaktion
zur F1FO-ATP Synthase. Somit ist diese neu identifizierte Interaktion des MICOS-Komplex zur
F1FO-ATP Synthase essentiell für die Stabilität von CJs ist, indem es den MICOS-Komplex mit
den Oligomeren der F1FO-ATP Synthase verbindet.
Oligomerisierungszustands der F1FO-ATP Synthase in Δmicβ7-Zellen, bestätigt. Hier fanden
sich deutlich weniger höhere Oligomere und vermehrt Dimere. So kann aus diesen Befunden
geschlossen werden, dass Mic27 die Oligomere der F1FO-ATP Synthase stabilisiert.
Um zu untersuchen, wie der MICOS-Komplex mit der F1FO-ATP Synthase in
Verbindung steht, wurde mittels 2D-BNE-Analysen und einem Complexome Profiling die
Komplexierung der nativen Komplexe in Wildtyp- und Δmicβ7-Mitochondrien analysiert. Zum
einen konnte durch diese Untersuchungen gezeigt werden, dass Mic27 neben der F1FO-ATP
Synthase auch stabilisierend auf den MICOS-Komplex wirkt. Die Komplexe im
hochmolekularen Bereich der MICOS-Komponenten zerfielen in Δmicβ7-Zellen, was darauf
hinweist, dass die anderen MICOS-Komponenten hier nicht mehr assemblieren können. Mic10
war die einzige MICOS-Komponente die in Δmicβ7-Zellen noch stabile Komplexe im hohen
Massenbereich ausbildete. Mic10 findet sich zudem nicht nur in Klustern mit anderen MICOSKomponenten
sondern auch mit der F1FO-ATP Synthase.
Die Interaktion von Mic10 und der F1FO-ATP Synthase wurde auch biochemisch,
mittels chemischer Quervernetzern und Ko-Immunpräzipitationsexperimenten bestätigt. Dies
legt nahe, dass Mic10 die CJs mit hoher Wahrscheinlichkeit, durch die Verbindung mit der
F1FO-ATP Synthase, mit der Cristaemembran verbindet und so stabilisiert.
Aufgrund der Erkenntnisse dieser Arbeit konnte ein neuartiges Modell postuliert
werden. Die MICOS-Komponente Mic60 stabilisiert die CJs durch eine Interaktion seines CTerminus
mit Proteinen in der Außenmembran. Mic27 vermittelt über Mic10 die Interaktion
zur F1FO-ATP Synthase. Somit ist diese neu identifizierte Interaktion des MICOS-Komplex zur
F1FO-ATP Synthase essentiell für die Stabilität von CJs ist, indem es den MICOS-Komplex mit
den Oligomeren der F1FO-ATP Synthase verbindet.
Taxonomy, phylogeny and zoogeography of the hexaploid Torini of the Middle East and North Africa
(2017)
Fishes of the tribe Torini Karaman, 1971 (Teleostei: Cyprinidae) are a diverse group of primary freshwater fishes, distributed in Africa, the Middle East, and Indomalaya. They are an important component of the native freshwater-fish fauna of the Middle East and North Africa, and occur in most large river systems of the Levant, Arabia, Mesopotamia, southern Iran, and Morocco. They belong to the subfamily Cyprininae, are characterised by being tetraploid or hexaploid, having large scales, and a smooth and ossified last unbranched ray in the dorsal fin. As primary freshwater fishes they are not able to tolerate marine conditions and depend on direct freshwater connections for their dispersal. This makes them an ideal model for zoogeographic studies.
Prior to this study, the diversity of the Torini species in the Middle East and North Africa was not well understood. The validity of several genera and species was unclear, and the generic assignment of several species changed frequently.
In this PhD project the taxonomy, phylogeny, and zoogeography of the Torini of the Middle East and North Africa were investigated with morphological, as well as molecular methods. More than 1550 fish specimens were examined morphologically. Some of the specimens, including the types of most nominal species, were already available from museum collections. The remaining specimens were collected during expeditions to Ethiopia, Iran, Jordan, Morocco and Syria. Tissue samples were collected for molecular genetic analyses. The mitochondrial genes for cytochrome b, NADH dehydrogenase subunit 4 and the tRNAs for serine and histidine were sequenced from more than 120 specimens, representing 20 species of Torini and two small, diploid African barbs (Cyprinidae, tribe Smiliogastrini). Molecular data were analysed with Bayesian inference and other methods.
The analyses confirmed that the hexaploid Torini of Africa and the Middle East form a monophyletic group. In the Middle East and North Africa the Torini are represented by the genera Arabibarbus, Carasobarbus, Mesopotamichthys, and Pterocapoeta. These genera are each morphologically diagnosable, monophyletic, and genetically distinct. The species 'Labeobarbus' reinii cannot be assigned to any of these genera, because it is morphologically dissimilar and genetically clearly separated from each of them. A generic name for this species is presently not available and until the description of a new genus it is preliminarily assigned to the genus 'Labeobarbus'.
Out of the 28 species-group taxa described from the Middle East and North Africa until now, 15 are valid: Arabibarbus arabicus, A. grypus, A. hadhrami, Carasobarbus apoensis, C. canis, C. chantrei, C. exulatus, C. fritschii, C. harterti, C. kosswigi, C. luteus, C. sublimus, Mesopotamichthys sharpeyi, Pterocapoeta maroccana, and 'Labeobarbus' reinii.
The phylogenetic relationships between the Middle Eastern and North African Torini are well resolved, based on the analysis of mitochondrial DNA sequences from nearly all relevant species.
The interspecific and intraspecific morphological and genetic diversity is shaped by the zoogeographic history. Conclusions can be drawn about the events that shaped the evolution of this group. The Torini originated in the Indomalayan biogeographical realm and colonised the Middle East and Africa during the Miocene via the Gomphotherium landbridge. The Indomalayan Torini are tetraploid, whereas those of the Middle East and Africa are hexaploid. Molecular phylogenetic analyses showed that the hexaploid Torini cluster within the tetraploid Torini. This makes the tetraploid Torini a paraphyletic group with respect to the hexaploid Torini. Morocco was colonised in two independent waves. The first came from sub-Saharan Africa and is represented by Pterocapoeta maroccana. The second originated in the Middle East and gave rise to C. fritschii, C. harterti, and probably 'L.' reinii. The Tigris-Euphrates system is the largest freshwater system in the Middle East. Its central position between the Orontes River and Jordan River in the West, the Iranian tributaries to the Persian Gulf in the East, and the Arabian Peninsula in the South made it an important crossroad for the colonisation of the Middle East by Torini and other freshwater biota. During the Miocene the predecessors of the Jordan and Orontes rivers were connected to the Tigris-Euphrates system. The Jordan River was separated from the Euphrates before the Orontes. Arabia was colonised in two waves. The first (A. arabicus, A. hadhrami, C. exulatus) dates to the Pliocene, whereas the second (C. apoensis) ended as recently as the late Pleistocene or early Holocene.
The Gram-negative bacteria Photorhabdus and Xenorhabdus are known to produce a variety of different natural products (NP). These compounds play different roles since the bacteria live in symbiosis with nematodes and are pathogenic to insect larvae in the soil. Thus, a fine tuned regulatory system controlling NP biosynthesis is indispensable. Global regulators such as Hfq, Lrp, LeuO and HexA have been shown to influence NP production of Photorhabdus and Xenorhabdus. Additionally, photopyrones as quorum sensing (QS) signals were demonstrated to be involved in the regulation of NP production in Photorhabdus. In this study, we investigated the role of another possible QS signal, autoinducer-2 (AI-2), in regulation of NP production. The AI-2 synthase (LuxS) is widely distributed within the bacterial kingdom and has a dual role as a part of the activated methyl cycle pathway, as well as being responsible for AI-2 precursor production. We deleted luxS in three different entomopathogenic bacteria and compared NP levels in the mutant strains to the wild type (WT) but observed no difference to the WT strains. Furthermore, the absence of the small regulatory RNA micA, which is encoded directly upstream of luxS, did not influence NP levels. Phenotypic differences between the P. luminescens luxS deletion mutant and an earlier described luxS deficient strain of P. luminescens suggested that two phenotypically different strains have evolved in different laboratories.
A dozen mRNAs are edited by multiple insertions and/or deletions of uridine residues in the mitochondrion of Trypanosoma brucei. Several protein complexes have been implicated in performing this type of RNA editing, including the mitochondrial RNA-binding complex 1 (MRB1). Two paralogous novel RNA-binding proteins, MRB8170 and MRB4160, are loosely associated with the core MRB1 complex. Their roles in RNA editing and effects on target mRNAs are so far not well understood. In this study, individual-nucleotide-resolution UV-cross-linking and affinity purification (iCLAP) revealed a preferential binding of both proteins to mitochondrial mRNAs, which was positively correlated with their extent of editing. Integrating additional in vivo and in vitro data, we propose that binding of MRB8170 and/or MRB4160 onto pre-mRNA marks it for the initiation of editing and that initial binding of both proteins may facilitate the recruitment of other components of the RNA editing/processing machinery to ensure efficient editing. Surprisingly, MRB8170 also binds never-edited mRNAs, suggesting that at least this paralog has an additional role outside RNA editing to shape the mitochondrial transcriptome.
The existence of individual variation in males' motivation to mate remains a conundrum as directional selection should favour high mating frequencies. Balancing selection resulting from (context-dependent) female mate choice could contribute to the maintenance of this behavioural polymorphism. In dichotomous choice tests, mosquitofish (Gambusia holbrooki) females preferred virtual males showing intermediate mating frequencies, reflecting females' tendencies to avoid harassment by highly sexually active males. When tested in the presence of a female shoal—which protects females from male harassment—focal females showed significantly stronger preferences for high sexual activity. A trade-off between (indirect) benefits and (direct) costs of mating with sexually active males probably explains context-dependent female mate choice, as costs depend on the social environment in which females choose their mates. No preference was observed when we tested virgin females, suggesting that the behavioural pattern described here is part of the learned behavioural repertoire of G. holbrooki females.
The U-turn is a classical three-dimensional RNA folding motif first identified in the anticodon and T-loops of tRNAs. It also occurs frequently as a building block in other functional RNA structures in many different sequence and structural contexts. U-turns induce sharp changes in the direction of the RNA backbone and often conform to the 3-nt consensus sequence 5'-UNR-3' (N = any nucleotide, R = purine). The canonical U-turn motif is stabilized by a hydrogen bond between the N3 imino group of the U residue and the 3' phosphate group of the R residue as well as a hydrogen bond between the 2'-hydroxyl group of the uridine and the N7 nitrogen of the R residue. Here, we demonstrate that a protonated cytidine can functionally and structurally replace the uridine at the first position of the canonical U-turn motif in the apical loop of the neomycin riboswitch. Using NMR spectroscopy, we directly show that the N3 imino group of the protonated cytidine forms a hydrogen bond with the backbone phosphate 3' from the third nucleotide of the U-turn analogously to the imino group of the uridine in the canonical motif. In addition, we compare the stability of the hydrogen bonds in the mutant U-turn motif to the wild type and describe the NMR signature of the C+-phosphate interaction. Our results have implications for the prediction of RNA structural motifs and suggest simple approaches for the experimental identification of hydrogen bonds between protonated C-imino groups and the phosphate backbone.
Importance of latrine communication in European rabbits shifts along a rural–to–urban gradient
(2016)
Background: Information transfer in mammalian communication networks is often based on the deposition of excreta in latrines. Depending on the intended receiver(s), latrines are either formed at territorial boundaries (between-group communication) or in core areas of home ranges (within-group communication). The relative importance of both types of marking behavior should depend, amongst other factors, on population densities and social group sizes, which tend to differ between urban and rural wildlife populations. Our study is the first to assess (direct and indirect) anthropogenic influences on mammalian latrine-based communication networks along a rural-to-urban gradient in European rabbits (Oryctolagus cuniculus) living in urban, suburban and rural areas in and around Frankfurt am Main (Germany).
Results: The proportion of latrines located in close proximity to the burrow was higher at rural study sites compared to urban and suburban ones. At rural sites, we found the largest latrines and highest latrine densities close to the burrow, suggesting that core marking prevailed. By contrast, latrine dimensions and densities increased with increasing distance from the burrow in urban and suburban populations, suggesting a higher importance of peripheral marking.
Conclusions: Increased population densities, but smaller social group sizes in urban rabbit populations may lead to an increased importance of between-group communication and thus, favor peripheral over core marking. Our study provides novel insights into the manifold ways by which man-made habitat alterations along a rural-to-urban gradient directly and indirectly affect wildlife populations, including latrine-based communication networks.
The process of urbanization is one of the major causes of the global loss of biodiversity; however, cities nowadays also have the potential to serve as new habitats for wildlife. The European rabbit (Oryctolagus cuniculus, L. 1758) is a typical example of a wildlife species that reaches stable population densities in cities. Due to intense plant and soil damages, German city authorities aim to control high rabbit densities through the application of a yearly hunting regime (e. g., in Munich, Berlin or Frankfurt am Main). In contrast, population densities of O. cuniculus are on decline in German rural areas, i. e., numbers of yearly hunting bags decreased. The aim of my doctoral thesis was to answer the following research questions: Do population densities of the European rabbit correlate with the intensity of urbanization in and around Frankfurt am Main and if so, which factors play a role in varying densities? How are burrow construction behaviors and group sizes, daytime activity patterns and anti-predator behaviors as well as communication behaviors of this mammal affected by urbanization?
In my first study, I focused on population dynamics across 17 different study sites in and around Frankfurt. As one of yet few studies, I invented an approach that quantified the intensity of urbanization (degree of urbanity) of each study site base on four variables: (1) intensity of anthropogenic disturbance per min and ha, (2) number of residents within a radius of 500 m, (3) proportion of artificial ground cover and (4) numbers of anthropogenic objects per ha. Spearman rank correlations confirmed that with increasing degree of urbanity also rabbit and burrow densities increased. The access to dense shrubs, bushes etc. as suitable sites for burrow construction is the most determining factor for rabbit abundances, and therefore I presumed different densities along the rural-to-urban gradient to be driven by shifts in the availability of thick vegetation.
In the second study, I calculated two indices that in both cases classified burrows to be either accumulated, evenly or randomly distributed within study sites. Additionally, in cooperation with local hunters the number of burrow entrances and animals that occupy the same burrow had been determined during the hunting season. With increasing degree of urbanity burrow distribution patterns shifted from accumulated in rural areas towards more evenly distributed within the city center of Frankfurt. This is a clear sign for an increasing access to sites suitable for burrow construction along the rural to-urban gradient. Additional Spearman rank correlations revealed that the external dimensions of burrows decreased (shorter distances between entrances) and that burrows became less complex (fewer entrances) along the rural-to-urban gradient. In accordance, the number of rabbits that commonly shared the same burrow system was highest within rural areas, whereas I found mainly pairs and single individuals within highly urbanized study sites.
In the last study I compared activity patterns, burrow use and percentages of anti-predator behaviors from one hour before sunrise until one hour after sunset of rural, suburban and urban rabbit groups. A linear mixed model (LMM) and Spearman rank correlations confirmed that rabbits located at urban and suburban sites spent more time outside their protective burrows compared to their rural conspecifics. At suburban sites, individuals invested the least amount of time in anti-predator behavior. Results of this third study gave evidence that suburban rabbit populations on one hand benefit from less predation pressure by natural predators in comparison to rural sites, whereas on the other hand are exposed to less intense disturbance by humans compared to urban study sites.
The last study focused on the effects that urbanization had on the latrine-based communication behavior of rabbits. As many other mammals, O. cuniculus exchange information via the deposition of excreta in latrines, and depending on the intended receiver(s), latrines are either formed in central areas for within-group communication or at territorial boundaries, e. g., for between-group communication. The relative importance of within- vs. between-group communication depends on, amongst other factors, population densities and group sizes which I proved both to shift along the considered rural-to-urban gradient. I determined latrine sizes, latrine densities and latrine utilization frequencies relative to their distance to the nearest burrow at 15 different study sites. Latrine densities and utilization frequencies increased with increasing distance from the burrow in suburban and urban populations whereas at rural sites, largest latrines and those containing the most fecal pellets were close to the burrow, suggesting that within-group communication prevailed.
To sum up, for the first time, I was able to relate shifts in the ecology and behavior of the European rabbit as adaptations to a gradual anthropogenic habitat alteration that are typical for “urban exploiters”. Especially the suburban habitat provides high landscape heterogeneity (“edge habitat“) which is essential for high and stable rabbit populations. Moreover, here, comparably low human disturbance and predation pressure are given in contrast to the agriculturally transformed, open landscapes which are nowadays typical for most rural areas in central Europe. I argue that this mainly leads to the observed behavioral changes along the rural-to-urban gradient. Future plans for rural land management actions should aim to increase refuge availability by generating networks of ecotones. This would also benefit species that depend on similar ecosystem structures as the European rabbit and are on decline in Germany.
The chemopreventive and anticancer effects of resveratrol (RSV) are widely reported in the literature. Specifically, mechanisms involving epigenetic regulation are promising targets to regulate tumor development. Bromodomains act as epigenetic readers by recognizing lysine acetylation on histone tails and boosting gene expression in order to regulate tissue-specific transcription. In this work, we showed that RSV is a pan-BET inhibitor. Using Differential Scanning Fluorimetry (DSF), we showed that RSV at 100 µM increased the melting temperature (∆Tm) of BET bromodomains by around 2.0 °C. The micromolar dissociation constant (Kd) range was characterized using Isothermal Titration Calorimetry (ITC). The RSV Kd value accounted to 6.6 µM in case of BRD4(1). Molecular docking proposed the binding mode of RSV against BRD4(1) mimicking the acetyl-lysine interactions. All these results suggest that RSV can also recognize epigenetic readers domains by interacting with BET bromodomains.
Erratum to doi:10.1186/s13071-016-1853-2
Background: Aedes albopictus and Ae. japonicus are two of the most widespread invasive mosquito species that have recently become established in western Europe. Both species are associated with the transmission of a number of serious diseases and are projected to continue their spread in Europe.
Methods: In the present study, we modelled the habitat suitability for both species under current and future climatic conditions by means of an Ensemble forecasting approach. We additionally compared the modelled MAXENT niches of Ae. albopictus and Ae. japonicus regarding temperature and precipitation requirements.
Results: Both species were modelled to find suitable habitat conditions in distinct areas within Europe: Ae. albopictus within the Mediterranean regions in southern Europe, Ae. japonicus within the more temperate regions of central Europe. Only in few regions, suitable habitat conditions were projected to overlap for both species. Whereas Ae. albopictus is projected to be generally promoted by climate change in Europe, the area modelled to be climatically suitable for Ae. japonicus is projected to decrease under climate change. This projection of range reduction under climate change relies on the assumption that Ae. japonicus is not able to adapt to warmer climatic conditions. The modelled MAXENT temperature niches of Ae. japonicus were found to be narrower with an optimum at lower temperatures compared to the niches of Ae. albopictus.
Conclusions: Species distribution models identifying areas with high habitat suitability can help improving monitoring programmes for invasive species currently in place. However, as mosquito species are known to be able to adapt to new environmental conditions within the invasion range quickly, niche evolution of invasive mosquito species should be closely followed upon in future studies.
Die Psoriasis vulgaris (PsV) ist eine immunvermittelte entzündliche Erkrankung der Haut mit einer Prävalenzrate von 2-3 %, sodass etwa zwei Millionen Menschen in Deutschland an dieser erkrankt sind. Charakteristisch für die PsV sind veränderte Hautareale (Plaques), die im Rahmen der der entzündungsbedingten Durchblutungssteigerung gerötet erscheinen und eine silbrig-weiße Schuppung als Resultat einer vermehrten Abschilferung abgestorbener Keratinozyten aus der hyperproliferativen Epidermis aufweisen.
In dieser Arbeit wurde die Bedeutung des proinflammatorischen Zytokins granulocyte-macrophage colony-stimulating factor (GM-CSF) in der Pathogenese einer modellhaften Experimentalerkrankung der PsV untersucht. GM-CSF wird unter anderem von Interleukin (IL-) 17 produzierenden T-Helferzellen (Th17-Zellen) sezerniert, deren pathogenetische Bedeutung für die PsV gut etabliert ist. Die pathogene Wirkung von GM-CSF als Effektorzytokin konnte bereits in Tiermodellen anderer Th17-vermittelter Autoimmunerkrankungen wie der multiplen Sklerose und der rheumatoiden Arthritis (RA) gezeigt und die therapeutische Wirkung von GM-CSF-neutralisierenden Antikörpern in klinischen Studien an RA-Patienten demonstriert werden.
Das in dieser Arbeit angewendete murine Krankheitsmodell der Imiquimod (IMQ-) induzierten psoriasiformen Dermatitis wird durch die topische Anwendung des Medikaments Aldara®, dessen Wirkstoff IMQ ist, ausgelöst und führt zu einer Entzündung der Haut, die in vielen Aspekten dem humanen Krankheitsbild einer PsV ähnelt. Die pathogenetische Bedeutung von GM-CSF für die IMQ-induzierte psoriasiforme Dermatitis wurde über zwei unterschiedliche experimentelle Ansätze untersucht. So wurde GM-CSF in C57Bl/6J Mäusen mittels eines spezifischen, rekombinanten murinen Antikörpers in der Induktionsphase des Krankheitsmodells neutralisiert und zeitgleich der modifizierte Psoriasis Area Severity Index (PASI-)Score als Parameter des Schweregrades der klinischen Manifestationen ermittelt. Des Weiteren wurde am Versuchsende die Infiltration von Immunzellen in das entzündete Gewebeareal untersucht. Diese Ergebnisse wurden mit den Daten einer Behandlungsgruppe, nach Applikation eines IgG-Isotyp identischen Kontrollantikörpers verglichen. Dabei zeigte die Neutralisierung des Zytokins einen therapeutischen Effekt, der in einem signifikant niedrigeren PASI-Score, einer verringerten Tnfa mRNA Expression und einer reduzierten Infiltration mit neutrophilen Granulozyten resultierte.
Parallel zu diesen Versuchen wurde die Modellerkrankung auch in einer GM-CSF-defizienten C57Bl/6J Mauslinien (GM-CSF-/-) studiert. Die funktionelle Inaktivität des GM-CSF-kodierenden Csf2 Gens wurde 1994 durch gezielte genetische Manipulation etabliert. Unter den experimentellen Bedingungen war der Schweregrad der IMQ-induzierten psoriasiformen Dermatitis in GM-CSF-/- Mäusen nicht signifikant different von dem der wildtypischen (Wt) Mäuse und zeigte somit im Gegensatz zu den Ergebnissen aus den Versuchsreihen der Antikörper vermittelten Zytokinneutralisierung keinen offensichtlichen Hinweis auf eine GM-CSF-Abhängigkeit. In den GM-CSF-defizienten Tieren war jedoch nach IMQ-Induktion eine signifikant höhere Il6 und Il22 mRNA Expression am Entzündungsort im Vergleich zu den Wt Mäusen auffällig. Aufgrund dieser Ergebnisse wurde der Phänotyp der GM-CSF-defizienten Mäuse genauer untersucht und eine vermehrte Anzahl plasmazytoider dendritischen Zellen (pDCs) in Milz und Lymphknoten nachgewiesen. Diese Zellen werden im Rahmen ihrer Differenzierung aus Vorläuferzellen durch GM-CSF suppressiv reguliert und sind sowohl in die Entwicklung der PsV im Menschen als auch die Pathogenese der IMQ-induzierten psoriasiformen Dermatitis involviert. Aufgrund des in den sekundären lymphatischen Organen GM-CSF-defizienter Mäuse expandierten pDC-Kompartiments wurde die Beteiligung dieser Zellen in der Initiationsphase des Modells analysiert. Im Vergleich mit GM-CSF-suffizienten C57Bl/6J Mäusen weisen die Tiere der GM-CSF-defizienten Mauslinie zu diesen Zeitpunkten eine verstärkte Infiltration von pDCs in die Haut auf. Für pDCs ist bekannt, dass sie über die Produktion von IL-6 und TNF die Effektorzelldifferenzierung aktivierter, naiver T-Lymphozyten in Richtung Th22-Zellen polarisieren können. Dieser Mechanismus liefert ein hypothetisches Konzept, das die Ergebnisse zur gesteigerten IL-6-Produktion und Differenzierung IL-22-produzierender T-Zellen in IMQ-behandelten GM-CSF-/- Mäusen im Kontext der nachweisbaren Expansion von pDCs, erklären könnte. Dieser in den GM-CSF-/- Mäusen nachweisbare alternative Pathogenesemechanismus, ist offenbar geeignet die proinflammatorische Wirkung des genetisch fehlenden Zytokins zu kompensieren, aber hinsichtlich seiner Etablierung über ein verändertes pDC-Kompartiment von Dauer und Ausmaß der GM-CSF-Defizienz abhängig. So erklärt sich, warum die zeitlich limitierte Antikörper vermittelte GM-CSF-Neutralisierung in GM-CSF-suffizienten-Mäusen zu keiner pDC-Expansion und Steigerung von IL-6 und IL-22 Expression nach IMQ-Induktion führt.
Die GM-CSF-Neutralisierung durch einen rekombinanten murinen Antikörper reduziert deutlich die Krankheitsschwere der IMQ-induzierten psoriasiformen Dermatitis und belegt damit das therapeutische Potenzial dieses Therapieansatzes für die Humanerkrankung der PsV. Die unter angeborener GM-CSF-Defizienz in den Studien darüber hinaus aufgedeckten Veränderungen des pDC-Kompartiments sind von potenzieller Relevanz für zukünftige therapeutische Anwendungen dieses Prinzips, da unter einer dauerhaften GM-CSF-Neutralisierung mit therapeutischen Antikörpern ein Monitoring dieser Zellpopulation empfehlenswert erscheint z.B. über veränderte Interferonsignaturen durch pDCs, um mögliche Wirkverluste, aber auch unerwünschte Effekte zu erkennen.
Reticulate evolution is considered to be among the main mechanisms of plant evolution, often leading to the establishment of new species. However, complex evolutionary scenarios result in a challenging definition of evolutionary and taxonomic units. In this study, we aimed to examine the evolutionary origin and revise the species status of Campanula baumgartenii, a rare endemic species from the polyploid complex Campanula section Heterophylla. Morphometry, flow cytometric ploidy estimation, amplified fragment length polymorphisms (AFLPs), as well as chloroplast and nuclear DNA sequence markers were used to assess the morphological and genetic differentiation among C. baumgartenii, Campanula rotundifolia and other closely related taxa. Tetra- and hexaploid C. baumgartenii is morphologically and molecularly (AFLP) differentiated from sympatric C. rotundifolia. Contrasting signals from nuclear (ITS) and chloroplast (trnL-rpl32) markers suggest a hybrid origin of C. baumgartenii with C. rotundifolia and a taxon related to the alpine Campanula scheuchzeri as ancestors. Additionally, hexaploid C. baumgartenii currently hybridizes with co-occurring tetraploid C. rotundifolia resulting in pentaploid hybrids, for which C. baumgartenii serves as both seed and pollen donor. Based on the molecular and morphological differentiation, we propose to keep C. baumgartenii as a separate species. This study exemplifies that detailed population genetic studies can provide a solid basis for taxonomic delimitation within Campanula section Heterophylla as well as for sound identification of conservation targets.
Binding free energy calculations that make use of alchemical pathways are becoming increasingly feasible thanks to advances in hardware and algorithms. Although relative binding free energy (RBFE) calculations are starting to find widespread use, absolute binding free energy (ABFE) calculations are still being explored mainly in academic settings due to the high computational requirements and still uncertain predictive value. However, in some drug design scenarios, RBFE calculations are not applicable and ABFE calculations could provide an alternative. Computationally cheaper end-point calculations in implicit solvent, such as molecular mechanics Poisson–Boltzmann surface area (MMPBSA) calculations, could too be used if one is primarily interested in a relative ranking of affinities. Here, we compare MMPBSA calculations to previously performed absolute alchemical free energy calculations in their ability to correlate with experimental binding free energies for three sets of bromodomain–inhibitor pairs. Different MMPBSA approaches have been considered, including a standard single-trajectory protocol, a protocol that includes a binding entropy estimate, and protocols that take into account the ligand hydration shell. Despite the improvements observed with the latter two MMPBSA approaches, ABFE calculations were found to be overall superior in obtaining correlation with experimental affinities for the test cases considered. A difference in weighted average Pearson () and Spearman () correlations of 0.25 and 0.31 was observed when using a standard single-trajectory MMPBSA setup ( = 0.64 and = 0.66 for ABFE; = 0.39 and = 0.35 for MMPBSA). The best performing MMPBSA protocols returned weighted average Pearson and Spearman correlations that were about 0.1 inferior to ABFE calculations: = 0.55 and = 0.56 when including an entropy estimate, and = 0.53 and = 0.55 when including explicit water molecules. Overall, the study suggests that ABFE calculations are indeed the more accurate approach, yet there is also value in MMPBSA calculations considering the lower compute requirements, and if agreement to experimental affinities in absolute terms is not of interest. Moreover, for the specific protein–ligand systems considered in this study, we find that including an explicit ligand hydration shell or a binding entropy estimate in the MMPBSA calculations resulted in significant performance improvements at a negligible computational cost.
Die neuronalen Mechanismen, welche den meisten kognitiven Prozessen zu Grunde liegen, bestehen aus dem Zusammenspiel verschiedener Neuronen-Typen und deren spezifischen Funktionsmechanismen, sowohl in lokalen, als auch in globalen neuronalen Netzwerken. Eine funktionelle Interaktion mit diesen Netzwerken ist unumgänglich um das „kognitive“ Gehirn zu studieren, da neuronale Gruppen in einer hierarchischen, nicht linearen Weise miteinander interagieren, und dabei charakteristische raum-zeitliche Muster aufweisen. In dieser Arbeit untersuchten wir die Struktur und Funktion eines wichtigen Merkmals kortikaler Prozesse: Die neuronale gamma-Band Oszillation.
RNA-Aptamere sind kurze einzelsträngige Oligonukleotide, die ein Zielmolekül spezifisch erkennen und über ihre 3D-Struktur binden. Die Identifizierung von Aptameren erfolgt mittels in vitro Selektion nach dem Kriterium einer hohen Bindungsaffinität und/oder -spezifität. Das Tetracyclin-bindende Aptamer gehört zu den Aptameren mit der höchsten bekannten Liganden-Affinität. Darüber hinaus gehört es zu den wenigen RNA-Aptameren, die in vivo als artifizieller Riboswitch zur Modulation der Genexpression eingesetzt werden können. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde das Tetracyclin-bindende Aptamer mittels NMR-spektroskopischer und biophysikalischer Methoden im ligandfreien sowie im ligandgebundenen Zustand untersucht, um neben der bereits bekannten Kristallstruktur des RNA-Tetracyclin-Komplexes Aufschlüsse über den dynamischen Ligandenbindungsprozess und die damit verbundene genregulatorische Aktivität des Aptamers zu erhalten. Hierfür wurde der Einfluss von Mg2+-Ionen auf die globale und lokale Strukturausbildung des ligandfreien Aptamers analysiert. Durch die Bindung von Mg2+-Ionen an die RNA wird eine kompakte RNA-Struktur stabilisiert, die neben zahlreichen komplexen Tertiärinteraktionen eine starre Bindungstasche ausbildet, in der der Ligand nach einem „Schlüssel-Schloss-Prinzip“ bindet. Die Ligandbindung zieht nur noch kleinere strukturelle Änderungen nach sich. Mittels der Stopped-Flow-Technik wurden die kinetischen Aspekte der Ligandbindung in Abhängigkeit der Mg2+-Konzentration untersucht. Diese Methode ermöglichte die Analyse der Zusammenhänge zwischen RNA-Faltung und anschließender Komplexbildung in Echtzeit. Die Analyse der Stopped-Flow-Messungen ergab, dass die Geschwindigkeit des Ligandbindungsprozesses wesentlich von der Mg2+-induzierten Strukturausbildung abhängig ist. Die Mg2+-vermittelte globale Organisation der RNA-Struktur ist somit der geschwindigkeitsbestimmende Schritt des Ligandbindungsprozesses. Die RNA-Mg2+-Interaktionen bestimmen also nicht nur die 3D-Struktur des Tetracyclin-bindenden Aptamers, sondern auch die Kinetik des Ligandbindungsprozesses. Der detaillierte Vergleich des Tetracyclin-Aptamers in seiner ligandfreien und ligandgebundenen Form ergab, dass trotz der stark ausgeprägten strukturellen Ähnlichkeit, lediglich die ligandgebundene Form in einer thermisch stabilen Konformation vorliegt. Die signifikante Erhöhung der Thermostabilität durch die Ligandbindung ist die essentielle Voraussetzung für die genregulatorische Funktion des Aptamers. Basierend auf diesen Ergebnissen ist also nicht die Struktur, sondern die strukturelle Stabilität ausschlaggebend für die regulatorische Aktivität des Tetracyclin-bindenden Aptamers.
Ein weiterer Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Charakterisierung des Bindungsmodus von GTP an die GTP-bindenden Aptamere 9-4, 10-10, Klasse II und Klasse V. Durch den direkten NMR-spektroskopischen Nachweis von Wasserstoffbrückenbindungen konnte eine intermolekulare G:C-Watson-Crick-Basenpaarung zwischen GTP und den GTP-bindenden Aptameren 9-4, 10-10 und Klasse II gezeigt werden. Basierend auf diesen Ergebnissen konnte durch eine C zu U Mutation die Bindungsspezifität des Aptamers Klasse II von GTP zu 2-Amino-ATP verändert werden.
Weiterhin konnte im Rahmen dieser Arbeit ein intermolekularer G-Quadruplex als Ligandbindungsmodus zwischen GTP und dem GTP-bindenden Aptamer Klasse V beschrieben werden. Hierbei bildet GTP mit sieben Guanin-Basen der RNA eine intermolekulare G-Quadruplexstruktur, bestehend aus zwei übereinanderliegenden Guanin-Tetraden, aus. Durch den Einsatz von 15N-markiertem NH4+ konnte eine spezifische Kaliumbindungsstelle im Zentrum der Quadruplexstruktur lokalisiert werden, die zur Stabilisierung des RNA-Ligand-Komplexes dient. Die beobachteten NOE-Kreuzsignale zwischen den Protonen des gebundenen NH4+ und den Protonen der RNA bestätigten dabei die Ausbildung eines intermolekularen G-Quadruplexes. Zusätzlich ergab die Analyse der NMR-Spektren, dass die G-Quadruplexstruktur erst im Zuge der Ligandbindung ausgebildet wird. Die Bildung eines G-Quadruplexes, in der der Ligand einen integralen Bestandteil der Quadruplexstruktur darstellt, ist ein bislang unbeschriebener Bindungsmechanismus.
In bacteria, the regulation of gene expression by cis-acting transcriptional riboswitches located in the 5'-untranslated regions of messenger RNA requires the temporal synchronization of RNA synthesis and ligand binding-dependent conformational refolding. Ligand binding to the aptamer domain of the riboswitch induces premature termination of the mRNA synthesis of ligand-associated genes due to the coupled formation of 3'-structural elements acting as terminators. To date, there has been no high resolution structural description of the concerted process of synthesis and ligand-induced restructuring of the regulatory RNA element. Here, we show that for the guanine-sensing xpt-pbuX riboswitch from Bacillus subtilis, the conformation of the full-length transcripts is static: it exclusively populates the functional off-state but cannot switch to the on-state, regardless of the presence or absence of ligand. We show that only the combined matching of transcription rates and ligand binding enables transcription intermediates to undergo ligand-dependent conformational refolding.
Die Verarbeitung während des Hörprozesses von Säugetieren verläuft von der Kochlea mit den inneren und äußeren Haarsinneszellen (äHZ) über afferente Nervenbahnen bis zum auditorischen Kortex (AK). Die daran beteiligten Schaltstationen und deren Funktion sind überwiegend aufgeklärt. Die Hörbahn ist zudem in besonderer Weise durch efferente Rückkopplungen gekennzeichnet, die interne Modulationen sowie sekundäre Reaktionen auf den Reiz ermöglichen. Anatomisch betrachtet verlaufen efferente Projektionen vom AK zu sämtlichen am Hörprozess beteiligten Kerngebieten. Vom Olivenkomplex erfolgt über mediale und laterale Fasern eine Innervation der äHZ bzw. des Hörnervs. Trotz der gut beschriebenen Anatomie ist die funktionelle Beziehung zwischen dem AK und der Peripherie weitgehend ungeklärt. In der vorliegenden Arbeit wurde der funktionelle Zusammenhang vom AK zu den äHZ in der mongolischen Wüstenrennmaus untersucht. Dafür wurde entweder eine pharmakologische Blockierung der Kortexaktivität durch den Natriumkanalblocker Lidocain erzeugt oder eine Aktivierung der Kortexaktivität durch die Anwendung elektrischer Reize ausgelöst. Der Einfluss der Manipulationen wurde in der Kochlea mittels Messungen von Distorsionsprodukt-otoakustischen Emissionen (DPOAE) erfasst. Diese entstehen durch die nichtlineare Verstärkung leiser Schallsignale durch die äHZ zur Erzielung hoher Sensitivität und Frequenzauflösung. Die DPOAE treten als kubische (z. B. 2f1-f2) und quadratische (z. B. f2-f1) Verzerrungen auf und geben Aufschluss über unterschiedliche Parameter der äHZ-Verstärkungsfunktion.
Die Lidocainversuche wurden entweder kontra- oder ipsilateral zur DPOAE-Messung durchgeführt. In beiden Konstellationen traten nach der Lidocaininjektion Erhöhungen und Verringerungen der DPOAE-Pegel im Vergleich zur Basismessung oder unveränderte DPOAE-Pegel auf. Im Mittel lagen die Pegeländerungen bei ca. 11 dB, in Einzelfällen betrugen sie bis zu 44,8 dB. In den Gesamtdaten waren die Effekte nach kontralateraler Injektion oft signifikant größer als nach ipsilateraler Injektion. Ebenso waren die Effekte in der 2f1-f2 Emission meist signifikant größer als in der f2-f1 Emission. Zudem wurde beobachtet, dass signifikant größere Effekte bei einer Stimulation mit Pegeln von 60/50 dB SPL im Vergleich zu 40/30 dB SPL erreicht wurden. Grundsätzlich trat in allen Datensätzen eine Reversibilität der DPOAE-Pegel mit zunehmender Versuchsdauer auf. Die Effekte waren direkt nach der Injektion am größten und erreichten je nach Stimuluspegel und Emissionstyp nach 28-100 min die Basispegel. In keinem der Datensätze lag eine Abhängigkeit der im Kortex gereizten charakteristischen Frequenz (CF) zum betroffenen Frequenzbereich in der Kochlea vor. Die Effekte waren über den gesamten gemessenen Frequenzbereich von 1-40 kHz nachweisbar. Allerdings waren die Frequenzbereiche von 1-10 kHz und 30,5-40 kHz besonders stark von der Lidocaininjektion betroffen.
Auch nach der elektrischen Reizung wurden die drei oben beschriebenen Effekttypen definiert. Mit 54,6 % war der Prozentsatz unveränderter DPOAE-Pegel allerdings sehr hoch. In den anderen beiden Kategorien konnten zusätzlich Differenzierungen im zeitlichen Verhalten der DPOAE-Pegel vorgenommen werden. In 21,6 % bzw. 16,5 % der Datensätze waren die Verringerungen bzw. Erhöhungen bis zum letzten gemessenen Zeitpunkt nach der elektrischen Reizung irreversibel und nur in jeweils 2,8 % der Datensätze war eine Reversibilität zu verzeichnen. In diesen Fällen war die Effektdauer mit im Mittel 31 bzw. 25 min kürzer als in den Lidocainversuchen. Auch die Effektstärken waren mit maximal 23,9 dB und je nach Effekttyp im Mittel 5,1-13,7 dB geringer als nach der Lidocaininjektion. Die größten Effekte traten in einem mittleren Stimuluspegelbereich von 45-55 dB SPL auf. Wiederum konnte keine Abhängigkeit des betroffenen Frequenzbereichs von der kortikal gereizten CF nachgewiesen werden. In Einzelfällen waren auf DPOAE-Ebene nur die Frequenzen ober- und unterhalb der kortikalen CF beeinflusst, wohingegen bei der CF selbst keine Effekte auftraten.
Durch Kontrollexperimente (Salineinjektion bzw. Einführen der Elektrode ohne elektrische Reizung) konnte nachgewiesen werden, dass die Effekte durch die Manipulation der Kortexaktivität hervorgerufen wurden. Somit liegt eine funktionelle Beziehung zwischen dem AK und der Peripherie vor, die langanhaltende massive Ausmaße annehmen kann. Die Effektrichtung ist vermutlich durch die exzitatorisch oder inhibitorisch wirkenden Neurone vom Colliculus inferior zum Olivenkomplex bedingt. Die größeren Effekte in der kontralateralen Konfiguration lassen sich durch die Diskrepanz in der Anzahl der gekreuzten (2/3) und ungekreuzten (1/3) medialen Efferenzen erklären. Die kubischen Komponenten der äHZ-Verstärkungsfunktion scheinen stärker beeinflusst zu sein als die quadratischen Komponenten, was in größeren Pegeländerungen in der 2f1-f2 Emission resultiert. Die teils großen Effektstärken sowie die nicht vorhandene Frequenzabhängigkeit zwischen AK und Kochlea sind vermutlich auf den großen Kortexbereich zurückzuführen, der von den gewählten Injektionsvolumina bzw. elektrischen Reizstärken betroffen war. Die großen Effekte im mittleren Stimuluspegelbereich lassen sich sowohl mit einer möglichen Schutzfunktion der Efferenzen vor zu lauten Schallereignissen als auch mit einer Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses zur erleichterten Detektion akustischer Signale in Einklang bringen. Insgesamt deuten die Ergebnisse darauf hin, dass die Aktivität des AK einen starken Einfluss auf periphere auditorische Mechanismen hat, wodurch die kochleäre Verarbeitung akustischer Signale je nach kortikalem Verarbeitungsstatus massiv modifiziert werden kann.
We demonstrate how a classical taxonomic description of a new species can be enhanced by applying new generation molecular methods, and novel computing and imaging technologies. A cave-dwelling centipede, Eupolybothrus cavernicolus Komerički & Stoev sp. n. (Chilopoda: Lithobiomorpha: Lithobiidae), found in a remote karst region in Knin, Croatia, is the first eukaryotic species for which, in addition to the traditional morphological description, we provide a fully sequenced transcriptome, a DNA barcode, detailed anatomical X-ray microtomography (micro-CT) scans, and a movie of the living specimen to document important traits of its ex-situ behaviour. By employing micro-CT scanning in a new species for the first time, we create a high-resolution morphological and anatomical dataset that allows virtual reconstructions of the specimen and subsequent interactive manipulation to test the recently introduced ‘cybertype’ notion. In addition, the transcriptome was recorded with a total of 67,785 scaffolds, having an average length of 812 bp and N50 of 1,448 bp (see GigaDB). Subsequent annotation of 22,866 scaffolds was conducted by tracing homologs against current available databases, including Nr, SwissProt and COG. This pilot project illustrates a workflow of producing, storing, publishing and disseminating large data sets associated with a description of a new taxon. All data have been deposited in publicly accessible repositories, such as GigaScience GigaDB, NCBI, BOLD, Morphbank and Morphosource, and the respective open licenses used ensure their accessibility and re-usability.
Guzmania panamensis (Bromeliaceae), a new species so far endemic to Veraguas province, Western Panama, is described and illustrated. The new species is recognized due to its peduncle much longer than the leaves and its red floral bracts, shorter than the yellow flowers. The new species is compared to morphologically similar species, namely Guzmania monostachia, G. berteroniana, G. elvallensis, and G. skotakii.
Reporting on the first locality in Bocas del Toro province of extreme western Panama, we extend the known geographic distribution of the lizard Leposoma rugiceps (Cope, 1869) about 275 km westwards from the nearest locality in Panamá province. We provide photos of Panamanian specimens, comment on their morphology, and map the distribution of this binational endemism.
The website Sci-Hub provides access to scholarly literature via full text PDF downloads. The site enables users to access articles that would otherwise be paywalled. Since its creation in 2011, SciHub has grown rapidly in popularity. However, until now, the extent of Sci-Hub’s coverage was unclear. As of March 2017, we find that Sci-Hub’s database contains 68.9% of all 81.6 million scholarly articles, which rises to 85.2% for those published in toll access journals. Coverage varies by discipline, with 92.8% coverage of articles in chemistry journals compared to 76.3% for computer science. Coverage also varies by publisher, with the coverage of the largest publisher, Elsevier, at 97.3%. Our interactive browser at greenelab.github.io/scihub allows users to explore these findings in more detail. We find Sci-Hub preferentially covers popular, paywalled content, containing 96.2% of citations to toll access journals since 2015. For recently requested articles by Unpaywall users, oaDOI provided access to 48.8% whereas Sci-Hub contained 81.5%. Together, oaDOI and Sci-Hub covered 94.1%, demonstrating that gaps in Sci-Hub’s coverage, especially for open access articles, can be filled using licit services. For the first time, nearly all scholarly literature is available gratis to anyone with an Internet connection. Sci-Hub’s scope suggests the subscription publishing model is becoming unsustainable.
We report on new localities for Anolis gruuo Köhler, Ponce, Sunyer and Batista, 2007 along the Serranía de Tabasará in the Comarca Ngöbe-Buglé and Veraguas province of western Panama. These records extend the known geographic distribution of this lizard about 80 km eastward, and the known vertical distribution approximately 40 m lower and 630 m higher. We provide photos of specimens from different localities and comment on their morphology. Only the easternmost populations of this Panamanian endemic live inside a protected area.
Fossile Rohstoffe dienen in unserer heutigen Gesellschaft als Energiequelle und als Rohstofflieferant für Grund-, Feinchemikalien und Pharmazeutika. Sie tragen jedoch zum Klimawandel und Umweltverschmutzung bei. Lignocellulosische Biomasse ist eine erneuerbare und nachhaltige Alternative, die durch biotechnologische Prozesse erschlossen werden kann. Die Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae ist ein sehr gut untersuchter Modellorganismus, für den es zahlreiche genetische Werkzeuge und Analysemethoden gibt. Zudem wird S. cerevisiae häufig in biotechnologischen Prozessen eingesetzt, da diese Hefe robust gegenüber industriellen Bedingungen wie niedrigen pH-Werten, toxischen Chemikalien, osmotischem und mechanischem Stress ist. Die Pentose D-Xylose ist ein wesentlicher Bestandteil von lignocellulosischer Biomasse, die aber nicht natürlicherweise von der Bäckerhefe verwerten werden kann. Für eine kommerzielle Herstellung von Produkten aus lignocellulosischer Biomasse muss S. cerevisiae D-Xylose effektiv verwerten. Für die Bäckerhefe konnten heterologe Stoffwechselwege etabliert werden, damit diese D-Xylose verwerten kann. Für eine effiziente Xyloseverwertung bleiben dennoch zahlreiche Herausforderungen bestehen. Unter anderem nehmen die Zellen D-Xylose über ihre endogenen Hexosetransporter nur langsam auf. Die heterologe Xylose-Isomerase (XI) besitzt in S. cerevisiae eine geringe Aktivität für die Isomerisierung von D-Xylose. Unspezifische Aldosereduktasen konkurrieren mit der Xylose-Isomerase um das gleiche Substrat und produzieren Xylitol, ein starker Inhibitor der Xylose-Isomerase. Eine Möglichkeit die Umsatzrate von Enzymen zu steigern und Substrate vor Nebenreaktionen zu schützen, ist die Anwendung von Substrate Channeling Strategien. Bei Substrate Channeling befinden sich die beteiligten Enzyme in einem Komplex, wodurch die Substrate lokal angereichert werden und von einem aktiven Zentrum zum nächsten weitergeleitet werden, ohne Diffusion in den restlichen Reaktionsraum. In dieser Arbeit wurde untersucht, ob ein Komplex zwischen einem membranständigen Transporter und einem löslichen Enzym konstruiert werden kann, um durch Substrate Channeling eine verbesserte Substrat-Verwertung zu erreichen. Die Xylose-Isomerase aus C. phytofermentans und die endogene Hexose-Permease Gal2 sollten in dieser Arbeit als Modellproteine in S. cerevisiae-Zellen mit Hilfe von Protein-Protein-Interaktionsmodulen (PPIM) in räumliche Nähe zueinander gebracht werden.
Die Expression verschiedener PPIM konnte in S. cerevisiae mittels Western Blot nachgewiesen werden. Auch Fusionsproteine aus unterschiedlichen PPIM wurden in dieser Hefe exprimiert. Die PPIM binden komplementäre PPIM oder kurze Peptidliganden, welche an die Xylose-Isomerase und an den Gal2-Transporter fusioniert wurden. Die Funktionalität beider Proteine wurde mittels in vivo und in vitro Tests untersucht. Die Xylose-Isomerase mit N-terminalen Liganden des WH1-Protein-Protein-Interaktionsmoduls (WH1L-XI) und der Gal2-Transporter mit N-terminalen SYNZIP2-Protein-Protein-Interaktionsmodul (SZ2-Gal2) erwiesen sich als geeignete Kandidaten für weitere Untersuchungen. Mittels indirekter Immunfluoreszenz konnte die Ko-Lokalisierung von SZ2-Gal2 und WH1L-XI, die einander über ein Scaffold-Protein binden, nachgewiesen werden.
Transformanten, in denen ein Komplex aus Transporter, Scaffold-Protein und Xylose-Isomerase gebildet wurde, zeigten bessere Fermentationseigenschaften gegenüber der Scaffold-freien Kontrolle und dem Wildtyp: Sie verwerteten Xylose schneller, bildeten weniger vom unerwünschten Nebenprodukt Xylitol, produzierten mehr Ethanol und wiesen eine höhere Ethanolausbeute auf. Der beobachtete Substrate Channeling Effekt kompensierte die geringere Enzymaktivität der WH1L-XI im Vergleich zum Wildtyp-Protein. Die Wirksamkeit des Substrate Channeling wurde verringert, wenn die Bildung des Komplexes aus Transporter, Scaffold-Protein und Xylose-Isomerase gestört wurde, indem ein getaggtes GFP mit dem Scaffold-Protein um die Bindungsstelle an Gal2 konkurrierte. Dies zeigt, dass die positive Wirkung auf die Komplex-Bildung zwischen XI und Gal2 zurück zu führen ist. Die Fermentationseigenschaften konnten gesteigert werden, indem der zuvor zwischen SZ2-Zipper und Gal2-Transporter verwendete Linker, der aus zehn Aminosäuren von Glycin, Arginin und Prolin (GRP10) bestand, durch einen aus Glycin und Alanin (GA10) ersetzt wurde. Die verbesserten Fermentationseigenschaften beruhten auf einem Substrate Channeling Effekt und einer gesteigerten Aufnahmerate des SZ2-GA10-Gal2-Transporters. Ein Vergleich der Strukturvorhersagen von SZ2-GRP10-Gal2 und SZ2-GA10-Gal2 zeigte, dass der GRP10-Linker einen unstrukturierten, flexiblen Linker ausbildet, während der GA10-Linker eine starre α-Helix ausbildet. Die Struktur und der Transportprozess von Gal2 sind nicht aufgeklärt. Bei verwandten Transportern geht man davon aus, dass Substrate durch Konformationsänderungen ins Innere der Zelle transportiert werden, indem die beiden Domänen gegeneinander klappen. Die α-Helix könnte die Geschwindigkeit der Konformationsänderungen begünstigen.
Durch Kontrollexperimente konnte ausgeschlossen werden, dass die gesteigerten Fermentationseigenschaften eine Folge der Stabilisierung der XI- und Gal2-Fusionsproteine durch das Anfügen des Liganden oder durch Komplexbildung mit dem Scaffold-Protein waren. Substrate Channeling zwischen Gal2 und XI entsteht durch die Komplexbildung mit dem Scaffold-Protein, wodurch sich Gal2 und XI in räumlicher Nähe zueinander befinden. Dieser Effekt beruht möglicherweise zusätzlich aufgrund einer hohen örtlichen Ansammlung dieser Proteine, da die tetramere XI weitere Scaffold-Proteine binden könnte, welche weitere Gal2-Transporter binden könnte. Darüber hinaus sammeln sich Transporter an bestimmten Orten der Membran an und Transporter mit ähnlicher oder gleicher Transmembransequenz tendieren dazu zu ko-lokalisieren. Hierdurch könnten Gal2-XI-Agglomerate entstehen und Xylose wird mit hoher Wahrscheinlichkeit von einer der vielen Xylose-Isomerasen umgesetzt.
Southern African protected areas (PAs) harbour a great diversity of animals, which represent a large potential for wildlife tourism. In this region, global change is expected to result in vegetation changes, such as bush encroachment and increases in vegetation density. However, little is known on the influence of vegetation structure on wildlife tourists’ wildlife viewing experience and satisfaction. In this study, we collected data on vegetation structure and perceived mammal densities along 196 road transects (each 5 km long) and conducted a social survey with 651 questionnaires across four PAs in three Southern African countries. Our objectives were 1) to assess visitors’ attitude towards vegetation, 2) to test the influence of perceived mammal density and vegetation structure on the easiness to spot animals, and 3) on visitors’ satisfaction during their visit to PAs. Using a Boosted Regression Tree procedure, we found mostly negative non-linear relationships between vegetation density and wildlife tourists’ experience, and positive relationships between perceived mammal densities and wildlife tourists’ experience. In particular, wildlife tourists disliked road transects with high estimates of vegetation density. Similarly, the easiness to spot animals dropped at thresholds of high vegetation density and at perceived mammal densities lower than 46 individuals per road transect. Finally, tourists’ satisfaction declined linearly with vegetation density and dropped at mammal densities smaller than 26 individuals per transect. Our results suggest that vegetation density has important impacts on tourists’ wildlife viewing experience and satisfaction. Hence, the management of PAs in savannah landscapes should consider how tourists perceive these landscapes and their mammal diversity in order to maintain and develop a sustainable wildlife tourism.
Many naturally occurring or artificially created RNAs are capable of binding to guanine or guanine derivatives with high affinity and selectivity. They bind their ligands using very different recognition modes involving a diverse set of hydrogen bonding and stacking interactions. Apparently, the potential structural diversity for guanine, guanosine, and guanine nucleotide binding motifs is far from being fully explored. Szostak and coworkers have derived a large set of different GTP-binding aptamer families differing widely in sequence, secondary structure, and ligand specificity. The so-called class V–GTP aptamer from this set binds GTP with very high affinity and has a complex secondary structure. Here we use solution NMR spectroscopy to demonstrate that the class V aptamer binds GTP through the formation of an intermolecular two-layered G-quadruplex structure that directly incorporates the ligand and folds only upon ligand addition. Ligand binding and G-quadruplex formation depend strongly on the identity of monovalent cations present with a clear preference for potassium ions. GTP binding through direct insertion into an intermolecular G-quadruplex is a previously unobserved structural variation for ligand-binding RNA motifs and rationalizes the previously observed specificity pattern of the class V aptamer for GTP analogs.
In dieser Arbeit wurde der Hefepilz Xanthophyllomyces dendrorhous als vielseitige biotechnologische Plattform für die Produktion von Carotinoiden verwendet. Durch genetische Modifikationen der Carotinoidbiosynthese wurde ein Astaxanthin-Hochproduzent zur Akkumulation des farblosen Phytoens, das die menschliche Haut vor der schädlichen Wirkung der UV-Strahlung schützt und des gelben Zeaxanthins, das zur Förderung und Erhalt der Sehfähigkeit beiträgt, befähigt. Zur Generierung eines Phytoen-Hochproduzenten wurde das Gen crtI (Phytoen-Desaturase) inaktiviert und der Phytoengehalt durch Überexpression der Gene HMGR, crtE und crtYB gesteigert. Die Generierung eines Zeaxanthin-Hochproduzenten beinhaltete die Inaktivierung des Gens asy (Astaxanthin-Synthase) und die heterologe Expression einer bakteriellen ß-Carotin-Hydroxylase CrtZoXd.
Die Inaktivierung der Gene erfolgte mit spezifischen Knock-Out-Konstrukten, die mittels homologer Rekombination in crtI oder asy integrierten. Nachdem die Transgene auf Vektoren mit verschiedenen Antibiotikaresistenzen kloniert wurden, wurde die Überexpression durch genomische Integration in die ribosomale DNA erreicht. Anschließend wurde die Carotinoidzusammensetzung der Zellextrakte durch Hochleistungsflüssigkeitschromatographie an einer C18-Trennsäule oder durch Dünnschichtchromatographie bestimmt. Der Knock-Out-Nachweis erfolgte mittels Polymerase-Kettenreaktion und Amplifikation der Genloci, während die Anzahl integrierter Carotinoidgene durch quantitative Real-Time-PCR bestimmt wurde. Die Kultivierungen von X. dendrorhous wurden sowohl in Schikanekolben als auch in einem 2L-Bioreaktor durchgeführt.
Im Zuge der genetischen Modifikationen konnte der Ploidiegrad des Wildtyps bestimmt werden, der bis dahin unbekannt war. Durch das Auftreten von instabilen heterozygoten Stämmen und deren Überführung zu stabilen Homozygoten wurde die Existenz eines diploiden Genoms nachgewiesen. Um die für die biotechnologische Anwendung notwendige Stabilität der Carotinoidbiosyntheseleistung zu erreichen, wurden zwei Strategien entwickelt. Hierbei erfolgte die Stabilisierung der Stämme als Folge mitotischer Rekombination nach Subkultivierung und anschließender Farbselektion oder durch Induktion des sexuellen Zyklus und Sporulation.
Der crtI-Knock-Out führte zur Akkumulation von 3,6 mg/g dw Phytoen. Anschließend wurde die Limitierung der Phytoensynthese durch crtYB-Überexpression aufgehoben und die Versorgung der Carotinoidbiosynthese mit Vorläufermolekülen durch HMGR- und crtE-Überexpression erhöht. Im Bioreaktor wurde durch die Anwendung eines dreistufigen Fed-Batch-Prozesses, der eine effiziente Glucoseverwertung sicherstellte, mit 10,4 mg/g dw die höchste bis dato publizierte zelluläre Phytoenkonzentration im stabilisierten Hochproduzenten erreicht.
Der asy-Knock-Out führte zur Akkumulation von 4,5 mg/g dw ß-Carotin, das anschließend durch heterologe Expression der codon-optimierten ß-3,3-ß-Hydroxylase crtZoXd im Hochproduzenten zu 3,5 mg/g dw Zeaxanthin umgesetzt wurde. Zur Optimierung des Vorgehens wurden Knock-In-Konstrukte entwickelt, mit denen beide Schritte (Knock-Out und Integration von Carotinoidgenen) in nur einem molekular-biologischen Schritt durchgeführt und 94 % des in einem Wildtypstamm vorhanden ß-Carotins zu Zeaxanthin umgesetzt wurden. Die Optimierung der Wachstumsbedingungen bei der Bioreaktor-Kultivierung des stabilisierten Zeaxanthinproduzenten führte mit 10,8 mg/L zu einem 5-fach höheren Zeaxanthingehalt im Vergleich zur Schikane-Kultivierung.
Durch den Einsatz der Pentosen Arabinose und Xylose als alternative Kohlenstoffquellen wurde der Carotinoidgehalt der Phytoen- und Zeaxanthin-Hochproduzenten um 70 bzw. 92 % im Vergleich zur Glucose-Kultivierung gesteigert, wobei die Gründe für diesen Effekt in einer stärkeren Kohlenstoffverwertung und der Hemmwirkung von Glucose vermutet wurden. Aus verschiedenen pflanzlichen Abfallstoffen kann Xylose durch Hydrolyse freigesetzt werden, deren Nutzung zum Aufbau einer nachhaltigen und kostengünstigen biotechnologischen Carotinoidproduktion beitragen kann.
Darüber hinaus wurden multioxigenierte Zeaxanthinderivate, von denen eine positive Wirkung auf die menschliche Gesundheit vermutet wird, durch kombinatorische Biosynthese erhalten. Durch die schrittweise Integration der Gene crtZoXd, crtG (ß-2,2-Hydroxylase) und bkt (ß-4,4-Ketolase) in eine ß-Carotinmutante wurde die Biosynthese von Zeaxanthin, Nostoxanthin und schließlich von 4-Keto-Nostoxanthin und 4,4-Diketo-Nostoxanthin erreicht. Anschließend erfolgte die chemische Reduktion zu den neuartigen Carotinoiden 4-Hydroxy-Nostoxanthin und 4,4-Dihydroxy-Nostoxanthin und der zweifelsfreie Nachweis aller vier Carotinoide anhand der mittels Massenspektrometrie bestimmten Molekülmassen und Fragmentierungsmuster.
Die Beobachtung, dass Tumorzellen häufig eine Abhängigkeit gegenüber einer einzelnen und treibenden Mutation entwickeln, obwohl sie zahlreiche Mutationen aufweisen, bildet die Grundlage der mittlerweile etablierten, zielgerichteten Tumortherapie (Weinstein, 2002). Mit der Identifikation verantwortlicher Signalwege sowie beteiligter Signalkomponenten, sind Ansatzpunkte für diese Therapieform geschaffen worden, die bereits zu einigen Erfolgen in der Leukämie-, Brustkrebs- oder Lungenkrebsbehandlung geführt haben (Druker et al., 2001; Slamon et al., 2001; Kwak et al., 2010) . In vielen Fällen stellt sich jedoch ein Rückfall aufgrund der Ausbildung von Resistenzen ein oder auch das Nichtanschlagen der Therapien wird beobachtet (Ramos & Bentires-Alj, 2015).
Verschiedenste Mechanismen kommen dabei in Frage, doch häufig werden kompensatorische Veränderungen in den Signalwegen beobachtet, die schließlich zur Umgehung der Inhibition führen (Holohan et al., 2013). Grundlage hierfür ist die Redundanz und Verknüpfung der Signalwege mit- und untereinander, die es der Zelle im Sinne der Homöostase ermöglichen sich flexibel an ihre Umgebung anzupassen (Rosell et al., 2013; Sun & Bernards, 2014) . Daher ist es von äußerster Wichtigkeit, die Mechanismen der Inhibition im Hinblick auf die Signalwege der Zellen genauer zu verstehen, und dabei nicht nur die direkten, sondern auch die indirekten Effekte der Inhibition zu analysieren. So lassen sich Rückschlüsse auf den Einsatz zielgerichteter Medikamenten ziehen, die in besseren Therapiekombinationen resultieren und dadurch die Entstehung von Resistenzen verhindern.
Eine Hyper-Aktivierung von STAT3 sowie das dadurch induzierte Genmuster sind als starkes onkogenes Signal identifiziert worden, und spielen darüber hinaus an der Vermittlung von Resistenzen gegenüber Tumortherapien eine entscheidende Rolle. Durch seine Rolle in diversen zellulären Prozessen, beeinflusst STAT3 die Proliferation und das Überleben von Tumorzellen, ihr migratorisches und invasives Verhalten sowie ihre Kommunikation mit Stroma- und Immunzellen. (Bromberg et al., 1999; Wake & Watson, 2015) Sehr selten ist die aberrante Aktivierung des Transkriptionsfaktors auf eigene Mutationen zurückzuführen, vielmehr sorgen Treiber überhalb für diese (Johnston & Grandis, 2011; Kucuk et al., 2015).
In der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene STAT3-Inhibitionen in unterschiedlichen Modellen verglichen um darüber Rückschlüsse auf Kriterien einer Therapie zu ziehen. In einem Gliommodell aus der Maus, dem eine v-SRC-Expression als Treiber zu Grunde liegt (Smilowitz et al., 2007), wurde eine indirekte, BMX-vermittelte STAT3-Inhibition mit einer zielgerichteten STAT3-Hemmung verglichen. BMX, die zur TEC-Kinase-Familie gehört, wird als STAT3-aktivierende Kinase beschrieben. In letzter Zeit wurde ihr Einfluss bei der Tumorentwicklung immer deutlicher (Dai et al., 2006; Hart et al., 2011; Holopainen et al., 2012). Unter anderem konnte in Glioblastom-Stammzellen eine BMX-vermittelte STAT3-Aktivierung als Treiber für die Selbsterneurungskapazität und das tumorigene Potential identifiziert werden (Guryanova et al., 2011). Mit dem Tyrosinkinase-Inhibitor Canertinib ist es gelungen, in den murinen Tu-2449-Gliomzellen eine BMX-vermittelte STAT3-Aktivierung nachzuweisen und zu inhibieren. Dies ist damit die erste Arbeit, in der Canertinib als BMX-Inhibitor in einem endogenen Zellsystem getestet wurde. Die einmalige Canertinib-Gabe resultierte in einem Zellzyklusarrest der G1-Phase und die Aufrechterhaltung der Inhibitorwirkung im Zelltod. Im Vergleich dazu konnte eine RNAivermittelte STAT3-Stilllegung nicht das Absterben dieser Zellen induzieren. Mit der Suche weiterer Zielstrukturen von Canertinib, die die Grundlage dieser unterschiedlichen Phänotypen bilden, konnte eine zusätzliche AKT-Inhibition identifiziert werden. Sehr wahrscheinlich wird die AKT-Inhibition ebenfalls durch BMX vermittelt, da keine Inhibition der ERBB-Familie bestätigt werden konnte. Um die Effekte weiter abzugleichen wurden Canertinib-Versuche mit einem humanen Brustkrebsmodell durchgeführt, das als Treiber eine Überexpression des EGFR aufweist.
In MDA-MB-468-Zellen, in denen keine BMX-Aktivierung vorliegt, resultierte eine Canertinib-Behandlung in der sehr prominenten Inhibition des ERK-Signalweges und in einer weniger ausgeprägten Verminderung der STAT3- und AKT-Aktivierung. Auch in diesen Zellen führte die Canertinib-Behandlung zum Zelltod. Diese Effekte werden sehr wahrscheinlich durch die Inhibition des EGFR induziert, da Canertinib als pan-ERBBInhibitor beschrieben ist (Slichenmyer et al., 2001; Djerf Severinsson et al., 2011) .
Resultate die früher in der Arbeitsgruppe gewonnen wurden, beweisen, dass eine Herunterregulation von STAT3 in der Brustkrebszelllinie MDA-MB-468 ausreicht um ein Absterben der Zellen zu induzieren (Groner et al., 2008).
Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass eine Canertinib-Behandlung über die Inhibition unterschiedlicher Signalwege den Zelltod in beiden Zelllinien induziert. Obwohl beide Zelllinien Treiber-vermitteltes, konstitutiv aktives STAT3 aufweisen, stellt nur in den Brustkrebszellen seine Inhibition eine ausreichende Therapiebedingung dar. Somit sind die Unterschiede zwischen den beiden Zelllinien essentiell für ein Überleben der Zellen nach einer STAT3-Inhibition. In Zukunft ist es wichtig, diese Unterschiede zu identifizieren um damit zu definieren, in welchen Patientengruppen eine STAT3-Inhibition zum Erfolg führt.
Introduction:
The evolutionary patterns of symbiotic organisms are inferred using cophylogenetic methods. Congruent phylogenies indicate cospeciation or host-switches to closely-related hosts, whereas incongruent topologies indicate independent speciation. Recent studies suggest that coordinated speciation is a rare event, and may not occur even in the highly specialized associations. The cospeciation hypothesis was mainly tested for free-living mutualistic associations, such as plant-pollinator interactions, and host-parasitic systems but was rarely tested on obligate, mutualistic associations involving intimate physiological interactions. Symbionts with lower partner selectivity may not experience coordinated speciation due to frequent switching of partners. On the other hand, symbionts with high partner selectivity may influence each other’s evolution owing to the highly interdependent lifestyles. Symbiont association patterns are also influenced by habitat and it has been proposed that symbiotic interactions are stronger in warm regions as compared to cooler regions (also referred as latitudinal gradient of biotic specialization). This hypothesis however, has recently been challenged and it has been suggested that a gradient of biotic specialization may not exist at all. Reliable species concepts are a prerequisite for understanding the association and evolutionary patterns of symbiotic organisms. The species concepts of many groups traditionally relied on the morphological species concept, which may not be adequate for distinguishing species due to the: i) homoplasious nature of morphological characters, an due to the inability to distinguish cryptic species. Thus phylogenetic species concept along with coalescent-based species delimitation approaches, which utilize molecular data for inferring species boundaries have been used widely for resolving taxonomic relationships. Lichens are obligatory symbiotic associations consisting of a fungal partner (mycobiont) and one or more photosynthetic partners, algae, and/or cyanobacteria (photobionts). I used the lichen forming fungal genus Protoparmelia as my study system, which consists of ~25-30 previously described species inhabiting different habitats, from the arctic to the tropics. This makes Protoparmelia an ideal system to explore the association and evolutionary patterns across different macrohabitats.
Objectives:
The objectives of this thesis were to 1. Elucidate the phylogenetic position of Protoparmelia within Lecanorales, and infer the monophyly of Protoparmelia; 2. Understand species diversity within Protoparmelia s.str. using coalescent-based species delimitation approaches; and 3. To identify the Trebouxia species associated with Protoparmelia using phylogenetic and species delimitation approaches and to infer the association and cophylogenetic patterns Protoparmelia and Trebouxia in different macrohabitats.
Results and discussion:
Chapter 1: Taxonomic position of Protoparmelia
In the first part of this study I explored the taxonomic position of Protoparmelia within the order Lecanorales. Overall this study included 54 taxa from four families, sequenced at five loci (178 sequences). I found Protoparmelia to be polyphyletic and sister to Parmeliaceae.
Chapter 2: Multilocus phylogeny and species delimitation of Protoparmelia spp.
In this part of the study, I identified and delimited the Protoparmelia species forming a monophyletic clade sister to Parmeliaceae i.e., Protoparmelia sensu stricto group, based on the multilocus phylogeny and coalescent-based species delimitation approaches. I included 18 previously described and three unidentified Protoparmelia species, which represents ~70% of the total described species, and 73 other taxa, sequenced at six loci. I found that the sensu stricto group comprised of 25 supported clades instead of 12 previously described Protoparmelia species. I tested the speciation probabilities of these 25 clades using species delimitation softwares BP&P and spedeSTEM. I found nine previously unrecognized lineages in Protoparmelia and I propose the presence of at least 23 species for Protoparmelia s.str., in contrast to the 12 described species included in the study.
Chapter 3: Association and cophylogenetic patterns of Protoparmelia and its symbiotic partner Trebouxia
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Die mitochondriale Innenmembran (IM) besteht aus zwei Subkompartimenten. Der Cristae Membran (CM) und der inneren Grenzmembran (IBM), welche durch die runden und schlitzartige Strukturen der Christa Junctions (CJs) verbunden werden Der MICOS-Komplex ist an den CJs lokalisiert und besteht aus mindestens 6 Komponenten, Mic60, Mic27, Mic26, Mic19, Mic12 und Mic10. Es ist bekannt, dass der MICOS-Komplex essentiell für die Stabilität der CJs ist. Die in dieser Arbeit gezeigten Ergebnisse, geben Aufschluss darüber, wie sich einzelne MICOS-Komponenten auf die Stabilität von Cristae und CJs im Modellsystem Hefe (S cerevisiae) auswirken. Zu Beginn dieser Arbeit war zum einen bekannt, dass die MICOS-Komponente Mic60 essentiell für die Bildung von CJs ist. Zum Anderen wurden im Vorfeld dieser Arbeit Interaktionen von Mic60 mit Proteinen in der mitochondrialen Außenmembran, vor allem Proteinkomplexe mit β-barrel-Proteinen identifiziert. Diese Interaktionen werden über den evolutionär, konservierten C-Terminus von Mic60 vermittelt.
β-barrel Proteine besitzen eine charakteristische Peptidsequenz, die β-Sequenz. Diese dient nach dem Import der β-barrel Proteine in die Mitochondrien als Signalpeptid für den SAM-/TOB-Komplex, welcher daraufhin die Proteine in die Außenmembran insertiert. In dieser Arbeit wurde ebenfalls eine β-Sequenz im C-Terminus von Mic60 identifiziert, diese zeigte einen Einfluss auf die Cristae-Stabilität. Zellen die eine Mic60-Variante mit einer Deletion oder Punktmutation der β- Domäne exprimieren, zeigten eine reduzierte Anzahl an CJs. Auch das Verkürzen des C-Terminus von Mic60 hatte diesen Effekt auf die mitochondriale Ultrastruktur. So konnte gezeigt werden, dass die β-Domäne und die Integrität des C-Terminus essentiell für die Stabilität von CJs sind.
Der Fokus dieser Arbeit lag in der Charakterisierung der MICOS-Komponenten Mic26 und Mic27. Es konnte bewiesen werden, dass beide Proteine genetisch mit der MICOS-Kernkomponente Mic60 interagieren. Die Untersuchung der mitochondrialen Ultrastruktur von Δmic26- und Δmic27-Zellen zeigte, dass eine Deletion vom Mic26 keinen Einfluss auf die Organisation der mitochondrialen Innenmembran hat. Im Gegensatz dazu, ist im Vergleich zum Wildtyp die Anzahl an CJs in Δmic27-Zellen um zwei Drittel reduziert. Auch die Innenmembranoberfläche ist in diesen Zellen stark vergrößert. Die Untersuchung der Morphologie der mitochondrialen Innenmembran in Zellen ohne Mic27 durch Kryo-Elektronentomographie isolierter Mitochondrien, veranschaulichte die Struktur der CJs in diesen Zellen genauer. Es zeigten sich hier breitere CJs, und der Übergang von der Cristaemembran in den Bereich der inneren Grenzmembran ist sehr flach und undefiniert. In Wildtyp-Mitochondrien waren die CJs schmal und schlitzartig und haben einen scharfkantigen Übergang von der Cristaemembran zur inneren Grenzmembran. Des Weiteren wies die Cristaemembran in Δmic27-Zellen unregelmäßige zackige Strukturelemente auf, was auf eine Anhäufung an Dimeren der F1FO-ATP Synthase hinweist.
Diese Beobachtungen in den Kryo-Tomogrammen, wurde durch Analysen des Oligomerisierungszustands der F1FO-ATP Synthase in Δmic27-Zellen, bestätigt. Hier fanden sich deutlich weniger höhere Oligomere und vermehrt Dimere. So kann aus diesen Befunden geschlossen werden, dass Mic27 die Oligomere der F1FO-ATP Synthase stabilisiert.
Um zu untersuchen, wie der MICOS-Komplex mit der F1FO-ATP Synthase in Verbindung steht, wurde mittels 2D-BNE-Analysen und einem Complexome Profiling die Komplexierung der nativen Komplexe in Wildtyp- und Δmic27-Mitochondrien analysiert. Zum einen konnte durch diese Untersuchungen gezeigt werden, dass Mic27 neben der F1FO-ATP Synthase auch stabilisierend auf den MICOS-Komplex wirkt. Die Komplexe im hochmolekularen Bereich der MICOS-Komponenten zerfielen in Δmic27-Zellen, was darauf hinweist, dass die anderen MICOS-Komponenten hier nicht mehr assemblieren können. Mic10 war die einzige MICOS-Komponente die in Δmic27-Zellen noch stabile Komplexe im hohen Massenbereich ausbildete. Mic10 findet sich zudem nicht nur in Klustern mit anderen MICOS-Komponenten sondern auch mit der F1FO-ATP Synthase.
Die Interaktion von Mic10 und der F1FO-ATP Synthase wurde auch biochemisch, mittels chemischer Quervernetzern und Ko-Immunpräzipitationsexperimenten bestätigt. Dies legt nahe, dass Mic10 die CJs mit hoher Wahrscheinlichkeit, durch die Verbindung mit der F1FO-ATP Synthase, mit der Cristaemembran verbindet und so stabilisiert.
Aufgrund der Erkenntnisse dieser Arbeit konnte ein neuartiges Modell postuliert werden. Die MICOS-Komponente Mic60 stabilisiert die CJs durch eine Interaktion seines C-Terminus mit Proteinen in der Außenmembran. Mic27 vermittelt über Mic10 die Interaktion zur F1FO-ATP Synthase. Somit ist diese neu identifizierte Interaktion des MICOS-Komplex zur F1FO-ATP Synthase essentiell für die Stabilität von CJs ist, indem es den MICOS-Komplex mit den Oligomeren der F1FO-ATP Synthase verbindet.
Lymphocyte function-associated antigen 1 (LFA-1) affinity and avidity changes have been assumed to mediate adhesion to intercellular adhesion molecule-1 for T-cell conjugation to dendritic cells (DC). Although the T-cell receptor (TCR) and LFA-1 can generate intracellular signals, the immune cell adaptor protein linker for the activation of T cells (LAT) couples the TCR to downstream events. Here, we show that LFA-1 can mediate both adhesion and de-adhesion, dependent on receptor clustering. Although increased affinity mediates adhesion, LFA-1 cross-linking induced the association and activation of the protein-tyrosine kinases FAK1/PYK1 that phosphorylated LAT selectively on a single Y-171 site for the binding to adaptor complex GRB-2-SKAP1. LAT-GRB2-SKAP1 complexes were distinct from canonical LAT-GADs-SLP-76 complexes. LFA-1 cross-linking increased the presence of LAT-GRB2-SKAP1 complexes relative to LAT-GADs-SLP-76 complexes. LFA-1-FAK1 decreased T-cell-dendritic cell (DC) dwell times dependent on LAT-Y171, leading to reduced DO11.10 T cell binding to DCs and proliferation to OVA peptide. Overall, our findings outline a new model for LFA-1 in which the integrin can mediate both adhesion and de-adhesion events dependent on receptor cross-linking.
Despite the growth of Open Access, potentially illegally circumventing paywalls to access scholarly publications is becoming a more mainstream phenomenon. The web service Sci-Hub is amongst the biggest facilitators of this, offering free access to around 62 million publications. So far it is not well studied how and why its users are accessing publications through Sci-Hub. By utilizing the recently released corpus of Sci-Hub and comparing it to the data of ~28 million downloads done through the service, this study tries to address some of these questions. The comparative analysis shows that both the usage and complete corpus is largely made up of recently published articles, with users disproportionately favoring newer articles and 35% of downloaded articles being published after 2013. These results hint that embargo periods before publications become Open Access are frequently circumnavigated using Guerilla Open Access approaches like Sci-Hub. On a journal level, the downloads show a bias towards some scholarly disciplines, especially Chemistry, suggesting increased barriers to access for these. Comparing the use and corpus on a publisher level, it becomes clear that only 11% of publishers are highly requested in comparison to the baseline frequency, while 45% of all publishers are significantly less accessed than expected. Despite this, the oligopoly of publishers is even more remarkable on the level of content consumption, with 80% of all downloads being published through only 9 publishers. All of this suggests that Sci-Hub is used by different populations and for a number of different reasons, and that there is still a lack of access to the published scientific record. A further analysis of these openly available data resources will undoubtedly be valuable for the investigation of academic publishing.
Peer review of research articles is a core part of our scholarly communication system. In spite of its importance, the status and purpose of peer review is often contested. What is its role in our modern digital research and communications infrastructure? Does it perform to the high standards with which it is generally regarded? Studies of peer review have shown that it is prone to bias and abuse in numerous dimensions, frequently unreliable, and can fail to detect even fraudulent research. With the advent of Web technologies, we are now witnessing a phase of innovation and experimentation in our approaches to peer review. These developments prompted us to examine emerging models of peer review from a range of disciplines and venues, and to ask how they might address some of the issues with our current systems of peer review. We examine the functionality of a range of social Web platforms, and compare these with the traits underlying a viable peer review system: quality control, quantified performance metrics as engagement incentives, and certification and reputation. Ideally, any new systems will demonstrate that they out-perform current models while avoiding as many of the biases of existing systems as possible. We conclude that there is considerable scope for new peer review initiatives to be developed, each with their own potential issues and advantages. We also propose a novel hybrid platform model that, at least partially, resolves many of the technical and social issues associated with peer review, and can potentially disrupt the entire scholarly communication system. Success for any such development relies on reaching a critical threshold of research community engagement with both the process and the platform, and therefore cannot be achieved without a significant change of incentives in research environments.
Der Gyrus dentatus ist eine anatomische Region im Hippocampus und besitzt die einzigartige Fähigkeit auch im adulten Gehirn lebenslang neue Nervenzellen zu generieren. Dieser Prozess wird als adulte Neurogenese bezeichnet, stellt eine besondere Form struktureller Plastizität dar und es wurde gezeigt, dass adult neugebildete Körnerzellen im Gyrus dentatus essentiell am Prozess des hippocampalen Lernens und der Gedächtnisausbildung beteiligt sind. Es wird vermutet, dass neue Körnerzellen aufgrund ihrer charakteristischen Eigenschaften verstärkt auf neue Informationsmuster reagieren können und darauf spezialisiert sind Muster, die eine hohe Ähnlichkeit zueinander haben zu separieren und diese Unterschiede zu kodieren. Obwohl bereits eine Vielzahl von wissenschaftlichen Studien zum Verständnis der Entwicklung und Funktion adult neugebildeter Körnerzellen beitragen konnte, bestehen immer noch Unklarheiten darin, wie sich diese neuen Nervenzellen strukturell entwickeln, wann es zu einer funktionellen Integration kommt und wie diese beiden Prozesse miteinander zusammenhängen. In den vorliegenden Arbeiten wurde die strukturelle Entwicklung und synaptische Integration adult neugebildeter Körnerzellen in das bestehende hippocampale Netzwerk der Ratte und Maus unter in vivo Bedingungen untersucht. Zur Beantwortung dieser Fragen wurden Methoden aus der Anatomie, Histologie und in vivo Elektrophysiologie kombiniert. Der Nachweis neuer Körnerzellen erfolgte entweder durch immunhistologische Färbungen gegen spezifische Marker für unreife und reife Körnerzellen, Markierungen mit Bromdesoxyuridin oder retro- bzw. adenovirale intrazerebrale Injektionen und Expression von GFP. Es wurde eine in vivo Stimulation des Tractus perforans in der anästhesierten Ratte zur Langzeitpotenzierung der Körnerzellsynapsen und anschließend eine immunhistologische Analyse der Expression von synaptischen Aktivitäts- und Plastizitätsmarkern in neugebildeten und reifen Körnerzellen nach der Stimulation durchgeführt. Zusätzlich wurden detaillierte drei-dimensionale Rekonstruktion dendritischer Bäume erstellt und dendritische Dornenfortsätze an retroviral markierten Zellen analysiert.
Die vorliegenden Daten belegen den generellen Verlauf der Entwicklung neugeborener Körnerzellen in zwei unterschiedliche Phasen: eine frühe dendritische Reifung und eine späte funktionelle und synaptische Integration. Neugeborene Körnerzellen zeigten ein rasches dendritisches Auswachsen, dass innerhalb der ersten drei bis vier Wochen abgeschlossen war. Während dieses Wachstumsprozesses passieren Dendriten nacheinander die Körnerzellschicht und anschließend die innere, mittlere und äußere Molekularschicht. Dadurch sind sie innerhalb ihrer morphologischen Entwicklungsphasen anatomisch auf spezifische präsynaptische Partner limitiert. In der wissenschaftlichen Literatur wird eine transiente kritische Phase beschrieben, in der neugeborene Körnerzellen eine starke Plastizität und sensitivere synaptische Erregbarkeit aufweisen. Obwohl die vorliegenden Resultate keine direkten Hinweise auf eine stärkere bzw. sensitivere Plastizität neugeborener Körnerzellen liefern, konnte eine Phase zwischen vier und fünf Wochen identifiziert werden, in der neue Körnerzellen einen sprunghaften Anstieg in ihrer Fähigkeit zur Expression synaptischer Aktivitätsmarker (z.B. Arc und c-fos) und Ausbildung struktureller Plastizität (Dendriten und Dornenfortsätze) zeigten. Die präsentierten Resultate machen deutlich, dass Dornenfortsätze neuer Körnerzellen nach elf Wochen eine vergleichbare Dichte, Größenverteilung und Plastizität aufzeigen, die vergleichbar mit denen vorhandener Körnerzellen sind. Die Fähigkeit zur dendritischen Plastizität nach synaptischer Aktivierung zeigten jedoch nur neugeborene Körnerzellen zwischen der vierten und fünften Woche. Diese Ergebnisse implizieren, dass die Integration neugebildeter Körnerzellen kontinuierlich verläuft und obwohl die vorliegenden Daten die Existenz einer dendritischen Plastizität und einen sprunghaften Anstieg synaptischer Plastizität in der vierten und fünften Woche belegen, wurden keine weiteren Hinweise auf eine transiente kritische Phase gefunden. Des Weiteren zeigten dendritische Bäume von gereiften adult neugeborenen und reifen Körnerzellen Unterschiede, die daraufhin deuten, dass neue Körnerzellen eine eigene Subpopulation darstellen.
Non-lethal genotyping of Tribolium castaneum adults using genomic DNA extracted from wing tissue
(2017)
The red flour beetle Tribolium castaneum has become the second most important insect model organism and is frequently used in developmental biology, genetics and pest-associated research. Consequently, the methodological arsenal increases continuously, but many routinely applied techniques for Drosophila melanogaster and other insect species are still unavailable. For example, a protocol for non-lethal genotyping has not yet been adapted but is particularly useful when individuals with known genotypes are required for downstream experiments. In this study, we present a workflow for non-lethal genotyping of T. castaneum adults based on extracting genomic DNA from wing tissue. In detail, we describe a convenient procedure for wing dissection and a custom method for wing digestion that allows PCR-based genotyping of up to fifty adults in less than an afternoon with a success rate of about 86%. The amount of template is sufficient for up to ten reactions while viability and fertility of the beetles are preserved. We prove the applicability of our protocol by genotyping the white / scarlet gene pair alleles from the black-eyed San Bernadino wild-type and white-eyed Pearl recessive mutant strains spanning four generations. Non-lethal genotyping has the potential to improve and accelerate many workflows: Firstly, during the establishment process of homozygous cultures or during stock keeping of cultures that carry recessively lethal alleles, laborious test crossing is replaced by non-lethal genotyping. Secondly, in genome engineering assays, non-lethal genotyping allows the identification of appropriate founders before they are crossed against wild-types, narrowing the efforts down to only the relevant individuals. Thirdly, non-lethal genotyping simplifies experimental strategies, in which genotype and behavior should be correlated, since the genetic configuration of potential individuals can be determined before the actual behavior assays is performed.
In mammals, acoustic communication plays an important role during social behaviors. Despite their ethological relevance, the mechanisms by which the auditory cortex represents different communication call properties remain elusive. Recent studies have pointed out that communication-sound encoding could be based on discharge patterns of neuronal populations. Following this idea, we investigated whether the activity of local neuronal networks, such as those occurring within individual cortical columns, is sufficient for distinguishing between sounds that differed in their spectro-temporal properties. To accomplish this aim, we analyzed simple pure-tone and complex communication call elicited multi-unit activity (MUA) as well as local field potentials (LFP), and current source density (CSD) waveforms at the single-layer and columnar level from the primary auditory cortex of anesthetized Mongolian gerbils. Multi-dimensional scaling analysis was used to evaluate the degree of “call-specificity” in the evoked activity. The results showed that whole laminar profiles segregated 1.8-2.6 times better across calls than single-layer activity. Also, laminar LFP and CSD profiles segregated better than MUA profiles. Significant differences between CSD profiles evoked by different sounds were more pronounced at mid and late latencies in the granular and infragranular layers and these differences were based on the absence and/or presence of current sinks and on sink timing. The stimulus-specific activity patterns observed within cortical columns suggests that the joint activity of local cortical populations (as local as single columns) could indeed be important for encoding sounds that differ in their acoustic attributes.
Multicellular organisms require that cells adhere to each other. This cell-cell adhesion is indispensable for the formation and the integrity of epithelial structures, tissues and organs. Mammals have developed four different cell-cell adhesion structures, the adhering junctions, which ensure the tight contact between cells but are also important platforms for communication and exchange in tissues. Two of these adhering junctions are cadherin based, the belt-like adherens junctions and the spot-like desmosomes. Both structures have in common that they are composed of single membrane spanning proteins, the cadherins, which accomplish adhesion in a calcium-dependent manner. The intracellular parts of classical as well as desmosomal cadherins bind to different adaptor proteins of the armadillo-protein family and others which build a protein plaque underneath the membrane and link the cadherins to the actin or intermediate filament cytoskeleton.
Desmosomes are of special importance for tissues that have to withstand mechanical stress. Although they are essential to stabilize tissues they have to be highly flexible and dynamic structures, as processes like wound healing or tissue remodeling require that adhesive interactions can be modulated. The molecular dynamics within desmosomes are not jet understood in detail, but it is assumed that two different membrane associated pools of desmosomal cadherins exist in cells. Cadherins that are incorporated in mature desmosomes are part of the junctional pool, whereas cadherins that are not associated with firm desmosomes and the intermediate filament cytoskeleton belong to the non-junctional pool. Lateral movements between the two pools results in a dynamic equilibrium and allows for example the exchange of old cadherins. Little is known about the breakdown of desmosomal cadherins. Several studies found that desmosome assembly or endocytosis are cholesterol dependent processes and claimed that membrane microdomains play a role in the regulation of desmosome dynamics. Moreover, membrane rafts may be involved in the pathomechanism of the desmosome associated disease pemphigus, were autoantibodies bind to the cadherin desmoglein-3 and trigger its internalization which results in a loss of adhesion in skin cells.
Membrane rafts are cholesterol dependent nanoscale structures of cellular membranes that are able to regulate the distribution of proteins within the plasma membrane and thus form platforms for cell signaling and membrane trafficking. Flotillins are proteins that are associated with membrane rafts and are reported to be involved in processes like endocytosis, endosomal sorting and a multitude of different signaling events. We could recently show that the membrane raft associated proteins flotillin-1 and flotillin-2 bind directly to the armadillo protein y-catenin which can be part of both, the adherens junction and the desmosome. The aim of this study was to eluciadate a possible role of flotillins in the regulation of desmosomes.
HaCaT keratinocytes were chosen as the main cell system for this study and at first the association of desmosomal components with flotillins was analyzed in detail. It was found that flotillins are clearly associated with desmosomal proteins. They colocalize with desmoglein-3 at cell borders and precipitate the other desmogleins. Further binding assays revealed that both flotillins bind to all desmogleins and the long isoforms of the second class of desmosomal cadherins, the desmocollins. The interaction is a direct one and was mapped to the ICS sequence within the cadherins. This close association rendered the question whether flotillins are functionally implicated in desmosome regulation. To address this issue, stable flotillin knockdown HaCaT cells were analyzed in detail. The molecular morphology of desmoglein-3, desmoglein-1 and two plaque proteins was clearly altered in the absence of flotillins. The membrane staining of all tested desmosomal proteins was derailed and disordered. Furthermoore, the loss of flotillins had an impact on the adhesive capacity of HaCaT keratinocytes. The cell-cell adhesion was weakened in the absence of flotillins, which was monitored by an increased fragmentation of knockdown cells in a cell dissociation assay.
In order to find out the mechanism by which flotillins influence the membrane morphology and the adhesiveness in keratinocytes, the association of desmosomal proteins with membrane microdomains was examined, at first. A predominant part of desmoglein-3 is associated with membrane rafts in HaCaT keratinocytes, whereas only a minor part of desmoglein-1 is found there. However, the raft-association of none of the examined proteins was altered in the absence of flotillins. Furthermore, flotillin depletion did not change the distribution of desmogleins with the two different cadherin pools. Less desmoglein-3 is found in the junctional pool of the flotillin depleted cells compared to the control cells, but this is due to an overall diminished desmoglein-3 protein level in these cells.
Flotillins are involved in endocytic processes but their exact role there is under debate. The endocytic uptake of desmosomal cadherins requires intact membrane rafts, but the precise mechanism is still unknown. A possible involvement of flotillins on the endocytosis of desmoglein-3 was addressed next. It is known that the internalization of desmoglein-2 is dependent on the GTPase dynamin, arguing for an involvement of dynamin in the endocytosis of desmoglein-3 as well. When dynamin and thus desmoglein-3 endocytosis was inhibited using chemical compounds, the mislocalization of desmoglein-3 that was observed in flotillin knockdown cells was restored. This suggest that inhibition of desmoglein-3 endocytosis enhances the amount and/or availability of desmoglein-3 at the plasma membrane, which then normalizes the morphological alterations caused by a knockdown of flotillins. Furthermore the morphological alterations in the flotillin knockdown HaCaT cells were found to be similar to the localization of desmoglein-3 that was observed upon treatment of keratinocytes with PV IgG These structures have been described before as linear arrays and are assumed to be sites of endocytic uptake. This strengthens the idea that enhanced desmoglein-3 internalization takes place in the absence of flotillins, which then results in a weakened adhesion.
Altogether this study revealed flotillins as novel players in desmosome mediated cell-cell adhesion processes. By binding to desmosomal cadherins and desmosomal plaque proteins, flotillins stabilize desmosomes at the plasma membrane and are required for a proper cell-cell adhesion.
Two theories address the origin of repeating patterns, such as hair follicles, limb digits, and intestinal villi, during development. The Turing reaction–diffusion system posits that interacting diffusible signals produced by static cells first define a prepattern that then induces cell rearrangements to produce an anatomical structure. The second theory, that of mesenchymal self-organisation, proposes that mobile cells can form periodic patterns of cell aggregates directly, without reference to any prepattern. Early hair follicle development is characterised by the rapid appearance of periodic arrangements of altered gene expression in the epidermis and prominent clustering of the adjacent dermal mesenchymal cells. We assess the contributions and interplay between reaction–diffusion and mesenchymal self-organisation processes in hair follicle patterning, identifying a network of fibroblast growth factor (FGF), wingless-related integration site (WNT), and bone morphogenetic protein (BMP) signalling interactions capable of spontaneously producing a periodic pattern. Using time-lapse imaging, we find that mesenchymal cell condensation at hair follicles is locally directed by an epidermal prepattern. However, imposing this prepattern’s condition of high FGF and low BMP activity across the entire skin reveals a latent dermal capacity to undergo spatially patterned self-organisation in the absence of epithelial direction. This mesenchymal self-organisation relies on restricted transforming growth factor (TGF) β signalling, which serves to drive chemotactic mesenchymal patterning when reaction–diffusion patterning is suppressed, but, in normal conditions, facilitates cell movement to locally prepatterned sources of FGF. This work illustrates a hierarchy of periodic patterning modes operating in organogenesis.