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Background: Baker’s yeast, Saccharomyces cerevisiae, as one of the most often used workhorses in biotechnology has been developed into a huge family of application optimised strains in the last decades. Increasing numbers of strains render their characterisation highly challenging, even with the simple methods of growth-based analytics. Here we present a new sensor system for the automated, non-invasive and parallelisable monitoring of biomass in continuously shaken shake flask cultures, called CGQ (“cell growth quantifier”). The CGQ implements a dynamic approach of backscattered light measurement, allowing for efficient and accurate growth-based strain characterisation, as exemplarily demonstrated for the four most commonly used laboratory and industrial yeast strains, BY4741, W303-1A, CEN.PK2-1C and Ethanol Red.
Results: Growth experiments revealed distinct carbon source utilisation differences between the investigated S. cerevisiae strains. Phenomena such as diauxic shifts, morphological changes and oxygen limitations were clearly observable in the growth curves. A strictly monotonic non-linear correlation of OD600 and the CGQ’s backscattered light intensities was found, with strain-to-strain as well as growth-phase related differences. The CGQ measurements showed high resolution, sensitivity and smoothness even below an OD600 of 0.2 and were furthermore characterised by low background noise and signal drift in combination with high reproducibility.
Conclusions: With the CGQ, shake flask fermentations can be automatically monitored regarding biomass and growth rates with high resolution and parallelisation. This makes the CGQ a valuable tool for growth-based strain characterisation and development. The exceptionally high resolution allows for the identification of distinct metabolic differences and shifts as well as for morphologic changes. Applications that will benefit from that kind of automatized biomass monitoring include, amongst many others, the characterization of deregulated native or integrated heterologous pathways, the fast detection of co-fermentation as well as the realisation of rational and growth-data driven evolutionary engineering approaches.
The amyloid precursor protein (APP) was discovered in the 1980s as the precursor protein of the amyloid A4 peptide. The amyloid A4 peptide, also known as A-beta (Aβ), is the main constituent of senile plaques implicated in Alzheimer’s disease (AD). In association with the amyloid deposits, increasing impairments in learning and memory as well as the degeneration of neurons especially in the hippocampus formation are hallmarks of the pathogenesis of AD. Within the last decades much effort has been expended into understanding the pathogenesis of AD. However, little is known about the physiological role of APP within the central nervous system (CNS). Allocating APP to the proteome of the highly dynamic presynaptic active zone (PAZ) identified APP as a novel player within this neuronal communication and signaling network. The analysis of the hippocampal PAZ proteome derived from APP-mutant mice demonstrates that APP is tightly embedded in the underlying protein network. Strikingly, APP deletion accounts for major dysregulation within the PAZ proteome network. Ca2+-homeostasis, neurotransmitter release and mitochondrial function are affected and resemble the outcome during the pathogenesis of AD. The observed changes in protein abundance that occur in the absence of APP as well as in AD suggest that APP is a structural and functional regulator within the hippocampal PAZ proteome. Within this review article, we intend to introduce APP as an important player within the hippocampal PAZ proteome and to outline the impact of APP deletion on individual PAZ proteome subcommunities.
In der vorliegenden Arbeit werden funktionale Details der Okklusion während der Mastikation bei ausgewählten fossilen und rezenten Primaten quantitativ vergleichend untersucht. Dazu wurden die Okklusionsflächen von antagonistischen Molarenpaaren mit modernen virtuellen Verfahren eingescannt und anhand von 3D Kronenmodellen kartiert und funktional ausgewertet. Die in der Forschergruppe DFG FOR 771 entwickelte Software „Occlusal Fingerprint Analyser“ (OFA) kam erstmals bei einer großen Stichprobe von Primaten zum Einsatz.
Aus dem ursprünglichen tribosphenischen Molarentyp der frühen eozänen Primaten haben einige Nahrungsspezialisten im Laufe der Evolution Modifikationen entwickelt um ihre Nahrung mechanisch besser aufzubereiten. So sind neue Funktionselemente auf den Molaren entstanden, wie z.B. ein distolingualer Höcker (Hypoconus) auf den Oberkiefermolaren.
Die Auswertung der Parametermessungen, wie die Facettenlage und -größe, der Okklusale Kompass, der Mastikationskompass und die Messungen der Okklusionsreliefs ergaben, dass die basalen Primatenvertreter aus dem Eozän einen flachen Hypoconus als vergrößerte Fläche zum Quetschen der Nahrung genutzt haben. Das weist auf eine frugivore Nahrungspräferenz hin. Der distolinguale Höcker ist unter den rezenten Spezies mit insektivorer Nahrungspräferenz besonders häufig ausgebildet. Es konnte gezeigt werden, dass eine zweite Kauphase, die nach der maximalen Verzahnung mit der Öffnung des Kiefers eintritt, unter den rezenten Strepsirrhini mit Hypoconus nur sehr schwach ausgeprägt ist.
Eine weitere evolutionäre Modifikation sind buccolingual ausgerichtete komplementäre Kantenpaare auf den Molaren, die sogenannte Bilophodontie, die sich in der Familie der Cercopithecidae entwickelt hat. Die Unterfamilie der Colobinae zeigt eine besonders stark reliefgeführte Okklusion und hat deshalb während der Mastikation weniger Bewegungsspielraum als die der Cercopithecinae. Die zweite Kauphase der Cercopithecinae ist gegenüber den folivoren Colobinae zum Teil auffällig verlängert. Da die Colobinae Vormagenverdauer und die Cercopithecinae Monogastrier sind, kann vermutet werden, dass die Zahnmorphologie eng mit der entsprechenden chemischen Verdauungsweise verknüpft ist. Das dryopithecine Höckermuster der Hominoidea hat eine wesentlich flachere Höckermorphologie als die bilophodonten Molaren. Daher war ein höherer Bewegungsspielraum während der Mastikation beobachtbar. Es konnte gezeigt werden, dass steilere Facetten bei den folivoren Nahrungsspezialisten zu finden sind, wie den Colobinae bei den bilophodonten, oder den Gorillas unter dem dryopithecinen Molarentyp. Mit einem flacheren Molarenrelief kann auf ein breiteres Nahrungsspektrum zugegriffen werden.
Mit den OFA-Analysen und den Ergebnissen der Quantifizierung des Kronenreliefs von rezenten und fossilen Primatenzähnen konnte in der vorliegenden Untersuchung eine relevante Vergleichsbasis für ein funktionelles Verständnis der Evolution der vielfältigen Kronenformen bei Primaten erarbeitet werden. Für zukünftige Studien sollte die innerartliche Stichprobe erweitert werden um die Variabilität näher zu untersuchen.
Genetic data in studies of systematics of Amazonian amphibians frequently reveal that purportedly widespread single species in reality comprise species complexes. This means that real species richness may be significantly higher than current estimates. Here we combine genetic, morphological, and bioacoustic data to assess the phylogenetic relationships and species boundaries of two Amazonian species of the Dendropsophus leucophyllatus species group: D. leucophyllatus and D. triangulum. Our results uncovered the existence of five confirmed and four unconfirmed candidate species. Among the confirmed candidate species, three have available names: Dendropsophus leucophyllatus, Dendropsophus triangulum, and Dendropsophus reticulatus, this last being removed from the synonymy of D. triangulum. A neotype of D. leucophyllatus is designated. We describe the remaining two confirmed candidate species, one from Bolivia and another from Peru. All confirmed candidate species are morphologically distinct and have much smaller geographic ranges than those previously reported for D. leucophyllatus and D. triangulum sensu lato. Dendropsophus leucophyllatus sensu stricto occurs in the Guianan region. Dendropsophus reticulatus comb. nov. corresponds to populations in the Amazon basin of Brazil, Ecuador, and Peru previously referred to as D. triangulum. Dendropsophus triangulum sensu stricto is the most widely distributed species; it occurs in Amazonian Ecuador, Peru and Brazil, reaching the state of Pará. We provide accounts for all described species including an assessment of their conservation status.
Possible effects of clothianidin seed-treated oilseed rape on honey bee colonies were investigated in a large-scale monitoring project in Northern Germany, where oilseed rape usually comprises 25–33 % of the arable land. For both reference and test sites, six study locations were selected and eight honey bee hives were placed at each location. At each site, three locations were directly adjacent to oilseed rape fields and three locations were situated 400 m away from the nearest oilseed rape field. Thus, 96 hives were exposed to fully flowering oilseed rape crops. Colony sizes and weights, the amount of honey harvested, and infection with parasites and diseases were monitored between April and September 2014. The percentage of oilseed rape pollen was determined in pollen and honey samples. After oilseed rape flowering, the hives were transferred to an extensive isolated area for post-exposure monitoring. Total numbers of adult bees and brood cells showed seasonal fluctuations, and there were no significant differences between the sites. The honey, which was extracted at the end of the exposure phase, contained 62.0–83.5 % oilseed rape pollen. Varroa destructor infestation was low during most of the course of the study but increased at the end of the study due to flumethrin resistance in the mite populations. In summary, honey bee colonies foraging in clothianidin seed-treated oilseed rape did not show any detrimental symptoms as compared to colonies foraging in clothianidin-free oilseed rape. Development of colony strength, brood success as well as honey yield and pathogen infection were not significantly affected by clothianidin seed-treatment during this study.
This study was part of a large-scale monitoring project to assess the possible effects of Elado® (10 g clothianidin & 2 g β-cyfluthrin/kg seed)-dressed oilseed rape seeds on different pollinators in Northern Germany. Firstly, residues of clothianidin and its active metabolites thiazolylnitroguanidine and thiazolylmethylurea were measured in nectar and pollen from Elado®-dressed (test site, T) and undressed (reference site, R) oilseed rape collected by honey bees confined within tunnel tents. Clothianidin and its metabolites could not be detected or quantified in samples from R fields. Clothianidin concentrations in samples from T fields were 1.3 ± 0.9 μg/kg and 1.7 ± 0.9 μg/kg in nectar and pollen, respectively. Secondly, pollen and nectar for residue analyses were sampled from free flying honey bees, bumble bees and mason bees, placed at six study locations each in the R and T sites at the start of oilseed rape flowering. Honey samples were analysed from all honey bee colonies at the end of oilseed rape flowering. Neither clothianidin nor its metabolites were detectable or quantifiable in R site samples. Clothianidin concentrations in samples from the T site were below the limit of quantification (LOQ, 1.0 µg/kg) in most pollen and nectar samples collected by bees and 1.4 ± 0.5 µg/kg in honey taken from honey bee colonies. In summary, the study provides reliable semi-field and field data of clothianidin residues in nectar and pollen collected by different bee species in oilseed rape fields under common agricultural conditions.
Despite an increasing demand for Burgundy truffles (Tuber aestivum), gaps remain in our understanding of the fungus’ overall lifecycle and ecology. Here, we compile evidence from three independent surveys in Hungary and Switzerland. First, we measured the weight and maturity of 2,656 T. aestivum fruit bodies from a three-day harvest in August 2014 in a highly productive orchard in Hungary. All specimens ranging between 2 and 755 g were almost evenly distributed through five maturation classes. Then, we measured the weight and maturity of another 4,795 T. aestivum fruit bodies harvested on four occasions between June and October 2015 in the same truffière. Again, different maturation stages occurred at varying fruit body size and during the entire fruiting season. Finally, the predominantly unrelated weight and maturity of 81 T. aestivum fruit bodies from four fruiting seasons between 2010 and 2013 in Switzerland confirmed the Hungarian results. The spatiotemporal coexistence of 7,532 small-ripe and large-unripe T. aestivum, which accumulate to ~182 kg, differs from species-specific associations between the size and ripeness that have been reported for other mushrooms. Although size-independent truffle maturation stages may possibly relate to the perpetual belowground environment, the role of mycelial connectivity, soil property, microclimatology, as well as other abiotic factors and a combination thereof, is still unclear. Despite its massive sample size and proof of concept, this study, together with existing literature, suggests consideration of a wider ecological and biogeographical range, as well as the complex symbiotic fungus-host interaction, to further illuminate the hidden development of belowground truffle fruit bodies.
Die Wärme liebende Asiatische Tigermücke »Aedes albopictus« fühlt sich seit Jahrzehnten im Mittelmeerraum wohl. Sie ist Überträgerin gefährlicher, bisher in Europa nicht verbreiteter Viren. Wird sie sich aufgrund des Klimawandels und anderer Umweltfaktoren weiter nach Norden ausbreiten? Und werden andere eingeschleppte Arten ihr folgen? Das untersucht die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Sven Klimpel mithilfe der ökologischen Nischenmodellierung und genomischer Analysen.
Die meisten von Menschen in neue Habitate eingeschleppten Arten sind harmlos. Doch einige richten beträchtliche ökologische und ökonomische Schäden an. Rückgängig machen kann man den Prozess nicht, aber vorbeugen sollte man. Computermodelle ermitteln die gefährdeten Knotenpunkte im Handelsnetz und sagen die nächsten Invasoren im marinen Bereich inzwischen zuverlässig voraus.
Lauschangriff mit tödlichen Folgen : Signalmoleküle von Bakterien können fremden Arten schaden
(2016)
Eine der wichtigsten Fähigkeiten aller Lebewesen ist die Kommunikation. Ihre universelle Ausdrucksform findet sie im Austausch hoch spezifischer Signalmoleküle. Bei der Entschlüsselung der diversen »Sprachen« und »Dialekte« von Bakterien machen Forscher immer wieder neue und überraschende Entdeckungen, die auch eine Alternative zu Antibiotika versprechen.
Background: One aspect of premating isolation between diverging, locally-adapted population pairs is female mate choice for resident over alien male phenotypes. Mating preferences often show considerable individual variation, and whether or not certain individuals are more likely to contribute to population interbreeding remains to be studied. In the Poecilia mexicana-species complex different ecotypes have adapted to hydrogen sulfide (H2S)-toxic springs, and females from adjacent non-sulfidic habitats prefer resident over sulfide-adapted males. We asked if consistent individual differences in behavioral tendencies (animal personality) predict the strength and direction of the mate choice component of premating isolation in this system.
Results: We characterized focal females for their personality and found behavioral measures of ‘novel object exploration’, ‘boldness’ and ‘activity in an unknown area’ to be highly repeatable. Furthermore, the interaction term between our measures of exploration and boldness affected focal females’ strength of preference (SOP) for the resident male phenotype in dichotomous association preference tests. High exploration tendencies were coupled with stronger SOPs for resident over alien mating partners in bold, but not shy, females. Shy and/or little explorative females had an increased likelihood of preferring the non-resident phenotype and thus, are more likely to contribute to rare population hybridization. When we offered large vs. small conspecific stimulus males instead, less explorative females showed stronger preferences for large male body size. However, this effect disappeared when the size difference between the stimulus males was small.
Conclusions: Our results suggest that personality affects female mate choice in a very nuanced fashion. Hence, population differences in the distribution of personality types could be facilitating or impeding reproductive isolation between diverging populations depending on the study system and the male trait(s) upon which females base their mating decisions, respectively.
The fungal genus Pestalotiopsis s.l. contains approximately 300 described species and is globally distributed. The monotypic genus Pestalotia is considered the closest relative of Pestalotiopsis s.l. This study aims to investigate the diversity and systematics within Pestalotiopsis s.l. and its relation to Pestalotia. Therefore, an integrative approach is used considering molecular phylogeny methods as well as examination of morphological characters.
Recently, Pestalotiopsis s.l. was split into three genera with the addition of the newly erected Neopestalotiopsis and Pseudopestalotiopsis. The species of these genera are usually saprotrophic, phytoparasitic, or endophytic, and have been isolated from soil, air, and many kinds of anorganic material. The asexual fruiting bodies appear on infected plant material as black acervuli that release conidia. The conidia are important to examine for morphological taxon recognition. The number of conidial cells is the feature that distinguishes Pestalotiopsis s.l. spp. with five celled conidia, from Pestalotia pezizoides with six celled conidia. However, the significance of morphological characters is controversially discussed among mycologists. In recent years, 55 new species were described based on minor genetic distances and marginal or no morphological differences. Thus, the value of certain morphological characters and genetic markers need to be reconsidered.
In this study, 102 herbarium specimens of 26 described species, with an emphasis on plant pathogenic species from North America, have been morphologically examined and documented through drawings and photographs. Morphological examination was complemented with a comprehensive molecular dataset obtained from 191 cultures representing the genera Neopestalotiopsis, Pestalotia, Pestalotiopsis, Pseudopestalotiopsis, and Truncatella. One novelty of this work is that, besides the well-established markers ITS, TEF1, and ß-tubulin, the protein-coding genes MCM7 and TSR1 were successfully sequenced and included in the analyses. Phylogenies using Maximum Likelihood and Bayesian inference methods of single loci and the combined dataset were calculated. By comparison of these phylogenies, MCM7 was identified as the most powerful one in terms of phylogenetic resolution and statistical support of nodes and is proposed as an additional barcoding marker in Pestalotiopsis s.l.
In Pestalotiopsis, species delimitation was tested using the Baysian Phylogenetics and Phylogeography (BP&P) program that tests an existing species scenario against Bayesian inference methods under a multispecies coalescent model. The program supported only ten species out of the predetermined 19 species scenario. Measurements of conidia for species detected by BP&P were explored using a TukeyHSD-Test in the program R to find means that are significantly different from each other. This test revealed that combinations of morphological characters are required to distinguish between the ten species found by BP&P.
Another purpose of this work was to clarify the status of Pestalotia with regard to Pestalotiopsis s.l. Therefore, fresh epitypic material of Pestalotia pezizoides, was collected, isolated, and cultivated. The molecular analysis of a combined dataset of the gene regions ITS and LSU for species of Amphisphaeriales nested P. pezizoides in the genus Seiridium. Thus, synonymy of Pestalotia with Seiridium is proposed here. This is supported by morphology of the conidia. Further, an epitype is proposed for the type species of Pestalotiopsis, P. maculans. On the other hand, the recently proposed epitype of P. adusta is rejected here as it conflicts with the taxonomic hypothesis obtained in this study and its introduction is inconsistent with the formal requirements for epitypification. A new topotypic specimen is proposed instead. Additionally, several nomenclatural changes become necessary in many species examined. These include three new combinations and six synonyms of species of Pestalotiopsis s.l.
The conclusion of this work is that morphological data have potential as a valuable, inexpensive and easy way to recognize species. However, it is not the best method for species discovery and delimitation bearing in mind that in microfungi and many other organisms, individual plasticity and analogous structures are inadequately investigated. By phylogenetic analyses of molecular sequence data, it is possible to compare a great amount of equivalent characters and to delimit species that are morphologically cryptic. This is especially important since species of Pestalotiopsis s.l. mostly lack sexual structures that are helpful for morphological species delimitation in other groups of fungi. Thus, the Genealogical Concordance Species Concept (GCSC) finds its application in many fungal taxa. Conflicts in the genealogy between phylogenetic trees of different markers are interpreted as recombination of the genetic material within a linage. Accordingly, the change from conflict to congruence in a set of different phylogenetic trees can be seen as the species limit. It can be expected that increased application of the GCSC will lead to further approximation of described species numbers to the real number of species, especially in complicated groups like asexual microfungi.
This report provides a brief review of the 20th annual meeting of the German Language Branch of the Society of Environmental Toxicology and Chemistry (SETAC GLB) held from September 7th to 10th 2015 at ETH (Swiss Technical University) in Zurich, Switzerland. The event was chaired by Inge Werner, Director of the Swiss Centre for Applied Ecotoxicology (Ecotox Centre) Eawag-EPFL, and organized by a team from Ecotox Centre, Eawag, Federal Office of the Environment, Federal Office of Agriculture, and Mesocosm GmbH (Germany). Over 200 delegates from academia, public agencies and private industry of Germany, Switzerland and Austria attended and discussed the current state of science and its application presented in 75 talks and 83 posters. In addition, three invited keynote speakers provided new insights into scientific knowledge ‘brokering’, and—as it was the International Year of Soil—the important role of healthy soil ecosystems. Awards were presented to young scientists for best oral and poster presentations, and for best 2014 master and doctoral theses. Program and abstracts of the meeting (mostly in German) are provided as Additional file 1.
Autophagy can act either as a tumor suppressor or as a survival mechanism for established tumors. To understand how autophagy plays this dual role in cancer, in vivo models are required. By using a highly heterogeneous C. elegans germline tumor, we show that autophagy-related proteins are expressed in a specific subset of tumor cells, neurons. Inhibition of autophagy impairs neuronal differentiation and increases tumor cell number, resulting in a shorter life span of animals with tumors, while induction of autophagy extends their life span by impairing tumor proliferation. Fasting of animals with fully developed tumors leads to a doubling of their life span, which depends on modular changes in transcription including switches in transcription factor networks and mitochondrial metabolism. Hence, our results suggest that metabolic restructuring, cell-type specific regulation of autophagy and neuronal differentiation constitute central pathways preventing growth of heterogeneous tumors.
It is long known that Kasugamycin inhibits translation of canonical transcripts containing a 5’-UTR with a Shine Dalgarno (SD) motif, but not that of leaderless transcripts. To gain a global overview of the influence of Kasugamycin on translation efficiencies, the changes of the translatome of Escherichia coli induced by a 10 minutes Kasugamycin treatment were quantified. The effect of Kasugamycin differed widely, 102 transcripts were at least twofold more sensitive to Kasugamycin than average, and 137 transcripts were at least twofold more resistant, and there was a more than 100-fold difference between the most resistant and the most sensitive transcript. The 5’-ends of 19 transcripts were determined from treated and untreated cultures, but Kasugamycin resistance did neither correlate with the presence or absence of a SD motif, nor with differences in 5’-UTR lengths or GC content. RNA Structure Logos were generated for the 102 Kasugamycin-sensitive and for the 137 resistant transcripts. For both groups a short Shine Dalgarno (SD) motif was retrieved, but no specific motifs associated with resistance or sensitivity could be found. Notably, this was also true for the region -3 to -1 upstream of the start codon and the presence of an extended SD motif, which had been proposed to result in Kasugamycin resistance. Comparison of the translatome results with the database RegulonDB showed that the transcript with the highest resistance was leaderless, but no further leaderless transcripts were among the resistant transcripts. Unexpectedly, it was found that translational coupling might be a novel feature that is associated with Kasugamycin resistance. Taken together, Kasugamycin has a profound effect on translational efficiencies of E. coli transcripts, but the mechanism of action is different than previously described.
Ribosomes are large ribonucleoprotein complexes that are fundamental for protein synthesis. Ribosomes are ribozymes because their catalytic functions such as peptidyl transferase and peptidyl-tRNA hydrolysis depend on the rRNA. rRNA is a heterogeneous biopolymer comprising of at least 112 chemically modified residues that are believed to expand its topological potential. In the present study, we established a comprehensive modification profile of Saccharomyces cerevisiae’s 18S and 25S rRNA using a high resolution Reversed-Phase High Performance Liquid Chromatography (RP-HPLC). A combination of mung bean nuclease assay, rDNA point mutants and snoRNA deletions allowed us to systematically map all ribose and base modifications on both rRNAs to a single nucleotide resolution. We also calculated approximate molar levels for each modification using their UV (254nm) molar response factors, showing sub-stoichiometric amount of modifications at certain residues. The chemical nature, their precise location and identification of partial modification will facilitate understanding the precise role of these chemical modifications, and provide further evidence for ribosome heterogeneity in eukaryotes.
Embryonale Stammzellen (ESCs) sind ein wichtiges Werkzeug zur Untersuchung der frühen embryonalen Entwicklung. ESCs können mit Hilfe neuer Technologien zur Modifikation von Genen (z.B. mit dem CRISPR/Cas9 System) genetisch manipuliert werden. Daraus resultierende „knockout“ ES Zelllinien können helfen, die physiologische Rolle von Proteinen während der Differenzierung zu verstehen.
Transkriptionsfaktoren, die schnell und spezifisch Signalwege regulieren, spielen während der Embryonalentwicklung und während der Differenzierung von ESCs in vielen verschiedenen Zelltypen eine essentielle Rolle. Der Transkriptionsregulator „Far Upstream Binding Protein 1“ (FUBP1) ist ein Protein, welches eine ganz bestimmte einzelsträngige DNA Sequenz, das „Far Upstream Sequenz Element“, erkennt, bindet, und dadurch Gene wie z.B c-myc oder p21 reguliert. Mit der Entwicklung zweier Fubp1 Genfallen Mausstämme (Fubp1 GT) sollte die Frage nach der physiologischen Funktion von FUBP1 beantwortet werden. Die homozygoten FUBP1-defizienten GT Embryonen sterben im Mutterleib ungefähr am Tag E15.5 der Embryonalentwicklung. Sie sind kleiner als Wildtypembryonen und zeigen ein anämisches Aussehen. Daher wurden diese Mausmodelle hinsichtlich der Hämatopoese untersucht, die zu diesem Zeitpunkt vor allem in der Leber stattfindet. Es konnte eine signifikante Reduktion der hämatopoetischen Stammzellen (HSCs) festgestellt werden und zusätzlich war die langfristige Repopulation der FUBP1-/--Stammzellen im Knochenmark in Transplantationsexperimenten reduziert.
In der vorliegenden Arbeit wurde die Rolle von FUBP1 in einem weiteren Stammzellsystem analysiert und gleichzeitig seine Bedeutung in anderen Zelltypen der frühen Embryonalentwicklung untersucht.
Die Quantifizierung der FUBP1 Expression in den ESCs und während der Differenzierung zu sogenannten `embryoid bodies` (EBs) zeigten eine starke Expression auf mRNA- und auf Proteinebene. Nach der erfolgreichen Optimierung der Differenzierung von murinen ESCs wurden Fubp1 „knockout“ (KO) ESC Klone mit Hilfe der CRISPR/Cas9 Technologie etabliert. Die molekularbiologische Analyse der ESCs zeigte eine signifikante Erhöhung der Oct4 mRNA-Expression, während Nanog und die Differenzierungsmarker Brachyury, Nestin und Sox17 unverändert und in vergleichbarer Menge zu den Kontrollen vorhanden waren. Während der Differenzierung der Fubp1 KO Klone zu EBs zeigte sich eine signifikante Reduktion mesodermaler Marker wie Flk-1, SnaiI, Snai2, Bmp4 und FgfR2. Mit Hilfe durchflusszytometrischer Analysen bestätigte sich die verzögerte Bildung mesodermaler Zellen (Brachyury- und Flk-1-exprimierender Zellen) in den Fubp1 KO Klonen der EBs an den Tagen 3, 4 und 5 nach Beginn der Differenzierung.
Die Anwendung einer Ko-Kultivierung auf OP9 Zellen zur Differenzierung der ESCs in hämatopoetische Linien sollte zeigen, ob der Fubp1 KO ESCs ein Defekt in der frühen Entwicklung hämatopoetischer Stammzellen zu beobachten ist. Erneut konnte am Tag 5 der ESC-Differenzierung in der OP9 Ko-Kultur eine signifikante Reduktion der mesodermalen (Flk-1+) Zellen festgestellt werden. Die weitere Differenzierung zu hämatopoetischen CD45+ Zellen zeigte jedoch keinen Unterschied im prozentualen Anteil CD45+ Zellen am Tag 12 der Differenzierung. Auch die gezielte Differenzierung zu erythroiden Zellen durch Zugabe des Zytokins EPO zum Medium zeigte keinen signifikanten Unterschied im Differenzierungsgrad der erythroiden Zellen zwischen Kontroll- und Fubp1 KO Klonen.
In weiteren Experimenten habe ich in dieser Arbeit die Expression von FUBP1 in WT Embryos an den Tagen E9.5 und E13.5 der Embryonalentwicklung untersucht. Hierbei zeigte sich in beiden Entwicklungsstadien eine immunhistochemische Anfärbung von FUBP1 in den meisten Zellen des Embryos. Die Annahme, dass die Abwesenheit von FUBP1 in der Embryonalentwicklung zu verstärkten apoptotischen Vorgängen führen könnte und gleichzeitig die massive Expansion von Zellen gestört sein könnte wurde mit Hilfe immunhistochemischer Färbung von „cleaved Caspase 3“ (Apoptosemarker) und „Ki-67“ (Proliferationsmarker) in den homozygoten Fubp1 GT Embryos an den Tagen E9.5 und E13.5 nicht bestätigt.
Die Ergebnisse dieser Arbeit lassen darauf schließen, dass die Regulation von Apoptose und Proliferation durch FUBP1 während der Embryonalentwicklung nicht die Hauptrolle von FUBP1 darstellt. Es zeigte sich jedoch, dass FUBP1 als Transkriptionsregulator wichtig für die mesodermale Differenzierung von ESCs ist. Zu beobachten war, dass es in den FUBP1-defizienten ESCs zu einer Verzögerung der mesodermalen Differenzierung kommt. Es konnte bereits gezeigt werden, dass FUBP1 essenziell für die Selbsterneuerung von HSCs ist. Dies macht deutlich, dass FUBP1 neben der Proliferation und Apoptose ein breiteres Spektrum an Signalwegen reguliert, die für Stammzellen und deren Differenzierung von Bedeutung sind.
Bei Cryptochromen handelt es sich um Blaulichtrezeptoren der Cryptochrom-Photolyase-Proteinfamilie (CPF). Mitglieder dieser Proteinfamilie sind in allen Domänen des Lebens zu finden und haben eine essentielle Rolle in der Reparatur der DNA sowie der lichtgesteuerten Regulation der Expression. Cryptochrome sind in der Regel keine DNA-reparierenden Proteine. Sie sind regulativ an der Steuerung der inneren Uhr und des Zellzyklus der Organismen beteiligt. In der Kieselalge Phaeodactylum tricornutum konnten bisher sechs phylogenetisch unterschiedliche Mitglieder der CPF identifiziert werden. Bei CryP handelt es sich um das einzige pflanzenähnliche Cryptochrom der photoautotrophen Diatomee. Für das Protein CryP konnte bereits ein blaulichtinduzierter Photozyklus durch die Absorption der Chromophore 5-Methenlytetrahydrofolat (MTHF) und Flavinadenindinukleotid (FAD) gezeigt werden. Außerdem ist eine regulative Wirkung des Proteins auf die Lichtsammelkomplexe (Lhc) der Diatomee bekannt. Für eine weitere Charakterisierung des CryPs wurde in dieser Arbeit zunächst das Absorptionsverhalten unter verschiedenen Wellenlängen beobachtet, um so einen Einblick in eine mögliche Aktivierung und Deaktivierung des Proteins durch Licht unterschiedlicher Wellenlängen zu erlangen. Es zeigte sich hierbei eine mit pflanzlichen Cryptochromen vergleichbare Anreicherung verschiedener Redoxzustände des FADs in Abhängigkeit von der Wellenlänge.
Für eine Aufklärung der Wirkungsweise des CryP-Proteins wurden verschiedene Hypothesen untersucht: Die phylogenetische Nähe und ein ähnliches Absorptionsverhalten des CryPs zu Cryptochromen mit Reparaturfähigkeit für einzelsträngige DNA (Cry-DASH) führte zu einer Untersuchung des Proteins als möglicher Transkriptionsfaktor. Hierfür konnte eine Kernlokalisation des Proteins nachgewiesen werden, was Rückschlüsse auf eine potentielle Regulation der Expression mittels DNA-Bindung zulässt. Außerdem wurde gezeigt, dass CryP DNA-Bindefähigkeit besitzt. Die bisher nachgewiesenen Bindungen waren jedoch unspezifischer Art. Dies konnte auch für die Promotersequenz eines der durch CryP regulierten Gene lhcf1 festgestellt werden. Auf Grund der unspezifischen DNA-Bindung wurde eine zweite Hypothese für CryP untersucht: CryP wirkt regulativ auf die Expression verschiedener Gene durch Protein-Protein-Interaktionen und ist Teil einer Reaktionskaskade zur Signalweiterleitung in P. tricornutum.
Durch die Untersuchung der zweiten Hypothese konnten drei Interaktionspartner für CryP identifiziert und eine Interaktion verifiziert werden. Hierbei handelt es sich um das Protein AAA mit einer bisher unbekannten Funktion und das Protein BolA, welches Teil der zuerst in Escherichia coli identifizierten BolA-like-Proteinfamilie ist. Außerdem konnte eine Interaktion mit dem Cold-Shock-Domänen-Protein CSDP gezeigt werden. Bei den Proteinen BolA und CSDP handelt es sich um potentiell regulierende Faktoren der Transkription und Translation, was Teil einer Reaktionskaskade sein kann. Die aus anderen Organismen bekannten Funktionen des BolA-Proteins überschneiden sich mit den in CryP-Knockdown-Mutanten beobachteten Effekten. Sie zeigen eine erhöhte Sensitivität für Stresssituationen wie abweichende Nährstoffkonzentration, Osmolaritäten und Temperaturen. Diese Beobachtungen stellen einen Zusammenhang der durch einen CryP-Knockdown beobachteten Effekte und der CryP-BolA-Interaktion her. Durch Homologien zu Cold-Shock-Proteinen aus Chlamydomonas reinhardtii gibt die CryP-Interaktion mit dem Protein CSDP Hinweise auf einen potentiellen Mechanismus zur Regulation der Lhc-Proteine, für welche zuvor ein CryP-abhängiger Effekt beschrieben war.
Über die Protein-Protein-Interaktionen hinaus wurde die Phosphorylierung des CryPs als Möglichkeit der Signalweiterleitung untersucht. Es konnte eine reversible Phosphorylierung des heterolog aus E. coli isolierten CryPs gezeigt werden. Diese zeigt Ähnlichkeiten zu bekannten Phosphorylierungen pflanzlicher Cryptochrome und gibt Hinweise auf einen Mechanismus der Signalweiterleitung.
Durch die Untersuchung der CryP-regulierten Transkription mit P. tricornutum CryP-Knockdown-Mutanten durch Next-Generation-Sequencing (NGS) konnte die Hypothese der regulativen Proteinkaskade und der Signalweiterleitung weiter bestätigt werden. Die Auswirkungen des CryPs auf die Transkription erwiesen sich als nicht auf einen Teilbereich des Metabolismus begrenzt, sondern sind in einem großen Teil der funktionellen Gengruppen in P. tricornutum zu sehen. Außerdem konnten drei Klassen CryP-regulierter Gene festgestellt werden. Kategorie 1: die ausschließlich unter Blaulicht regulierten Gene; Kategorie 2: die sowohl unter Blaulicht als auch im Dunkeln regulierten Gene und Kategorie 3: die ausschließlich im Dunkeln regulierten Gene. Ein im Dunkeln und unter Blaulicht jeweils unterschiedlicher regulativer Effekt deutet auf eine Doppelfunktion des CryPs hin. Möglicherweise hat das Cryptochrom unterschiedliche lichtabhängige und lichtunabhängige Funktionen.
Durch die Analyse der CryP-regulierten Genexpression konnte außerdem ein Zusammenhang zwischen CryP und weiteren Photorezeptoren gezeigt werden. Der CryP-Proteingehalt in der Zelle hat einen regulativen Einfluss auf das CPF1-Protein, eine Photolyase mit dualer Funktion aus der gleichen Proteinfamilie. Zusätzlich konnte auch ein Einfluss auf die Lichtsensitivität der Genexpression des Rotlichtrezeptors Phytochrom (DPH) durch CryP gezeigt werden. Vergleichbar mit höheren Pflanzen scheint ein regulatives Netzwerk der Photorezeptoren auch in der Diatomee P. tricornutum vorhanden zu sein.
Noise-induced hearing loss is one of the most common auditory pathologies, resulting from overstimulation of the human cochlea, an exquisitely sensitive micromechanical device. At very low frequencies (less than 250 Hz), however, the sensitivity of human hearing, and therefore the perceived loudness is poor. The perceived loudness is mediated by the inner hair cells of the cochlea which are driven very inadequately at low frequencies. To assess the impact of low-frequency (LF) sound, we exploited a by-product of the active amplification of sound outer hair cells (OHCs) perform, so-called spontaneous otoacoustic emissions. These are faint sounds produced by the inner ear that can be used to detect changes of cochlear physiology. We show that a short exposure to perceptually unobtrusive, LF sounds significantly affects OHCs: a 90 s, 80 dB(A) LF sound induced slow, concordant and positively correlated frequency and level oscillations of spontaneous otoacoustic emissions that lasted for about 2 min after LF sound offset. LF sounds, contrary to their unobtrusive perception, strongly stimulate the human cochlea and affect amplification processes in the most sensitive and important frequency range of human hearing.