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Background: Xanthophyllomyces dendrorhous is a basal agaricomycete with uncertain taxonomic placement, known for its unique ability to produce astaxanthin, a carotenoid with antioxidant properties. It was the aim of this study to elucidate the organization of its CoA-derived pathways and to use the genomic information of X. dendrorhous for a phylogenomic investigation of the Basidiomycota.
Results: The genome assembly of a haploid strain of Xanthophyllomyces dendrorhous revealed a genome of 19.50 Megabases with 6385 protein coding genes. Phylogenetic analyses were conducted including 48 fungal genomes. These revealed Ustilaginomycotina and Agaricomycotina as sister groups. In the latter a well-supported sister-group relationship of two major orders, Polyporales and Russulales, was inferred. Wallemia occupies a basal position within the Agaricomycotina and X. dendrorhous represents the basal lineage of the Tremellomycetes, highlighting that the typical tremelloid parenthesomes have either convergently evolved in Wallemia and the Tremellomycetes, or were lost in the Cystofilobasidiales lineage. A detailed characterization of the CoA-related pathways was done and all genes for fatty acid, sterol and carotenoid synthesis have been assigned.
Conclusions: The current study ascertains that Wallemia with tremelloid parenthesomes is the most basal agaricomycotinous lineage and that Cystofilobasidiales without tremelloid parenthesomes are deeply rooted within Tremellomycetes, suggesting that parenthesomes at septal pores might be the core synapomorphy for the Agaricomycotina. Apart from evolutionary insights the genome sequence of X. dendrorhous will facilitate genetic pathway engineering for optimized astaxanthin or oxidative alcohol production.
Epigenetic dysregulation contributes to the high cardiovascular disease burden in chronic kidney disease (CKD) patients. Although microRNAs (miRNAs) are central epigenetic regulators, which substantially affect the development and progression of cardiovascular disease (CVD), no data on miRNA dysregulation in CKD-associated CVD are available until now. We now performed high-throughput miRNA sequencing of peripheral blood mononuclear cells from ten clinically stable hemodialysis (HD) patients and ten healthy controls, which allowed us to identify 182 differentially expressed miRNAs (e.g., miR-21, miR-26b, miR-146b, miR-155). To test biological relevance, we aimed to connect miRNA dysregulation to differential gene expression. Genome-wide gene expression profiling by MACE (Massive Analysis of cDNA Ends) identified 80 genes to be differentially expressed between HD patients and controls, which could be linked to cardiovascular disease (e.g., KLF6, DUSP6, KLF4), to infection / immune disease (e.g., ZFP36, SOCS3, JUND), and to distinct proatherogenic pathways such as the Toll-like receptor signaling pathway (e.g., IL1B, MYD88, TICAM2), the MAPK signaling pathway (e.g., DUSP1, FOS, HSPA1A), and the chemokine signaling pathway (e.g., RHOA, PAK1, CXCL5). Formal interaction network analysis proved biological relevance of miRNA dysregulation, as 68 differentially expressed miRNAs could be connected to 47 reciprocally expressed target genes. Our study is the first comprehensive miRNA analysis in CKD that links dysregulated miRNA expression with differential expression of genes connected to inflammation and CVD. After recent animal data suggested that targeting miRNAs is beneficial in experimental CVD, our data may now spur further research in the field of CKD-associated human CVD.
Bacteria communicate via small diffusible molecules to mediate group-coordinated behavior, a process designated as quorum sensing. The basic molecular quorum sensing system of Gram-negative bacteria consists of a LuxI-type autoinducer synthase producing acyl-homoserine lactones (AHLs) as signaling molecules, and a LuxR-type receptor detecting the AHLs to control expression of specific genes. However, many proteobacteria possess one or more unpaired LuxR-type receptors that lack a cognate LuxI-like synthase, referred to as LuxR solos. The enteric and insect pathogenic bacteria of the genus Photorhabdus harbor an extraordinarily high number of LuxR solos, more than any other known bacteria, and all lack a LuxI-like synthase. Here, we focus on the presence and the different types of LuxR solos in the three known Photorhabdus species using bioinformatics analyses. Generally, the N-terminal signal-binding domain (SBD) of LuxR-type receptors sensing AHLs have a motif of six conserved amino acids that is important for binding and specificity of the signaling molecule. However, this motif is altered in the majority of the Photorhabdus-specific LuxR solos, suggesting the use of other signaling molecules than AHLs. Furthermore, all Photorhabdus species contain at least one LuxR solo with an intact AHL-binding motif, which might allow the ability to sense AHLs of other bacteria. Moreover, all three species have high AHL-degrading activity caused by the presence of different AHL-lactonases and AHL-acylases, revealing a high quorum quenching activity against other bacteria. However, the majority of the other LuxR solos in Photorhabdus have a N-terminal so-called PAS4-domain instead of an AHL-binding domain, containing different amino acid motifs than the AHL-sensors, which potentially allows the recognition of a highly variable range of signaling molecules that can be sensed apart from AHLs. These PAS4-LuxR solos are proposed to be involved in host sensing, and therefore in inter-kingdom signaling. Overall, Photorhabdus species are perfect model organisms to study bacterial communication via LuxR solos and their role for a symbiotic and pathogenic life style.
Die rheumatoide Arthritis (RA) ist eine idiopathische chronisch-entzündliche Systemerkrankung, mit primärer Gelenkmanifestation. Die fortschreitende Gelenkentzündung ist die Folge einer immunologischen Fehlerkennung von Gelenkstrukturen durch dysregulierte B- und T-Lymphozyten. So lassen sich in bis zu 70% der entzündeten Gelenke von RA-Patienten IgG-Autoantikörper gegen das knorpelspezifische Kollagen Typ II (CII) nachweisen.
In dieser Arbeit wurde die CII-Epitop-spezifische humorale Autoimmunantwort in der Pathogenese der RA auf molekularer Ebene analysiert. Im Mittelpunkt stehen hierbei bereits gut charakterisierte B-Zell-Epitope auf dem CII, die über die Speziesbarrieren hinweg evolutionär konserviert sind und sowohl in der humanen RA als auch in der murinen Experimentalerkrankung des CIA-Modell (Collagen-Induced-Arthritis) immundominante Strukturen der humoralen arthritogenen Autoimmunität darstellen.
Ein Teilaspekt der Arbeit war die Aufklärung des molekularen Mechanismus, der den katabolen Effekten des murinen arthritogenen CII-Autoantikörper (UL-1) auf den chondrozytären Matrixmetabolismus zugrunde liegt, gewidmet. Der gegen ein immundominantes Epitop (U1-Epitop) auf dem CII gerichtete monoklonale Antikörper kann unabhängig von seinen Fc-vermittelten inflammatorischen Effektorfunktionen, eine direkte Schädigung der Knorpelmatrix über eine Modulation des Chondrozytenmetabolismus im CIA-Modell bewirken. Basierend auf der Analyse von Sequenzhomologien des U1-Epitopes konnte eine immunologische Kreuzreaktivität mit dem LIF (Leukemia-Inhibitory-Factor)-Rezeptor auf Chondrozyten nachgewiesen werden. Weitergehende funktionelle Studien haben jedoch gezeigt, dass die Rezeptorbindung durch den Antikörper keine intrazellulären Signalwege aktiviert, die an der aus der Literatur bekannten Proteoglykan-depletierenden Wirkung des Zytokins LIF beteiligt sind. Während somit eine UL-1 abhängige Aktivierung des LIF-Rezeptors als Erklärungsmodell der katabolen Antikörperwirkung ausscheidet, konnten die funktionellen in vitro Studien eine spezifische UL-1 Antikörper abhängige Src-Kinaseaktivierung in den humanen Chondrozyten als Ansatzpunkt für zukünftige Studien nachweisen.
In der RA-Pathogenese wird die Bedeutung posttranslationaler Modifikationen, insbesondere der Deiminierung von Argininresten unter Bildung von Citrullin für die Neoepitopgenerierung diskutiert. Autoantikörper gegen citrullinierte Peptide (ACPA, anti-citrullinated-peptides-antibody) gelten als diagnostische und verlaufsprädiktive Marker der RA. Zielstrukturen für ACPAs sind nicht nur einige ubiquitär exprimierte Proteine, sondern auch das knorpelspezifische CII. In dieser Arbeit konnte erstmals die in vitro Bindung CII-spezifischer ACPAs an Knorpelgewebe von RA-Patienten, das als asserviertes Biomaterial aus Synovektomie- bzw. Gelenkersatzoperationen zur Verfügung stand, nachgewiesen werden. Darüber hinaus gelang der erstmalige Nachweis einer chondrozytären Expression der für die posttranslationale Modifikation verantwortlichen Peptidylarginin-Deiminasen (PAD) PAD2 und PAD4 im Knorpelgewebe und ihre Hochregulation in den Chondrozyten unter oxidativem und genotoxischem Stress. Diese Stressoren sind an degenerativen Knorpel-veränderungen in der Pathogenese der Osteoarthrose (OA) beteiligt, sodass die Ergebnisse dieser Arbeit die Hypothese stützen, dass Degenerationsprozesse des alternden Knorpels zur Expression kollagenmodifiziernder PAD-Enzyme führen und damit die immunologische Selbsttoleranz des Knorpelgewebes durch Neoepitop-Generation in der Knorpelmatrix schwächen können.
Ein zentraler Aspekt der Arbeit galt der Analyse der CII-spezifischen humoralen Immunantwort im Blut und in der entzündlich veränderten Synovialmembran von RA-Patienten über die vergleichenden Analyse der rearrangierten Immunglobulingene in epitopspezifisch über biotinylierte CII-Peptide markierten B- und Plasmazellen. Die Isolation der markierten Zellen erfolgte mittels Laser-Mikrodissektion aus dem Gewebe und durchflusszytometrisch aus dem peripheren Blut. Die anschließende Sequenzanalyse der mittels semi-nested Einzelzell-PCR amplifizierten, für die variable Region der leichten und schweren Antikörperkette kodierenden V-Gene, ergab für die Erkennung des immundominanten CIIC1-Epitopes eine präferentielle V-Genverwendung. Darüber hinaus spricht der Nachweis höherer Mutationsraten in synovialen Plasmazellen im Vergleich zu CII-spezifischen B-Zellen im Blut für eine lokale synoviale Affinitätsreifung der Antikörperantwort. Die Klonierung der amplifizierten V-Gene in einen eukaryotischen Expressionsvektor ermöglicht die Expression rekombinanter Antikörper und deren Validierung im ELISA. Zukünftige Affinitätsbestimmungen und Kristallstrukturanalysen dienen dem verbesserten molekularen Verständnis der CII-Antikörpererkennung und murine Antikörper-transferexperimente der Evaluation der Arthritogenität der humanen CII-Antikörperantwort. Fernziel ist die Entwicklung einer auf der CII-Antigenspezifität beruhenden immunmodularischen Therapie der RA.
Die Interaktion zwischen der Kannenpflanze Nepenthes bicalcarata und der mit ihr assoziierten Camponotus schmitzi stand im Zentrum der Arbeit. Dabei wurden vier Themenbereiche zur genaueren Bearbeitung ausgewählt. Drei davon (Kapitel 3, 5 und 6) sind in vier Artikeln bereits in Fachzeitschriften publiziert worden (siehe Kapitel 14.1.2). Die Untersuchungen aus Kapitel 4 sind noch unveröffentlicht. Entsprechend den sich entwickenden Ergebnissen wurden zudem auch vergleichende Untersuchungen zu anderen mehr oder minder im gleichen Habitat vorkommenden Nepenthes Arten, N. gracilis, N. ampullaria, N. mirabilis var echinostoma, N. rafflesiana und N. albomarginata durchgeführt.
The aim of this study was to assess whether endosperm-specific carotenoid biosynthesis influenced core metabolic processes in maize embryo and endosperm and how global seed metabolism adapted to this expanded biosynthetic capacity. Although enhancement of carotenoid biosynthesis was targeted to the endosperm of maize kernels, a concurrent up-regulation of sterol and fatty acid biosynthesis in the embryo was measured. Targeted terpenoid analysis, and non-targeted metabolomic, proteomic, and transcriptomic profiling revealed changes especially in carbohydrate metabolism in the transgenic line. In-depth analysis of the data, including changes of metabolite pools and increased enzyme and transcript concentrations, gave a first insight into the metabolic variation precipitated by the higher up-stream metabolite demand by the extended biosynthesis capacities for terpenoids and fatty acids. An integrative model is put forward to explain the metabolic regulation for the increased provision of terpenoid and fatty acid precursors, particularly glyceraldehyde 3-phosphate and pyruvate or acetyl-CoA from imported fructose and glucose. The model was supported by higher activities of fructokinase, glucose 6-phosphate isomerase, and fructose 1,6-bisphosphate aldolase indicating a higher flux through the glycolytic pathway. Although pyruvate and acetyl-CoA utilization was higher in the engineered line, pyruvate kinase activity was lower. A sufficient provision of both metabolites may be supported by a by-pass in a reaction sequence involving phosphoenolpyruvate carboxylase, malate dehydrogenase, and malic enzyme.
The forest, savanna, and grassland biomes, and the transitions between them, are expected to undergo major changes in the future due to global climate change. Dynamic global vegetation models (DGVMs) are very useful for understanding vegetation dynamics under the present climate, and for predicting its changes under future conditions. However, several DGVMs display high uncertainty in predicting vegetation in tropical areas. Here we perform a comparative analysis of three different DGVMs (JSBACH, LPJ-GUESS-SPITFIRE and aDGVM) with regard to their representation of the ecological mechanisms and feedbacks that determine the forest, savanna, and grassland biomes, in an attempt to bridge the knowledge gap between ecology and global modeling. The outcomes of the models, which include different mechanisms, are compared to observed tree cover along a mean annual precipitation gradient in Africa. By drawing on the large number of recent studies that have delivered new insights into the ecology of tropical ecosystems in general, and of savannas in particular, we identify two main mechanisms that need improved representation in the examined DGVMs. The first mechanism includes water limitation to tree growth, and tree–grass competition for water, which are key factors in determining savanna presence in arid and semi-arid areas. The second is a grass–fire feedback, which maintains both forest and savanna presence in mesic areas. Grasses constitute the majority of the fuel load, and at the same time benefit from the openness of the landscape after fires, since they recover faster than trees. Additionally, these two mechanisms are better represented when the models also include tree life stages (adults and seedlings), and distinguish between fire-prone and shade-tolerant forest trees, and fire-resistant and shade-intolerant savanna trees. Including these basic elements could improve the predictive ability of the DGVMs, not only under current climate conditions but also and especially under future scenarios.
Die im Mittelhirn lokalisierten dopaminergen (DA) Neurone sind in einer Vielzahl von Hirnfunktionen involviert und werden aufgrund von anatomischen, molekularen sowie funktionellen Unterschieden in mehrere Subpopulationen aufgeteilt. DA Neurone, die in der Substantia nigra (SN) pars compacta lokalisiert sind, spielen durch ihre Projektion in das dorsale Striatum eine Rolle in der Steuerung der Willkürmotorik. Die Area tegmentalis ventralis (VTA) enthält DA Neurone, die in den präfrontalen Cortex, die basolateralen Amygdala sowie den Nucleus accumbens projizieren und in höheren kognitiven Funktionen, wie dem Arbeitsgedächtnis, der Motivation sowie belohnungsassoziierten Lernvorgängen involviert sind.
In dieser Arbeit wurden die differentiellen Eigenschaften des transienten A-Typ Kaliumstroms sowie dessen Funktion für die intrinsische elektrische Aktivität und die Integration von synaptischen Eingängen in Subpopulationen von DA Neuronen untersucht. Dieser spannungsgesteuerte Strom ist an der Kontrolle der Schrittmacheraktivität beteiligt, beeinflusst die Form und Dauer von Aktionspotentialen und moduliert die Erregbarkeit des somatodendritischen Kompartiments. Der A-Typ Kaliumkanal besteht in DA Neuronen aus einem Tetramer von porenbildenden KV4.3 α-Untereinheiten. Die Koexpression von akzessorischen β-Untereinheiten moduliert maßgeblich die biophysikalischen Parameter des A-Stroms, wie z. B. die Kinetik der Inaktivierung sowie die Spannungsabhängigkeit der Aktivierung und Inaktivierung. Zu diesen β-Untereinheiten gehören die cytoplasmatischen Kaliumkanal-interagierenden Proteine (KChIPs) sowie die transmembranären Dipeptidylpeptidase-ähnlichen Proteine (DPPLs). Während in DA SN Neuronen vor allem KChIP3 exprimiert wird und einen schnell inaktivierenden A-Strom gewährleistet, sind DA VTA Neurone durch die zusätzliche Expression der KChIP4a Splice-Variante charakterisiert, welche durch Inhibition der schnellen Inaktivierung in einem langsam inaktivierenden A-Strom resultiert. Die Bedeutung der differentiellen KChIP4a-Expression für DA Mittelhirnneurone wurde mit Hilfe von KChIP4-Knock-Out (KO)-Mäusen untersucht. Alle Versuche wurden in vitro an akuten Hirnschnitten adulter Wildtyp (WT)- und KChIP4-KO-Tiere durchgeführt und die DA neurochemische Identität sowie die Lage der gemessenen Zellen im Anschluss immunhistochemisch bestätigt. Die biophysikalischen Eigenschaften des A-Stroms wurden mit der Patch-Clamp Technik in der nucleated outside-out Konfiguration untersucht, welche optimale Bedingungen für Voltage-Clamp Experimente gewährleistet. Der A-Strom in DA VTA Neuronen aus KChIP4-KO-Tieren wies dabei eine siebenfach schnellere Inaktivierungskinetik als in vergleichbaren Neuronen aus WT-Tieren auf, während die Inaktivierungskinetik in DA SN Neuronen aus KChIP4-KO-Tieren lediglich um den Faktor zwei schneller war. Außerdem wurde festgestellt, dass selektiv in DA VTA Neuronen das halbmaximale Aktivierungspotential ebenfalls von der KChIP4-Expression abhängig war. Somit konnte gezeigt werden, dass die Expression von KChIP4 für die charakteristischen A-Strom-Eigenschaften von DA VTA Neuronen verantwortlich ist.
Die funktionelle Rolle des KChIP4-vermittelten langsamen A-Stroms wurde mit Hilfe von Current-Clamp Messungen in Ganzzellableitungen untersucht. Dabei wurde deutlich, dass die Expression von KChIP4 die Spontanaktivität von DA SN und VTA Neuronen nicht beeinflusst. Das für DA VTA Neuronen charakteristische verzögerte Wiedereintreten der Spontanaktivität nach einer Inhibition zeigte allerdings eine Abhängigkeit von der KChIP4-Expression, da der sog. rebound delay in DA VTA Neuronen aus KChIP4-KO-Tieren signifikant kürzer war, als in Zellen aus WT-Tieren. Dies konnte sowohl durch Strominjektionen, die in ihrer Kinetik GABAergen synaptischen Eingängen ähnelten, als auch nach direkter Aktivierung von GABA-Rezeptoren durch iontophoretische GABA-Applikation bestätigt werden. KChIP4 könnte somit einen internen Verzögerungsmechanismus nach einer transienten Inhibition von DA Neuronen gewährleisten, die z.B. bei Präsentation von aversiven Stimuli sowie beim Ausbleiben von erwarteten Belohnungen auftritt. Somit könnte die physiologische Relevanz des KChIP4-gesteuerten A-Stroms in der Integration von inhibitorischen synaptischen Eingängen im Kontext von belohnungsgesteuerten Lernprozessen liegen.
Ongoing and predicted global change makes understanding and predicting species’ range shifts an urgent scientific priority. Here, we provide a synthetic perspective on the so far poorly understood effects of interspecific interactions on range expansion rates. We present theoretical foundations for how interspecific interactions may modulate range expansion rates, consider examples from empirical studies of biological invasions and natural range expansions as well as process-based simulations, and discuss how interspecific interactions can be more broadly represented in process-based, spatiotemporally explicit range forecasts. Theory tells us that interspecific interactions affect expansion rates via alteration of local population growth rates and spatial displacement rates, but also via effects on other demographic parameters. The best empirical evidence for interspecific effects on expansion rates comes from studies of biological invasions. Notably, invasion studies indicate that competitive dominance and release from specialized enemies can enhance expansion rates. Studies of natural range expansions especially point to the potential for competition from resident species to reduce expansion rates. Overall, it is clear that interspecific interactions may have important consequences for range dynamics, but also that their effects have received too little attention to robustly generalize on their importance. We then discuss how interspecific interactions effects can be more widely incorporated in dynamic modeling of range expansions. Importantly, models must describe spatiotemporal variation in both local population dynamics and dispersal. Finally, we derive the following guidelines for when it is particularly important to explicitly represent interspecific interactions in dynamic range expansion forecasts: if most interacting species show correlated spatial or temporal trends in their effects on the target species, if the number of interacting species is low, and if the abundance of one or more strongly interacting species is not closely linked to the abundance of the target species.