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Travelling waves are the physical basis of frequency discrimination in many vertebrate and invertebrate taxa, including mammals, birds, and some insects. In bushcrickets (Tettigoniidae), the crista acustica is the hearing organ that has been shown to use sound-induced travelling waves. Up to now, data on mechanical characteristics of sound-induced travelling waves were only available along the longitudinal (proximal-distal) direction. In this study, we use laser Doppler vibrometry to investigate in-vivo radial (anterior-posterior) features of travelling waves in the tropical bushcricket Mecopoda elongata. Our results demonstrate that the maximum of sound-induced travelling wave amplitude response is always shifted towards the anterior part of the crista acustica. This lateralization of the travelling wave response induces a tilt in the motion of the crista acustica, which presumably optimizes sensory transduction by exerting a shear motion on the sensory cilia in this hearing organ.
Background: Serotonin plays a pivotal role in regulating and modulating physiological and behavioral processes in both vertebrates and invertebrates. In the honeybee (Apis mellifera), serotonin has been implicated in division of labor, visual processing, and learning processes. Here, we present the cloning, heterologous expression, and detailed functional and pharmacological characterization of two honeybee 5-HT2 receptors.
Methods: Honeybee 5-HT2 receptor cDNAs were amplified from brain cDNA. Recombinant cell lines were established constitutively expressing receptor variants. Pharmacological properties of the receptors were investigated by Ca2+ imaging experiments. Quantitative PCR was applied to explore the expression patterns of receptor mRNAs.
Results: The honeybee 5-HT2 receptor class consists of two subtypes, Am5-HT2α and Am5-HT2β. Each receptor gene also gives rise to alternatively spliced mRNAs that possibly code for truncated receptors. Only activation of the full-length receptors with serotonin caused an increase in the intracellular Ca2+ concentration. The effect was mimicked by the agonists 5-methoxytryptamine and 8-OH-DPAT at low micromolar concentrations. Receptor activities were blocked by established 5-HT receptor antagonists such as clozapine, methiothepin, or mianserin. High transcript numbers were detected in exocrine glands suggesting that 5-HT2 receptors participate in secretory processes in the honeybee.
Conclusions: This study marks the first molecular and pharmacological characterization of two 5-HT2 receptor subtypes in the same insect species. The results presented should facilitate further attempts to unravel central and peripheral effects of serotonin mediated by these receptors.
Daphnien sind ein wichtiger Bestandteil des Süßwasserzooplanktons und in einer Vielzahl von biologischen Disziplinen als Modellorganismus etabliert. Ihr zyklisch parthenogenetischer Lebenszyklus und die hohen Raten von interspezischer Hybridisierung mancher Artkomplexe machen sie zu einem interessanten Forschungsobjekt. Die vorliegende Arbeit bietet Einblicke in die Populationsstruktur einer dieser Komplexe, des D. longispina-Artkomplexes, und testete ein neu entwickeltes Markersystem bei diesen Tieren auf gesamteuropäischer Ebene (33 Sammelorte, 1155 Individuen). Es wurden dazu molekulare Analysetechniken mit zwölf polymorphen Mikrosatelliten-Markern mit etablierten ITS-RFLP-Analysen verglichen.
Durch statistische Auswertemethoden mit den Programmen NewHybrids und Structure konnten Elternarten gut zugeordnet werden. Die Betrachtung der Kullback-Leibler Divergenzen in den Analysen durch NewHybrids deuten sogar darauf hin, dass die Anzahl der Mikrosatellitenmarker auf wenige besoders informative Loci reduziert werden kann, was bei Fragestellungen zur Art- und Hybrididentifizierung Zeit und Kosten spart. Ein Protokoll zur Vorgehensweise bei der Art- und Hybrididentifizierung wurde entwickelt.
Die Arten und Populationen selbst waren hoch differenziert. Zwischen den drei untersuchten Arten wurde ein FST von 0,29 gefunden. Ergebnisse aus einer AMOVA zeigten sogar, dass die Differenzierung zwischen den Populationen innerhalb der Arten leicht über dieser interspezifischen Differenzierung liegt (D galeata 0,40; D. longispina 0,52 und D. cucullata 0,42). Da auch keine isolation by distance gefunden wurde, lassen die Ergebnisse meiner Analysen auf „Provinzialismus“ schließen – ein Konzept, das genau dieses Muster voraussagt. Erklärt wird dieser Provinzialismus durch die Monopolisierungshypothese. Die Beobachtung, dass in der Regel in den untersuchten Populationen ein Heterozygotendefizit vorliegt, obwohl klonale Vermehrung oft zu einem Heterozygotenüberschuss führt (Meselson-Effekt), zeigt häufig vorkommende sexuelle Vermehrung an. Das Heterozygotendefizit deutet ebenfalls auf einen Wahlund-Effekt hin.
Es wurde weiterhin getestet, ob das Vorkommen von introgressiver, interspezifischer Hybridisierung in bestimmten Lokalitäten im Vergleich mit Lokalitäten, in denen ein Taxon allopatrisch lebt, einen Einfluss auf die Populationsstruktur hat. Die klonale Diversität sowie die beobachtete Heterozygotie standen dabei im Mittelpunkt der Analysen. Es wurde kein statistisch signifikanter Einfluss der Hybridisierung auf die Diversität gefunden.
Es ist wohl unumstritten, dass das Leben, wie wir es kennen, ohne die sauerstoffproduzierenden Organismen unserer Erde nicht möglich wäre. Zu ihnen gehören nicht nur die Landpflanzen, deren mannigfaltige Nutzung wichtiger Bestandteil unseres Alltags ist. Auch mikroskopisch kleine Algenarten leisten einen entscheidenden Beitrag zu den Stoffwechselkreisläufen dieser Welt. Unter ihnen befinden sich die Kieselalgen (Diatomeen), die mit einer Varietät von bis zu 10000 Spezies etwa 40 % der marinen Primärproduktion verantworten. Der Ursprung der heutigen zur oxygenen Photosynthese befähigten Eukaryoten geht auf Endosymbioseereignisse zurück, von denen aus sich diese Organismen ausgesprochen vielfältig entwickelt haben. Diese Vielfalt wird dabei nicht nur anhand ihrer äußeren Morphologie, sondern auch auf subzellulärer Ebene, deutlich. So zum Beispiel durch die unterschiedlichen Strukturen der Thyakoidmembranen, die sich in Kieselalgen wie Cyclotella meneghiniana in dreilagigen Bändern arrangieren. In Pflanzen wie Nicotiana tabacum (Tabak) hingegen bilden sie große, stapelartige Bereich aus, die zur räumlichen Separation der in den Thylakoiden eingebetteten Photosystemen beitragen. Auch die an die Photosysteme (PS) gebundenen Lichtsammelproteine (Lhcs) haben sich in Tabak und Cyclotella unterschiedlich entwickelt. Gemäß ihrem Namen zeichnen sie sich zwar allesamt durch die Sammlung und Weiterleitung der Lichtenergie an die Photosysteme aus, grenzen sich aber in Hinblick auf Proteingröße und Pigmentierung voneinander ab.
Die Lhcs der höheren Pflanzen werden entsprechend ihrer Zuordnung zu den Photosystemen in den aus zwei Heterodimeren bestehenden LHCI des PSI und die Lhcb-Antennenproteine des PSII unterschieden. Zu letzteren gehören der trimere Hauptantennenkomplex LHCII und die monomeren, minoren Antennenproteine. Die Lhcs binden die zur Lichtsammlung benötigten Pigmente, vor allem Chlorophyll a und Chlorophyll b, aber auch primäre Carotinoide wie Violaxanthin, Lutein und Neoxanthin, in unterschiedlichen Stöchiometrien. Es ist bereits bekannt, dass die Pigmentierung entscheidend zur Stabilität der Lichtsammelproteine beiträgt, wenngleich zum Teil auch eine gewisse Flexibilität in Bezug auf die Art der gebundenen Pigmente an den entsprechenden Bindestellen der Proteine besteht.
Im Rahmen dieser Arbeit liegt der Fokus auf der Fragestellung inwieweit die in der Regel nicht in Pflanzen vorkommenden Ketocarotinoide die Struktur und Funktion des LHCII aus einer Ketocarotinoide produzierenden N. tabacum - Transformante (bkt-Linie) beeinflussen und welche Auswirkungen sie auf dessen Photosyntheseapparat im Allgemeinen haben. Die bkt-Linie bildet dabei zum Teil auf Kosten ihrer primären Carotinoide sowohl das als antioxidativ und als anti-kanzerogen beschriebene Astaxanthin, als auch dessen Vorstufe Canthaxanthin und einige Derivate dieser Pigmente, die, nach vergleichenden HPLC-Analysen von Blättern und Thylakoidfraktionen, zu einem großen Teil mit der Thylakoidmembran assoziiert sind. Durch spektroskopische Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass diese Ketocarotinoide in Hinblick auf die Energieweiterleitung zum Chlorophyll a nicht funktionell an den LHCII binden, ihre Produktion aber die Trimerisierung dieses Lichtsammelkomplexes in N. tabacum nachhaltig beeinträchtigt. Auch die Assemblierung der PSII-LHCII-Superkomplexe wird dadurch maßgeblich gestört. Elektronenmikroskopische Aufnahmen von Chloroplasten der bkt-Linie verdeutlichten zudem die Beeinträchtigung der Granathylakoid-Stapelung: Sie fällt ungeordneter aus als im Wildtyp, was durch den Mangel an intakten LHCII-Trimeren begründet sein kann.
In funktioneller Hinsicht stören die Ketocarotinoide die Energieweiterleitung innerhalb des PSII und bewirken die Reduktion der photoprotektorischen, nicht-photochemischen Fluoreszenzlöschung des Wirtsorganismus nachhaltig. Zeitgleich reduzieren sie durch einen abschirmenden Effekt auf Grund ihrer Assoziation mit der Thylakoidmembran und/oder durch einen eventuellen S1-S1-Energietransfer von Chl a auf die Ketocarotinoide aber auch die Menge der Lichtenergie, die über die Lhcs an die Photosysteme weitergeleitet wird. Dadurch kommt ihnen neben dem nachhaltig störenden Einfluss auf die Intaktheit des Photosyntheseapparats zugleich auch eine schützende Wirkung vor einem Übermaß an Lichtenergie zu.
Aus Cyclotella meneghiniana sind zwei Hauptantennenkomplexe bekannt: FCPa und FCPb. Im Gegensatz zu den Lhcs der Chl a/b-haltigen Organismen binden die Lichtsammelproteine der Diatomeen das Xanthophyll Fucoxanthin anstelle des Luteins, und Chlorophyll c anstelle des Chlorophyll b. Im Gegensatz zu der bereits sehr detailliert aufgeklärten Struktur des trimeren LHCII in höheren Pflanzen, existieren für den Aufbau des FCPb in C. meneghiniana bisher nur fundierte Modellvorschläge. Diese postulieren eine homotrimere Grundstruktur für den FCPb, die zu höheren Oligomeren assembliert.
In der vorliegenden Arbeit konnte anhand elektronenmikroskopischer Aufnahmen und der anschließenden Einzelpartikelanalyse nun erstmalig die Struktur des etwa 6-7 nm großen, trimeren FCPb gezeigt und die Richtigkeit der bisher postulierten Modellvorschläge in Hinblick auf die Struktur des Trimers bewiesen werden. Nach den hier dargelegten Erkenntnissen gleicht die Anordnung der Untereinheiten des FCPb-Trimers der des LHCII. Zudem ergibt sich aus dem Zusammenhang der hier erhobenen Daten und den in der Fachliteratur veröffentlichten Ergebnissen zum Thema FCPb ein klares Bild über die Anordnung der höheren Oligomere in Form von Nonameren. Auch diese Erkenntnisse unterstützen das ursprünglich von C. Büchel vorgeschlagene Modell für die oligomere Struktur des FCPb in C. meneghiniana.
Aging of biological systems is controlled by various processes which have a potential impact on gene expression. Here we report a genome-wide transcriptome analysis of the fungal aging model Podospora anserina. Total RNA of three individuals of defined age were pooled and analyzed by SuperSAGE (serial analysis of gene expression). A bioinformatics analysis identified different molecular pathways to be affected during aging. While the abundance of transcripts linked to ribosomes and to the proteasome quality control system were found to decrease during aging, those associated with autophagy increase, suggesting that autophagy may act as a compensatory quality control pathway. Transcript profiles associated with the energy metabolism including mitochondrial functions were identified to fluctuate during aging. Comparison of wild-type transcripts, which are continuously down-regulated during aging, with those down-regulated in the long-lived, copper-uptake mutant grisea, validated the relevance of age-related changes in cellular copper metabolism. Overall, we (i) present a unique age-related data set of a longitudinal study of the experimental aging model P. anserina which represents a reference resource for future investigations in a variety of organisms, (ii) suggest autophagy to be a key quality control pathway that becomes active once other pathways fail, and (iii) present testable predictions for subsequent experimental investigations.
Role of N-cadherin cis and trans interfaces in the dynamics of adherens junctions in living cells
(2013)
Cadherins, Ca2+-dependent adhesion molecules, are crucial for cell-cell junctions and remodeling. Cadherins form inter-junctional lattices by the formation of both cis and trans dimers. Here, we directly visualize and quantify the spatiotemporal dynamics of wild-type and dimer mutant N-cadherin interactions using time-lapse imaging of junction assembly, disassembly and a FRET reporter to assess Ca2+-dependent interactions. A trans dimer mutant (W2A) and a cis mutant (V81D/V174D) exhibited an increased Ca2+-sensitivity for the disassembly of trans dimers compared to the WT, while another mutant (R14E) was insensitive to Ca2+-chelation. Time-lapse imaging of junction assembly and disassembly, monitored in 2D and 3D (using cellular spheroids), revealed kinetic differences in the different mutants as well as different behaviors in the 2D and 3D environment. Taken together, these data provide new insights into the role that the cis and trans dimers play in the dynamic interactions of cadherins.
Long-distance seed dispersal is a crucial process allowing the dispersal of fleshy-fruited tree species among forest fragments. In particular, large frugivorous bird species have a high potential to provide inter-patch and long-distance seed transport, both important for maintaining fundamental genetic and demographic processes of plant populations in isolated forest fragments. In the face of increasing worldwide forest fragmentation, the investigation of long-distance seed dispersal and the factors influencing seed dispersal processes has recently become a central issue in ecology. In my thesis, I studied the movement behaviour and the seed dispersal patterns of the trumpeter hornbill (Bycanistes bucinator), a large obligate frugivorous bird, in KwaZulu-Natal, South Africa. I investigated (i) the potential of trumpeter hornbills to provide long-distance seed dispersal within different landscape structures, (ii) seasonal variations in ranging behaviour of this species, and (iii) the potential of this species to enhance the functional connectivity of a fragmented landscape. I used highresolution GPS-data loggers to record temporally and spatially fine-scaled movement data of trumpeter hornbills within both continuous forests and fragmented agricultural landscapes during the breeding- and the non-breeding season. First, combining these data with data on seed-retention times, I calculated seed dispersal kernels, able to distinguish between seed dispersal kernels from the continuous forests and those from the fragmented agricultural landscapes. The seed dispersal distributions showed a generally high ability of trumpeter hornbills to generate seed transport over a distance of more than 100 m and for potential dispersal distances of up to 14.5 km. Seed dispersal distributions were considerably different between the two landscape types, with a bimodal distribution showing larger dispersal distances for fragmented agricultural landscapes and a unimodal one for continuous forests. My results showed that the landscape structure strongly influenced the movement behaviour of trumpeter hornbills, and this variation in behaviour is likely reflected in the shape of the seed dispersal distributions. Second, for each individual bird I calculated daily ranges and investigated differences in daily ranging behaviour and in the process of range expansion comparatively between the breeding- and the non-breeding season. I considered differences in habitat use and possible consequences resulting for seed dispersal function during different seasons. I found that within the breeding season multi-day ranges were built from strongly overlapping and nearly stationary daily ranges which were almost completely restricted to continuous forest. In the non-breeding season, however, birds assembled multi-day ranges by shifting their range site to a generally different area, frequently utilizing the fragmented agricultural landscape. Thereby, several small daily ranges and few large daily ranges composed larger multi-day ranges within the non-breeding season. Seasonal differences in ranging behaviour and range assembly processes resulted in important consequences for seed dispersal function, with short distances and less spatial variation during the breeding season and more inter-patch dispersal across the fragmented landscape during the non-breeding season. Last, I used a projection of simulated seed dispersal events on a high-resolution habitat map to assess the extent to which trumpeter hornbills potentially facilitate functional connectivity between plant populations of isolated forest fragments. About 7% of dispersal events resulted in potential between-patch dispersal and trumpeter hornbills connected a network of about 100 forest patches with an overall extent of about 50 km. Trumpeter hornbills increased the potential of functional connectivity of the landscape more than twofold and seed dispersal pathways revealed certain forest patches as important stepping-stones for seed dispersal among forest fragments. Overall, my study highlights the overriding role that large frugivorous bird species, like trumpeter hornbills, play in seed dispersal in fragmented landscapes. In addition, it shows the importance of fine-scaled movement data combined with high-resolution habitat data and consideration of different landscape structures and seasonality for a comprehensive understanding of seed dispersal function.
Adaptive Radiation und Zoogeographie anisakider Nematoden verschiedener Klimazonen und Ozeane
(2013)
Anisakide Nematoden sind Parasiten aquatischer Organismen und weltweit in marinen Habitaten verbreitet. Ihre Übertragungswege sind tief im marinen Nahrungsnetz verwurzelt und schließen ein breites Spektrum pelagisch/benthischer Invertebraten (z.B. Cephalopoda, Gastropoda, Crustacea, Polychaeta) und Vertebraten (z.B. Teleostei, Elasmobranchia, Cetacea, Pinnipedia, Aves) als Zwischen- bzw. Endwirte ein. Aufgrund der hohen Befallszahlen u.a. in der Muskulatur und Viszera kommerziell intensiv genutzter Fischarten (z.B. Clupea harengus, Gadus morhua, Salmo salar) sowie ihrer Rolle als Auslöser der menschlichen Anisakiasis nehmen die Vertreter der Gattung Anisakis unter den anisakiden Nematoden eine Sonderstellung ein. Anhand der verbesserten Diagnostik und der Etablierung sowie Weiterentwicklung molekularbiologischer Methoden ist es in den letzten zwei Dekaden gelungen, die bestehende Taxonomie und Systematik der Gattung Anisakis zu erweitern bzw. zu revidieren. Aktuelle molekulare Analysen weisen auf die Existenz von insgesamt neun distinkten Arten hin, welche eine hohe genetische Heterogenität und Wirtsspezifität aufweisen, äußerlich jedoch nahezu identisch sind (sog. kryptische Arten). Trotz kontinuierlicher Forschung auf dem Gebiet ist das Wissen über die Biologie von Anisakis immer noch unzureichend.
Die vorliegende Dissertation ist in kumulativer Form verfasst und umfasst drei (ISI-) Einzelpublikationen. Die Zielsetzung der durchgeführten Studien bestand unter anderem darin, unter Verwendung molekularbiologischer und computergestützter Analyseverfahren, Fragestellungen zur Zoogeographie, (Co-)Phylogenie, Artdiagnostik, Lebenszyklus-Ökologie sowie des bioindikatorischen Potentials dieser Gattung zu bearbeiten und bestehende Wissenslücken zu schließen.
Die Verbreitung von Anisakis, welche bisher ausschließlich anhand von biogeographischen Einzelnachweisen abgeschätzt wurde, konnte durch den angewandten Modellierungsansatz erstmalig interpoliert und in Kartenform vergleichend dargestellt werden. Dabei wurde gezeigt, dass die Verbreitung von Anisakis spp. in den Ozeanen und Klimazonen nicht gleichmäßig ist. Die Analysen deuten auf die Existenz spezies-spezifischer horizontaler und vertikaler Verbreitungsmuster hin, welche neben abiotischen Faktoren durch die Verbreitung und Abundanz der jeweiligen Zwischen- und Endwirte sowie deren Tiefenverteilung und Nahrungspräferenzen geprägt sind.
Durch die umfangreiche Zusammenstellung und anschließende Kategorisierung der (mit molekularen Methoden) geführten Zwischenwirtsnachweise konnten indirekte Rückschlüsse über die vertikale Verbreitung von Anisakis spp. entlang der Tiefenhabitate gezogen werden.
Während Anisakis auf Gattungsebene in der gesamten Wassersäule entlang verschiedener Tiefenhabitate abundant ist, wurde für die stenoxene Art Anisakis paggiae ein meso-/bathypelagisch orientierter Lebenszyklus postuliert. Durch den Einbezug eines breiten Spektrums (paratenischer) Zwischen- und Transportwirte aus unterschiedlichen trophischen Ebenen werden Transmissionslücken im Lebenszyklus der Gattung weitestgehend minimiert und der Transmissionserfolg auf den Endwirt, und damit die Wahrscheinlichkeit einer erfolgreichen Reproduktion, erhöht. Ausgeprägte Wirtspräferenzen sowie phylogenetische Analysen des ribosomalen ITS-Markers stützen eine Theorie zur co-evolutiven Anpassung der Parasiten an ihre Endwirte. Anisakis eignet sich daher unter Einschränkungen als Bioindikator für die vertikale und horizontale Verbreitung und Abundanz der Endwirte und lässt Rückschlüsse auf trophische Interaktionen im Nahrungsnetz zu. Durch die weitere Beprobung von Zwischenwirten aus verschiedenen trophischen Ebenen in zukünftigen Studien, kann eine genauere Bewertung potentiell abweichender Lebenszyklus-Strategien gewährleistet werden. Insbesondere ist die Datenlage zur Prävalenz und Abundanz anisakider Nematoden in Cephalopoda und Crustacea noch unzureichend. Die Probennahme sollte dabei unter besonderer Berücksichtigung bislang wenig oder unbeprobter geographischer Regionen, Tiefenhabitate und Wirtsarten durchgeführt werden.
Natural products (NPs) have been a rich source for pharmaceutically used anti-infectives and other drugs. However, the application of anti-infectives inevitably causes the development of resistant and multiresistant pathogens, which have to be treated with novel anti-infectives. The industrial research for novel anti-infectives has been concentrating on members of the bacterial Actinomycetales for a long time. Due to several reasons, e.g. the rediscovery of already known NPs, pharmaceutical companies abandoned their NP-research and focused on drug development based on combinatorial chemistry. However, the limited structural diversity of merely synthetic compound libraries has not been a fruitful source for bioactive compounds. Hence the discovery of novel bioactive NPs as a source for anti-infectives is still of economical and humanitarian interest and will remain to be an important branch of research in the future. One strategy to circumvent the rediscovery of bioactive NPs is the analysis of yet unexplored bacterial taxa. Based on this assumption, this work aimed at the discovery of novel NPs from the entomopathogenic bacterial genera Xenorhabdus and Photorhabdus and other promising taxa, as well as the investigation of their biosynthesis. ...
Es gibt für die Orientierung von Vögel ein allgemeingültiges Konzept, das Karte-Kompass-Prinzip (Kramer 1953, 1957): Der Karten-Schritt besteht darin, den eigenen Standort zu ermitteln und mit dem Ziel in Beziehung zu setzten. Damit wird die geografische Richtung bestimmt, die im Kompass-Schritt in eine konkrete Richtung umgesetzt wird. Für Beides nutzen Vögel auch das Magnetfeld der Erde; in der Karte als einen Faktor den Verlauf der Intensität, im Magnetkompass die Achse der Feldlinien. Der Magnetrezeptor, der die Karte mit Informationen versorgt, ist im Schnabel lokalisiert, der des Kompasses im Auge. Ich habe mich in meiner Arbeit darauf konzentriert, die zwei potenziellen Magnetrezeptoren der Vögel feinstrukturell und immunhistologisch weiter zu charakterisieren.
Für den Magnetkompass wird auf Grund des Radikalpaar-Modells angenommen, dass Cryptochrome die Rezeptormoleküle sein könnten (Ritz et al. 2000). Bei Vögeln sind vier Cryptochrome bekannt, allerdings muss das Rezeptormolekül des Magnetkompasses auch in seiner Lokalisation bestimmte Kriterien erfüllen. Die für meine Arbeit bedeutsamen Kriterien sind: (1) die gleiche Ausrichtung der Proteine in einer Rezeptorzelle und (2), dass die einzelnen Rezeptorzellen alle Raumrichtungen abdecken. Ich habe in meiner Arbeit Cryptochrom 1a (Cry1a) und Cryptochrom 1b (Cry1b) auf ihr Vorkommen in der Retina von Rotkehlchen (Erithacus rubecula) und Hühnern (Gallus gallus) untersucht. Cry1b befindet sich bei Rotkehlchen während der Zugzeit in den Ganglienzellen, in denen es teilweise an Membranen gebunden vorliegt, die jedoch keine bevorzugte Richtung haben. Somit erscheint mir Cry1b als Rezeptormolekül für den Magnetkompass als eher ungeeignet. Cry1b könnte, wie viele Cryptochrome, an der Steuerung von circadianen Rhythmen beteiligt sein. Cry1a hingegen ist bei beiden untersuchten Vogelarten in den UV/V-Zapfen an die Diskmembranen gebunden, was eine Ausrichtung ermöglicht. Die UV/V-Zapfen sind über die gesamte Retina gleichmäßig verteilt, und durch die sphärische Form des Auges decken die einzelnen Rezeptoren jede Raumrichtung ab. Somit erfüllt Cry1a die Bedingungen des Radikalpaar-Modells, und ich schließe daraus, dass es sich hierbei um das Rezeptormolekül des Magnetkompasses handeln könnte. Cry1a ändert nach Lichtabsorption wie viele Cryptochrome seine Konformation. Der von mir verwendete Antikörper bindet nur die lichtaktivierte Form des Proteins. In Versuchen, in denen Hühner verschiedenen monochromatischen Lichtern ausgesetzt wurden, zeigt sich, dass sich Cry1a in UV bis Gelb in lichtaktiviertem Zustand befindet. Dies stimmt sowohl mit der spektralen Empfindlichkeit des Magnetkompasses der Vögel als auch mit der des Flavins, des lichtsensitiven Teils des Cryptochroms, überein. Versuche mit grünem Licht lassen vorsichtige Rückschlüsse auf das für den Magnetkompass relevante Radikalpaar zu: so ist das Flavin erst im zweiten Oxidationsschritt grünlicht-sensitiv, und Cry1a ist nur nachweisbar, also lichtaktiviert, wenn der erste Schritt bereits im Hellen abgelaufen ist. Versuche in denen die Tiere vorab im Dunkeln waren, führen nicht zur erneuten Lichtaktivierung unter grünem Licht. Dies macht nur eines der beiden im Flavinzyklus entstehenden Radikalpaare wahrscheinlich, nämlich das in der Reoxidation entstehende, da das Radikalpaar im ersten Schritt der Oxidation unter Grün nicht entsteht.
In Bezug auf den Magnetrezeptor im Schnabel konnte bereits bei Tauben eine detaillierte Struktur beschrieben werden, die als Magnetrezeptor geeignet ist, nämlich Magnetit- bzw. Maghemit-Teilchen in Dendriten der Nerven (Fleissner et al. 2003). Auch Hühner haben eisenhaltige Strukturen im Oberschnabel, die in ihrer Eisenoxid-Zusammensetzung denen der Tauben entsprechen (Falkenberg et al. 2010). Ich konnte in meiner Arbeit zeigen, dass die eisenhaltigen Strukturen im Oberschnabel der adulten Hühner an oder in Nervenfasern liegen. Elektronenoptisch bestehen diese eisenhaltigen Strukturen im Nervengewebe bei Hühnern, wie bei Tauben beschrieben, aus einem 3-5 µm großen Vesikel, der von eisenhaltigen ‘Schuppen’ besetzt ist, aus circa 1 µm langen Plättchen und Kugeln mit einem Durchmesser von etwa 1 µm. Sie sind in Feldern angeordnet, in denen diese Zellstrukturen gleich ausgerichtet sind. In der Anzahl und Lokalisation der Felder der eisenhaltigen Dendriten gibt es Unterschiede zwischen Hühnern und Tauben, allerdings ist unklar, inwie¬weit dies zu Unterschieden in der Verarbeitung im Gehirn führt. Die Entwicklung der eisenhaltigen Dendriten der Hühner beginnt erst nach dem Schlupf, am Tag des Schlupfes haben Küken noch keine eisenhaltigen Strukturen, abgesehen von roten Blutkörperchen. In den ersten 5 Tagen werden eisenhaltige Makrophagen im frontalen Bereich des Schnabels gebildet, die anschließend wieder reduziert werden. Bei 12 Tage alten Hühnern werden diese auch im lateralen Bereich des Oberschnabels angelegt und ebenfalls dort bis Tag 21 wieder reduziert. 21 Tage alte Hühner haben nur noch wenige eisenhaltige Makrophagen, allerdings ein erstes Feld von eisenhaltigen Dendriten. Die Röntgenabsorption zeigt einen Unterschied in der Eisenoxid-Zusammensetzung zwischen eisenhaltigen Makrophagen und eisenhaltigen Dendriten. Es könnte sein, dass die eisenhaltigen Makrophagen an der Synthese der eisenhaltigen Dendriten beteiligt sind, da sie Eisen aufnehmen, aber auch wieder abgeben können und in demselben Zeitraum reduziert werden, wie die eisenhaltigen Dendriten aufgebaut werden.
Sowohl Tauben als auch Rotkehlchen haben sich phylogenetisch bereits vor 95 Millionen Jahren von den Hühnern abgespalten. Es gibt sowohl in der Lokalisation von Cry1a als auch in der Struktur der einzelnen eisenhaltigen Dendriten keine Unterschiede, so dass es sich bei den beiden Magnetrezeptoren der Vögel vermutlich um sehr alte Mechanismen handelt, die sich in der Evolution kaum verändert haben. Vermutlich sind sie vogelspezifisch, da es in dieser Hinsicht keine erkennbare Gemeinsamkeit mit anderen Wirbeltieren gibt.
Die phylogenetisch hochkonservierte Jak/Stat‐Signaltransduktionskaskade repräsentiert eines der zentralen Säulen zellulärer Signalübertragung eukaryotischer Organismen. Ubiquitär im Organismus exprimiert und über eine Vielzahl von Zytokinen, Hormonen und Wachstumsfaktoren aktiviert, sind Stat‐Transkriptionsfaktoren maßgeblich an dem Erhalt der Physiologie und Homöostase von Organen und Geweben beteiligt. So sind die Mitglieder Stat5A und Stat5B (als homologe Proteine im Verbund als Stat5 bezeichnet) entscheidende Regulatoren des Immunsystems und der Hämatopoese, der Funktion und Entwicklung des Prostata‐ und Brustdrüsengewebes (Mammogenese) oder bestimmter Funktionen der Leber. Wie auch Stat3, konnten Stat5 Proteine in aberrant aktiver Form in verschiedensten Typen und Stadien humaner Tumore nachgewiesen werden, wo sie über die Expression ihrer Zielgene sowie über weitere nicht‐kanonische Funktionen im Zytoplasma und im Zellkern einer fortschreitend malignen Entartung entscheidend beitragen. Als Folge der Unterstützung essentieller Tumorgenese‐
Mechanismen, wie gesteigertes Zellwachstum, Apoptosehemmung, Migration und Metastasierung, Sauerstoff‐unabhängiger Energiestoffwechsel, Angiogenese oder Umgehung der Immunabwehr, entwickeln Tumore häufig eine Abhängigkeit gegenüber der gesteigerten Aktivität dieser Vertreter der Stat‐Proteinfamilie und reagieren mit einem Wachstumsstopp und Apoptoseinduktion auf ihre Inhibierung. Perspektivisch stellt die gezielte Interferenz mit aberranten, Tumortyp‐spezifischen Stat5‐Aktivitäten einen relevanten Ansatz in der personalisierten Therapie Stat5‐abhängiger Tumore, vorrangig leukämischen Ursprungs, dar. ...
Background: Within the complex metazoan phylogeny, the relationships of the three lophophorate lineages, ectoprocts, brachiopods and phoronids, are particularly elusive. To shed further light on this issue, we present phylogenomic analyses of 196 genes from 58 bilaterian taxa, paying particular attention to the influence of compositional heterogeneity.
Results: The phylogenetic analyses strongly support the monophyly of Lophophorata and a sister-group relationship between Ectoprocta and Phoronida. Our results contrast previous findings based on rDNA sequences and phylogenomic datasets which supported monophyletic Polyzoa (= Bryozoa sensu lato) including Ectoprocta, Entoprocta and Cycliophora, Brachiozoa including Brachiopoda and Phoronida as well as Kryptrochozoa including Brachiopoda, Phoronida and Nemertea, thus rendering Lophophorata polyphyletic. Our attempts to identify the causes for the conflicting results revealed that Polyzoa, Brachiozoa and Kryptrochozoa are supported by character subsets with deviating amino acid compositions, whereas there is no indication for compositional heterogeneity in the character subsets supporting the monophyly of Lophophorata.
Conclusion: Our results indicate that the support for Polyzoa, Brachiozoa and Kryptrochozoa gathered so far is likely an artifact caused by compositional bias. The monophyly of Lophophorata implies that the horseshoe-shaped mesosomal lophophore, the tentacular feeding apparatus of ectoprocts, phoronids and brachiopods is, indeed, a synapomorphy of the lophophorate lineages. The same may apply to radial cleavage. However, among phoronids also spiral cleavage is known. This suggests that the cleavage pattern is highly plastic and has changed several times within lophophorates. The sister group relationship of ectoprocts and phoronids is in accordance with the interpretation of the eversion of a ventral invagination at the beginning of metamorphosis as a common derived feature of these taxa.
The spider genus Eusparassus Simon, 1903 (Araneae: Sparassidae: Eusparassinae; stone huntsman spider) is revised worldwide to include 30 valid species distributed exclusively in Africa and Eurasia. The type species E. dufouri Simon, 1932 is redescribed and a neotype is designated from Portugal. An extended diagnosis for the genus is presented. Eight new species are described: Eusparassus arabicus Moradmand, 2013 (male, female) from Arabian Peninsula, E. educatus Moradmand, 2013 (male, female) from Namibia, E. reverentia Moradmand, 2013 (male, female) from Burkina Faso and Nigeria, E. jaegeri Moradmand, 2013 (male, female) from South Africa and Botswana, E. jocquei Moradmand, 2013 (male, female) from Zimbabwe, E. borakalalo Moradmand, 2013 (female) from South Africa, E. schoemanae Moradmand, 2013 (male, female) from South Africa and Namibia and E. mesopotamicus Moradmand and Jäger, 2012 (male and female) from Iraq, Iran and Turkey. 22 species are re-described six of them are transferred from the genus Olios Walckenaer, 1837. Six species-groups are proposed: the dufouri-group [8 species: E. dufouri, E. levantinus Urones, 2006, E. barbarus (Lucas, 1846), E. atlanticus Simon, 1909, E. syrticus Simon, 1909, E. oraniensis (Lucas, 1846), E. letourneuxi (Simon, 1874), E. fritschi (Koch, 1873); Iberian Peninsula to parts of north-western Africa], walckenaeri-group [3 species: E. walckenaeri (Audouin, 1826), E. laevatus (Simon, 1897), E. arabicus; eastern Mediterranean to Arabia and parts of north-eastern Africa], doriae-group [7 species: E. doriae (Simon, 1874), E. kronebergi Denis, 1958, E. maynardi (Pocock, 1901), E. potanini (Simon, 1895), E. fuscimanus Denis, 1958, E. oculatus (Kroneberg, 1846) and E. mesopotamicus; Middle East to Central and South Asia], vestigator-group (3 species: E. vestigator (Simon, 1897), E. reverentia, E. pearsoni (Pocock, 1901); central to eastern Africa and an isolated area in NW India], jaegeri-group [4 species: E. jaegeri, E. jocquei, E. borakalalo, E. schoemanae; southern and south-eastern Africa], tuckeri-group [2 species: E. tuckeri (Lawrence, 1927), E. educatus; south-western Africa). Two species, E. pontii Caporiacco, 1935 and E. xerxes (Pocock, 1901) cannot be placed in any of the above groups. Two species are transferred from Eusparassus to Olios: O. flavovittatus (Caporiacco, 1935) and O. quesitio Moradmand, 2013. 14 species are recognized as misplaced in Eusparassus, thus nearly half of the described species prior to this revision were placed mistakenly in this genus. Neotypes are designated for E. walckenaeri from Egypt, E. barbarus, E. oraniensis and E. letourneuxi (all three from Algeria) to establish their identity. The male and female of Cercetius perezi Simon, 1902, which was known only from the immature holotype, are described for the first time. It is recognized that the monotypic and little used generic name Cercetius Simon, 1902 — a species, which had been known only from the immature holotype — as a synonym of the widely used name Eusparassus. The case proposal 3596 (conservation of name Eusparassus) is under consideration by ICZN.
The first comprehensive molecular phylogeny of the family Sparassidae with focus on the genus Eusparassus is investigated using four molecular markers (mitochondrial COI and 16S; nuclear H3 and 28S). The monophyly of Eusparassus and the dufouri, walckenaeri and doriae species-groups are recovered with the latter two groups more closely related. The monophyly of the tuckeri-group is not supported and the position of E. jaegeri as the only available member of the jaegeri-group is not resolved within the Eusparassus clade. DNA samples of the vestigator-group were not accessible for this study. The origination of the genus Eusparassus around 70 million years ago (MA) is estimated according to molecular clock analyses. Using this recent result in combination with some biogeographic and geological data, the Namib Desert is proposed as the place of ancestral origin for Eusparassus and putative Eusparassinae genera.
Further analyses are done on the phylogenetic relationships of Sparassidae and its subfamilies. The Eusparassinae are not confirmed as monophyletic, with the two original genera Eusparassus and Pseudomicrommata in separate clades and only the latter clusters with most other assumed Eusparassinae, here termed the "African clade". Monophyly of the subfamilies Sparianthinae, Heteropodinae sensu stricto, Palystinae and Deleninae is recovered. The Sparianthinae are supported as the most basal clade, diverging considerably early (143 MA) from all other Sparassidae. The Sparassinae and genus Olios are found to be polyphyletic. The Sparassidae are confirmed as monophyletic and as most basal group within the RTA-clade. The divergence time of Sparassidae from the RTA-clade is estimated with 186 MA in the Jurassic. No affiliation of Sparassidae to other members of the "Laterigradae" (Philodromidae, Selenopidae and Thomisidae) is observed, thus the crab-like posture of this group was proposed a result of convergent evolution. Only the families Philodromidae and Selenopidae are found members of a supported clade. Including a considerable amount of RTA-clade representatives, the higher-level clade Dionycha is not but monophyly of the RTA-clade itself is supported.
Photorhabdus is a genus of Gram-negative entomopathogenic bacteria that also maintain a mutualistic association with nematodes from the family Heterorhabditis. Photorhabdus has an extensive secondary metabolism that is required for the interaction between the bacteria and the nematode. A major component of this secondary metabolism is a stilbene molecule, called ST. The first step in ST biosynthesis is the non-oxidative deamination of phenylalanine resulting in the production of cinnamic acid. This reaction is catalyzed by phenylalanine-ammonium lyase, an enzyme encoded by the stlA gene. In this study we show, using a stlA-gfp transcriptional fusion, that the expression of stlA is regulated by nutrient limitation through a regulatory network that involves at least 3 regulators. We show that TyrR, a LysR-type transcriptional regulator that regulates gene expression in response to aromatic amino acids in E. coli, is absolutely required for stlA expression. We also show that stlA expression is modulated by σS and Lrp, regulators that are implicated in the regulation of the response to nutrient limitation in other bacteria. This work is the first that describes pathway-specific regulation of secondary metabolism in Photorhabdus and, therefore, our study provides an initial insight into the complex regulatory network that controls secondary metabolism, and therefore mutualism, in this model organism.
A quantitative analysis of photoreceptor properties was performed in the retina of the nocturnal deer mouse, Peromyscus maniculatus, using pigmented (wildtype) and albino animals. The aim was to establish whether the deer mouse is a more suitable model species than the house mouse for photoreceptor studies, and whether oculocutaneous albinism affects its photoreceptor properties. In retinal flatmounts, cone photoreceptors were identified by opsin immunostaining, and their numbers, spectral types, and distributions across the retina were determined. Rod photoreceptors were counted using differential interference contrast microscopy. Pigmented P. maniculatus have a rod-dominated retina with rod densities of about 450.000/mm(2) and cone densities of 3000 - 6500/mm(2). Two cone opsins, shortwave sensitive (S) and middle-to-longwave sensitive (M), are present and expressed in distinct cone types. Partial sequencing of the S opsin gene strongly supports UV sensitivity of the S cone visual pigment. The S cones constitute a 5-15% minority of the cones. Different from house mouse, S and M cone distributions do not have dorsoventral gradients, and coexpression of both opsins in single cones is exceptional (<2% of the cones). In albino P. maniculatus, rod densities are reduced by approximately 40% (270.000/mm(2)). Overall, cone density and the density of cones exclusively expressing S opsin are not significantly different from pigmented P. maniculatus. However, in albino retinas S opsin is coexpressed with M opsin in 60-90% of the cones and therefore the population of cones expressing only M opsin is significantly reduced to 5-25%. In conclusion, deer mouse cone properties largely conform to the general mammalian pattern, hence the deer mouse may be better suited than the house mouse for the study of certain basic cone properties, including the effects of albinism on cone opsin expression.
Im Zentralen Nervensystem (ZNS) kommunizieren neuronale Synapsen über eine Kombination von chemischen und elektrischen Signalen, die in ihrer Umgebung eine spezifische Komposition von Ionen benötigen. Um eine strenge Kontrolle des ZNS-Milieus zu gewährleisten, hat sich in Säugetieren eine endotheliale Blut-Hirn-Schranke (BHS) entwickelt. Die BHS limitiert den parazellulären Molekül Transport und wird von den Kapillargefässen des Gehirns gebildet, wobei die physische Barrier von den Tight Junctions (TJs) des vaskulären Endothels generiert wird. Das Gehirnendothel ist Teil einer neurovaskulären Einheit (NVE), zu der auch Perizyten (PZ), Astrozyten (AZ), Mikroglia und Interneurone zählen. Fehlkommunikation oder defekte zelluläre Komponenten in der NVE führen in der Regel zu Störungen in der BHS Funktion und können schwerwiegende neuronale Erkrankungen zur Folge haben.
Vor einigen Jahren haben wir und andere Forschungsgruppen herausgefunden, dass der Wnt/β-Catenin Signalweg essentiell für die Vaskularisierung des Gehirns während der Embryonalentwicklung ist und darüber hinaus auch eine bedeutende Rolle in der Induktion der BHS spielt. Des Weiteren konnte im Zebrafischmodell eine Aktivierung des kanonischen Wnt Signalweges auch im adulten Organismus nachgewiesen werden. Allerdings ist die Quelle der Wnt Wachstumsfaktoren bis dato unbekannt. Der Wnt Signalweg ist eine hoch konservierte und komplexe zelluläre Signalkaskade, die in allen mehrzelligen Organismen vorkommt. Wnt Wachstumsfaktoren sind sekretierte, hydrophobe Signalmoleküle, die sowohl über lange als auch kurze Strecken entweder den β-Catenin-abhängingen („kanonischen“) oder β-Catenin-unabhängingen („nicht-kanonischen“) Wnt Signalweg aktivieren können.
Da die meisten ZNS Erkrankungen mit einem Zusammenbruch der BHS-Funktion assoziiert sind, ist die Forschung bestrebt die Mechanismen, die der Entstehung und Aufrechterhaltung der BHS zugrunde liegen, zu ermitteln und zu verstehen. Das Ziel meiner Doktorarbeit war es herauszufinden, ob AZ Wnts produzieren und ob deren Wirkung auf das Gehirnendothel an der Aufrechterhaltung der BHS beteiligt ist. Zu diesem Zweck, habe ich ein in vitro BHS Kokultivierungs-Modellsystem etabliert das erstmalig ausschliesslich auf der Verwendung von murinen AZ und Gehirnendothelzellen basiert. Zu Beginn der Studie wurden sowohl primäre AZ als auch eine murine Gehirnendothel-zelllinie (MBE) bezüglich ihrer zell-spezifischen Eigenschaften charakterisiert. Dabei konnte belegt werden, dass sowohl die primären AZ als auch die MBE Zelllinie, aufgrund ihrer Proteinexpressionsprofile als repräsentative Vertreter ihres Zelltyps eingestuft werden können. Die darauffolgenden Untersuchungen konnten zeigen, dass primäre AZ über mehrere Passagen hinweg fast alle 19 Wnt Liganden auf mRNA Ebene exprimierten. Ferner konnte in primären Gehirnendothelzellen und zwei Gehirnendothelzelllinien die korrespondierenden Frizzled (FZD) Rezeptoren und low density lipoprotein receptor-related protein (LRP) Korezeptoren nachgewiesen werden. Dieser Befund legte Nahe, dass AZ und Gehirnendothelzellen die basalen Eigenschaften besitzen, um über den Wnt Signalweg miteinander zu kommunizieren. Die Stimulation von pMBEs mit Astrozyten konditioniertem Medium (AKM) induzierte die Hochregulation von Claudin-3 einem bekannten kanonischen Wnt Zielgens. Interessanterweise konnte diese Regulation teilweise durch die Zugabe von dickkopf 1 (Dkk1), einem Wnt/β-Catenin Antagonisten, inhibiert werden.
Um die physiologische Rolle der Wnt Liganden zu bestimmen, habe ich mir die Eigenschaft des universellen Sekretionsmechanismus der Wachstumsfaktoren, welcher von dem Transmembranprotein evenness interrupted (Evi) abhängig ist, zu Nutze gemacht. Die Verpaarung von Evifl/fl mit hGFAP-Cre Mäusen erlaubt die AZ-spezifische Deletion des Evi Proteins (Evi KO), was zur Folge hat, dass die Astrozyten der Nachkommen keine Wnt Wachstumsfaktoren sekretieren können.
In vitro führte der Verlust von Wnts in AKM zu einer teilweisen Delokalisierung von Junction Proteinen. Während die Kokultivierung mit Evi WT AZ einen straken Anstieg im TEER und reduzierte Permeabilitätsmesswerte induzierten, konnten diese pro-BHS Eigenschaften bei Evi KO AZ nicht beobachtet werden. Diese Ergebnisse zeigten deutlich, dass Wnts sekretiert von AZ den BHS Phenotyp positive beeinflussen, indem sie die Zell-Zell-Verbindung verstärken, was wiederum zu erhöhtem Zellwiderstand und reduzierter transzellulärer Permeabilität führt. Die Analyse des in vivo Phänotyps von Evi KO Mäusen ergab, dass mit fortschreitendem, postnatalem Alter makroskopisch erkennbare zerebrale Blutungen auftraten. Ausserdem konnte ich zeigen, dass eine Subpopulation von Blutgefässen Malformationen aufwies, die mit reduzierter Astrozytenendfuss-Assoziierung einhergingen.
Das Wissen um die Beteiligung des Wnt Signalweges an der Regulation der BHS auch im adulten Organismus kann in Zukunft von wichtiger Bedeutung sein, da es potentielle therapeutische Anwendungen ermöglicht.
Translation is an important step in gene expression. The initiation of translation is phylogenetically diverse, since currently five different initiation mechanisms are known. For bacteria the three initiation factors IF1 – IF3 are described in contrast to archaea and eukaryotes, which contain a considerably higher number of initiation factor genes. As eukaryotes and archaea use a non-overlapping set of initiation mechanisms, orthologous proteins of both domains do not necessarily fulfill the same function. The genome of Haloferax volcanii contains 14 annotated genes that encode (subunits of) initiation factors. To gain a comprehensive overview of the importance of these genes, it was attempted to construct single gene deletion mutants of all genes. In 9 cases single deletion mutants were successfully constructed, showing that the respective genes are not essential. In contrast, the genes encoding initiation factors aIF1, aIF2γ, aIF5A, aIF5B, and aIF6 were found to be essential. Factors aIF1A and aIF2β are encoded by two orthologous genes in H. volcanii. Attempts to generate double mutants failed in both cases, indicating that also these factors are essential. A translatome analysis of one of the single aIF2β deletion mutants revealed that the translational efficiency of the second ortholog was enhanced tenfold and thus the two proteins can replace one another. The phenotypes of the single deletion mutants also revealed that the two aIF1As and aIF2βs have redundant but not identical functions. Remarkably, the gene encoding aIF2α, a subunit of aIF2 involved in initiator tRNA binding, could be deleted. However, the mutant had a severe growth defect under all tested conditions. Conditional depletion mutants were generated for the five essential genes. The phenotypes of deletion mutants and conditional depletion mutants were compared to that of the wild-type under various conditions, and growth characteristics are discussed.
Tumour cells show a varying susceptibility to radiation damage as a function of the current cell cycle phase. While this sensitivity is averaged out in an unperturbed tumour due to unsynchronised cell cycle progression, external stimuli such as radiation or drug doses can induce a resynchronisation of the cell cycle and consequently induce a collective development of radiosensitivity in tumours. Although this effect has been regularly described in experiments it is currently not exploited in clinical practice and thus a large potential for optimisation is missed. We present an agent-based model for three-dimensional tumour spheroid growth which has been combined with an irradiation damage and kinetics model. We predict the dynamic response of the overall tumour radiosensitivity to delivered radiation doses and describe corresponding time windows of increased or decreased radiation sensitivity. The degree of cell cycle resynchronisation in response to radiation delivery was identified as a main determinant of the transient periods of low and high radiosensitivity enhancement. A range of selected clinical fractionation schemes is examined and new triggered schedules are tested which aim to maximise the effect of the radiation-induced sensitivity enhancement. We find that the cell cycle resynchronisation can yield a strong increase in therapy effectiveness, if employed correctly. While the individual timing of sensitive periods will depend on the exact cell and radiation types, enhancement is a universal effect which is present in every tumour and accordingly should be the target of experimental investigation. Experimental observables which can be assessed non-invasively and with high spatio-temporal resolution have to be connected to the radiosensitivity enhancement in order to allow for a possible tumour-specific design of highly efficient treatment schedules based on induced cell cycle synchronisation.
Author Summary: The sensitivity of a cell to a dose of radiation is largely affected by its current position within the cell cycle. While under normal circumstances progression through the cell cycle will be asynchronous in a tumour mass, external influences such as chemo- or radiotherapy can induce a synchronisation. Such a common progression of the inner clock of the cancer cells results in the critical dependence on the effectiveness of any drug or radiation dose on a suitable timing for its administration. We analyse the exact evolution of the radiosensitivity of a sample tumour spheroid in a computer model, which enables us to predict time windows of decreased or increased radiosensitivity. Fractionated radiotherapy schedules can be tailored in order to avoid periods of high resistance and exploit the induced radiosensitivity for an increase in therapy efficiency. We show that the cell cycle effects can drastically alter the outcome of fractionated irradiation schedules in a spheroid cell system. By using the correct observables and continuous monitoring, the cell cycle sensitivity effects have the potential to be integrated into treatment planing of the future and thus to be employed for a better outcome in clinical cancer therapies.
Im Rahmen der vorliegenden Diplomarbeit wurde die Rolle der putativen mitochondrialen Kinase PINK1 untersucht. Die Mutationen in diesem Gen sind für die PARK6 Form von Morbus Parkinson ursächlich. Dies ist eine neurodegenerative Erkrankung, welche die Lebensqualität der Betroffenen weitgehend beeinträchtigt. Sie wird mit Dopamin-Ersatzmitteln und DBS (Deep Brain Stimulation) behandelt, beide nicht frei von Nebenwirkungen. Levodopa können bekannterweise zu schweren Fällen von Dyskinesie führen. Die Aufklärung der physiologischen Rolle von PINK1 würde den Wissenschaftlern auf dem Weg zur Früherkennung und anderen Therapiemöglichkeiten verhelfen. Die PARK6 Form der Parkinson Erkrankung wird derzeit anhand von verschiedenen Modellorganismen (M. musculus, D. melanogaster, D. rerio, C. elegans), sowie von verschiedenen Zellmodellen (HeLa, PC12, Fibroblasten aus PARK6 Patienten) untersucht. Als neuronale Zelllinie eignen sich die SH-SY5Y Zellen besonders gut für die Forschung an der durch den Verlust von dopaminergen Neuronen gekennzeichneten Parkinson-Erkrankung und sind diesbezüglich als ein relevantes Zellmodell breit akzeptiert (Xie et al.2010). In der vorliegenden Diplomarbeit wurden mit einem adenoviralen Konstrukt generierte PINK1 knockdown SH-SY5Y Zellen (M. Klinkenberg) als ein potentielles Zellmodell für die PARK6 Form von M. Parkinson analysiert. Als Kontrolle für die PINK1- abhängigen Effekte wurden NT (non target) Zellen herangezogen. Ausschlaggebend für die Wahl dieses Zellmodells war die Beobachtung, dass die PINK1 KD SH-SY5Y Zellen bei einer Reduktion des Serumgehaltes im Medium wesentlich langsamer wachsen als die NT Zellen (M. Jendrach). Die Serumdeprivation schien also der notwendige Stressfaktor zu sein, welcher zur Auslösung eines PINK1-abhängigen Phänotyps führen könnte. Daraus ergab sich die Frage, welche anderen PINK1-abhängigen Veränderungen unter Serumentzug zur Ausprägung kommen. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde zunächst die relative Genexpression der PINK1 KD SH-SY5Y Zellen in Bezug auf die NT Zellen untersucht. Es zeigte sich, dass der PINK1 KD bei reduziertem Serumgehalt zur Herunterregulation weiterer Parkinsonrelevanter Gene führt, deren Produkte an verschiedenen zellulären Prozessen beteiligt sind. Die Effekte traten nur bei stabil transfizierten Zellen auf und waren durch einen transienten PINK1 KD nicht reproduzierbar. Viele dieser Gene sind für die Aufrechterhaltung der mitochondrialen Homöostase bedeutsam und deshalb wurde die mitochondriale Funktion und Erscheinung in den PINK1 KD SH-SY5Y Zellen genauer erforscht. Im Gegensatz zu früheren Befunden (Mai et al. 2010) wurde eine Herunterregulation des für die mitochondriale Teilung zuständigen Fis1-Proteins ermittelt, darüber hinaus aber keine Änderung der mitochondrialen Morphologie auch nach induziertem Zellstress beobachtet (Dagda et al. 2009, Lutz et al. 2009). Ein Defizit in der mitochondrialen Atmung wurde festgestellt, nachdem die Zellen bei 1g/L Glucose kultiviert und für 24h auf ein Galaktose-haltiges Medium transferiert wurden. Außerdem wurde ähnlich zu Amo et. 2010 al eine leicht verminderte Energieladung der betreffenden Zellen gefunden. Keine Beeinträchtigung der mtDNA-Integrität oder der Überlebensrate bei H2O2-induziertem oxidativen Stress wurde beobachtet. Weiterhin wurde untersucht, inwiefern die in den PINK1 KD SH-SY5Y Zellen beobachteten Veränderungen in der Genexpression auf weitere Zellmodelle (PINK1 KD HeLa, kortikale Neurone aus PINK1 KO und PINK1 KO / A53T alpha Synuclein überexprimierenden Mäusen) übertragbar sind. Dabei wurden einige Gemeinsamkeiten zwischen den PINK1 KD SH-SY5Y Zellen und den PINK1 KO /A53T α Synuclein überexprimierenden kortikalen Neuronen ermittelt. Angesichts des Verlustes von dopaminergen Neuronen in M. Parkinson wäre es bedeutsam nachzuvollziehen, ob und wie die verminderte Expression Parkinson-relevanter Gene in diesen PINK1 KD Zellmodellen kompensiert wird, so dass die Zellen trotz der genetischen Einschränkung bei idealisierten in vitro Bedingungen gut überleben können. Hier ist es vorstellbar, dass zusätzlicher Zellstress die Gemeinsamkeiten zwischen den PINK1 KD SH-SY5Y Zellen und den PINK1 KO / A53T SNCA überexprimierenden Neuronen erweitern könnte. Diesbezüglich wäre es auch relevant zu erforschen, unter welchen Umständen die potentiellen Kompensationsmechanismen versagen, so dass das Zellüberleben nicht mehr gewährleistet wird. Im Licht des altersbedingten Ausbruchs der Symptome bei M. Parkinson würden diese neuen Erkenntnisse dazu beitragen, die möglichen auslösenden Faktoren zu erfassen und so ein tieferes Verständnis der molekularen Mechanismen dieser schwerwiegenden Erkrankung zu erhalten.
Sixteen ovarian tumor (OTU) family deubiquitinases (DUBs) exist in humans, and most members regulate cell-signaling cascades. Several OTU DUBs were reported to be ubiquitin (Ub) chain linkage specific, but comprehensive analyses are missing, and the underlying mechanisms of linkage specificity are unclear. Using Ub chains of all eight linkage types, we reveal that most human OTU enzymes are linkage specific, preferring one, two, or a defined subset of linkage types, including unstudied atypical Ub chains. Biochemical analysis and five crystal structures of OTU DUBs with or without Ub substrates reveal four mechanisms of linkage specificity. Additional Ub-binding domains, the ubiquitinated sequence in the substrate, and defined S1’ and S2 Ub-binding sites on the OTU domain enable OTU DUBs to distinguish linkage types. We introduce Ub chain restriction analysis, in which OTU DUBs are used as restriction enzymes to reveal linkage type and the relative abundance of Ub chains on substrates.
The antibacterial properties of nanosilver have led to a versatile application spectrum including medical purposes and personal care products. However, the increasing use of nanosilver has raised concerns about its environmental impacts. Long-term exposure studies with aquatic invertebrates are essential to assess possible adverse effects on aquatic ecosystems. In the present study, acute (48 h), chronic (21 d) and long-term effects of nanosilver (primary size 15 nm) on five successive generations of three Daphnia species (D. magna, D. pulex, and D. galeata) were investigated. Acute EC50 values of nanosilver were 121 µg Ag L−1 for D. magna being the least sensitive species and 8.95 and 13.9 µg Ag L−1 for D. pulex and D. galeata, respectively. Chronic exposure provided EC10 values of 0.92 µg Ag L−1 for D. magna showing the most sensitive chronic reaction and 2.25 and 3.45 µg Ag L−1 for D. pulex and D. galeata, respectively. Comparative exposure to AgNO3 revealed a generally higher toxicity of the soluble form of silver. The multi-generation experiments resulted in effects on the population level for all tested species. Exposure of D. magna indicated an increased toxicity of nanosilver in the fifth generation of animals exposed to 10 µg Ag L−1. Neonates from pre-exposed parental daphnids did not completely recover when transferred into clean water. Exposure of D. pulex and D. galeata revealed not only increasing toxicity in some generations, but also greater tolerance to nanosilver. This study contributes to the assessment of the risk potential of nanosilver on aquatic ecosystems. It shows that effects of nanosilver vary within one genus and change with exposure duration. Therefore, long-term studies considering different aquatic species are needed to better understand the possible effects of nanosilver on aquatic ecosystems.
Gene homologs of GlnK PII regulators and AmtB-type ammonium transporters are often paired on prokaryotic genomes, suggesting these proteins share an ancient functional relationship. Here, we demonstrate for the first time in Archaea that GlnK associates with AmtB in membrane fractions after ammonium shock, thus, providing a further insight into GlnK-AmtB as an ancient nitrogen sensor pair. For this work, Haloferax mediterranei was advanced for study through the generation of a pyrE2-based counterselection system that was used for targeted gene deletion and expression of Flag-tagged proteins from their native promoters. AmtB1-Flag was detected in membrane fractions of cells grown on nitrate and was found to coimmunoprecipitate with GlnK after ammonium shock. Thus, in analogy to bacteria, the archaeal GlnK PII may block the AmtB1 ammonium transporter under nitrogen-rich conditions. In addition to this regulated protein–protein interaction, the archaeal amtB-glnK gene pairs were found to be highly regulated by nitrogen availability with transcript levels high under conditions of nitrogen limitation and low during nitrogen excess. While transcript levels of glnK-amtB are similarly regulated by nitrogen availability in bacteria, transcriptional regulators of the bacterial glnK promoter including activation by the two-component signal transduction proteins NtrC (GlnG, NRI) and NtrB (GlnL, NRII) and sigma factor σN (σ54) are not conserved in archaea suggesting a novel mechanism of transcriptional control.
Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung der Rolle der i-AAA Protease in P. anserina, besonders während des Alterns des Ascomyceten. Die dazu durchgeführten Untersuchungen führten zu folgenden Ergebnissen:
1. Unter Standardbedingungen ist der PaIap-Deletionsstamm langlebiger als der Wildstamm, ohne feststellbare physiologische Beeinträchtigungen aufzuweisen. Dass dies auf den Verlust von PaIap zurückzuführen ist, bestätigen die PaIap-Revertantenstämme, in denen das Gen wieder eingeführt wurde, wodurch deren Lebensspanne wieder Wildtyp-artig ist. Dies zeigt, dass PaIAP zelluläre Prozesse beeinflusst, die die Lebensspanne kontrollieren.
2. Bei Hitzestress weist der PaIap-Deletionsstamm dagegen eine höhere Hitzesensitivität auf als der Wildstamm, was sich in einer verkürzten Lebensspanne und der Störung vitaler Funktionen äußert. Dies deutet auf eine mögliche Rolle von PaIAP bei der Hitzestressantwort hin.
3. Im Einklang mit dem hitzesensitiven Phänotyp des PaIap-Deletionsstamms konnte in mitochondrialen Extrakten des Wildtyps gezeigt werden, dass die Proteinmenge von PaIAP durch Hitzestress signifikant zunimmt. Gleichzeitig weisen mitochondriale Proteinextrakte von PaIap-Deletionsstämmen nach Hitzestress signifikant geringere Mengen an PaHSP60 und PaCLPP auf, zwei weiteren Komponenten der mitochondrialen Proteinqualitätskontrolle. Dies unterstreicht die Beteiligung von PaIAP an der Hitzestressantwort von P. anserina.
4. Darüber hinaus beeinflusst der Verlust von PaIap die Zusammensetzung der mitochondrialen Atmungskette und führt bei 27°C zu einer vermehrten Organisation der Komplexe in stabilere Superkomplexe. Dieser Mechanismus wird beim Wildstamm erst nach Hitzestress beobachtet, wogegen der PaIap-Deletionsstamm die Superkomplexmenge nicht mehr weiter steigern kann.
5. Die Genexpression von proteolytisch inaktiven Varianten von PaIAP (PaIAPE540Q bzw. PaIAPE540QG) kann den Phänotyp des PaIap-Deletionsstamms bei 27°C nicht komplementieren und führt ebenfalls zu einer Verlängerung der Lebensspanne von P. anserina. Dies liefert wichtige Informationen über den Mechanismus wie PaIAP die Lebensspanne von P. anserina beeinflusst, da dazu die proteolytische Aktivität von PaIAP benötigt wird.
6. Darüber hinaus zeigt die Analyse des PaIap/PaClpP-Deletionsstamms, dass sich die Mechanismen, wie PaIAP und PaCLPP die Lebensspanne von P. anserina beeinflussen, unterscheiden. Die unterschiedlichen zellulären Aufgaben werden auch bei Hitzestress deutlich, wovon der PaIap/PaClpP-Deletionsstamm noch stärker betroffen ist als durch die Deletion von PaIap bzw. PaClpP. Dies verdeutlicht, dass sich die Effekte der Deletionen der beiden Gene addieren.
Insgesamt konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass die i-AAA Protease PaIAP auch bei P. anserina wichtige zelluläre Funktionen besitzt, die sich auf den Alterungsprozess des Ascomyceten auswirken. Dabei war es möglich verschiedene neue Mechanismen zu identifizieren, wie die i-AAA Protease diese Funktionen ausübt. Dazu gehören z.B. der Einfluss der proteolytischen Aktivität auf die Lebensspanne, die durch die Abwesenheit der i-AAA Protease ausgelöste Reorganisation der Atmungskettenkomplexe in stabile Superkomplexe, und die Induktion der Hitzestressantwort durch PaIAP. Diese Befunde tragen zum besseren Verständnis der zellulären Funktion der i-AAA Protease bei und stellen einen entscheidenden Ausgangspunkt für weiterführende Analysen der bislang wenig verstandenen Aufgaben der Protease dar.
Der programmierte Zelltod (Apoptose) ist ein wichtiger Mechanismus zur Eliminierung von beschädigtem Gewebe und entarteten Zellen. Die Deregulierung der Apoptose führt zu zahlreichen Erkrankungen wie neuro-degenerativen Störungen und Krebs. Insbesondere in Tumoren wird der programmierte Zelltod mit Hilfe von hochregulierten, anti-apoptotischen Proteinen umgangen und es entstehen Resistenzen gegen Chemotherapien. Um innovative therapeutische Ansätze zu finden, wurden in diesem Projekt mit Hilfe eines Hefe-Survival-Screens neue, potentiell anti-apoptotische Proteine im Pankreaskarzinom identifiziert. Von den insgesamt 38 identifizierten Genprodukten wurden zwei für eine weiterführende Analyse ausgewählt.
Eins der näher untersuchten Proteine ist die Pyruvoyl-tetrahydrobiopterin-Synthase (PTS), ein wichtiges Enzym für die Biosynthese von Tetrahydrobiopterin (BH4). BH4 ist ein Kofaktor, der von mehreren Enzymen der Zelle für ihre Funktionen benötigt wird. In Zellkultur-Experimenten konnte gezeigt werden, dass eine Überexpression von PTS die Zellen vor Apoptose schützen kann, während eine Herunterregulation durch genetischen knockdown die Zellen gegenüber Apoptose-Stimuli sensibilisiert und ihr Wachstum beeinträchtigt. In Xenograft-Experimenten mit NOD/SCID-Mäusen konnte zudem gezeigt werden, dass Tumore mit einem PTS-Knockdown signifikant langsamer wachsen als die der Kontrollgruppe. Zusammengenommen deuten diese Ergebnisse auf eine Rolle von PTS bei der Apoptose-Regulation und beim Tumorwachstum hin, was das Protein zu einem attraktiven Target für die Krebstherapie macht.
Als zweites wurde ein Protein analysiert, das eine Untereinheit des respiratorischen Komplex I bildet: NDUFB5 (NADH-Dehydrogenase 1 beta Subcomplex, 5). Das besondere an diesem Protein sind die verschiedenen Isoformen, die durch alternatives Splicing zustandekommen. Eine Isoform, der die Exone 2 und 3 fehlen, wurde im Hefe-Survival-Screen identifiziert. Bei Überexpression in Zelllinien konnte sie im Gegensatz zum Volllänge-Protein die Apoptoserate reduzieren. Und auch Ergebnisse aus Versuchen mit Isoformen-spezifischem knockdown deuten an, dass hauptsächlich die verkürzte Isoform sNDUFB5 für die Regulation von Apoptose und Proliferation verantwortlich ist. Diese Beobachtungen konnten mit denselben Zellen im Xenograft-Tiermodell jedoch nicht bestätigt werden. Die Ursachen dafür blieben unklar. Zusätzlich wurden immunhistochemische Analysen von Pankreaskarzinomen und normalem Pankreasgewebe durchgeführt. Sie ergaben, dass die kurze Isoform sNDUFB5 im Tumor stark überexpremiert ist, während die Expression des Volllänge-Proteins in normalem und Tumorgewebe ähnlich hoch ausfällt. Dieser Befund macht NDUFB5 zu einem interessanten therapeutischen Target.
Die näher untersuchten Kandidaten-Gene zeigen beide Potential als neue Angriffspunkte für eine molekulare Krebstherapie. Andere in dem Hefe-Survival-Screen identifizierte Proteine wurden bereits als anti-apoptotisch und/oder in Krebszellen überexprimiert beschrieben. Diese Ergebnisse demonstrieren, dass ein funktionelles, Hefe-basiertes Screeningsystem geeignet ist, neue bisher unbekannte Proteine mit anti-apoptotischer Funktion zu identifizieren. Auch zeigen die Befunde, dass bereits bekannte Proteine weitere bisher unbekannte Funktionen wie z.B. die Inhibition von Apoptose aufweisen können. Basierend auf solchen mehrfachen Proteinfunktionen lassen sich weitere therapeutische Möglichkeiten ableiten.
Typ I Interferone sind bekannt für die durch sie vermittelten immunaktivierenden bzw. antiviralen Effekte. Nach ihrer Induktion, im Rahmen der angeborenen Immunantwort, vermitteln Interferone nicht nur einen systemischen anti-viralen Status, sondern können auch wichtige Effektormechanismen der adaptiven Immunität dahingehend beeinflussen, dass sie diese verstärken bzw. ermöglichen. Im Allgemeinen kann diese Eigenschaft als pro-inflammatorische Aktivität der Interferone bezeichnet werden. Allerdings gehört es ebenfalls zu den Eigenschaften der Interferone eine Verminderung der adaptiven Immunität bewirken zu können, was als anti-inflammatorische Aktivität verstanden werden kann. Insgesamt kann man die durch Interferone induzierten Effekte also als ambivalent bezeichnen.
Die Leber als Immunorgan besitzt, ähnlich wie die Interferone, eine zentrale Rolle in der Immunität und sollte in ihrer Funktion als Vermittler zwischen Immunaktivierung und Immuntoleranz nicht unterschätzt werden. Die Aufgaben der Leber können ebenfalls als ambivalent bezeichnet werden, da sie zum einen eine unnötige Aktivierung des Immunsystems verhindern muss um eine Schädigung der Leberzellen zu vermeiden (Immuntoleranz). Zum anderen muss auch in der Leber eine Immunaktivierung stattfinden können, um den Schutz vor Pathogenen zu gewährleisten.
In einem Leberschadenmodell, das künstliche Doppelstrang-RNA (poly(I:C)) zur Induktion von Typ I Interferonen verwendet, sollen im Rahmen der vorliegenden Arbeit Immunmodulationen, insbesondere in der Leber, untersucht werden. Hierbei liegt das Hauptaugenmerk auf den Interferon-vermittelten Effekten, die eine Schädigung der Leber verhindern.
Werden Interferonrezeptor-defiziente Tiere (IFNAR-/-) intraperitoneal mit poly(I:C) behandelt kann eine ausgeprägte Schädigung der Leber sowie Hepatitis in diesen Tieren beobachtet werden. Wildtyp (WT) Mäuse zeigen hingegen keinerlei Schädigungen der Leber, was für einen protektiven bzw. anti-inflammatorischen Effekt spricht, der über den IFNAR und damit über Typ I Interferone vermittelt wird. Unter Verwendung von Mäusen, die eine selektive Deletion des IFNAR auf bestimmten Immunzellen tragen (alle anderen Zellen der Maus exprimieren jedoch weiterhin den IFNAR), konnte der Immunzelltyp ermittelt werden, der beim IFNAR-vermittelten Schutz der Leber eine Schlüsselrolle übernimmt. Aus diesen Experimenten wird deutlich, dass es myeloide Zellen sind, die über den IFNAR durch Typ I Interferone stimuliert werden müssen, um im poly(I:C)-induzierten Leberschadenmodell einen Schutz der Leber zu bewirken. Ergänzend dazu konnte gezeigt werden, dass CD11b- und F4/80-doppelt positive Makrophagen nach poly(I:C)-Behandlung in die Leber von WT Mäusen infiltrieren. Zudem wurde in Experimenten mit Interferon-Reporter Mäusen deutlich, dass diese infiltrierenden Makrophagen über den IFNAR durch Typ I Interferone stimuliert sind. Nach poly(I:C)-Behandlung konnte gezeigt werden, dass Leber-infiltrierende Zellen in WT Mäusen anti-inflammatorischen Interleukin-1 Rezeptor Antagonisten (IL-1RA) sekretieren. In Abwesenheit eines funktionalen Interferonsystems hingegen (in IFNAR-/- Mäusen) konnte eine gestörte IL-1beta- und IL-1RA-Balance festgestellt werden. Für diese Zytokine, die sich gegenseitig regulieren, indem der anti-inflammatorische IL-1RA mit dem pro-inflammatorischen IL-1beta um die Bindung an den IL-1 Rezeptor konkurriert, konnte gezeigt werden, dass ihre Expression in der Leber Interferon-abhängig reguliert wird. In IFNAR-/- Mäusen und in Mäusen, deren IFNAR selektiv auf myeloiden Zellen deletiert war, konnte keine IL-1RA-Expression durch infiltrierende Zellen detektiert werden. Da in diesen Tieren nach poly(I:C)-Behandlung massive Leberschäden beobachtet wurden, kann vermutet werden, dass das Vorhandensein des anti-inflammatorischen IL-1RA unerlässlich für den Schutz der Leber ist.
Abschließend kann zusammengefasst werden, dass die Interferon-vermittelten Effekte, die eine Schädigung der Leber verhindern, zum einen auf der Stimulation und Rekrutierung von Makrophagen beruhen. Zum anderen beruhen diese Effekte auf der Induktion des anti-inflammatorischen Zytokins IL-1RA, und der dadurch blockierten Wirkung des pro-inflammatorischen IL-1beta.
Durch diese Ergebnisse werden neue Einblicke in die Interferon-vermittelte Hemmung von Virus- und Autoimmun-induzierten Erkrankungen der Leber ermöglicht. Genutzt werden könnten diese für die Optimierung IFN-basierter Therapien. Beispielsweise kann durch die gezielte Induktion anti-inflammatorischer Zytokine über IFNAR-induzierte Signalwege oder die direkte Gabe anti-inflammatorischer Zytokine (z.B. IL-1RA) eine Therapie entwickelt werden, die neben den vorteilhaften Eigenschaften der Zytokine eine verbesserte Aktivierung von Immunzellen ermöglicht.
Metabolic changes in summer active and anuric hibernating free-ranging brown bears (ursus arctos)
(2013)
The brown bear (Ursus arctos) hibernates for 5 to 6 months each winter and during this time ingests no food or water and remains anuric and inactive. Despite these extreme conditions, bears do not develop azotemia and preserve their muscle and bone strength. To date most renal studies have been limited to small numbers of bears, often in captive environments. Sixteen free-ranging bears were darted and had blood drawn both during hibernation in winter and summer. Samples were collected for measurement of creatinine and urea, markers of inflammation, the calcium-phosphate axis, and nutritional parameters including amino acids. In winter the bear serum creatinine increased 2.5 fold despite a 2-fold decrease in urea, indicating a remarkable ability to recycle urea nitrogen during hibernation. During hibernation serum calcium remained constant despite a decrease in serum phosphate and a rise in FGF23 levels. Despite prolonged inactivity and reduced renal function, inflammation does not ensue and bears seem to have enhanced antioxidant defense mechanisms during hibernation. Nutrition parameters showed high fat stores, preserved amino acids and mild hyperglycemia during hibernation. While total, essential, non-essential and branched chain amino acids concentrations do not change during hibernation anorexia, changes in individual amino acids ornithine, citrulline and arginine indicate an active, although reduced urea cycle and nitrogen recycling to proteins. Serum uric acid and serum fructose levels were elevated in summer and changes between seasons were positively correlated. Further studies to understand how bears can prevent the development of uremia despite minimal renal function during hibernation could provide new therapeutic avenues for the treatment of human kidney disease.
Unmasking a temperature-dependent effect of the P. anserina i-AAA protease on aging and development
(2011)
Different molecular pathways involved in maintaining mitochondrial function are of fundamental importance to control cellular homeostasis. Mitochondrial i-AAA protease is part of such a surveillance system, and PaIAP is the putative ortholog in the fungal aging model Podospora anserina. Here, we investigate the role of PaIAP in aging and development. Deletion of the gene encoding PaIAP resulted in a specific phenotype. When incubated at 27°C, spore germination and fruiting body formation are not different from that of the corresponding wild-type strain. Unexpectedly, the lifespan of the deletion strain is strongly increased. In contrast, cultivation at an elevated temperature of 37°C leads to impairments in spore germination and fruiting body formation and to a reduced lifespan. The higher PaIAP abundance in wild-type strains of the fungus grown at elevated temperature and the phenotype of the deletion strain unmasks a temperature-related role of the protein. The protease appears to be part of a molecular system that has evolved to allow survival under changing temperatures, as they characteristically occur in nature.
We report here the effects of temperature on the p1 neuromuscular system of the stomatogastric system of the lobster (Panulirus interruptus). Muscle force generation, in response to both the spontaneously rhythmic in vitro pyloric network neural activity and direct, controlled motor nerve stimulation, dramatically decreased as temperature increased, sufficiently that stomach movements would very unlikely be maintained at warm temperatures. However, animals fed in warm tanks showed statistically identical food digestion to those in cold tanks. Applying dopamine, a circulating hormone in crustacea, increased muscle force production at all temperatures and abolished neuromuscular system temperature dependence. Modulation may thus exist not only to increase the diversity of produced behaviors, but also to maintain individual behaviors when environmental conditions (such as temperature) vary.
Perspectives on deciphering mechanisms underlying plant heat stress response and thermotolerance
(2013)
Global warming is a major threat for agriculture and food safety and in many cases the negative effects are already apparent. The current challenge of basic and applied plant science is to decipher the molecular mechanisms of heat stress response (HSR) and thermotolerance in detail and use this information to identify genotypes that will withstand unfavorable environmental conditions. Nowadays X-omics approaches complement the findings of previous targeted studies and highlight the complexity of HSR mechanisms giving information for so far unrecognized genes, proteins and metabolites as potential key players of thermotolerance. Even more, roles of epigenetic mechanisms and the involvement of small RNAs in thermotolerance are currently emerging and thus open new directions of yet unexplored areas of plant HSR. In parallel it is emerging that although the whole plant is vulnerable to heat, specific organs are particularly sensitive to elevated temperatures. This has redirected research from the vegetative to generative tissues. The sexual reproduction phase is considered as the most sensitive to heat and specifically pollen exhibits the highest sensitivity and frequently an elevation of the temperature just a few degrees above the optimum during pollen development can have detrimental effects for crop production. Compared to our knowledge on HSR of vegetative tissues, the information on pollen is still scarce. Nowadays, several techniques for high-throughput X-omics approaches provide major tools to explore the principles of pollen HSR and thermotolerance mechanisms in specific genotypes. The collection of such information will provide an excellent support for improvement of breeding programs to facilitate the development of tolerant cultivars. The review aims at describing the current knowledge of thermotolerance mechanisms and the technical advances which will foster new insights into this process.
A range-wide synthesis and timeline for phylogeographic events in the red fox (Vulpes vulpes)
(2013)
Background: Many boreo-temperate mammals have a Pleistocene fossil record throughout Eurasia and North America, but only few have a contemporary distribution that spans this large area. Examples of Holarctic-distributed carnivores are the brown bear, grey wolf, and red fox, all three ecological generalists with large dispersal capacity and a high adaptive flexibility. While the two former have been examined extensively across their ranges, no phylogeographic study of the red fox has been conducted across its entire Holarctic range. Moreover, no study included samples from central Asia, leaving a large sampling gap in the middle of the Eurasian landmass.
Results: Here we provide the first mitochondrial DNA sequence data of red foxes from central Asia (Siberia), and new sequences from several European populations. In a range-wide synthesis of 729 red fox mitochondrial control region sequences, including 677 previously published and 52 newly obtained sequences, this manuscript describes the pattern and timing of major phylogeographic events in red foxes, using a Bayesian coalescence approach with multiple fossil tip and root calibration points. In a 335 bp alignment we found in total 175 unique haplotypes. All newly sequenced individuals belonged to the previously described Holarctic lineage. Our analyses confirmed the presence of three Nearctic- and two Japan-restricted lineages that were formed since the Mid/Late Pleistocene.
Conclusions: The phylogeographic history of red foxes is highly similar to that previously described for grey wolves and brown bears, indicating that climatic fluctuations and habitat changes since the Pleistocene had similar effects on these highly mobile generalist species. All three species originally diversified in Eurasia and later colonized North America and Japan. North American lineages persisted through the last glacial maximum south of the ice sheets, meeting more recent colonizers from Beringia during postglacial expansion into the northern Nearctic. Both brown bears and red foxes colonized Japan’s northern island Hokkaido at least three times, all lineages being most closely related to different mainland lineages. Red foxes, grey wolves, and brown bears thus represent an interesting case where species that occupy similar ecological niches also exhibit similar phylogeographic histories.
Genomic basis of ecological niche divergence among cryptic sister species of non-biting midges
(2013)
Background: There is a lack of understanding the evolutionary forces driving niche segregation of closely related organisms. In addition, pinpointing the genes driving ecological divergence is a key goal in molecular ecology. Here, larval transcriptome sequences obtained by next-generation-sequencing are used to address these issues in a morphologically cryptic sister species pair of non-biting midges (Chironomus riparius and C. piger).
Results: More than eight thousand orthologous open reading frames were screened for interspecific divergence and intraspecific polymorphisms. Despite a small mean sequence divergence of 1.53% between the sister species, 25.1% of 18,115 observed amino acid substitutions were inferred by α statistics to be driven by positive selection. Applying McDonald-Kreitman tests to 715 alignments of gene orthologues identified eleven (1.5%) genes driven by positive selection.
Conclusions: Three candidate genes were identified as potentially responsible for the observed niche segregation concerning nitrite concentration, habitat temperature and water conductivity. Additionally, signs of positive selection in the hydrogen sulfide detoxification pathway were detected, providing a new plausible hypothesis for the species’ ecological differentiation. Finally, a divergently selected, nuclear encoded mitochondrial ribosomal protein may contribute to reproductive isolation due to cytonuclear coevolution.
Background: The production of bioethanol from lignocellulose hydrolysates requires a robust, D-xylose-fermenting and inhibitor-tolerant microorganism as catalyst. The purpose of the present work was to develop such a strain from a prime industrial yeast strain, Ethanol Red, used for bioethanol production.
Results: An expression cassette containing 13 genes including Clostridium phytofermentans XylA, encoding D-xylose isomerase (XI), and enzymes of the pentose phosphate pathway was inserted in two copies in the genome of Ethanol Red. Subsequent EMS mutagenesis, genome shuffling and selection in D-xylose-enriched lignocellulose hydrolysate, followed by multiple rounds of evolutionary engineering in complex medium with D-xylose, gradually established efficient D-xylose fermentation. The best-performing strain, GS1.11-26, showed a maximum specific D-xylose consumption rate of 1.1 g/g DW/h in synthetic medium, with complete attenuation of 35 g/L D-xylose in about 17 h. In separate hydrolysis and fermentation of lignocellulose hydrolysates of Arundo donax (giant reed), spruce and a wheat straw/hay mixture, the maximum specific D-xylose consumption rate was 0.36, 0.23 and 1.1 g/g DW inoculum/h, and the final ethanol titer was 4.2, 3.9 and 5.8% (v/v), respectively. In simultaneous saccharification and fermentation of Arundo hydrolysate, GS1.11-26 produced 32% more ethanol than the parent strain Ethanol Red, due to efficient D-xylose utilization. The high D-xylose fermentation capacity was stable after extended growth in glucose. Cell extracts of strain GS1.11-26 displayed 17-fold higher XI activity compared to the parent strain, but overexpression of XI alone was not enough to establish D-xylose fermentation. The high D-xylose consumption rate was due to synergistic interaction between the high XI activity and one or more mutations in the genome. The GS1.11-26 had a partial respiratory defect causing a reduced aerobic growth rate.
Conclusions: An industrial yeast strain for bioethanol production with lignocellulose hydrolysates has been developed in the genetic background of a strain widely used for commercial bioethanol production. The strain uses glucose and D-xylose with high consumption rates and partial cofermentation in various lignocellulose hydrolysates with very high ethanol yield. The GS1.11-26 strain shows highly promising potential for further development of an all-round robust yeast strain for efficient fermentation of various lignocellulose hydrolysates.
In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass bestimmte neuronale microRNAs im Rückenmark und in den Spinalganglien konstitutiv exprimiert und nach peripherer Entzündung mit Formalin oder Zymosan differenziell reguliert werden. Bei der SNI-induzierten Neuropathie konnte indessen keine signifikante Regulation der untersuchten microRNAs nachgewiesen werden. Aufgrund der Lokalisation in den Neuronen der Schmerz-verarbeitenden Laminae I und II des Dorsalhorns des Rückenmarks und angesichts der Regulation in entzündlich stimulierten Neuronen und Mikroglia wurde der Fokus der Arbeit auf die Untersuchung von microRNA-124a gelegt. Anhand von Expressionsanalysen konnte gezeigt werden, dass eine periphere entzündliche Stimulation mit Formalin oder Zymosan microRNA-124a im Rückenmark inhibiert, die Expression pro-inflammatorischer und pro-nozizeptiver Gene hiernach ermöglicht und ein vermehrtes Schmerzverhalten bewirkt. Die funktionelle Relevanz von microRNA-124a wurde in vivo mittels intravenöser Applikation von microRNA-124a-Modulatoren bei einem Modell für entzündliche Schmerzen, dem Formalin-Modell untersucht. Dabei führte die Hemmung von microRNA-124a zu einem verstärkten Schmerzverhalten, welches mit einer Hochregulation verschiedener Entzündungsmarker einherging. Die Überexpression von microRNA-124a dagegen antagonisierte die Hochregulation entzündlicher Mediatoren und führte zu einer Schmerzhemmung. Darüber hinaus konnte in der vorliegenden Arbeit der antinozizeptive Effekt von microRNA-124a mit der Regulation der Epigenetik-regulierenden Targets MeCP2, HDAC5 und MYST2 assoziiert werden und u.a. über die Hemmung des neuromodulierenden, pro-inflammatorischen Peptids BDNF verifiziert werden. Die spezielle Darreichung von microRNA-124a könnte demzufolge einen vielversprechenden Ansatz zur Therapie chronisch-entzündlicher Schmerzen liefern. Zukünftig werden weitere Studien notwendig sein um die eindeutige Funktion, die individuelle Wirkung sowie die therapeutische Relevanz von microRNA-124a zu analysieren. Darüber hinaus müssten Dosis-Wirkungs-Beziehungen und Nebenwirkungsprofile für microRNA-124a erstellt werden, um potenzielle Risiken, Chancen und Vorteile der microRNA-Modulation hinsichtlich einer humanen Schmerztherapie bewerten zu können.
Functional modules of metabolic networks are essential for understanding the metabolism of an organism as a whole. With the vast amount of experimental data and the construction of complex and large-scale, often genome-wide, models, the computer-aided identification of functional modules becomes more and more important. Since steady states play a key role in biology, many methods have been developed in that context, for example, elementary flux modes, extreme pathways, transition invariants and place invariants. Metabolic networks can be studied also from the point of view of graph theory, and algorithms for graph decomposition have been applied for the identification of functional modules. A prominent and currently intensively discussed field of methods in graph theory addresses the Q-modularity. In this paper, we recall known concepts of module detection based on the steady-state assumption, focusing on transition-invariants (elementary modes) and their computation as minimal solutions of systems of Diophantine equations. We present the Fourier-Motzkin algorithm in detail. Afterwards, we introduce the Q-modularity as an example for a useful non-steady-state method and its application to metabolic networks. To illustrate and discuss the concepts of invariants and Q-modularity, we apply a part of the central carbon metabolism in potato tubers (Solanum tuberosum) as running example. The intention of the paper is to give a compact presentation of known steady-state concepts from a graph-theoretical viewpoint in the context of network decomposition and reduction and to introduce the application of Q-modularity to metabolic Petri net models.
Finding motifs in biological, social, technological, and other types of networks has become a widespread method to gain more knowledge about these networks’ structure and function. However, this task is very computationally demanding, because it is highly associated with the graph isomorphism which is an NP problem (not known to belong to P or NP-complete subsets yet). Accordingly, this research is endeavoring to decrease the need to call NAUTY isomorphism detection method, which is the most time-consuming step in many existing algorithms. The work provides an extremely fast motif detection algorithm called QuateXelero, which has a Quaternary Tree data structure in the heart. The proposed algorithm is based on the well-known ESU (FANMOD) motif detection algorithm. The results of experiments on some standard model networks approve the overal superiority of the proposed algorithm, namely QuateXelero, compared with two of the fastest existing algorithms, G-Tries and Kavosh. QuateXelero is especially fastest in constructing the central data structure of the algorithm from scratch based on the input network.
During gastrulation in the mouse embryo, dynamic cell movements including epiblast invagination and mesodermal layer expansion lead to the establishment of the three-layered body plan. The precise details of these movements, however, are sometimes elusive, because of the limitations in live imaging. To overcome this problem, we developed techniques to enable observation of living mouse embryos with digital scanned light sheet microscope (DSLM). The achieved deep and high time-resolution images of GFP-expressing nuclei and following 3D tracking analysis revealed the following findings: (i) Interkinetic nuclear migration (INM) occurs in the epiblast at embryonic day (E)6 and 6.5. (ii) INM-like migration occurs in the E5.5 embryo, when the epiblast is a monolayer and not yet pseudostratified. (iii) Primary driving force for INM at E6.5 is not pressure from neighboring nuclei. (iv) Mesodermal cells migrate not as a sheet but as individual cells without coordination.
Metastasic breast cancer is the leading cause of death by malignancy in women worldwide. Tumor metastasis is a multistep process encompassing local invasion of cancer cells at primary tumor site, intravasation into the blood vessel, survival in systemic circulation, and extravasation across the endothelium to metastasize at a secondary site. However, only a small percentage of circulating cancer cells initiate metastatic colonies. This fact, together with the inaccessibility and structural complexity of target tissues has hampered the study of the later steps in cancer metastasis. In addition, most data are derived from in vivo models where critical steps such as intravasation/extravasation of human cancer cells are mediated by murine endothelial cells. Here, we developed a new mouse model to study the molecular and cellular mechanisms underlying late steps of the metastatic cascade. We have shown that a network of functional human blood vessels can be formed by co-implantation of human endothelial cells and mesenchymal cells, embedded within a reconstituted basement membrane-like matrix and inoculated subcutaneously into immunodeficient mice. The ability of circulating cancer cells to colonize these human vascularized organoids was next assessed in an orthotopic model of human breast cancer by bioluminescent imaging, molecular techniques and immunohistological analysis. We demonstrate that disseminated human breast cancer cells efficiently colonize organoids containing a functional microvessel network composed of human endothelial cells, connected to the mouse circulatory system. Human breast cancer cells could be clearly detected at different stages of the metastatic process: initial arrest in the human microvasculature, extravasation, and growth into avascular micrometastases. This new mouse model may help us to map the extravasation process with unprecedented detail, opening the way for the identification of relevant targets for therapeutic intervention.
A new type of Na+-driven ATP synthase membrane rotor with a two-carboxylate ion-coupling motif
(2013)
Abstract: The anaerobic bacterium Fusobacterium nucleatum uses glutamate decarboxylation to generate a transmembrane gradient of Na+. Here, we demonstrate that this ion-motive force is directly coupled to ATP synthesis, via an F1Fo-ATP synthase with a novel Na+ recognition motif, shared by other human pathogens. Molecular modeling and free-energy simulations of the rotary element of the enzyme, the c-ring, indicate Na+ specificity in physiological settings. Consistently, activity measurements showed Na+ stimulation of the enzyme, either membrane-embedded or isolated, and ATP synthesis was sensitive to the Na+ ionophore monensin. Furthermore, Na+ has a protective effect against inhibitors targeting the ion-binding sites, both in the complete ATP synthase and the isolated c-ring. Definitive evidence of Na+ coupling is provided by two identical crystal structures of the c11 ring, solved by X-ray crystallography at 2.2 and 2.6 Å resolution, at pH 5.3 and 8.7, respectively. Na+ ions occupy all binding sites, each coordinated by four amino acids and a water molecule. Intriguingly, two carboxylates instead of one mediate ion binding. Simulations and experiments demonstrate that this motif implies that a proton is concurrently bound to all sites, although Na+ alone drives the rotary mechanism. The structure thus reveals a new mode of ion coupling in ATP synthases and provides a basis for drug-design efforts against this opportunistic pathogen.
Author Summary: Essential cellular processes such as biosynthesis, transport, and motility are sustained by the energy released in the hydrolysis of ATP, the universal energy carrier in living cells. Most ATP in the cell is produced by a membrane-bound enzyme, the ATP synthase, through a rotary mechanism that is coupled to the translocation of ions across the membrane. The majority of ATP synthases are energized by transmembrane electrochemical gradients of protons (proton-motive force), but a number of organisms, including some important human pathogens, use gradients of sodium ions instead (sodium-motive force). The ion specificity of ATP synthases is determined by a membrane-embedded sub-complex, the c-ring, which is the smallest known biological rotor. The functional mechanism of the rotor ring and its variations among different organisms are of wide interest, because of this enzyme's impact on metabolism and disease, and because of its potential for nanotechnology applications. Here, we characterize a previously unrecognized type of Na+-driven ATP synthase from the opportunistic human pathogen Fusobacterium nucleatum, which is implicated in periodontal diseases. We analyzed this ATP synthase and its rotor ring through a multi-disciplinary approach, combining cell-growth and biochemical assays, X-ray crystallography and computer-simulation methods. Two crystal structures of the membrane rotor were solved, at low and high pH, revealing an atypical ion-recognition motif mediated by two carboxylate side-chains. This motif is shared by other human pathogens, such as Mycobacterium tuberculosis or Streptococcus pneumonia, whose ATP synthases are targets of novel antibiotic drugs. The implications of this ion-recognition mode on the mechanism of the ATP synthase and the cellular bioenergetics of F. nucleatum were thus examined. Our results provide the basis for future pharmacological efforts against this important pathogen.
Es gibt viele Theorien, die sich mit der Auswirkung einer zunehmenden carnivoren Ernährung von Homininen auf Carnivorengilden beschäftigen. Aussterbeereignisse in der Carnivorengilde werden oft mit carnivoren Homininen in Verbindung gebracht. Um zu prüfen, ob solche Theorien überhaupt zutreffen, benötigt man zunächst ein Modell, das Effekte von Konkurrenzbeziehungen innerhalb von Carnivorengilden quantifiziert darstellt.
In dieser Arbeit ist daher ein Modell entwickelt worden, das die Konkurrenz um Beute innerhalb einer Carnivorengilde darstellt und ermöglicht Veränderungen durch das Eintreten neuer Mitglieder in die Gilde zu modellieren. Dieses Modell wurde zur Analyse der rezenten Großcarnivorengilden der Serengeti, des Krüger-National-Parks und des Bandipur-Biosphärenreservat verwendet. Ebenso ist es zur Analyse pleistozäner Großcarnivorengilden Javas eingesetzt worden.
In dem Modell wird die verfügbare Beutemasse als limitierende Ressource für die Carnivorengilde betrachtet. Im ersten Schritt wird die Beute kategorisiert – in dieser Arbeit nach ihrer Körpermasse – und geprüft, welche Mitglieder dieselben Beutekategorien nutzen und welche für sie essentiell sind. Im zweiten Schritt wird die konkurrenzfreie Kapazität der Gildenmitglieder berechnet. Hierzu wird die für die gesamte Gilde verfügbare Beutemasse unter der Annahme verwendet, sie stehe einem Gildenmitglied allein zur Verfügung. Die konkurrenzfreie Kapazität ist daher die Populationsgröße, die ein Gildenmitglied mit dieser Beutemasse erreichen kann und stellt einen Referenzwert dar. Basierend auf diesem Referenzwert und der tatsächlichen Populationsgröße kann nun berechnet werden, zu welchem Anteil ein Mitglied diese Kapazität ausschöpft. Ist der Konsum an Beutemasse der übrigen Mitglieder in den essentiellen Beutekategorien bekannt, kann berechnet werden, zu welchem Anteil ein Mitglied durch ein anderes Mitglied von dieser Kapazität verliert. Dieser Verlust an Kapazität wird als Konkurrenzeffekt bezeichnet.
Dieses Modell ist sowohl auf rezente als auch fossile Gilden anwendbar. Um mit dem Modell die Konkurrenzeffekte zu berechnen, werden die Häufigkeit bzw. Populationsgröße, das Beutemassenspektrum sowie der tägliche Bedarf an Beutemasse benötigt.
Diese Größen können bei der Strukturanalyse von rezenten Gilden aus Freilandstudien entnommen werden. Im Falle fossiler Gilden müssen diese Größen erst rekonstruiert werden. Dafür sind in dieser Arbeit vorhandene Rekonstruktionsmethoden ergänzt, aber auch entwickelt worden, mit denen man basierend auf der Körpermasse fossiler Carnivora die benötigten Parameter rekonstruieren kann. Hierzu sind verschiedene Regressionen berechnet worden, die einen Zusammenhang zwischen verschiedenen Zahnparametern und der Körpermasse darstellen. Weiterhin sind Muster der Beutemassenspektren rezenter Carnivora untersucht worden und Regressionen berechnet worden, die zur Rekonstruktion der mittleren Beutemasse eines Carnivoren verwendet werden.
Die benötigten Daten der javanischen Gilden werden mit den eben genannten Regressionen rekonstruiert. Anschließend wird eine Strukturanalyse der genannten rezenten und fossilen Großcarnivorengilden durchgeführt.
Bei den drei rezenten Gilden ist eine generelle sich wiederholende Struktur erkennbar. Die erfolgreichsten Mitglieder schöpfen ihre Kapazität zu ca. 60 % aus und verfolgen eine soziale Lebensweise.
Dennoch werden die erfolgreichsten Mitglieder der Gilden von unterschiedlichen Arten repräsentiert. So sind dies der Löwe im Krüger-Nationalpark, die Tüpfelhyäne in der Serengeti oder der Rothund in Bandipur.
Bei den fossilen Gilden war diese Struktur allerdings nicht erkennbar. Hier schöpft der Tiger seine Kapazität in allen Gilden am stärksten aus und hat extrem hohe Konkurrenzeffekte (bis zu ca. 98 %) auf die übrigen Gildenmitglieder.
Diese Unterschiede können mit Isolationsbedingungen Javas als Insel zusammenhängen, die sich grundsätzlich auf Strukturen der Säugergemeinschaften auswirken.
Vermutlich konnte der Tiger durch Veränderungen der Körpermasse seine konkurrenzstarke Position in der Großcarnivorengilde Javas halten.
Das entwickelte Modell ermöglicht auch eine Modellierung von Szenarien, die verschiedene Möglichkeiten berücksichtigt. Diese sind vor allem Veränderungen der Populationsgrößen, aber auch Veränderungen der Körpermasse und daraus resultierende Verschiebungen der Beutemassenspektren.
In Beispielen der Trinil-Gilde wird gezeigt, dass die Rolle eines hyper- bzw. hypocarnivoren Homo erectus in der Gilde mit dem entwickelten Modell dargestellt werden kann. Auch lassen sich Szenarien modellieren, in denen ein hyper- bzw. hypocarnivorer Homo erectus in die Gilde eindringt und so die übrigen Mitglieder von bei ihrer Kapazitätsausschöpfung Einbuße hinnehmen müssen.
In dem Szenarium von Trinil wird erkennbar, dass nur ein hypercarnivorer Homo erectus einen starken Effekt auf die Gildenmitglieder hatte. Geht man von einem omnivoren Homo erectus aus, ist der Konkurrenzeffekt geringer und es sind keine Aussterbeereignisse zu erwarten.
Das Modell kann in weiteren Studien zur Testung von Hypothesen zu Aussterbeereignissen Aufklärung bieten. Durch Einbeziehung weiterer Faktoren wie Kleptoparasitismus und interspezifische Tötungen kann es noch erweitert werden. Auch eine Dynamisierung des Modells, die eine kontinuierlich zeitliche Veränderung der Gilden modellieren kann, ist in zukünftigen Studien möglich.
Mitochondrial cristae morphology is highly variable and altered under numerous pathological conditions. The protein complexes involved are largely unknown or only insufficiently characterized. Using complexome profiling we identified apolipoprotein O (APOO) and apolipoprotein O-like protein (APOOL) as putative components of the Mitofilin/MINOS protein complex which was recently implicated in determining cristae morphology. We show that APOOL is a mitochondrial membrane protein facing the intermembrane space. It specifically binds to cardiolipin in vitro but not to the precursor lipid phosphatidylglycerol. Overexpression of APOOL led to fragmentation of mitochondria, a reduced basal oxygen consumption rate, and altered cristae morphology. Downregulation of APOOL impaired mitochondrial respiration and caused major alterations in cristae morphology. We further show that APOOL physically interacts with several subunits of the MINOS complex, namely Mitofilin, MINOS1, and SAMM50. We conclude that APOOL is a cardiolipin-binding component of the Mitofilin/MINOS protein complex determining cristae morphology in mammalian mitochondria. Our findings further assign an intracellular role to a member of the apolipoprotein family in mammals.
Early otic development depends on autophagy for apoptotic cell clearance and neural differentiation
(2012)
Autophagy is a highly regulated program of self-degradation of the cytosolic constituents that has key roles during early development and in adult cell growth and homeostasis. To investigate the role of autophagy in otic neurogenesis, we studied the expression of autophagy genes in early stages of chicken (Gallus gallus) inner ear development and the consequences of inhibiting the autophagic pathway in organotypic cultures of explanted chicken otic vesicles (OVs). Here we show the expression of autophagy-related genes (Atg) Beclin-1 (Atg6), Atg5 and LC3B (Atg8) in the otocyst and the presence of autophagic vesicles by using transmission electron microscopy in the otic neurogenic zone. The inhibition of the transcription of LC3B by using antisense morpholinos and of class III phosphatidylinositol 3-kinase with 3-methyladenine causes an aberrant morphology of the OV with accumulation of apoptotic cells. Moreover, inhibition of autophagy provokes the misregulation of the cell cycle in the otic epithelium, impaired neurogenesis and poor axonal outgrowth. Finally, our results indicate that autophagy provides the energy required for the clearing of neuroepithelial dying cells and suggest that it is required for the migration of otic neuronal precursors. Taken together, our results show for the first time that autophagy is an active and essential process during early inner ear development.
Background: Early inner ear development requires the strict regulation of cell proliferation, survival, migration and differentiation, coordinated by the concerted action of extrinsic and intrinsic factors. Deregulation of these processes is associated with embryonic malformations and deafness. We have shown that insulin-like growth factor I (IGF-I) plays a key role in embryonic and postnatal otic development by triggering the activation of intracellular lipid and protein kinases. RAF kinases are serine/threonine kinases that regulate the highly conserved RAS-RAF-MEK-ERK signaling cascade involved in transducing the signals from extracellular growth factors to the nucleus. However, the regulation of RAF kinase activity by growth factors during development is complex and still not fully understood.
Methodology/Principal Findings: By using a combination of qRT-PCR, Western blotting, immunohistochemistry and in situ hybridization, we show that C-RAF and B-RAF are expressed during the early development of the chicken inner ear in specific spatiotemporal patterns. Moreover, later in development B-RAF expression is associated to hair cells in the sensory patches. Experiments in ex vivo cultures of otic vesicle explants demonstrate that the influence of IGF-I on proliferation but not survival depends on RAF kinase activating the MEK-ERK phosphorylation cascade. With the specific RAF inhibitor Sorafenib, we show that blocking RAF activity in organotypic cultures increases apoptosis and diminishes the rate of cell proliferation in the otic epithelia, as well as severely impairing neurogenesis of the acoustic-vestibular ganglion (AVG) and neuron maturation.
Conclusions/Significance: We conclude that RAF kinase activity is essential to establish the balance between cell proliferation and death in neuroepithelial otic precursors, and for otic neuron differentiation and axonal growth at the AVG.
Background: Otic neurons and sensory cells derive from common progenitors whose transition into mature cells requires the coordination of cell survival, proliferation and differentiation programmes. Neurotrophic support and survival of post-mitotic otic neurons have been intensively studied, but the bases underlying the regulation of programmed cell death in immature proliferative otic neuroblasts remains poorly understood. The protein kinase AKT acts as a node, playing a critical role in controlling cell survival and cell cycle progression. AKT is activated by trophic factors, including insulin-like growth factor I (IGF-I), through the generation of the lipidic second messenger phosphatidylinositol 3-phosphate by phosphatidylinositol 3-kinase (PI3K). Here we have investigated the role of IGF-dependent activation of the PI3K-AKT pathway in maintenance of otic neuroblasts.
Methodology/Principal Findings: By using a combination of organotypic cultures of chicken (Gallus gallus) otic vesicles and acoustic-vestibular ganglia, Western blotting, immunohistochemistry and in situ hybridization, we show that IGF-I-activation of AKT protects neural progenitors from programmed cell death. IGF-I maintains otic neuroblasts in an undifferentiated and proliferative state, which is characterised by the upregulation of the forkhead box M1 (FoxM1) transcription factor. By contrast, our results indicate that post-mitotic p27Kip-positive neurons become IGF-I independent as they extend their neuronal processes. Neurons gradually reduce their expression of the Igf1r, while they increase that of the neurotrophin receptor, TrkC.
Conclusions/Significance: Proliferative otic neuroblasts are dependent on the activation of the PI3K-AKT pathway by IGF-I for survival during the otic neuronal progenitor phase of early inner ear development.
Autophagy is an evolutionarily conserved catabolic process by which cells degrade their own components through the lysosomal machinery. In physiological conditions, the mechanism is tightly regulated and contributes to maintain a balance between synthesis and degradation in cells undergoing intense metabolic activities. Autophagy is associated with major tissue remodeling processes occurring through the embryonic, fetal and early postnatal periods of vertebrates. Here we survey current information implicating autophagy in cellular death, proliferation or differentiation in developing vertebrates. In developing systems, activation of the autophagic machinery could promote different outcomes depending on the cellular context. Autophagy is thus an extraordinary tool for the developing organs and tissues.
The capability of osmoadaptation is a prerequisite of organisms that live in an environment with changing salinities. Halobacillus halophilus is a moderately halophilic bacterium that grows between 0.4 and 3 M NaCl by accumulating both chloride and compatible solutes as osmolytes. Chloride is absolutely essential for growth and, moreover, was shown to modulate gene expression and activity of enzymes involved in osmoadaptation. The synthesis of different compatible solutes is strictly salinity- and growth phase-dependent. This unique hybrid strategy of H. halophilus will be reviewed here taking into account the recently published genome sequence. Based on identified genes we will speculate about possible scenarios of the synthesis of compatible solutes and the uptake of potassium ion which would complete our knowledge of the fine-tuned osmoregulation and intracellular osmolyte balance in H. halophilus.
Climate and subsequent environmental changes are regarded as one driver of species evolution. Against this background the present study investigates the evolutionary history of the mammalian family Bovidae (Cetartiodactyla, Mammalia), today the most species-rich family of large herbivores on the African continent. Temporal and spatial patterns in that group’s evolution are the focus of the present study and were investigated using methods and data deriving from multiple disciplines (palaeontology, genetics, climatology, conservation biology). The results serve as a validation of macroevolutionary hypotheses of species evolution.
A major proportion of African mammalian fossils can be assigned to that family. Due to their morphological adaptations, bovid species are highly indicative of their habitats. Hence, bovids are of great importance for paleontology. However, a strong taphonomic bias is present in the fossil record of bovids, favoring large and arid- adapted species. Molecular phylogenies of extant species and species distribution modelling combined with climate reconstructions can help to overcome these limitations.
A molecular phylogeny, based on the cytochrome b gene of 136 bovid species served as basis for analysis of temporal patterns. Divergence events were dated using the relaxed molecular clock approach. The tree was time calibrated at 30 nodes using information inferred from the fossil record. Lineage-Through-Time plots and the respective statistical analyses reveal detailed temporal patterns in the evolutionary history of tribes and groups combining arid- and humid-adapted tribes. The resulting pattern shows three distinct phases. Phase 1 (P1) is dominated by speciation events within the humid group, while the second phase (P2) is marked by a dominance of speciation within the arid group. The switch in diversification rates (BDS) from P1 to P2 is dated to 2.8 million years ago. The third phase (P3) shows low diversification rates for all groups, starting around 1.4 million year ago and culminates in a significantly reduced diversification rate for the complete family at 0.8 million years ago. Both transitions are contemporaneous with global climate changes and turnover events in fossil faunal communities.
To investigate the impact of climate changes onto the habitat availability within the last 3 million years and its putative influence on diversification rates, the species distribution modeling method was applied. For 85 African species and subspecies the climate niches were established and grouped into 5 climate-groups based on their climate preferences. For each group the available habitat for the period before and after the BDS was calculated on continental scale using reconstructed climate scenarios. To evaluate the modeled habitat distributions, regional analyses were performed in test areas surrounding well studied fossil sites (Laetoli, Olduvai, Chiwondo Beds, Lothagam, Koobi Fora, West Turkana, Swartkrans, Sterkfontain und Toros-Menalla). Habitat profiles (HP) permitted the comparison of the model based habitat reconstruction with the interpretations of classic paleontological reconstruction. The validity of the habitat modeling has been shown in particular for East African test areas. The reconstructions for the northern and southern fossil sites does not support the modeled habitats in these areas. Yet, the method of habitat- profiling may serve as suitable tool for environmental reconstruction of areas lacking sufficient paleontological material. A comparison of habitat availability before and after the BDS on continental scale identified a significant loss of habitat for humid adapted groups (7-22%) and habitat gain for arid adapted groups (19-173%). The climatically intermediate group experiences a tremendous gain of habitat (3366%). The greatest environmental change was modeled for East Africa, initiated by a progressive regional aridification.
In addition to the distribution modeling for past climate conditions, the geographical distribution was modeled for the future, i.e. for climate scenarios representing the years 2050 and 2080 under a putative climate change scenario (global surface warming). It was shown that in particular the arid groups have to expect a remarkable loss of habitat (41-76%), while a gain of available habitat can be expected for the humid adapted groups (114-577%). The climatically intermediate group suffers the strongest habitat loss (85%). Regions with locally stable climate conditions were detected and may serve as potential refugia and are already today known as Africa’s hot spots of biodiversity.
The results show a positive correlation of high diversification rates and increasing habitat availability. None of the tested speciation hypotheses taken alone explains the observations (e.g., Turnover-pulse Hypothesis, Relay Model). A major element in these hypotheses is the passive fragmentation of populations induced by unfavorable climate changes. In contrast, the Periodic Model (Grubb 1999) considers natural, periodically recurring climate changes and moreover, the active dispersal of individuals and resulting founder events. I added the effect of a superimposed directed climate trend – like the progressive aridification since the late Pliocene in Africa – which leads to a bias in the proportion and probability towards leading edge effects. This Directed Periodic Model explains the patterns found in the evolution of Bovidae.
The combination of a molecular phylogeny and species distribution modeling, together with information inferred from the fossil record, reveals remarkable temporal and spatial patterns in the evolution of bovids, and helps overcome the limitations of the fossil record. The present study highlights the importance of active dispersal and founder populations in speciation processes. A point widely unattended in speciation hypotheses. The fully dated molecular phylogeny is the most densely sampled tree for the family Bovidae to date and may serve as a framework for a connection of present and future population studies, permitting the connection of medium-scale with long- term effects induced by climate and environmental changes.
Introduction: The involvement of platelets in various diseases has been increasingly recognized in the recent decades. This contribution is believed to involve platelet secretion and formation of reactive microparticles. Platelets contain two functionally important forms of vesicles, alpha and dense granules, which are secreted upon activation of platelets. Alpha granules incorporate larger molecules such as adhesive proteins, e.g. P-selectin, vWF and fibrinogen; chemokines like PF4 and RANTES and growth hormones like VEGF and PDGF are among the most important proteins attributed to the involvement of platelets in pathological conditions. In contrast, dense granules contain small molecules like ADP, ATP, serotonin and histamine, and they are more rapidly and completely secreted than alpha granules. Like in all secreting cells, regulated exocytosis in platelets is mediated by “zippering” of three different classes of SNARE proteins. The subtypes of these proteins found to be involved in platelet secretion are SNAP-23, syntaxin-2 and -4 and VAMP-3 and -8. Apart from SNARE proteins, other conserved proteins influencing exocytosis by e.g. acting on SNARE proteins have been described, one of the most important ones being Munc13. Platelets contribute to the progression of atherosclerosis by local deposition of inflammatory mediators like PF4, RANTES and CD40L, which leads to enhanced leukocyte recruitment and plaque formation. In 1865, Armand Trousseau first described the correlation between cancer and thrombotic events. Since the 1960s, an increasing number of studies have found an involvement of platelets also in the progression of cancer, especially in the formation of metastases. Platelets bind to circulating tumor cells and may shield them from NK cell attacks and shear stress. Platelets may also facilitate the interaction of tumor cells with other cell types and the vessel wall. Lastly, they may secrete molecules that influence the tumor cell phenotype and invasiveness.
Aims of this study: We sought to generate and describe genetically modified mouse lines with defective platelet secretion and to employ these mouse lines in murine models of atherosclerosis and tumor progression to study the role of platelet secretion under pathological in vivo conditions.
Results: Clostridial toxins cleave members of the SNARE protein family and can thus completely block exocytosis of neuronal and other cells. We generated three transgenic mouse lines expressing tetanus, botulinum-E or -C light chains and two transgenic mouse lines with dominant-negative mutations of SNAP-23 under the control of the platelet-specific PF4 promotor. None of these constructs was able to interfere with platelet secretion despite expression of the transgene. A functional null mutant of the only Munc13 isoform expressed in platelets, Munc13-4, showed complete lack of dense granule secretion, measured by ATP release, while alpha granule release as determined by PF4 and vWF secretion, was unaltered. Morphology, composition and adhesion of these platelets were also normal. Aggregation in response to U46619 and collagen and formation of large aggregates in flow chamber assays was attenuated. Munc13-4-deficient mice showed a severe defect in bleeding time and no formation of stable aggregates in FeCl3 thrombosis model. In response to B16 melanoma and LLC1 carcinoma cells, Munc13-4 KO platelets also showed complete abrogation of dense granule secretion, whereas alpha granule secretion and binding of platelets to tumor cells was unchanged. Interestingly, wild-type platelets, but not Munc13-4 KO platelets, enhanced transmigration of B16 and LLC1 cells through an endothelial cell layer. Exogenous ATP was able to mimic the effect of wild-type platelets and the ATP-degrading enzyme apyrase blocked platelet-mediated tumor cell transmigration. Platelets incubated with tumor cells secreted large amounts of ATP. Murine endothelial cells showed perturbed adherens junctions identified by irregular VE-cadherin staining and gap formation when incubated with supernatants from tumor cell-activated platelets as well as increased permeability under the same conditions. Addition of apyrase preserved normal endothelial morphology and function. In vivo, primary tumor growth and weight was comparable in wild-type and Munc13-4 KO mice upon B16 or LLC1 flank injection but formation of lung metastases was strongly reduced. Number, but not size of metastases was also reduced upon i.v. injection of B16 and LLC1 cells. We found P2Y2 and P2X4 receptors to be the most abundantly expressed endothelial metabotropic and ionotropic ATP receptors, respectively. Neither knock-down nor inhibition of P2X4 in endothelial cells influenced platelet-mediated transendothelial migration of B16 cells, but knock-down of P2Y2, for which no specific antagonist is available, strongly reduced plateletdependent tumor cell transmigration. When B16 melanoma cells were injected i.v. shortly after FITC-dextran (70 kDa) into wild-type mice, prominent leakage of FITC-dextran was observed three hours post-injection at extraluminal sites in the lung. In contrast, leakage into the lung parenchyma was at basal levels in Munc13-4 KO and P2Y2 KO mice after B16 cell injection. Marginal vascular leakage in Munc13-4 KO mice lacking platelet ATP secretion and in P2Y2 KO mice lacking the main endothelial ATP receptor correlated with strongly reduced extravasation of CFSE-labeled B16 melanoma cells 6 hours post-injection in these mice. Consistently, P2Y2 KO mice showed strongly reduced formation of metastases in the lung after i.v. injection of B16 or LLC1 tumor cells. Bone marrow-transplanted LDLR KO mice reconstituted with Munc13-4-deficient or wildtype bone marrow and subjected to 16 weeks of high fat diet showed no significant difference in atherosclerotic plaque formation in the aorta.
Discussion: We hereby provide a thorough analysis of a mouse line with an exclusive defect in platelet dense granule secretion, thus representing a unique genetic tool to study the role of dense granule secretion in various contexts without interfering with other platelet functions. We also provide evidence how extravasation of circulating tumor cells is facilitated by tumor cell-induced ATP release from platelets. This ATP release destabilizes endothelial barriers and facilitates tumor cell extravasation and formation of metastases in the target organ. Since metastasis is the leading cause of cancer death, pharmacological interference with endothelial P2Y2 receptor function may represent a promising therapeutic strategy.
Untersuchungen zur Bedeutung von Superoxid-Dismutasen für die Alterung von Podospora anserina
(2012)
Im Rahmen dieser vorliegenden Doktorarbeit sollte die Bedeutung von Superoxid-Dismutasen für das Resistenzverhalten und den Alterungsprozess bei P. anserina untersucht werden. Folgende Befunde aus den Analysen konnten erhalten werden:
1. Lokalisationsstudien der drei PaSods: Aus den biochemischen und fluoreszenzmikroskopischen Untersuchungen der drei verschiedenen PaSODs geht hervor, dass PaSOD1, eine Cu/ZnSOD, überwiegend im Cytosol und zu einem geringen Anteil im mitochondrialen Intermembranraum lokalisiert ist. Eine der beiden MnSODs, PaSOD2, wird vermutlich zur Abwehr von exogenem Superoxid sekretiert. Bei PaSOD3 handelt es sich um eine mitochondriale MnSOD.
2. Generierung von verschiedenen PaSod-Mutanten: Im Rahmen dieser Arbeit wurden von jeder PaSod mindestens drei unabhängige Überexpressionsstämme, ein GFP-Stamm- und ein Deletionsstamm hergestellt. Weiterhin wurden alle möglichen Doppel-Deletionsstämme und die Dreifach-Deletionsmutante erzeugt. Alle Stämme wurden auf DNA-Ebene verifiziert, zusätzlich wurde die Proteinmenge bzw. –Aktivität überprüft.
3. Einfluss der PaSODs auf die ROS-Toleranz: Die Analysen der ROS-Resistenzen haben gezeigt, dass PaSODs eine wichtige Rolle in der Entgiftung von Superoxiden spielt. So ließ sich bei den Deletionsstämmen der PaSods eine gesteigerte Sensitivität gegenüber Paraquat feststellen. Eine Aufsummierung der Sensitivität gegenüber Paraquat ist bei der PaSod-Tripelmutante (ΔPaSod1/2/3) zu erkennen.
Überraschenderweise kann durch die gesteigerten Mengen an aktiver PaSOD in den Überexpressionsstämmen (PaSod1-3_OEx) keine verbesserte Resistenz gegenüber Paraquat erzielt werden. Darüber hinaus führt die Überexpression des Gens für die mitochondriale SOD, PaSOD3, zu massiven negativen Effekten.
4. Einfluss auf die Lebensspanne: Durch eine fehlende Entgiftung von Superoxid in den PaSod-Deletionsmutanten ist eine Verminderung der Lebensspanne nicht festzustellen. Bei PaSod-Mutantenstämme, die eine erhöhte PaSOD-Aktivität und damit eine gesteigerte Abbaurate des Superoxids aufweisen, kann bei den PaSod1- und PaSod2-Überexpressionsstämmen keine verbesserte Lebensspanne unter den gewählten Standardbedingungen erzielt werden. Vielmehr noch ist die Lebensspanne der PaSod3-Überexpressionsstämme stark reduziert.
5. Einfluss der PaSod-Modulation auf andere Komponenten des ROS-Abbausystems: Die PaSOD-Aktivitäten scheinen miteinander co-reguliert zu werden. Des Weiteren scheint es ein Zusammenhang zwischen den beiden sekretierten Enzymen PaSOD2 und PaCATB zu geben. Deutlich wird auch, dass die Modulation der Superoxid-Dismutasen eine weitreichende Auswirkung auf andere Schutzsysteme hat. Beispielweise konnte gezeigt werden, dass Komponenten des mitochondrialen ROS-Schutzsystems und der Protein-Qualitätskontrolle in den PaSod3-Überexpressionsstämmen verändert sind.
Zusammenfassend lassen die Analysen der PaSod-modulierten Stämme den Schluss zu, dass die Superoxid-Dismutase in P. anserina ein wichtiges Enzym zum Abbau des schädlichen Superoxids darstellt, welches aber nur eine untergeordnete Rolle bei der Kontrolle der Lebensspanne unter den gewählten Wachstumsbedingungen im Labor ausübt. Des Weiteren haben die Analysen gezeigt, dass es durch die Modulation der PaSod-Gene zu weitreichenden Änderungen, die das ROS-Schutzsystem (PaSOD, PaCATB und PaPRX1) sowie die Protein-Qualitätskontrolle (PaHSP60, PaLON und PaCLPP) betreffen, kommt. Welche Auswirkung dabei diese Veränderungen in Bezug auf die Lebensspanne hat, kann nur schwer abgeschätzt werden und muss mit weiteren Untersuchungen geklärt werden.