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Transcriptional basis for differential thermosensitivity of seedlings of various tomato genotypes
(2020)
Transcriptional reprograming after the exposure of plants to elevated temperatures is a hallmark of stress response which is required for the manifestation of thermotolerance. Central transcription factors regulate the stress survival and recovery mechanisms and many of the core responses controlled by these factors are well described. In turn, pathways and specific genes contributing to variations in the thermotolerance capacity even among closely related plant genotypes are not well defined. A seedling-based assay was developed to directly compare the growth and transcriptome response to heat stress in four tomato genotypes with contrasting thermotolerance. The conserved and the genotype-specific alterations of mRNA abundance in response to heat stress were monitored after exposure to three different temperatures. The transcripts of the majority of genes behave similarly in all genotypes, including the majority of heat stress transcription factors and heat shock proteins, but also genes involved in photosynthesis and mitochondrial ATP production. In turn, genes involved in hormone and RNA-based regulation, such as auxin- and ethylene-related genes, or transcription factors like HsfA6b, show a differential regulation that associates with the thermotolerance pattern. Our results provide an inventory of genes likely involved in core and genotype-dependent heat stress response mechanisms with putative role in thermotolerance in tomato seedlings.
Background: Enterovirus 71 (EV71) is one of the major causative agents of hand, foot, and mouth disease (HFMD), which is sometimes associated with severe central nervous system disease in children. There is currently no specific medication for EV71 infection. Quercetin, one of the most widely distributed flavonoids in plants, has been demonstrated to inhibit various viral infections. However, investigation of the anti-EV71 mechanism has not been reported to date.
Methods: The anti-EV71 activity of quercetin was evaluated by phenotype screening, determining the cytopathic effect (CPE) and EV71-induced cells apoptosis. The effects on EV71 replication were evaluated further by determining virus yield, viral RNA synthesis and protein expression, respectively. The mechanism of action against EV71 was determined from the effective stage and time-of-addition assays. The possible inhibitory functions of quercetin via viral 2Apro, 3Cpro or 3Dpol were tested. The interaction between EV71 3Cpro and quercetin was predicted and calculated by molecular docking.
Results: Quercetin inhibited EV71-mediated cytopathogenic effects, reduced EV71 progeny yields, and prevented EV71-induced apoptosis with low cytotoxicity. Investigation of the underlying mechanism of action revealed that quercetin exhibited a preventive effect against EV71 infection and inhibited viral adsorption. Moreover, quercetin mediated its powerful therapeutic effects primarily by blocking the early post-attachment stage of viral infection. Further experiments demonstrated that quercetin potently inhibited the activity of the EV71 protease, 3Cpro, blocking viral replication, but not the activity of the protease, 2Apro, or the RNA polymerase, 3Dpol. Modeling of the molecular binding of the 3Cpro-quercetin complex revealed that quercetin was predicted to insert into the substrate-binding pocket of EV71 3Cpro, blocking substrate recognition and thereby inhibiting EV71 3Cpro activity.
Conclusions: Quercetin can effectively prevent EV71-induced cell injury with low toxicity to host cells. Quercetin may act in more than one way to deter viral infection, exhibiting some preventive and a powerful therapeutic effect against EV71. Further, quercetin potently inhibits EV71 3Cpro activity, thereby blocking EV71 replication.
Derzeit breiten sich gebietsfremde Stechmücken (Diptera: Culicidae) aufgrund von Globalisierung und Klimawandel auf der ganzen Welt aus und bilden neue, stabile Populationen. Wegen ihrer hämatophagen Ernährungsweise sind sie Überträger von Pathogenen, die teilweise schwere bis tödliche Krankheiten beim Menschen, seinen Haustieren oder auch Wildtieren auslösen können. Mit den Stechmücken treten daher auch Infektionskrankheiten vermehrt in Gebieten auf, in denen sie vorher nicht vorkamen oder als bereits ausgerottet galten. Da die meisten im Menschen wirksamen Pathogene nicht durch Impfungen kontrolliert werden können, bleibt als eine der wenigen Möglichkeit der Krankheitsprävention die Dezimierung der Stechmückenpopulation. Daher sind Stechmücken momentan im Fokus von biologischer und epidemiologischer Forschung. Diese hat zum Ziel epidemische Krankheitsausbrüche vektorübertragener Krankheiten in der menschlichen Population zu verhindern. Eine Verringerung der lokalen Stechmückenpopulation bis hin zum Aussterben kann durch die Verwendung von Insektiziden, die Vernichtung von Bruthabitaten oder anderen Kontrollmaßnahmen erreicht werden. Jedoch sind diese Maßnahmen unterschiedlich effektiv, haben zum Teil unerwünsch-te ökologische und gesundheitsschädigende Folgen und sind unterschiedlich aufwendig und kostenintensiv in der Anwendung. Für die Entwicklung eines integrierten, effektiven, zielgerichteten und kostengünstigen Vektormanagements fehlen bislang jedoch die populationsbiologischen Grundlagen.
Ziel dieser Arbeit ist daher die Schaffung der Datengrundlage eines Integrierten Stechmückenmanagements für die Asiatische Buschmücke (Aedes japonicus japonicus THEOBALD 1901), die am weitesten verbreitete exotische Stechmücke in Deutschland. Schwerpunkte dafür wurden auf das zeitliche und räumliche Vorkommen, die Temperaturabhängigkeit des Lebenszyklus, sowie die Wirksamkeit von Kontrollmethoden gelegt.
Die Kenntnis der räumlichen Verbreitung und saisonalen Häufigkeit der Stechmücken ist notwendig, um befallene Standorte und Zeitpunkte des größten Populationszuwachses definieren zu können. Die Verbreitung und die Häufigkeit der endothermen Stechmücken sind stark von der Umgebungstemperatur abhängig, die beispielsweise deren Entwicklungsdauer und Sterblichkeit beeinflusst. Dabei entwickeln sich die verschiedenen Stadien (Ei, Larven, Puppe, Imago), die eine Stechmücke während ihres Lebens durchläuft, in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur unterschiedlich und haben jeweils andere Temperaturpräferenzen. Lebenszyklustabellen geben die Entwicklungsdauer und Mortalität pro Stadium in Abhängigkeit von der Temperatur an. Mit ihrer Hilfe können somit die räumlichen und zeitlichen Vorkommen und Häufigkeiten einer Stechmückenart berechnet werden. Dies ist insbesondere für Stechmücken in Gebieten mit jahreszeitlichen Temperaturveränderungen wichtig. Um Daten für eine solche Lebenszyklustabelle aufnehmen zu können, ist es notwendig Laborexperimente bei festgelegten Temperaturen durchzuführen. Die Voraussetzung dafür ist, dass die Stechmückenart im Labor optimale Bedingungen erhält, um ihren Lebenszyklus abschließen zu können. In dieser Arbeit wurde daher ein Laborprotokoll entwickelt, mithilfe dessen der Lebenszyklus der Asiatischen Buschmücke im Labor untersucht werden kann. Dazu wurden systematisch die Fütterung, die innerartliche Konkurrenz und das Wasservolumen des Brutge-fäßes für die aquatischen Stadien erprobt. Auf Basis dieses Protokolls wurden anschließend die Temperatureinflüsse auf die Entwicklung aller Stadien aufgenommen. Diese Daten dienten der Parametrisierung eines populationsdynamischen Modells. Dieses wurde verwendet, um Standorte mehrjähriger Populationen zu definieren, saisonale Häufigkeiten für Deutschland zu berechnen, durch Temperaturveränderungen hervorgerufene zukünftige Verbreitungsgebiete vorherzusagen, sowie Effekte von Kontrollmaßnahmen auf die Häufigkeit der Asiatischen Buschmücke zu modellieren.
Um eine dauerhafte Kontrolle der Stechmückenvektoren zu gewährleisten, ist weiterhin die permanente Neuentwicklung von wirksamen Kontrollmethoden notwendig. Dazu gehört die präventive Vermeidung von Bruthabitaten der aquatischen Stadien von Stechmücken. Die exotischen Stechmücken, die in Deutschland etabliert sind, gehören mehrheitlich der Gattung Aedes an und sind sogenannte Gefäßbrüter. Ihre bevorzugten Bruthabitate sind kleine Was-seransammlungen wie sie in Baumhöhlen, Gesteinsauswaschungen, Gießkannen, Regentonnen und Blumenuntersetzern vorkommen. In dieser Arbeit wurde untersucht, welche Farben und Volumina von Plastikbechern die Asiatische Buschmücke zur Eiablage bevorzugt, um präferierte Bruthabitate gezielt zu identifizieren und verringern zu können. Auch die Bereitstellung von Insektiziden wird durch in Stechmücken auftretende Insektizidresistenzen erschwert. Insektizide sollen dabei umweltfreundlich, spezifisch für den Zielorganismus und nicht gesundheitsschädlich für den Menschen sein. Weiterhin sind eine gute Anwendbarkeit, geringe Kosten und eine hohe Effizienz wünschenswert. Eine Quelle für potentielle Insektizide sind pflanzliche Stoffe, zum Beispiel ätherische Öle. Diese sind leicht erhältlich, natürlichen Ursprungs und wirksame Vergrämungsmittel gegen stechbereite Stechmückenweibchen. In dieser Arbeit wurde nach einer Literaturrecherche Nelkenöl ausgewählt und als Insektizid gegen Larven der Asiatischen Buschmücke getestet. Dafür wurden die akute toxische Wirkung von Nelkenöl bei drei Temperaturen untersucht und zusätzlich die Wirkung von Nelkenöl auf die Eiablage im Freiland. Nelkenöl zeigte dabei sowohl eine larvizide als auch eine eiablagehemmende Wirkung. Weiterhin wurde Kupfer in Form von kupferhaltigen Euromünzen als Larvizid untersucht. Kupfer ist ein wirksamer Stoff gegen die aquatischen Stadien von Stechmücken. Allerdings wurde der Stoff noch nicht in Form der einfach zu handhabenden, leicht erhältlichen Kupfermünzen getestet. Dazu wurden Vorexperimente durchgeführt, um herauszufinden, wieviel Kupferionen sich aus den Münzen lösen lassen. Anschließend wurde der akut toxische Effekt auf Larven der Asiatischen Buschmücke untersucht.
Ein Integriertes Stechmückenmanagement hat zum Ziel, die lokale Stechmückenpopulation zu kontrollieren, um so Stichen und daraus resultierender Krankheitsübertragung vorzubeugen. Dies erfolgt über die Aufklärung von Betroffenen, der Überwachung der Stechmückenpopulation, dem Testen auf Pathogenbefall und der direkten Kontrolle von Stechmücken. Diese Arbeit leistet einen Beitrag zu den Kenntnissen über die Laborhaltung einer exotischen Stechmückenart, zur Identifizierung von Bruthabitaten, zur zeitlichen und räumlichen Festlegung von Kontrollmaßnahmen und zur Anwendung von Larviziden und eines Vergrämungsmittels. Mit dieser Arbeit wurde die Grundlage eines faktenbasierten Integrativen Stechmückenmanagements für die Asiatische Buschmücke entwickelt, das eventuell auch auf weitere Aedes-Arten übertragbar ist, und als Handlungsempfehlung für politische Entscheidungstragende dienen kann.
The UN's sustainable development goals (SDGs), which aim to solve important economic, social, and environmental problems of humanity, are to be supported by education for sustainable development (ESD). Empirical studies on the success of the implementation of the SDGs in the field of education are still pending. For this reason, using the loss of global biodiversity as an example, this study examined the extent to which high school students, teacher trainees in biology, and biology bachelor students can identify the causes of the global biodiversity loss. A new questioning tool was developed and tested on 889 participants. In addition, the relationship between connection to nature and the personal assessment about biodiversity threats was examined. The factor analysis of the scale used showed that 11 out of 16 items were assigned to the intended factor. The comparison between high school students, teacher trainees in biology, and biology bachelor students showed no significant difference in overall assessment of the reasons for global biodiversity loss. When comparing the three risk levels in which the risk factors for biodiversity could be divided, across the three student groups, only minor differences were found. Therefore, a specific education of prospective teachers is necessary, as they have to pass on the competence as multipliers to their students. No significant difference could be found when examining the relationship between connection to nature and the overall scores of the assessment scale for the reasons of biodiversity loss. However, it was found that people who felt more connected to nature were more capable of assessing the main causes of risk for global biodiversity, while people who felt less connected to nature achieved better scores for the medium factors
Precise knowledge on the binding sites of an RNA-binding protein (RBP) is key to understanding the complex post-transcriptional regulation of gene expression. This information can be obtained from individual-nucleotide resolution UV crosslinking and immunoprecipitation (iCLIP) experiments. Here, we present a complete data analysis workflow to reliably detect RBP binding sites from iCLIP data. The workflow covers all steps from the initial quality control of the sequencing reads up to peak calling and quantification of RBP binding. For each tool, we explain the specific requirements for iCLIP data analysis and suggest optimised parameter settings.
Risk evaluations for agricultural chemicals are necessary to preserve healthy populations of honey bee colonies. Field studies on whole colonies are limited in behavioural research, while results from lab studies allow only restricted conclusions on whole colony impacts. Methods for automated long-term investigations of behaviours within comb cells, such as brood care, were hitherto missing. In the present study, we demonstrate an innovative video method that enables within-cell analysis in honey bee (Apis mellifera) observation hives to detect chronic sublethal neonicotinoid effects of clothianidin (1 and 10 ppb) and thiacloprid (200 ppb) on worker behaviour and development. In May and June, colonies which were fed 10 ppb clothianidin and 200 ppb thiacloprid in syrup over three weeks showed reduced feeding visits and duration throughout various larval development days (LDDs). On LDD 6 (capping day) total feeding duration did not differ between treatments. Behavioural adaptation was exhibited by nurses in the treatment groups in response to retarded larval development by increasing the overall feeding timespan. Using our machine learning algorithm, we demonstrate a novel method for detecting behaviours in an intact hive that can be applied in a versatile manner to conduct impact analyses of chemicals, pests and other stressors.
Connectomic analysis of apical dendrite innervation in pyramidal neurons of mouse cerebral cortex
(2020)
The central goal of this study was to generate synapse-resolution maps of local and long-range innervation on apical dendrites (AD) in mouse cerebral cortex. We used three-dimensional electron microscopy (3D-EM) to first measure the cell-type specific balance in the excitatory and inhibitory input on ADs. Further, we found two inhibitory axon populations with preference for apical dendrites originating from layer 2 and 3/5. Additionally, we used a combination of large-scale volumetric light and electron microscopy to investigate the innervation preference of long-range cortical projections onto ADs. To generate such large-scale 3D-EM datasets, we also developed a software package to automate aberration adjustment.
The balance of excitation and inhibition defines the computational properties of neurons. We, therefore, generated 6 datasets and annotated 26,548 excitatory and inhibitory synapses to map the relative inhibitory strength on the AD of pyramidal neurons in layers 1 and 2 (L1 and 2) of the cortex. We found consistent and cell-type specific patterns of inhibitory strength along the apical dendrite of L2-5 pyramidal neurons in primary somatosensory (S1), secondary visual (V2), posterior parietal (PPC) and anterior cingulate (ACC) cortices. L2 and L5 pyramidal neurons had inhibitory hot-zones at their main bifurcation and distal apical dendrite tuft, respectively. In contrast, L3 neurons had a baseline (~10%) level of inhibition along their apical dendrite. As controls, we quantified the effect of synapse strength (size), dendrite diameter, AD classification and synapse identification methods on the cell-type specific synapse densities. To classify L5 pyramidal subtypes, we performed hierarchical clustering using morphological properties that were described to differentiate slender- and thick-tufted L5 neurons.
We also investigated the distance to soma as a predictor of fractional inhibition around the main bifurcation of apical dendrites. Interestingly, we found a strong exponential relationship that was absent in density of either synapse type. This suggests a distance dependent control mechanism designed specifically for the balance (in synapse numbers) of excitation and inhibition.
Next, we focused on the inhibitory innervation preference for apical dendrite of pyramidal neuron. We, therefore, annotated 5,448 output synapses of AD-targeting inhibitory axons and found two populations specific for either L2 or L3/5 apical dendrites. Together with previous findings on preferential innervation of sub-cellular structures by inhibitory axons, this suggests two distinct inhibitory circuits for control of AD activity in L2 vs. deep-layer pyramidal neurons. This innervation preference was surprisingly consistent across S1, V2, PPC and ACC cortices.
3D-EM data acquisition is a laborious process that is made easier and more popular everyday by technical progress in the laboratory and industrial settings. To make data acquisition robust using our custom-built 3D-EM microscopes, an automatic aberration software was implemented to adjust the objective lens and the stigmators of the electron microscope. This method was used in multiple month-long experiments across 2 microscopes and 10 datasets. The aberration adjustment used the reduction in image details (high-frequency elements) to estimate the level of deviation from optimal focus and stigmator parameters. However, large objects in EM micrographs such as blood vessel and nuclei cross-sections generated anomalous results. We, therefore, added image processing routines based on edge detection combined with morphological operations to exclude such large objects.
Finally, we performed a correlative three-dimensional (3D) light (LM) and electron (EM) microscopy experiment to map the long-range primary visual (V1) and secondary motor (M2) cortical input to ADs in layer 1 of PPC using the “FluoEM” approach. This method allows for identification of the long-range source of projection axons in EM volumes without the need for EM-dense label conversion or heat-induced markings. The long-range source of an axon in EM is identified based on the fluorescent protein that is expressed in its LM counterpart. In comparison to M2 input, Long-range axons from V1 had a higher tendency to target L3 pyramidal neurons in PPC according to our preliminary analysis. In combination with the difference observed in the synapse composition of L2 and L3 apical dendrites, this suggests the need for separate functional and structural analysis of L2 and 3 pyramidal neurons.
Elevated tumor interstitial fluid pressure (TIFP) is a characteristic of most solid tumors. Clinically, TIFP may hamper the uptake of chemotherapeutic drugs into the tumor tissue reducing their therapeutic efficacy. In this study, a means of modulating TIFP to increase the flux of macromolecules into tumor tissue is presented, which is based on the rationale that elevated plasma colloid osmotic pressure (COP) pulls water from tumor interstitium lowering the TIFP. Concentrated human serum albumin: (20% HSA), used as an agent to enhance COP, reduced the TIFP time-dependently from 8 to 2 mm Hg in human tumor xenograft models bearing A431 epidermoid vulva carcinomas. To evaluate whether this reduction facilitates the uptake of macromolecules, the intratumoral distribution of fluorescently conjugated dextrans (2.5 mg/ml) and cetuximab (2.0 mg/ml) was probed using novel time domain nearinfrared fluorescence imaging. This method permitted discrimination and semiquantification of tumor-accumulated conjugate from background and unspecific probe fluorescence. The coadministration of 20% HSA together with either dextrans or cetuximab was found to lower the TIFP significantly and increase the concentration of the substances within the tumor tissue in comparison to control tumors. Furthermore, combined administration of 20%HSA plus cetuximab reduced the tumor growth significantly in comparison to standard cetuximab treatment. These data demonstrate that increased COP lowers the TIFP within hours and increases the uptake of therapeutic macromolecules into the tumor interstitium leading to reduced tumor growth. This model represents a novel approach to facilitate the delivery of therapeutics into tumor tissue, particularly monoclonal antibodies.
Durch natürliche Selektion werden Funktionen, die dem Überleben und dem Fortpflanzungserfolg eines Organismus dienen, optimiert. Da die Struktur eines Organs dessen Funktion und umgekehrt die Funktion eines Organs dessen Struktur bestimmt, kann durch das Studium der Morphologie die Funktionsweise von Organen verstanden werden. Trotz des umfangreichen Wissens über die Struktur von Nervensystemen sowohl auf mikro- als auch auf makroskopischer Ebene, ist es weiterhin unklar, wie Bewusstsein und ein kohärentes Abbild der Umwelt im Gehirn erzeugt werden. Der Grund hierfür ist vor allem die gewaltige Komplexität neuronaler Netzwerke, die unmöglich geistig erfasst werden können. Eine Möglichkeit, das Gehirn ohne das detaillierte Wissen über all seine Bestandteile zu verstehen, bietet das Studium von Optimierungsprinzipien und deren Anwendung in theoretischen Modellen. So wie eingangs erwähnt die Funktion von Organen durch natürliche Selektion optimiert wird, sollte auch die Funktion neuronaler Netzwerke optimiert werden und neuronale Netzwerke sollten entsprechend solcher Optimierungsprinzipien aufgebaut sein. Ein wichtiges Prinzip, das essenziell für die Effizienz neuronaler Netzwerke ist, ist die Minimierung der Verbindungslänge zwischen Neuronen. Basierend auf diesem Prinzip wurde im Rahmen dieser Dissertation eine algorithmische Methode etabliert, die es ermöglicht Vorhersagen der relativen Position von Neuronen anhand ihrer Verbindungen zu treffen. Diese neuronale Platzierungsmethode beruht darauf, dass Neuronen mit ähnlicher Verbindungsnachbarschaft näher zueinander platziert werden als zu Neuronen mit weniger ähnlichen Verbindungsnachbarn, wodurch die durchschnittliche Verbindungslänge minimiert wird. Nach der Etablierung dieser Methode, wurde diese benutzt um Modelle zu erstellen, die es ermöglichen die Entstehung neuronaler Karten und kortikaler Faltungen im Zusammenhang mit der Konnektivität und der Anzahl der Neuronen zu untersuchen.
Neuronale Karten sind geordnete Muster auf der Oberfläche des Kortex, die durch die präferierte Aktivität einzelner Neuronen in Antwort auf Stimuli einer Modalität beobachtet werden können. Im visuellen Kortex existieren sogar mehrere Karten, je nachdem welche Qualität visueller Stimuli man betrachtet. Abhängig von der Präferenz für einen Sehwinkel, ein stimuliertes Auge oder der Orientierung eines Balken-Stimulus, können retinotopische Karten, Karten mit streifenartigen Mustern oder Karten mit sogenannten „Pinwheel“-Strukturen beobachtet werden. Pinwheels sind periodische Strukturen, die sichtbar werden indem man die Orientierungspräferenz von Neuronen für die spezifische Orientierung eines Balken-Stimulus mit der entsprechenden Farbe des Farbkreises visualisiert. Da diese Strukturen eine Ähnlichkeit mit bunten Windrädern haben, werde sie als Pinwheels bezeichnet. Die in dieser Dissertation erstellten Modelle sagen vorher, dass die Entstehung strukturierter neuronaler Karten im Allgemeinen von der Anzahl der Neuronen abhängt. In der Tat könnte diese Abhängigkeit auch für neuronale Karten im Kortex gelten. Während strukturierte Karten im visuellen Kortex in verschiedenen Säugerordnungen wie Primaten, Karnivoren und Huftieren existieren, sind sie in kleinen Nagern mit weniger Neuronen nicht vorhanden, trotz ähnlicher Verbindungsspezifizität. Folglich müssen Unterschiede in der Struktur neuronaler Karten im Kortex nicht zwangsläufig mit einer unterschiedlichen Funktionsweise zusammenhängen, sondern könnten auch durch allgemeine Optimierungsprinzipien beim Aufbau neuronaler Netzwerke bedingt werden. Eine weitere Gemeinsamkeit zwischen verschiedenen Säugetierordnungen ist, dass die relative Dichte der Pinwheels ziemlich genau bei der Zahl Pi liegt. Entsprechend der Ergebnisse dieser Dissertation könnte dies dadurch erklärt werden, dass für neuronale Karten ähnlicher Struktur die Anzahl der Neuronen pro Pinwheel relativ konstant ist. Unterschiede in der räumlichen Dichte der Pinwheels könnten dann einfach durch Unterschiede in der Dichte der Neuronen erklärt werden.
Neben den Modellen für neuronale Karten wurde im Rahmen dieser Dissertation auch ein Modell kortikaler Faltungen mit derselben neuronalen Platzierungsmethode erstellt. Die Existenz kortikaler Faltungen wird gemeinhin damit erklärt, dass der Kortex ohne Faltungen wegen seiner verhältnismäßig großen Oberfläche nicht in den Schädel gepackt werden könnte. Allerdings haben Experimente gezeigt, dass die Faltungen nicht durch eine Restriktion des wachsenden Kortex an der Schädeloberfläche entstehen, da auch mit mehr Platz für die Expansion des Kortex die gleichen Faltungsmuster exprimiert werden. Interessanterweise entstehen die kortikalen Faltungen erst, wenn die Proliferation der Neuronen während der Entwicklung größtenteils abgeschlossen ist und die Neuronen anfangen ihre Verbindungen auszubilden. Um kortikale Faltungen basierend auf der Konnektivität zwischen Neuronen im Modell vorherzusagen, genügt es das allgemeine Muster einer starken lokalen, aber schwachen globalen Konnektivität zwischen Neuronen nachzubilden. Abhängig von Variationen dieser Konnektivität, der Anzahl der kortikalen Kolumnen und der Neuronenanzahl innerhalb dieser Kolumnen, können im Modell viele Eigenschaften kortikaler Faltungsmuster in Säugetieren vorhergesagt werden. Ähnlich wie in Säugetieren ist der Faltungsgrad der vom Modell vorhergesagt wird von dem Verhältnis zwischen Parametern, die die Größe und Dicke des Kortex beschreiben, abhängig. Dementsprechend werden mehr und mehr Faltungen mit steigender Anzahl der Kolumnen, aber gleicher Anzahl von Neuronen pro Kolumne vorhergesagt. Wie in Säugetieren entstehen dabei auch die größeren primären Faltungen zuerst bevor es innerhalb der größeren Faltungen zu kleineren Faltungen höherer Ordnung kommt. Neben der Abhängigkeit des Faltungsgrads von der Größe des Kortex können Variationen in der Konnektivität erklären, wie es einerseits zu stereotypischen Faltungsmustern kommen kann, aber andererseits auch warum der Faltungsgrad zwischen verschiedenen Säugerordnungen unterschiedlich mit der Größe des Kortex skaliert. Letztlich könnten pathologische Veränderungen der Konnektivität zu den entsprechenden Änderungen im Faltungsmuster führen.
Insgesamt wurde in dieser Arbeit gezeigt, dass mittels einfacher Prinzipien, die die Verbindung zwischen Neuronen und deren relative Position zueinander beschreiben, komplexe neuroanatomische Strukturen vorhergesagt werden können. Da mit derselben Methode zur neuronalen Platzierung sowohl neuronale Karten als auch kortikalen Faltungen, also sehr unterschiedliche Strukturen vorhergesagt werden konnten, stellt sich die Frage, ob diese Strukturen durch einen gemeinsamen biologischen Mechanismus entstehen. Neuronale Zugkräfte sind ein möglicher Mechanismus, der die Entstehung kortikaler Faltungen erklären könnte. Auch wenn es eher unwahrscheinlich ist, dass die Entstehung neuronaler Karten von Zugkräften zwischen Neuronen abhängt, kann es nicht vollständig ausgeschlossen werden. Ob solche Kräfte an der Selbstorganisation neuronaler Netzwerke beteiligt sein könnten, ist eine interessante Fragestellung für zukünftige empirische Studien.
Coagulation factor XIII (FXIII) is a plasma-circulating heterotetrameric pro-transglutaminase complex that is composed of two catalytic FXIII-A and two protective/regulatory FXIII-B subunits. FXIII acts by forming covalent cross-links within a preformed fibrin clots to prevent its premature fibrinolysis. The FXIII-A subunit is known to have pleiotropic roles outside coagulation, but the FXIII-B subunit is a relatively unexplored entity, both structurally as well as functionally. Its discovered roles so far are limited to that of the carrier/regulatory protein of its partner FXIII-A subunit. In the present study, we have explored the co-presence of protein excipients in commercial FXIII plasma concentrate FibrogamminP by combination of protein purification and mass spectrometry-based verification. Complement factor H was one of the co-excipients observed in this analysis. This was followed by performing pull down assays from plasma in order to detect the putative novel interacting partners for the FXIII-B subunit. Complement system proteins, like complement C3 and complement C1q, were amongst the proteins that were pulled down. The only protein that was observed in both experimental set ups was alpha-2-macroglobulin, which might therefore be a putative interacting partner of the FXIII/FXIII-B subunit. Future functional investigations will be needed to understand the physiological significance of this association.
Constitutive Wnt activation upon loss of Adenoma polyposis coli (APC) acts as main driver of colorectal cancer (CRC). Targeting Wnt signaling has proven difficult because the pathway is crucial for homeostasis and stem cell renewal. To distinguish oncogenic from physiological Wnt activity, we have performed transcriptome and proteome profiling in isogenic human colon organoids. Culture in the presence or absence of exogenous ligand allowed us to discriminate receptor-mediated signaling from the effects of CRISPR/Cas9-induced APC loss. We could catalog two nonoverlapping molecular signatures that were stable at distinct levels of stimulation. Newly identified markers for normal stem/progenitor cells and adenomas were validated by immunohistochemistry and flow cytometry. We found that oncogenic Wnt signals are associated with good prognosis in tumors of the consensus molecular subtype 2 (CMS2). In contrast, receptor-mediated signaling was linked to CMS4 tumors and poor prognosis. Together, our data represent a valuable resource for biomarkers that allow more precise stratification of Wnt responses in CRC.
The transition from local to global patterns governs the differentiation of mouse blastocysts
(2020)
During mammalian blastocyst development, inner cell mass (ICM) cells differentiate into epiblast (Epi) or primitive endoderm (PrE). These two fates are characterized by the expression of the transcription factors NANOG and GATA6, respectively. Here, we investigate the spatio-temporal distribution of NANOG and GATA6 expressing cells in the ICM of the mouse blastocysts with quantitative three-dimensional single cell-based neighbourhood analyses. We define the cell neighbourhood by local features, which include the expression levels of both fate markers expressed in each cell and its neighbours, and the number of neighbouring cells. We further include the position of a cell relative to the centre of the ICM as a global positional feature. Our analyses reveal a local three-dimensional pattern that is already present in early blastocysts: 1) Cells expressing the highest NANOG levels are surrounded by approximately nine neighbours, while 2) cells expressing GATA6 cluster according to their GATA6 levels. This local pattern evolves into a global pattern in the ICM that starts to emerge in mid blastocysts. We show that FGF/MAPK signalling is involved in the three-dimensional distribution of the cells and, using a mutant background, we further show that the GATA6 neighbourhood is regulated by NANOG. Our quantitative study suggests that the three-dimensional cell neighbourhood plays a role in Epi and PrE precursor specification. Our results highlight the importance of analysing the three-dimensional cell neighbourhood while investigating cell fate decisions during early mouse embryonic development.
Wolves (Canis lupus) are currently showing a remarkable comeback in the highly frag-mented cultural landscapes of Germany. We here show that wolf numbers increasedexponentially between 2000 and 2015 with an annual increase of about 36%. Wedemonstrate that the first territories in each newly colonized region were establishedover long distances from the nearest known reproducing pack on active militarytraining areas (MTAs). We show that MTAs, rather than protected areas, served asstepping-stones for the recolonization of Germany facilitating subsequent spreadingof wolf territories in the surrounding landscape. We did not find any significant differ-ence between MTAs and protected areas with regard to habitat. One possible reasonfor the importance of MTAs may be their lower anthropogenic mortality rates com-pared to protected and other areas. To our knowledge, this is the first documented casewhere MTAs facilitate the recolonization of an endangered species across large areas.
In three-dimensional light microscopy, the heterogeneity of the optical density in a specimen ultimately limits the achievable penetration depth and hence the three-dimensional resolution. The most direct approach to reduce aberrations, improve the contrast and achieve an optimal resolution is to minimise the impact of changes of the refractive index along an optical path. Many implementations of light sheet fluorescence microscopy operate with a large chamber filled with an aqueous immersion medium and a further inner container with the specimen embedded in a possibly entirely different non-aqueous medium. In order to minimise the impact of the latter on the optical quality of the images, we use multi-facetted cuvettes fabricated from vacuum-formed ultra-thin fluorocarbon (FEP) foils. The ultra-thin FEP-foil cuvettes have a wall thickness of about 10–12 µm. They are impermeable to liquids, but not to gases, inert, durable, mechanically stable and flexible. Importantly, the usually fragile specimen can remain in the same cuvette from seeding to fixation, clearing and observation, without the need to remove or remount it during any of these steps. We confirm the improved imaging performance of ultra-thin FEP-foil cuvettes with excellent quality images of whole organs such us mouse oocytes, of thick tissue sections from mouse brain and kidney as well as of dense pancreas and liver organoid clusters. Our ultra-thin FEP-foil cuvettes outperform many other sample-mounting techniques in terms of a full separation of the specimen from the immersion medium, compatibility with aqueous and organic clearing media, quick specimen mounting without hydrogel embedding and their applicability for multiple-view imaging and automated image segmentation. Additionally, we show that ultra-thin FEP foil cuvettes are suitable for seeding and growing organoids over a time period of at least ten days. The new cuvettes allow the fixation and staining of specimens inside the holder, preserving the delicate morphology of e.g. fragile, mono-layered three-dimensional organoids.
Several members of the genus Legionella cause Legionnaires’ disease, a potentially debilitating form of pneumonia. Studies frequently focus on the abundant number of virulence factors present in this genus. However, what is often overlooked is the role of secondary metabolites from Legionella. Following whole genome sequencing, we assembled and annotated the Legionella parisiensis DSM 19216 genome. Together with 14 other members of the Legionella, we performed comparative genomics and analysed the secondary metabolite potential of each strain. We found that Legionella contains a huge variety of biosynthetic gene clusters (BGCs) that are potentially making a significant number of novel natural products with undefined function. Surprisingly, only a single Sfp-like phosphopantetheinyl transferase is found in all Legionella strains analyzed that might be responsible for the activation of all carrier proteins in primary (fatty acid biosynthesis) and secondary metabolism (polyketide and non-ribosomal peptide synthesis). Using conserved active site motifs, we predict some novel compounds that are probably involved in cell-cell communication, differing to known communication systems. We identify several gene clusters, which may represent novel signaling mechanisms and demonstrate the natural product potential of Legionella.
The facile synthesis and detailed investigation of a class of highly potent protease inhibitors based on 1,4-naphthoquinones with a dipeptidic recognition motif (HN-l-Phe-l-Leu-OR) in the 2-position and an electron-withdrawing group (EWG) in the 3-position is presented. One of the compound representatives, namely the acid with EWG = CN and with R = H proved to be a highly potent rhodesain inhibitor with nanomolar affinity. The respective benzyl ester (R = Bn) was found to be hydrolyzed by the target enzyme itself yielding the free acid. Detailed kinetic and mass spectrometry studies revealed a reversible covalent binding mode. Theoretical calculations with different density functionals (DFT) as well as wavefunction-based approaches were performed to elucidate the mode of action.
Type IV pili are flexible filaments on the surface of bacteria, consisting of a helical assembly of pilin proteins. They are involved in bacterial motility (twitching), surface adhesion, biofilm formation and DNA uptake (natural transformation). Here, we use cryo-electron microscopy and mass spectrometry to show that the bacterium Thermus thermophilus produces two forms of type IV pilus ("wide" and "narrow"), differing in structure and protein composition. Wide pili are composed of the major pilin PilA4, while narrow pili are composed of a so-far uncharacterized pilin which we name PilA5. Functional experiments indicate that PilA4 is required for natural transformation, while PilA5 is important for twitching motility.
Tigers are indisputably in danger of extinction due to habitat loss and demand for their parts. Tigers are extirpated in the wild from every country bar one in mainland East and Southeast Asia. Although consumption of tiger products is known to be established in China, less is known about demand for tiger products in Southeast Asia. In this study, we investigate tiger product demand in Vietnam, a major illegal wildlife consumer country. There has been little research into consumption, in particular the level of use, the products being consumed, variation in use of products between areas, and the motivations of consuming tiger products. Through a quantitative survey of 1120 individuals, we show that use of tiger products could be as high as ~11% of the sample in both urban centers of Vietnam, Hanoi and Ho Chi Minh City. Tiger bone glue is the predominant product used, for medicinal purposes. In Hanoi, it is generally purchased by the individual for self-use, while in Ho Chi Minh City it is generally purchased as a gift. In both cities, individuals were generally highly satisfied with the product, indicating entrenched belief in efficacy among consumers. Ultimately, our results show that tiger product use is relatively pervasive. We suggest that conservation organizations should focus on behavior change campaigns that are informed by the results here, and that are specific to each area and to the specific use of tiger product glue for medicine. By reducing demand, beleaguered tiger populations will have a greater chance of stabilization and eventual growth.
Aufgrund des großen Potenzials der Nanotechnologie ist in Zukunft eine Zunahme der Produktion und Verwendung von Nanomaterialien zu erwarten, wodurch mit einer steigenden Freisetzung in der Umwelt zu rechnen ist. In der vorliegenden Dissertation werden daher Methoden zur Untersuchung von Nanomaterialien betrachtet und Effekte von NP auf Algen untersucht.
In Teil I wurden Silber-, Titandioxid- und Polystyrol-Nanopartikel sowie Kohlenstoffnano-röhrchen untersucht. Von jedem Nanomaterial standen eine unmodifizierte Form sowie zwei modifizierte Partikeltypen mit geladener Oberfläche und zusätzlich Polystyrol-Mikropartikel zur Verfügung. Zunächst erfolgte eine Charakterisierung der Materialien mittels Transmissions-elektronenmikroskopie, wobei die Größe der Objekte gemessen und das Verhalten beschrieben wurde. Zudem wurde im Fall der Polystyrol-Nanopartikel der Einfluss mehrerer Chemikalien getestet, welche im Zusammenhang mit der Probenvorbereitung für das Elektronen¬mikroskop zum Einsatz kamen. In einem nächsten Schritt erfolgte die Untersuchung von Nanomaterialien in umweltrelevanten Matrices. Hierbei wurden Boden- und Wasserproben sowie humane Körperflüssigkeiten und Fischgewebe elektronenmikroskopisch auf die Anwesenheit von synthetischen Nanomaterialien untersucht und Proben mit Nanomaterialien versetzte, um die Nachweisbarkeit mit dem Elektronenmikroskop bewerten zu können. Zusätzlich wurden verschiedene Zellkulturen und Gewebe auf morphologische Auffälligkeiten im Zusammenhang mit einer Exposition gegenüber Nanomaterialien untersucht.
Die durchgeführten Versuche zeigen, dass die Transmissionselektronenmikroskopie für viele Nanomaterialien ein sinnvolles Charakterisierungswerkzeug darstellt. Die Untersuchung besonders kleiner Partikel mit einem Durchmesser im einstelligen Nanobereich gestaltet sich jedoch schwierig bis unmöglich. Für den Nachweis von Nanomaterialien in Umweltmatrices und Zellen ist die Methode nur bedingt geeignet, wobei insbesondere niedrige Partikelkonzentrationen problematisch sind. Die Methode ist somit lediglich als Ergänzung zu anderen Nachweismethoden zu betrachten, kann jedoch hilfreiche Informationen zur Lokalisation von Nanoobjekten in Zellen und zu ihrem Verhalten in Umweltproben liefern.
In Teil II wurden die beiden Grünalgen Raphidocelis subcapitata und Chlamydomonas reinhardtii sowie die Diatomee Cyclotella meneghiniana gegenüber unterschiedlich modifizierten Silber-, Titandioxid- und Polystyrol-Nanopartikeln exponiert. Die Beurteilung der Toxizität wurde anhand der über die Absorption gemessenen Zellzahl, des Chlorophyll a Gehalts, der über die Chlorophyllfluoreszenz gemessenen Parameter Fv/Fm und NPQ sowie der transmissions¬elektronenmikroskopischen Untersuchung der Algenzellen vorgenommen. Zudem wurde der Einfluss der Beschattung von Algenzellen durch die Nanopartikel experimentell untersucht.
Die Untersuchungen zeigen, dass Nanomaterialien bei Absorptionsmessungen in Abhängigkeit von ihrem Grundmaterial, ihrer Oberflächenmodifikation und dem umgebenden Medium ein mehr oder weniger starkes Streuungsverhalten zeigen. Auch die Anwesenheit von Algen kann einen deutlichen Einfluss haben. Trotz der Beeinflussung der Lichtstreuung hat die Beschattung von Algen durch die Trübung des Mediums durch Nanomaterialien keinen Einfluss auf das Wachstum der Testorganismen. Die direkte Exposition der Algen gegenüber den Nanomaterialien zeigt, dass Silber-Nanopartikel die toxischste Wirkung haben. Die Abgabe von Silberionen durch die Partikel kann hierbei die auftretenden Effekte erklären. Auch Titandioxid-Nanopartikel führen zu negativen Effekten, wobei mögliche Gründe die Toxizität des Materials und die physikalische Isolierung der Zellen sind. Die Polystyrol-Nanopartikel haben eine stimulierende Wirkung auf die Algenzellen, welche auf einer Präferenz von adhäsivem Wachsen und dem Hormesis-Effekt beruhen kann. Die Oberflächenmodifikation der Nanomaterialien hat zwar einen Effekt auf die Toxizität, ihr Einfluss wird jedoch durch andere Faktoren überlagert. In Bezug auf die unterschiedlichen Methoden zum Nachweis der Toxizität, ist die Bestimmung des Chlorophyll a-Gehalts als besonders sensitiv zu bewerten und kann zudem auf alle Partikel angewandt werden. Hinsichtlich der Absorptionsmessung besteht teilweise ein Einfluss durch die Partikelstreuung. Die Messung der Chlorophyllfluoreszenz scheint einer starken Beeinflussung durch externe Faktoren und ggf. die Nanomaterialien selbst zu unterliegen. Die elektronenmikroskopische Untersuchung ist vergleichsweise wenig sensitiv, kann jedoch ergänzende Informationen bezüglich der Wirkweise von Nanomaterialien liefern. Der Vergleich der Testorganismen zeigt, dass Raphidocelis subcapitata empfindlicher reagiert als Chlamydomonas reinhardtii. Eine allgemeingültige Sensitivitätsabstufung zwischen den Grünalgen und der Diatomee ist nicht möglich, da die Reaktionen in Abhängigkeit von Medium bzw. Partikelgrundmaterial unterschiedlich ausfallen.
Communication sounds are ubiquitous in the animal kingdom, where they play a role in advertising physiological states and/or socio-contextual scenarios. Human screams, for example, are typically uttered in fearful contexts and they have a distinctive feature termed as “roughness”, which depicts amplitude fluctuations at rates from 30–150 Hz. In this article, we report that the occurrence of fast acoustic periodicities in harsh sounding vocalizations is not unique to humans. A roughness-like structure is also present in vocalizations emitted by bats (species Carollia perspicillata) in distressful contexts. We report that 47.7% of distress calls produced by bats carry amplitude fluctuations at rates ~1.7 kHz (>10 times faster than temporal modulations found in human screams). In bats, rough-like vocalizations entrain brain potentials and are more effective in accelerating the bats’ heart rate than slow amplitude modulated sounds. Our results are consistent with a putative role of fast amplitude modulations (roughness in humans) for grabbing the listeners attention in situations in which the emitter is in distressful, potentially dangerous, contexts.