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Lauschangriff mit tödlichen Folgen : Signalmoleküle von Bakterien können fremden Arten schaden
(2016)
Eine der wichtigsten Fähigkeiten aller Lebewesen ist die Kommunikation. Ihre universelle Ausdrucksform findet sie im Austausch hoch spezifischer Signalmoleküle. Bei der Entschlüsselung der diversen »Sprachen« und »Dialekte« von Bakterien machen Forscher immer wieder neue und überraschende Entdeckungen, die auch eine Alternative zu Antibiotika versprechen.
Das Hören hat für den Menschen eine maßgebliche Bedeutung hinsichtlich Kommunikation und Orientierung. Auch wenn sich der Mensch stark auf seinen visuellen Sinn verlässt, wird mit dem Ausfall des Hörvermögens deutlich, wie viele Informationen oft unterbewusst über die Analyse von Schallsignalen gezogen werden. Trotz dieser grundlegenden Relevanz sind bis heute noch nicht alle Komponenten, die dem Hörprozess zugrunde liegen, entschlüsselt.
Um sich diesen offenen Fragestellungen anzunähern, müssen Forscher oft auf Tiermodelle zurückgreifen. Auf Grund ihres exzellenten Gehörs haben sich hier in den letzten Jahrzehnten Fledermäuse als taugliche Versuchstiere qualifiziert. Diese Tiere sind in der Lage sich ohne Verwendung des visuellen Systems in absoluter Dunkelheit zu orientieren, indem sie mit Hilfe der wiederkehrenden Echos ihrer ausgesendeten Ultraschalllaute die Umgebungsstrukturen analysieren. Weiterhin umfasst der zur Kommunikation und Ortung verwendete Frequenzbereich bei Fledermäusen ein Vielfaches von dem des menschlichen, was ebenfalls verschiedene Aspekte der Hörforschung begünstigt. Die in dieser Studie verwendete fruchtfressende Fledermausart Carollia perspicillata eignet sich hervorragend für akustische Untersuchungen, da ihr Innenohr keine speziellen morphologischen Spezialisierungen aufweist.
Anhand der Fledermausart C. perspicillata sollen innerhalb der vorliegenden Studie verschiedene offene Fragestellungen bezüglich der Innenohrmechanik näher beleuchtet werden. Um sich diesen Fragestellungen anzunähern, wurde eine Kombination aus zwei etablierten Methoden verwendet. Zum einen die Messung von Distortions-Produkt otoakustischen Emissionen (DPOAEs), welche auf Grund ihrer Generierung durch aktive Prozesse innerhalb der Kochlea die Möglichkeit bietet, Veränderungen im Innenohr festzustellen und zum anderen kontralaterale akustische Stimulation (KAS), welche eine erprobte Methode zur Aktivierung des efferenten Systems darstellt. Dadurch, dass die äußeren Haarsinneszellen in der Kochlea direkte synaptische Kontakte mit efferenten Fasern der absteigenden Hörbahn eingehen, kann eine Aktivierung des efferenten Systems Modulationen des kochleären Verstärkers bewirken, wodurch sich wiederum die Antworteigenschaften der Kochlea verändern. Mit einer Kombination dieser beiden Methoden lassen sich demnach zum einen höhere Zentren der Hörbahn aktivieren, die über efferente Fasern einen direkten Einfluss auf das Innenohr nehmen, zum anderen die induzierten Modulationen in Form von DPOAEs mit Hilfe eines sensitiven Mikrofons aufnehmen. Die Grundvoraussetzung für die Funktionalität dieser Methodenkombination ist das Vorhandensein von efferenten Fasern innerhalb der Kochlea. Da das efferente System verschiedener Säuger eine große Diversität aufweist, wurden innerhalb dieser Arbeit zusätzlich zu den akustischen Untersuchungen histologische Schnittserien der Kochlea von C. perspicillata angefertigt. Hierbei lag das Hauptaugenmerk auf dem Verlauf der efferenten Fasern innerhalb der Kochlea. Mit Hilfe der Thiocholinmethode wurde der Ort der Umsetzung des Achetylcholinabbauenden Enzyms Achetylcholin-esterase angefärbt. Achetylcholin ist der vorranig vorkommende Transmitter an den efferenten Synapsen.
Diese Studie untersucht weiter den Einfluss der Narkose auf das Innenohr. In zahlreichen Studien, die Innenohrmechanik betreffend, wurden die Untersuchungen an narkotisierten Tieren durchgeführt. Oftmals wird zwar die Problematik der möglichen Beeinflussung des Innenohres durch das verwendete Narkosemittel diskutiert, aber meisthin als unumgänglich eingestuft. Innerhalb der vorliegenden Studie wurde ein Großteil der Experimente an narkotisierten und auch wachen Tieren durchgeführt, um die Auswirkungen der häufig verwendeten Ketamin-Xylazin-Narkose auf die Innenohr-aktivität zu verdeutlichen.
In der Literatur lässt sich eine Vielzahl von akustischen Untersuchungen finden, in denen artifizielle Stimuli wie Reintöne oder Rauschen verwendet werden. Die Problematik dahinter ergibt sich daraus, dass diese Art der Töne in der Natur selten zu finden sind. Derartige Studien werfen daher die Frage auf, ob das Innenohr beispielsweise Rauschstimuli auf die gleiche Weise verarbeitet wie natürliche, komplexere Stimuli. Innerhalb der vorliegenden Studie wurden demzufolge im Vergleich zu artifiziellen Stimuli arteigene Rufe der Fledermausspezies C. perspicillata aufgenommen und als akustische Stimuli während der Messungen verwendet.
Im Zuge dieser Fragestellung wurde in einem weiteren Teilprojekt versucht ein neues Verfahren zur Messung von OAEs zu etablieren, mit dem es möglich ist das Ohr nicht ausschließlich mit den herkömmlich verwendeten Reintönen zu stimulieren, sondern ebenfalls mit komplexen Lauten, wie arteigenen Kommunikations- und Echo-ortungsrufen. Hierfür wurde ein von Douglas Keefe vorgestelltes Paradigma zur Messung von OAE-Residualen herangezogen, welches die am Trommelfell gemessenen akustischen Signale von den Trommelfellantworten auf einzelne Komponenten dieser Signale subtrahiert.
Anhand der in dieser Studie gewonnenen Ergebnisse kann deutlich gezeigt werden, dass eine akustische Stimulation der kontralateralen Kochlea mit verschiedenen artifiziellen sowie arteigenen Stimuli zuverlässig eine Änderung des Pegels der 2f1-f2 DPOAE von bis zu 37,3 dB in der ipsilateralen Kochlea bei wachen Tieren bewirkt. Dabei unterscheidet sich die Art der Beeinflussung deutlich je nach verwendetem kontralateralem Stimulus. Die Stimulation mit artifiziellem Breitbandrauschen supprimiert den Emissionspegel über den gesamten getesteten Frequenzbereich um etwa 11,6 dB, während die verwendeten arteigenen Laute eine vergleichbare Beeinflussung des DPOAE-Pegels ausschließlich in einem Frequenzbereich zwischen 50 und 70 kHz bewirken. Im Frequenzbereich von 20 bis 30 kHz verursachen die arteigenen Laute nahezu keine Pegelabsenkung, was im deutlichen Kontrast zu den Ergebnissen unter KAS mit Breitbandrauschen steht. Unter Narkoseeinfluss konnte, unabhängig vom verwendeten Stimulus, keine Beeinflussung des DPOAE-Pegels festgestellt werden, was die Annahme bestätigt, dass die verwendete Ketamin-Xylazin-Narkose einen drastischen Einfluss auf den Hörprozess und insbesondere auf das efferente System nimmt. Die Ursache dafür, dass arteigene Stimuli anders verarbeitet werden als artifizielle Stimuli (wie z. B. Breitbandrauschen) konnte zwar nicht abschließend geklärt werden, aber die Vermutung liegt nahe, dass in diesem Verarbeitungsprozess höhere Zentren der Hörbahn involviert sind und selektiven Einfluss auf die ablaufenden Prozesse nehmen.
Die Etablierung des OAE-Residual-Messparadigmas auf der Basis der Methode von Keefe und Ling (1998) sollte die Möglichkeit bieten sowohl Reintöne als auch komplexe, arteigene Stimuli zu verwenden und so eine Erweiterung des herkömmlich verwendeten Messverfahrens darstellen. Über verschiedene Vorversuche unter Anwendung einer Zweitonreizung konnte gezeigt werden, dass die Ergebnisse des neu entwickelten Paradigmas mit denen der herkömmlichen DPOAE-Messungen hinsichtlich Reintonstimuli vergleichbar sind. Anhand der gewonnenen Ergebnisse mit einer Stimulation mit komplexen Signalen zeigen sich allerdings die Schwierigkeiten der neuen Methode. Die bisher erhobenen Daten zeigen keine klaren, reproduzierbare Ergebnisse, sollten aber die Grundbedingungen für die weiterführenden Versuche ebnen.
In the last decades, natural products from lichens have gained more interest for pharmaceutical application due to the broad range of their biological activity. However, isolation of the compounds of interest directly from the lichen is neither feasible nor sustainable due to slow growth of many lichens. In order to develop a pipeline for heterologous expression of lichen biosynthesis gene clusters and thus the sustainable production of their bioactive compounds we have identified and characterized the phosphopantheteinyl transferase (PPTase) EppA from the lichen Evernia prunastri. The Sfp-type PPTase EppA was functionally characterized through heterologous expression in E. coli using the production of the blue pigment indigoidine as readout and by complementation of a lys5 deletion in S. cerevisiae.
The chloroplast phosphorylation network is important for posttranslational regulation of photosynthetic complexes, gene expression and metabolic pathways. In mass-spectrometric analyses a lot of putative phosphorylation targets have been found but these data need to be confirmed and brought into a physiological context. Here, we present a current protocol to quantify the phosphorylation state of thylakoid proteins and an in situ method to verify putative substrates for thylakoid associated kinases.
The paper lists 337 species from Magurski National Park (MNP): 314 lichens, 18 lichenicolous fungi, four saprotrophic fungi and one lichenicolous myxomycete; 112 of them are new for MNP, 75 are reported for the first time for the Beskid Niski Mts, and two are new for Poland. Selected species are accompanied by taxonomic notes and remarks on their distribution in Poland and other Carpathian ranges. First records of Intralichen lichenicola, Burgoa angulosa and Verrucaria policensis and a second record of Epigloea urosperma are given for the whole Carpathian range, and Fuscidea arboricola was recorded for the first time in the Western Carpathians. Halecania viridescens and Mycomicrothelia confusa are new for the Polish Carpathians. The records of Absconditella pauxilla, Collema crispum, Licea parasitica and Rinodina griseosoralifera in MNP are their second known localities for the range. 93 species, mainly rare or threatened in Poland, were reported from MNP in the 20th century but were not refound.
The genome of S. cerevisae encodes at least twenty hexose transporter-like proteins. Despite extensive research, the functions of Hxt8-Hxt17 have remained poorly defined. Here, we show that Hxt13, Hxt15, Hxt16 and Hxt17 transport two major hexitols in nature, mannitol and sorbitol, with moderate affinities, by a facilitative mechanism. Moreover, Hxt11 and Hxt15 are capable of transporting xylitol, a five-carbon polyol derived from xylose, the most abundant pentose in lignocellulosic biomass. Hxt11, Hxt13, Hxt15, Hxt16 and Hxt17 are phylogenetically and functionally distinct from known polyol transporters. Based on docking of polyols to homology models of transporters, we propose the architecture of their active site. In addition, we determined the kinetic parameters of mannitol and sorbitol dehydrogenases encoded in the yeast genome, showing that they discriminate between mannitol and sorbitol to a much higher degree than the transporters.
The worldwide use of neonicotinoid pesticides has caused concern on account of their involvement in the decline of bee populations, which are key pollinators in most ecosystems. Here we describe a role of non-neuronal acetylcholine (ACh) for breeding of Apis mellifera carnica and a so far unknown effect of neonicotinoids on non-target insects. Royal jelly or larval food are produced by the hypopharyngeal gland of nursing bees and contain unusually high ACh concentrations (4–8 mM). ACh is extremely well conserved in royal jelly or brood food because of the acidic pH of 4.0. This condition protects ACh from degradation thus ensuring delivery of intact ACh to larvae. Raising the pH to ≥5.5 and applying cholinesterase reduced the content of ACh substantially (by 75–90%) in larval food. When this manipulated brood was tested in artificial larval breeding experiments, the survival rate was higher with food supplemented by 100% with ACh (6 mM) than with food not supplemented with ACh. ACh release from the hypopharyngeal gland and its content in brood food declined by 80%, when honeybee colonies were exposed for 4 weeks to high concentrations of the neonicotinoids clothianidin (100 parts per billion [ppb]) or thiacloprid (8,800 ppb). Under these conditions the secretory cells of the gland were markedly damaged and brood development was severely compromised. Even field-relevant low concentrations of thiacloprid (200 ppb) or clothianidin (1 and 10 ppb) reduced ACh level in the brood food and showed initial adverse effects on brood development. Our findings indicate a hitherto unknown target of neonicotinoids to induce adverse effects on non-neuronal ACh which should be considered when re-assessing the environmental risks of these compounds. To our knowledge this is a new biological mechanism, and we suggest that, in addition to their well documented neurotoxic effects, neonicotinoids may contribute to honeybee colony losses consecutive to a reduction of the ACh content in the brood food.
Autophagy can act either as a tumor suppressor or as a survival mechanism for established tumors. To understand how autophagy plays this dual role in cancer, in vivo models are required. By using a highly heterogeneous C. elegans germline tumor, we show that autophagy-related proteins are expressed in a specific subset of tumor cells, neurons. Inhibition of autophagy impairs neuronal differentiation and increases tumor cell number, resulting in a shorter life span of animals with tumors, while induction of autophagy extends their life span by impairing tumor proliferation. Fasting of animals with fully developed tumors leads to a doubling of their life span, which depends on modular changes in transcription including switches in transcription factor networks and mitochondrial metabolism. Hence, our results suggest that metabolic restructuring, cell-type specific regulation of autophagy and neuronal differentiation constitute central pathways preventing growth of heterogeneous tumors.
Gene targeting in embryonic stem (ES) cells remains best practice for introducing complex mutations into the mouse germline. One aspect in this multistep process that has not been streamlined with regard to the logistics and ethics of mouse breeding is the efficiency of germline transmission: the transmission of the ES cell-derived genome through the germline of chimeras to their offspring. A method whereby male chimeras transmit exclusively the genome of the injected ES cells to their offspring has been developed. The new technology, referred to as goGermline, entails injecting ES cells into blastocysts produced by superovulated homozygous Tsc22d3 floxed females mated with homozygous ROSA26-Cre males. This cross produces males that are sterile due to a complete cell-autonomous defect in spermatogenesis. The resulting male chimeras can be sterile but when fertile, they transmit the ES cell-derived genome to 100% of their offspring. The method was validated extensively and in two laboratories for gene-targeted ES clones that were derived from the commonly used parental ES cell lines Bruce4, E14, and JM8A3. The complete elimination of the collateral birth of undesired, non-ES cell-derived offspring in goGermline technology fulfills the reduction imperative of the 3R principle of humane experimental technique with animals. genesis 54:326-333, 2016. © 2016 The Authors. Genesis Published by Wiley Periodicals, Inc.
Rhythms, i.e. periodic sequences of events or states, are a ubiquitous feature of physiological systems such as the heart, the lungs or the brain. For the brain in particular, the diversity of rhythms is remarkable, ranging from low frequency rhythms in the slow/delta band (0.5-4 Hz) during sleep to gamma band oscillations (30-120 Hz) rhythms during alert behavior, all expressed in various brain areas and at various spatial scales. To understand whether these rhythms subserve a function for the organism it is important to also understand the underlying mechanisms that generate them. While the generation of some rhythms appear to be well-understood, e.g. sleep spindles, others such as the cortical beta rhythm (13-30 Hz) have remained elusive.
Understanding the generation of a brain rhythm involves multiple spatial scales, from identifying intracellular mechanisms such as the contribution of individual transmembrane currents to studying how specific neuronal populations or areas affect the full physiological rhythm present in the intact, highly interconnected brain. The aim of this work has been to delineate the mechanistic contributions of individual brain areas to the in vivo generation of two particular rhythms present in efferent areas: (1) The first part of this work studies the influence of thalamocortical neurons on cortical slow/delta waves (0.5-4 Hz) of sleep that are sometimes also present in awake animals. (2) The second part is about the contribution of primary visual cortex to the beta rhythm (13-30 Hz) in extrastriate cortex of awake behaving animals.
The first step in methanol metabolism in methylotrophic yeasts, the oxidation of methanol and higher alcohols with molecular oxygen to formaldehyde and hydrogen peroxide, is catalysed by alcohol oxidase (AOX), a 600-kDa homo-octamer containing eight FAD cofactors. When these yeasts are grown with methanol as the carbon source, AOX forms large crystalline arrays in peroxisomes. We determined the structure of AOX by cryo-electron microscopy at a resolution of 3.4 Å. All residues of the 662-amino acid polypeptide as well as the FAD are well resolved. AOX shows high structural homology to other members of the GMC family of oxidoreductases, which share a conserved FAD binding domain, but have different substrate specificities. The preference of AOX for small alcohols is explained by the presence of conserved bulky aromatic residues near the active site. Compared to the other GMC enzymes, AOX contains a large number of amino acid inserts, the longest being 75 residues. These segments are found at the periphery of the monomer and make extensive inter-subunit contacts which are responsible for the very stable octamer. A short surface helix forms contacts between two octamers, explaining the tendency of AOX to form crystals in the peroxisomes.
Heterogeneous regulation of bacterial natural product biosynthesis via a novel transcription factor
(2016)
Biological diversity arises among genetically equal subpopulations in the same environment, a phenomenon called phenotypic heterogeneity. The life cycle of the enteric bacterium Photorhabdus luminescens involves a symbiotic interaction with nematodes as well as a pathogenic association with insect larvae. P. luminescens exists in two distinct phenotypic forms designated as primary (1°) and secondary (2°). In contrast to 1° cells, 2° cells are non-pigmented due to the absence of natural compounds, especially anthraquinones (AQs). We identified a novel type of transcriptional regulator, AntJ, which activates expression of the antA-I operon responsible for AQ production. AntJ heterogeneously activates the AQ production in single P. luminescens 1° cells, and blocks AQ production in 2° cells. AntJ contains a proposed ligand-binding WYL-domain, which is widespread among bacteria. AntJ is one of the rare examples of regulators that mediate heterogeneous gene expression by altering activity rather than copy number in single cells.
The sequenced genome of the poly-extremophile Exiguobacterium sp. S17, isolated from modern stromatolites at Laguna Socompa (3,570 m), a High-Altitude Andean Lake (HAAL) in Argentinean Puna revealed a putative proteorhodopsin-encoding gene. The HAAL area is exposed to the highest UV irradiation on Earth, making the microbial community living in the stromatolites test cases for survival strategies under extreme conditions. The heterologous expressed protein E17R from Exiguobacterium (248 amino acids, 85% sequence identity to its ortholog ESR from E. sibiricum) was assembled with retinal displaying an absorbance maximum at 524 nm, which makes it a member of the green-absorbing PR-subfamily. Titration down to low pH values (eventually causing partial protein denaturation) indicated a pK value between two and three. Global fitting of data from laser flash-induced absorption changes gave evidence for an early red-shifted intermediate (its formation being below the experimental resolution) that decayed (τ1 = 3.5 μs) into another red-shifted intermediate. This species decayed in a two-step process (τ2 = 84 μs, τ3 = 11 ms), to which the initial state of E17-PR was reformed with a kinetics of 2 ms. Proton transport capability of the HAAL protein was determined by BLM measurements. Additional blue light irradiation reduced the proton current, clearly identifying a blue light absorbing, M-like intermediate. The apparent absence of this intermediate is explained by closely matching formation and decay kinetics.
Embryonale Stammzellen (ESCs) sind ein wichtiges Werkzeug zur Untersuchung der frühen embryonalen Entwicklung. ESCs können mit Hilfe neuer Technologien zur Modifikation von Genen (z.B. mit dem CRISPR/Cas9 System) genetisch manipuliert werden. Daraus resultierende „knockout“ ES Zelllinien können helfen, die physiologische Rolle von Proteinen während der Differenzierung zu verstehen.
Transkriptionsfaktoren, die schnell und spezifisch Signalwege regulieren, spielen während der Embryonalentwicklung und während der Differenzierung von ESCs in vielen verschiedenen Zelltypen eine essentielle Rolle. Der Transkriptionsregulator „Far Upstream Binding Protein 1“ (FUBP1) ist ein Protein, welches eine ganz bestimmte einzelsträngige DNA Sequenz, das „Far Upstream Sequenz Element“, erkennt, bindet, und dadurch Gene wie z.B c-myc oder p21 reguliert. Mit der Entwicklung zweier Fubp1 Genfallen Mausstämme (Fubp1 GT) sollte die Frage nach der physiologischen Funktion von FUBP1 beantwortet werden. Die homozygoten FUBP1-defizienten GT Embryonen sterben im Mutterleib ungefähr am Tag E15.5 der Embryonalentwicklung. Sie sind kleiner als Wildtypembryonen und zeigen ein anämisches Aussehen. Daher wurden diese Mausmodelle hinsichtlich der Hämatopoese untersucht, die zu diesem Zeitpunkt vor allem in der Leber stattfindet. Es konnte eine signifikante Reduktion der hämatopoetischen Stammzellen (HSCs) festgestellt werden und zusätzlich war die langfristige Repopulation der FUBP1-/--Stammzellen im Knochenmark in Transplantationsexperimenten reduziert.
In der vorliegenden Arbeit wurde die Rolle von FUBP1 in einem weiteren Stammzellsystem analysiert und gleichzeitig seine Bedeutung in anderen Zelltypen der frühen Embryonalentwicklung untersucht.
Die Quantifizierung der FUBP1 Expression in den ESCs und während der Differenzierung zu sogenannten `embryoid bodies` (EBs) zeigten eine starke Expression auf mRNA- und auf Proteinebene. Nach der erfolgreichen Optimierung der Differenzierung von murinen ESCs wurden Fubp1 „knockout“ (KO) ESC Klone mit Hilfe der CRISPR/Cas9 Technologie etabliert. Die molekularbiologische Analyse der ESCs zeigte eine signifikante Erhöhung der Oct4 mRNA-Expression, während Nanog und die Differenzierungsmarker Brachyury, Nestin und Sox17 unverändert und in vergleichbarer Menge zu den Kontrollen vorhanden waren. Während der Differenzierung der Fubp1 KO Klone zu EBs zeigte sich eine signifikante Reduktion mesodermaler Marker wie Flk-1, SnaiI, Snai2, Bmp4 und FgfR2. Mit Hilfe durchflusszytometrischer Analysen bestätigte sich die verzögerte Bildung mesodermaler Zellen (Brachyury- und Flk-1-exprimierender Zellen) in den Fubp1 KO Klonen der EBs an den Tagen 3, 4 und 5 nach Beginn der Differenzierung.
Die Anwendung einer Ko-Kultivierung auf OP9 Zellen zur Differenzierung der ESCs in hämatopoetische Linien sollte zeigen, ob der Fubp1 KO ESCs ein Defekt in der frühen Entwicklung hämatopoetischer Stammzellen zu beobachten ist. Erneut konnte am Tag 5 der ESC-Differenzierung in der OP9 Ko-Kultur eine signifikante Reduktion der mesodermalen (Flk-1+) Zellen festgestellt werden. Die weitere Differenzierung zu hämatopoetischen CD45+ Zellen zeigte jedoch keinen Unterschied im prozentualen Anteil CD45+ Zellen am Tag 12 der Differenzierung. Auch die gezielte Differenzierung zu erythroiden Zellen durch Zugabe des Zytokins EPO zum Medium zeigte keinen signifikanten Unterschied im Differenzierungsgrad der erythroiden Zellen zwischen Kontroll- und Fubp1 KO Klonen.
In weiteren Experimenten habe ich in dieser Arbeit die Expression von FUBP1 in WT Embryos an den Tagen E9.5 und E13.5 der Embryonalentwicklung untersucht. Hierbei zeigte sich in beiden Entwicklungsstadien eine immunhistochemische Anfärbung von FUBP1 in den meisten Zellen des Embryos. Die Annahme, dass die Abwesenheit von FUBP1 in der Embryonalentwicklung zu verstärkten apoptotischen Vorgängen führen könnte und gleichzeitig die massive Expansion von Zellen gestört sein könnte wurde mit Hilfe immunhistochemischer Färbung von „cleaved Caspase 3“ (Apoptosemarker) und „Ki-67“ (Proliferationsmarker) in den homozygoten Fubp1 GT Embryos an den Tagen E9.5 und E13.5 nicht bestätigt.
Die Ergebnisse dieser Arbeit lassen darauf schließen, dass die Regulation von Apoptose und Proliferation durch FUBP1 während der Embryonalentwicklung nicht die Hauptrolle von FUBP1 darstellt. Es zeigte sich jedoch, dass FUBP1 als Transkriptionsregulator wichtig für die mesodermale Differenzierung von ESCs ist. Zu beobachten war, dass es in den FUBP1-defizienten ESCs zu einer Verzögerung der mesodermalen Differenzierung kommt. Es konnte bereits gezeigt werden, dass FUBP1 essenziell für die Selbsterneuerung von HSCs ist. Dies macht deutlich, dass FUBP1 neben der Proliferation und Apoptose ein breiteres Spektrum an Signalwegen reguliert, die für Stammzellen und deren Differenzierung von Bedeutung sind.
Many naturally occurring or artificially created RNAs are capable of binding to guanine or guanine derivatives with high affinity and selectivity. They bind their ligands using very different recognition modes involving a diverse set of hydrogen bonding and stacking interactions. Apparently, the potential structural diversity for guanine, guanosine, and guanine nucleotide binding motifs is far from being fully explored. Szostak and coworkers have derived a large set of different GTP-binding aptamer families differing widely in sequence, secondary structure, and ligand specificity. The so-called class V–GTP aptamer from this set binds GTP with very high affinity and has a complex secondary structure. Here we use solution NMR spectroscopy to demonstrate that the class V aptamer binds GTP through the formation of an intermolecular two-layered G-quadruplex structure that directly incorporates the ligand and folds only upon ligand addition. Ligand binding and G-quadruplex formation depend strongly on the identity of monovalent cations present with a clear preference for potassium ions. GTP binding through direct insertion into an intermolecular G-quadruplex is a previously unobserved structural variation for ligand-binding RNA motifs and rationalizes the previously observed specificity pattern of the class V aptamer for GTP analogs.
Die vorliegende Studie vermittelt einen epidemiologischen Überblick über das mit Haut- und Nagelläsionen assoziierte Pilzspektrum im Westen Panamas. Hierzu wurden Proben von vermutlich durch Pilzinfektionen verursachten Haut- sowie Nagelläsionen gesammelt und zum Anlegen von Kulturen verwendet. Die isolierten Pilze wurden basierend auf dem D-H-S System (Rieth), anhand morphologischer Merkmale, rDNA Sequenzdaten sowie phylogenetischen Analysen klassifiziert und mit Hilfe von Literaturdaten sowie physiologischen Eigenschaften als saprotrophe, opportunistische oder pathogene Organismen beurteilt. In Panama wurden 52 Proben von 51 Personen gesammelt, wobei das Material von 42 Haut- und Nagelläsionen der Füße, vier Läsionen der Fingernägel, zwei Chromomykosen, einer Tinea nigra und drei sonstigen Hautläsionen stammt. Bei 75 Prozent (n = 39) der Proben konnten Pilze kultiviert und insgesamt 201 Pilzstämme isoliert und subkultiviert werden. Hiervon wurden 50 Isolate (24,9 %) als Dermatophyten, 24 Stämme (11,9 %) als Hefen und 127 Isolate (63,2 %) als Schimmelpilze klassifiziert. Bei 19 Probanden (48,7 %) konnten Dermatophyten isoliert werden, wobei aus dem Probenmaterial von 12 Personen (63,2 %) ebenfalls andere Pilzarten nachgewiesen wurden. Von zwei Läsionen (5,1 %) wurden nur Hefen isoliert, wobei einmal eine Schwarze Hefe kultiviert wurde. In dem Material acht weiterer Proben (20,5 %) wurden Schimmelpilze und Hefestämme nachgewiesen und bei zehn Probanden (25,6 %) konnten aus dem Probenmaterial nur Schimmelpilze kultiviert werden. 172 Isolate wurden taxonomisch klassifiziert und 44 Arten aus 25 Gattungen, 17 Familien, 15 Ordnungen, sechs Klassen sowie den Abteilungen Ascomycota oder Basidiomycota zugeordnet. Die Ascomyceten stellen mit 164 Stämmen 40 verschiedener Arten aus 23 Gattungen, 15 Familien, 11 Ordnungen und vier Klassen die am häufigsten isolierte und vielfältigste Gruppe dar, während die Basidiomycota nur mit acht Isolaten vier verschiedener Arten zwei unterschiedlicher Gattungen, Familien, Ordnungen und Klassen nachgewiesen wurden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden in Panama die anthropophilen Dermatophyten Trichophyton rubrum und T. interdigitale dokumentiert, wobei T. rubrum die am häufigsten isolierte Art darstellt. Kultivierte Hefen waren Candida albicans, C. duobushaemulonii, C. tropicalis, Hortaea werneckii, Sporobolomyces sp., Trichosporon asahii, T. japonicum und T. montevideense. Die Schimmelpilze stellen die größte und ökologisch diverseste Organismengruppe der kultivierten Pilze dar. So wurden von den untersuchten Läsionen sowohl humanpathogene Erreger, als auch opportunistische Arten und rein saprotrophe Pilze sowie mehrere Vertreter wahrscheinlich bisher nicht wissenschaftlich beschriebener Arten bzw. Gattungen nachgewiesen. Aus dem Probenmaterial wurden die Pilze Acremonium collariferum, Aspergillus awamori, A. clavatus, A. flavus, A. giganteus, A. heteromorphus, A. niger, A. ochraceus, A. sclerotiorum, A. versicolor, Chaetomium globosum, Chrysosporium tuberculatum, Cladosporium sphaerospermum, C. tenuissimum, Curvularia geniculata, C. lunata, Fonsecaea pedrosoi, Fusarium oxysporum, F. solani, Lophotrichus bartlettii, Microascus cinereus, Neoscytalidium dimidiatum, Penicillium commune, Scolecobasidium sp., Scopulariopsis carbonaria, S. croci, Verticillium cf. epiphytum und Wardomycopsis litoralis isoliert. Zudem wurden vier Isolate von zwei vermutlich neuen Arten der Gattung Acremonium (Bionectriaceae, Hypocreales), zwei Stämme mit einer genetischen Affinität zu der Gattung Cryptendoxyla (Cephalothecaceae, Sordariales) und jeweils ein mit den Gattungen Fusicladium (Venturiaceae, Venturiales), Knufia (Trichomeriaceae, Chaetothyriales) bzw. Rhexothecium (Eremomycetaceae, Dothideomycetidae) assoziierter Stamm kultiviert. Im Rahmen dieser Studie wurden A. giganteus, C. tenuissimum, L. bartlettii, S. carbonaria, S. croci, V. epiphytum und W. litoralis erstmalig von Mykosen des Menschen dokumentiert und die in der Literatur als Verursacher sowie Besiedler von Haut- und Nagelläsionen beschriebenen Organismen A. clavatus, A. flavus, A. niger, A. ochraceus, C. tropicalis, C. globosum, C. sphaerospermum, C. lunata, F. oxysporum, M. cinereus, P. commune, T. asahii, T. japonicum und T. montevideense wurden das erste Mal in klinischem Probenmaterial aus Panama nachgewiesen. Die Arten A. awamori, A. heteromorphus, C. globosum, C. tenuissimum, L. bartlettii, M. cinereus, P. commune, S. croci, T. asahii, T. japonicum, T. montevideense, V. epiphytum, W. litoralis und die Gattung Scolecobasidium wurden zudem erstmalig für Panama dokumentiert. Die Isolation von W. litoralis ist ebenfalls der erste Nachweis dieses Pilzes außerhalb von Spanien und auf dem amerikanischen Kontinent. Die große Anzahl im Rahmen dieser Arbeit beschriebener, bisher für die Wissenschaft unbekannter bzw. nicht in Panama dokumentierter Pilzarten lässt auf eine große mykologische Biodiversität in Panama schließen und zeigt den Bedarf weiterer Forschung.
Background: Bacteria within the genus Photorhabdus maintain mutualistic symbioses with nematodes in complicated lifecycles that also involves insect pathogenic phases. Intriguingly, these bacteria are rich in biosynthetic gene clusters that produce compounds with diverse biological activities. As a basis to better understand the life cycles of Photorhabdus we sequenced the genomes of two recently discovered representative species and performed detailed genomic comparisons with five publically available genomes.
Results: Here we report the genomic details of two new reference Photorhabdus species. By then conducting genomic comparisons across the genus, we show that there are several highly conserved biosynthetic gene clusters. These clusters produce a range of bioactive small molecules that support the pathogenic phase of the integral relationship that Photorhabdus maintain with nematodes.
Conclusions: Photorhabdus contain several genetic loci that allow them to become specialist insect pathogens by efficiently evading insect immune responses and killing the insect host.
Non-Timber Forest Products (NTFPs) make a major contribution to the livelihoods and diets of rural households in the savanna ecosystems of West Africa. However, land use change and climatic variability might affect their availability in the future. Based on a survey among 227 households in Northern Benin, we investigated local substitution patterns for the seeds of the three socio-economically most important NTFP-species in the region, Vitellaria paradoxa, Adansonia digitata and Parkia biglobosa, being major sources for protein, fat, and micronutrients in local daily diets. Our study compared substitution patterns between, firstly, three income groups, to assess whether a households’ socio-economic status has an influence on the choice of surrogates (low cost vs. more costly options). Secondly, we compared substitution patterns between the five major ethnic groups in the study region (the Fulani, the Bariba, the Ditammarie, the Kabiyé and the Yom). The choice of substitutes differed significantly across income groups. However, the poorest households clearly show to be the most vulnerable: up to 30 % of the sampled households stated they would lack an adequate replacement for the NTFPs in question. Furthermore, ethnic affiliation showed to have a considerable impact on the preferred alternative products due to underlying cultural traditions of plant use. Subsequently, aiming at maintaining – and enhancing – the local supply of V. paradoxa, P. biglobosa and A. digitata in order to secure their contributions to local diets, local land use policy should have a particular focus on their ethnic-conditioned use and particularly the specific requirements of the poorest community members.
In West African savannas, human land use affects the density of woody species seedlings and saplings (juveniles) by altering the state of the physical, chemical, and biological characteristics of the land resulting in different land-cover types. We determined juvenile densities of 25 characteristic woody savanna species on non-arable sites, in fallows and in a protected area (in total 39 plots), and analyzed the influence of land use on juvenile densities. We further related the influence of land use on juvenile densities to 23 environmental parameters describing soil properties and vegetation structure. Soil acidity, particle size distribution of the soil, and vegetation structure differed between land-cover types. In terms of human impact, we detected five groups of species responding similarly to land use. Although we detected significant differences in soil properties, their direct effects on juvenile densities are less pronounced than their indirect effects. By altering the availability of resources, soil properties affect height and cover of all plants growing in the surrounding of a young woody plant, increasing the competition for light, water and nutrients during the establishment and initial growth. These effects are intensified by human land use and vary between land-cover types.
Unique features of a global human ectoparasite identified through sequencing of the bed bug genome
(2016)
The bed bug, Cimex lectularius, has re-established itself as a ubiquitous human ectoparasite throughout much of the world during the past two decades. This global resurgence is likely linked to increased international travel and commerce in addition to widespread insecticide resistance. Analyses of the C. lectularius sequenced genome (650 Mb) and 14,220 predicted protein-coding genes provide a comprehensive representation of genes that are linked to traumatic insemination, a reduced chemosensory repertoire of genes related to obligate hematophagy, host–symbiont interactions, and several mechanisms of insecticide resistance. In addition, we document the presence of multiple putative lateral gene transfer events. Genome sequencing and annotation establish a solid foundation for future research on mechanisms of insecticide resistance, human–bed bug and symbiont–bed bug associations, and unique features of bed bug biology that contribute to the unprecedented success of C. lectularius as a human ectoparasite.
Elevated tumor interstitial fluid pressure (TIFP) is a prominent feature of solid tumors and hampers the transmigration of therapeutic macromolecules, for example, large monoclonal antibodies, from tumor-supplying vessels into the tumor interstitium. TIFP values of up to 40 mm Hg have been measured in experimental solid tumors using two conventional invasive techniques: the wick-in-needle and the micropuncture technique. We propose a novel noninvasive method of determining TIFP via ultrasonic investigation with scanning acoustic microscopy at 30-MHz frequency. In our experimental setup, we observed for the impedance fluctuations in the outer tumor hull of A431-vulva carcinoma–derived tumor xenograft mice. The gain dependence of signal strength was quantified, and the relaxation of tissue was calibrated with simultaneous hydrostatic pressure measurements. Signal patterns from the acoustical images were translated into TIFP curves, and a putative saturation effect was found for tumor pressures larger than 3 mm Hg. This is the first noninvasive approach to determine TIFP values in tumors. This technique can provide a potentially promising noninvasive assessment of TIFP and, therefore, can be used to determine the TIFP before treatment approach as well to measure therapeutic efficacy highlighted by lowered TFP values.
Flower color is an important characteristic that determines the commercial value of ornamental plants. Gentian flowers occur in a limited range of colors because this species is not widely cultivated as a cut flower. Gentiana lutea L. var. aurantiaca (abbr, aurantiaca) is characterized by its orange flowers, but the specific pigments responsible for this coloration are unknown. We therefore investigated the carotenoid and flavonoid composition of petals during flower development in the orange-flowered gentian variety of aurantiaca and the yellow-flowered variety of G. lutea L. var. lutea (abbr, lutea). We observed minor varietal differences in the concentration of carotenoids at the early and final stages, but only aurantiaca petals accumulated pelargonidin glycosides, whereas these compounds were not found in lutea petals. We cloned and sequenced the anthocyanin biosynthetic gene fragments from petals, and analyzed the expression of these genes in the petals of both varieties to determine the molecular mechanisms responsible for the differences in petal color. Comparisons of deduced amino acid sequences encoded by the isolated anthocyanin cDNA fragments indicated that chalcone synthase (CHS), chalcone isomerase (CHI), anthocyanidin synthase 1 (ANS1) and ANS2 are identical in both aurantiaca and lutea varieties whereas minor amino acid differences of the deduced flavonone 3-hydroxylase (F3H) and dihydroflavonol 4-reductase (DFR) between both varieties were observed. The aurantiaca petals expressed substantially higher levels of transcripts representing CHS, F3H, DFR, ANS and UDP-glucose:flavonoid-3-O-glucosyltransferase genes, compared to lutea petals. Pelargonidin glycoside synthesis in aurantiaca petals therefore appears to reflect the higher steady-state levels of pelargonidin synthesis transcripts. Moreover, possible changes in the substrate specificity of DFR enzymes may represent additional mechanisms for producing red pelargonidin glycosides in petals of aurantiaca. Our report describing the exclusive accumulation of pelargonidin glycosides in aurantiaca petals may facilitate the modification of gentian flower color by the production of red anthocyanins.
Anthropogenic changes in climate and land use are driving changes in migration patterns of birds worldwide. Spatial changes in migration have been related to long-term temperature trends, but the intrinsic mechanisms by which migratory species adapt to environmental change remain largely unexplored. We show that, for a long-lived social species, older birds with more experience are critical for innovating new migration behaviours. Groups containing older, more experienced individuals establish new overwintering sites closer to the breeding grounds, leading to a rapid population-level shift in migration patterns. Furthermore, these new overwintering sites are in areas where changes in climate have increased temperatures and where food availability from agriculture is high, creating favourable conditions for overwintering. Our results reveal that the age structure of populations is critical for the behavioural mechanisms that allow species to adapt to global change, particularly for long-lived animals, where changes in behaviour can occur faster than evolution.
Mikroalgen wird aufgrund ihrer photoautotrophen Lebensweise, ihrer meist einfachen Anzucht und ihres schnellen Wachstums ein großes Potential als Produzenten verschiedener Stoffe, wie beispielsweise den Sekundärmetaboliten der Carotinoidbiosynthese, zugesprochen. Zur Produktion solcher Stoffe bedarf es der Aufklärung der in einem Biosyntheseweg operierenden Enzyme und ihrer zugehörigen Gene.
In dieser Arbeit sollte einerseits durch genetische Modifikation der Carotinoidbiosynthese der Fucoxanthingehalt erhöht und andererseits die Produktion von Astaxanthin in P. tricornutum erreicht werden. Bisher fehlen experimentelle Nachweise über die Funktion, Regulation und die limitierenden Eigenschaften daran beteiligter Gene und deren Enzyme. Um dem Ziel der Arbeit näher zu kommen, wurden zuerst potentiell an der Regulation der Carotinoidbiosynthese beteiligte Gene ausgewählt und deren Enzyme funktionell charakterisiert. Eines dieser Enzyme ist das Eingangsenzym der Carotinoidbiosynthese, die Phytoen-Synthase. Die entsprechend annotierte putative Sequenz (psy #Pt56881) wurde zur Analyse herangezogen. Nachdem im Rahmen dieser Arbeit über die Komplementation in einem dafür ausgerichteten E. coli Stamm der funktionelle Nachweis der Phytoen-Synthase erbracht werden konnte, wurde untersucht, ob die Phytoen-Synthase einer lichtabhängigen Expression unterliegt und somit die Carotinoidsynthese im WT von P. tricornutum limitiert. Durch die Inhibierung der Phytoen-Desaturase mittels Norflurazon konnte die verstärkte Akkumulation des Produktes der Phytoen-Synthase, Phytoen, bei einem Transfer der P. tricornutum-Kulturen von Schwach- in Starklicht gezeigt werden. Die Expression der Phytoen-Synthase von P. tricornutum wird demnach durch die Lichtbedingungen reguliert und limitiert auch die Carotinoidsynthese. Ein weiteres an der Carotinoidsynthese beteiligtes Enzym ist die Zeaxanthin-Epoxidase. Sie bietet zugleich eine Möglichkeit, an dieser Stelle die Carotinoidsynthese in Richtung Astaxanthinproduktion umzulenken. Für P. tricornutum sind drei potentielle Genkandidaten (zep1: #Pt45845; zep2: #Pt56488; zep3: #Pt56792) annotiert, welche ebenfalls im Rahmen dieser Arbeit funktionell charakterisiert wurden. Der funktionelle Nachweis erfolgte dabei ebenfalls mittels eines Komplementationsansatzes in einem damit neu etablierten Expressionssystem mit npq2-Mutanten aus der Modellpflanze A. thaliana. Die Analyse der Transformanden zeigte eine Epoxidase-Aktivität des Produktes aus zep2 und zep3. Das Enzym Zeaxanthin-Epoxidase 2 weist dabei eine andere Spezifität auf als die Zeaxanthin-Epoxidase 3, welche funktionell betrachtet der Zeaxanthin-Epoxidase aus A. thaliana am nächsten kommt. Die Zeaxanthin-Epoxidase 2 akzeptiert im Unterschied zu Zeaxanthin-Epoxidase 3 neben Zeaxanthin auch andere Substrate wie Lutein mit nur einem 3 Hydroxy-β-Iononring und stellt damit einen validen Kandidaten für die Umwandlung von Diatoxanthin in Diadinoxanthin in P. tricornutum dar. Obwohl die Transkriptanalysen ausreichende Mengen an RNA von zep1 in A. thaliana zeigen und anhand eines zusätzlichen mit der Sequenz für GFP markierten zep1-Konstruktes in WT-Protoplasten von A. thaliana der Import in den Chloroplasten und die Expression nachgewiesen werden konnte, weist die Zeaxanthin-Epoxidase 1 zumindest in den A. thaliana-Transformanden keine Epoxidase-Aktivität auf. Des Weiteren zeigt die diurnale Expression in P. tricornutum, dass die Regulation der Zeaxanthin-Epoxidasen an den Bedarf photoprotektiver Pigmente angepasst wird. Während die Regulation des Transkript-Levels von zep2 und zep3 nahezu parallel laufen und ein gemeinsames Maximum aufweisen, zeigt das Transkript-Level von zep1 ein anderes Maximum.
Die gewonnenen Erkenntnisse wurden dann zur Steigerung der Synthesekapazität mittels genetischer Modifikation des Carotinoidsyntheseweges in P. tricornutum angewendet. Durch das Einbringen zusätzlicher Genkopien der Phytoen-Synthase in P. tricornutum konnte dabei eine deutliche Steigerung des Fucoxanthingehalts unter Schwachlichtbedingungen erreicht werden. Gleichzeitig konnte durch weitere inhibitorische Versuche mittels Norflurazon beim Transfer von Schwach- zu Starklicht demonstriert werden, dass die Carotinoidsynthese durch die Kombination der genetischen Modifikation mit der Phytoen-Synthase und Starklicht per se weiterhin gesteigert werden kann. Zusammen mit den Transkriptanalysen zeigen die Pigmentanalysen, dass es einen nicht-linearen Zusammenhang zwischen RNA-Menge und gebildeter Phytoenmenge gibt, welcher durch eine zusätzliche Substratlimitierung der Phytoen-Synthase erklärt werden kann.
Bevor das Herunterregulieren der Zeaxanthin-Epoxidasen in P. tricornutum durchgeführt und damit ein verstärkter Fluss zur Astaxanthinbildung erreicht werden sollte, wurde das Potential von P. tricornutum zur Astaxanthinproduktion überprüft. Hierfür wurde die β-Carotin-Ketolase (bkt #CrAEA35045.1) aus C. reinhardtii einmal ohne und zusätzlich mit verschiedenen Präsequenzen fusioniert separat in P. tricornutum eingebracht. Astaxanthin konnte trotz Nutzung funktionell bestätigter Präsequenzen aus der Literatur nicht nachgewiesen werden. Die Versuche zeigen damit, dass hier noch weitere Untersuchungen nötig sind, um mittels eines geeigneten Transportsystems Fremd-Proteine in den Chloroplasten von P. tricornutum einzubringen. Das Ausbleiben der Astaxanthinproduktion konnte an dieser Stelle nicht hinreichend geklärt werden.
Insgesamt schaffen die Ergebnisse dieser Arbeit eine weitere Grundlage, um die Carotinoidbiosynthese in P. tricornutum besser zu verstehen und diese mittels genetischer Modifikationen biotechnologisch nutzbar zu machen.
Die Beobachtung, dass Tumorzellen häufig eine Abhängigkeit gegenüber einer einzelnen und treibenden Mutation entwickeln, obwohl sie zahlreiche Mutationen aufweisen, bildet die Grundlage der mittlerweile etablierten, zielgerichteten Tumortherapie (Weinstein, 2002). Mit der Identifikation verantwortlicher Signalwege sowie beteiligter Signalkomponenten, sind Ansatzpunkte für diese Therapieform geschaffen worden, die bereits zu einigen Erfolgen in der Leukämie-, Brustkrebs- oder Lungenkrebsbehandlung geführt haben (Druker et al., 2001; Slamon et al., 2001; Kwak et al., 2010) . In vielen Fällen stellt sich jedoch ein Rückfall aufgrund der Ausbildung von Resistenzen ein oder auch das Nichtanschlagen der Therapien wird beobachtet (Ramos & Bentires-Alj, 2015).
Verschiedenste Mechanismen kommen dabei in Frage, doch häufig werden kompensatorische Veränderungen in den Signalwegen beobachtet, die schließlich zur Umgehung der Inhibition führen (Holohan et al., 2013). Grundlage hierfür ist die Redundanz und Verknüpfung der Signalwege mit- und untereinander, die es der Zelle im Sinne der Homöostase ermöglichen sich flexibel an ihre Umgebung anzupassen (Rosell et al., 2013; Sun & Bernards, 2014) . Daher ist es von äußerster Wichtigkeit, die Mechanismen der Inhibition im Hinblick auf die Signalwege der Zellen genauer zu verstehen, und dabei nicht nur die direkten, sondern auch die indirekten Effekte der Inhibition zu analysieren. So lassen sich Rückschlüsse auf den Einsatz zielgerichteter Medikamenten ziehen, die in besseren Therapiekombinationen resultieren und dadurch die Entstehung von Resistenzen verhindern.
Eine Hyper-Aktivierung von STAT3 sowie das dadurch induzierte Genmuster sind als starkes onkogenes Signal identifiziert worden, und spielen darüber hinaus an der Vermittlung von Resistenzen gegenüber Tumortherapien eine entscheidende Rolle. Durch seine Rolle in diversen zellulären Prozessen, beeinflusst STAT3 die Proliferation und das Überleben von Tumorzellen, ihr migratorisches und invasives Verhalten sowie ihre Kommunikation mit Stroma- und Immunzellen. (Bromberg et al., 1999; Wake & Watson, 2015) Sehr selten ist die aberrante Aktivierung des Transkriptionsfaktors auf eigene Mutationen zurückzuführen, vielmehr sorgen Treiber überhalb für diese (Johnston & Grandis, 2011; Kucuk et al., 2015).
In der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene STAT3-Inhibitionen in unterschiedlichen Modellen verglichen um darüber Rückschlüsse auf Kriterien einer Therapie zu ziehen. In einem Gliommodell aus der Maus, dem eine v-SRC-Expression als Treiber zu Grunde liegt (Smilowitz et al., 2007), wurde eine indirekte, BMX-vermittelte STAT3-Inhibition mit einer zielgerichteten STAT3-Hemmung verglichen. BMX, die zur TEC-Kinase-Familie gehört, wird als STAT3-aktivierende Kinase beschrieben. In letzter Zeit wurde ihr Einfluss bei der Tumorentwicklung immer deutlicher (Dai et al., 2006; Hart et al., 2011; Holopainen et al., 2012). Unter anderem konnte in Glioblastom-Stammzellen eine BMX-vermittelte STAT3-Aktivierung als Treiber für die Selbsterneurungskapazität und das tumorigene Potential identifiziert werden (Guryanova et al., 2011). Mit dem Tyrosinkinase-Inhibitor Canertinib ist es gelungen, in den murinen Tu-2449-Gliomzellen eine BMX-vermittelte STAT3-Aktivierung nachzuweisen und zu inhibieren. Dies ist damit die erste Arbeit, in der Canertinib als BMX-Inhibitor in einem endogenen Zellsystem getestet wurde. Die einmalige Canertinib-Gabe resultierte in einem Zellzyklusarrest der G1-Phase und die Aufrechterhaltung der Inhibitorwirkung im Zelltod. Im Vergleich dazu konnte eine RNAivermittelte STAT3-Stilllegung nicht das Absterben dieser Zellen induzieren. Mit der Suche weiterer Zielstrukturen von Canertinib, die die Grundlage dieser unterschiedlichen Phänotypen bilden, konnte eine zusätzliche AKT-Inhibition identifiziert werden. Sehr wahrscheinlich wird die AKT-Inhibition ebenfalls durch BMX vermittelt, da keine Inhibition der ERBB-Familie bestätigt werden konnte. Um die Effekte weiter abzugleichen wurden Canertinib-Versuche mit einem humanen Brustkrebsmodell durchgeführt, das als Treiber eine Überexpression des EGFR aufweist.
In MDA-MB-468-Zellen, in denen keine BMX-Aktivierung vorliegt, resultierte eine Canertinib-Behandlung in der sehr prominenten Inhibition des ERK-Signalweges und in einer weniger ausgeprägten Verminderung der STAT3- und AKT-Aktivierung. Auch in diesen Zellen führte die Canertinib-Behandlung zum Zelltod. Diese Effekte werden sehr wahrscheinlich durch die Inhibition des EGFR induziert, da Canertinib als pan-ERBBInhibitor beschrieben ist (Slichenmyer et al., 2001; Djerf Severinsson et al., 2011) .
Resultate die früher in der Arbeitsgruppe gewonnen wurden, beweisen, dass eine Herunterregulation von STAT3 in der Brustkrebszelllinie MDA-MB-468 ausreicht um ein Absterben der Zellen zu induzieren (Groner et al., 2008).
Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass eine Canertinib-Behandlung über die Inhibition unterschiedlicher Signalwege den Zelltod in beiden Zelllinien induziert. Obwohl beide Zelllinien Treiber-vermitteltes, konstitutiv aktives STAT3 aufweisen, stellt nur in den Brustkrebszellen seine Inhibition eine ausreichende Therapiebedingung dar. Somit sind die Unterschiede zwischen den beiden Zelllinien essentiell für ein Überleben der Zellen nach einer STAT3-Inhibition. In Zukunft ist es wichtig, diese Unterschiede zu identifizieren um damit zu definieren, in welchen Patientengruppen eine STAT3-Inhibition zum Erfolg führt.
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.
Along with barley and rice, maize provides staple food for more than half of the world population. Maize ears are regularly infected with fungal pathogens of the Fusarium genus, which, besides reducing yield, also taint grains with toxic metabolites. In an earlier work, we have shown that maize ears infection with single Fusarium strains was detectable through volatile sensing. In nature, infection most commonly occurs with more than a single fungal strain; hence we tested how the interactions of two strains would modulate volatile emission from infected ears. For this purpose, ears of a hybrid and a dwarf maize variety were simultaneously infected with different strains of Fusarium graminearum and F. verticillioides and, the resulting volatile profiles were compared to the ones of ears infected with single strains. Disease severity, fungal biomass, and the concentration of the oxylipin 9-hydroxy octadecadienoic acid, a signaling molecule involved in plant defense, were monitored and correlated to volatile profiles. Our results demonstrate that in simultaneous infections of hybrid and dwarf maize, the most competitive fungal strains had the largest influence on the volatile profile of infected ears. In both concurrent and single inoculations, volatile profiles reflected disease severity. Additionally, the data further indicate that dwarf maize and hybrid maize might emit common (i.e., sesquiterpenoids) and specific markers upon fungal infection. Overall this suggests that volatile profiles might be a good proxy for disease severity regardless of the fungal competition taking place in maize ears. With the appropriate sensitivity and reliability, volatile sensing thus appears as a promising tool for detecting fungal infection of maize ears under field conditions.
To survive and thrive in nature, animals need to adapt their behavior to their environment. Behavioral adaptation is primarily due to changes within the brain and involves changes in the brain proteome (the collection of proteins in the brain). However, thus far very few studies have examined the proteomic changes during behavioral adaptation. Hence, with this work I set out to determine the proteomic changes induced in the brain of zebrafish larvae undergoing behavioral adaptation. Specifically, I examined the changes induced by adaptation to the natural challenge of strong water currents. To this end I took advantage of an assay developed by my collaborators Luis Castillo and Soojin Ryu. In this assay 5 days old zebrafish larvae were exposed to strong water currents. Subsequently they exhibited a reduction in cortisol response and initial locomotion, and increased rheotaxis, as defined by increased swimming directly against the water current when re-exposed to the water current. I employed this assay to investigate the changes to the larval zebrafish brain proteome during behavioral adaptation. Furthermore, I developed a method for extracting larval brains and prepare them for mass-spectrometric analysis. This work not only allowed the comparison of the brain proteome of naïve and behaviorally-adapted larvae, but also resulted in the most comprehensive proteome of the zebrafish brain observed to date and the first proteome of the larval zebrafish brain. In total 4309 proteins were identified in the brain. When the proteome of naïve and behaviorally adapted larvae were compared 41 proteins were found to be more abundant and 16 to be less abundant in the pre-exposed larvae. Of these 57 proteins, 28 have previously been found to have functions in the brain, 17 with functions identified in other tissues, and 12 proteins that have yet to be described. From examining the most relevant function of each protein I propose a speculative model in which the larval brain undergoes behavioral adaptation and becomes less susceptible to stress (reduction in mecp2 and hsp90 protein), form new neuronal connections (regulation of arid1b, fmn2b, ptpra, mycbp2, and pcyt2), modulate existing connections (regulation of asic1b, calsenilin, ptpra, aplp2, dag1, olfm1b, mycbp2, smad3a, and acvr2a abundance), undergo spatial learning in form of navigating the water vortex (increases in calsenilin, ptpra, and pcyt2), show an elevation in protein turnover (increases in lamp2, Ublcp1, larp4b, and ublcp1), have increased and regulated energy production (increases or reduction in rpia, ldhbb, and mitochondrial proteins; nfs1, eci1, MRPS2B, MRPL4, and mrps2), and a decrease in neurogenesis (reduction in smad3a, and ric8a).
To further investigate proteomic changes during behavioral adaptation, I investigated the translational response by metabolically labeling the larval forebrain with ANL and visualizing the labeled proteins using the fluorescent non-canonical amino acid tagging (FUNCAT). I detected a general increase in translation within the forebrain as a result of the water vortex adaptation, which correlated well with the range of changes observed in the brain proteome. Specifically, a region within the forebrain correlated with a region in the adult zebrafish that is homologous to the mammalian limbic region.
Taken together these results show that during behavioral adaptation, protein synthesis is significantly increased in the larval forebrain, and that throughout the brain regulation of the proteome includes proteins that could support the following functions: changes or modifications in neuronal connectivity, the stress response, spatial learning, changes in energy metabolism and changes in neurogenesis.
Lastly, I set out to provide a new tool for zebrafish researchers. Together with Güney Akbalik I introduced metabolic labeling of newly synthesized RNA using 5-ethynyluridine (EU) and subsequent visualization with a copper catalyzed clickreaction to the zebrafish larvae. With 5 hours of EU incubation I was able to visualize newly synthesized RNA and identify pentylenetetrazole-induced transcriptional increases. With this I showed that EU labeling could be implemented to examining transcriptional changes within the brain of zebrafish larvae.
Janthinobacterium and Duganella are well-known for their antifungal effects. Surprisingly, almost nothing is known on molecular aspects involved in the close bacterium-fungus interaction. To better understand this interaction, we established the genomes of 11 Janthinobacterium and Duganella isolates in combination with phylogenetic and functional analyses of all publicly available genomes. Thereby, we identified a core and pan genome of 1058 and 23,628 genes. All strains encoded secondary metabolite gene clusters and chitinases, both possibly involved in fungal growth suppression. All but one strain carried a single gene cluster involved in the biosynthesis of alpha-hydroxyketone-like autoinducer molecules, designated JAI-1. Genome-wide RNA-seq studies employing the background of two isolates and the corresponding JAI-1 deficient strains identified a set of 45 QS-regulated genes in both isolates. Most regulated genes are characterized by a conserved sequence motif within the promoter region. Among the most strongly regulated genes were secondary metabolite and type VI secretion system gene clusters. Most intriguing, co-incubation studies of J. sp. HH102 or its corresponding JAI-1 synthase deletion mutant with the plant pathogen Fusarium graminearum provided first evidence of a QS-dependent interaction with this pathogen.
50 years of amino acid hydrophobicity scales : revisiting the capacity for peptide classification
(2016)
Background: Physicochemical properties are frequently analyzed to characterize protein-sequences of known and unknown function. Especially the hydrophobicity of amino acids is often used for structural prediction or for the detection of membrane associated or embedded β-sheets and α-helices. For this purpose many scales classifying amino acids according to their physicochemical properties have been defined over the past decades. In parallel, several hydrophobicity parameters have been defined for calculation of peptide properties. We analyzed the performance of separating sequence pools using 98 hydrophobicity scales and five different hydrophobicity parameters, namely the overall hydrophobicity, the hydrophobic moment for detection of the α-helical and β-sheet membrane segments, the alternating hydrophobicity and the exact ß-strand score.
Results: Most of the scales are capable of discriminating between transmembrane α-helices and transmembrane β-sheets, but assignment of peptides to pools of soluble peptides of different secondary structures is not achieved at the same quality. The separation capacity as measure of the discrimination between different structural elements is best by using the five different hydrophobicity parameters, but addition of the alternating hydrophobicity does not provide a large benefit. An in silico evolutionary approach shows that scales have limitation in separation capacity with a maximal threshold of 0.6 in general. We observed that scales derived from the evolutionary approach performed best in separating the different peptide pools when values for arginine and tyrosine were largely distinct from the value of glutamate. Finally, the separation of secondary structure pools via hydrophobicity can be supported by specific detectable patterns of four amino acids.
Conclusion: It could be assumed that the quality of separation capacity of a certain scale depends on the spacing of the hydrophobicity value of certain amino acids. Irrespective of the wealth of hydrophobicity scales a scale separating all different kinds of secondary structures or between soluble and transmembrane peptides does not exist reflecting that properties other than hydrophobicity affect secondary structure formation as well. Nevertheless, application of hydrophobicity scales allows distinguishing between peptides with transmembrane α-helices and β-sheets. Furthermore, the overall separation capacity score of 0.6 using different hydrophobicity parameters could be assisted by pattern search on the protein sequence level for specific peptides with a length of four amino acids.
This report provides a brief review of the 20th annual meeting of the German Language Branch of the Society of Environmental Toxicology and Chemistry (SETAC GLB) held from September 7th to 10th 2015 at ETH (Swiss Technical University) in Zurich, Switzerland. The event was chaired by Inge Werner, Director of the Swiss Centre for Applied Ecotoxicology (Ecotox Centre) Eawag-EPFL, and organized by a team from Ecotox Centre, Eawag, Federal Office of the Environment, Federal Office of Agriculture, and Mesocosm GmbH (Germany). Over 200 delegates from academia, public agencies and private industry of Germany, Switzerland and Austria attended and discussed the current state of science and its application presented in 75 talks and 83 posters. In addition, three invited keynote speakers provided new insights into scientific knowledge ‘brokering’, and—as it was the International Year of Soil—the important role of healthy soil ecosystems. Awards were presented to young scientists for best oral and poster presentations, and for best 2014 master and doctoral theses. Program and abstracts of the meeting (mostly in German) are provided as Additional file 1.
In der vorliegenden Arbeit werden funktionale Details der Okklusion während der Mastikation bei ausgewählten fossilen und rezenten Primaten quantitativ vergleichend untersucht. Dazu wurden die Okklusionsflächen von antagonistischen Molarenpaaren mit modernen virtuellen Verfahren eingescannt und anhand von 3D Kronenmodellen kartiert und funktional ausgewertet. Die in der Forschergruppe DFG FOR 771 entwickelte Software „Occlusal Fingerprint Analyser“ (OFA) kam erstmals bei einer großen Stichprobe von Primaten zum Einsatz.
Aus dem ursprünglichen tribosphenischen Molarentyp der frühen eozänen Primaten haben einige Nahrungsspezialisten im Laufe der Evolution Modifikationen entwickelt um ihre Nahrung mechanisch besser aufzubereiten. So sind neue Funktionselemente auf den Molaren entstanden, wie z.B. ein distolingualer Höcker (Hypoconus) auf den Oberkiefermolaren.
Die Auswertung der Parametermessungen, wie die Facettenlage und -größe, der Okklusale Kompass, der Mastikationskompass und die Messungen der Okklusionsreliefs ergaben, dass die basalen Primatenvertreter aus dem Eozän einen flachen Hypoconus als vergrößerte Fläche zum Quetschen der Nahrung genutzt haben. Das weist auf eine frugivore Nahrungspräferenz hin. Der distolinguale Höcker ist unter den rezenten Spezies mit insektivorer Nahrungspräferenz besonders häufig ausgebildet. Es konnte gezeigt werden, dass eine zweite Kauphase, die nach der maximalen Verzahnung mit der Öffnung des Kiefers eintritt, unter den rezenten Strepsirrhini mit Hypoconus nur sehr schwach ausgeprägt ist.
Eine weitere evolutionäre Modifikation sind buccolingual ausgerichtete komplementäre Kantenpaare auf den Molaren, die sogenannte Bilophodontie, die sich in der Familie der Cercopithecidae entwickelt hat. Die Unterfamilie der Colobinae zeigt eine besonders stark reliefgeführte Okklusion und hat deshalb während der Mastikation weniger Bewegungsspielraum als die der Cercopithecinae. Die zweite Kauphase der Cercopithecinae ist gegenüber den folivoren Colobinae zum Teil auffällig verlängert. Da die Colobinae Vormagenverdauer und die Cercopithecinae Monogastrier sind, kann vermutet werden, dass die Zahnmorphologie eng mit der entsprechenden chemischen Verdauungsweise verknüpft ist. Das dryopithecine Höckermuster der Hominoidea hat eine wesentlich flachere Höckermorphologie als die bilophodonten Molaren. Daher war ein höherer Bewegungsspielraum während der Mastikation beobachtbar. Es konnte gezeigt werden, dass steilere Facetten bei den folivoren Nahrungsspezialisten zu finden sind, wie den Colobinae bei den bilophodonten, oder den Gorillas unter dem dryopithecinen Molarentyp. Mit einem flacheren Molarenrelief kann auf ein breiteres Nahrungsspektrum zugegriffen werden.
Mit den OFA-Analysen und den Ergebnissen der Quantifizierung des Kronenreliefs von rezenten und fossilen Primatenzähnen konnte in der vorliegenden Untersuchung eine relevante Vergleichsbasis für ein funktionelles Verständnis der Evolution der vielfältigen Kronenformen bei Primaten erarbeitet werden. Für zukünftige Studien sollte die innerartliche Stichprobe erweitert werden um die Variabilität näher zu untersuchen.
The swine plasma metabolome chronicles "many days" biological timing and functions linked to growth
(2016)
The paradigm of chronobiology is based almost wholly upon the daily biological clock, or circadian rhythm, which has been the focus of intense molecular, cellular, pharmacological, and behavioral, research. However, the circadian rhythm does not explain biological timings related to fundamental aspects of life history such as rates of tissue/organ/body size development and control of the timing of life stages such as gestation length, age at maturity, and lifespan. This suggests that another biological timing mechanism is at work. Here we focus on a "many days" (multidien) chronobiological period first observed as enigmatic recurring growth lines in developing mammalian tooth enamel that is strongly associate with all adult tissue, organ, and body masses as well as life history attributes such as gestation length, age at maturity, weaning, and lifespan, particularly among the well studied primates. Yet, knowledge of the biological factors regulating the patterning of mammalian life, such as the development of body size and life history structure, does not exist. To identify underlying molecular mechanisms we performed metabolome and genome analyses from blood plasma in domestic pigs. We show that blood plasma metabolites and small non-coding RNA (sncRNA) drawn from 33 domestic pigs over a two-week period strongly oscillate on a 5-day multidien rhythm, as does the pig enamel rhythm. Metabolomics and genomics pathway analyses actually reveal two 5-day rhythms, one related to growth in which biological functions include cell proliferation, apoptosis, and transcription regulation/protein synthesis, and another 5-day rhythm related to degradative pathways that follows three days later. Our results provide experimental confirmation of a 5-day multidien rhythm in the domestic pig linking the periodic growth of enamel with oscillations of the metabolome and genome. This association reveals a new class of chronobiological rhythm and a snapshot of the biological bases that regulate mammalian growth, body size, and life history.
The interaction between the Heat Shock Proteins 70 and 40 is at the core of the ATPase regulation of the chaperone machinery that maintains protein homeostasis. However, the structural details of this fundamental interaction are still elusive and contrasting models have been proposed for the transient Hsp70/Hsp40 complexes. Here we combine molecular simulations based on both coarsegrained and atomistic models with co-evolutionary sequence analysis to shed light on this problem by focusing on the bacterial DnaK/DnaJ system. The integration of these complementary approaches resulted into a novel structural model that rationalizes previous experimental observations. We identify an evolutionary-conserved interaction surface formed by helix II of the DnaJ J-domain and a groove on lobe IIA of the DnaK nucleotide binding domain, involving the inter-domain linker.
The arachidonic acid cascade is a key player in inflammation, and numerous well-established drugs interfere with this pathway. Previous studies have suggested that simultaneous inhibition of 5-lipoxygenase (5-LO) and soluble epoxide hydrolase (sEH) results in synergistic anti-inflammatory effects. In this study, a novel prototype of a dual 5-LO/sEH inhibitor KM55 was rationally designed and synthesized. KM55 was evaluated in enzyme activity assays with recombinant enzymes. Furthermore, activity of KM55 in human whole blood and endothelial cells was investigated. KM55 potently inhibited both enzymes in vitro and attenuated the formation of leukotrienes in human whole blood. KM55 was also tested in a cell function-based assay. The compound significantly inhibited the LPS-induced adhesion of leukocytes to endothelial cells by blocking leukocyte activation.
Importance of latrine communication in European rabbits shifts along a rural–to–urban gradient
(2016)
Background: Information transfer in mammalian communication networks is often based on the deposition of excreta in latrines. Depending on the intended receiver(s), latrines are either formed at territorial boundaries (between-group communication) or in core areas of home ranges (within-group communication). The relative importance of both types of marking behavior should depend, amongst other factors, on population densities and social group sizes, which tend to differ between urban and rural wildlife populations. Our study is the first to assess (direct and indirect) anthropogenic influences on mammalian latrine-based communication networks along a rural-to-urban gradient in European rabbits (Oryctolagus cuniculus) living in urban, suburban and rural areas in and around Frankfurt am Main (Germany).
Results: The proportion of latrines located in close proximity to the burrow was higher at rural study sites compared to urban and suburban ones. At rural sites, we found the largest latrines and highest latrine densities close to the burrow, suggesting that core marking prevailed. By contrast, latrine dimensions and densities increased with increasing distance from the burrow in urban and suburban populations, suggesting a higher importance of peripheral marking.
Conclusions: Increased population densities, but smaller social group sizes in urban rabbit populations may lead to an increased importance of between-group communication and thus, favor peripheral over core marking. Our study provides novel insights into the manifold ways by which man-made habitat alterations along a rural-to-urban gradient directly and indirectly affect wildlife populations, including latrine-based communication networks.
Background: Differential RNA-Seq (dRNA-Seq) is a recently developed method of performing primary transcriptome analyses that allows for the genome-wide mapping of transcriptional start sites (TSSs) and the identification of novel transcripts. Although the transcriptomes of diverse bacterial species have been characterized by dRNA-Seq, the transcriptome analysis of archaeal species is still rather limited. Therefore, we used dRNA-Seq to characterize the primary transcriptome of the model archaeon Haloferax volcanii.
Results: Three independent cultures of Hfx. volcanii grown under optimal conditions to the mid-exponential growth phase were used to determine the primary transcriptome and map the 5′-ends of the transcripts. In total, 4749 potential TSSs were detected. A position weight matrix (PWM) was derived for the promoter predictions, and the results showed that 64 % of the TSSs were preceded by stringent or relaxed basal promoters. Of the identified TSSs, 1851 belonged to protein-coding genes. Thus, fewer than half (46 %) of the 4040 protein-coding genes were expressed under optimal growth conditions. Seventy-two percent of all protein-coding transcripts were leaderless, which emphasized that this pathway is the major pathway for translation initiation in haloarchaea. A total of 2898 of the TSSs belonged to potential non-coding RNAs, which accounted for an unexpectedly high fraction (61 %) of all transcripts. Most of the non-coding TSSs had not been previously described (2792) and represented novel sequences (59 % of all TSSs). A large fraction of the potential novel non-coding transcripts were cis-antisense RNAs (1244 aTSSs). A strong negative correlation between the levels of antisense transcripts and cognate sense mRNAs was found, which suggested that the negative regulation of gene expression via antisense RNAs may play an important role in haloarchaea. The other types of novel non-coding transcripts corresponded to internal transcripts overlapping with mRNAs (1153 iTSSs) and intergenic small RNA (sRNA) candidates (395 TSSs).
Conclusion: This study provides a comprehensive map of the primary transcriptome of Hfx. volcanii grown under optimal conditions. Fewer than half of all protein-coding genes have been transcribed under these conditions. Unexpectedly, more than half of the detected TSSs belonged to several classes of non-coding RNAs. Thus, RNA-based regulation appears to play a more important role in haloarchaea than previously anticipated.
Efficient derivation of extraembryonic endoderm stem cell lines from mouse postimplantation embryos
(2016)
Various types of stem cell lines have been derived from preimplantation or postimplantation mouse embryos: embryonic stem cell lines, epiblast stem cell lines, and trophoblast stem cell lines. It is not known if extraembryonic endoderm stem (XEN) cell lines can be derived from postimplantation mouse embryos. Here, we report the derivation of 77 XEN cell lines from 85 postimplantation embryos at embryonic day E5.5 or E6.5, in parallel to the derivation of 41 XEN lines from 69 preimplantation embryos at the blastocyst stage. We attain a success rate of 100% of XEN cell line derivation with our E5.5 whole-embryo and E6.5 disaggregated-embryo methods. Immunofluorescence and NanoString gene expression analyses indicate that the XEN cell lines that we derived from postimplantation embryos (post-XEN) are very similar to the XEN cell lines that we derived from preimplantation embryos (pre-XEN) using a conventional method. After injection into blastocysts, post-XEN cells contribute to extraembryonic endoderm in chimeras at E6.5 and E7.5.
Particularly in savannas, termites are ecosystem engineers and a keystone group in ecology. For the understanding of the savanna vegetation, mound building termites are of particular interest. Due to their special soil chemistry and physical structure, termite mounds often host other plants than the surrounding savanna. As our knowledge of the specific contribution of mound-building termites to overall savanna diversity and ecosystem dynamics doubtlessly is not complete, this paper summarises the state of the art in order to stimulate further research. According to the research interest of the authors, focus is laid on the West African savanna and on the genus Macrotermes.
Ischemic injuries of the cardiovascular system are still the leading cause of death worldwide. They are often accompanied by loss of cardiomyocytes (CM) and their replacement by non-functional heart tissue. Cardiac fibroblasts (CF) play a major role in the recovery after ischemic injury and in the scar formation. In the last few years researchers were able to reprogram fibroblasts into CM in vitro and in murine models of myocardial infarction using various protocols including a cocktail of microRNAs (miRs). These miRs can target hundreds of messenger RNAs and inhibit their translation into proteins, potentially regulating multiple cellular signaling pathways. Because of this, there has been a rising interest in the use of miRs for therapeutic purposes. However, as different miRs have different effects in different cells, there is the danger of causing serious side effects. These could be alleviated by enacting a cell-specific transport of miRs, for example by using aptamers. Aptamers are usually short strands of DNA or RNA, which can fold into a specific three-dimensional confirmation which allows them to bind specifically to target molecules. Aptamers are commonly selected from a large library for their ability to bind to target molecules using a procedure called SELEX. Aptamers have already been used to transport miRs into cancer cells.
In this thesis, we first established the transport of miRs into cells of the cardiovascular system using aptamers. MiR-126 is an important part of the signaling in endothelial cells (EC), protects from atherosclerosis and supports angiogenesis, which is why we chose it as a candidate to transport into the vasculature. We first tested two aptamers for their ability to internalize into EC and fibroblasts. Both the aptamer for the ubiquitously expressed transferrin receptor (TRA) and a general internalizing RNA motif, but not a control construct, could internalize efficiently into all cell types tested. We then designed three chimeras (Ch) using different strategies to connect TRA to miR-126. While all chimeras could internalize efficiently, only Ch3, which connects TRA to Pre-miR-126 using a sticky bridge structure, had functional effects in EC. Ch3 reduced the protein expression of VCAM-1 in EC and increased the VEGF induced sprouting of EC in a spheroid-sprouting assay. Treatment of breast cancer cells with Ch3 emulated the effects of treatment with classical miR-126-3p and miR-126-5p mimics. In the SK-BR3 cell line Ch3 and miR-126-3p reduce the viability of the cells while they reduce recruitment of EC by the MCF7 cell line. miR-126-5p had no apparent effect in the SK-BR3 line, but increased viability of MCF7 cells, as did Ch3. This implies that Ch3 can be processed to both functional miR-126-3p and miR-126-5p in treated cells.
We were unable to achieve a reprogramming of adult murine cardiac fibroblasts into cells resembling CM using the cocktail of 4 miRs. This indicates that the miR-mediated transdifferentiation is only possible in neonatal fibroblasts. The effects in mice after an AMI might possibly be caused by an enhanced plasticity of fibroblasts in and close to the infarcted area.
We also screened to find aptamers specifically binding to cells of the cardiovascular system. We used two oligonucleotide libraries in a cell-SELEX to select candidates which bind to CF, but not EC. We observed that only the library which contains two randomized regions of 26 bases showed an enrichment of species binding to fibroblasts. We then sequenced rounds 5-7 of the SELEX and analyzed the data bioinfomatically to select 10 candidate aptamers. All candidates showed a strong binding not only to CF, but also EC. This indicates that the selection pressure against species binding to EC was not high enough and would have to be increased to find true CF-aptamers. Four promising candidates were also analyzed for their potential to be internalized and we surprisingly found that all of them were internalized by EC and CF more efficiently than TRA. The similar behavior of the candidates implies that they possibly share a ligand, which is expressed both by EC and CF, but more prominently by the latter.
This work demonstrates the possibility of using aptamers to transport miRs into cells of the cardiovascular system. It also shows that it is possible to select aptamers for non-cancerous mammalian cells, which has not been done before. It is reasonable to assume that a refinement of the cell-SELEX will allow selection of cell-specific aptamers. Due to the failure of reprogramming of adult fibroblasts into induced cardiomyocytes we were unable to test whether a miR-mediated reprogramming might be inducible using aptamer transported-miRs. Ultimately, aptamer mediated transport of miRs is a feasible and promising therapeutic option for the treatment of cardiovascular diseases and other disorders like cancer.
Panama, a small country between the major continents of North and South America, is one of the lesser studied regions in Central America, but is recognized for its mega-biodiversity. This is particularly true for Eastern Panama, which I am considering as the easternmost portion of the country, covering the area from the Chepo, which is also the beginning of the San Blas mountain range, towards east, up to the Darien Mountain range on the border with its neighboring country Colombia. In the lowland region I visited two physiographic areas: the Isthmian-Atlantic Moist Forests (IAMF) and the Chocó-Darién Moist Forests (CDMF). In the IAMF I worked at the localities of Río Mono, Wacuco, La Moneda, Arretí, Metetí, Filo del Tallo, and Laguna de Matusagaratí. In the CDMF I visited the localities of Cruce de Mono, Cana, Garachiné, Sambú, and Pavarandó. And I have worked in the highlands of Darién (DM), Majé (MM), Jingurudó-Sapo (JSM), Pirre (PM) and San Blas (SSM) in the highlands.
Before my research, 138 reptile and 104 amphibian species had been reported for EP. From 2008 to 2013, I collected specimens to evaluate the diversity of amphibians and reptiles for this region. I applied an integrative approach to evaluate the taxonomy, diversity, biogeography, and conservation of the herpetofauna of EP. I included analyses of morphometrics, molecular genetics (e.g. barcoding), biogeography, bioacoustics (in anurans), hemipenial morphology (in squamates), and ecology. This is the first regional evaluation of the biodiversity in EP applying integrative taxonomy. Aside from morphological and bioacoustic data, my work is based on the barcoding of 608 specimens, from which I obtained 16S mtDNA for 486 specimens and COI mtDNA for 455. In total I have got sequences for 69.2 %of the amphibian and 48.6 % of the reptile species present in EP. For the morphological analyses, I compared 1597 specimens, including my samples complemented by specimens obtained from various museums. The bioacoustic data were obtained from the analysis of 1504 calls of 27 species of frogs. Based on specimens collected in EP and according to external morphology, I could identify 65 species of amphibians and 72 reptiles, but after applying an integrative approach these numbers increased to 79 amphibians and 88 reptiles described species within my collected specimens. Additionally, I uncovered 33 taxonomic units that could not be assigned to any described species until now, 22 of them represent confirmed candidate species (CCS), and 11 were classified as Unconfirmed candidate species (UCS). Thus, increasing the known species of amphibian by 19.4 % and of reptiles by 4.8 %. Currently, there are 145 reptiles and 129 amphibians known to occur in EP. Based on my results, I have initiated several projects to solve taxonomic uncertanties, including the species of the genera Bolitoglossa, Diasporus, Dactyloa, Ecnomiohyla, Lepidoblepharis, and the taxonomic status of the species Pristimantis caryophyllaceus and Norops tropidogaster.
Out of the 22 CCS I found, I described nine species new to science with type locality in EP, six amphibians and four reptiles. Among these is a new species of Bolitoglossa described from Cerro Chucantí, Cordillera de Majé, Provincia de Darién, Panama. Additionally, I include comments on the other species of congeneric salamanders known to occur in the region. Among the tink frogs, only Diasporus quidditus was known to occur in EP. During my field work I collected six additional species of this genus, four of which are new to science, plus two species new for this region.
I also described one new species of Dactyloa (giant anole lizards) related to the former D. chocorum. I synonymized D. chocorum with D. purpurescens, and included information about the other species of the group from EP. The new species of Dactyloa resembles D. ibanezi, D. limon, and D. purpurescens in external morphology but differs from these species in dewlap coloration, dorsal color pattern, morphometrics, and scalation. I discovered one species of the genus Ecnomiohyla, which exhibits significant genetic distances (16S mtDNA gene) and morphological differences to all known Ecnomiohyla species. Along with the description of the new Ecnomiohyla species, I provide detailed comparisons of morphological and molecular characters of almost all members of the genus in Lower Central America, as well as an identification key for the entire genus. Two new species of the genus Lepidoblepharis from EP were described. In the corresponding work, I include an analysis of Lepidoblepharis spp. in the region, including phylogeography and taxonomy. One of the new species, Lepidoblepharis emberawoundule, can be differentiated from most species in the genus by its small size and its low number of lamellae under the fourth toe and finger. The other species described from EP, Lepidoblepharis rufigularis, can be differentiated from all species in the genus by its small size and the reddish throat in males.
The baker’s yeast Saccharomyces cerevisiae is a valuable and increasingly important microorganism for industrial applications (Hong and Nielsen, 2012). Its robustness concerning process conditions like low pH, osmotic and mechanical stress as well as toxic compounds is an advantage. Moreover, S. cerevisiae is ‘generally regarded as safe’ (GRAS). The model organism has been studied intensively. The collected data, including genomic, proteomic and metabolic information, can be used to genetically modify and improve its metabolism. Fatty acids and fatty acid derivatives have wide applications as biofuels, biomaterials, and other biochemicals. Several studies have been dealing with the overproduction of fatty acids and derivatives thereof in S. cerevisiae. The fatty acid biosynthesis starting with acetyl-CoA requires two enzymes, the acetyl-CoA carboxylase (Acc1p) and the fatty acid synthase complex (FAS), to produce acyl-CoA esters with predominantly 16 to 18 carbon atoms chain length (Lynen et al., 1980). For the synthesis of monounsaturated fatty acids in S. cerevisiae the ER bound acyl-CoA desaturase, Ole1p is essential (Tamura et al., 1976; Certik and Shimizu, 1999).
Using S. cerevisiae, the first section of this work dealt with the heterologous characterization of potential ω1-desaturases. Due to the fact that unsaturated fatty compounds can be modified further by hydrosilylations, hydrovinylations, oxidations to epoxides, acids, aldehydes, ketones or metathesis reactions, the interest in ω1-fatty acids is tremendous (Behr and Gomes, 2010). With the intention to find enzymes in fungi, that have a terminal desaturase activity a search in different genome databases was performed. The sequences of Pex-Desat3 and Obr-TerDes were used as reference sequences. The analysed proteins from Schizophyllum commune (EFI94599.1), Schizosaccharomyces octosporus (EPX72095.1), Wallemia mellicola (EIM20316.1), Wallemia ichthyophaga (EOR00207.1) and Agaricus bisporus var. bisporus (EKV44635.1), however, finally turned out to be Δ9 desaturases. A fungal desaturase with ω1-activity could not be found. The Δ9 desaturase SCD1 from Mus musculus was crystallized by Bai et al. (2015) and the information for specific amino acids responsible for the substrate specificity or enzyme activity were allocated. In combination with sequence and enzyme activity data form ChDes1 from Calanus hyperboreus, Desat2 from Drosophila melanogaster, Pex-Desat3 from Planotortrix excessana and Obr-TerDes from Operophtera brumata single amino acid exchanges were performed in the Δ9 desaturase Ole1p from S. cerevisiae. For all mutants, only fatty acids (C16 - C18) with a double bond between carbon C9 and C10 could be found. This indicates, that all inserted amino acid exchanges do not affect the substrate specificity or the position of the introduced double bond.
In the second section the focus was in the development of a production system for fatty acids in S. cerevisiae with regard to the previously established procedures by metabolic engineering. The combination of cytosolic malate dehydrogenase (MDH3), cytosolic malate enzyme (MAE1) and a citrate- α-ketoglutarate- carrier (YHM2) should improve the availability of acetyl-CoA in the cytosol, which is an important precursor for the fatty acid biosynthesis. If the major pathway (acetyl-CoA carboxylase and fatty acid synthase) was already optimized by high expression levels than no positive effect on increased fatty acid synthesis was detectable. Only non-optimized strains, with the additional overexpression of ATP-citrate lyase and cytosolic malate dehydrogenase, lead to a 41 % (20 mg/g dcw) improvement of fatty acid synthesis. In order to increase the fatty acid content further, the additional overexpression of DGA1 and TGL3 was performed. Hence, the highest amount of fatty acids could be observed with the strain S. cerevisiae WRY1ΔFAA1ΔFAA4 (2.5 g/L ± 0.8 g/L). The additional elimination of acyl-CoA synthetase Fat1p did not improve the yield.
It was recently reported, that chain length control of the fatty acid synthesis of bacterial FAS can be changed by rational engineering (Gajewski et al., 2017a). The knowledge about bacterial FAS was transferred in this work to S. cerevisiae FAS. Mutating up to five amino acids in the FAS complex enabled S. cerevisiae to produce medium chain fatty acids (C6 - C12). Further improvement was done by metabolic pathway engineering (promoter of alcohol dehydrogenase II from S. cerevisiae (pADH2), deletion of acyl-CoA synthetase FAA2) and optimization of fermentation conditions (YEPD-bacto medium buffered with potassium phosphate). The production of medium chain fatty acids resulted in the highest yield of 464 mg/L (C6 to C12 fatty acids). Furthermore, strains were created specifically overproducing hexanoic acid (158 mg/L) and octanoic acid (301 mg/L). The characterization of transferases, which could be responsible for the de-esterification of CoA-bound fatty acids, was analysed in an additional approach. It could be shown, that the genes EHT1, EEB1 and MGL2 have an influence on the MCFA yield in the supernatant. Generally speaking, the data from the single and double deletion strains suggest that Eeb1p has a selective hydrolytic activity for hexanoic acid-CoA ester, while Eht1p shows selective hydrolytic activity for octanoic acid-CoA ester, which is in line with Saerens et al. (2006).
In China and other countries of East Asia, so-called Ling-zhi or Reishi mushrooms are used in traditional medicine since several centuries. Although the common practice to apply the originally European name ‘Ganoderma lucidum’ to these fungi has been questioned by several taxonomists, this is still generally done in recent publications and with commercially cultivated strains. In the present study, two commercially sold strains of ‘G. lucidum’, M9720 and M9724 from the company Mycelia bvba (Belgium), are compared for their fruiting body (basidiocarp) morphology combined with molecular phylogenetic analyses, and for their secondary metabolite profile employing an ultra-performance liquid chromatography–electrospray ionization mass spectrometry (UPLC–ESIMS) in combination with a high resolution electrospray ionization mass spectrometry (HR-ESI-MS). According to basidiocarp morphology, the strain M9720 was identified as G. lucidum s.str. whereas M9724 was determined as Ganoderma lingzhi. In molecular phylogenetic analyses, the M9720 ITS and beta-tubulin sequences grouped with sequences of G. lucidum s.str. from Europe whereas those from M9724 clustered with sequences of G. lingzhi from East Asia. We show that an ethanol extract of ground basidiocarps from G. lucidum (M9720) contains much less triterpenic acids than found in the extract of G. lingzhi (M9724). The high amount of triterpenic acids accounts for the bitter taste of the basidiocarps of G. lingzhi (M9724) and of its ethanol extract. Apparently, triterpenic acids of G. lucidum s.str. are analyzed here for the first time. These results demonstrate the importance of taxonomy for commercial use of fungi.
Background: Butanol isomers are regarded as more suitable fuel substitutes than bioethanol. n-Butanol is naturally produced by some Clostridia species, but due to inherent problems with clostridial fermentations, industrially more relevant organisms have been genetically engineered for n-butanol production. Although the yeast Saccharomyces cerevisiae holds significant advantages in terms of scalable industrial fermentation, n-butanol yields and titers obtained so far are only low.
Results: Here we report a thorough analysis and significant improvements of n-butanol production from glucose with yeast via the acetoacetyl-CoA-derived pathway. First, we established an improved n-butanol pathway by testing various isoenzymes of different pathway reactions. This resulted in n-butanol titers around 15 mg/L in synthetic medium after 74 h. As the initial substrate of the n-butanol pathway is acetyl-coenzyme A (acetyl-CoA) and most intermediates are bound to coenzyme A (CoA), we increased CoA synthesis by overexpression of the pantothenate kinase coaA gene from Escherichia coli. Supplementation with pantothenate increased n-butanol production up to 34 mg/L. Additional reduction of ethanol formation by deletion of alcohol dehydrogenase genes ADH1-5 led to n-butanol titers of 71 mg/L. Further expression of a mutant form of an ATP independent acetylating acetaldehyde dehydrogenase, adhEA267T/E568K, converting acetaldehyde into acetyl-CoA, resulted in 95 mg/L n-butanol. In the final strain, the n-butanol pathway genes, coaA and adhE A267T/E568K, were stably integrated into the yeast genome, thereby deleting another alcohol dehydrogenase gene, ADH6, and GPD2-encoding glycerol-3-phosphate dehydrogenase. This led to a further decrease in ethanol and glycerol by-product formation and elevated redox power in the form of NADH. With the addition of pantothenate, this strain produced n-butanol up to a titer of 130 ± 20 mg/L and a yield of 0.012 g/g glucose. These are the highest values reported so far for S. cerevisiae in synthetic medium via an acetoacetyl-CoA-derived n-butanol pathway.
Conclusions: By gradually increasing substrate supply and redox power in the form of CoA, acetyl-CoA, and NADH, and decreasing ethanol and glycerol formation, we could stepwise increase n-butanol production in S. cerevisiae. However, still further bottlenecks in the n-butanol pathway must be deciphered and improved for industrially relevant n-butanol production levels.
Background: n-Butanol can serve as an excellent gasoline substitute. Naturally, it is produced by some Clostridia species which, however, exhibit only limited suitability for industrial n-butanol production. The yeast Saccharomyces cerevisiae would be an ideal host due to its high robustness in fermentation processes. Nevertheless, n-butanol yields and titers obtained so far with genetically engineered yeast strains are only low.
Results: In our recent work, we showed that n-butanol production via a clostridial acetoacetyl-CoA-derived pathway in engineered yeast was limited by the availability of coenzyme A (CoA) and cytosolic acetyl-CoA. Increasing their levels resulted in a strain producing up to 130 mg/L n-butanol under anaerobic conditions. Here, we show that under aerobic conditions. this strain can even produce up to 235 mg/L n-butanol probably due to a more efficient NADH re-oxidation. Nevertheless, expression of a bacterial water-forming NADH oxidase (nox) significantly reduced n-butanol production although it showed a positive effect on growth and glucose consumption. Screening for an improved version of an acetyl-CoA forming NAD+-dependent acetylating acetaldehyde dehydrogenase, adhEA267T/E568K/R577S, and its integration into n-butanol-producing strain further improved n-butanol production. Moreover, deletion of the competing NADP+-dependent acetaldehyde dehydrogenase Ald6 had a superior effect on n-butanol formation. To increase the endogenous supply of CoA, amine oxidase Fms1 was overexpressed together with pantothenate kinase coaA from Escherichia coli, and could completely compensate the beneficial effect on n-butanol synthesis of addition of pantothenate to the medium. By overexpression of each of the enzymes of n-butanol pathway in the n-butanol-producing yeast strain, it turned out that trans-2-enoyl-CoA reductase (ter) was limiting n-butanol production. Additional overexpression of ter finally resulted in a yeast strain producing n-butanol up to a titer of 0.86 g/L and a yield of 0.071 g/g glucose.
Conclusions: By further optimizing substrate supply and redox power in the form of coenzyme A, acetyl-CoA and NADH, n-butanol production with engineered yeast cells could be improved to levels never reached before with S. cerevisiae via an acetoacetyl-CoA-derived pathway in synthetic medium. Moreover, our results indicate that the NAD+/NADH redox balance and the trans-2-enoyl-CoA reductase reaction seem to be bottlenecks for n-butanol production with yeast.
Es wird davon ausgegangen, dass das ehemalige Larven-Mikrohabitat der Asiatische Tigermücke Aedes albopictus (synonym: Stegomyia albopicta) die Phytotelmata in den Waldgebieten von Südostasien darstellte. In den letzten vier Jahrzehnten adaptierte sich die Art jedoch an urbanere Regionen und ihre Antrotelmata. Dank ihrer Eigenschaft, Eier mit einer gewissen Trocken- und Kältetoleranz zu produzieren, verbreitete sich die Art zusammen mit den international gehandelten Waren weltweit. Zudem ist Ae. albopictus ein theoretischer Vektor für mindestens 27 Viren sowie Parasiten und spielt eine Hauptrolle bei der Übertragung von Dengue-Viren und Chikungunya-Viren und Zika-Vieren. Daher wird die Art als große Gefahr für die öffentliche Gesundheit betrachtet.
Die vorliegende Arbeit thematisiert drei Untersuchungen zum Anpassungs- und Etablierungs-potential der invasiven Asiatischen Tigermücke.
In einem ersten Ansatz wurde das Problem behandelt, dass es lediglich zwei standardisierte toxikologische Testverfahren für Culicidae gab. Daher wurde ein Dosis-Wirkungs-Testsystem entwickelt, das den Weg für weitere biologische Endpunkte und ihre integrativen Parameter freimachte und dadurch ein besseres Verständnis für die Wirkweisen von Insektiziden ermöglicht. Hierdurch konnte nun der Frage nachgegangen werden, ob es Unterschiede in der ökotoxikologischen Reaktion zwischen der invasiven tropisch-subtropischen Asiatischen Tigermücke und der einheimischen nördlichen Hausstechmücke Culex pipiens auf das Insektizid λ-Cyhalothrin gibt. Weiter wurde der Einfluss von Temperatur und die Verfügbarkeit von Nahrung auf die Insektizidsensitivitäten der Arten getestet. Schließlich konnte in einer Risikobewertung festgestellt werden, dass bei falsch angewendeten Bekämpfungsmaßnahmen höhere Temperaturen sowie der Ausfall von aquatischen Top-Prädatoren zu Fitnessvorteilen für die Art führen können.
In einer zweiten Untersuchung wurde der Mechanismus der Kältetoleranz der Eier (Kälteakklimatisierung und Diapause) näher untersucht, da dieser für die erfolgreiche Invasion in gemäßigten Breitengraden verantwortlich gemacht wird. Nachdem eine lang vorherrschende Hypothese verworfen wurde, dass die Einlagerung von Polyolen die Frosttoleranz bewirken würde, war der aktuelle Stand der Wissenschaft, dass eine Verdickung der Wachsschicht des Chorions dafür verantwortlich sei. Jedoch lag keine detaillierte Evaluierung von Stechmücken-Eihüllen vor. Mittels einer transmissionselektronenmikroskopischen Studie konnte gezeigt werden, dass nicht nur die Wachsschicht nicht in der Serosa-Cuticula zu verorten ist, sondern im Endochorion und sie zudem im Zuge der Diapause in der Mächtigkeit schrumpft. Daher wird auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse auf eine Kompaktierung der Schicht geschlossen.
Die dritte Untersuchung schließlich hatte das hohe Adaptationspotential in gemäßigten Breiten zum Gegenstand. Eine Adaptation auf genetischen Level gilt als unwahrscheinlich, da Gründerpopulationen in den neu besiedelten Gebieten eine niedrige genetische Diversität aufwiesen und ein regelmäßiger Neueintrag von Allelen unwahrscheinlich ist. Jedoch bietet das Konzept der epigenetischen Temperatur-Adaptation einen Erklärungsansatz für dieses Phänomen. Daher wurde die Frage gestellt, ob es möglich ist, eine vererbbare Diversifizierung dieses kältetoleranten Phänotyps nach einer randomisierten epigenetischen Behandlung der DNA zu detektieren. Es wurde eine transgenerationale Untersuchung der Effekte von zwei epigenetischen Agenzien (und einem Lösemittel) auf die Kältetoleranz der Eier durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten ein Korrelationsmuster, das den durch die Agenzien veränderten Methylierungsgrad der DNA mit der Forsttoleranz verband, was die gestellte Hypothese unterstützte.
In Folge dieser drei Untersuchungen wurde festgestellt, dass Ae. albopictus ein hohes Potential hat, in weiteren Ländern – vor allem in gemäßigten Breiten – ein Gesundheitsrisiko darzustellen. Da die Art einerseits Fitnessvorteile durch falsche Bekämpfungsmaßnahmen und andererseits möglicherweise eine hohes epigenetisches Adaptationspotential besitzt, kann zusammenfassend empfohlen werden, dass der Fokus für weitere Forschung maßgeblich auf der Entwicklung von Impfstoffen für die übertragenen Viren und Pathogene liegen sollte. Dadurch kann die Bevölkerung geschützt werden, ohne Ökosysteme und ihre Dienstleistungen zu gefährden, und dies wäre zudem ökonomisch gesehen die effektivere Lösung.
Diffuse invasion of the surrounding brain parenchyma is a major obstacle in the treatment of gliomas with various therapeutics, including anti-angiogenic agents. Here we identify the epi-/genetic and microenvironmental downregulation of ephrinB2 as a crucial step that promotes tumour invasion by abrogation of repulsive signals. We demonstrate that ephrinB2 is downregulated in human gliomas as a consequence of promoter hypermethylation and gene deletion. Consistently, genetic deletion of ephrinB2 in a murine high-grade glioma model increases invasion. Importantly, ephrinB2 gene silencing is complemented by a hypoxia-induced transcriptional repression. Mechanistically, hypoxia-inducible factor (HIF)-1α induces the EMT repressor ZEB2, which directly downregulates ephrinB2 through promoter binding to enhance tumour invasiveness. This mechanism is activated following anti-angiogenic treatment of gliomas and is efficiently blocked by disrupting ZEB2 activity. Taken together, our results identify ZEB2 as an attractive therapeutic target to inhibit tumour invasion and counteract tumour resistance mechanisms induced by anti-angiogenic treatment strategies.
Heutzutage unterliegen insbesondere aquatische Ökosysteme durch den permanenten Anstieg nicht-heimischer Arten einem folgenreichen Wandel. Dabei stellt der Biodiversitätsverlust nur den Endpunkt einer biologischen Invasion dar. Dazwischen wirken sich Faktoren wie Konkurrenz-, Prädationsdruck oder die Übertragung von Krankheitserregern wie z.B. Parasiten auf den Rückgang der Arten aus. Als integraler Bestandteil eines jeden Ökosystems spielen Parasiten bei Invasionsprozessen eine entscheidende Rolle und können durch ihren Einfluss auf heimische und nicht-heimischen Arten Invasionen begünstigen. Fische übernehmen aufgrund ihrer vielseitigen Bedeutung im Nahrungsnetz eine Schlüsselfunktion als Wirte diverser Parasitenarten und sind deshalb ausgezeichnete Untersuchungsobjekte, um durch nicht-heimische Arten verursachte Veränderungen in Nahrungsnetzstrukturen oder Parasitenfaunen aquatischer Ökosysteme aufzudecken.
Vor diesem Hintergrund wurde die vorliegende kumulative Dissertation angefertigt, welche auf drei (ISI-) Einzelpublikationen basiert. Die Arbeit beschäftigte sich unter Verwendung morphologischer und molekularbiologischer Methoden schwerpunktmäßig mit der Parasitendiversität und Nahrungsökologie zweier eingeschleppter Fischarten in stark anthropogen beeinflussten deutschen Fließgewässern. Dabei handelte es sich um die hauptsächlich durch das Ballastwasser von Schiffen verbreitete invasive Schwarzmundgrundel Neogobius melanostomus aus den Flüssen Rhein und Main sowie den von Hobby-Aquarianern in den durch Industrieabwässer thermisch belasteten Gillbach ausgesetzten Zebrabuntbarsch Amatitlania nigrofasciata. Unter Berücksichtigung nahrungsökologischer und räumlich-zeitlicher Aspekte sollten die parasitologischen Risiken und Konsequenzen, welche durch das Einschleppen nicht-heimischer Fischarten auftreten, aufgezeigt werden, um übergeordnet die Folgenabschätzung auf dem Gebiet der Invasionsbiologie zu verbessern. Das Nahrungsspektrum beider Fischarten wies sowohl räumliche (zwischen den Flüssen und Standorten), als auch zeitliche (monatlich) Variationen auf, was die Anpassungsfähigkeit bzw. die optimale Nutzung zur Verfügung stehender Ressourcen von invasiven Arten verdeutlicht. Ebenso wurden Unterschiede in der Parasitierung nachgewiesen, was die Notwendigkeit räumlicher und zeitlicher Analysen zur Erfassung der vollständigen Parasitenfauna einer invasiven Art, inklusive aller Variationen der Befallszahlen, unterstreicht. Beide Fischarten bilden zudem Zwischenwirte für heimische, als auch nicht-heimische Parasitenarten, wobei die direkte Einschleppung von nicht-heimischen Parasiten aus dem ursprünglichen Verbreitungsgebiet der Fische auszuschießen ist und somit die Enemy-Release-Hypothese (Verlust ursprünglicher Gegenspieler wie Prädatoren oder Parasiten) unterstützt. Dies könnte zusammen mit der opportunistischen Ernährungsweise ein Grund für die starke Ausbreitung sowie die anhaltend hohen Individuenzahlen dieser Arten im jeweils betrachteten Verbreitungsgebiet (Rhein, Main sowie Gillbach) sein.
Besonders hervorzuheben ist der Nachweis der nicht-heimischen Nematoden Anguillicoloides crassus und Camallanus cotti. Durch die Aufdeckung einer besonderen Form von Hyperparasitismus konnten erstmalig hohe Befallszahlen von A. crassus in N. melanostomus dokumentiert werden. Die hoch abundante Grundelart gilt somit potentiell als entscheidender Überträger des invasiven Parasiten auf den Europäischen Aal. Der durch seine hohe Virulenz in der Aquaristik bekannte C. cotti gelangte durch das Aussetzen von Zierfischen in den Gillbach und trat mit hohen Befallszahlen in A. nigrofasciata auf und wird bereits auf die heimische Fischfauna übertragen (z.B. auf den Gründling Gobio gobio und den Döbel Squalius cephalus). Ebenso ist der starke Befall der heimischen Parasiten Pomphorhynchus sp. (Acanthocephala) und Raphidascaris acus (Nematoda) bei N. melanostomus sowie A. anguillae (Acanthocephala) bei A. nigrofasciata zu nennen. Durch die zusätzliche Wirtfunktion der Neozoen und die hohen Befallsintensitäten ist mit einem verstärkten Spillback-Effekt (Rückinfizierung) auf heimische Fischarten zu rechnen.
Die stetig steigende Anzahl biologischer Invasionen führt zu immer weitreichenderen Veränderungen heimischer Ökosysteme. Für den Erhalt der Biodiversität sowie einhergehender Ökosystemfunktionen rückt auch die Forschung über Neobiota immer mehr in den Mittelpunkt. In diesem Zusammenhang gewinnen auch Pathogene wie Parasiten immer mehr an Bedeutung, welche durch gebietsfremde Arten eingeschleppt werden und die bestehende Biodiversität gefährden können. Die Ergebnisse der durchgeführten Studien haben gezeigt, dass die Verknüpfung von parasitologischen und nahrungsökologischen Untersuchungen Einblicke in die hoch dynamischen Prozesse der Invasionsbiologie geben können, was ein Vorantreiben der Forschung und Folgenabschätzungen auf diesem Gebiet ermöglicht.
RNA-Aptamere sind kurze einzelsträngige Oligonukleotide, die ein Zielmolekül spezifisch erkennen und über ihre 3D-Struktur binden. Die Identifizierung von Aptameren erfolgt mittels in vitro Selektion nach dem Kriterium einer hohen Bindungsaffinität und/oder -spezifität. Das Tetracyclin-bindende Aptamer gehört zu den Aptameren mit der höchsten bekannten Liganden-Affinität. Darüber hinaus gehört es zu den wenigen RNA-Aptameren, die in vivo als artifizieller Riboswitch zur Modulation der Genexpression eingesetzt werden können. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde das Tetracyclin-bindende Aptamer mittels NMR-spektroskopischer und biophysikalischer Methoden im ligandfreien sowie im ligandgebundenen Zustand untersucht, um neben der bereits bekannten Kristallstruktur des RNA-Tetracyclin-Komplexes Aufschlüsse über den dynamischen Ligandenbindungsprozess und die damit verbundene genregulatorische Aktivität des Aptamers zu erhalten. Hierfür wurde der Einfluss von Mg2+-Ionen auf die globale und lokale Strukturausbildung des ligandfreien Aptamers analysiert. Durch die Bindung von Mg2+-Ionen an die RNA wird eine kompakte RNA-Struktur stabilisiert, die neben zahlreichen komplexen Tertiärinteraktionen eine starre Bindungstasche ausbildet, in der der Ligand nach einem „Schlüssel-Schloss-Prinzip“ bindet. Die Ligandbindung zieht nur noch kleinere strukturelle Änderungen nach sich. Mittels der Stopped-Flow-Technik wurden die kinetischen Aspekte der Ligandbindung in Abhängigkeit der Mg2+-Konzentration untersucht. Diese Methode ermöglichte die Analyse der Zusammenhänge zwischen RNA-Faltung und anschließender Komplexbildung in Echtzeit. Die Analyse der Stopped-Flow-Messungen ergab, dass die Geschwindigkeit des Ligandbindungsprozesses wesentlich von der Mg2+-induzierten Strukturausbildung abhängig ist. Die Mg2+-vermittelte globale Organisation der RNA-Struktur ist somit der geschwindigkeitsbestimmende Schritt des Ligandbindungsprozesses. Die RNA-Mg2+-Interaktionen bestimmen also nicht nur die 3D-Struktur des Tetracyclin-bindenden Aptamers, sondern auch die Kinetik des Ligandbindungsprozesses. Der detaillierte Vergleich des Tetracyclin-Aptamers in seiner ligandfreien und ligandgebundenen Form ergab, dass trotz der stark ausgeprägten strukturellen Ähnlichkeit, lediglich die ligandgebundene Form in einer thermisch stabilen Konformation vorliegt. Die signifikante Erhöhung der Thermostabilität durch die Ligandbindung ist die essentielle Voraussetzung für die genregulatorische Funktion des Aptamers. Basierend auf diesen Ergebnissen ist also nicht die Struktur, sondern die strukturelle Stabilität ausschlaggebend für die regulatorische Aktivität des Tetracyclin-bindenden Aptamers.
Ein weiterer Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Charakterisierung des Bindungsmodus von GTP an die GTP-bindenden Aptamere 9-4, 10-10, Klasse II und Klasse V. Durch den direkten NMR-spektroskopischen Nachweis von Wasserstoffbrückenbindungen konnte eine intermolekulare G:C-Watson-Crick-Basenpaarung zwischen GTP und den GTP-bindenden Aptameren 9-4, 10-10 und Klasse II gezeigt werden. Basierend auf diesen Ergebnissen konnte durch eine C zu U Mutation die Bindungsspezifität des Aptamers Klasse II von GTP zu 2-Amino-ATP verändert werden.
Weiterhin konnte im Rahmen dieser Arbeit ein intermolekularer G-Quadruplex als Ligandbindungsmodus zwischen GTP und dem GTP-bindenden Aptamer Klasse V beschrieben werden. Hierbei bildet GTP mit sieben Guanin-Basen der RNA eine intermolekulare G-Quadruplexstruktur, bestehend aus zwei übereinanderliegenden Guanin-Tetraden, aus. Durch den Einsatz von 15N-markiertem NH4+ konnte eine spezifische Kaliumbindungsstelle im Zentrum der Quadruplexstruktur lokalisiert werden, die zur Stabilisierung des RNA-Ligand-Komplexes dient. Die beobachteten NOE-Kreuzsignale zwischen den Protonen des gebundenen NH4+ und den Protonen der RNA bestätigten dabei die Ausbildung eines intermolekularen G-Quadruplexes. Zusätzlich ergab die Analyse der NMR-Spektren, dass die G-Quadruplexstruktur erst im Zuge der Ligandbindung ausgebildet wird. Die Bildung eines G-Quadruplexes, in der der Ligand einen integralen Bestandteil der Quadruplexstruktur darstellt, ist ein bislang unbeschriebener Bindungsmechanismus.
Die paravertebralen Grenzstränge entwickeln sich aus Neuralleistenzellen des Rumpf- und Lendenbereichs. Diese sammeln sich im Hühnerembryo an Embryonaltag 2,5-3 an der dorsalen Aorta und formen die primären sympathischen Ganglien. Die dorsale Aorta sezerniert Morphogene, welche einen Teil der Vorläuferzellen zur Differenzierung zu Neuroblasten anregt. Die sympathischen Neuroblasten sind, obgleich sie bereits neurale und noradrenerge Marker exprimieren, zur Zellteilung fähig. Sie unterscheiden sich darin von anderen Neuralleistenderivaten wie beispielsweise den Neuronen der parasympathischen Ziliarganglien und der sensorischen Hinterwurzelganglien. Schließlich wandern die primären sympathischen Ganglien weiter und bilden lateral zum Notochord die paravertebralen Grenzstränge (Rohrer, 2011).
Der Homöodomänen-Transkriptionsfaktor PROX1 wird im Laufe der Entwicklung höherer Vertebraten in vielen Geweben exprimiert. Welche Wirkung PROX1 dabei auf Überleben, Migration, Proliferation und Differenzierung hat, hängt davon ab, in welchem Zelltyp er aktiv ist (Dyer et al., 2003; Lavado et al., 2010). Im peripheren Nervensystem konnte PROX1 embryonal in den Hinterwurzelganglien und den sympathischen Ganglien nachgewiesen werden (Becker et al., 2009; Diplomarbeit Julia Holzmann, 2010). Zielsetzung dieser Dissertation war es, die Expression und die Funktion von PROX1 in sympathischen Ganglien von Hühnerembryonen zu analysieren.
Die Expressionsanalyse von PROX1 zeigte, dass der Anteil der PROX1-positiven Neurone an Embryonaltag 5 (E5) ein Maximum erreicht und danach im Laufe der Entwicklung stetig abnimmt. Dies gilt ebenso für die Population der proliferierenden Neuroblasten, welche ebenfalls im Laufe der Hühnerentwicklung erstmals detailliert untersucht wurde. Diese Korrelation führte zu der Vermutung, dass PROX1 hauptsächlich in proliferierenden Zellen exprimiert wird, welche anschließend experimentell bestätigt werden konnte. Die Population der PROX1-positiven und die der p27-negativen Neuroblasten haben in allen untersuchten Hamburger Hamilton-Stadien (HH-St 21-37) eine vergleichbare Größe. Dennoch ist PROX1 durchgehend in einem kleinen Teil der p27-positiven Neurone enthalten. Diese Population verändert sich im Laufe der Entwicklung kaum und das Fluoreszenzsignal eines oder beider Proteine ist bei doppelpositiven Zellen deutlich schwächer. Diese und andere Daten dieser Arbeit weisen darauf hin, dass es sich um Neuroblasten handelt, welche gerade aus dem Zellzyklus austreten. In postmitotischen Neuronen geht PROX1 verloren. Obwohl PROX1 in allen untersuchten HH-Stadien stark in der Population proliferierender Neurone exprimiert wird, zeichnet sich ab E7 eine kleinere Population von Neuroblasten in S-Phase ab, welche kein PROX1 enthalten.
Die Vorläuferzellen von Ziliarganglien werden, ähnlich wie die der sympathischen Ganglien, durch BMP-Proteine zur Differenzierung angeregt (Müller und Rohrer, 2002). Aufgrund der Ähnlichkeiten in der Entwicklung beider Neuralleistenderivate wurde die Expression von PROX1 in dieser Dissertation auch in Ziliarganglien untersucht: Der Transkriptionsfaktor wird dort nur an E4 und E5 vereinzelt in Neuronen exprimiert und nahezu gar nicht in Vorläuferzellen. In späteren HH-Stadien ist PROX1 in Ziliarganglien nicht mehr nachweisbar.
Ebenfalls konnte hier gezeigt werden, dass PROX1 in primären sympathischen Ganglien an E3 (HH-St 21) in Vorläuferzellen exprimiert wird, welche bereits begonnen haben, sich zu Neuroblasten zu differenzieren. Noch bevor die Differenzierung dieser Zellen jedoch abgeschlossen ist, wird PROX1 transient herunterreguliert. Die entstehenden Neuroblasten treten in dieser Phase kurzzeitig aus dem Zellzyklus aus. Da sich die Größe der p27-negativen und der PROX1-positiven Population auch an E3 stark ähnelt, kann man schließen, dass die Zellteilung in den Neuroblasten erst bei erneuter PROX1-Expression wieder aufgenommen wird. Ab E5 ist PROX1 fast ausschließlich in Neuroblasten nachweisbar.
Eine Funktionsanalyse von PROX1 unter Kulturbedingungen und im Hühnerembryo sollte durch Knockdown und Überexpression zeigen, welchen Einfluss der Transkriptionsfaktor auf die Proliferation der Neuroblasten nimmt. Die Manipulation der PROX1-Expression hatte in vitro einen proproliferativen Effekt. In vivo unterschieden sich Knockdown und Überexpression aber nicht von der Kontrolle.
Zusammenfassend wurde in dieser Doktorarbeit die Expression von PROX1 in sympathischen Ganglien von Hühnerembryonen im Detail analysiert. Der Transkriptionsfaktor ist sowohl in Vorläuferzellen als auch in Neuroblasten nur transient vorhanden. Zwar konnte eine klare Korrelation zwischen der Expression von PROX1 und der Proliferation der sympathischen Neuroblasten festgestellt werden, allerdings konnte eine Wirkung von PROX1 auf die Proliferation durch Funktionsanalysen nur teilweise bestätigt werden. Zusammen weisen die Daten darauf hin, dass PROX1 eine Rolle in der Feinregulation der Proliferation spielt.
Precise temporal coding is necessary for proper acoustic analysis. However, at cortical level, forward suppression appears to limit the ability of neurons to extract temporal information from natural sound sequences. Here we studied how temporal processing can be maintained in the bats’ cortex in the presence of suppression evoked by natural echolocation streams that are relevant to the bats’ behavior. We show that cortical neurons tuned to target-distance actually profit from forward suppression induced by natural echolocation sequences. These neurons can more precisely extract target distance information when they are stimulated with natural echolocation sequences than during stimulation with isolated call-echo pairs. We conclude that forward suppression does for time domain tuning what lateral inhibition does for selectivity forms such as auditory frequency tuning and visual orientation tuning. When talking about cortical processing, suppression should be seen as a mechanistic tool rather than a limiting element.
In the cochlea of the mustached bat, cochlear resonance produces extremely sharp frequency tuning to the dominant frequency of the echolocation calls, around 61 kHz. Such high frequency resolution in the cochlea is accomplished at the expense of losing temporal resolution because of cochlear ringing, an effect that is observable not only in the cochlea but also in the cochlear nucleus. In the midbrain, the duration of sounds is thought to be analyzed by duration-tuned neurons, which are selective to both stimulus duration and frequency. We recorded from 57 DTNs in the auditory midbrain of the mustached bat to assess if a spectral-temporal trade-off is present. Such spectral-temporal trade-off is known to occur as sharp tuning in the frequency domain which results in poorer resolution in the time domain, and vice versa. We found that a specialized sub-population of midbrain DTNs tuned to the bat’s mechanical cochlear resonance frequency escape the cochlear spectral-temporal trade-off. We also show evidence that points towards an underlying neuronal inhibition that appears to be specific only at the resonance frequency.
The acoustic startle response (ASR) and its modulation by non-startling prepulses, presented shortly before the startle-eliciting stimulus, is a broadly applied test paradigm to determine changes in neural processing related to auditory or psychiatric disorders. Modulation by a gap in background noise as a prepulse is especially used for tinnitus assessment. However, the timing and frequency-related aspects of prepulses are not fully understood. The present study aims to investigate temporal and spectral characteristics of acoustic stimuli that modulate the ASR in rats and gerbils. For noise-burst prepulses, inhibition was frequency-independent in gerbils in the test range between 4 and 18 kHz. Prepulse inhibition (PPI) by noise-bursts in rats was constant in a comparable range (8–22 kHz), but lower outside this range. Purely temporal aspects of prepulse–startle-interactions were investigated for gap-prepulses focusing mainly on gap duration. While very short gaps had no (rats) or slightly facilitatory (gerbils) influence on the ASR, longer gaps always had a strong inhibitory effect. Inhibition increased with durations up to 75 ms and remained at a high level of inhibition for durations up to 1000 ms for both, rats and gerbils. Determining spectral influences on gap-prepulse inhibition (gap-PPI) revealed that gerbils were unaffected in the limited frequency range tested (4–18 kHz). The more detailed analysis in rats revealed a variety of frequency-dependent effects. Gaps in pure-tone background elicited constant and high inhibition (around 75%) over a broad frequency range (4–32 kHz). For gaps in noise-bands, on the other hand, a clear frequency-dependency was found: inhibition was around 50% at lower frequencies (6–14 kHz) and around 70% at high frequencies (16–20 kHz). This pattern of frequency-dependency in rats was specifically resulting from the inhibitory effect by the gaps, as revealed by detailed analysis of the underlying startle amplitudes. An interaction of temporal and spectral influences, finally, resulted in higher inhibition for 500 ms gaps than for 75 ms gaps at all frequencies tested. Improved prepulse paradigms based on these results are well suited to quantify the consequences of central processing disorders.
Abstract: The hallmarks of Alzheimer’s disease (AD) are characterized by cognitive decline and behavioral changes. The most prominent brain region affected by the progression of AD is the hippocampal formation. The pathogenesis involves a successive loss of hippocampal neurons accompanied by a decline in learning and memory consolidation mainly attributed to an accumulation of senile plaques. The amyloid precursor protein (APP) has been identified as precursor of Aβ-peptides, the main constituents of senile plaques. Until now, little is known about the physiological function of APP within the central nervous system. The allocation of APP to the proteome of the highly dynamic presynaptic active zone (PAZ) highlights APP as a yet unknown player in neuronal communication and signaling. In this study, we analyze the impact of APP deletion on the hippocampal PAZ proteome. The native hippocampal PAZ derived from APP mouse mutants (APP-KOs and NexCreAPP/APLP2-cDKOs) was isolated by subcellular fractionation and immunopurification. Subsequently, an isobaric labeling was performed using TMT6 for protein identification and quantification by high-resolution mass spectrometry. We combine bioinformatics tools and biochemical approaches to address the proteomics dataset and to understand the role of individual proteins. The impact of APP deletion on the hippocampal PAZ proteome was visualized by creating protein-protein interaction (PPI) networks that incorporated APP into the synaptic vesicle cycle, cytoskeletal organization, and calcium-homeostasis. The combination of subcellular fractionation, immunopurification, proteomic analysis, and bioinformatics allowed us to identify APP as structural and functional regulator in a context-sensitive manner within the hippocampal active zone network.
Author Summary: More than 20 years ago, the amyloid precursor protein (APP) was identified as the precursor protein of the Aβ peptide, the main component of senile plaques in brains affected by Alzheimer’s disease. However, little is known about the physiological function of amyloid precursor protein. Allocating APP to the proteome of the structurally and functionally dynamic presynaptic active zone highlights APP as a hitherto unknown player within the presynaptic network. The hippocampus is the most prominent brain region for learning and memory consolidation, and a vulnerable target for neurodegenerative disease, e. g. Alzheimer’s disease. Therefore, our experimental design is focused on the hippocampal neurotransmitter release site. Currently, the underlying mechanism of how APP acts within presynaptic networks is still elusive. Within the scope of this research article, we constructed a network of APP within the presynaptic active zone and how deletion of APP affects these individual networks. We combine bioinformatics tools and biochemical approaches to address the dataset provided by proteomics. Furthermore, we could unravel that APP executes regulatory functions within the synaptic vesicle cycle, cytoskeletal rearrangements and Ca2+-homeostasis. Taken together, our findings offer a new perspective on the physiological function of APP in the central nervous system and may provide a molecular link to the pathogenesis of Alzheimer’s disease.
This case study reports on an e-learning course on good academic practice, compulsory for doctoral students of the central graduate academy GRADE at the Goethe University in Frankfurt (Germany). The tool comprises of six closely linked web based trainings. They are designed as a virtual PhD, depicting the different phases of a doctorate and covering the various aspects of good academic practice and potential fields of academic misconduct.
Cryptochromes, blue-light absorbing proteins involved in the circadian clock, have been proposed to be the receptor molecules of the avian magnetic compass. In birds, several cryptochromes occur: Cryptochrome 2, Cryptochrome 4 and two splice products of Cryptochrome 1, Cry1a and Cry1b. With an antibody not distinguishing between the two splice products, Cryptochrome 1 had been detected in the retinal ganglion cells of garden warblers during migration. A recent study located Cry1a in the outer segments of UV/V-cones in the retina of domestic chickens and European robins, another migratory species. Here we report the presence of cryptochrome 1b (eCry1b) in retinal ganglion cells and displaced ganglion cells of European Robins, Erithacus rubecula. Immuno histochemistry at the light microscopic and electron microscopic level showed eCry1b in the cell plasma, free in the cytosol as well as bound to membranes. This is supported by immuno blotting. However, this applies only to robins in the migratory state. After the end of the migratory phase, the amount of eCry1b was markedly reduced and hardly detectable. In robins, the amount of eCry1b in the retinal ganglion cells varies with season: it appears to be strongly expressed only during the migratory period when the birds show nocturnal migratory restlessness. Since the avian magnetic compass does not seem to be restricted to the migratory phase, this seasonal variation makes a role of eCry1b in magnetoreception rather unlikely. Rather, it could be involved in physiological processes controlling migratory restlessness and thus enabling birds to perform their nocturnal flights.
Ligand stimulation of CD95 induces activation of Plk3 followed by phosphorylation of caspase-8
(2016)
Upon interaction of the CD95 receptor with its ligand, sequential association of the adaptor molecule FADD (MORT1), pro-forms of caspases-8/10, and the caspase-8/10 regulator c-FLIP leads to the formation of a death-inducing signaling complex. Here, we identify polo-like kinase (Plk) 3 as a new interaction partner of the death receptor CD95. The enzymatic activity of Plk3 increases following interaction of the CD95 receptor with its ligand. Knockout (KO) or knockdown of caspase-8, CD95 or FADD prevents activation of Plk3 upon CD95 stimulation, suggesting a requirement of a functional DISC for Plk3 activation. Furthermore, we identify caspase-8 as a new substrate for Plk3. Phosphorylation occurs on T273 and results in stimulation of caspase-8 proapoptotic function. Stimulation of CD95 in cells expressing a non-phosphorylatable caspase-8-T273A mutant in a rescue experiment or in Plk3-KO cells generated by CRISPR/Cas9 reduces the processing of caspase-8 prominently. Low T273 phosphorylation correlates significantly with low Plk3 expression in a cohort of 95 anal tumor patients. Our data suggest a novel mechanism of kinase activation within the Plk family and propose a new model for the stimulation of the extrinsic death pathway in tumors with high Plk3 expression.
We have recently shown that caspase-8 is a new substrate of Polo-like kinase 3 (Plk3) that phosphorylates the protein on residue T273 thereby promoting its pro-apoptotic function. In the present study we aimed to investigate the clinical relevance of Plk3 expression and phosphorylation of caspase-8 at T273 in patients with anal squamous cell carcinoma (SSC) treated with 5-fluorouracil and mitomycin C-based chemoradiotherapy (CRT). Immunohistochemical detection of the markers was performed in pretreatment biopsy specimens of 95 patients and was correlated with clinical/histopathologic characteristics including HPV-16 virus load/p16INK4a expression and cumulative incidence of local and distant failure, cancer specific survival (CSS), and overall survival (OS). We observed significant positive correlations between Plk3 expression, pT273 caspase-8 signal, and levels of HPV-16 virus DNA load/p16INK4a detection. Patients with high scores of Plk3 and pT273 caspase-8 showed increased local control (p = 0.011; p = 0.001), increased CSS (p = 0.011; p = 0.013) and OS (p = 0.024; p = 0.001), while the levels of pT273 caspase-8 were significantly associated (p = 0.033) with distant metastases. In multivariate analyses Plk3 expression remained significant for local failure (p = 0.018), CSS (p = 0.016) and OS (p = 0.023). Moreover, a combined HPV16 DNA load and Plk3 or pT273 caspase-8 variable revealed a significant correlation to decreased local failure (p = 0.001; p = 0.009), increased CSS (p = 0.016; p = 0.023) and OS (p = 0.003; p = 0.003). In conclusion these data indicate that elevated levels of Plk3 and pT273 caspase-8 are correlated with favorable clinical outcome in patients with anal SCC treated with concomitant CRT.
Die neuronalen Mechanismen, welche den meisten kognitiven Prozessen zu Grunde liegen, bestehen aus dem Zusammenspiel verschiedener Neuronen-Typen und deren spezifischen Funktionsmechanismen, sowohl in lokalen, als auch in globalen neuronalen Netzwerken. Eine funktionelle Interaktion mit diesen Netzwerken ist unumgänglich um das „kognitive“ Gehirn zu studieren, da neuronale Gruppen in einer hierarchischen, nicht linearen Weise miteinander interagieren, und dabei charakteristische raum-zeitliche Muster aufweisen. In dieser Arbeit untersuchten wir die Struktur und Funktion eines wichtigen Merkmals kortikaler Prozesse: Die neuronale gamma-Band Oszillation.
Die mitochondriale Innenmembran (IM) besteht aus zwei Subkompartimenten. Der
Cristae Membran (CM) und der inneren Grenzmembran (IBM), welche durch die runden und
schlitzartige Strukturen der Christa Junctions (CJs) verbunden werden Der MICOS-Komplex
ist an den CJs lokalisiert und besteht aus mindestens 6 Komponenten, Mic60, Mic27, Mic26,
Mic19, Mic12 und Mic10. Es ist bekannt, dass der MICOS-Komplex essentiell für die Stabilität der CJs ist. Die in dieser Arbeit gezeigten Ergebnisse, geben Aufschluss darüber, wie sich
einzelne MICOS-Komponenten auf die Stabilität von Cristae und CJs im Modellsystem Hefe (S
cerevisiae) auswirken. Zu Beginn dieser Arbeit war zum einen bekannt, dass die MICOSKomponente
Mic60 essentiell für die Bildung von CJs ist. Zum Anderen wurden im Vorfeld
dieser Arbeit Interaktionen von Mic60 mit Proteinen in der mitochondrialen Außenmembran,
vor allem Proteinkomplexe mit ȕ-barrel-Proteinen identifiziert. Diese Interaktionen werden
über den evolutionär, konservierten C-Terminus von Mic60 vermittelt.
ȕ-barrel Proteine besitzen eine charakteristische Peptidsequenz, die ȕ-Sequenz. Diese
dient nach dem Import der ȕ-barrel Proteine in die Mitochondrien als Signalpeptid für den
SAM-/TOB-Komplex, welcher daraufhin die Proteine in die Außenmembran insertiert. In
dieser Arbeit wurde ebenfalls eine ȕ-Sequenz im C-Terminus von Mic60 identifiziert, diese
zeigte einen Einfluss auf die Cristae-Stabilität. Zellen die eine Mic60-Variante mit einer
Deletion oder Punktmutation der ȕ- Domäne exprimieren, zeigten eine reduzierte Anzahl an
CJs. Auch das Verkürzen des C-Terminus von Mic60 hatte diesen Effekt auf die mitochondriale
Ultrastruktur. So konnte gezeigt werden, dass die ȕ-Domäne und die Integrität des C-Terminus
essentiell für die Stabilität von CJs sind.
Der Fokus dieser Arbeit lag in der Charakterisierung der MICOS-Komponenten Mic26
und Mic27. Es konnte bewiesen werden, dass beide Proteine genetisch mit der MICOSKernkomponente
Mic60 interagieren. Die Untersuchung der mitochondrialen Ultrastruktur von
Δmicβ6- und Δmicβ7-Zellen zeigte, dass eine Deletion vom Mic26 keinen Einfluss auf die
Organisation der mitochondrialen Innenmembran hat. Im Gegensatz dazu, ist im Vergleich zum
Wildtyp die Anzahl an CJs in Δmicβ7-Zellen um zwei Drittel reduziert. Auch die
Innenmembranoberfläche ist in diesen Zellen stark vergrößert. Die Untersuchung der
Morphologie der mitochondrialen Innenmembran in Zellen ohne Mic27 durch KryoElektronentomographie
isolierter Mitochondrien, veranschaulichte die Struktur der CJs in
diesen Zellen genauer. Es zeigten sich hier breitere CJs, und der Übergang von der
Cristaemembran in den Bereich der inneren Grenzmembran ist sehr flach und undefiniert. In
Wildtyp-Mitochondrien waren die CJs schmal und schlitzartig und haben einen scharfkantigen
Übergang von der Cristaemembran zur inneren Grenzmembran. Des Weiteren wies die
Cristaemembran in Δmicβ7-Zellen unregelmäßige zackige Strukturelemente auf, was auf eine
Anhäufung an Dimeren der F1FO-ATP Synthase hinweist.
Diese Beobachtungen in den Kryo-Tomogrammen, wurde durch Analysen des sich deutlich weniger höhere Oligomere und vermehrt Dimere. So kann aus diesen Befunden
geschlossen werden, dass Mic27 die Oligomere der F1FO-ATP Synthase stabilisiert.
Um zu untersuchen, wie der MICOS-Komplex mit der F1FO-ATP Synthase in
Verbindung steht, wurde mittels 2D-BNE-Analysen und einem Complexome Profiling die
Komplexierung der nativen Komplexe in Wildtyp- und Δmicβ7-Mitochondrien analysiert. Zum
einen konnte durch diese Untersuchungen gezeigt werden, dass Mic27 neben der F1FO-ATP
Synthase auch stabilisierend auf den MICOS-Komplex wirkt. Die Komplexe im
hochmolekularen Bereich der MICOS-Komponenten zerfielen in Δmicβ7-Zellen, was darauf
hinweist, dass die anderen MICOS-Komponenten hier nicht mehr assemblieren können. Mic10
war die einzige MICOS-Komponente die in Δmicβ7-Zellen noch stabile Komplexe im hohen
Massenbereich ausbildete. Mic10 findet sich zudem nicht nur in Klustern mit anderen MICOSKomponenten
sondern auch mit der F1FO-ATP Synthase.
Die Interaktion von Mic10 und der F1FO-ATP Synthase wurde auch biochemisch,
mittels chemischer Quervernetzern und Ko-Immunpräzipitationsexperimenten bestätigt. Dies
legt nahe, dass Mic10 die CJs mit hoher Wahrscheinlichkeit, durch die Verbindung mit der
F1FO-ATP Synthase, mit der Cristaemembran verbindet und so stabilisiert.
Aufgrund der Erkenntnisse dieser Arbeit konnte ein neuartiges Modell postuliert
werden. Die MICOS-Komponente Mic60 stabilisiert die CJs durch eine Interaktion seines CTerminus
mit Proteinen in der Außenmembran. Mic27 vermittelt über Mic10 die Interaktion
zur F1FO-ATP Synthase. Somit ist diese neu identifizierte Interaktion des MICOS-Komplex zur
F1FO-ATP Synthase essentiell für die Stabilität von CJs ist, indem es den MICOS-Komplex mit
den Oligomeren der F1FO-ATP Synthase verbindet.
Oligomerisierungszustands der F1FO-ATP Synthase in Δmicβ7-Zellen, bestätigt. Hier fanden
sich deutlich weniger höhere Oligomere und vermehrt Dimere. So kann aus diesen Befunden
geschlossen werden, dass Mic27 die Oligomere der F1FO-ATP Synthase stabilisiert.
Um zu untersuchen, wie der MICOS-Komplex mit der F1FO-ATP Synthase in
Verbindung steht, wurde mittels 2D-BNE-Analysen und einem Complexome Profiling die
Komplexierung der nativen Komplexe in Wildtyp- und Δmicβ7-Mitochondrien analysiert. Zum
einen konnte durch diese Untersuchungen gezeigt werden, dass Mic27 neben der F1FO-ATP
Synthase auch stabilisierend auf den MICOS-Komplex wirkt. Die Komplexe im
hochmolekularen Bereich der MICOS-Komponenten zerfielen in Δmicβ7-Zellen, was darauf
hinweist, dass die anderen MICOS-Komponenten hier nicht mehr assemblieren können. Mic10
war die einzige MICOS-Komponente die in Δmicβ7-Zellen noch stabile Komplexe im hohen
Massenbereich ausbildete. Mic10 findet sich zudem nicht nur in Klustern mit anderen MICOSKomponenten
sondern auch mit der F1FO-ATP Synthase.
Die Interaktion von Mic10 und der F1FO-ATP Synthase wurde auch biochemisch,
mittels chemischer Quervernetzern und Ko-Immunpräzipitationsexperimenten bestätigt. Dies
legt nahe, dass Mic10 die CJs mit hoher Wahrscheinlichkeit, durch die Verbindung mit der
F1FO-ATP Synthase, mit der Cristaemembran verbindet und so stabilisiert.
Aufgrund der Erkenntnisse dieser Arbeit konnte ein neuartiges Modell postuliert
werden. Die MICOS-Komponente Mic60 stabilisiert die CJs durch eine Interaktion seines CTerminus
mit Proteinen in der Außenmembran. Mic27 vermittelt über Mic10 die Interaktion
zur F1FO-ATP Synthase. Somit ist diese neu identifizierte Interaktion des MICOS-Komplex zur
F1FO-ATP Synthase essentiell für die Stabilität von CJs ist, indem es den MICOS-Komplex mit
den Oligomeren der F1FO-ATP Synthase verbindet.
Die mitochondriale Innenmembran (IM) besteht aus zwei Subkompartimenten. Der Cristae Membran (CM) und der inneren Grenzmembran (IBM), welche durch die runden und schlitzartige Strukturen der Christa Junctions (CJs) verbunden werden Der MICOS-Komplex ist an den CJs lokalisiert und besteht aus mindestens 6 Komponenten, Mic60, Mic27, Mic26, Mic19, Mic12 und Mic10. Es ist bekannt, dass der MICOS-Komplex essentiell für die Stabilität der CJs ist. Die in dieser Arbeit gezeigten Ergebnisse, geben Aufschluss darüber, wie sich einzelne MICOS-Komponenten auf die Stabilität von Cristae und CJs im Modellsystem Hefe (S cerevisiae) auswirken. Zu Beginn dieser Arbeit war zum einen bekannt, dass die MICOS-Komponente Mic60 essentiell für die Bildung von CJs ist. Zum Anderen wurden im Vorfeld dieser Arbeit Interaktionen von Mic60 mit Proteinen in der mitochondrialen Außenmembran, vor allem Proteinkomplexe mit β-barrel-Proteinen identifiziert. Diese Interaktionen werden über den evolutionär, konservierten C-Terminus von Mic60 vermittelt.
β-barrel Proteine besitzen eine charakteristische Peptidsequenz, die β-Sequenz. Diese dient nach dem Import der β-barrel Proteine in die Mitochondrien als Signalpeptid für den SAM-/TOB-Komplex, welcher daraufhin die Proteine in die Außenmembran insertiert. In dieser Arbeit wurde ebenfalls eine β-Sequenz im C-Terminus von Mic60 identifiziert, diese zeigte einen Einfluss auf die Cristae-Stabilität. Zellen die eine Mic60-Variante mit einer Deletion oder Punktmutation der β- Domäne exprimieren, zeigten eine reduzierte Anzahl an CJs. Auch das Verkürzen des C-Terminus von Mic60 hatte diesen Effekt auf die mitochondriale Ultrastruktur. So konnte gezeigt werden, dass die β-Domäne und die Integrität des C-Terminus essentiell für die Stabilität von CJs sind.
Der Fokus dieser Arbeit lag in der Charakterisierung der MICOS-Komponenten Mic26 und Mic27. Es konnte bewiesen werden, dass beide Proteine genetisch mit der MICOS-Kernkomponente Mic60 interagieren. Die Untersuchung der mitochondrialen Ultrastruktur von Δmic26- und Δmic27-Zellen zeigte, dass eine Deletion vom Mic26 keinen Einfluss auf die Organisation der mitochondrialen Innenmembran hat. Im Gegensatz dazu, ist im Vergleich zum Wildtyp die Anzahl an CJs in Δmic27-Zellen um zwei Drittel reduziert. Auch die Innenmembranoberfläche ist in diesen Zellen stark vergrößert. Die Untersuchung der Morphologie der mitochondrialen Innenmembran in Zellen ohne Mic27 durch Kryo-Elektronentomographie isolierter Mitochondrien, veranschaulichte die Struktur der CJs in diesen Zellen genauer. Es zeigten sich hier breitere CJs, und der Übergang von der Cristaemembran in den Bereich der inneren Grenzmembran ist sehr flach und undefiniert. In Wildtyp-Mitochondrien waren die CJs schmal und schlitzartig und haben einen scharfkantigen Übergang von der Cristaemembran zur inneren Grenzmembran. Des Weiteren wies die Cristaemembran in Δmic27-Zellen unregelmäßige zackige Strukturelemente auf, was auf eine Anhäufung an Dimeren der F1FO-ATP Synthase hinweist.
Diese Beobachtungen in den Kryo-Tomogrammen, wurde durch Analysen des Oligomerisierungszustands der F1FO-ATP Synthase in Δmic27-Zellen, bestätigt. Hier fanden sich deutlich weniger höhere Oligomere und vermehrt Dimere. So kann aus diesen Befunden geschlossen werden, dass Mic27 die Oligomere der F1FO-ATP Synthase stabilisiert.
Um zu untersuchen, wie der MICOS-Komplex mit der F1FO-ATP Synthase in Verbindung steht, wurde mittels 2D-BNE-Analysen und einem Complexome Profiling die Komplexierung der nativen Komplexe in Wildtyp- und Δmic27-Mitochondrien analysiert. Zum einen konnte durch diese Untersuchungen gezeigt werden, dass Mic27 neben der F1FO-ATP Synthase auch stabilisierend auf den MICOS-Komplex wirkt. Die Komplexe im hochmolekularen Bereich der MICOS-Komponenten zerfielen in Δmic27-Zellen, was darauf hinweist, dass die anderen MICOS-Komponenten hier nicht mehr assemblieren können. Mic10 war die einzige MICOS-Komponente die in Δmic27-Zellen noch stabile Komplexe im hohen Massenbereich ausbildete. Mic10 findet sich zudem nicht nur in Klustern mit anderen MICOS-Komponenten sondern auch mit der F1FO-ATP Synthase.
Die Interaktion von Mic10 und der F1FO-ATP Synthase wurde auch biochemisch, mittels chemischer Quervernetzern und Ko-Immunpräzipitationsexperimenten bestätigt. Dies legt nahe, dass Mic10 die CJs mit hoher Wahrscheinlichkeit, durch die Verbindung mit der F1FO-ATP Synthase, mit der Cristaemembran verbindet und so stabilisiert.
Aufgrund der Erkenntnisse dieser Arbeit konnte ein neuartiges Modell postuliert werden. Die MICOS-Komponente Mic60 stabilisiert die CJs durch eine Interaktion seines C-Terminus mit Proteinen in der Außenmembran. Mic27 vermittelt über Mic10 die Interaktion zur F1FO-ATP Synthase. Somit ist diese neu identifizierte Interaktion des MICOS-Komplex zur F1FO-ATP Synthase essentiell für die Stabilität von CJs ist, indem es den MICOS-Komplex mit den Oligomeren der F1FO-ATP Synthase verbindet.
Mitochondrial membrane dynamics is increasingly implicated in various human diseases. Numerous studies show that the protein OPA1 plays a central role in determining mitochondrial ultrastructure and apoptotic remodeling of the inner mitochondrial membrane during Cytochrome c release and apoptosis. Crista junctions are crucial for the regulation of apoptotic Cytochrome c release. Previous publications suggest that OPA1 is required to maintain a normal structure of the inner mitochondrial membrane. The protein MIC60 (Mitofilin) appears to be an essential physical constituent of crista junctions and is also crucial for the general determination of mitochondrial ultrastructure. Furthermore, recent studies suggest that MIC60 is also implicated in Cytochrome c release during apoptosis.
In this regard, the question whether OPA1 is essential for crista junction formation was investigated. In addition to that, the interplay between OPA1 and MIC60 and its physiological role were analyzed. Electron microscopy of OPA1+/- and OPA1+/+ mice, as well as of OPA1-/- and OPA1+/+ MEFs clearly showed that OPA1 plays a role but is not essential for crista junction formation. In contrast to that, the results indicate that OPA1 is crucial to maintain a normal structure of the inner mitochondrial membrane. Immunogold experiments fit well to these observations as OPA1 was found equally distributed throughout the cristae membrane with only a minor part located at crista junctions. MIC60 localization studies showed a clear enrichment at crista junctions. Interaction studies revealed that endogenous OPA1 and MIC60 physically interact with each other. Analysis of protein levels upon OPA1 or MIC60 depletion indicate that both proteins play a dual role in cristae- and crista junction formation in which MIC60 is a physical constituent of crista junctions essential for their formation while OPA1 primarily has a regulatory impact on MIC60 function. Finally, apoptosis assays and cell viability measurements showed that knockout of OPA1 in MEFs leads to increased cellular resistance suggesting that the interplay of these proteins is important for the regulation of crista junction remodeling during apoptosis.
Besides its role in determining mitochondrial ultrastructure, OPA1 mediates inner membrane fusion of mitochondria thereby contributing to mitochondrial quality control. Additionally, proteolytic processing is crucial for the ability of OPA1 to distinguish between functional and dysfunctional mitochondria. Functional mitochondria are fused while dysfunctional mitochondria are not, a process termed selective mitochondrial fusion. Dysfunctional mitochondria were shown to be degraded by mitophagy in a fission-dependent manner. Numerous studies suggest that OPA1 and mitophagy are directly linked. However, this idea is still under debate. Mitophagy is also crucial for mitochondrial quality control, which directly impacts mitochondrial integrity. Furthermore, mitochondrial quality control has been linked to neurodegeneration as demonstrated by the observation that mutations in OPA1 cause the disorder ADOA-1.
In order to analyze a potential link between OPA1 and mitophagy, mitochondrial colocalization with LC3 was analyzed microscopically in primary adult skin fibroblasts isolated from OPA1+/- and OPA1+/+ mice in an age-dependent manner. Fibroblasts from young OPA1+/- mice showed increased colocalization of mitochondria with autophagosomes compared to fibroblasts from young wild type mice suggesting that OPA1 exerts an inhibitory role in mitophagy. This effect was even more pronounced in old mice, which also displayed higher mitophagy levels in general than young mice, consistent with the finding that old mice had higher Parkin levels than young mice. Mitochondrial fragmentation was elevated in fibroblasts from young and old OPA1+/- mice compared to control fibroblasts. However, extensive mitochondrial fusion, which occurred in fibroblasts from old wild type mice, was prevented in old OPA1+/- mice. Furthermore, old wild type mice had decreased numbers of crista junctions compared to young wild type mice, an effect that was not observed in OPA1+/- mice. Despite the observed age-dependent phenotypes in mitochondrial quality control and mitochondrial integrity, deletion of one allele of OPA1 had no influence on the life span in vivo. Analysis of the OPA1-dependent proteome of aging mice, which was performed in collaboration with Ansgar Poetsch and Carina Ramallo-Guevara from Bochum, showed that OPA1-dependent aging is accompanied by a reduction of proteins involved in autophagy. In contrast to that, a switch from glucose to fatty acid metabolism and alterations in apoptotic proteins were observed in both OPA1+/- and OPA1+/+ mice in an age-dependent manner indicating that the changes in proteins implicated in autophagy could be a compensatory response to the diminished inhibitory effect of OPA1 on mitophagy. On the other hand, increased mitochondrial degradation by mitophagy could be a cellular response to itself compensating for the loss of OPA1 mediated fusion thereby contributing to the observation that OPA1+/- and OPA1+/+ mice had no differences in life span. Furthermore, analysis of the OPA1-dependent proteome of aging mice revealed that OPA1, besides its role in mitochondrial fusion, could interact with the fission machinery: MFF and Neuronal pentraxin 1, two proteins involved in mitochondrial fission, were up-regulated in 12-month-old OPA1+/- mice suggesting that a reduced fission activity could contribute to mitochondrial hyperfusion in aged wild- type mice. Nonetheless, the exact nature of the possible interplays between OPA1 and these candidates remains to be investigated.
Pathogenicity of many microbes relies on their capacity to resist innate immunity, and to survive and persist in an immunocompetent human host microbes have developed highly efficient and sophisticated complement evasion strategies. Here we show that different human pathogens including Gram-negative and Gram-positive bacteria, as well as the fungal pathogen Candida albicans, acquire the human terminal complement regulator vitronectin to their surface. By using truncated vitronectin fragments we found that all analyzed microbial pathogens (n = 13) bound human vitronectin via the same C-terminal heparin-binding domain (amino acids 352–374). This specific interaction leaves the terminal complement complex (TCC) regulatory region of vitronectin accessible, allowing inhibition of C5b-7 membrane insertion and C9 polymerization. Vitronectin complexed with the various microbes and corresponding proteins was thus functionally active and inhibited complement-mediated C5b-9 deposition. Taken together, diverse microbial pathogens expressing different structurally unrelated vitronectin-binding molecules interact with host vitronectin via the same conserved region to allow versatile control of the host innate immune response.
In the adult mammalian brain stem cells within defined neurogenic niches retain the capacity for lifelong de novo generation of neurons. The subventricular zone (SVZ) of the lateral ventricles and the subgranular layer (SGL) of the hippocampal dentate gyrus (DG) have been identified as the two major sites of adult neurogenesis. Moreover, the third ventricle in the hypothalamus is emerging as a new neurogenic niche in the adult brain. Extracellular purine and pyrimidine nucleotides are involved in the control of both embryonic and adult neuro-genesis. These nucleotides act via ionotropic P2X or metabotropic P2Y receptors and studies of the adult SVZ and the DG provide strong evidence that ATP promotes progenitor cell proliferation in this stem cell rich regions. Previous studies have shown that the extracellular nucleotide-hydrolyzing enzyme NTPDase2 is highly expressed by adult neural stem and progenitor cells of the SVZ and the rostral migratory stream (RMS), the hippocampal SGL, and the third ventricle. NTPDase2 preferentially hydrolyzes extracellular nucleoside triphosphates (NTPs) and, to a lower extent, diphosphates, thus modulating their effect on nearby nucleotide receptors. Deletion of the enzyme increases extracellular NTP concentrations, and might indicate roles of purinergic signaling in adult neurogenesis. As shown by enzyme histochemistry, genetic deletion of NTPDase2 essentially eliminates ATPase activity in neurogenic niches but does not affect protein expression levels and activity of other ectonucleotidases. Lack of NTPDase2 leads to expansion of the hippocampal stem cell pool as well as of the inter-mediate progenitor type-2 cells. Cell expansion is lost at around type-3 stage, paralleled by increased labeling for caspase-3, indicating increased apoptosis, and decreased levels in CREB phosphorylation in doublecortin-expressing cells, diminishing survival in this cell population. In line with increased cell death, P2Y12 receptor-expressing microglia is enriched at the hilus orientated side of the granule cell layer. These data strongly suggest that NTPDase2 functions as central homeostatic regulator of nucleotide-mediated neural progenitor cell proliferation and expansion in the adult brain by balancing extracellular nucleotide concentrations and activation of purinergic receptors.
In order to further characterize the role of purinergic signaling in adult neurogenesis, the ADP-sensitive P2Y13 receptor was identified as a potential candidate whose activation might inhibit neurogenesis in the hippocampal dentate gyrus and the newly identified neurogenic niche at the third ventricle. Deletion of P2ry13 increased progenitor cell proliferation and long-term progenitor survival as well as new neuron formation in the hippocampal neurogenic niche. This was further paralleled by increased thickening of the granule cell layer, CREB phosphorylation, and expression of the neuronal activity marker c-Fos. Increased progenitor cell proliferation and progenitor survival persist in aged P2ry13 knockout animals. However, in the ventral dentate gyrus proliferation and expansion levels of progenitor cells did not differ significantly from the wild type. This study strongly supports the notion that extracellular nucleotides significantly contribute to the control of adult neurogenesis in the dentate gyrus in situ. Data in this work suggest that activation of the P2Y13 receptor dampens progenitor cell proliferation, new neuron formation, and neuronal activity. In contrast to several in vitro studies and studies in the SVZ in situ, a contribution of the ATP/ADP-sensitive P2Y1 receptor could not be confirmed in the dentate gyrus in vivo.
To unravel implications of purinergic signaling and P2Y13 receptor action in the control of adult hypothalamic neurogenesis a pilot study was performed. Mice null for P2ry13 revealed increased progenitor cell proliferation at the third ventricle as well as long-term progeny survival and new neuron formation in the hypothalamus. In contrast to results obtained in the dentate gyrus expression of the neuronal activity marker c-Fos was significantly decreased in hypothalamic nuclei, indicating increased inhibition of appetite-regulating neuronal circuits by surplus neurons in knockout animals. These data provide first evidence that extracellular nucleotide signaling contributes to the control of adult hypothalamic neurogenesis in situ. Activation of the P2Y13 receptor inhibits progenitor cell proliferation, long-term survival and neuron formation and therefore controls inhibition of appetite-regulating circuits in the adult rodent hypothalamus.
Background: One aspect of premating isolation between diverging, locally-adapted population pairs is female mate choice for resident over alien male phenotypes. Mating preferences often show considerable individual variation, and whether or not certain individuals are more likely to contribute to population interbreeding remains to be studied. In the Poecilia mexicana-species complex different ecotypes have adapted to hydrogen sulfide (H2S)-toxic springs, and females from adjacent non-sulfidic habitats prefer resident over sulfide-adapted males. We asked if consistent individual differences in behavioral tendencies (animal personality) predict the strength and direction of the mate choice component of premating isolation in this system.
Results: We characterized focal females for their personality and found behavioral measures of ‘novel object exploration’, ‘boldness’ and ‘activity in an unknown area’ to be highly repeatable. Furthermore, the interaction term between our measures of exploration and boldness affected focal females’ strength of preference (SOP) for the resident male phenotype in dichotomous association preference tests. High exploration tendencies were coupled with stronger SOPs for resident over alien mating partners in bold, but not shy, females. Shy and/or little explorative females had an increased likelihood of preferring the non-resident phenotype and thus, are more likely to contribute to rare population hybridization. When we offered large vs. small conspecific stimulus males instead, less explorative females showed stronger preferences for large male body size. However, this effect disappeared when the size difference between the stimulus males was small.
Conclusions: Our results suggest that personality affects female mate choice in a very nuanced fashion. Hence, population differences in the distribution of personality types could be facilitating or impeding reproductive isolation between diverging populations depending on the study system and the male trait(s) upon which females base their mating decisions, respectively.
Background: Aedes albopictus and Ae. japonicus are two of the most widespread invasive mosquito species that have recently become established in western Europe. Both species are associated with the transmission of a number of serious diseases and are projected to continue their spread in Europe.
Methods: In the present study, we modelled the habitat suitability for both species under current and future climatic conditions by means of an Ensemble forecasting approach. We additionally compared the modelled MAXENT niches of Ae. albopictus and Ae. japonicus regarding temperature and precipitation requirements.
Results: Both species were modelled to find suitable habitat conditions in distinct areas within Europe: Ae. albopictus within the Mediterranean regions in southern Europe, Ae. japonicus within the more temperate regions of central Europe. Only in few regions, suitable habitat conditions were projected to overlap for both species. Whereas Ae. albopictus is projected to be generally promoted by climate change in Europe, the area modelled to be climatically suitable for Ae. japonicus is projected to decrease under climate change. This projection of range reduction under climate change relies on the assumption that Ae. japonicus is not able to adapt to warmer climatic conditions. The modelled MAXENT temperature niches of Ae. japonicus were found to be narrower with an optimum at lower temperatures compared to the niches of Ae. albopictus.
Conclusions: Species distribution models identifying areas with high habitat suitability can help improving monitoring programmes for invasive species currently in place. However, as mosquito species are known to be able to adapt to new environmental conditions within the invasion range quickly, niche evolution of invasive mosquito species should be closely followed upon in future studies.
The Asian tiger mosquito Aedes albopictus, native to South East Asia, is listed as one of the worst invasive vector species worldwide. In Europe the species is currently restricted to Southern Europe, but due to the ongoing climate change, Ae. albopictus is expected to expand its potential range further northwards. In addition to modelling the habitat suitability for Ae. albopictus under current and future climatic conditions in Europe by means of the maximum entropy approach, we here focused on the drivers of the habitat suitability prediction. We explored the most limiting factors for Aedes albopictus in Europe under current and future climatic conditions, a method which has been neglected in species distribution modelling so far. Ae. albopictus is one of the best-studied mosquito species, which allowed us to evaluate the applied Maxent approach for most limiting factor mapping. We identified three key limiting factors for Ae. albopictus in Europe under current climatic conditions: winter temperature in Eastern Europe, summer temperature in Southern Europe. Model findings were in good accordance with commonly known establishment thresholds in Europe based on climate chamber experiments and derived from the geographical distribution of the species. Under future climatic conditions low winter temperature were modelled to remain the most limiting factor in Eastern Europe, whereas in Central Europe annual mean temperature and summer temperatures were modelled to be replaced by summer precipitation, respectively, as most limiting factors. Changes in the climatic conditions in terms of the identified key limiting factors will be of great relevance regarding the invasive potential of the Ae. albopictus. Thus, our results may help to understand the key drivers of the suggested range expansion under climate change and may help to improve monitoring programmes. The applied approach of investigating limiting factors has proven to yield valuable results and may also provide valuable insights into the drivers of the prediction of current and future distribution of other species. This might be particularly interesting for other vector species that are of increasing public health concerns.
Erratum to doi:10.1186/s13071-016-1853-2
Biomass burning impacts vegetation dynamics, biogeochemical cycling, atmospheric chemistry, and climate, with sometimes deleterious socio-economic impacts. Under future climate projections it is often expected that the risk of wildfires will increase. Our ability to predict the magnitude and geographic pattern of future fire impacts rests on our ability to model fire regimes, using either well-founded empirical relationships or process-based models with good predictive skill. While a large variety of models exist today, it is still unclear which type of model or degree of complexity is required to model fire adequately at regional to global scales. This is the central question underpinning the creation of the Fire Model Intercomparison Project (FireMIP), an international initiative to compare and evaluate existing global fire models against benchmark data sets for present-day and historical conditions. In this paper we review how fires have been represented in fire-enabled dynamic global vegetation models (DGVMs) and give an overview of the current state of the art in fire-regime modelling. We indicate which challenges still remain in global fire modelling and stress the need for a comprehensive model evaluation and outline what lessons may be learned from FireMIP.
Relative orientation of POTRA domains from cyanobacterial Omp85 studied by pulsed EPR spectroscopy
(2016)
Many proteins of the outer membrane of Gram-negative bacteria and of the outer envelope of the endosymbiotically derived organelles mitochondria and plastids have a β-barrel fold. Their insertion is assisted by membrane proteins of the Omp85-TpsB superfamily. These proteins are composed of a C-terminal β-barrel and a different number of N-terminal POTRA domains, three in the case of cyanobacterial Omp85. Based on structural studies of Omp85 proteins, including the five POTRA-domain-containing BamA protein of Escherichia coli, it is predicted that anaP2 and anaP3 bear a fixed orientation, whereas anaP1 and anaP2 are connected via a flexible hinge. We challenged this proposal by investigating the conformational space of the N-terminal POTRA domains of Omp85 from the cyanobacterium Anabaena sp. PCC 7120 using pulsed electron-electron double resonance (PELDOR, or DEER) spectroscopy. The pronounced dipolar oscillations observed for most of the double spin-labeled positions indicate a rather rigid orientation of the POTRA domains in frozen liquid solution. Based on the PELDOR distance data, structure refinement of the POTRA domains was performed taking two different approaches: 1) treating the individual POTRA domains as rigid bodies; and 2) using an all-atom refinement of the structure. Both refinement approaches yielded ensembles of model structures that are more restricted compared to the conformational ensemble obtained by molecular dynamics simulations, with only a slightly different orientation of N-terminal POTRA domains anaP1 and anaP2 compared with the x-ray structure. The results are discussed in the context of the native environment of the POTRA domains in the periplasm.
Bei Cryptochromen handelt es sich um Blaulichtrezeptoren der Cryptochrom-Photolyase-Proteinfamilie (CPF). Mitglieder dieser Proteinfamilie sind in allen Domänen des Lebens zu finden und haben eine essentielle Rolle in der Reparatur der DNA sowie der lichtgesteuerten Regulation der Expression. Cryptochrome sind in der Regel keine DNA-reparierenden Proteine. Sie sind regulativ an der Steuerung der inneren Uhr und des Zellzyklus der Organismen beteiligt. In der Kieselalge Phaeodactylum tricornutum konnten bisher sechs phylogenetisch unterschiedliche Mitglieder der CPF identifiziert werden. Bei CryP handelt es sich um das einzige pflanzenähnliche Cryptochrom der photoautotrophen Diatomee. Für das Protein CryP konnte bereits ein blaulichtinduzierter Photozyklus durch die Absorption der Chromophore 5-Methenlytetrahydrofolat (MTHF) und Flavinadenindinukleotid (FAD) gezeigt werden. Außerdem ist eine regulative Wirkung des Proteins auf die Lichtsammelkomplexe (Lhc) der Diatomee bekannt. Für eine weitere Charakterisierung des CryPs wurde in dieser Arbeit zunächst das Absorptionsverhalten unter verschiedenen Wellenlängen beobachtet, um so einen Einblick in eine mögliche Aktivierung und Deaktivierung des Proteins durch Licht unterschiedlicher Wellenlängen zu erlangen. Es zeigte sich hierbei eine mit pflanzlichen Cryptochromen vergleichbare Anreicherung verschiedener Redoxzustände des FADs in Abhängigkeit von der Wellenlänge.
Für eine Aufklärung der Wirkungsweise des CryP-Proteins wurden verschiedene Hypothesen untersucht: Die phylogenetische Nähe und ein ähnliches Absorptionsverhalten des CryPs zu Cryptochromen mit Reparaturfähigkeit für einzelsträngige DNA (Cry-DASH) führte zu einer Untersuchung des Proteins als möglicher Transkriptionsfaktor. Hierfür konnte eine Kernlokalisation des Proteins nachgewiesen werden, was Rückschlüsse auf eine potentielle Regulation der Expression mittels DNA-Bindung zulässt. Außerdem wurde gezeigt, dass CryP DNA-Bindefähigkeit besitzt. Die bisher nachgewiesenen Bindungen waren jedoch unspezifischer Art. Dies konnte auch für die Promotersequenz eines der durch CryP regulierten Gene lhcf1 festgestellt werden. Auf Grund der unspezifischen DNA-Bindung wurde eine zweite Hypothese für CryP untersucht: CryP wirkt regulativ auf die Expression verschiedener Gene durch Protein-Protein-Interaktionen und ist Teil einer Reaktionskaskade zur Signalweiterleitung in P. tricornutum.
Durch die Untersuchung der zweiten Hypothese konnten drei Interaktionspartner für CryP identifiziert und eine Interaktion verifiziert werden. Hierbei handelt es sich um das Protein AAA mit einer bisher unbekannten Funktion und das Protein BolA, welches Teil der zuerst in Escherichia coli identifizierten BolA-like-Proteinfamilie ist. Außerdem konnte eine Interaktion mit dem Cold-Shock-Domänen-Protein CSDP gezeigt werden. Bei den Proteinen BolA und CSDP handelt es sich um potentiell regulierende Faktoren der Transkription und Translation, was Teil einer Reaktionskaskade sein kann. Die aus anderen Organismen bekannten Funktionen des BolA-Proteins überschneiden sich mit den in CryP-Knockdown-Mutanten beobachteten Effekten. Sie zeigen eine erhöhte Sensitivität für Stresssituationen wie abweichende Nährstoffkonzentration, Osmolaritäten und Temperaturen. Diese Beobachtungen stellen einen Zusammenhang der durch einen CryP-Knockdown beobachteten Effekte und der CryP-BolA-Interaktion her. Durch Homologien zu Cold-Shock-Proteinen aus Chlamydomonas reinhardtii gibt die CryP-Interaktion mit dem Protein CSDP Hinweise auf einen potentiellen Mechanismus zur Regulation der Lhc-Proteine, für welche zuvor ein CryP-abhängiger Effekt beschrieben war.
Über die Protein-Protein-Interaktionen hinaus wurde die Phosphorylierung des CryPs als Möglichkeit der Signalweiterleitung untersucht. Es konnte eine reversible Phosphorylierung des heterolog aus E. coli isolierten CryPs gezeigt werden. Diese zeigt Ähnlichkeiten zu bekannten Phosphorylierungen pflanzlicher Cryptochrome und gibt Hinweise auf einen Mechanismus der Signalweiterleitung.
Durch die Untersuchung der CryP-regulierten Transkription mit P. tricornutum CryP-Knockdown-Mutanten durch Next-Generation-Sequencing (NGS) konnte die Hypothese der regulativen Proteinkaskade und der Signalweiterleitung weiter bestätigt werden. Die Auswirkungen des CryPs auf die Transkription erwiesen sich als nicht auf einen Teilbereich des Metabolismus begrenzt, sondern sind in einem großen Teil der funktionellen Gengruppen in P. tricornutum zu sehen. Außerdem konnten drei Klassen CryP-regulierter Gene festgestellt werden. Kategorie 1: die ausschließlich unter Blaulicht regulierten Gene; Kategorie 2: die sowohl unter Blaulicht als auch im Dunkeln regulierten Gene und Kategorie 3: die ausschließlich im Dunkeln regulierten Gene. Ein im Dunkeln und unter Blaulicht jeweils unterschiedlicher regulativer Effekt deutet auf eine Doppelfunktion des CryPs hin. Möglicherweise hat das Cryptochrom unterschiedliche lichtabhängige und lichtunabhängige Funktionen.
Durch die Analyse der CryP-regulierten Genexpression konnte außerdem ein Zusammenhang zwischen CryP und weiteren Photorezeptoren gezeigt werden. Der CryP-Proteingehalt in der Zelle hat einen regulativen Einfluss auf das CPF1-Protein, eine Photolyase mit dualer Funktion aus der gleichen Proteinfamilie. Zusätzlich konnte auch ein Einfluss auf die Lichtsensitivität der Genexpression des Rotlichtrezeptors Phytochrom (DPH) durch CryP gezeigt werden. Vergleichbar mit höheren Pflanzen scheint ein regulatives Netzwerk der Photorezeptoren auch in der Diatomee P. tricornutum vorhanden zu sein.
Folding of G-protein coupled receptors (GPCRs) according to the two-stage model (Popot, J. L., and Engelman, D. M. (1990) Biochemistry 29, 4031–4037) is postulated to proceed in 2 steps: partitioning of the polypeptide into the membrane followed by diffusion until native contacts are formed. Herein we investigate conformational preferences of fragments of the yeast Ste2p receptor using NMR. Constructs comprising the first, the first two, and the first three transmembrane (TM) segments, as well as a construct comprising TM1–TM2 covalently linked to TM7 were examined. We observed that the isolated TM1 does not form a stable helix nor does it integrate well into the micelle. TM1 is significantly stabilized upon interaction with TM2, forming a helical hairpin reported previously (Neumoin, A., Cohen, L. S., Arshava, B., Tantry, S., Becker, J. M., Zerbe, O., and Naider, F. (2009) Biophys. J. 96, 3187–3196), and in this case the protein integrates into the hydrophobic interior of the micelle. TM123 displays a strong tendency to oligomerize, but hydrogen exchange data reveal that the center of TM3 is solvent exposed. In all GPCRs so-far structurally characterized TM7 forms many contacts with TM1 and TM2. In our study TM127 integrates well into the hydrophobic environment, but TM7 does not stably pack against the remaining helices. Topology mapping in microsomal membranes also indicates that TM1 does not integrate in a membrane-spanning fashion, but that TM12, TM123, and TM127 adopt predominantly native-like topologies. The data from our study would be consistent with the retention of individual helices of incompletely synthesized GPCRs in the vicinity of the translocon until the complete receptor is released into the membrane interior.
Premise of the study: Polymorphic microsatellite markers were developed for the lichen species Cetraria aculeata (Parmeliaceae) to study fine-scale population diversity and phylogeographic structure.
Methods and Results: Using Illumina HiSeq and MiSeq, 15 fungus-specific microsatellite markers were developed and tested on 81 specimens from four populations from Spain. The number of alleles ranged from four to 13 alleles per locus with a mean of 7.9, and average gene diversities varied from 0.40 to 0.73 over four populations. The amplification rates of 10 markers (CA01– CA10) in populations of C. aculeata exceeded 85%. The markers also amplified across a range of closely related species, except for locus CA05, which did not amplify in C. australiensis and C. "panamericana," and locus CA10 which did not amplify in C. australiensis.
Conclusions: The identified microsatellite markers will be used to study the genetic diversity and phylogeographic structure in populations of C. aculeata in western Eurasia.
The P300/CBP-associated factor plays a central role in retroviral infection and cancer development, and the C-terminal bromodomain provides an opportunity for selective targeting. Here, we report several new classes of acetyl-lysine mimetic ligands ranging from mM to low micromolar affinity that were identified using fragment screening approaches. The binding modes of the most attractive fragments were determined using high resolution crystal structures providing chemical starting points and structural models for the development of potent and selective PCAF inhibitors.
The use of parasites as biological tags for discrimination of fish stocks has become a commonly used approach in fisheries management. Metazoan parasite community analysis and anisakid nematode population genetics based on a mitochondrial cytochrome marker were applied in order to assess the usefulness of the two parasitological methods for stock discrimination of beaked redfish Sebastes mentella of three fishing grounds in the North East Atlantic. Multivariate, model-based approaches demonstrated that the metazoan parasite fauna of beaked redfish from East Greenland differed from Tampen, northern North Sea, and Bear Island, Barents Sea. A joint model (latent variable model) was used to estimate the effects of covariates on parasite species and identified four parasite species as main source of differences among fishing grounds; namely Chondracanthus nodosus, Anisakis simplex s.s., Hysterothylacium aduncum, and Bothriocephalus scorpii. Due to its high abundance and differences between fishing grounds, Anisakis simplex s.s. was considered as a major biological tag for host stock differentiation. Whilst the sole examination of Anisakis simplex s.s. on a population genetic level is only of limited use, anisakid nematodes (in particular, A. simplex s.s.) can serve as biological tags on a parasite community level. This study confirmed the use of multivariate analyses as a tool to evaluate parasite infra-communities and to identify parasite species that might serve as biological tags. The present study suggests that S. mentella in the northern North Sea and Barents Sea is not sub-structured.
Phenology is the study of periodic life cycle events of living organisms and how these are influenced by environmental factors. Late phenological phases such as the timing of seed release and subsequent seed dispersal considerably affect ecology and evolution in plants. Since plants are mostly sessile organisms, seed dispersal is a crucial life cycle event for the ecology and evolution of plants. In fact, long-distance seed dispersal (LDD) is a very complex process in plant biology and significantly shapes the spatial and temporal dynamics of plant populations. For example, wind dispersal in plants is influenced by a variety of factors such as plant traits, habitat type and environmental conditions (e.g. wind speed). Considering the variability of wind conditions throughout the year, the timing of seed release and dispersal is known to have considerable effects on LDD. Even though late phenologies such as ripening duration and timing of seed release and subsequent dispersal are vital in estimating ecologically highly relevant LDD, these phenologies are not appropriately addressed in ecological research. The aim of this thesis is to gain insights into the factors that shape late plant phenologies. In particular, we address the following questions: which ecologically or evolutionary parameters drive the ripening process of plant species? How does the seasonal variability of wind affect the seed release phenology of plant species? How do these factors interact for plant species in different habitat types?
In order to address these questions, we applied different methodological approaches, ranging from fieldwork and monitoring phenology to computational simulation studies and statistical modeling. To study the ripening process of species, we monitored the flowering, ripening and seed release phenology of more than 100 Central European plant species. We conducted computational simulation studies for estimating LDD by wind to study the phenology of seed release and the parameters determining LDD by wind. In conjunction with phenological data from literature, we used the obtained simulation results to investigate evidence for the existence of phenological adaptations towards LDD in 165 plant species. Further, we used the results from simulation studies of LDD by wind to disentangle the effects of species, habitat types and meteorological conditions and their interactions on the spatial spread of plant species.
The results of the relationship between plant traits, phylogeny, the ripening process and climatic factors provide insights into the basic understanding of the ripening process of plants. We identified ecological factors that shape species’ ripening phenology and seed release timing. In particular, we suggest that the species’ seed weight, life form and phylogeny shapes ripening and seed release phenology. With the statistical models on species’ temperature demands for reproduction, we introduce data that that are well suitable for parametrization and further development of plant dispersal models. The results from the simulation study based on a seasonal perspective showed that heavier seeded tree species with medium wind dispersal potential (including genera Abies, Acer, Fraxinus and Larix) have a clear synchronisation of seed abscission with periods favouring LDD. These species, which are both ecologically and economically important, showed significant synchronisation of the highest rate of seed release with high wind-speed that promoted LDD by wind in wintertime. For the tree species mentioned, we suggest strong seasonal synchronisation as evidence for phenological adaptations in order to match favourable conditions during seed release. With a closer look at the wind conditions that promote LDD by wind, our results showed considerable differences in how specific wind conditions affect LDD in different species and habitat types. We suggest that LDD by wind in species from open habitats with high wind dispersal potential is likely to be driven by thermal updrafts that are mainly driven by the sun providing energy to the ground. By contrast, LDD of heavier-seeded species from open and forested habitats is more likely to be driven by storms that produce shear-driven turbulence. The results from this thesis contribute to an increased understanding of the complete dispersal process of plants and to making more realistic projections of (future) plant distribution.
The results obtained on factors driving ripening and release phenology provide valuable insights into their ecological and phylogenetic factor constraints. The implementation of more realistic assumptions in assessing species’ dispersal potential throughout the year could help considerably in improving landscape management (e.g. timing of mowing) and in the conservation of plant populations. The evidence found for phenological adaptations towards LDD in plants is an important step in understanding the evolutionary basis of LDD in these species.
The Hydrogen Dependent Carbon dioxide Reductase (HDCR) from Acetobacterium woodii presents a promising solution to the issue of H2 storage by reversibly coupling H2 oxidation to CO2 reduction. We here report on the electrocatalytic properties of the hydrogenase (Hase) module in the intact complex, including (an)aerobic oxidation, CO inhibition and the first systematic analysis of the catalytic bias (CB) of a Hase. CB depends on pH, regardless of the H2 concentration, despite a higher affinity for H2 than other FeFe-Hases. Remarkably, CO inhibition is fully reversible under all oxidation states of the active site, making HDCR the first "syngas-friendly" FeFe-Hase.
The endoplasmic reticulum–mitochondria encounter structure (ERMES) connects the mitochondrial outer membrane with the ER. Multiple functions have been linked to ERMES, including maintenance of mitochondrial morphology, protein assembly and phospholipid homeostasis. Since the mitochondrial distribution and morphology protein Mdm10 is present in both ERMES and the mitochondrial sorting and assembly machinery (SAM), it is unknown how the ERMES functions are connected on a molecular level. Here we report that conserved surface areas on opposite sides of the Mdm10 β-barrel interact with SAM and ERMES, respectively. We generated point mutants to separate protein assembly (SAM) from morphology and phospholipid homeostasis (ERMES). Our study reveals that the β-barrel channel of Mdm10 serves different functions. Mdm10 promotes the biogenesis of α-helical and β-barrel proteins at SAM and functions as integral membrane anchor of ERMES, demonstrating that SAM-mediated protein assembly is distinct from ER-mitochondria contact sites.
During CNS development and adult neurogenesis, immature neurons travel from the germinal zones towards their final destination using cellular substrates for their migration. Classically, radial glia and neuronal axons have been shown to act as physical scaffolds to support neuroblast locomotion in processes known as gliophilic and neurophilic migration, respectively (Hatten, 1999; Marin and Rubenstein, 2003; Rakic, 2003). In adulthood, long distance neuronal migration occurs in a glial-independent manner since radial glia cells differentiate into astrocytes after birth. A series of studies highlight a novel mode of neuronal migration that uses blood vessels as scaffolds, the so-called vasophilic migration. This migration mode allows neuroblast navigation in physiological and also pathological conditions, such as neuronal precursor migration after ischemic stroke or cerebral invasion of glioma tumor cells. Here we review the current knowledge about how vessels pave the path for migrating neurons and how trophic factors derived by glio-vascular structures guide neuronal migration both during physiological as well as pathological processes
In order to investigate the diversity of the western honeybee, Apis mellifera L., in West and Central Africa, a total of 204 colonies were sampled from 44 localities in four countries – Nigeria, Niger, Cameroon and Chad. 86 of these colonies, from 23 localities, were subjected to full morphometric analysis. In a principal component analysis (PCA) of the morphometric data, the colonies formed a single cluster. It also revealed that overall size of the body was the most important source of variation between the colonies. A hierarchical structure analysis, followed by a stepwise discriminant analysis, classified the colonies into three distinct morphoclusters; however, these clusters were not geographically demarcated. In another PCA carried out with the samples under investigation and reference samples of A. m. adansonii, A. m. jemenitica and A. m. scutellata, the colonies under investigation again formed one cluster which lying over and extended beyond the clusters of the reference subspecies. This is suggestive of a wider variation in size in the bees under investigation. In a stepwise DA, 94.2% of cross-validated grouped cases were correctly classified and the distances between group centroids were highly significant (p < 0.0005) according to F-statistic. 61 and 22 of the 83 colonies under investigation were assigned to A. m. jemenitica and A. m. adansonii, respectively. Mitochondrial DNA analysis was carried out on 148 colonies from 39 localities. Four mitochondrial haplotypes, previously reported from Africa and belonging to the African mitochondrial lineage, A, were detected: A1 (n = 62), A4 (n = 70), A4' (n = 15) and A14 (n = 1). The overall haplotype diversity was low (h = 0.478 ± S. E. 0.057). A chi-square test for association was conducted between haplotypes and type of vegetation, latitude, longitude, altitude, temperature and rainfall, severally. There was a statistically significant association between haplotype and each of the six variables and the association was strong with latitude, moderate with vegetation and rainfall and weak with the remaining variables. The neighbour-joining, maximum likelihood and maximum parsimony trees, obtained from sequence variation of the cytochrome b gene of mitochondrial DNA, showed that the samples, from the current study, unambiguously clustered with the reference sequences of A. m. scutellata from Kenya, but without showing further subdivision within this sub-Saharan cluster. 133 workers (one per colony) collected from 38 localities were subjected to microsatellite analysis. A total of 292 different alleles were recorded for the 15 microsatellite loci used. All microsatellite loci were polymorphic and the number of different alleles per locus ranged between 10, in locus At163, and 31, in locus A029. Heterozygosity (or gene diversity) was high in all loci. The unbiased expected heterozygosity, which is a better expression of gene diversity, was 0.861 ± S.E. 0.017. The overall FST value, which is a good estimate of genetic differentiation of populations, was very low: 0.007 ± S.E. 0.001 (0.001 - 0.014). AMOVA and Bayesian assignment showed no differentiation of the investigated populations. Based on morphometric analysis, the results of this study present the honeybees of western Africa as a single entity with an internal variation which lacks a geographical demarcation. Consequently the results do not support the splitting of the honeybees of the region into the two subspecies, A. m. adansonii and A. m. jemenitica, as reported in the literature. More morphometric, molecular, physiological and behavioural studies are required to confirm the taxonomic status of the honeybees of the region. Meanwhile, the use of A. m. adansonii, as the sole sub-specific name for the honeybees of West and Central Africa, is recommended.
In the last couple of years the research on natural products concerning ecological questions has gained more and more interest. Especially natural products play an important role for the maintenance of symbiotic relationships.
Here we present the application of the “overlap extension PCR-yeast homologous recombination“(ExRec) to simplify the availability of natural products. We successfully cloned a 45 kb gene cluster and characterized two new peptides ambactin and xenolindicin from Xenorhabdus – the latter derived from a silent gene cluster. ExRec is a very efficient cloning technique and resembles a powerful method regarding the assembly of large gene clusters as well as the cloning from metagenomic libraries or RNA pools.
In addition, we discovered bacterial pyrrolizidine alkaloids from Xenorhabdus, referred to as pyrrolizixenamides. The gene cluster consisted of a NRPS and a hydroxylase encoding gene. Surprisingly, this gene cluster and its variations (type A to D) can be found throughout the bacterial kingdom which might indicate an essential function. While these substances are mainly known to play a role in the defense mechanism of plants, the function of the identified pyrrolizixenamides from Xenorhabdus yet remains unsolved.
Moreover, we firstly identified a phosphopantetheinyl transferase (PPTase) from the lichenized fungus of Evernia prunastri. The gene eppA encoding a Sfp-type PPTase was heterologously expressed in Escherichia coli and Saccharomyces cerevisiae and functional characterized by indigoidine production and complementation of lys5, respectively. All represented results contribute to the elucidation of natural products and thereby to their role in nature with special regard to symbiotic associations.
Photosynthesis is one of the most vital processes that takes place on Earth. Due to its global significance related to food, energy and material production, photosynthesis research is one of the leading scientific fields in the contemporary world. Particular interest in photosynthesis research is focused on diatoms and as one of the major players of marine phytoplankton, diatoms have a huge impact on global photosynthesis.
Diatoms originated from a secondary endosymbiosis that took place between a putative photosynthetic red algal ancestor and a heterotrophic eukaryote. Secondary endosymbiosis resulted in the formation of chloroplasts with four membranes. Centric diatoms (e.g. Thalassiosira pseudonana or Cyclotella meneghiniana) usually possess many small chloroplasts, while pennates (e.g. Phaeodactylum tricornutum) have several larger ones, or even only one which can occupy half of the cell volume...
Terrestrische Säugetiere werden von unterschiedlichen Parasiten als Wirte genutzt. Dabei kann ihre Parasitenfauna je nach Art, Lebensweise, Verbreitung, Gesundheitszustand und Reproduktionsstatus des Wirts abweichen. Ein weiterer bestimmender Faktor, ist der Einfluss des Menschen in Form von Regulierungsmaßnahmen und Schaffung urbaner Lebensräume. Domestizierte Haustiere bzw. Nutztiere weisen daher in der Regel andere Parasiten auf als ihre wildlebenden Artgenossen. Gleichzeitig können sich sowohl Wildtiere als auch domestizierte Tiere und Menschen gegenseitig Parasitenarten teilen und wechselseitig aufeinander übertragen. Daraus resultierende Krankheiten werden als Zoonosen bezeichnet.
Insbesondere Fledermäuse (Unterordnung Microchiroptera) zeigen weltweit eine enorme Parasitendiversität, die noch weitgehend unerforscht ist. Ebenfalls Forschungsbedarf besteht für die Sandfloh-Gattung Tunga in Süd- und Mittelamerika in Hinblick auf ihr Wirtsspektrum, welches auch Menschen einschließt. Die Art Tunga penetrans und zahlreiche weitere Parasitenarten, parasitieren gleichzeitig auch bei Hunden. Daher stellen diese Wirte eine direkte Gesundheitsgefahr für Menschen in ihrer unmittelbaren Umgebung dar.
Die vorliegende Dissertation ist in kumulativer Form zusammengefasst und beinhaltet drei Einzelpublikationen sowie einen Reviewartikel.
Ziel war es, die Parasitendiversität von Hunden aus urbanen tropischen Gebieten und die Parasitendiversität des Großen Ameisenbären (Myrmecophaga tridactyla) mit Hilfe morphologischer und molekularbiologischer Methoden zu analysieren. Die jeweiligen Parasitenfaunen wurden in Hinblick auf die soziale bzw. solitäre Lebensweise der beiden Wirtsarten verglichen und ihr zoonotisches Potenzial bewertet.
Ein weiteres Ziel war die Zusammenfassung der Ektoparasitennachweise süd- und mittelamerikanischer Microchiroptera und für die europäischen Arten der Fledermaus-Gattung Myotis (hier Endo- und Ektoparasiten) auf Basis der verfügbaren Literatur. Des Weiteren sollten eigene Parasitennachweise aus Bolivien bzw. Deutschland erfolgen. Für die Nachweise aus Deutschland wurden M. myotis untersucht, deren Artzugehörigkeit vorher bestimmt wurde. Zusätzlich wurden diese Individuen auf humanpathogene Lyssaviren untersucht.
Die Nachweise erfolgten über molekularbiologische und morphologische Methoden.
Stechmücken (Dipteren: Culicidae) sind weltweit mit über 3500 Arten und mit Ausnahme der arktischen Regionen ubiquitär vertreten. Die medizinische Relevanz dieser Tiergruppe, begründet durch die hämatophage Lebensweise der Weibchen, erschloss sich bereits Ende des 19. Jh. und hat bis heute Bestand. Jedes Jahr sterben rund 600.000 Menschen an den Folgen der Malaria und fast 100 Mio. Menschen infizieren sich mit dem Denguefieber. Zwar beziehen sich diese Zahlen fast ausschließlich auf die Entwicklungsländer, aber im Zuge des Klimawandels und des immer stärkeren Welthandels kommt es auch in Europa und den USA immer wieder zu Ausbrüchen vorher nicht relevanter Krankheiten. So hat sich das West-Nil- Virus seit 1999 in Nordamerika rasant verbreitet. Im Jahr 2013 gab es dort rund 2500 Fälle, von denen 119 zum Tod führten. In Europa traten hingegen Krankheiten wie das Chikungunyafieber (Italien 2007) oder das Denguefieber (Frankreich 2010/2013) auf. Die Gründe für diese Ausbrüche sind vor allem in der Einschleppung neuer Vektorspezies und Krankheitserreger sowie in den veränderten Wirtspräferenzen einheimischer Stechmückenarten zu suchen. Das Wissen um das Vektorpotential der in Deutschland heimischen Stechmücken konnte vor allem durch die seit 2009 initiierten Monitoring-Programme stetig erweitert werden. Auch die Veränderung der heimischen Fauna durch invasive Arten wie Ochlerotatus japonicus japonicus oder Aedes albopictus wird intensiv erforscht. Dennoch ist hinsichtlich der Biologie, Ökologie sowie Genetik vieler Arten noch immer wenig bekannt.
Die vorliegende Dissertation, welche auf Basis von vier (ISI-) Einzelpublikationen kumulativ angefertigt wurde, beschäftigte sich mit der Analyse der genetischen Variabilität sowie der Zoogeographie der untersuchten Arten und der Etablierung einer schnellen und kostengünstigen Methode zur Artdiagnostik. Besonderes Augenmerk wurde bei den Analysen auf die beiden heimischen Arten Culex pipiens und Culex torrentium sowie die invasive Art Ochlerotatus japonicus japonicus gelegt. Ziel war es, die noch bestehenden Wissenslücken zu füllen, um zukünftige Monitoring-Programme besser koordinieren sowie Analysen zur Vektorkompetenz und Genetik dieser Arten gezielter durchführen zu können.
Es konnte gezeigt werden, dass Cx. pipiens und Cx. torrentium deutliche Unterschiede in ihren Populationsstrukturen aufwiesen welche auf verschiedene evolutive Prozesse hindeuten. Die geringere genetische Variabilität in Cx. pipiens lässt auf positive Selektion durch z.B. Insektizidresistenz im Zuge durchgeführter Bekämpfungsmaßnahmen oder die Infektion mit Wolbachien schließen. Die analysierte Populationsstruktur von Cx. torrentium spricht hingegen für eine geringe Ausbreitung, wodurch der genetische Austausch reduziert wurde und so die untersuchten Populationen genetisch stärker voneinander abwichen. Des Weiteren ließen die Analysen des Cytochrom c Oxidase Untereinheit 1-Fragmentes (cox1) Rückschlüsse auf die Zoogeographie dieser Arten in Deutschland zu - wobei beide Arten über das Untersuchungsgebiet verteilt waren, Cx. torrentium jedoch in den neuen Bundesländern weniger häufig nachgewiesen wurde als in den alten und eine geringere gefangene Individuenzahl aufwies. Basierend auf der ökologischen Nischenmodellierung konnten potentiell neue Verbreitungsgebiete für die Art Ochlerotatus japonicus japonicus identifiziert werden. Als klimatisch besonders günstig zeigten sich dabei Südhessen, das Saarland sowie nördliche Teile Nordrhein-Westfalens. Mit Hilfe der etablierten Methode der direct-PCR wird in Zukunft eine schnellere und kostengünstigere Identifizierung von Stechmücken erfolgen können, welche aufgrund bestimmungsrelevanter Merkmale nicht mehr morphologisch zu identifizieren sind.
Um das Wissen über die Stechmücken in Deutschland fortlaufend zu intensivieren, ist sowohl das Weiterführen der Monitoring-Programme als auch die molekularbiologische Aufarbeitung der Proben nötig. Durch die Anwendung neuer Techniken und weiterer molekularer Marker wird es möglich sein, weitere Krankheitserreger sowie genetische Besonderheiten der heimischen Stechmückenfauna nachzuweisen. Aber auch die Überwachung invasiver Stechmückenarten durch die Modellierung potentieller Verbreitungsgebiete und die Anwendung molekularbiologischer Analysemethoden zum Detektieren der Arten und möglicher Krankheitserreger wird ein wichtiger Bestandteil der weiteren Forschung sein.
Termites are important ecosystem engineers of the savanna biome, with the large mounds of fungus-cultivating termites being sources of habitat heterogeneity and structural complexity in African savanna landscapes. Studies from different localities throughout Africa have shown that termite mounds have a strong influence of diversity and composition of plant communities. However, most research has been conducted only at the local scale, and integrating knowledge across Africa is hampered by different methodology of studies and differing environmental context. Little is known about the variation in vegetation composition on termite mounds compared to the surrounding savanna at the regional scale and at the landscape scale, and the main determinants of plant communities on mounds are yet to be ascertained.
This thesis aimes at better understanding the influence of termite mounds on vegetation compared to the surrounding savanna across spatial scales. Three research projects analyse vegetation data and soil data from paired mound and savanna plots in West Africa. The first project examines the influence of termite-induced heterogeneity on plant diversity and vegetation composition at a regional scale, following a bioclimatic gradient from the Sahel of Burkina Faso to the Sudanian vegetation zone in North Benin. The second Project analysed variation of vegetation on and off mounds at the landscape scale in Pendjari National Park, North Benin. The third is a monitoring study over the course of two years, exploring dynamics of juvenile woody plant communities on mounds and in the surrounding savanna at a local scale. The thesis thus provides the first comparative quantitative analysis across scales of mound and savanna vegetation and the drivers of the mound–savanna difference in vegetation.
Synthesizing across scales, its results confirm that termite mounds strongly contribute to savanna plant diversity, even though mounds are not generally more species rich than the surrounding savanna. Variation in mound vegetation is much higher along climatic and soil gradients than previously acknowledged. Mound vegetation differs from the surrounding savanna in the whole study area and in each sampled savanna type, with the strongest differences occurring at the most humid study sites. A large proportion of the differences between mound and savanna vegetation is explained by clay enrichment and related soil factors, such as cation concentrations. Plants on mounds thus benefit from favourable soil conditions, including higher fertility and higher water availability, which is also mirrored by the higher abundance and basal area of juvenile woody plants found on mounds. The variation in mound vegetation between study sites across scales results in part from local differences in soil composition and from climatic differences that influence the regional distribution of species. Different sets of characteristic mound species are identified in each project. Specific plant families and traits like succulency, lianescence, and adaptations to zoochory are found to be overrepresented in mound communities.
In addition to the findings in this thesis, remaining parts of the variation in mound vegetation between study sites could likely be explained by investigating further factors. Specifically, mound vegetation depends on habitat context, which includes available species pools, spatial distribution of mounds, biotic interactions with dispersers and herbivores, fire, and also anthropogenic influence. The high proportion of species with adaptations to zoochory found on mounds, for example, indicates that animal dispersers should be of particular importance for vegetation on termite mounds. Herbivory and fire regime, which are known to contribute to the diversity and community composition of the mound–savanna system, also show strong local variation, not least because of anthropogenic influence.
In conclusion, termite mounds play a crucial role in maintaining heterogeneity and plant diversity in the savanna across scales. Ecosystem services provided by termites, especially considering long-term effects on soil fertility and ecosystem resilience, are most likely undervalued. Mounds should be considered in management plans from local to regional, transnational scales as a matter of course, accompanied by further research on the role of termite mounds in savanna ecology on a longer temporal scale. The research presented here thus provides a basis for future studies on termite mound vegetation that should specifically consider the biotic and abiotic context of the mound–savanna system.
Even though the microevolution of plant hosts and pathogens has been intensely studied, knowledge regarding macro-evolutionary patterns is limited. Having the highest species diversity and host-specificity among Oomycetes, downy mildews are a useful a model for investigating long-term host-pathogen coevolution. We show that phylogenies of Bremia and Asteraceae are significantly congruent. The accepted hypothesis is that pathogens have diverged contemporarily with their hosts. But maximum clade age estimation and sequence divergence comparison reveal that congruence is not due to long-term coevolution but rather due to host-shift driven speciation (pseudo-cospeciation). This pattern results from parasite radiation in related hosts, long after radiation and speciation of the hosts. As large host shifts free pathogens from hosts with effector triggered immunity subsequent radiation and diversification in related hosts with similar innate immunity may follow, resulting in a pattern mimicking true co-divergence, which is probably limited to the terminal nodes in many pathogen groups.
"Stellen Sie sich vor, wir könnten einzelne Zellen mit einer Art Fernbedienung von außen steuern", träumt Ralph Wieneke, Juniorgruppenleiter in der Zellulären Biochemie. Licht als Steuerungsquelle habe entscheidende Vorteile, schildert Institutsleiter Robert Tampé: "Es schadet Zellen nicht und kann schnell und sehr genau reguliert werden." Von ihrem Ziel ist die Arbeitsgruppe gar nicht so weit entfernt.
Um das komplizierte Geschehen in der Zelle entschlüsseln zu können, blockieren Forscher oft bestimmte Proteine oder Gene. Eine moderne und elegante Methode besteht darin, Lichtaktivierbare Moleküle als "Schalter" zu verwenden. Die Gruppe von Alexander Heckel entwickelt maßgeschneiderte Moleküle für Biologen, Biochemiker oder Mediziner.
Ceraceosorus bombacis is an early-diverging lineage of smut fungi and a pathogen of cotton trees (Bombax ceiba). To study the evolutionary genomics of smut fungi in comparison with other fungal and oomycete pathogens, the genome of C. bombacis was sequenced and comparative genomic analyses were performed. The genome of 26.09 Mb encodes for 8,024 proteins, of which 576 are putative-secreted effector proteins (PSEPs). Orthology analysis revealed 30 ortholog PSEPs among six Ustilaginomycotina genomes, the largest groups of which are lytic enzymes, such as aspartic peptidase and glycoside hydrolase. Positive selection analyses revealed the highest percentage of positively selected PSEPs in C. bombacis compared with other Ustilaginomycotina genomes. Metabolic pathway analyses revealed the absence of genes encoding for nitrite and nitrate reductase in the genome of the human skin pathogen Malassezia globosa, but these enzymes are present in the sequenced plant pathogens in smut fungi. Interestingly, these genes are also absent in cultivable oomycete animal pathogens, while nitrate reductase has been lost in cultivable oomycete plant pathogens. Similar patterns were also observed for obligate biotrophic and hemi-biotrophic fungal and oomycete pathogens. Furthermore, it was found that both fungal and oomycete animal pathogen genomes are lacking cutinases and pectinesterases. Overall, these findings highlight the parallel evolution of certain genomic traits, revealing potential common evolutionary trajectories among fungal and oomycete pathogens, shaping the pathogen genomes according to their lifestyle.
Background: Due to the large amount of data produced by advanced microscopy, automated image analysis is crucial in modern biology. Most applications require reliable cell nuclei segmentation. However, in many biological specimens cell nuclei are densely packed and appear to touch one another in the images. Therefore, a major difficulty of three-dimensional cell nuclei segmentation is the decomposition of cell nuclei that apparently touch each other. Current methods are highly adapted to a certain biological specimen or a specific microscope. They do not ensure similarly accurate segmentation performance, i.e. their robustness for different datasets is not guaranteed. Hence, these methods require elaborate adjustments to each dataset.
Results: We present an advanced three-dimensional cell nuclei segmentation algorithm that is accurate and robust. Our approach combines local adaptive pre-processing with decomposition based on Lines-of-Sight (LoS) to separate apparently touching cell nuclei into approximately convex parts. We demonstrate the superior performance of our algorithm using data from different specimens recorded with different microscopes. The three-dimensional images were recorded with confocal and light sheet-based fluorescence microscopes. The specimens are an early mouse embryo and two different cellular spheroids. We compared the segmentation accuracy of our algorithm with ground truth data for the test images and results from state-of-the-art methods. The analysis shows that our method is accurate throughout all test datasets (mean F-measure: 91%) whereas the other methods each failed for at least one dataset (F-measure≤69%). Furthermore, nuclei volume measurements are improved for LoS decomposition. The state-of-the-art methods required laborious adjustments of parameter values to achieve these results. Our LoS algorithm did not require parameter value adjustments. The accurate performance was achieved with one fixed set of parameter values.
Conclusion: We developed a novel and fully automated three-dimensional cell nuclei segmentation method incorporating LoS decomposition. LoS are easily accessible features that ensure correct splitting of apparently touching cell nuclei independent of their shape, size or intensity. Our method showed superior performance compared to state-of-the-art methods, performing accurately for a variety of test images. Hence, our LoS approach can be readily applied to quantitative evaluation in drug testing, developmental and cell biology.
Mitochondrial respiratory supercomplexes (mtRSCs) are stoichiometric assemblies of electron transport chain (ETC) complexes in the inner mitochondrial membrane. They are hypothesized to regulate electron flow, the generation of reactive oxygen species (ROS) and to stabilize ETC complexes. Using the fungal ageing model Podospora anserina, we investigated the impact of homologues of the Saccharomyces cerevisiae respiratory supercomplex factors 1 and 2 (termed PaRCF1 and PaRCF2) on mtRSC formation, fitness and lifespan. Whereas PaRCF2’s role seems negligible, ablation of PaRCF1 alters size of monomeric complex IV, reduces the abundance of complex IV-containing supercomplexes, negatively affects vital functions and shortens lifespan. PaRcf1 overexpression slightly prolongs lifespan, though without appreciably influencing ETC organization. Overall, our results identify PaRCF1 as necessary yet not sufficient for mtRSC formation and demonstrate that PaRCF1-dependent stability of complex IV and associated supercomplexes is highly relevant for maintenance of the healthy lifespan in a eukaryotic model organism.
Photosynthese zwischen Überfluss und Mangel : wie Kieselalgen sich Lichtintensitäten anpassen
(2015)
Kieselalgen können auf hocheffiziente Weise Energie aus dem Sonnenlicht gewinnen. So überleben sie selbst lange Dunkelphasen im Meer. Doch wie schützen sie sich vor zu viel Strahlung, wenn Wind und Strömung sie in seichtes Wasser oder an die Oberfläche treiben? Dahinter steckt ein cleverer Regulations-Mechanismus.
The mammalian family of bears (Ursidae) comprises eight extant species, occurring on four different continents. Among them are the iconic and well-known brown and polar bears, both widely distributed across the Northern hemisphere. Their intraspecific genetic structuring has been extensively investigated, albeit with a focus on genetic markers from maternally inherited parts of their genomes (mitochondrial DNA). The evolutionary relationship and divergence time between brown and polar bears have recently triggered an extensive debate, while less focus has been put on to other parts of the ursid phylogeny, particularly to a clade of three Asian bear species. To date, whole genomes of more than 100 bear individuals from four different species have been sequenced. Yet, one fundamental part of the genome has been largely omitted from specific analyses, in bears as well as in most other mammals: the Y chromosome.
The mammalian Y chromosome provides a unique perspective on the evolutionary history of organisms due to its distinct features, and specifically reflects the patriline because of its male-specific inheritance. The characteristics of this chromosome make it well suited to complement and contrast evolutionary inferences based on other genetic markers, and to uncover processes like sex-biased gene flow and hybridization. The unique insights that can be gained from analyses of Y-linked genetic variation made me utilize this part of the genome to investigate the evolution of male lineages in bears. Studying the patriline is particularly promising in this taxonomic group because of male-biased dispersal and a complex and fast radiation of bears. The analysis of Y-chromosomal genetic markers is thus the common theme of this dissertation: I present the identification of large amounts of Y-chromosomal sequence, the development of male-specific markers from such sequences, and the application of these markers to trace the evolution of male lineages of different bear species.
Specifically, I developed a molecular sex determination system based on the detection of two Y-linked fragments that allows to reliably discriminate between females and males from seven different bear species (Bidon et al. 2013). The approach is highly sensitive, bear-specific, and can be applied in standard molecular laboratories. This makes it valuable in conservation genetics and forensic applications, e.g. to analyze non-invasively collected samples.
Furthermore, I used Y-linked markers in a comprehensive and range-wide sample of brown and polar bears, and show that male-biased gene flow plays an important role in distributing genetic material throughout the ranges of both species (Bidon et al. 2014). In brown bears, I detected a lack of paternal population structuring which is in strong contrast to the detailed structuring of the matriline.
Analyzing Y-chromosomal sequences from all eight bear species, I present a phylogeny of the patriline that largely resembles the topology from other nuclear markers but is different from the topology of the mitochondrial gene tree (Kutschera et al. 2014). This discordance among loci generates interesting hypotheses about inter-species gene flow, particularly among American and Asiatic black bears.
With the identification of almost two million basepairs of Y-chromosomal sequence and the analysis of an unprecedented large male-specific dataset in polar bears, a high-resolution view on the distribution of their intraspecific variation was obtained (Bidon et al. 2015). In particular, two clades that are divergent but do not show pronounced phylogeographic structure were detected, confirming the great dispersal capacity of males of this high arctic species.
This dissertation thus represents a comprehensive investigation of Y-linked genetic variation on the intra- and interspecific level in a non-model organism. With my research, I contribute to an increased understanding of the complex evolutionary history of bears. In particular, I show that male-biased gene flow strongly influences the distribution of nuclear genetic variation, and that the contrast between phylogenies of differentially inherited markers can help to understand interspecific hybridization between closely related species. Moreover, my findings demonstrate the potential of Y-chromosomal markers to uncover unknown evolutionary patterns and processes. This applies not only to bears but to many species, even such that are generally well known and well described.
Network graphs have become a popular tool to represent complex systems composed of many interacting subunits; especially in neuroscience, network graphs are increasingly used to represent and analyze functional interactions between multiple neural sources. Interactions are often reconstructed using pairwise bivariate analyses, overlooking the multivariate nature of interactions: it is neglected that investigating the effect of one source on a target necessitates to take all other sources as potential nuisance variables into account; also combinations of sources may act jointly on a given target. Bivariate analyses produce networks that may contain spurious interactions, which reduce the interpretability of the network and its graph metrics. A truly multivariate reconstruction, however, is computationally intractable because of the combinatorial explosion in the number of potential interactions. Thus, we have to resort to approximative methods to handle the intractability of multivariate interaction reconstruction, and thereby enable the use of networks in neuroscience. Here, we suggest such an approximative approach in the form of an algorithm that extends fast bivariate interaction reconstruction by identifying potentially spurious interactions post-hoc: the algorithm uses interaction delays reconstructed for directed bivariate interactions to tag potentially spurious edges on the basis of their timing signatures in the context of the surrounding network. Such tagged interactions may then be pruned, which produces a statistically conservative network approximation that is guaranteed to contain non-spurious interactions only. We describe the algorithm and present a reference implementation in MATLAB to test the algorithm’s performance on simulated networks as well as networks derived from magnetoencephalographic data. We discuss the algorithm in relation to other approximative multivariate methods and highlight suitable application scenarios. Our approach is a tractable and data-efficient way of reconstructing approximative networks of multivariate interactions. It is preferable if available data are limited or if fully multivariate approaches are computationally infeasible.
Die Spinozerebelläre Ataxie Typ 2 (SCA2) ist eine autosomal dominant vererbte neurodegenerative Krankheit, welche durch die Expansion des Trinukleotids Cytosin-Adenin-Guanin von ~22/23 auf >32 im Ataxin-2 Gen (ATXN2) verursacht wird. Dieses Trinukleotid codiert für die Aminosäure Glutamin weshalb SCA2 auch zu den Polyglutaminerkrankungen zählt. Zu dieser Gruppe zählen außerdem fünf weitere SCA-Subtypen sowie drei weitere neurodegenerative Erkrankungen, darunter die Huntington-Krankheit.
SCA2 wurde 1971 zum ersten Mal von Wadia und Swami beschrieben und unterscheidet sich von den anderen SCAs aufgrund der typischen Störung der sakkadischen Augenbewegungen. Weitere klinische Symptome von SCA2 sind Ataxie, Tremor, Dysmetrie, Dysarthrie, Hyporeflexie und Dysdiadochokinese. Die Symptome gehen auf einen neuronalen Verlust insbesondere im Cerebellum, aber auch in anderen Hirnregionen wie zum Beispiel dem Hirnstamm zurück.
Atxn2 wird in weiten Teilen des Zentralnervensystems aber auch in vielen nicht-neuronalen Geweben exprimiert. Es handelt sich um ein überwiegend cytoplasmatisch lokalisiertes Protein, welches im Gegensatz zu vielen anderen SCA-Proteinen cytoplasmatische und nur selten nukleäre Aggregate bildet. Die exakte Funktion von Atxn2 ist bisher unklar, es wurde allerdings mehrfach gezeigt, dass es in die mRNA Translation involviert ist aufgrund seiner Interaktion mit dem PolyA-bindenden Protein PABPC1.
Eine Expansion des Trinukleotids in Ataxin-2 kann nicht nur zu SCA2 führen, sondern stellt bei Wiederholungen zwischen 27 und 32 CAGs auch ein erhöhtes Risiko für eine Erkrankung an Amyotropher Lateralsklerose (ALS) und anderen neurodegenerativen Krankheiten dar. Eine Interaktion zwischen ATXN2 und dem ALS-verursachenden TDP43 (Tardbp) wurde bereits zahlreich beforscht, da Aggregate von ATXN2 in Motoneuronen des Rückenmarks von ALS-Patienten und aggregiertes TDP43 in SCA2-Neuronen beobachtet wurden.
Generell sind die Mechanismen, die zur Pathologie von SCA2 und ALS führen, noch weitgehend unklar. Ziel dieser Arbeit war es daher auf der einen Seite einen Einblick in den Pathomechanismus von SCA2 zu erhalten, indem mögliche oder bereits bekannte Interaktoren in etablierten Atxn2-Mausmodellen untersucht wurden. Auf der anderen Seite wurden zwei neue Mausmodelle charakterisiert, um ihre Eignung für die Erforschung von ALS und SCA2 zu prüfen.
Für den ersten Teil der Arbeit dienten Daten aus mehreren Transkriptomstudien von Atxn2-Knock-Out (KO) und Atxn2-CAG42-Knock-In (KIN) Mäusen als Grundlage. Konnten die Daten mit einer unabhängigen Methode bestätigt werden, folgten weitere Untersuchungen auf mRNA und Proteinebene sowie unter zusätzlicher Verwendung von Zellkultur und Patientenmaterial. Dadurch konnten neue Interaktionspartner von ATXN2 identifiziert und bereits bekannte in diesen Mausmodellen bestätigt werden.
So wurde zum Beispiel eine Interaktion von ATXN2 mit der E3-Ubiquitin-Protein-Ligasekomponente FBXW8 gezeigt und deren Beteiligung am Abbau von expandiertem ATXN2. Außerdem wurde eine Interaktion von FBXW8 mit dem bereits bekannten ATXN2-degradierenden Protein PARK2 gezeigt. Eine Hochregulierung des Fbxw8 Transkripts wurde sowohl im Atxn2-CAG42-KIN-Mausmodell als auch in SCA2-Patientenfibroblasten gefunden, während Park2 in keinem der Modelle signifikant veränderte Transkriptspiegel aufwies. Diese Daten belegen die Relevanz von Fbxw8 für den Abbau von moderat-expandiertem Atxn2 und begründen weitere Studien zur genauen Funktion dieses Proteins im Pathomechanismus von Atxn2.
Des Weiteren wurden diverse Kalziumhomöostasefaktoren untersucht, welche eine konsistente Herunterregulierung der Transkripte in beiden Mausmodellen aufwiesen. Auf Proteinebene zeigten sich jedoch Unterschiede zwischen den Modellen. Diese Daten belegen, dass zwar ähnliche Transkriptveränderungen im KIN- und KO-Modell auftreten, diesen aber vermutlich verschiedene Mechanismen zugrunde liegen. Welche Mechanismen dies genau sind bleibt zu klären, es ist jedoch wahrscheinlich, dass im KIN-Modell die Aggregatbildung sowie in beiden Modellen die Beteiligung von ATXN2 an der Translationregulation eine Rolle spielen. Die Ergebnisse dieser Studie unterstreichen die Relevanz des Ca2+ Signalwegs für die Entwicklung von SCA2.
Der zweite Teil der Arbeit beinhaltet die Charakterisierung einer ATXN2/TDP43 Doppelmutante auf Verhaltensebene sowie die gründliche Evaluierung des Phänotyps einer vollkommen neuen SCA2 Mausmutante. Während in der Doppelmutante trotz doppelter Genmutation nur ein sehr schwacher Phänotyp auf Verhaltensebene festgestellt werden konnte und bis zu einem Alter von 12 Monaten keine Potenzierung der Mutationen zu beobachten war, zeigte die Atxn2-CAG100-KIN Maus signifikante und früh auftretende Pathologie. Neben einer verminderten Überlebensrate, einem Gewichtsverlust und diversen motorischen Störungen, konnten auch Aggregate des mutierten Proteins in diversen Hirnregionen identifiziert werden. Der Atxn2-CAG100-KIN Phänotyp spiegelt die humanen Symptome daher recht gut wider, weshalb diese Mausmutante ein wertvolles Modell für die weitere SCA2-Forschung darstellt.
Zusammengefasst zeigt diese Arbeit die Bedeutung des ATXN2-Interaktors FBXW8 im SCA2-Mausmodell als auch im Patientenmaterial. Sie betont die Relevanz des Atxn2-KO-Modells in Bezug auf Störungen der Kalziumhomöostase und dokumentiert die Alters- und Gewebespezifität dieser Veränderungen. Außerdem beinhaltet sie die vorläufige Beschreibung eines kombinierten Atxn2/TDP43-Mausmodells und schließlich die ausführliche Charakterisierung eines vollkommen neuen und äußerst wertvollen SCA2-Mausmodells.