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Plasticity supports the remarkable adaptability and robustness of cortical processing. It allows the brain to learn and remember patterns in the sensory world, to refine motor control, to predict and obtain reward, or to recover function after injury. Behind this great flexibility hide a range of plasticity mechanisms, affecting different aspects of neuronal communication. However, little is known about the precise computational roles of some of these mechanisms. Here, we show that the interaction between spike-timing dependent plasticity (STDP), intrinsic plasticity and synaptic scaling enables neurons to learn efficient representations of their inputs. In the context of reward-dependent learning, the same mechanisms allow a neural network to solve a working memory task. Moreover, although we make no any apriori assumptions on the encoding used for representing inputs, the network activity resembles that of brain regions known to be associated with working memory, suggesting that reward-dependent learning may be a central force in working memory development. Lastly, we investigated some of the clinical implications of synaptic scaling and showed that, paradoxically, there are situations in which the very mechanisms that normally are required to preserve the balance of the system, may act as a destabilizing factor and lead to seizures. Our model offers a novel explanation for the increased incidence of seizures following chronic inflammation.
Die Entwicklung des Verständnisses von globaler Ordnung ist eng mit der Etablierung dessen verbunden, was in den Internationalen Beziehungen gemeinhin als „Westfälisches Staatensystem“ bezeichnet wird. Der Abschluss der Westfälischen Friedensverträge im Jahr 1648, die den Beginn einer auf rechtlicher Gleichheit und Selbstbestimmung basierenden internationalen Ordnung in Europa markieren sollen, wird dabei häufig auch als ein zentraler Meilenstein in der Entstehung der spezifischen politischen Praxis „Außenpolitik“ verstanden. Deren konstitutives Merkmal wird insbesondere im Konzept der „Souveränität“ verortet, eine befähigende Eigenschaft politischer Akteure, frei von Fremdeinfluss in einem größeren Kontext unter Herstellung von Innen-/Außen-Grenzen handeln zu können. Somit ist dieser Begriff einer der Grundprämissen, die in der Vorstellung eines „internationalen Systems“ zum Ausdruck kommt, in dem „souveräne“ Akteure in Beziehungen zu anderen „souveränen“ Akteuren treten – also „Außenpolitik“ betreiben. Nun ist die Denkfigur des Westfälischen Staatensystems bereits aus mehreren disziplinären Perspektiven heraus kritisiert worden, dennoch scheint die Vorstellung eines Systems souveräner Nationalstaaten beachtliche Standfestigkeit zu beweisen. Das Westfälische Staatenmodell – mit seinem „master concept“ Souveränität - verbindet das Konzept von politischer Autorität mit Territorialität und Gruppe und stellt somit ein einschlägiges wie analytisch handliches Ordnungsprinzip internationaler Beziehungen bereit. Oder in Stephen Krasners Worten: „it orders the minds of the policy-makers“.
The physical and functional borders of transit peptide-like sequences in secondary endosymbionts
(2010)
Background: Plastids rely on protein supply by their host cells. In plastids surrounded by two membranes (primary plastids) targeting of these proteins is facilitated by an N-terminal targeting signal, the transit peptide. In secondary plastids (surrounded by three or four membranes), transit peptide-like regions are an essential part of a bipartite topogenic signal sequence (BTS), and generally found adjacent to a N-terminally located signal peptide of the plastid pre-proteins. As in primary plastids, for which no wealth of functional information about transit peptide features exists, the transit peptide-like regions used for import into secondary ones show some common features only, which are also poorly characterised. Results: We modified the BTS (in the transit peptide-like region) of the plastid precursor fucoxanthin-chlorophyll a/c binding protein D (FcpD) fused to GFP as model substrate for the characterisation of pre-protein import into the secondary plastids of diatoms. Thereby we show that (i) pre-protein import is highly charge dependent. Positive net charge is necessary for transport across the plastid envelope, but not across the periplastid membrane. Acidic net charge perturbs pre-protein import within the ER. Moreover, we show that (ii) the mature domain of the pre-protein can provide intrinsic transit peptide functions. Conclusions: Our results indicate important characteristics of targeting signals of proteins imported into secondary plastids surrounded by four membranes. In addition, we show a self-targeting mechanism, in which the mature protein domain contributes to the transit peptide function. Thus, this phenomenon lowers the demand for pre-sequences evolved during the course of endosymbiosis.
Within the visual cortex, it has been proposed that interhemispheric interactions serve to re-establish the continuity of the visual field across its vertical meridian (VM) by mechanisms similar to those used by intrinsic connections within a hemisphere. However, other specific functions of transcallosal projections have also been proposed, including contributing to disparity tuning and depth perception. Here, we consider whether interhemispheric connections modulate specific response properties, orientation and direction selectivity, of neurons in areas 17 and 18 of the ferret by combining reversible thermal deactivation in one hemisphere with optical imaging of intrinsic signals and single-cell electrophysiology in the other hemisphere. We found interhemispheric influences on both the strength and specificity of the responses to stimulus orientation and direction of motion, predominantly at the VM. However, neurons and domains preferring cardinal contours, in particular vertical contours, seem to receive stronger interhemispheric input than others. This finding is compatible with interhemispheric connections being involved in horizontal disparity tuning. In conclusion, our results support the view that interhemispheric interactions mainly perform integrative functions similar to those of connections intrinsic to one hemisphere. Key words: cooling deactivation , corpus callosum , ferret , optical imaging , orientation selectivity
Background: A number of the deeper divergences in the placental mammal tree are still inconclusively resolved despite extensive phylogenomic analyses. A recent analysis of 200 kbp of protein coding sequences yielded only limited support for the relationships among Laurasiatheria (cow, dog, bat and shrew), probably because the divergences occurred only within a few million years from each other. It is generally expected that increasing the amount of data and improving the taxon sampling enhance the resolution of narrow divergences. Therefore these and other difficult splits were examined by phylogenomic analysis of the hitherto largest sequence alignment. The increasingly complete genome data of placental mammals also allowed developing a novel and stringent data search method. Results: The rigorous data handling, recursive BLAST, successfully removed the sequences from gene families, including those from well-known families hemoglobin, olfactory, myosin and HOX genes, thus avoiding alignment of possibly paralogous sequences. The current phylogenomic analysis of 3,012 genes (2,844,615 nucleotides) from a total of 22 species yielded statistically significant support for most relationships. While some major clades were confirmed using genomic sequence data, the placement of the treeshrew, bat and the relationship between Boreoeutheria, Xenarthra and Afrotheria remained problematic to resolve despite the size of the alignment. Phylogenomic analysis of divergence times dated the basal placental mammal splits at 95–100 million years ago. Many of the following divergences occurred only a few (2–4) million years later. Relationships with narrow divergence time intervals received unexpectedly limited support even from the phylogenomic analyses. Conclusion: The narrow temporal window within which some placental divergences took place suggests that inconsistencies and limited resolution of the mammalian tree may have their natural explanation in speciation processes such as lineage sorting, introgression from species hybridization or hybrid speciation. These processes obscure phylogenetic analysis, making some parts of the tree difficult to resolve even with genome data.
It has often been proposed that regions of the human parietal and/or frontal lobe may modulate activity in visual cortex, for example, during selective attention or saccade preparation. However, direct evidence for such causal claims is largely missing in human studies, and it remains unclear to what degree the putative roles of parietal and frontal regions in modulating visual cortex may differ. Here we used transcranial magnetic stimulation (TMS) and functional magnetic resonance imaging (fMRI) concurrently, to show that stimulating right human intraparietal sulcus (IPS, at a site previously implicated in attention) elicits a pattern of activity changes in visual cortex that strongly depends on current visual context. Increased intensity of IPS TMS affected the blood oxygen level–dependent (BOLD) signal in V5/MT+ only when moving stimuli were present to drive this visual region, whereas TMS-elicited BOLD signal changes were observed in areas V1–V4 only during the absence of visual input. These influences of IPS TMS upon remote visual cortex differed significantly from corresponding effects of frontal (eye field) TMS, in terms of how they related to current visual input and their spatial topography for retinotopic areas V1–V4. Our results show directly that parietal and frontal regions can indeed have distinct patterns of causal influence upon functional activity in human visual cortex. Key words: attention, frontal cortex, functional magnetic resonance imaging, parietal cortex, top--down, transcranial magnetic stimulation
Studying the role of human parietal cortex in visuospatial attention with concurrent TMS-fMRI
(2010)
Combining transcranial magnetic stimulation (TMS) with concurrent functional magnetic resonance imaging (fMRI) allows study of how local brain stimulation may causally affect activity in remote brain regions. Here, we applied bursts of high- or low-intensity TMS over right posterior parietal cortex, during a task requiring sustained covert visuospatial attention to either the left or right hemifield, or in a neutral control condition, while recording blood oxygenation-level–dependent signal with a posterior MR surface coil. As expected, the active attention conditions activated components of the well-described “attention network,” as compared with the neutral baseline. Also as expected, when comparing left minus right attention, or vice versa, contralateral occipital visual cortex was activated. The critical new finding was that the impact of high- minus low-intensity parietal TMS upon these visual regions depended on the currently attended side. High- minus low-intensity parietal TMS increased the difference between contralateral versus ipsilateral attention in right extrastriate visual cortex. A related albeit less pronounced pattern was found for left extrastriate visual cortex. Our results confirm that right human parietal cortex can exert attention-dependent influences on occipital visual cortex and provide a proof of concept for the use of concurrent TMS–fMRI in studying how remote influences can vary in a purely top–down manner with attentional demands. Key words: concurrent TMS--fMRI, posterior parietal cortex, statedependence, visuospatial attention
Gamma synchronization has generally been associated with grouping processes in the visual system. Here, we examine in monkey V1 whether gamma oscillations play a functional role in segmenting surfaces of plaid stimuli. Local field potentials (LFPs) and spiking activity were recorded simultaneously from multiple sites in the opercular and calcarine regions while the monkeys were presented with sequences of single and superimposed components of plaid stimuli. In accord with the previous studies, responses to the single components (gratings) exhibited strong and sustained gamma-band oscillations (30–65 Hz). The superposition of the second component, however, led to profound changes in the temporal structure of the responses, characterized by a drastic reduction of gamma oscillations in the spiking activity and systematic shifts to higher frequencies in the LFP (~10% increase). Comparisons between cerebral hemispheres and across monkeys revealed robust subject-specific spectral signatures. A possible interpretation of our results may be that single gratings induce strong cooperative interactions among populations of cells that share similar response properties, whereas plaids lead to competition. Overall, our results suggest that the functional architecture of the cortex is a major determinant of the neuronal synchronization dynamics in V1. Key words: attention , gamma , gratings , oscillation , visual cortex
Understanding how temperature affects cod (Gadus morhua) ecology is important for forecasting how populations will develop as climate changes in future. The effects of spawning-season temperature and habitat size on cod recruitment dynamics have been investigated across the North Atlantic. Ricker and Beverton and Holt stock–recruitment (SR) models were extended by applying hierarchical methods, mixed-effects models, and Bayesian inference to incorporate the influence of these ecosystem factors on model parameters representing cod maximum reproductive rate and carrying capacity. We identified the pattern of temperature effects on cod productivity at the species level and estimated SR model parameters with increased precision. Temperature impacts vary geographically, being positive in areas where temperatures are <5°C, and negative for higher temperatures. Using the relationship derived, it is possible to predict expected changes in population-specific reproductive rates and carrying capacities resulting from temperature increases. Further, carrying capacity covaries with available habitat size, explaining at least half its variability across stocks. These patterns improve our understanding of environmental impacts on key population parameters, which is required for an ecosystem approach to cod management, particularly under ocean-warming scenarios. Key words: carrying capacity , cod , hierarchical models , North Atlantic , temperature , uncertainty
The massive amount of genomic sequence data that is now available for analyzing evolutionary relationships among 31 placental mammals reduces the stochastic error in phylogenetic analyses to virtually zero. One would expect that this would make it possible to finally resolve controversial branches in the placental mammalian tree. We analyzed a 2,863,797 nucleotide-long alignment (3,364 genes) from 31 placental mammals for reconstructing their evolution. Most placental mammalian relationships were resolved, and a consensus of their evolution is emerging. However, certain branches remain difficult or virtually impossible to resolve. These branches are characterized by short divergence times in the order of 1-4 million years. Computer simulations based on parameters from the real data show that as little as about 12,500 amino acid sites could be sufficient to confidently resolve short branches as old as about 90 million years ago. Thus, the amount of sequence data should no longer be a limiting factor in resolving the relationships among placental mammals. The timing of the early radiation of placental mammals coincides with a period of climate warming some 100 - 80 million years ago and with continental fragmentation. These global processes may have triggered the rapid diversification of placental mammals. However, the rapid radiations of certain mammalian groups complicate phylogenetic analyses, possibly due to incomplete lineage sorting and introgression. These speciation-related processes led to a mosaic genome and conflicting phylogenetic signals. Split network methods are ideal for visualizing these problematic branches and can therefore depict data conflict and possibly the true evolutionary history better than strictly bifurcating trees. Given the timing of tectonics, of placental mammalian divergences, and the fossil record, a Laurasian rather than Gondwanan origin of placental mammals seems the most parsimonious explanation. Key words: continental drift , Cretaceous warming , genome analysis , hybridization , phylogenomics , split decomposition
We examined the neural signatures of stimulus features in visual working memory (WM) by integrating functional magnetic resonance imaging (fMRI) and event-related potential data recorded during mental manipulation of colors, rotation angles, and color–angle conjunctions. The N200, negative slow wave, and P3b were modulated by the information content of WM, and an fMRI-constrained source model revealed a progression in neural activity from posterior visual areas to higher order areas in the ventral and dorsal processing streams. Color processing was associated with activity in inferior frontal gyrus during encoding and retrieval, whereas angle processing involved right parietal regions during the delay interval. WM for color–angle conjunctions did not involve any additional neural processes. The finding that different patterns of brain activity underlie WM for color and spatial information is consistent with ideas that the ventral/dorsal “what/where” segregation of perceptual processing influences WM organization. The absence of characteristic signatures of conjunction-related brain activity, which was generally intermediate between the 2 single conditions, suggests that conjunction judgments are based on the coordinated activity of these 2 streams. Keywords: EEG, fMRI, source analysis, visual, working memory
Fucoxanthin chlorophyll proteins (Fcps), the light-harvesting antennas of heterokont algae, are encoded by a multigene family and are highly similar with respect to their molecular masses as well as to their pigmentation, making it difficult to purify single Fcps. In this study, a hexa-histidine tag was genetically added to the C-terminus of the FcpA protein of the pennate diatom Phaeodactylum tricornutum. A transgenic strain expressing the recombinant His-tagged FcpA protein in addition to the endogenous wild type Fcps was created. This strategy allowed, for the first time, the purification of a specific, stable trimeric Fcp complex. In addition, a pool of various trimeric Fcps was also purified from the wild-type cells using sucrose density gradient ultracentrifugation and gel filtration. In both the His-tagged and the wild-type Fcps, excitation energy coupling between fucoxanthin and chlorophyll a was intact and the existence of a chlorophyll a/fucoxanthin excitonic dimer was demonstrated using circular dichroism spectroscopy. Mass spectrometric analyses of the trimeric His-tagged complex indicated that it is composed of FcpA and FcpE polypeptides. It is confirmed here that a trimer is the basic organizational unit of Fcps in P. tricornutum. From circular dichroism spectra, it is proposed that the organization of the pigments on the polypeptide backbone of Fcps is a conserved feature in the case of chlorophyll a/c containing algae.
I-kappaB-Kinase epsilon - ein neues Zielprotein für die Pharmakotherapie bei Schmerz und Entzündung?
(2010)
Der Transkriptionsfaktor NF-kappaB spielt eine wichtige Rolle bei der Regulation von Immunantworten, Apoptose und Entzündungen sowie bei der Entstehung und Verarbeitung von Schmerzen. Ein pharmakologischer Eingriff in die NF-kappaB-Aktivierungskaskade könnte daher eine Schmerzhemmung bewirken und so Ansätze für die Entwicklung neuer Therapien für pathophysiologische Schmerzen liefern. Die NF-kappaB-Signalübertragungskaskade bietet verschiedene Angriffspunkte für Pharmaka, wobei zurzeit IkappaB Kinasen (IKK) als hoffnungsvolle Zielmoleküle im Fokus der Untersuchungen stehen. Verschiedene IKKs regulieren die Aktivität von NF-kappaB über die Phosphorylierung des inhibitorischen Proteins IkappaB oder über die direkte Phosphorylierung von NF-kappaB. In der vorliegenden Arbeit wurde die Rolle der neu entdeckten IKK epsilon bei der Schmerzentstehung und -verarbeitung sowie deren Eignung als neues Zielmolekül für die Schmerztherapie näher untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass IKK epsilon konstitutiv in Geweben der Maus, welche an der Entstehung und Verarbeitung von Schmerzen beteiligt sind, exprimiert ist. Im Rückenmark konnte die Lokalisation von IKK epsilon in den schmerzrelevanten Laminae I und II des Dorsalhorns nachgewiesen werden und auch in den Hinterwurzelganglien (Dorsal Root Ganglia (DRG’s)) war IKK epsilon in kleinen, nozizeptiven Neuronen exprimiert. Nach peripherer entzündlich-nozizeptiver Stimulation mit Formalin oder Zymosan kam es im Lumbalmark und den DRG’s zu einem signifikanten Anstieg der IKK epsilon-Expression sowohl auf mRNA- als auch auf Proteinebene. Diese Beobachtungen machten eine Beteiligung von IKK epsilon an der Prozessierung von Schmerz sehr wahrscheinlich. Um die Rolle von IKK epsilon während der Schmerzentstehung und -verarbeitung besser beurteilen zu können wurde das Verhalten von IKK epsilon defizienten Mäusen in akuten und inflammatorischen Schmerzmodellen charakterisiert. Es konnte gezeigt werden, dass der Knockout von IKK epsilon zu einem signifikant verringerten nozizeptiven Verhalten im Formalintest und einer Hemmung der mechanischen Hyperalgesie nach Zymosaninjektion im Vergleich zu Wildtyp-Mäusen führte. Gleichzeitig konnte kein Unterschied im akut nozizeptiven Verhalten festgestellt werden. Der Knockout von IKK epsilon hatte demnach keine Auswirkung auf den akuten physiologischen Nozizeptorschmerz, zeigte jedoch eine Verbesserung bei pathophysiologischen Schmerzen. Das verringerte nozizeptive Verhalten der IKK epsilon defizienten Mäuse im Formalintest ging mit einer Hemmung der NF-kappaB-Aktivierung im Rückenmark einher. Auch konnte eine verringerte mRNA-Expression der NF-kappaB-abhängigen Gene Cyclooxygenase-2 (COX-2), Matrixmetalloprotease-9 (MMP-9) und induzierbare Stickstoffmonoxid-Synthase (iNOS), die an der Regulation von Entzündungsschmerzen beteiligt sind, im Rückenmark und den DRG’s nachgewiesen werden. Da IKK epsilon bisher hauptsächlich mit der Aktivierung des TypI Interferon-Signalweges in Zusammenhang gebracht wurde, wurde außerdem geprüft, ob es nach Injektion mit Formalin zu einer Aktivierung des Trankriptionsfaktors Interferon-regulierender Faktor (IRF)-3 in Wildtyp-Mäusen kommt, was nicht beobachtet werden konnte. Der Knockout von IKK epsilon scheint demnach seine antinozizeptive Wirkung direkt über eine fehlende Aktivierung von NF-kappaB zu entfalten, wonach IKK epsilon eine bedeutendere Rolle als bisher angenommen bei der Aktivierung von NF-kappaB spielt. Dies konnte durch in vitro Daten untermauert werden. Der Knockdown von IKK epsilon in Makrophagen-Zellkultur mit spezifischer siRNA verhinderte die Phosphorylierung von NF-kappaBp65 am Serinrest 536 nach Stimulation mit LPS. Anhand der vorliegenden Daten lässt sich also schlussfolgern, dass IKK epsilon an der Schmerzentstehung und verarbeitung bei Entzündungen beteiligt zu sein scheint. Eine Hemmung dieser Kinase könnte demnach ein neues, lohnendes Ziel für die Entwicklung neuer Medikamente für die Schmerztherapie sein.
Transcripts of NANOG and OCT4 have been recently identified in human t(4;11) leukemia and in a model system expressing both t(4;11) fusion proteins. Moreover, downstream target genes of NANOG/OCT4/SOX2 were shown to be transcriptionally activated. However, the NANOG1 gene belongs to a gene family, including a gene tandem duplication (named NANOG2 or NANOGP1) and several pseudogenes (NANOGP2-P11). Thus, it was unclear which of the NANOG family members were transcribed in t(4;11) leukemia cells. 5'-RACE experiments revealed novel 5'-exons of NANOG1 and NANOG2, which could give rise to the expression of two different NANOG1 and three different NANOG2 protein variants. Moreover, a novel PCR-based method was established that allows distinguishing between transcripts deriving from NANOG1, NANOG2 and all other NANOG pseudogenes (P2–P11). By applying this method, we were able to demonstrate that human hematopoietic stem cells and different leukemic cells transcribe NANOG2. Furthermore, we functionally tested NANOG1 and NANOG2 protein variants by recombinant expression in 293 cells. These studies revealed that NANOG1 and NANOG2 protein variants are functionally equivalent and activate a regulatory circuit that activates specific stem cell genes. Therefore, we pose the hypothesis that the transcriptional activation of NANOG2 represents a ‘gain-of-stem cell function’ in acute leukemia.
Aptamers that can be regulated with light allow precise control of protein activity in space and time and hence of biological function in general. In a previous study, we showed that the activity of the thrombin-binding aptamer HD1 can be turned off by irradiation using a light activatable "caged" intramolecular antisense-domain. However, the activity of the presented aptamer in its ON state was only mediocre. Here we studied the nature of this loss in activity in detail and found that switching from 5'- to 3'-extensions affords aptamers that are even more potent than the unmodified HD1. In particular we arrived at derivatives that are now more active than the aptamer NU172 that is currently in phase 2 clinical trials as an anticoagulant. As a result, we present light-regulatable aptamers with a superior activity in their ON state and an almost digital ON/OFF behavior upon irradiation.
Recombinase-mediated cassette exchange (RMCE) exploits the possibility to unidirectionally exchange any genetic material flanked by heterotypic recombinase recognition sites (RRS) with target sites in the genome. Due to a limited number of available pre-fabricated target sites, RMCE in mouse embryonic stem (ES) cells has not been tapped to its full potential to date. Here, we introduce a universal system, which allows the targeted insertion of any given transcriptional unit into 85 742 previously annotated retroviral conditional gene trap insertions, representing 7013 independent genes in mouse ES cells, by RMCE. This system can be used to express any given cDNA under the control of endogenous trapped promoters in vivo, as well as for the generation of transposon ‘launch pads’ for chromosomal region-specific ‘Sleeping Beauty’ insertional mutagenesis. Moreover, transcription of the gene-of-interest is only activated upon Cre-recombinase activity, a feature that adds conditionality to this expression system, which is demonstrated in vivo. The use of the RMCE system presented in this work requires one single-cloning step followed by one overnight gateway clonase reaction and subsequent cassette exchange in ES cells with efficiencies of 40% in average.
Durch die Behandlung HIV-positiver Patienten mit einer Kombinationstherapie verschiedener antiviraler Substanzen (HAART = hochaktive antiretrovirale Therapie) kann die Virusreplikation über einen längeren Zeitraum unterdrückt werden. Allerdings hat diese Therapie Limitationen. Die Medikamente verursachen hohe Therapiekosten, haben zum Teil starke Nebenwirkungen und es entstehen mit der Zeit resistente Viren. Eine Alternative besteht in der somatischen Gentherapie der HIV-Infektion. Bei diesen Ansätzen werden Zellen der Patienten genetisch modifiziert, so dass sie ein antivirales Genprodukt exprimieren. In der vorliegenden Arbeit wurde ein membrangebundenes, antivirales C46 Peptid (maC46) sowohl in vitro in Zelllinien und primären humanen T-Zellen als auch in vivo in zwei humanisierten Mausmodellen getestet. Das C46 Peptid entstammt der C-terminalen "heptad repeat" Sequenz des HIV Hüllproteins gp41. C-Peptide wie C46 oder auch T20, welches bereits für die HAART Therapie zugelassen ist, binden während der Fusion des Virus mit der Zielzelle an gp41 und inhibieren so die Fusion. Werden T-Zelllinien oder primäre humane T-Zellen mit einem gammaretroviralen Vektor, der maC46 codiert, transduziert, können sie sehr effizient vor einer Infektion mit HIV geschützt werden [30]. Dieser Vektor wurde bereits in einer klinischen Studie mit T-Zellen von 10 HIV-positiven Patienten getestet [142]. Dabei konnte allerdings kein antiviraler Effekt der Gentherapie beobachtet werden. Hier wurde nun ein lentiviraler Vektor für maC46 (LV-maC46-GFP) verwendet. Lentivirale Vektoren transduzieren im Gegensatz zu gammaretroviralen auch ruhende Zellen, was ein kürzeres ex vivo Aktivierungs- und Transduktionsprotokoll ermöglicht. Außerdem ist für lentivirale Vektoren das Risiko der Transformation der Zelle niedriger als für gammaretrovirale. Für eine mögliche klinische Anwendung sollte es daher tolerierbar sein, für lentivirale Vektoren eine höhere MOI zu verwenden als für gammaretrovirale. Eine höhere Transduktionseffizienz sollte auf der anderen Seite auch eine effektive und langanhaltende Transgenexpression ermöglichen. Zunächst wurde gezeigt, dass sowohl die T-Zelllinie PM-1 als auch primäre humane T-Zellen nach Transduktion mit LV-maC46-GFP vor einer Infektion mit HIV geschützt waren und während der Infektion einer gemischten Kultur einen Selektionsvorteil gegenüber nicht-transduzierten Zellen hatten. Dabei konnte auch durch konfokale Mikroskopie gezeigt werden, dass das Virus die maC46-exprimierenden Zellen nicht injizieren konnte, sondern lediglich auf der Zelloberfläche gebunden wurde. Im Weiteren wurden zwei humanisierte Mausmodelle etabliert, um LV-maC46-GFP in vivo zu testen. Im humanen Immunsystem Mausmodell (HIS-Mausmodell) wurden immundefiziente Mäuse mit humanen Blutstammzellen repopuliert. In den Tieren kam es zu einer de novo Bildung von humanen, reifen T-Lymphozyten durch Thymopoese. Dabei wurden im Blut der Tiere humane, maC46- exprimierende CD4+ T-Zellen detektiert. Nach Infektion der Tiere mit HIV wurden diese T-Zellen depletiert. Es kam allerdings nicht zu einer Anreicherung oder einem selektiven Überleben der genmodifizierten T-Zellen. Eine Erklärung dafür könnte eine gestörte T-Zellhomeostase in den Tieren sein. Das zweite humanisierte Mausmodell (T-Zellmausmodell) verwendete immundefiziente Mäuse, die mit transduzierten humanen T-Zellen repopuliert wurden. Die Infektion mit HIV erfolgte entweder in vitro vor Transplantation der Zellen oder in vivo nach Repopulierung der Tiere. In beiden Fällen konnte ein selektives Überleben maC46-exprimierender CD4+ T-Zellen nach HIV-Infektion beobachtet werden. Im letzten Teil der vorliegenden Arbeit wurde die Weiterentwicklung von maC46, eine sekretierte Variante des C46-Peptids (iSAVE), im T-Zellmausmodell getestet. Ein sekretierter Fusionsinhibitor stellt insofern eine Weiterentwicklung des membrangebundenen dar, als nicht nur die genmodifizierten Zellen, sondern zusätzlich auch nicht-modifizierte Nachbarzellen vor einer Infektion mit HIV geschützt werden könnten. Dadurch erhöht sich auch das Spektrum an möglichen Produzentenzellen für den Fusionsinhibitor. In den hier beschriebenen Experimenten wurden humane T-Zellen entweder mit einem gammaretroviralen (RV-iSAVE) oder einem lentiviralen Vektor (LV-iSAVE) transduziert und die Experssion das iSAVE-Peptids wurde im Serum der Tiere gemessen. In beiden Ansätzen konnte iSAVE Peptid im Serum der Tiere detektiert werden. In weiteren Experimenten sollte nun untersucht werden, ob dieses in vivo sekretierte iSAVE Peptid antiviral aktiv ist und die humanisierten Mäuse vor einer Infektion mit HIV schützen kann.
Human Transformer2-beta (hTra2-beta) is an important member of the serine/arginine-rich protein family, and contains one RNA recognition motif (RRM). It controls the alternative splicing of several pre-mRNAs, including those of the calcitonin/calcitonin gene-related peptide (CGRP), the survival motor neuron 1 (SMN1) protein and the tau protein. Accordingly, the RRM of hTra2-beta specifically binds to two types of RNA sequences [the CAA and (GAA)2 sequences]. We determined the solution structure of the hTra2-beta RRM (spanning residues Asn110–Thr201), which not only has a canonical RRM fold, but also an unusual alignment of the aromatic amino acids on the beta-sheet surface. We then solved the complex structure of the hTra2-beta RRM with the (GAA)2 sequence, and found that the AGAA tetra-nucleotide was specifically recognized through hydrogen-bond formation with several amino acids on the N- and C-terminal extensions, as well as stacking interactions mediated by the unusually aligned aromatic rings on the beta-sheet surface. Further NMR experiments revealed that the hTra2-beta RRM recognizes the CAA sequence when it is integrated in the stem-loop structure. This study indicates that the hTra2-beta RRM recognizes two types of RNA sequences in different RNA binding modes.
We present here a set of 13C-direct detected NMR experiments to facilitate the resonance assignment of RNA oligonucleotides. Three experiments have been developed: (1) the (H)CC-TOCSY-experiment utilizing a virtual decoupling scheme to assign the intraresidual ribose 13C-spins, (2) the (H)CPC-experiment that correlates each phosphorus with the C40 nuclei of adjacent nucleotides via J(C,P) couplings and (3) the (H)CPC-CCH-TOCSY-experiment that correlates the phosphorus nuclei with the respective C10,H10 ribose signals. The experiments were applied to two RNA hairpin structures. The current set of 13C-direct detected experiments allows direct and unambiguous assignment of the majority of the hetero nuclei and the identification of the individual ribose moieties following their sequential assignment. Thus, 13C-direct detected NMR methods constitute useful complements to the conventional 1H-detected approach for the resonance assignment of oligonucleotides that is often hindered by the limited chemical shift dispersion. The developed methods can also be applied to large deuterated RNAs. Keywords: NMR spectroscopy , Direct carbon , detection , RNA
Die Sicherung der Atemwege ist eine der wichtigsten Aufgaben des mit dem Atemwegsmanagement beauftragten Arztes, da eine fehlgeschlagene Intubation und sich über längere Zeit erstreckende Intubationsversuche schnell zu einer kritischen Hypoxie führen können. Gelingt eine endotracheale Intubation mittels konventioneller Larnygoskopie mit dem Macintosh-Spatel unerwartet nicht, stehen verschiedene supraglottische Atemwegshilfen wie z.B. die Larynxmaske zur Atemwegssicherung zur Verfügung. Falls sich jedoch aus verschiedenen Gründen der Einsatz eines supraglottischen Atemwegs verbietet und die Notwendigkeit einer endotrachealen Intubation besteht, muss eine andere Intubationsmethode als die konventionelle Laryngoskopie gewählt werden. Das Standardverfahren für den erwartet schwierigen Atemweg, die Intubation mit dem flexiblen Endoskop am spontan atmenden Patienten, eignet sich nicht für den unerwartet schwierigen Atemweg. Hierfür werden die Intubationslarynxmaske, Videolaryngoskope, Führungsstäbe mit Transillumination und verschiedene starre Fiberoptiken wie das Bonfils Intubationsfiberskop oder das Laryngoskop nach Bullard eingesetzt. Der Erfolg des Bonfils Intubationsfiberskops am unerwartet schwierigen Atemweg und am erwartet schwierigen Atemweg, basierend auf einer Reihe klinischer Faktoren, wurde bereits bewiesen. Es ist jedoch nicht bekannt, ob sich das Instrument für einen klar definierten schwierigen Atemweg im Sinne einer eingeschränkten Mundöffnung und eingeschränkten Beweglichkeit in der Halswirbelsäule eignet. Ziel der vorliegenden Studie war es zu untersuchen, ob sich das Bonfils Intubationsfiberskop für den Einsatz am schwierigen Atemweg, simuliert durch einen Immobilisationskragen, eignet. Nach Einwilligung der Ethikkommission wurde die Studie an 76 Patienten durchgeführt, die sich einem elektiven gynäkologischen Eingriff unterzogen. Nach der Simulation des schwierigen Atemwegs durch Anlegen eines Immobilisationskragens wurden jeweils 38 Patienten randomisiert entweder mittels direkter Laryngoskopie oder dem Bonfils Intubationsfiberskop intubiert. Die erfolgreiche Platzierung des Endotrachealtubus mit dem jeweiligen Instrument war der primäre Zielparameter der Studie. Nach Immobilisierung der Halswirbelsäule betrug die maximale Mundöffnung 2,6 cm ± 0,7 cm in der Macintosh-Gruppe und 2,6 cm ± 0,8 cm in der Bonfils-Gruppe. Mit dem Laryngoskop mit Macintosh-Spatel konnten 15/38 Patienten (39,5%) erfolgreich intubiert werden, mit dem Bonfils Intubationsfiberskop konnten 31/38 Patienten (81,6%) erfolgreich intubiert werden (P<0,05). Die benötigte Zeit bis zur erfolgreichen Platzierung des Endotrachealtubus war mit dem Laryngoskop geringer (53 ± 22 s) als mit dem Bonfils Intubationsfiberskop (64 ± 24 s), dieser Zeitunterschied besitzt jedoch weder statistische, noch klinische Relevanz. In der vorliegenden Studie konnte gezeigt werden, dass das Bonfils Intubationsfiberskop der direkten Laryngoskopie mit Macintosh-Spatel an Patienten mit eingeschränkter Mundöffnung und immobilisierter Halswirbelsäule überlegen ist.
Veränderungen in der akustischen Umwelt sind häufig mit Ereignissen verbunden. Diese wiederum können für ein Tier eine besondere Verhaltensrelevanz haben, im Gegensatz zu einem gleichbleibenden akustischen Hintergrund, der mit keinem positiven oder negativen Ereignis verbunden ist. Es ist also naheliegend zu spekulieren, dass Veränderungen oder neue akustische Reize im zentralen Nervensystem anders repräsentiert werden als der kontinuierliche Hintergrund und dass diese Repräsentation sowohl von der Häufigkeit der Stimuli als auch vom Unterschied zum akustischen Hintergrund abhängt. In Elektroenzaphalografie-Messungen (EEG) am Menschen wurde eine besondere Aktivitätsänderung bei auditorischen Abweichungen erstmals 1978 nachgewiesen. Dabei wurde ein akustischer Reiz über einen längeren Zeitraum regelmäßig wiederholt (Standard) und in einigen, seltenen Fällen durch einen anderen Reiz (Deviant) ersetzt. Dieser Deviant löste eine zusätzliche negative Komponente im EEG aus (Mismatch negativity), die bei den Standard-Stimuli nicht vorhanden war. Eine Voraussetzung, um MMN auszulösen, ist die Präsentation von einigen Standard-Stimuli, sodass eine neuronale Repräsentation des Stimulus aufgebaut werden kann, gegen die jeder weitere Reiz abgeglichen wird. Die zelluläre Basis von MMN und des zugrunde liegenden Mechanismus zur Detektion von auditorischen Veränderungen ist nur wenig erforscht. Als möglicher zellulärer Detektionsmechanismus akustischer Veränderungen wurde die Stimulus-spezifische Adaptation (SSA) vorgeschlagen, die zugleich der Ursprung von MMN im primären auditorischen Kortex sein könnte. SSA beschreibt die Eigenschaft von Neuronen der Hörbahn, auf die Wiederholung von identischen Reizen mit abnehmender Aktivität zu antworten und zugleich die Fähigkeit beizubehalten, andere Stimuli weiterhin mit hoher Aktivität zu repräsentieren. Die veränderte neuronale Repräsentation von Tönen mit niedriger Auftrittswahrscheinlichkeit, im Vergleich zu Tönen mit hoher Auftrittswahrscheinlichkeit, wurde bereits sehr eindrücklich im auditorischen Kortex der anästhesierten Katzen demonstriert. Die vorliegende Arbeit hat es sich zum Ziel gesetzt, bei der Repräsentation von auditorischen Abweichungen die Lücke zwischen der Ebene aufsummierter Potenziale (EEG beim Menschen) und der Ebene einzelner kortikaler Neurone zu schließen. Gleichzeitig sollte dabei erstmalig SSA im auditorischen Kortex des wachen Tieres nachgewiesen und so eine pharmakologische Interaktion der normalerweise eingesetzten Anästhetika mit SSA ausgeschlossen werden. Der experimentelle Ansatz basierte auf elektrophysiologischen Messungen mit chronisch implantierten Mikroelektroden im wachen Tier. Die Elektroden waren im auditorischen Kortex positioniert und ermöglichten eine gleichzeitige Messung der lokalen aufsummierten Potenziale (lokale Feldpotenziale, LFP) und der Aktionspotenziale einzelner Neurone als extrazelluläre Potenzialveränderungen. Das Stimulationsparadigma bestand aus Folgen zweier Reintöne, die mit unterschiedlicher Auftrittwahrscheinlichkeit präsentiert wurden. Der Ton mit hoher Auftrittwahrscheinlichkeit bildete den akustischen Hintergrund, der Ton mit niedriger Auftrittswahrscheinlichkeit (Deviant) die akustische Abweichung. In dieser Arbeit konnte erstmalig nachgewiesen werden, dass Neurone im auditorischen Kortex der wachen Ratte akustische Abweichungen mit einer höheren Aktivität repräsentieren als den auditorischen Hintergrund (bis zu 19,5% Aktivitätsunterschied). Stimulusspezifische Adaptation ist somit auch im wachen Tier Teil der neuronalen Codierung der akustischen Umwelt. Mithilfe der Signalentdeckungstheorie konnte des Weiteren gezeigt werden, dass die unterschiedliche neuronale Repräsentation von häufigen und seltenen Stimuli auch zu einer erhöhten neuronalen Unterscheidbarkeit zwischen beiden Stimuli führte. Auf der Ebene der ereigniskorrelierten LFPs konnte SSA in zwei Komponenten nachgewiesen werden: der ersten, negativen Auslenkung und der folgenden, positiven Auslenkung. Besonders in der ersten, negativen Komponente war SSA systematisch nachzuweisen und sie war zusätzlich starkmit der Aktivität der einzelnen Neuronen korreliert, während die positive Komponente der LFPs keine Korrelation mit den Messungen der einzelnen Nervenzellen zeigte. Der Grad der SSA hing von der Auftrittwahrscheinlichkeit und dem Frequenzabstand der beiden Töne ab. Keine der Messungen hatte die besondere Charakteristik von MMN. Zusammenfassend lässt sich die Aussage treffen, dass SSA auch im wachen Tier nachgewiesen wurde, sowohl auf der Ebene einzelner Neurone als auch in der aufsummierten Aktivität, wenn auch in einer schwächeren Ausprägung als in den bisher veröffentlichten Ergebnissen in anästhesierten Tieren. Ein direkter Beitrag der kortikalen Neurone zu MMN konnte nicht gezeigt werden, es gab aber einen starken Zusammenhang zwischen den einzelnen Neuronen und den LFPs.
Metal-ion binding and metal-ion induced folding of the adenine-sensing riboswitch aptamer domain
(2007)
Divalent cations are important in the folding and stabilization of complex RNA structures. The adenine-sensing riboswitch controls the expression of mRNAs for proteins involved in purine metabolism by directly sensing intracellular adenine levels. Adenine binds with high affinity and specificity to the ligand binding or aptamer domain of the adenine-sensing riboswitch. The X-ray structure of this domain in complex with adenine revealed an intricate RNA-fold consisting of a three-helix junction stabilized by long-range base-pairing interactions and identified five binding sites for hexahydrated Mg2+-ions. Furthermore, a role for Mg2+-ions in the ligand-induced folding of this RNA was suggested. Here, we describe the interaction of divalent cations with the RNA–adenine complex in solution as studied by high-resolution NMR spectroscopy. Paramagnetic line broadening, chemical shift mapping and intermolecular nuclear Overhauser effects (NOEs) indicate the presence of at least three binding sites for divalent cations. Two of them are similar to those in the X-ray structure. The third site, which is important for the folding of this RNA, has not been observed previously. The ligand-free state of the RNA is conformationally heterogeneous and contains base-pairing patterns detrimental to ligand binding in the absence of Mg2+, but becomes partially pre-organized for ligand binding in the presence of Mg2+. Compared to the highly similar guanine-sensing riboswitch, the folding pathway for the adenine-sensing riboswitch aptamer domain is more complex and the influence of Mg2+ is more pronounced.
The Nep1 (Emg1) SPOUT-class methyltransferase is an essential ribosome assembly factor and the human Bowen–Conradi syndrome (BCS) is caused by a specific Nep1D86G mutation. We recently showed in vitro that Methanocaldococcus jannaschii Nep1 is a sequence-specific pseudouridine-N1-methyltransferase. Here, we show that in yeast the in vivo target site for Nep1-catalyzed methylation is located within loop 35 of the 18S rRNA that contains the unique hypermodification of U1191 to 1-methyl-3-(3-amino-3-carboxypropyl)-pseudouri-dine (m1acp3Psi). Specific 14C-methionine labelling of 18S rRNA in yeast mutants showed that Nep1 is not required for acp-modification but suggested a function in Psi1191 methylation. ESI MS analysis of acp-modified Psi-nucleosides in a DeltaNep1-mutant showed that Nep1 catalyzes the Psi1191 methylation in vivo. Remarkably, the restored growth of a nep1-1ts mutant upon addition of S-adenosylmethionine was even observed after preventing U1191 methylation in a deltasnr35 mutant. This strongly suggests a dual Nep1 function, as Psi1191-methyltransferase and ribosome assembly factor. Interestingly, the Nep1 methyltransferase activity is not affected upon introduction of the BCS mutation. Instead, the mutated protein shows enhanced dimerization propensity and increased affinity for its RNA-target in vitro. Furthermore, the BCS mutation prevents nucleolar accumulation of Nep1, which could be the reason for reduced growth in yeast and the Bowen-Conradi syndrome.
High-resolution NMR structure of an RNA model system : the 14-mer cUUCGg tetraloop hairpin RNA
(2009)
We present a high-resolution nuclear magnetic resonance (NMR) solution structure of a 14-mer RNA hairpin capped by cUUCGg tetraloop. This short and very stable RNA presents an important model system for the study of RNA structure and dynamics using NMR spectroscopy, molecular dynamics (MD) simulations and RNA force-field development. The extraordinary high precision of the structure (root mean square deviation of 0.3 Å) could be achieved by measuring and incorporating all currently accessible NMR parameters, including distances derived from nuclear Overhauser effect (NOE) intensities, torsion-angle dependent homonuclear and heteronuclear scalar coupling constants, projection-angle-dependent cross-correlated relaxation rates and residual dipolar couplings. The structure calculations were performed with the program CNS using the ARIA setup and protocols. The structure quality was further improved by a final refinement in explicit water using OPLS force field parameters for non-bonded interactions and charges. In addition, the 2'-hydroxyl groups have been assigned and their conformation has been analyzed based on NOE contacts. The structure currently defines a benchmark for the precision and accuracy amenable to RNA structure determination by NMR spectroscopy. Here, we discuss the impact of various NMR restraints on structure quality and discuss in detail the dynamics of this system as previously determined.
Long-range tertiary interactions determine the three-dimensional structure of a number of metabolite-binding riboswitch RNA elements and were found to be important for their regulatory function. For the guanine-sensing riboswitch of the Bacillus subtilis xpt-pbuX operon, our previous NMR-spectroscopic studies indicated pre-formation of long-range tertiary contacts in the ligand-free state of its aptamer domain. Loss of the structural pre-organization in a mutant of this RNA (G37A/C61U) resulted in the requirement of Mg2+ for ligand binding. Here, we investigate structural and stability aspects of the wild-type aptamer domain (Gsw) and the G37A/C61U-mutant (Gswloop) of the guanine-sensing riboswitch and their Mg2+-induced folding characteristics to dissect the role of long-range tertiary interactions, the link between pre-formation of structural elements and ligand-binding properties and the functional stability. Destabilization of the long-range interactions as a result of the introduced mutations for Gswloop or the increase in temperature for both Gsw and Gswloop involves pronounced alterations of the conformational ensemble characteristics of the ligand-free state of the riboswitch. The increased flexibility of the conformational ensemble can, however, be compensated by Mg2+. We propose that reduction of conformational dynamics in remote regions of the riboswitch aptamer domain is the minimal pre-requisite to pre-organize the core region for specific ligand binding.
Die Genexpression in prokaryotischen Organismen unterliegt einer Vielzahl von Regulationsmechanismen, deren Aufgabe darin besteht, die Zelle an sich ändernde Umweltbedingungen anzupassen, um so das Überleben des prokaryotischen Organismus zu gewährleisten. Eine Reihe von Hitzeschock- und Virulenzgenen unterliegen temperaturabhängiger Regulation, mit dem Ziel, die Zelle an die sich ändernde Umgebung anzupassen. Die Messung der Temperatur erfolgt dabei über temperatursensitive RNA-Elemente, sogenannte RNA-Thermometer, die sich üblicherweise in der 5’-untranslatierten Region der Gene befinden, die sie regulieren. Sie unterdrücken die Translationsinitiation, indem sie die Shine-Dalgarno (SD)-Sequenz bei niedrigen Temperaturen über Basenpaarung blockieren und dadurch die Bindung des Ribosoms verhindern. In Kapitel 2 der vorliegenden Arbeit wurde die thermodynamische Stabilität der temperatursensitiven Haarnadelschleife 2 des Salmonella FourU RNA-Thermometers über einen breiten Temperaturbereich analysiert. Freie Enthalpie-, Enthalpie- und Entropie-Werte für die Basenpaaröffnung der einzelnen Nukleobasen innerhalb der RNA wurden über die temperaturabhängige Messung von Iminoprotonen-Austauschraten mittels NMR-Spektroskopie bestimmt. Die Austauschraten wurden für die Wildtyp-RNA und die A8C-Mutante bestimmt und miteinander verglichen. Es zeigte sich, dass die Wildtyp-RNA durch das außergewöhnlich stabile Basenpaar G14-C25 stabilisiert wird. Dies konnte durch die Untersuchung der Entfaltung der destabilisierenden G14A-C25U-Doppelmutante verifiziert werden. Über CD-spektroskopsiche Untersuchungen konnte der globale Entfaltungsübergang der jeweiligen RNA analysiert werden. Das Mismatch-Basenpaar innerhalb des Wildtyp-RNA-Thermometers (A8-G31) erwies sich als Ursache für die geringere Kooperativität des Entfaltungsübergangs der Wildtyp-RNA im Vergleich zur A8C-Mutante. Enthalpie- und Entropie-Werte für die Basenpaaröffnung einzelner Nukleotide sind für beide RNAs linear korreliert. Die Steigungen dieser Korrelationen stimmen mit den Schmelzpunkten der RNAs überein, die über CD-Spektroskopie bestimmt wurden. Entfaltung der RNA tritt also genau dann auf, wenn alle Nukleotide gleiche thermodynamische Stabilitäten besitzen. Die Resultate sind mit einem Reißverschluss-Mechanismus für die RNA-Helix Entfaltung konsistent und erklärbar, in dem die Stapelinteraktionen der benachbarten Nukleobasen innerhalb der RNA-Helix verantwortlich für die beobachtete Kooperativität sind. Die Ergebnisse weisen auch auf die Wichtigkeit der RNA-Lösungsmittel-Interaktion für die Stabilität der RNA-Struktur hin. So konnten langreichweitige Wechselwirkungen der A8C-Mutation auf die Stabilität der G14-Nukleobase identifiziert werden, die möglicherweise über die Hydrathülle der RNA vermittelt werden. Schließlich konnte für das FourU-Motiv eine Mg2+-Bindestelle identifiziert werden, die die temperaturabhängige Stabilität des RNA-Thermometers beeinflusst. Es besteht also die Möglichkeit, dass Änderungen der intrazellulären Mg2+-Konzentration die Expression des agsA-Gens in vivo modulierend beeinflussen. In Kapitel 3 dieser Arbeit wurden die dynamischen Eigenschaften des Phosphodiesterrückgrats einer perdeuterierten cUUCGg-Tetraloop-14mer-RNA untersucht. Dazu wurden die Relaxationseigenschaften aller 31P-Kerne dieser RNA bei magnetischen Feldstärken von 300, 600 und 900 MHz untersucht. Dipolare Relaxationsbeiträge konnten unterdrückt werden, indem eine perdeuterierte RNA-Probe in einem D2O-Puffer verwendet wurde. Um die 31P-Relaxationsdaten (R1, R2) interpretieren zu können, wurde zusätzlich mittels Festkörper-NMR die Chemische Verschiebungsanisotropie (CSA) der 31P-Kerne des Phosphodiesterrückgrats bestimmt. Die Messungen wurden bei verschiedenen Salzkonzentrationen und unter unterschiedlichen Hydratationsbedingungen durchgeführt. Aus den Daten konnte ein 31P-CSA-Wert von 178.5 ppm im statischen Zustand (S2 = 1) bestimmt werden. Auf der Grundlage der durchgeführten R1- und R2-Messungen wurde eine Modelfree-Analyse durchgeführt, um Informationen über die schnellen Dynamiken des Phosphodiesterrückgrats zu erhalten. Die Resultate zeigen, dass die Dynamiken des Phosphodiesterrückgrats auf der Subnanosekundenzeitskala stärker ausgeprägt sind als die Dynamiken der Ribofuranosylreste und der Nukleobasen. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass die Dynamik einer individuellen Phosphatgruppe zu der jeweiligen 5’-benachbarten Nukleobase korreliert ist. In Kapitel 4 dieser Arbeit wird die Entwicklung neuer Methoden beschrieben, mit denen Torsionswinkelinformation aus der Analyse kreuzkorrelierter Relaxationsraten gewonnen werden können. Im ersten Teil des Kapitels wird die Entwicklung einer neuen NMR-Pulssequenz beschrieben, über die der glykosidische Torsionswinkel Chi in 13C,15N-markierten Oligonukleotiden bestimmt werden kann. Mit dem neuen quantitativen Gamma-HCNCH-Experiment ist es möglich, die dipolaren kreuzkorrelierten Relaxationsraten Gamma-C6H6-C1´H1´ (Pyrimidine) und Gamma-C6H6-C1´H1´ (Purine) zu messen. Die kreuzkorrelierten Relaxationsraten wurden an einer 13C,15N-markierten cUUCGg-Tetraloop-14mer-RNA bestimmt. Die aus den Raten extrahierten Chi-Winkel wurden mit bereits vorhandener Strukturinformation verglichen. Sie stimmen bemerkenswert gut mit den Winkeln der Kristallstruktur des Tetraloops überein. Zusätzlich wurde die neue Methode an einer größeren 30mer-RNA, dem „Stemloop D“ (SLD) aus dem Coxsackievirus-B3-Kleeblatt, getestet. Für die SLD-RNA wurde der Effekt von anisotroper Rotationsdiffusion auf die Relaxationsraten untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Chi-Winkelbestimmung besonders für Nukleotide in der anti-Konformation sehr genau ist und die Methode eine eindeutige Unterscheidung von syn- und anti-Konformation zulässt. Im zweiten Teil von Kapitel 4 wird die Entwicklung des Gamma-HCCCH-Experiments beschrieben. Hierbei handelt es sich um eine neue NMR-Pulssequenz zur Messung der Gamma-C1´H1´-C3´H3´-Rate in 13C-markierten RNAs. Die Funktionsfähigkeit der neuen Methode wurde an einer cUUCGg-Tetraloop-14mer-RNA demonstriert. Zusätzlich dazu wurden die analytischen Gamma-C1´H1´-C3´H3´(P,nü_max)-, Gamma-C1´H1´-C4´H4´(P,nü_max)- und Gamma-C2´H2´-C4´H4´(P,nü_max)-Abhängigkeiten mathematisch hergeleitet. Die an der 14mer-RNA gemessenen Gamma-C1´H1´-C3´H3´-Raten wurden mit Hilfe der Gamma-C1´H1´-C3´H3´(P,nü_max)-Beziehung analysiert. Die Ergebnisse für die Pseudorotationsphase P sind konsistent mit Referenzwinkeln aus der 14mer-NMR-Struktur und den bereits bekannten (Gamma-C1´H1´-C2´H2´)/(Gamma-C3´H3´-C4´H4´)-Ratenverhältnissen. Die neue Methode liefert zusätzliche Informationen, um Konformation (P, nü_max) und Dynamik S2(C1´H1´-C3´H3´) der Ribosereste in RNA-Molekülen genauer beschreiben zu können. In Kapitel 5 dieser Arbeit wird die Entwicklung des 3D-HNHC-Experiments, einer neuen NMR-Pulssequenz, beschrieben. Dieses Experiment ermöglicht es, die H2-, C2- und N1-Resonanzen in Adenin-Nukleobasen 13C, 15N-markierter RNA-Oligonukleotide miteinander zu korrelieren. Die Funktionsfähigkeit der neuen Methode wurde an einer mittelgroßen, entsprechend markierten 36mer-RNA demonstriert. Die neue Methode vereinfacht die Zuordnung der Kerne der Adenin-Nukleobasen, da Zuordnungsmehrdeutigkeiten aufgrund überlappender Resonanzen in der 1H-Dimension aufgelöst werden können. In Kombination mit dem TROSY-relayed-HCCH-COSY-Experiment liefert das neue 3D-HNHC-Experiment das fehlende Glied für die Zuordnung der Imino-H3-Resonanzen der Uracil-Nukleobasen über das AU-Basenpaar hinweg zu den H8-Resonanzen der Adenin-Nukleobasen.
In prokaryotes, RNA thermometers regulate a number of heat shock and virulence genes. These temperature sensitive RNA elements are usually located in the 5'-untranslated regions of the regulated genes. They repress translation initiation by base pairing to the Shine–Dalgarno sequence at low temperatures. We investigated the thermodynamic stability of the temperature labile hairpin 2 of the Salmonella fourU RNA thermometer over a broad temperature range and determined free energy, enthalpy and entropy values for the base-pair opening of individual nucleobases by measuring the temperature dependence of the imino proton exchange rates via NMR spectroscopy. Exchange rates were analyzed for the wild-type (wt) RNA and the A8C mutant. The wt RNA was found to be stabilized by the extraordinarily stable G14–C25 base pair. The mismatch base pair in the wt RNA thermometer (A8–G31) is responsible for the smaller cooperativity of the unfolding transition in the wt RNA. Enthalpy and entropy values for the base-pair opening events exhibit linear correlation for both RNAs. The slopes of these correlations coincide with the melting points of the RNAs determined by CD spectroscopy. RNA unfolding occurs at a temperature where all nucleobases have equal thermodynamic stabilities. Our results are in agreement with a consecutive zipper-type unfolding mechanism in which the stacking interaction is responsible for the observed cooperativity. Furthermore, remote effects of the A8C mutation affecting the stability of nucleobase G14 could be identified. According to our analysis we deduce that this effect is most probably transduced via the hydration shell of the RNA.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den Auswirkungen von Feldenkrais-Bewegungsübungen auf ein Klientel, dass aus freien Stücken an Feldenkraiskursen eines niedergelassenen Feldenkraislehrers teilnimmt, wobei insbesondere gesundheitliche und psychosomatische Aspekte betrachtet werden. Feldenkrais formulierte die theoretischen Grundlagen der Methodik auf einem breiten wissenschaftlichen Fundament verschiedener Fachrichtungen, wie Medizin, Neurobiologie, Psychologie, Physik, Systemtheorie und Anthropologie und lieferte damit eine Erklärung, wie die von ihm entwickelte Bewegungsmethodik Ein uss auf die Entwicklung und die Lernfähigkeit eines jeden Individuums nehmen kann. Der Mensch wird dabei, im Gegensatz zur dualistischen Sichtweise, die in der klassischen Schulmedizin vorherrscht, als ein Ganzes gesehen, in dem die Bereiche Körper und Seele nicht zu trennen sind. Die moderne Neurobiologie bestätigt mit der Anwendung neuer Messmethoden, wie dem funktionellen Magnetresonanztomogramm bedeutende Aussagen der Theorie von Feldenkrais. Systemtheorie und Konstruktivismus sind dabei grundlegend für den feldenkrais'schen Denkansatz und für die heutige Psychosomatik, wie sie unter anderem von von Uexküll beschrieben wird. Der Mensch wird hier als autopoietisches System betrachtet, welches sich selbst ständig reguliert. Somit kann er sich wechselnden Umweltein flüssen anpassen und ist zur Selbstheilung fähig, worin Feldenkraislehrer, respektive Psychotherapeuten ihn unterstützen können. Zunehmend suchen Menschen zur Förderung der persönlichen Weiterentwicklung, wie gleichzeitig zur Bewältigung gesundheitlicher und insbesondere psychosomatischer Probleme Feldenkraiskurse auf. Vor diesem Hintergrund wurden in der Praxis eines niedergelassenen Feldenkraislehrers die Kursteilnehmer vor- und direkt nach der Teilnahme an zehn Feldenkraisstunden, sowie im Langzeitverlauf zu den Auswirkungen befragt. Die 82 erwachsenen Probanden der Studie waren zu 2/3 weiblich, bei einem Durchschnittsalter von 46 Jahren. Die Stichprobe glich in ihrem psychosomatischen Beschwerdestatus der durchschnittlichen Allgemeinbevölkerung, wohingegen ein überdurchschnittlich hohes Schulbildungs- und Berufsausbildungsniveau vorlag. Die Motivation der Kursteilnehmer lag gleichermaßen im Wunsch, die Fähigkeit der Körperwahrnehmung und die Beweglichkeit zu steigern, wie verschiedene Beschwerden und Erkrankungen zu verbessern. Anhand zweier standardisierter psychometrischer Fragebögen, dem Giessener Beschwerdebogen und der Symptom-Checkliste SCL-90-R konnte eine signifikante Verbesserung psychosomatischer und somit gesundheitlicher Beschwerden direkt nach dem Kurs, wie auch im Langzeitverlauf ein halbes Jahr nach Kursende beschrieben werden. Dazu zählen im Einzelnen Gliederschmerzen, Herzbeschwerden, Somatisierungstendenz, Zwanghaftigkeit, Depressivität, Aggressivität und die grundsätzliche psychische Belastung. Mithilfe des neu entwickelten Selbsteinschätzungsfragebogens des Verfassers ergaben sich weitere Hinweise auf die positiven Langzeitauswirkungen nicht nur im seelischen Bereich, sondern in weiteren zentralen Bereichen menschlichen Handelns, namentlich dem Wahrnehmungsbereich, dem kognitiven Bereich und der Beweglichkeit. Die Verbesserungen betrafen mehrere Lebensbereiche, den privaten, wie auch den beruflichen Bereich. Die Sicherheit der Feldenkraismethode gegenüber dem Auftreten unerwünschter Nebenwirkungen wurde ebenfalls dokumentiert. Anhand kontrollierter randomisierter Folgestudien sollten die Ergebnisse abgesichert werden. Der kreative Wissensaustausch von Neurobiologen mit moderner Messtechnik und wissenschaftlich arbeitenden Feldenkraislehrern, die zur Entwicklung spezieller Messmethodik einen Beitrag leisten können, kann zu neuen Erkenntnissen auf den Gebieten des Lernverhaltens, der Reifung und der Gesundheit des Menschen führen.
Das vergangene Jahr hat uns ein neues Schuldverschreibungsgesetz beschert. Dadurch wurde das alte „Gesetz betreffend die gemeinsamen Rechte der Besitzer von Schuldverschreibungen“ vom 14. 12. 1899 abgelöst, dem praktisch keine große Bedeutung zukam. Einen Vorläufer haben diese Gesetze im preußischen Schuldverschreibungsgesetz, das Friedrich Wilhelm III. am 17. 6. 1833 für die preußische Monarchie in Kraft gesetzt hat. Dieses Gesetz, das bisher selbst in historischen Darstellungen des Schuldverschreibungsrechts kaum gewürdigt wird, ist aus mehreren Gründen von Interesse. Zum einen hatte die zeitgenössische Geldtheorie die Bedeutung des Papiergeldes und die angemessene Rolle des Staates bei der Schöpfung von Papiergeld und der Kontrolle der Geldmenge noch nicht erfaßt. Verschiedene Konzepte wurden erörtert und waren auch in der Praxis der Staaten anzutreffen. Noten privater Zettelbanken waren ebenso im Umlauf wie staatliche Schatzanweisungen und Schuldverschreibungen ohne und mit Gold- oder Silberdeckung. Mit dem Schuldverschreibungsgesetz von 1833 unterwarf Preußen die Emission von Schuldverschreibungen einschließlich der Noten privater Banken einer Genehmigungspflicht. Parallel hierzu findet sich eine auf wenige Einzelfälle beschränkte Bewilligung an „staatsnahe“ Banken, Banknoten auszugeben, die von staatlichen Stellen als Zahlungsmittel angenommen werden oder mit denen Steuerschulden beglichen werden mußten. Mit diesen parallelen Maßnahmen hat die Staatsführung Preußens im Vormärz den in der Literatur debattierten und politisch vielfach befürworteten Weg eines Wettbewerbs privater Papiergeldemittenten („Zettelbanken“) verworfen. Letzten Endes hat sie sich damit das Emissionsmonopol nicht nur für Metallgeld, sondern auch für Papiergeld und die Steuerung der Geldmenge aus papiergeldähnlichen privaten Banknoten gesichert. Ein weiterer leitender Gesichtspunkt bei der Abfassung des Schuldverschreibungsgesetzes war die Lenkung des privaten Anlagekapitals. Preußen wollte im Wettbewerb mit ausländischen Staaten um anlagesuchendes Kapital nicht ins Hintertreffen geraten und unterstellte deshalb auch die Emission und den Umlauf ausländischer Schuldverschreibungen im Inland der Genehmigungspflicht. Schließlich enthält das Schuldverschreibungsgesetz von 1833 auch privatrechtliche Vorschriften zum Schutz der Investoren. Obwohl seit langem Inhaberpapiere im Umlauf waren und sich auch das preußische ALR von 1794 mit Einzelfragen der Übertragung solcher Papiere, ihrer Vindikation, Amortisation und Funktion als Zahlungsmittel befaßt hatte,5 war bis dahin kein konsistentes Konzept entwickelt worden, das eine überzeugende und bruchfreie Lösung der praktisch auftretenden Fragen zur Rechtsstellung der Beteiligten – Aussteller, erster Nehmer und spätere Investoren – gestattet hätte. Auch das Schuldverschreibungsgesetz von 1833 stellt insoweit nur eine weitere Zwischenetappe dar, die in der Entwicklung dieser Finanzierungsinstrumente erreicht wurde. Die vorliegende Studie versucht, die angedeuteten Linien nachzuzeichnen.
Die Einschaltung einer zentralen Gegenpartei in den Handel mit Derivaten erfüllt zahlreiche wirtschaftliche Funktionen. Neben der Reduktion des Kontrahentenausfallrisikos und systemischer Risiken wird das durch das Erfordernis angemessener Eigenkapitalunterlegung gebundene Eigenkapital bestmöglich freigehalten. Letztlich kann mit ihr auch ein Frühwarnsystem zur Vorbeugung ungewollter Marktentwicklungen implementiert werden. Bei der Frage nach der rechtlichen Konstruktion des Handels mit Derivaten mittels zentraler Gegenpartei sind börslicher und außerbörslicher Handel zu trennen. Im börslichen Derivatehandel kommen die Rechtsgeschäfte zwischen CM und zentraler Gegenpartei durch Angebot und Annahme i.S. der §§ 145 ff. BGB zustande. Das Angebot des CM 1 liegt in der Eingabe der Order in das EDV-System. Das Angebot ist hinreichend bestimmt. Auch handelt CM 1 mit Rechtsbindungswillen. Allerdings besteht ein vertraglich vereinbartes Rücktrittsrecht bis zum Zeitpunkt des Matching. Das Angebot geht der zentralen Gegenpartei zu, indem CM 2 dieses als Passivvertreterin der zentralen Gegenpartei zur Kenntnis nimmt. Die Annahme durch die zentrale Gegenpartei erfolgt antizipiert durch Abschluss der Clearing-Vereinbarung. Ist ein NCM beteiligt, kommt zudem ein Parallelkontrakt zwischen CM und NCM zustande. Da die Ordereingabe des NCM zu zwei Vertragsschlüssen führt, gibt es zum einen ein eigenes Angebot gegenüber dem CM ab, welches antizipiert durch Abschluss der NCM-CM-Vereinbarung angenommen wird. Zum anderen gibt es ein Angebot im Namen des CM gegenüber der zentralen Gegenpartei ab. Der Vertragsschluss entspricht dem zwischen CM und zentraler Gegenpartei. Im OTC-Handel wird das Rechtsgeschäft zunächst zwischen den CM oder den RK geschlossen. Dann wird das Geschäft im Wege der abstrakten Novation aufgespalten. Dadurch wird die zentrale Gegenpartei jeweils Vertragspartner eines CM. Die Novation erhält ihre spezielle Ausprägung durch die CB-Eurex. Der Abschluss der neuen Schuldverhältnisse erfolgt durch Abgabe eines eigenen Angebotes der CM, das durch den anerkannten Anbieter als bloßer Bote an die zentrale Gegenpartei übermittelt wird. Die Annahme erfolgt durch Abschluss der Clearing-Vereinbarung. Ist ein RK involviert, kommt ebenfalls ein Parallelkontrakt zustande. Das Zustandekommen der beiden Rechtsgeschäfte findet auf die gleiche Weise wie im börslichen Handel statt. Das Clearing verläuft für den börslichen und außerbörslichen Derivatehandel gleich. Zunächst werden die fälligen Forderungen und Verbindlichkeiten verrechnet (Netting).208 Diesbezüglich schließen die Clearing-Stelle und das jeweilige CM durch Abschluss der Clearing-Vereinbarung einen Aufrechnungsvertrag zur Begründung einer einseitigen Aufrechnungsbefugnis zugunsten der Eurex Clearing AG. Eine Nettingvereinbarung kann auch im Verhältnis CM und NCM bzw. RK geschlossen werden. Eine Pflicht dazu besteht aber nicht. Die nicht verrechneten fälligen Forderungen und Verbindlichkeiten werden durch Barausgleich oder durch Übereignung von Wertpapieren, Wertrechten oder Wertpapieren im Treuhandgiroverkehr, erfüllt. Die Übereignung von Wertpapieren findet nach sachenrechtlichen Grundsätzen statt. Die dingliche Einigung zwischen CM 1 und CM 2 liegt in der Erstellung der Ist-Lieferliste durch die Eurex Clearing AG, die dabei als Aktiv- und Passivvertreter der beteiligten CMs handelt. Die dingliche Einigung erfolgt unter aufschiebender Bedingung. Die Übergabe der Wertpapiere findet durch Umstellung des Besitzmittlungsverhältnisses nach § 929 S. 1 BGB statt. Die Übertragung von Wertrechten oder Wertpapieren im Treuhandgiroverkehr finden nach den schuldrechtlichen Regelungen zur Aufrechnung (§§ 398 ff. BGB) statt. Dazu tritt CM 1 zunächst den Lieferanspruch gegenüber der Wertpapiersammelbank an die Eurex Clearing AG ab. Diese erwirbt den Lieferanspruch jedoch nur treuhänderisch durch Abschluss eines eigennützigen Treuhandverhältnisses. Erst in einem zweiten Schritt tritt die Eurex Clearing AG den Lieferanspruch unter aufschiebender Bedingung an CM 2 ab, was durch die Erteilung entsprechender Gutschriften nach außen erkennbar wird. Nicht fällige Derivategeschäfte werden saldiert. Ein dabei verbleibender Saldo an offenen Verbindlichkeiten ist durch Sicherheiten zu unterlegen. Im Hinblick auf die Funktionswahrung der Clearing-Stelle sind diese bei Sicherheiten in Wertpapieren und Wertrechten ausnahmslos als Pfandrechte zu qualifizieren.
Ziel der vorliegenden Dissertation war es, die Dynamik des Retinalchromophors in archaealen, bakteriellen sowie eukaryotischen Retinalproteinen zeitaufgelöst zu untersuchen und so Informationen über die unterschiedlichen lichtgesteuerten zyklischen Reaktionen zu erhalten. Für das bakterielle Proteorhodopsin (PR) wurde die Primärdynamik im sichtbaren Spektralbereich unter D2O-Bedingungen bei unterschiedlichen pD-Werten untersucht. Es zeigte sich, dass das isomerisierte K-Photoprodukt mit zwei Zeitkonstanten im Bereich von 1 ps und 20 ps gebildet wird. Der Vergleich mit Messungen in H2O erlaubte es den kinetischen Isotopeneffekt für die Deaktivierung des S1-Zustandes zu berechnen. Die Ergebnisse weisen dabei auf unterschiedliche Wasserstoffbrückenmuster unter sauren und alkalischen Bedingungen hin. Um diesem Resultat weiter nachzugehen, wurde die D97N-Mutante untersucht, bei der der primäre Protonenakzeptors ungeladen vorliegt. Die gefundene Primärdynamik von PR D97N läuft nur unwesentlich langsamer ab als die des Wildtyp-Proteins bei pD 6,4. Um weitergehende Einsichten in die Primärdynamik von PR zu erlangen, wurden am Wildtyp-Protein sowie der D97N-Mutante transiente Absorptionsmessungen im Bereich der C=C- und C=N-Schwingung des Retinals durchgeführt. Es stellte sich heraus, dass die Quantenausbeute der K-Bildung unabhängig vom pD-Wert ist. In einem weiteren Schritt wurde der Einfluss des hochkonservierten His-75 auf die Isomerisierungsdynamik untersucht. Hierfür wurden die Mutanten H75N und H75M verwendet. Die Kurzzeitmessungen lassen keinen ausgeprägten Einfluss auf die Isomerisierungsdynamik erkennen. Auch der nachfolgende Teil des Photozyklus war im Blickpunkt dieser Arbeit. Die Tieftemperaturstudien im sichtbaren Spektralbereich erlaubten das in kinetischen Messungen nicht beobachtete M-Intermediat des sauren Photozyklus nachzuweisen. Um strukturelle Einblicke in den Photozyklus zu erlangen und die am Pumpvorgang beteiligten Aminosäuren zu identifizieren, wurden nachfolgend Tieftemperaturuntersuchungen im infraroten Spektralbereich durchgeführt. Die Implementierung eines Faserspektrometers in den Strahlengang des FTIR-Aufbaus erlaubte hierbei die simultane Aufnahme der lichtinduzierten Änderungen der Bandenposition im sichtbaren Spektralbereich und der Änderungen der Proteinstruktur sowie der Seitenketten. Für den M-Zustand bei pH 5,1 konnte gezeigt werden, dass auch hier eine Aspartat- oder Glutamat-Seitenkette als Protonenakzeptor fungiert. Weiterhin konnte dargelegt werden, dass der Photozyklus von PR nicht nur vom pKa-Wert des Protonen-akzeptors Asp-97 abhängt, sondern von einem Zusammenspiel mehrerer pH-abhängiger Gleichgewichte, da schon kleinste Änderungen des pH-Werts im Bereich des pKa großen Einfluss auf die beobachteten Differenzspektren sowie die Dynamik haben. Auch für das in jüngster Vergangenheit zur optogenetischen Kontrolle neuronaler Netze eingesetzte eukaryotische Retinalprotein Channelrhodopsin-2 (ChR-2) wurden umfangreiche Photozyklusstudien durchgeführt. Mit Hilfe von transienter Absorptionsspektroskopie im Sichtbaren sowie der Fluoreszenz-aufkonvertierung konnte gezeigt werden, dass der angeregte Zustand monoexponentiell mit 0,4 ps zerfällt. Die Reaktion setzt sich mit einem Kühlprozess und kleineren Änderungen der Linienbreite des K-Photoprodukts fort. Durch die schnelle Deaktivierung des angeregten Zustands war es zudem möglich die direkten Auswirkungen der Retinalisomerisierung auf die Proteinumgebung zu beobachten. Die Vielzahl ausgeprägter Differenzbanden zeigte hierbei, dass neben der schnellen Isomerisierung auch der Energietransfer der im Retinal gespeicherten Überschussenergie an das Protein sehr effizient ist. Über Blitzlichtphotolyseexperimente konnte die Langzeitdynamik des ChR-2-Photozyklus erstmals mit einer sub-µs-Zeitauflösung charakterisiert werden. Neben der für Retinalproteine typischen Abfolge von blau- und rot-verschobenen Intermediaten, ist der Photozyklus mit einer Dauer von etwa 5 s signifikant langsamer als der gemeinhin schon langsame Zyklus der sensorischen Retinalproteine. Um die Aktivierungs-barrieren des ChR-2-Photozyklus zu untersuchen, wurden weiterhin temperaturabhängige Messungen durchgeführt. Diese ergaben, dass der Photozyklus durch entropische Faktoren bestimmt wird. In einem letzten Ansatzpunkt wurde die Imidazol-Abhängigkeit der Langzeitdynamik des ChR-2-Photozyklus untersucht. Es zeigte sich, dass die Dynamik um die De- und Reprotonierung stark von diesem externen Donor beeinflusst wird. Es wurde jedoch nicht nur eine Beschleunigung der Reprotonierungsreaktion beobachtet, sondern auch der molekulare Mechanismus scheint sich nach Zugabe von Imidazol geändert zu haben. Diese Effekte können am ehesten durch eine Verstärkung des Histidin-Donor-Effekts durch das strukturell verwandte Imidazol erklärt werden. Genau dieser Einfluss externer Donor-Moleküle stand ebenfalls in einer Kurzzeit-Studie archaealer Retinalproteine im Fokus. Vorausgegangene Studien konnten zeigen, dass die Zugabe von Azid-Anionen die Isomerisierungsdynamik sowie den nachfolgenden spektral stillen Übergang der Protonenakzeptor-mutante von SRII D75N beeinflusst. Die vorliegende Arbeit stellte heraus, dass dieser Effekt ein einzigartiges Merkmal dieser Mutante ist. Abschließend wurde überdies die Bedeutung des in der Zelle in 2:2-Stöchiometrie beobachteten Transducerkomplexes auf die Primärreaktion von SRII untersucht. Es zeigte sich, dass dieser keinen Einfluss auf die Isomerisierungsdynamik aufweist, was eine wichtige Information bezüglich der Signalweitergabe sensorischer Retinalproteine ist.
Obwohl zahlreiche zelluläre Funktionen von RNAs in direktem Zusammenhang mit Proteinen stehen, wurde auch eine Vielzahl von, unter anderem regulatorischen, RNA-Motiven identifiziert, die ihre Funktion ohne eine initiale Beteiligung von Proteinen ausüben. Das detaillierte Verständnis der zu Grunde liegenden Regulationsmechanismen beinhaltet die Charakterisierung von beteiligten RNA-Architekturen und deren funktionaler Stabilitäten, von dynamischen Aspekten der RNA-Faltungsprozesse sowie die Korrelation dieser Charakteristika mit zellulären Funktionen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden strukturelle, thermodynamische und kinetische Aspekte der Ligand-bindenden Guanin Riboswitch-RNA Aptamerdomäne des xpt-pbuX Operons aus B. subtilis und eines Cofaktor-abhängigen katalytischen RNA-Motivs, des 'Adenin-abhängigen Hairpin Ribozyms', untersucht. ...
In den vergangenen Jahren wurden zahlreiche Stoffe als Photosensibilisatoren evaluiert, deren photodynamische Aktivität gegenüber den Pioniersubstanzen deutlich verbessert werden konnte. Vielen dieser Moleküle blieb jedoch aufgrund ihrer ungünstigen physikochemischen Eigenschaften oder der auftretenden Toxizität die Marktreife versagt. Nanopartikuläre Trägersysteme sind geeignet, Verträglichkeit und Effektivität der Photodynamischen Therapie zu verbessern sowie die Selektivität bei der Behandlung bestimmter Tumorspezies deutlich zu erhöhen. Um dieses Prinzip auf verschiedene Photosensibilisatoren anwenden zu können, wurden in der vorliegenden Arbeit Nanopartikel aus humanem Serumalbumin (HSA) durch Desolvatation hergestellt und die adsorptive, die inkorporative sowie die kovalente Bindung an das Trägersystem untersucht. ...
Resting egg banks of microcrustaceans have been used to reconstruct the evolutionary and ecological history of species. However, recent studies provided evidence for a discrepancy between dormant propagules in the sediment and the planktonic population. This pattern raises two questions: First, what is the value of data on resting egg banks for population dynamics over time and second, which component of the reproductive cycle causes the observed inconsistency? In our study we focussed on the second question by comparing the taxon composition of a resting egg bank with the reproductive success of ex-ephippial hatchlings. Species and interspecific hybrid identification of dormant and hatched stages was achieved through the application of restriction fragment length polymorphism analysis of an internal transcribed spacer region. We found no significant deviation between the proportion of hatched Daphnia galeata, D. galeata x hyalina and D. hyalina individuals and the observed taxon composition of the resting egg bank. However, species and hybrids differed in their mode and relative success of reproduction. We conclude that the components of reproductive success in Daphnia contribute differentially to the fitness of species and interspecific hybrids. The discrepancy between resting egg banks and "active" planktonic populations results not from differential hatching of species but from the reproductive success of ex-ephippial females and the timing and frequency of sexual reproduction of the different taxa.
Introduction: Acute lung injury (ALI) is an inflammatory disorder of pulmonary or extrapulmonary origin. We have previously demonstrated that netrin-1 dampens murine ALI, and in an attempt to advance this finding into future clinical practice we evaluated whether netrin-1 would reduce alveolar inflammation during porcine ALI. Methods: This was a controlled in vivo experimental study in pigs. We induced ALI through lipoploysaccharide (LPS) infusion (50 micro g/kg) for 2 hours. Following this, we exposed animals to either vehicle, intravenous netrin-1 (netrin-1 i.v.) or inhaled netrin-1 (netrin-1 inh.). Serum samples and bronchoalveolar lavage (BAL) were obtained to determine levels of tumor necrosis factor-alpha (TNF-alpha), interleukin (IL)-1beta, interleukin-6 and interleukin-8 at baseline and 6 hours following treatment. Myeloperoxidase activity (MPO) and protein levels were determined in the BAL, and tissue samples were obtained for histological evaluation. Finally, animals were scanned with spiral CT. Results: Following LPS infusion, animals developed acute pulmonary injury. Serum levels of TNF-alpha and IL-6 were significantly reduced in the netrin-1 i.v. group. BAL demonstrated significantly reduced cytokine levels 6 hours post-netrin-1 treatment (TNF-alpha: vehicle 633 ± 172 pg/ml, netrin-1 i.v. 84 ± 5 pg/ml, netrin-1 inh. 168 ± 74 pg/ml; both P < 0.05). MPO activity and protein content were significantly reduced in BAL samples from netrin-1-treated animals. Histological sections confirmed reduced inflammatory changes in the netrin-1-treated animals. Computed tomography corroborated reduced pulmonary damage in both netrin-1-treated groups. Conclusions: We conclude that treatment with the endogenous anti-inflammatory protein netrin-1 reduces pulmonary inflammation during the initial stages of ALI and should be pursued as a future therapeutic option.
Ziel des Seminars war, sportmedizinische und präventivmedizinische Aspekte zu Fitness und Wellness zu präsentieren und hierbei insbesondere auf die historische Entwicklung der Sportmedizin einzugehen sowie Techniken und Wirkungen verschiedener Massageformen und ganzheitliche asiatische Gesundheitsansätze und Bewegungskünste zu erörtern.
The goal of this project is to develop a framework for a cell that takes in consideration its internal structure, using an agent-based approach. In this framework, a cell was simulated as many sub-particles interacting to each other. This sub-particles can, in principle, represent any internal structure from the cell (organelles, etc). In the model discussed here, two types of sub-particles were used: membrane sub-particles and cytosolic elements. A kinetic and dynamic Delaunay triangulation was used in order to define the neighborhood relations between the sub-particles. However, it was soon noted that the relations defined by the Delaunay triangulation were not suitable to define the interactions between membrane sub-particles. The cell membrane is a lipid bilayer, and does not present any long range interactions between their sub-particles. This means that the membrane particles should not be able to interact in a long range. Instead, their interactions should be confined to the two-dimensional surface supposedly formed by the membrane. A method to select, from the original three-dimensional triangulations, connections restricted to the two-dimensional surface formed by the cell membrane was then developed. The algorithm uses as starting point the three-dimensional Delaunay triangulation involving both internal and membrane sub-particles. From this triangulation, only the subset of connections between membrane sub-particles was considered. Since the cell is full of internal particles, the collection of the membrane particles' connections will resemble the surface to be obtained, even though it will still have many connections that do not belong to the restricted triangulation on the surface. This "thick surface" was called a quasi-surface. The following step was to refine the quasi-surface, cutting out some of the connections so that the ones left made a proper surface triangulation with the membrane points. For that, the quasi-surface was separated in clusters. Clusters are defined as areas on the quasi-surface that are not yet properly triangulated on a two-dimensional surface. Each of the clusters was then re-triangulated independently, using re-triangulation methods also developed during this work. The interactions between cytosolic elements was given by a Lennard-Jones potential, as well as the interactions between cytosolic elements and membrane particles. Between only membrane particles, the interactions were given by an elastic interaction. For each particle, the equation of motion was written. The algorithm chosen to solve the equations of motion was the Verlet algorithm. Since the cytosol can be approximated as a gel, it is reasonable to suppose that the sub-cellular particles are moving in an overdamped environment. Therefore, an overdamped approximation was used for all interactions. Additionally, an adaptive algorithm was used in order to define the size of the time step used in each interaction. After the method to re-triangulate the membrane points was implemented, the time needed to re-triangulate a single cluster was studied, followed by an analysis on how the time needed to re-triangulate each point in a cluster varied with the cluster size. The frequency of appearance for each cluster size was also compared, as this information is necessary to guarantee that the total time needed by to re-triangulate a cell is convergent. At last, the total time spent re-triangulating a surface was plotted, as well as a scaling for the total re-triangulation time with the variation. Even though there is still a lot to be done, the work presented here is an important step on the way to the main goal of this project: to create an agent-based framework that not only allows the simulation of any sub-cellular structure of interest but also provides meaningful interaction relations to particles belonging to the cell membrane.
Contents vii Acknowledgements ix Translator’s Note xi Foreword to the 2009 Edition Steffen Böhm and Campbell Jones xiii Foreword xvii 1 The struggle against liberalism in the totalitarian view of the state 1 2 The concept of essence 31 3 The affirmative character of culture 65 4 Philosophy and critical theory 99 5 On hedonism 119 6 Industrialization and capitalism in the work of Max Weber 151 7 Love mystified: A critique of Norman O. Brown 171 8 Aggressiveness in advanced industrial societies 187 Notes 203 Chapter 1 originally published in German in Zeitschrift für Sozialforschung, vol. III (1934). Chapter 2 originally published in German in Zeitschrift für Sozialforschung, vol. V (1936). Chapter 3 originally published in German in Zeitschrift für Sozialforschung, vol. VI (1937). Chapter 4 originally published in German in Zeitschrift für Sozialforschung, vol. VI (1937). Chapter 5 originally published in German in Zeitschrift für Sozialforschung, vol. VII (1938). Chapter 6 first published in German in Max Weber und die Soziologie heute (1964). This translation is based on a revised form of the essay first published in German in Kultur in Gesellschaft (1965). Chapter 7 (‘Love Mystified’) was first published in Commentary, February 1967. Norman O. Brown’s response (‘A reply to Herbert Marcuse’) was published in Commentary in March 1967. Chapter 8 printed first in Negations (Allen Lane/Penguin Press, 1968).
During a 4-week run in October–November 2006, a pilot experiment was performed at the CERN Proton Synchrotron in preparation for the Cosmics Leaving OUtdoor Droplets (CLOUD) experiment, whose aim is to study the possible influence of cosmic rays on clouds. The purpose of the pilot experiment was firstly to carry out exploratory measurements of the effect of ionising particle radiation on aerosol formation from trace H2SO4 vapour and secondly to provide technical input for the CLOUD design. A total of 44 nucleation bursts were produced and recorded, with formation rates of particles above the 3 nm detection threshold of between 0.1 and 100 cm -3 s -1, and growth rates between 2 and 37 nm h -1. The corresponding H2O concentrations were typically around 106 cm -3 or less. The experimentally-measured formation rates and htwosofour concentrations are comparable to those found in the atmosphere, supporting the idea that sulphuric acid is involved in the nucleation of atmospheric aerosols. However, sulphuric acid alone is not able to explain the observed rapid growth rates, which suggests the presence of additional trace vapours in the aerosol chamber, whose identity is unknown. By analysing the charged fraction, a few of the aerosol bursts appear to have a contribution from ion-induced nucleation and ion-ion recombination to form neutral clusters. Some indications were also found for the accelerator beam timing and intensity to influence the aerosol particle formation rate at the highest experimental SO2 concentrations of 6 ppb, although none was found at lower concentrations. Overall, the exploratory measurements provide suggestive evidence for ion-induced nucleation or ion-ion recombination as sources of aerosol particles. However in order to quantify the conditions under which ion processes become significant, improvements are needed in controlling the experimental variables and in the reproducibility of the experiments. Finally, concerning technical aspects, the most important lessons for the CLOUD design include the stringent requirement of internal cleanliness of the aerosol chamber, as well as maintenance of extremely stable temperatures (variations below 0.1 °C)
Aging of biological systems ultimately leads to death of the individual. In humans, organ failure as the result of functional impairments after stroke, cardio-vascular disease, tumor development, neurodegeneration and other diseases are certainly crucial in bringing life to an end. But what happens in individuals with no obvious disease or disorders?
PaMTH1 is an O-methyltransferase catalysing the methylation of vicinal hydroxyl groups of polyphenols. The protein accumulates during ageing of Podospora anserina in both the cytosol and in the mitochondrial matrix. The construction and characterisation of a PaMth1 deletion strain provided additional evidence about the function of the protein in the protection against metal induced oxidative stress. Deletion of PaMth1 was found to lead to a decreased resistance against exogenous oxidative stress and to a shortened lifespan suggesting a role of PaMTH1 as a longevity assurance factor in a new molecular pathway involved in lifespan control. Key words: Podospora anserina, knock-out, reactive oxygen species, flavonoids, ageing, O-methyltransferase
In previous investigations an impact of cellular copper homeostasis on ageing of the ascomycete Podospora anserina has been demonstrated. Here we provide new data indicating that mitochondria play a major role in this process. Determination of copper in the cytosolic fraction using total reflection X-ray fluorescence spectroscopy analysis and eGfp reporter gene studies indicate an age-related increase of cytosolic copper levels. We show that components of the mitochondrial matrix (i.e. eGFP targeted to mitochondria) become released from the organelle during ageing. Decreasing the accessibility of mitochondrial copper in P. anserina via targeting a copper metallothionein to the mitochondrial matrix was found to result in a switch from a copper-dependent cytochrome-c oxidase to a copper-independent alternative oxidase type of respiration and results in lifespan extension. In addition, we demonstrate that increased copper concentrations in the culture medium lead to the appearance of senescence biomarkers in human diploid fibroblasts (HDFs). Significantly, expression of copper-regulated genes is induced during in vitro ageing in medium devoid of excess copper suggesting that cytosolic copper levels also increase during senescence of HDFs. These data suggest that the identified molecular pathway of age-dependent copper dynamics may not be restricted to P. anserina but may be conserved from lower eukaryotes to humans.
Plasticity resembling spike-timing dependent synaptic plasticity: the evidence in human cortex
(2010)
Spike-timing dependent plasticity (STDP) has been studied extensively in a variety of animal models during the past decade but whether it can be studied at the systems level of the human cortex has been a matter of debate. Only recently newly developed non-invasive brain stimulation techniques such as transcranial magnetic stimulation (TMS) have made it possible to induce and assess timing dependent plasticity in conscious human subjects. This review will present a critical synopsis of these experiments, which suggest that several of the principal characteristics and molecular mechanisms of TMS-induced plasticity correspond to those of STDP as studied at a cellular level. TMS combined with a second phasic stimulation modality can induce bidirectional long-lasting changes in the excitability of the stimulated cortex, whose polarity depends on the order of the associated stimulus-evoked events within a critical time window of tens of milliseconds. Pharmacological evidence suggests an NMDA receptor mediated form of synaptic plasticity. Studies in human motor cortex demonstrated that motor learning significantly modulates TMS-induced timing dependent plasticity, and, conversely, may be modulated bidirectionally by prior TMS-induced plasticity, providing circumstantial evidence that long-term potentiation-like mechanisms may be involved in motor learning. In summary, convergent evidence is being accumulated for the contention that it is now possible to induce STDP-like changes in the intact human central nervous system by means of TMS to study and interfere with synaptic plasticity in neural circuits in the context of behavior such as learning and memory. Keywords: spike-timing dependent plasticity, long-term potentiation, long-term depression, paired associative stimulation, transcranial magnetic stimulation, human, cortex, translational neuroscience
In order to quantitatively analyse the chemical and dynamical evolution of the polar vortex it has proven extremely useful to work with coordinate systems that follow the vortex flow. We propose here a two-dimensional quasi-Lagrangian coordinate system {X i, delta X i}, based on the mixing ratio of a long-lived stratospheric trace gas i, and its systematic use with i = N2O, in order to describe the structure of a well-developed Antarctic polar vortex. In the coordinate system {X i, delta X i} the mixing ratio X i is the vertical coordinate and delta X i = X i(theta) - X i vort(theta) is the meridional coordinate (X i vort(theta) being a vertical reference profile in the vortex core). The quasi-Lagrangian coordinates {X i, delta X i} persist for much longer time than standard isentropic coordinates, potential temperature theta and equivalent latitude Phi e, do not require explicit reference to geographic space, and can be derived directly from high-resolution in situ measurements. They are therefore well-suited for studying the evolution of the Antarctic polar vortex throughout the polar winter with respect to the relevant chemical and microphysical processes. By using the introduced coordinate system {X N2O, delta X N2O} we analyze the well-developed Antarctic vortex investigated during the APE-GAIA (Airborne Polar Experiment – Geophysica Aircraft in Antarctica – 1999) campaign (Carli et al., 2000). A criterion, which uses the local in-situ measurements of X i=X i(theta) and attributes the inner vortex edge to a rapid change (delta-step) in the meridional profile of the mixing ratio X i, is developed to determine the (Antarctic) inner vortex edge. In turn, we suggest that the outer vortex edge of a well-developed Antarctic vortex can be attributed to the position of a local minimum of the X H2O gradient in the polar vortex area. For a well-developed Antarctic vortex, the delta X N2O-parametrization of tracer-tracer relationships allows to distinguish the tracer inter-relationships in the vortex core, vortex boundary region and surf zone and to examine their meridional variation throughout these regions. This is illustrated by analyzing the tracer-tracer relationships X i : X N2O obtained from the in-situ data of the APE-GAIA campaign for i = CFC-11, CFC-12, H-1211 and SF6. A number of solitary anomalous points in the CFC-11 : N2O correlation, observed in the Antarctic vortex core, are interpreted in terms of small-scale cross-isentropic dispersion.
Potentiation of glycine-gated NR1/NR3A NMDA receptors relieves Ca2+-dependent outward rectification
(2010)
Glycine has diverse functions within the mammalian central nervous system. It inhibits postsynaptic neurons via strychnine-sensitive glycine receptors (GlyRs) and enhances neuronal excitation through co-activation of N-methyl-D-aspartate (NMDA) receptors. Classical Ca2+-permeable NMDA receptors are composed of glycine-binding NR1 and glutamate-binding NR2 subunits, and hence require both glutamate and glycine for efficient activation. In contrast, recombinant receptors composed of NR1 and the glycine binding NR3A and/or NR3B subunits lack glutamate binding sites and can be activated by glycine alone. Therefore these receptors are also named “excitatory glycine receptors”. Co-application of antagonists of the NR1 glycine-binding site or of the divalent cation Zn2+ markedly enhances the glycine responses of these receptors. To gain further insight into the properties of these glycine-gated NMDA receptors, we investigated their current-voltage (I–V) dependence. Whole-cell current-voltage relations of glycine currents recorded from NR1/NR3B and NR1/NR3A/NR3B expressing oocytes were found to be linear under our recording conditions. In contrast, NR1/NR3A receptors displayed a strong outwardly rectifying I–V relation. Interestingly, the voltage-dependent inward current block was abolished in the presence of NR1 antagonists, Zn2+ or a combination of both. Further analysis revealed that Ca2+ (1.8 mM) present in our recording solutions was responsible for the voltage-dependent inhibition of ion flux through NR1/NR3A receptors. Since physiological concentrations of the divalent cation Mg2+ did not affect the I–V dependence, our data suggest that relief of the voltage-dependent Ca2+ block of NR1/NR3A receptors by Zn2+ may be important for the regulation of excitatory glycinergic transmission, according to the Mg2+-block of conventional NR1/NR2 NMDA receptors. Keywords: NMDA receptor, excitatory glycine receptor, voltage block, NR3 subunit, supralinear potentiation, Zn2+, NR1 antagonist, ligand-binding domain