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Efficient algorithms for object recognition are crucial for the newly robotics and computer vision applications that demand real-time and on-line methods. Some examples are autonomous systems, navigating robots, autonomous driving. In this work, we focus on efficient semantic segmentation, which is the problem of labeling each pixel of an image with a semantic class.
Our aim is to speed-up all of the parts of the semantic segmentation pipeline. We also aim at delivering a labeling solution on a time budget, that can be decided on-the-fly. For this purpose, we analyze all the components of the semantic segmentation pipeline, and identify the computational bottleneck of each of them. The different components of the pipeline are over-segmenting the image with local regions, extracting features and classify the local regions, and the final inference of the image labeling with semantic classes. We focus on each of these steps.
First, we introduce a new superpixel algorithm to over-segment the image. Our superpixel method runs in real-time and can deliver a solution at any time budget. Then, for feature extraction, we focus on the framework that computes descriptors and encodes them, followed by a pooling step. We see that the encoding step is the bottleneck, for computational efficiency and performance. We present a novel assignment-based encoding formulation, that allows for the design of a new, very efficient, encoding. Finally, the image labeling output is obtained modeling the dependencies with a Conditional Random Field (CRF). In semantic image segmentation, the computational cost of instantiating the potentials is much higher than MAP inference. We introduce Active MAP inference to on-the-fly select a subset of potentials to be instantiated in the energy function, leaving the rest as unknown, and to estimate the MAP labeling from such incomplete energy function.
We perform experiments on all proposed methods for the different parts of the semantic segmentation pipeline. We show that our superpixel extraction achieves higher accuracy than state-of-the-art on standard superpixel benchmark, while it runs in real-time. We test our feature encoding on standard image classification and segmentation benchmarks, and we show that our method achieves competitive results with the state-of-the-art, and requires less time and memory. Finally, results for semantic segmentation benchmark show that Active MAP inference achieves similar levels of accuracy but with major efficiency gains.
High resolution gamma spectroscopy with sophisticated detector arrays significantly contributes to nuclear structure physics. The Advanced Gamma Tracking Array (AGATA) combines gamma tracking and pulse shape analysis to achieve an efficiency and quality of the spectra that could not be reached with spectrometers of the previous generation. Tracking of the photons interacting in the detector requires a precise knowledge of the individual interaction positions. The task of the pulse shape analysis is to provide a position resolution of better than $5mm$ FWHM, a value that could not be achieved by segmentation of the detector alone. As the signals induced on the electrodes of the detectors depends on the position of interaction, the charge pulses can be used to infer the interaction position. To be able to handle high rates, algorithms that are used have to be optimized to be able to process the data in real-time. Pulse shape analysis is the most involved part of the real-time processing and requires further improvement. This work is dealing with optimizations and improvements of pulse shape analysis algorithms. The Grid Search algorithm localizes the interaction position by comparing the measured pulse shape with precomputed shapes in a database to find the best fit. Two linear filters based on orthogonal transformations have been compared and it could be concluded that the one based on a singular value decomposition of the pulse shapes works best. It speeds up the pulse shape analysis by a factor of roughly $2-3$ (depending on how it is combined with the other modifications). Further, a new method to exclude most signals from the database as best fit has been developed based on the principle of lateration. Most interaction positions can be excluded by means of a fast check and for single interactions on average only $34.8\%$ of all signals from the database have to be compared to the measured one. The overhead introduced by the method is negligible and the reduced number of comparisons almost direclty translates into increased efficiency of the algorithm. A similar method could also be applied for double interactions. Two or more interactions taking place in the same segment require special treatment as the measured signals cannot be directly compared to signals from the database. A new method to calculate the figure of merit that quantifies the fit in case of a double interaction has been introduced. Compared to the unmodified algorithm the new method finds the best fit for double interactions roughly two orders of magnitude faster. Actually, the time required to localize double interactions is almost the same as for single interactions. Apart from optimizing the algorithm, also the achievable position resolution was investigated. It strongly varies inside the volume of the detector and it crucially depends on the shape of all signals in the database and the amplitude of the noise present in the measured signals. As a first step towards a precise analytic expression for the position resolution, an estimate for the probability to find the correct position has been derived.
Das gegenwärtige pädagogisch organisierte System des lebenslangen Lernens ist das Resultat aus verschiedenen historisch geprägten bildungspolitischen Reformen, welche im Laufe der Zeit zu verschiedenen pädagogischen Arbeitskulturen, Fachrichtungen, Aufgabenbereiche sowie Ausbildungen geführt haben. Reformpädagogenvon unterschiedlichen Zweigen vorschulischer, schulischer und universitärer Bildung, wie MONTESSORI, KERSCHENSTEINER, REYHER, COMENIUS, PESTALOZZI, HUMBOLDT u.a. gingen in die Geschichte ein (vgl. 3) und veranlassten durch Neuerungen sowie Veränderungen eine Divergenz der Segmente im Erziehungs- und Bildungssystem. Derzeitig verlaufen die Institutionen wie Säulen, teilweise parallel nebeneinander und horizontal aufeinander, aber weniger ineinander und treten nie als eine vollständige Einheit auf (vgl. Abbildung 10). Die Bildungssegmente greifen nur partiell ineinander über, sodass das pädagogisch organisierte System des lebenslangen Lernens der Assoziation dem eines Flickenteppichs gleicht. Eines haben die unterschiedlichen Bildungseinrichtungen u.a. gemeinsam: sie beschäftigen PädagogInnen und pädagogisch Tätige, die in dieser Studie untersucht werden. Die Fachrichtungen, die Klientel und die Arbeitsweisen sind so verschieden wie die Säulen des Erziehungs- und Bildungssystems selbst, weshalb oftmals von einer "Versäulung" die Rede ist (vgl. BASSARAK 2009, S. 187). In Deutschland ist dies ein rege und kontrovers diskutiertes Thema. Zumeist wird dabei kritisiert, dass die "mangelnde Durchlässigkeit in und zwischen den unterschiedlichen Bildungseinrichtungenund -systemen" ein zentrales Problem darstellt (vgl. ebd.). Den Einbahnstraßen und Sackgassen im Bildungsund Beschäftigungssystem sowie der Abschottung zwischen den verschiedenen Bildungs- und Ausbildungswegen sollen endgültig durch Förderungsmaßnahmen und -projekte, wie Lernende Regionen (vgl. TIPPELT et. al. 2009), Hessencampus (BMBF 2007-2010) etc. entgegengewirkt werden. So etablierte sich in der deutschen Bildungspolitik in den vergangenen Jahren verstärktdie Strategie lebenslanges Lernen (LLL) zu fördern und zu institutionalisieren (vgl. NITTEL 2003). Durch diese Initiierung steht pädagogischen Einrichtungenein Netzwerk zur Verfügung (vgl. FELD 2008), das sie zur segmentübergreifenden Kooperation nutzen könnten. Doch nach FAULSTICH (2010) sei eine "Entsäulung" der deutschen Politik gegenwärtig noch fremd. Während sich die Bildungspolitik bemüht, vermehrt die internationalen Zusammenarbeiten zu fördern, werden nationale Kooperationen nicht weniger bedeutsam.
Nach SCHÜTZ/REUPOLD (2010) sei die bildungsbereichsübergreifende Kooperation ein Schlüssel für die erfolgreiche Realisierung lebenslangen Lernens. (Bildungs-)Abschlüsse sollten nicht das Ende darstellen, vielmehr könnten Chancen auf neue Anschlüsse eröffnet werden, wenn eine gute Vernetzung zwischen den Systemen vorherrsche. Auch bei Akquisitionsaufgaben, zur Beschaffung von Drittmitteln, ist eine gefestigte Kooperationsbeziehung häufig als strategisch nutzbringend einzustufen (SCHÜTZ/REUPOLD 2010, S. 31). Hierbei haben nicht ausschließlich die Geldgeber, wie Bund und Länder, einen bedeutenden Einfluss, sondern die PraktikerInnen des Bildungssystems selbst sowie ihre Bereitschaft zur Kooperation wird gleichsam eine zentrale Rolle zugesprochen. Die wachsenden Anforderungen an die Akteure, unter anderem durch den Gesetzgeber, erfordern Innovationen und eine Veränderung der Denkweisen innerhalb der einzelnen Institutionen im Bildungsbereich (vgl. TIPPELT/STROBEL/REUPOLD et al. 2009). Aufgrund der Heterogenität der pädagogischen Fachkulturen müssen daher segmentübergreifende Zusammenarbeiten organisatorisch und institutionell weiterentwickelt sowie Prozesse in der Organisationsstruktur dieser Zusammenarbeiten optimiert werden, denn die pädagogischen Akteure stehen immer mehr im Mittelpunkt, nicht nur in bildungspolitischen Diskussionen . Die Bandbreite der Kooperationsprojekte unter den verschiedenen pädagogischen Institutionen scheint zu wachsen doch innerhalb der pädagogischen Segmente allerdings, erweist sich die Publikationslage bei näherer Betrachtung als unzureichend; OBOLENSKI (2006) stellt beispielsweise die Potentiale einer pädagogischen Kooperationskultur als eine Antwort auf Heterogenität heraus. Diesem Standpunkt zu Folge wird Kooperation sogar als ein Kernbestandteil professionellen pädagogischen Handelns verortet. Hierbei wird die Wichtigkeit der Kooperationen deutlich, doch die tatsächliche Ist-Situation bleibt offen. Werden Kooperationen im pädagogisch organisierten System segmentübergreifend von den Akteuren umgesetzt? Wie relevant sind für sie bereichsübergreifende Zusammenarbeiten?
Kooperation ist ein Forschungsthema in vielen Fachrichtungen, wie der Wirtschaftswissenschaften (vgl. ZENTES/SWOBODA/MORSCHETT 2005), der Anthropologie (vgl. TOMASELLO 2010) oder der Organisationspsychologie (BALZ 2009, SPIEß 1998, 2005a, 2009, KUMBRUCK 2001). Die Kooperationsforschung in den Erziehungswissenschaften findet zumeist im Rahmen von internen schulbezogenen Beiträgen (vgl. KOLBE/REH 2008, DEINET/ICKING 2006, HOLTAPPELS 1999, SOLTAU 2009), schulischen Einrichtungen mit außerschulisch Tätigen (vgl. DEINET et al. 2006) oder im Bereich der Weiterbildung (vgl. DOLLHAUSEN/FELD 2010) statt. In den sozialwissenschaftlichen Fachgebieten ist in vielen Projekten und Arbeiten das Thema der Kooperation - in Bezug auf die differenten Bildungssegmente - rege zu finden (vgl. 4) . Ein umfassendes bereichsübergreifendes Kooperationsprofil des Bildungssystems existiert allerdings noch nicht und wird mit dieser Dissertation erhoben. Die vorliegende Untersuchung ist der erste Schritt, um Transparenz über die Ist-Situation zu schaffen bzw. Kooperationslücken sowie umgesetzte Zusammenarbeiten im deutschen Bildungswesen aufzudecken. Die angestrebte Dissertation soll das Forschungsfeld nicht nur auf den Lehrerbereich oder einzelne Segmente des Bildungssystems beschränken, sondern sie umschließt das pädagogische Berufsfeld in den verschiedenen Bildungssegmenten und externen Einrichtungen mit seiner individuellen Vielfältigkeit und seinen spezifischen Kompetenzen.Nach dem aufgezeigten aktuellen Forschungsstand existiert eine Forschungslücke hinsichtlich der Frage, inwieweit die verschiedenen pädagogischen Berufsgruppen in ihren persönlichen Einstellungsmustern bzw. in ihren kollektiv geteilten Einstellungen und Wissensformen in angemessener Weise auf die Herausforderungen des lebenslangen Lernens und explizit auf die damit notwendig gewordenen Kooperationsformen vorbereitet sind.
More than 100 years after Henry James’s death, criticism is still working through unresolved gender issues in his fiction. This study proposes a new interdisciplinary approach to the gendered power relations in James’s novels that fills a crucial vacancy in the literature. Reading James’s intricately woven narrative form through the lens of relational sociology, specifically Pierre Bourdieu’s concept of symbolic domination, reconciles some of the most fiercely disputed positions in James studies of the past decades. With its focus on gender-related symbolic domination, this study demonstrates this approach’s potential to probe the depths of James’s fictional social worlds while developing the narratological tools to do so.
Many critics have paid attention to the relational nature of James’s social fictions as well as his talent for capturing unspoken, invisible, hidden social constraints. Blatantly missing from the literature is a systematic relational analysis into the specifically Jamesian method of narrating the socio-psychological, embodied responses to power and oppression. The present study closes this research gap. It reveals how James persistently narrates his characters as social agents whose perception, affects, and bodily practices are products of the social structures that they in turn continue to shape and reproduce. Moreover, it traces a development throughout James’s career that reflects his growing sensitivity for the stubbornness of some seemingly insurmountable social constraints. James’s fictional social worlds are relational ones through and through. This study is the first sustained effort to investigate the way in which his narratives capture this interrelatedness.
The scope of this Thesis is to understand the position dependency phenomenon of human visual perception. First, under the ecological assumption, meaning under the assumption that animals adapt to the statistical regularities of their environment, we study the consequences of the imaging on the local statistics of the input to the human visual system. Second, we model efficient representations of these statistics and their contribution to shape the properties of eye sensory neurons. Third, we model efficient representations of the semantic context of images and the correctness of different underneath geometrical assumptions on the statistics of images.
The efficient coding hypothesis posits that sensory systems are adapted to the regularities of their signal input in order to reduce redundancy in the resulting representations. It is therefore important to characterize the regularities of natural signals to gain insight into the processing of natural stimuli. While measurements of statistical regularity in vision have focused on photographic images of natural environments it has been much less investigated, how the specific imaging process embodied by the organism’s eye induces statistical dependencies on the natural input to the visual system. This has allowed using the convenient assumption that natural image data is homogeneous across the visual field. Here we give up on this assumption and show how the imaging process in a human eye model influences the local statistics of the natural input to the visual system across the entire visual field. ...
Ultrafast protein dynamics are of great interest for understanding the molecular basis of biochemical function. One method to study structural changes with highest time-resolution starting in the femtosecond regime is 2D-IR spectroscopy. However its application to investigate protein dynamics both with high temporal and spatial resolution is currently limited to few biological systems with intrinsic chromophores. Spectral congestion, the contribution of many similar oscillators to the same signals, makes it difficult to draw conclusions about local structural dynamics in most other proteins.
The aim of this thesis is to extend the application of 2D-IR spectroscopy to a wider range of proteins by introducing unnatural amino acids (UAAs) with azide or nitrile groups as site-specific vibrational probes, which absorb in the free spectral window between 1800 to 3000 cm-1 by using methods from chemical biology.
In a comparative experimental study using FTIR and 2D-IR spectroscopy of single amino acids azidohomoalanine (Aha), a methionine analogue, was identified as preferred label. To demonstrate the application potential of UAAs as site-specific probes, Aha was then incorporated into different positions in a small globular protein. By using both FTIR and ultrafast 2D-IR it was shown, that indeed the local microenvironment as well as conformational fluctuations on picosecond timescale could be monitored with high spatial information. The azide moiety shows a shift of its absorption frequency depending on the polarity of its surrounding. Using this approach, different subensembles for the protein conformations with more polar and less polar environment around the vibrational probe can be distinguished.
A second major application of site-specific labels is the study of vibrational energy transfer processes (VET), predicted to be relevant for allosteric communication in protein domains such as the PDZ domain. VET can be tracked with high spatial resolution using time-resolved IR spectroscopy by exciting a localized vibrational mode and probing separate modes in a two-colour 2D-IR experiment. To extend this kind of experiment to proteins, a specific donor-acceptor pair of two UAAs was introduced. It uses an azulene moiety as donor that can be excited in the visible range but deposits the excess energy by internal conversion into the vibrational modes of the ground state. In small peptides this VET pair was applied successfully, showing a distance-dependent energy transfer induced signal for VET through covalent bonds. These findings bare great promise for the direct observation of vibrational energy flow in proteins in real-time.
Overall this thesis is the basis for extending the usability of 2D-IR spectroscopy to study structural dynamics in a wide range of proteins systems both with high temporal and spatial resolution.
Katamnese und Lebenszufriedenheit von Kindern und Jugendlichen mit Geschlechtsidentitätsstörungen
(2014)
Die Behandlung von Kindern und Jugendlichen mit Geschlechtsidentitätsstörungen (GIS) wird seit dem Beginn der pubertätshemmenden Hormontherapie in den neunziger Jahren international kontrovers diskutiert. Diese Störung scheint bei Kindern durch psychotherapeutische Intervention besser behandelbar als bei Jugendlichen. Erwartet wurden weniger psychopathologische Auffälligkeiten und eine höhere Lebenszufriedenheit bei umfassender psychotherapeutischer Begleitung. Des Weiteren wurden die Hypothesen geprüft, dass sich ein Geschlechtswechsel ebenfalls positiv auf Lebenszufriedenheit und Psychopathologie auswirkt.
Es nahmen insgesamt 37 Kinder, Jugendliche und Erwachsene an der schriftlichen Nachuntersuchung teil, die mindestens drei Jahre vor Studienbeginn aufgrund der Diagnose GIS des Kindes- und Jugendalters in der KJP Frankfurt vorgestellt wurden. Erfasst wurden Daten zur Geschlechtsidentität, zum Behandlungsverlauf und zur sexuellen Orientierung, zur Ausprägung der Psychopathologie laut altersangemessenem Screening-Inventar (CBCL, YSR, YASR) und zur Lebenszufriedenheit mithilfe des Inventars zur Erfassung der Lebensqualität bei Kindern und Jugendlichen (ILK). Außerdem wurden die Ausprägung der Psychopathologie (erfasst mit dem CBCL und oder YSR) bei der Erstvorstellung in der Klinik mit der jetzigen Einschätzung verglichen.
Die erhobenen Daten geben keinen Hinweis darauf, dass umfangreiche Psychotherapie oder ein Geschlechtswechsel zu einer höheren Lebenszufriedenheit und einer Verbesserung der Psychopathologie führen. Im Laufe der Zeit kam es zu einer signifikanten Reduktion der Werte der Syndromskalen soziale Probleme und aggressives Verhalten bei allen Studienteilnehmern. Allerdings wurde ein signifikanter Zusammenhang zwischen der Lebenszufriedenheit im Bereich seelische Gesundheit und der Zufriedenheit mit ihrer Psychotherapie gefunden. Die Drop-out-Analyse zeigte, dass Betroffene mit einer unbewältigten Problematik im Zusammenhang mit ihrer GIS eher nicht bereit waren, an dieser Studie teilzunehmen. Des Weiteren ergab sich, dass sich in der Gruppe der Studienteilnehmer signifikant mehr Personen für einen Geschlechtswechsel entschieden haben als in der Gruppe der Studienabbrecher.
Aus den Ergebnissen lässt sich ableiten, dass alle Teilnehmer der Nachuntersuchung mit ihrem Lebensweg gleichsam zufrieden sind, unabhängig vom Ausmaß der Psychotherapie und der Entscheidung für einen Geschlechtswechsel. Außerdem haben alle Personen der Stichprobe heute weniger Probleme mit aggressivem Verhalten und weniger soziale Probleme.
Da von einer Verzerrung der Stichprobe durch einen systematischen Ausfall von Teilnehmern auszugehen ist, sind weitere Nachuntersuchungen nötig, um die Hypothesen dieser Arbeit weiter zu überprüften. Darüber hinaus gilt es zu klären, ob bestimmte Psychotherapieformen bei einigen Patienten effektiver als andere sind.
Ausgehend von der Frage, was der Sportler jenseits externer Honorierungen davon hat im Wettkampf fair zu handeln, erfolgt die Bestimmung eines mehrdimensionalen Fairnessbegriffs, der sich in einem Kontinuum zwischen Moral und Ästhetik aufspannt. „Fairness“ (aus dem engl. „fair“ = schön, klar) ist demnach ein bipolares Prinzip der Widerstandsregulation im Wettkampf. Da „Sport“ ein Spezialfall sozialer Interaktion ist, braucht es darüber hinaus Normen des Anstands, die das Verhalten regulieren. Damit wird „Fairness“ als dreidimensionaler theoretischer Begriff gefasst, der mit der „sportlichen Moral“ und der „sportlichen Ästhetik“ zwei sportinterne Dimensionen miteinander verbindet und mit dem übergreifenden „Anstand“ in eine sportexterne, nicht speziell an sportliche Regeln gebundene ethische Instanz eingebettet ist.
Leitende Fragestellung der durchgeführten Untersuchung ist dabei, ob sich dieser drei Dimensionen umfassende Fairnessbegriff im praktischen Fairnessverständnis von Sportlern nachweisen lässt. Durch den Einsatz eines Fragebogens wurde diese Fragestellung im Fußballsport empirisch überprüft. Die aus der Theorie hergeleiteten drei Dimensionen des Fairnessverständnisses sind durch die intervallskalierte Bewertung verschiedener Situationsbeispiele für unfaire Verhaltensweisen, repräsentiert. Die ästhetische Dimension (F1Ästh) umfasst dabei 5 Items, die moralische (F2Eth) und die anstandsethische (F3Anst) jeweils 3 Items. Die Situationsbeispiele können auf einer neunstufigen Skala (von weniger unfair bis sehr unfair) bewertet werden.
Mittels der Durchführung einer konfirmatorischen Faktorenanalyse wurde die Annahme des Fairnessbegriffs über ein empirisch repräsentiertes Modell ermöglicht. Darüber hinaus wurden mit einer Stichprobe von insgesamt 484 Amateurfußballspielern soziodemographische und spielbezogene Variablen als Einflussfaktoren für die situative Einstellung zu fairem Verhalten in dem skizzierten Spannungsfeld untersucht. Über den varianzanalytischen Ansatz zur Ermittlung von Einflussfaktoren auf die situative Einstellung zu fairem Verhalten erweist sich die ästhetische Fairnessdimension des Faktors (F1Ästh) als entscheidende abhängige Variable. Im Vergleich zwischen Jugendlichen und Aktiven ist auffällig, dass die prozessorientierte ästhetische Fairnessdimension für Jugendliche insgesamt wichtiger ist als für Aktive, dieser Effekt in der hohen Spielklasse allerdings verschwindet. Darüber hinaus wirkt sich ein ergebnisorientiertes Spielinteresse negativ auf die sportinternen Dimensionen der Fairness aus.
Molecular signaling networks, organized in discrete subsets of proteins in space and time, represent the major principle by which the cell achieves its functional specificity and homeostasis. Complex network organization is preserved by numerous mechanisms, including sequestration of proteins into specific subcellular compartments (eg. organelles), post-translational modifications and most importantly by balanced timing of their biosynthesis and turnover. Two routes of protein degradation, which are fundamentally quite different, are proteasomal and lysosomal-mediated destruction. The latter not only governs degradation of molecules that passed through endocytic or secretory process (trafficking from plasma membrane or Golgi compartment), but also the degradation of cytoplasmic molecules that have been sequestered by a process called macroautophagy (henceforth autophagy). Recently our understanding of autophagic regulatory mechanisms has increased significantly, as molecular details of how autophagy contributes to the degradation of proteins (old, misfolded or aggregated), damaged organelles or pathogens have been deciphered. Initially described as bulk, nonspecific membrane sequestration process induced primarily by nutrient deprivation, autophagy is now known to be selective in terms of cargo recognition and integration into dynamic cellular membrane trafficking system.
My work has addressed the fundamental question of how small ubiquitin-like modifiers LC3/GABARAP, that are conjugated to the autophagic membranes, function within the process of cargo selection and crosstalk between autophagic and endocytic membrane trafficking events. We have employed an initial yeast twohybrid screen to identify LC3/GABARAP interacting partners. Using this technique, we have identified several novel autophagy receptor proteins, mitochondrial protein Nix (BNIP3L), and adaptor proteins, including Rab GTPase activating proteins (TBC family of proteins). Through a conserved LC3 interacting region (LIR), Nix, Rab GAPs and other autophagy adaptor/receptor molecules share a common mode of binding to LC3/GABARAP. However, in contrast to Nix, which specifically facilitates removal of mitochondria in maturing erythrocytes, Rab GAP proteins preferably regulate the dynamics of autophagosome formation and maturation as well as sorting of cargo. Fourteen out of 36 screened Rab GAPs interacted with LC3/GABARAPs. Importantly, identified Rab GAPs are clustered in different regulatory nodes according to the conservation of their GAP domain hence they impact various cellular membrane compartments and organelles, marked by specific subsets of small Rab GTPases. Identification of Rab GAPs that are directly involved in autophagy via binding to LC3 was the first report that clearly pointed to a broader implication of autophagy in all aspects of cellular membrane trafficking. Currently, only few of Rab GAPs are studied in context of autophagy regulation, while large number of them requires further functional characterization.
I have identified two LIR motifs in TBC1D5, Rab7 GAP. LIR1 has also the ability to interact with retromer complex subunit, Vps29. Using several functional assays I have shown that this motif, as well as catalytic Arg within GAP domain are particularly important for function of TBC1D5 in retrograde transport of CI-M6PR from endosomes to the trans-Golgi network (TGN). I have also shown that TBC1D5 binds to LC3 and Vps29 in mutually exclusive way and that Thr at the position 1 and Phe at position 5 of LIR1 motif are both required for TBC1D5 interaction with Vps29. Upon autophagy induction TBC1D5 dissociates from retromer, and associates with autophagic vesicles, while silencing of TBC1D5 significantly impairs autophagic flux. These findings led to the hypothesis that LIR interacting surface on TBC1D5 acts as molecular switch for dual function of TBC1D5. This also indicated that similar surfaces for LIR interaction (similarly to ubiquitin-like domains) are present on proteins other than LC3, and pointed to a dual functionality of the LIR sequence within both endocytic and autophagic pathways.
Following these initial studies, I have also shown that TBC1D5 interacts with AP2 complex subunit AP2M1, and that this interaction plays critical role in TBC1D5-dependent trafficking of Atg9. It is known that Atg9, the only trans-membrane autophagic protein, plays essential role in initiation of autophagy and growth of nascent phagophore membranes. However, machinery that specifically recruits Atg9 traffic carriers to the site of autophagosomes was not known. I subsequently demonstrated that TBC1D5 associates not only with LC3, but also with Atg9 traffic carriers and major initiatory kinase ULK1 during autophagy, while retromer failed to do so. Association of TBC1D5 with Atg9 was dependent on presence of AP2 complex, and on functional clathrin-mediated endocytosis (CME). Based on these and previous findings, model was proposed, that upon induction of autophagy TBC1D5 re-routes Atg9-containing clathrin vesicles from plasma membrane to the site of autophagosome. This led us to the better understanding of TBC1D5 function, but also to the first molecular cue that Atg9 traffics within clathrin-coated vesicles (CCVs). In fact, mutation of Leu-Leu motif within N terminus of Atg9, that potentially mediates interaction with adaptor protein complexes, led to enrichment of Atg9 on plasma membrane and in TGN. This suggested that the sorting motif could be important for interaction of Atg9 with AP2 and AP1 complex, as well. More importantly, TBC1D5 and Atg9 could be directly involved in dynamic regulation of growth factor receptor sorting during autophagy, thus explaining vital role of autophagy in organism development and pathogenesis.
In summary, the work contained within my thesis provides data on the mechanism by which autophagy adaptor proteins participate in cargo selection and regulation of trafficking during autophagy. Firstly, the LIR motif can target proteins or organelles for autophagic degradation (eg. Nix). Secondly, specific LIR motifs can play essential function in recruiting membrane trafficking regulatory proteins that subsequently facilitate phagophore expansion (eg. TBC1D5). Thirdly, by means of reorganization of different protein assemblies (eg. TBC1D5-VPS29 vs. TBC1D5-LC3-Atg9), dynamics of membrane remodeling mediated by Rab GTPases is kept in control during autophagy, thus keeping the organelle integrity and balance within cellular lipid sources unaffected.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, basierend auf den eigenen Publikationen, aktuelle Erkenntnisse aus dem Themenkomplex „Sitzen und Gesundheit“ einschließlich Gesundheitspotentiale leichter Aktivitäten bei Erwachsenen resümierend zusammenzustellen und kritisch zu bewerten.
Das Augenmerk der bewegungsbezogenen Gesundheitsforschung galt anfänglich primär den sportlichen und eher intensiven körperlichen Aktivitäten. Neuere Erkenntnisse lassen annehmen, dass auch andere Bewegungsarten als Sport, z.B. Bewegung im Alltag, gesundheitswirksam sein können. Die besondere Bedeutung dieser Aktivitäten liegt darin, dass sie mit wenigen Ausnahmen für jeden geeignet, risikoarm und niedrigschwellig sind. Die am besten erforschte Alltagsbewegung ist das Gehen. Die gesundheitliche Benefits von Gehen gelten sowohl im Bereich der Prävention als auch der Therapie als wissenschaftlich gesichert. Regelmäßiges Fahrradfahren verbessert die kardiorespiratorische Fitness und mindert das Gesamtmortalitätsrisiko. Die Gesundheitseffekte anderer Alltagsaktivitäten lassen sich u.a aufgrund methodischer Herausforderungen schwieriger nachweisen und quantifizieren. Neuere Arbeiten liefern Hinweise, dass Bewegung schon mit leichter Intensität zumindest bei unfitten und inaktiven Bevölkerungsgruppen ein hohes Gesundheitspotential haben kann.
Veränderte Lebensgewohnheiten in Lebensbereichen wie z.B. Arbeit, Freizeit und Fortbewegung haben dazu geführt, dass ein überwiegender Anteil der Bevölkerung den Tag sitzend verbringt. Seit den letzten 10-15 Jahren widmet sich eine wachsende Anzahl von Arbeitsgruppen der Erforschung möglicher gesundheitlicher Konsequenzen des langen ununterbrochenen Sitzens. „Sendentäres Verhalten“ (sedentary behavior), in Abgrenzung zur Inaktivität, bezeichnet Aktivitäten, die sitzend oder zurücklehnend stattfinden und mit einem Energieverbrauch von 1-1,5 MET einhergehen. In Akzelerometerstudien wird sedentäres Verhalten als Aktivitäten, bei denen das Signal mindestens eine minutelang unter 100 counts per minute (cpm) ausweist, definiert.
Akzelerometerdaten deuten darauf hin, dass sedentäres Verhalten in den Industrieländern weit verbreitet ist: es macht bis zu 69% der wach verbrachten Zeit aus.
Unsere Literaturanalyse nach Reviews und systematischen Reviews zum Thema sedentäres Verhalten und Gesundheit bei Erwachsen ergab 13 Übersichtsarbeiten. Die Übersichtsarbeiten weisen eine hohe methodische Heterogenität auf. 9 der Übersichtsarbeiten sind narrative Reviews. Die Literaturanalyse liefert Hinweise für eine graduelle Abnahme der Evidenz für die Zusammenhänge von sedentärem Verhalten mit Mortalität, Morbidität und gesundheitlichen Risikofaktoren. Die Ergebnisse von Querschnitt- und Langzeitbeobachtungsstudien zu möglichen Auswirkungen sedentären Verhaltens auf die Gesundheit sind durch Interventionsstudien nur sehr bedingt untermauert, (patho)physiologische Wirkmechanismen hinter sedentärem Verhalten nicht gesichert, und ein klarer Dosis-Wirkungszusammenhang nicht definierbar. Dennoch scheint die Evidenzlage beim Endpunkt Mortalität relativ eindeutig, bei den Endpunkten Morbidität und Risikofaktoren aber zunehmend schwach und widersprüchlich. Im Fazit deuten die Ergebnisse dieser Übersicht – besonders beim Endpunkt Mortalität und etwas weniger eindeutig bei kardiovaskulären Erkrankungen und Diabetes – auf die gesundheitsschädliche Wirkung langen ununterbrochenen Sitzens hin. In der Konsequenz ist neben Aktivität gemäß Leitlinien zu empfehlen, längere Sitzphasen nach Möglichkeit zu unterbrechen und durch Bewegung mit zumindest leichter Intensität zu ersetzen.
Es liegen einige Hinweise vor, dass nicht nur die Gesamtzeit des sedentären Verhaltens, sondern auch das Muster, in dem es entsteht, von gesundheitlicher Relevanz sein könnte. Neben der Erforschung (patho)physiologischer Effekte des langen Sitzens, ist die Überprüfung von Machbarkeit und Akzeptanz von Unterbrechungsintervention von großer Relevanz. In unserer eigenen Untersuchung haben wir in vivo überprüft, wie weit Beschäftigte mit einer überwiegend sitzenden Tätigkeit vorgegebenen Unterbrechungsempfehlungen nachkommen können, wie sie diese subjektiv erleben und wie sie ihre eigene Bereitschaft einschätzen, die Empfehlungen auch längerfristig durchzuführen.
Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass schon eine einmalige Information über die Gesundheitsrisiken langen Sitzens und über Unterbrechungen zu einer zumindest kurzfristigen Reduktion der Sitzphasen führen kann. In unserer Untersuchung erwies sich ein Unterbrechungsintervall von 60 Minuten als am ehesten realisierbar. Dieses Intervall wurde von den Teilnehmern am angenehmsten wahrgenommen.
Biopharmazeutika sind heutzutage ein wichtiger Bestandteil des Arzneimittelmarktes. Ihr komplexer Aufbau und ihre Mikroheterogenität erfordern eine genaue strukturelle Charakterisierung auf verschiedenen Ebenen der Moleküle, wobei die Anwendung neuer Methoden von den entsprechenden Richtlinien durchaus erwünscht ist. Die Massenspektrometrie als Analysemethode hat sich in diesem Gebiet bereits fest etabliert. Verschiedenste massenspektrometrische Untersuchungen können an den intakten Biopharmazeutika sowie an größeren und kleineren Bruchstücken derselben durchgeführt werden. Trotzdem wird meist auf wenige, lange etablierte Protokolle zurückgegriffen, die häufig mit langwieriger Probenvorbereitung verbunden sind. Bei der Analyse der Glykosylierung wird immer noch die chromatographische Trennung mit anschließender Detektion durch UV- oder Fluoreszenzmessung bevorzugt.
In dieser Arbeit sollten die Möglichkeiten der Massenspektrometrie bei der Analyse von Biopharmazeutika genauer untersucht werden. Dazu gehört auch, den hohen Informationsgehalt der üblichen chromatographischen Auftrennung von Peptiden aus einem proteolytischen Verdau vollständig zu nutzen. Es wurde gezeigt, dass die manuelle Auswertung der Analyse zusätzliche Ergebnisse bringt, und dass gleichzeitig eine Analyse von posttranslationalen und prozessbedingten Modifikationen möglich ist. Zudem wurde der Verdau mit der Protease Trypsin auf das jeweilige Biopharmazeutikum und auf das Ziel der Analyse optimiert. Da mit Trypsin eine vollständige Sequenzabdeckung nicht erreichbar war, wurden zusätzlich verschiedene weniger spezifische Proteasen angewendet. Alle untersuchten weniger spezifischen Proteasen (Elastase, Chymotrypsin und Thermolysin) waren für eine solche Analyse gut geeignet. Die Komplementarität von MALDI- und ESI-MS-Analysen konnte durch ihre Kombination optimal ausgeschöpft werden. Zudem wurden weitere Methoden zur Erhöhung der Sequenzabdeckung wie die Derivatisierung der Peptide mit TMTzero vorgestellt.
Für die Analyse intakter Biopharmazeutika wurden neben der Größenausschlusschromatograph und gelelektrophoretischen Trennungen sowohl MALDI- als auch ESI-MS-Analysen verwendet. Die Trennung großer Proteinmoleküle in kleinere Untereinheiten erleichterte dabei die massenspektrometrische Analyse maßgeblich. Die Fragmentierung der Biopharmazeutika mittels MALDI-ISD war für die Bestimmung der Protein-N- und C-Termini sehr gut geeignet.
Die Analyse der Glykosylierung wurde an den freien N-Glykanen aus einem PNGaseF-Verdau sowie an Glykopeptiden aus einem Verdau mit Pronase durchgeführt. Die freien N-Glykane konnten zudem für die MALDI-MS-Analyse mit der MALDI-Matrix 3-Aminochinolin direkt auf dem Probenteller derivatisiert werden. Die Derivatisierung und Vermessung der N-Glykane wurde zunächst an verschiedenen Standardoligosacchariden, Humanmilcholigosacchariden und N-Glykanen aus Standardglykoproteinen optimiert. Durch die Fragmentierung der N-Glykane konnten diese sequenziert und isomere Strukturen unterschieden werden.
Bei einem Pronaseverdau wurden Proteine so weit verdaut, dass nur noch einzelne Aminosäuren bzw. Di- oder Tripeptide übrig blieben. Lediglich die Glykosylierungsstellen waren durch die voluminösen Glykanstrukturen vor dem Verdau geschützt und behielten eine kurze Peptidsequenz, die für eine Identifizierung der Glykosylierungsstelle ausreichend war. So konnten die N- und O-Glykopeptide direkt ohne Aufreinigung mittels MALDI-MS aus den Verdauansätzen analysiert werden, ohne dass nicht glykosylierte Peptide störten. Das Verdauprotokoll wurde zunächst an mehreren Standard-N- und -O-Glykoproteinen optimiert und anschließend auf die untersuchten Biopharmazeutika angewendet. N- und O-Glykopeptide konnten sogar nebeneinander analysiert werden. Die hohe Massengenauigkeit des verwendeten MALDI LTQ-Orbitrap Massenspektrometers ließ eine eindeutige Identifizierung der Glykopeptide mit Hilfe eines dafür entwickelten Programms zu. Weiterhin konnte die Identifizierung durch die Fragmentierung der Glykopeptide unterstützt werden.
Somit konnten in dieser Arbeit verschiedene massenspektrometrische Analysen von Biopharmazeutika neu entwickelt, optimiert oder vereinfacht werden. Dabei wurden für jede Strukturebene (intaktes Molekül, größere und kleinere Fragmente) sowohl Ansätze mit MALDI-MS als auch mit ESI-MS verfolgt. Einige Methoden, die in der Proteomforschung bereits Anwendung fanden, konnten erfolgreich auf Biopharmazeutika übertragen werden. Die Arbeit zeigt, dass die Massenspektrometrie ein großes Potential in der Analyse der Biopharmazeutika besitzt, das aber bisher noch nicht vollständig ausgeschöpft wird. Durch die Wahl der richtigen Methoden und der geeigneten Instrumentierung wird eine vollständige strukturelle Charakterisierung ermöglicht.
Construction and commissioning of a setup to study ageing phenomena in high rate gas detectors
(2014)
In high-rate heavy-ion experiments, gaseous detectors encounter big challenges in terms of degradation of their performance due to a phenomenon dubbed ageing. In this thesis, a setup for high precision ageing studies has been constructed and commissioned at the GSI detector laboratory. The main objective is the study of ageing phenomena evoked by materials used to build gaseous detectors for the Compressed Baryonic Matter (CBM) experiment at the future Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR).
The precision of the measurement, e.g., of the gain of a gaseous detector, is a key element in ageing studies: it allows to perform the measurement at realistic rates in an acceptable time span. It is well known the accelerating ageing employing high intensity sources might produce misleading results. The primary objective is to build an apparatus which allows very accurate measurements and is thus sensitive to minute degradations in detector performance. The construction and commissioning of the
setup has been carried out in two steps. During the first step of this work, a simpler setup which already existed in the detector laboratory of GSI had been utilised to define all conditions related to ageing studies. The outcome of these studies defined the properties and characteristics that must be met to build and operate a new, sophisticated and precise setup. The already existing setup consisted of two identical Multi Wire Proportional Chambers (MWPCs), a gas mixing station, an 55Fe source, an x-ray generator, an outgassing box and stainless steel tubing. In a first step, the gain and electric field configuration of the MWPCs were simulated by a combination of a gas simulation (Magboltz) and electric field simulation program (Garfield). The performance and operating conditions of the chambers have been thoroughly characterised before utilising them in first preparatory ageing test. The main diagnostic parameter in ageing studies is the detector gain, thus it is mandatory for precise ageing studies to minimise the systematic and statistical variation of the pressure and temperature corrected gain. To achieve the required accuracy, several improvements of the chamber design and the gas system have been implemented. In addition, the temperature measurement has been optimised. During the preparatory tests, several ageing studies have been carried out. The ageing effect of seven materials and gases have been carried out during these tests: RTV-3145, Ar/CO2 gas, Durostone flushed with Ar/Isobutane gas, Vetronit G11, Vetronit G11 contaminated with Micro 3000 and Gerband 705. The results of these studies went into the design of the new sophisticated ageing setup. For example some tests revealed that there was, even after cleaning, a certain level of contamination with "ageing agents" in the existing setup, which made it imperative to ensure a very high level cleanness of all components during the construction of the setup. The curing period of some testing samples like glues or the gas flow rate were found to be very important factors that must be taken into account to obtain comparable results. Very important changes in the chamber design have been made, i.e., the aluminium-Kapton cathodes used in MWPCs have been replaced with multi-wire planes and the fibreglass housing of the chamber has been changed to metal. The second step started with building the new setup which was designed based on the findings from the first step. The new ageing setup consists of three MWPCs, two moving platforms, an 55Fe source, a copper-anode x-ray generator, two outgassing boxes, both flexible and rigid stainless steel tubes. Before fabrication of the chambers, simulations of their electric field and the gain have been done using Magboltz and Garfield programs. After that, the chambers were installed and tested. A 0.3% peak-to-peak residual variation of the corrected gain has been achieved. Finally, the complete setup has been operated with full functionality in no-ageing conditions during one week. This test revealed very stable gain in all three chambers. After that two materials (Gerban 705 and RTV-3145) have been inserted in the two outgassing boxes and tested. They revealed an ageing rate of about 0.3%/mC/cm and 3%/mC/cm respectively. The final test proves the stability and accuracy of the ageing measurements carried out with the ageing setup at the detector laboratory at GSI which is ready to conduct the envisaged systematic ageing studies.
In der vorliegenden Arbeit galt es, stabile, lumineszente, tetrakoordinierte Organoborane unter Verwendung eines Bor-funktionalisierten ditopen Grundbausteins und unterschiedlicher π- konjugierter Ligandensysteme zu synthetisieren. Die Bifunktionalität sollte die gleichzeitige Einführung von zwei Lewis-Basen erlauben, um eine mögliche elektronische Kommunikation oder einen Energietransfer zwischen den Chromophoren zu gewährleisten.
...
Zusammenfassend war es möglich unter Einsatz eines Bor-haltigen Grundsystems (DBA) durch die Variation der chelatisierenden bzw. verbrückenden π-konjugierten Liganden stabile und effiziente Fluorophore mit nützlichen optischen Eigenschaften zu realisieren.
Meine Arbeit beschäftigt sich mit dem systematischen Problem des Selbstbewusstseins, nämlich mit der konzeptuellen Möglichkeit des Selbstbewusstseins. Für die Problemstellung meiner Arbeit ist die Kritik von Fichte und der Philosophen der Heidelberger Schule (dazu gehört Dieter Henrich, Ulrich Pothast, Manfred Frank und Konrad Cramer) an Kant von zentraler Bedeutung. Sie besagt, dass Kants Selbstbewusstsein konzeptuell unmöglich ist, weil es sich in einem petitio principii bzw. Zirkelargument verwickelt. Aufgrund dieser Problemstellung formuliere ich die Fragestellung meiner Arbeit folgendermaßen: ob erstens die Kritik dieser Philosophen angemessen ist? Ob zweitens die Selbstbewusstseinstheorie der Philosophen der Heidelberger Schule, die als Alternative zu Kants Selbstbewusstseinstheorie gemeint ist, überzeugend ist? Drittens ob Kants Selbstbewusstsein konzeptuell unmöglich ist bzw. ob bei Kant eine Theorie des Selbstbewusstseins vorliegt, die philosophisch möglich erscheint?
Die Ergebnisse meiner Untersuchung, die zugleich als Thesen meiner Dissertation gelten, zeigen: erstens sind die Kritiken von Fichte sowie Henrich und seinen Schülern an Kant nicht angemessen. Die Argumentation, derer sich Fichte und Henrich bedienen, um die definitorische Unmöglichkeit der Selbstbewusstseinsphilosophie Kants zu belegen, basiert auf ihrer Gleichsetzung von Apperzeption und Reflexion. Die Apperzeption kann konzeptuell jedoch nicht mit der Reflexion gleichgesetzt werden. Zweitens sind die von Henrich und seinen Schülern entwickelten Selbstbewusstseinstheorien nicht überzeugend, weil sie paradoxerweise zum Verschwinden des erklärten Phänomens, d. h. des Selbstbewusstseins führen. Die Unzulänglichkeit der Selbstbewusstseinstheorie Henrichs verkleinert aber nicht ihre Beiträge zu der Philosophie des Selbstbewusstseins. Durch seine Untersuchung und seine Reflexion über das Selbstbewusstseinsproblem hat Henrich die anderen Dimensionen des Selbstbewusstseinsphänomens eröffnet, die ihn dazu veranlasst haben, dass dasselbe Phänomen von der Perspektive der Intuition und der Mystik und der Romantik her herangegangen werden kann, wie die Selbstbewusstseinstheorien von seinen Schülern zeigen. Drittens ist Kants Selbstbewusstseins nicht unmöglich, wie Fichte, Henrich und seine Schüler behaupten. Kant hat eine Theorie des Selbstbewusstseins. Für ihn ist das Selbstbewusstsein bzw. das Ich ein spontanes Handeln im Form des Ich denke. Es fungiert als das Zugrundeliegende, hypokeimenon, als transzendentales Subjekt im Erkenntnisprozess. Kants Selbstbewusstsein ist ein transzendentales Selbstbewusstsein, das logisch angenommen werden muss als die objektive und notwendige Bedingung der Möglichkeit der Erfahrung.
Das kantische Subjekt kann jedoch nicht im ontologischen Sinne, nämlich als Substanz oder als ein erkennbares Dingartiges verstanden werden. Kant selbst warnt sein Leser an einigen Stellen der KrV, damit sein Subjekt nicht missverstanden wird. Es ist zwar ihm zufolge eine Substanz oder ein Ich, aber „nur eine Substanz in der Idee“ (A 351) oder „(Ich) Substanz im Begriffe, einfach im Begriffe“ (A 400) und nicht in Realität. D. h. das kantische Subjekt ist ein transzendentales Subjekt.
Kants Selbstbewusstsein thematisiert also einen philosophischen Sachverhalt. Worin liegt der philosophische Sinn des Selbstbewusstseins Kants? Er liegt erstens in seiner Transzendentalität, nämlich als Prinzip bzw. als apriorische Bedingung der Möglichkeit der Erkenntnis. Und seine Transzendentalität erlaubt uns nicht, es auf ein bestimmtes wissenschaftliches Problem zu reduzieren. Die Reduktion des Phänomens des Selbstbewusstseins Kants hat uns unmittelbar von seiner Transzendentalität weggeführt. Das philosophische Selbstbewusstsein kann nicht epistemologisch als natürliches Phänomen behandelt werden. Solche Naturalisierung hat unmittelbar seine Transzendentalität verneint. Kants Selbstbewusstsein hat auch zweitens philosophischen Sinn, weil unsere Erkenntnis davon bloß aus dem Begriff der Erfahrung kommt. Das heißt, wir haben Erkenntnis über dieses Selbstbewusstsein bloß aufgrund der Erklärbarkeit der Erfahrung.
Das Kino ist ein Ort, in dem das Kindliche vorausgesetzt und reaktiviert wird: kindlicher Glaube, kindlicher Wunsch und kindliche Ängste. Darum ist das Kino im freud'schen Sinne ein unheimlicher Ort par exellence, vor allem weil dort die Doppelgänger des Lebens erfahren werden, nämlich die Filme. Doppelgänger bezeichnet zwar ein aus narzisstischem Verhältnis entstandenes Spiegelbild, das aber im Laufe der Zeit zum Schattenbild wird, das uns dann an dem Tod erinnert. Das Kino bietet aus diesem Grund einen Möglichkeitsraum, in dem unser altes Ich sterben und neues Bewusstsein gewonnen werden kann, und zwar so wie die lacan'sche Trias den Heilungsprozess erklärt: durch den narzisstischen bzw. imaginären und symbolischen Tod, gelangt das Subjekt zum Realen, wo es sich seine eigene Realität erschafft.
Die vorliegende Studie befasst sich mit Stanley Kubricks letztem Film Eyes Wide Shut als Metafilm, der filmisches Sehen räumlich repräsentiert. Der Film wurde von Arthur Schnitzlers Traumnovelle inspiriert, die die sexuelle Ambivalenz in einer glücklichen Ehe durchforstet und die geträumte Untreue der Ehefrau mit dem wirklichen Versuch des Ehemannes gleichsetzt. Der Film verweist zudem auf das Kindliche, einerseits indem der Protagonist als Stellvertreter des Zuschauenden agiert, der wiederum wie ein Kleinkind wirkt, und andererseits indem die Frauen wie Puppen erscheinen. Das Augenmerk der Arbeit richtet sich auf die Erzählsituation sowie auf die geschlechterspezifische Darstellung, wobei die Dreierbeziehung zwischen Kubrick, Eyes Wide Shut und den Zuschauenden mit dem Erzählschema von Gérard Genette untersucht wird. Mit Eyes Wide Shut schuf Kubrick außerdem ein Metakino, indem er die innerfilmische Struktur die außerfilmische widerspiegeln ließ.
During the last decade of the 20th century, the field of mass spectrometry has seen a revolutionary change in its application and scope. The introduction of soft ionization methods for the analysis of biological molecules has expanded the area of mass spectrometry from its early roots in the analysis of inorganic and organic species into the fields of biology and medicine.
Today, the use of the mass spectrometry is extended to a wide range of applications in biotechnology and pharmaceutical industry, in geological, environmental and clinical research. In biochemistry, the principles of mass spectrometry are, however, broadly applicable in accurate molecular weight determination, reaction monitoring, amino acid sequencing, oligonucleotide sequencing and protein structure.
In order to carry out their biological activities, proteins interact most often to each other and form transient or stable complexes. In addition, some proteins specifically interact also with other proteins or with non-protein molecules, such as DNA, RNA or metabolites, these interactions being critical for their function. Hence, defining the composition of protein complexes, as well as understanding how protein complexes are assembled and regulated yield invaluable insights into protein function. Coupled with an isolation technique to purify a specific protein complex of interest, mass spectrometry can rapidly and reliably identify the components of complexes. In addition, quantitative MS techniques offer the possibility of studying dynamically regulated interactions....
Since Inhibitor of Apoptosis (IAP) proteins are frequently dysregulated in different cancer entities and contribute to apoptosis resistance, pharmacological IAP antagonists are considered to be promising agents for the future development of cancer treatment strategies. IAP antagonists are small-molecule drugs that have been designed to mimic the interaction site of IAP proteins with their endogenous inhibitor Second mitochondrial activator of caspases (SMAC). Thus, they are frequently referred to as SMAC mimetics. Treatment with SMAC mimetics engages an apoptotic program in cancers by affecting different components of the apoptotic machinery. Besides disinhibition of caspases, SMAC mimetics trigger non-canonical nuclear factor-κB (NF-κB) signaling, which induces upregulation of tumor necrosis factor (TNF) α and other NF-κB target genes. In particular, TNFα production has been closely linked to the induction of SMAC mimetic-mediated cell death. The TNFα-dependent para/autocrine loop facilitates the formation of a cytosolic complex consisting of caspase-8, Fas-associated death domain (FADD) and Receptor-interacting protein (RIP) 1, which serves as caspase-8 activation platform and ultimately triggers induction of apoptosis. In the present study, we use the small-molecule bivalent SMAC mimetic BV6 to analyze SMAC-stimulated NF-κB signaling in cancer cell lines of different entities. Interestingly, we identify two novel NF-κB-regulated factors that are both required for SMAC mimetic-induced apoptosis in a context-dependent manner. First, we show that NF-κB-dependent upregulation of death receptor 5 (DR5) can serve as an alternative mechanism of BV6-mediated cell death. We demonstrate that BV6 treatment induces NF-κB-dependent but largely TNFα -independent apoptosis in A172 glioblastoma cells. By using an unbiased whole genome expression analysis approach, we identify DR5 as a critical NF-κB target gene, which substitutes TNFα and is indispensable for BV6-initated cell death in A172 cells. Second, we demonstrate that Interferon regulatory factor (IRF) 1 is required for BV6-induced TNFα production and apoptosis. Our study provides evidence that IRF1 closely cooperates with the NF-κB network in BV6-mediated cell death and additionally alters expression of selective SMAC mimetic-induced target genes. Furthermore, we show that BV6 treatment triggers secretion of a set of proinflammatory cytokines and increases attraction of monocytes to BV6-treated tumor cells in an IRF1-dependent manner. In summary, our work supports the notion that NF-κB-regulated factors are critically required for SMAC mimetic-initiated apoptosis. We show that IRF1 is indispensable for TNFα production and cell death in BV6-sensitive cell lines and that also DR5 can serve as a proapoptotic NF-κB-controlled factor in BV6-induced apoptosis besides TNFα. Furthermore, this study contributes to an improved understanding on non-apoptotic functions of SMAC mimetics, as IRF1 additionally influences expression levels of proinflammatory cytokines and attraction of immune cells. Thus, our work provides novel insights into the regulation of SMAC mimetic-induced signaling events, which is crucial for the translation of SMAC mimetics for use in clinical application.
Patienten mit chronisch-unspezifischen Nackenschmerzen weisen Studien zufolge ein gegenüber symptomfreien Personen pathologisch verändertes Bewegungsverhalten der Halswirbelsäule auf. Aktuelle Untersuchungen bestätigen dabei eine im Vergleich zu gesunden, symptomfreien Probanden verminderte Beweglichkeit der Zervikalregion. Mit dem Fokus auf sensomotorische Funktionen deuten Studien zudem ein erhöhtes Maß an nicht-intendierter Bewegungsvariabilität sowie ein vermindertes Maß an Nebenbewegungen in andere Ebenen bei der Durchführung zweidimensionaler Bewegungsabfolgen an. Demgegenüber verändert sich bei symptomfreien Personen das zervikale Bewegungs-verhalten im Altersverlauf. Aktuelle Untersuchungen indizieren dabei eine im Alter erhöhte Bewegungsvariabilität. Zusätzlich indizieren Studien ein mit zunehmendem Alter geringer werdendes maximales Bewegungsausmaß der Halswirbelsäule. Publizierte Normwerte drücken diese altersabhängigen Veränderungen jedoch nur grob kategorisierend für größere Altersspannen aus. Daten zu möglichen Zuordnungsmöglichkeiten von Patienten und gesunden Personen anhand trennscharfer Schwellenwerten zum Bewegungsausmaß und zur Bewegungskonsistenz fehlen gänzlich.Vor diesem Hintergrund war das Ziel der Studie die Entwicklung und Validierung klassifikatorischer Modelle zur Diskriminierung von symptomatischem und asympto-matischem zervikalem Bewegungsverhalten. Symptomfreie Probanden (120) wurden konsekutiv der Modellentwicklung (n = 100, 18 – 75 Jahre, 36 f) bzw. der Modellvalidierung zugeteilt (n = 20, 23 – 75 Jahre, 15 f). Zusätzlich wurden zur Modellvalidierung ebenfalls 20 Patienten mit chronisch-unspezifischen Nackenschmerzen eingeschlossen (22 – 71 Jahre, 15 f). Alle Probanden absolvierten initial eine Bewegungsanalyse zur Erhebung des Bewegungsverhaltens der Halswirbelsäule. Diese beinhaltet ein Set zu fünf repetitiven zervikalen Flexions-/Extensions-Bewegungszyklen. Die kinematischen Variablen wurden dabei ultraschalltopometrisch erfasst. Diese standardisierte Erhebung erfolgte in stabiler aufrechter Positionierung und selbstgewählter Geschwindigkeit unter Verwendung eines nichtinvasiven 3D-Bewegungsanalysesystems. Die kinematischen Charakteristika, bestehend aus maximalem Bewegungsausmaß in der Sagittalebene (ROM), den Variationskoeffizienten (CV) sowie den mittleren Nebenbewegungen in Frontal- und Transversalebene (NEB) wurden final aus den Rohdaten berechnet. Im Anschluss erfolgte die Modellentwicklung auf Basis von Cut-Offs. Dies geschah mittels der Erstellung von voraussetzungskonformen linearen Regressionsmodellen. Unabhängige Variable war dabei das Alter, die abhängige Variable stellte das jeweilige kinematische Charakteristikum dar. Die Cut-Offs beschrieben jeweils die Prognose-Konfidenzintervalle der Regressionsgeraden (90% Prognose-Konfidenzintervall für individuelle Werte (ind) und 95% Prognose-Konfidenzintervall für Mittelwerte (MW)). Die Werte der kinematischen Analyse jedes Probanden, der in die Modellvalidierung der entwickelten Cut-Offs eingeschlossen wurde, wurden anschließend mittels dieser Cut-Offs klassifiziert als ‘asymptomatisch’ oder ‘symptomatisch’. Auf der Basis dieser Zuteilung wurden die Cut-Offs stringent mittels Vierfeldertafeln auf ihre Trennschärfe in der Diskriminierung von chronisch-unspezifischen Nackenschmerzpatienten und symptomfreien Personen überprüft. Alle entwickelten Modelle wiesen einen gerichteten linearen Zusammenhang zwischen Alter und dem jeweiligen kinematischen Charakteristikum auf. Auf Basis der internen Validierung beinhaltet das 95%-Konfidenzintervall der Steigung der Regressionsgeraden in dem vorliegenden Modell den Nullwert nicht und schließt zudem bei allen drei Modellen die bei der Erstellung des Modells gefundene Steigung ein. Bei der Modellvalidierung ergab die Bewertung der Vierfeldertafeln überzufällige Unterschiede zwischen erwarteter und beobachteter Häufigkeitsverteilung der mittels Prognose-Konfidenzintervalle für Mittelwerte für ROM (ROMMW; Chi2= 6.8; p< .01) und CV (CVMW; Chi2= 6.42; p< .05) klassierten kinematischen Größen, nicht jedoch für die vier anderen Klassifikatoren (p> .05). Im Anschluss ergab die Analyse der Trennschärfe der Modelle mit überzufälliger Merkmalsverteilung eine Sensitivität von 60 % für ROMMW und von 75 % für CVMW. Die Spezifität betrug 85 % für ROMMW und 65 % für CVMW. Die Resultate demonstrieren einerseits einen linearen Zusammenhang von Alter und verschiedener kinematischer Charakteristika sowie eine überzufällige Merkmalsverteilung für die Modelle ROMMW und CVMW mit ausreichender Spezifität und Sensitivität und – daraus hervorgehend – eine ausreichende Trennschärfe der klassifikatoren in der Differenzierung von symptomatischen und asymptomatischen Bewegungsmustern. Die Resultate sind einerseits im Einklang mit anderen – kategorisierenden – Studienresultaten und ergänzen andererseits – durch die Erstellung und Bewertung trennscharfer Klassifikatoren – den aktuellen Forschungsstand konsekutiv. Die Trennschärfe-Indizes bewegen sich dabei in vergleichbarer Größenordnung wie andere (subjektive) Klassifikatoren (z.B. Schmerzstärke) zur Einordnung von Nackenschmerzpatienten. Insbesondere in der individuellen Beurteilung, aber auch für mögliche prospektive Vergleiche sind valide Ein ordnungskriterien von Belangen und bieten gegenüber einfachen kategorisierenden Gruppenwerten genauere und verlässlichere Klassierungen. Zukünftige Forschungsaktivitäten sollten sich insbesondere mit der Übertragbarkeit vorliegender Cut-Offs auf interventionsinduzierte individuelle Veränderungen auseinandersetzen.
In mitochondria, biogenesis of oxidase is a crucial process involving the participation of an array of assembly factors. Studying the process of biogenesis in eukaryotes is highly complicated due to the presence and partaking of two genetic systems. Employing a bacterial model such as Paracoccus denitrificans that utilizes only one genetic system enables easy studying of the assembly process. The aa3 cytochrome c oxidase of P. denitrificans shows high structural and functional homology to its mitochondrial counterpart despite its simple subunit composition. The assembly of the core subunits I and II that house the active redox centers (heme a, and heme a3.CuB centre in subunit I; and the binuclear CuA centre in subunit II) along with the chaperons responsibly for their incorporation form the crux of this work. This work concentrates particularly on CtaG, a chaperone previously speculated to be involved in the delivery of copper to the CuB center in subunit I. As the full length structure of CtaG or its structural homologues have not been solved, attempts were made to obtain high-diffracting crystals of CtaG by heterologously expressing it in E. coli. Growth media, expression strains and induction parameters were some of the conditions screened in order to obtain optimal yield. Additives, pH and detergent were screened to yield a homogeneous preparation of CtaG. Crystallization trials were conducted by employing the sitting drop, vapour diffusion, method and later the bicelles were employed. Preliminary crystals obtained were further optimized employing seeding, detergent and additives, to improve diffraction. The diffraction improved from 30 Å to 15 Å. BN PAGE (Blue Native Polyacrylamide Gel Electrophoresis) analysis and cross-linking studies were undertaken to decipher the oligomeric condition of CtaG. Both the methods indicate that the protein is a dimer under native conditions. To study the importance of CtaG in the process of oxidase assembly, two deletion mutants were obtained from the lab; one with only ctaG deleted and the other with ctaG and most of the upstream ORF. The effect of the deletion was assayed on the assembly and activity of oxidase. The deletion mutants showed residual activity of approx. 20 %, while displaying a very low heme signal (both in membranes and in purified COX). In order to exclude polar effects arising due to gene manipulation, complementation strains were prepared, reintroducing ctaG alone into both the deletion strains. Complementation strains, where only ctaG was deleted and re-introduced assayed for COX activity showed a restoration in activity to approx. 70 %. Further, calculating the heme:protein ratio, the deletion strains displayed a value of 7 nmol/mg of oxidase which was increased to wild type levels of 16 nmol/mg in the complementation strains. To further confirm the absence of the copper in subunit I, total reflection X-ray fluorescence spectroscopy analysis was carried out, which showed a decrease in the copper content in the deletion strain, restored on complementation. The strain lacking in the ORF and ctaG when complemented with ctaG alone illustrated no increase in activity or heme signal in comparison to that of the deletion strain. These point at a possible role for ORF in the assembly of COX, which is still absent in the complementation strains. To further characterize the ORF, a series of bioinformatical analysis was carried out, the results from which were insufficient to characterize the ORF conclusively. In order to enlist the proteins involved in the biosynthesis of COX, two independent approaches were employed. Two-dimensional gel examinations of solubilised membranes from untreated and cross-linked cells were analyzed by Western blotting. The CtaG-COX interaction was observed in untreated membranes, which was additionally strengthened by cross-linking. To further confirm this association, pull-down assays were done employing protein A coated magnetic beads coated with different antibodies and incubated with solubilised membranes derived from untreated or cross-linked cells. The elutions were assayed by Western blotting and confirmed for the CtaG-COX interaction. These fractions were further analysed by mass spectrometry to identify other chaperons involved in biogenesis of oxidase. Along with CtaG, I also noticed Sco, Surf1c and other factors involved in the recruitment and transport of heme (CtaB, CtaA, and Ccm proteins). Interestingly, protein components of both ribosomal subunits and protein translocation factors were observed, which indicated a co-translational approach for co-factor insertion into COX.
Das Anforderungsprofil des Fußballspieles zeigt, dass Maximal- und Schnellkraftleistungen einen leistungsdeterminierenden Faktor in dieser Sportart einnehmen. Krafttrainingsinterventionen im Kindes- und Jugendalter bis hin zum Erwachsenenalter führen zu Leistungsverbesserungen in Maximal- und Schnellkraftparametern. Ziel dieser Untersuchung ist es daher zu klären, ob und wie sich eine zweijährige Krafttrainingsintervention auf Maximal- und Schnellkraftleistungen jugendlicher Athleten aus dem Nachwuchsleistungssport auswirkt. An der zweijährigen Untersuchung nahmen 114 Probanden aus zwei Vereinen teil, die durch den Deutschen Fußball Bund e.V. mit dem Prädikat eines Leistungszentrums ausgezeichnet sind. Die Fußballer wurden in zwei Gruppen unterteilt. Die Fußballer wurden zusätzlich jeweils in Subgruppen nach Alter (unter 14 Jahren [U14], unter 16 Jahren [U16] und unter 18 Jahren [U18]) zugeordnet. Die eine Gruppe (KT) führte zweimal wöchentlich zusätzlich zum regulären Fußballtraining ein Krafttraining durch, die andere Gruppe (KG) absolvierte ausschließlich das reguläre Fußballtraining. Es wurde die Leistungsfähigkeit im Squat- (SJ), Countermovement- (CMJ) und Drop Jump (DJ) aus unterschiedlichen Höhen (16 bis 40 Zentimeter), sowie Maximalkraftleistungen im Einer-Wiederholungs-Maximum (1RM) der Front- und Nackenkniebeuge vor, nach einem Jahr und nach der zweijährigen Trainingsphase erfasst. Zur Kontrolle des Einflussfaktors Wachstum wurden in diesem Forschungsprojekt Querschnittsdaten im SJ, CMJ und DJ von insgesamt 426 Schülern (männlich) im Alter zwischen 12 und 19 Jahren analog zu den Fußballern erhoben. Die Schüler wurden in Altersklassen (U13 bis U19) eingeteilt. Für die Analyse der Leistungsentwicklung innerhalb einer Gruppe und die paarweisen Vergleiche zwischen zwei Gruppen wurde eine zweifaktorielle Varianzanalyse mit Messwiederholung mit den Faktoren Gruppe und Zeit durchgeführt. Im Falle signifikanter F-Werte wurde eine Posthoc-Analyse (Scheffe) durchgeführt, um die Lokalisation der signifikanten Veränderungen zu errechnen. Die Analyse der Querschnittsdaten erfolgte über die einfaktorielle Varianzanalyse. Die Posthoc-Analyse (Scheffe) zeigte statistisch signifikante Leistungsunterschiede zwischen den Altersklassen auf (paarweise Vergleiche zwischen zwei Altersstufen). Zur Ermittlung von Zusammenhängen zwischen verschiedenen Parametern wurde die Produkt-Moment-Korrelation nach Pearson berechnet. Das Signifikanzniveau wurde für alle statistischen Verfahren auf p < 0,05 festgelegt. Im Vergleich der Fußballer schnitt die Krafttrainingsgruppe nach der zweijährigen Untersuchungsdauer in den Maximalkraftleistungen der Front- und Nackenkniebeuge in allen Altersklassen signifikant besser ab. Die Ergebnisse der KG zeigen in der U18 für die Maximalleistungen bei den Kniebeugen über zwei Jahre Steigerungen im Mittel von 9,3 ± 13,1 bis 37,1 ± 21,4%, in der U16 von 48,3 ± 39,7 bis 62,1 ± 53,3% und in der U14 von 84,4 ± 26,1 bis 94 ± 39,8%. Die Leistungssteigerungen der KT in den Maximalkraftparametern übersteigen die Zunahmen der KG bei Weitem. In der U14 finden sich je nach Parameter zwischen 290,9 ± 107,7 bis 312,6 ± 118,6% Leistungssteigerung über zwei Jahre. Die U16 weist 112,4 ± 32,7 bis 121,4 ± 39,4% Leistungssteigerung auf und die U18 zwischen 104,0 ± 45,6 bis 106,0 ± 34,4% Leistungssteigerung je nach Parameter über zwei Jahre. Im Squat Jump zeigte die KT ebenfalls signifikant bessere Leistungen (U18: 26,1 ± 13,9%, U16: 29,7 ± 16,7%, U14: 30,9 ± 13,8%), als die Gruppe, die kein Krafttraining absolvierte (U18: 1,0 ± 8,7%, U16: 10,4 ± 11,8%, U14: 8,1 ± 9,9%). Ähnliche signifikante Steigerungsraten wurden beim Countermovement Jump (U18: 20,3 ± 14,0% vs. 1,2 ± 6,9%, U16: 21,2 ± 14,4% vs. 11,1 ± 10,5%, U14: 21,6 ± 14,4% vs. 9,9 ± 7,7%) zugunsten der KG ermittelt. Die U18 der KT weist im Mittel Steigerungen des Drop Jump in den jeweiligen Höhen von 6,6 ± 16,9 bis 14,8 ± 21,3% auf. Es wurden keine signifikanten Unterschiede zur KG analysiert (Steigerungen: 0,0 ± 20 bis 6,2 ± 27,0%). Die U16 der KT erreicht Steigerungen im DJ im Mittel von 35,8 ± 28,8 bis 36,9 ± 22,5%. Dies führte zu signifikanten Unterschieden gegenüber der KG, die Steigerungen von 15,1 ± 20,8 bis 22,0 ± 19,0% aufwies. Zwischen den Gruppen der U14 kam es zu signifikanten Unterschieden im Ausgangstest. Die KT der U14 wies höhere Steigerungen (29,2 ± 25,8 bis 41,3 ± 29,3%) auf als die KG (1,5 ± 18,3 bis 15,2 ± 30,8%). Die Abschätzung der Leistungsentwicklung in den Schnellkraftparametern zeigte, dass es mit dem Alter zu leistungspositiven Veränderungen kommt. Unterstellt man, dass die Differenz zwischen den Mittelwerten der Leistungsparameter der einzelnen Altersklassen der untrainierten Schüler die entwicklungsbedingte Leistungsentwicklung darstellt, finden sich die höchsten Zunahmen zwischen den Altersklassen der U13 und der U17 und die geringsten Zunahmen bei den ältesten Jugendlichen. Die Gruppenvergleiche erreichten nicht zwischen allen Altersstufen signifikantes Niveau, sondern zum Teil erst zu mindestens zwei Jahre älteren Probandengruppen. Die Zusammenhangsanalysen zeigen hohe Zusammenhänge zwischen dem SJ und CMJ und den Maximalkraftparametern. Die Zusammenhänge zwischen den Maximalkraftparametern und den Leistungen im DJ klassifizieren sich als gering bis mittel. Die Daten zeigen, dass sowohl dem Faktor körperliche Entwicklung, als auch der Sportart Fußball leistungspositive Einflüsse auf Schnellkraftleistungen zugeordnet werden können. Die Datenlage dieser Untersuchung zeigt ferner, dass ein Krafttraining einen positiven Effekt auf Leistungsparameter im Fußball hat. Eine langfristige Trainingsintervention von zwei Jahren kann zu einer deutlichen Steigerung des 1RM, des SJ, des CMJ und des DJ führen. Die Maximal- und Schnellkraft ist demnach im Jugendalter durch ein langfristig angelegtes Krafttraining sehr gut zu steigern. Demnach ist ein ergänzendes Krafttraining im Nachwuchsleistungssport der Sportart Fußball zu empfehlen.