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Bei der chronisch venösen Insuffizienz (CVI) handelt es sich um einen im Bereich der unteren Extremität lokalisierten varikösen Symptomenkomplex bestehend aus Beschwerden wie Schmerzen, Schwere-, Spannungsgefühl, Juckreiz uvm. Dazu kommen stadienabhängig trophische Hautveränderungen, bedingt durch veränderte Kapillarmorphologie und -dichte. Diese Veränderungen können, je nach Ausprägungsgrad, von Hyperpigmentation über Dermatitis, Corona phlebectatica paraplantaris, Atrophie blanche bis hin zum floriden Ulcus cruris venosum reichen.
In der Bundesrepublik Deutschla nd leiden ca. 10-15 Millionen Menschen an einer manifesten CVI. Der CVI kommt aufgrund ihrer hohen Prävalenz eine hohe sozialmedizinische und sozialökonomische Bedeutung zu. Der pathophysiologische Mechanismus, der der CVI zugrunde liegt, ist bei Hinzukommen von begünstigenden Faktoren, z.B. Orthostasebelastung, in der Entwicklung von insuffizienten Venenabschnitten oder Insuffizienzpunkten im Bereich der Venenklappen oder anderen am Rücktransport des Blutes zum Herzen beteiligten Mechanismen zu suchen.
Eine Vielzahl von Therapieverfahren, wie etwa operative Eingriffe und Sklerosierungen, sind auf die Ausschaltung dieser Insuffizienzpunkte ausgerichtet. Diese Verfahren sind gründlich erforscht und durch klinische Studien wohldokumentiert. Ihre Grenzen liegen zum einen in möglichen Nebenwirkungen, zum anderen in der grundlegend chronisch degenerativen Natur der Erkrankung, deren Ursachen durch solche Therapieformen nicht erfasst werden.
Andere, nicht invasive und meist physikalische Therapieformen zielen auf eine Verbesserung der subjektiv empfundenen Lebensqualität ab. So ist etwa die Wirksamkeit von kalten hydrotherapeutischen Anwendungen wie Knie- oder Beingüssen, Wassertreten, Lehm-Wadenwickeln oder wechselwarmen Anwendungen nach Kneipp auf die subjektiven Beschwerden mehrfach beschrieben und in evidenten Studien belegt worden.
Wie es sich in diesem Zusammenhang mit der Wirksamkeit kalter Lehmpackungen, so wie sie als ortsgebundenes Heilmittel in Kurbädern Anwendung finden, verhält, ist hingegen bis dato nicht systematisch ergründet worden. Um diesen Mangel zu beheben, wurde die vorliegende randomisierte, kontrollierte Studie zur Wirksamkeit von kalten Lehmpackungen auf die Beine von CVI-Patienten entworfen. In dieser Studie wurden zum einen die Wirkungen dieser Behandlungsform auf die subjektiv erfassten Größen Lebensqualität, Schmerzen und Stauungsbeschwerden ermittelt, unter Anwendung des SF (short form) 36-Fragebogens und der visuellen Analogskala (VAS). Als Hauptzielgröße wurde die subjektiv empfundene Lebensqualität gewählt. Zum anderen wurden die objektiven Messparameter Knöchel-, Wadenumfang, transkutan gemessener Sauerstoffpartialdruck und die venöse Wiederauffüllzeit als Nebenzielgrößen erfasst.
Im direkten Anschluss an die Therapie lassen sich signifikante Verbesserungen der subjektiven Messparameter verzeichnen. Diese fallen bei den krankheitsspezifischen Faktoren und im körperlichen Lebensqualitätsprofil deutlicher aus als im psychischen Lebensqualitätsprofil. Innerhalb des körperlichen Lebensqualitätsprofils wiederum zeigen sich die deutlichsten Verbesserungen bei der körperlichen Rollenfunktion, gefolgt von den körperlichen Schmerzen. Das psychische Lebensqualitätsprofil weist die deutlichste Verbesserung bei der emotionalen Rollenfunktion auf. Diese Ergebnisse lassen sich in der vorliegenden Kombination vor dem Hintergrund der Beobachtungen erklären, dass zum einen die CVI eine chronisch degenerative körperliche Erkrankung ist, deren Effekte sich vornehmlich in körperlichen und psychischen Funktionalitätseinbußen manifestieren, und dass sich zum anderen das Patientenkollektiv der Studie durch fortgeschrittenes Alter und einen insgesamt unterdurchschnittlichen gesundheitlichen Allgemeinzustand auszeichnet. Alter und gesundheitlicher Allgemeinzustand wiederum gehen in erster Linie mit dauerhaft empfundenen Beeinträchtigungen der körperlichen und psychischen Rollenfunktionen einher. Durch die Lehmpackungen gelingt nun eine Reduktion der Schmerzen und anderer Beeinträchtigungen der körperlichen Befindlichkeit (Schweregefühl, Juckreiz). Diese Verbesserungen machen es dem Patienten möglich, seine an ihn gestellten Rollenerwartungen besser zu erfüllen.
Die erreichten positiven Effekte auf die subjektiven Parameter tendieren nach drei Monaten wieder in Richtung Ausgangswert, ohne diesen jedoch zu erreichen, so dass sich eine gewisse Nachhaltigkeit des Therapieeffektes zeigt. Die objektiven Messparameter tendieren in Richtung einer Verbesserung (Ausnahme: venöse Wiederauffüllzeit rechts), erreichen jedoch kein hinreichendes Signifikanzniveau. Um diesbezüglich ein aussagekräftiges Ergebnis zu erhalten, wären ggf. eine Vergrößerung der Stichprobe und andere bzw. verfeinerte Messmethoden angebracht.
Medizin gehört auch nach über 40 Jahren zu den zulassungsbeschränkten Fächern; die
Zulassung nach Leistung (Abiturnote) und Wartezeit befriedigt dabei nicht vollständig.
Die Eignung alternativer Kriterien für die Studienzulassung wurde bisher kaum
untersucht; angesichts der je nach Bundesland und Leistungsfächern heterogenen
Abituranforderungen wurden bisher auch keine Medizin-spezifischen Kriterien für die
Eignung als Zulassungskriterium untersucht, weder als Teilleistungen des Abiturs noch
als extracurriculare Aktivitäten.
Die vorliegende Studie untersucht die Bedeutung naturwissenschaftlicher Vorkenntnisse
für das Medizinstudium. Hierzu wurden das aktive Wissen in den Fächern Biologie,
Chemie, Physik und Mathematik in einer schriftlichen Klausur mit 40 offenen Fragen
an 3030 Studenten überprüft, was etwa 40% der Studienanfänger des Semesters an 14
Universitäten in Deutschland entsprach. Die Klausur wurde jeweils in den ersten vier
Wochen ihres ersten vorklinischen Semesters im Wintersemester 2004/2005
geschrieben; das Schwierigkeitsniveau der Fragen entsprach dem Lehrstoff der
Klassenstufen 10 bis 12 des Gymnasiums.
Im Durchschnitt beantworteten die Studienanfänger dabei 14,34 der 40 Fragen richtig
(36%). Aufgeteilt in die vier naturwissenschaftlichen Fächer zeigte sich, dass in den
Fächern Biologie und Mathematik jeweils über 40% der Fragen richtig beantwortet
wurden, während der Anteil der richtigen Antworten in den Fächern Chemie und Physik
mit 22% beziehungsweise 19% deutlich niedriger lag.
Die Studienanfänger in der Bundesrepublik Deutschland zeigten erhebliche
Wissenslücken auf. Im Weiteren wird in der vorliegenden Studie der Zusammenhang
zwischen den naturwissenschaftlichen Abiturnoten und -fächern der Studenten, den
naturwissenschaftlichen Kenntnissen (gemäß Klausur) und dem Studienerfolg,
gemessen an den Physikumsnoten, untersucht.
Anzustreben wäre eine bessere Vorbereitung der Studienanwärter in grundlegenden
naturwissenschaftlichen Kenntnissen, entweder in den Gymnasien oder in den ersten
vorklinischen Semestern. Dies könnte durch Medizin-spezifische Aufnahmetests vor Studienbeginn oder durch zusätzlich angebotene, freiwillige oder verpflichtende Kurse
in den naturwissenschaftlichen Fächern erfolgen, um den späteren Studienerfolg zu
gewährleisten beziehungsweise zu verbessern.
Soziale Phobie gilt als eine der am weitesten verbreiteten psychischen Störungen (Wittchen & Fehm, 2003; Magee et al., 1996). Obgleich zahlreiche Interventionsansätze zur Behandlung der sozialen Ängste zur Verfügung stehen, gibt es viele Betroffene, die nicht von den Behandlungsmöglichkeiten profitieren oder nach einer Therapie Rückfälle erleben. Aus diesem Grund beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Weiterentwicklung von Psychotherapie bei Sozialer Phobie. Sie greift verschiedene Forschungsperspektiven auf, um aktive Wirkfaktoren im therapeutischen Prozess zu identifizieren und für zukünftige Behandlungen nutzbar zu machen. Publikation 1 (Consbruch & Stangier, 2007) gibt einen Überblick über den aktuellen Forschungsstand bzgl. der Diagnostik, Ätiologie und Therapie bei Sozialer Phobie. Die in dieser Publikation dargestellten Forschungsarbeiten zur Behandlung sozialer Ängste vergleichen die therapeutische Wirksamkeit unterschiedlicher Therapieansätze und suchen so nach spezifischen Wirkfaktoren in der Behandlung Sozialer Phobien. Es zeigt sich, dass die kognitiv-verhaltenstherapeutische Behandlung am häufigsten untersucht wurde und dass sich ihre Effektivität durch die Berücksichtigung von Prozessen, die nach Clark und Wells (1995) an der Entstehung und Aufrechterhaltung der Sozialen Ängste beteiligt sind, erheblich verbessern lässt. Publikation 2 (Stangier, Consbruch, Schramm & Heidenreich, 2010) verlässt die ausschließlich an spezifischen Wirkmechanismen interessierte Forschungsperspektive und wendet sich der Frage nach dem Zusammenspiel von spezifischen und allgemeinen Wirkfaktoren zu. Sie vergleicht das Ausmaß der Aktivierung von allgemeinen Wirkfaktoren nach Grawe (1995) sowie deren Einfluss auf das Therapieergebnis in einer kognitiven Verhaltenstherapie (N=29) und einer interpersonellen Therapie (N=33). Die Ergebnisse zeigen, dass Therapeuten in der Interpersonellen Psychotherapie die Aktivierung von Bewältigung, Ressourcenorientierung und Motivationaler Klärung geringer einschätzten als Therapeuten in der kognitiven Verhaltenstherapie, während sie bezüglich der Problemaktivierung und der Güte der therapeutischen Beziehung keine Unterschiede angaben. Stärkere Ressourcenaktivierung stand in beiden Therapieansätzen mit besseren Therapieergebnissen in Beziehung, während höhere Problemaktualisierung nur in KVTBehandlungen zu verbessertem Outcome beitrug. Da die Ressourcenaktivierung in der KVTBedingung stärker ausgeprägt war als in der IPT-Bedingung, lassen sich die Ergebnisse so interpretieren, dass die Problemaktualisierung nur dann zu positiveren Therapieergebnissen führt, wenn sie durch ausreichende Ressourcenaktivierung gestützt wird. Die Studie legt somit nahe, dass spezifische Behandlungsansätze allgemeine Wirkfaktoren, die einen Einfluss auf das Therapieergebnis haben, in unterschiedlichem Maße nutzen. Durch das Fehlen von Angaben zur Therapieintegrität bleibt jedoch offen, welche Rolle individuelles Therapeutenverhalten bei der Aktivierung der allgemeinen und spezifischen Wirkfaktoren spielt. Um zukünftig die Therapieintegrität in der kognitiv-verhaltenstherapeutischen Behandlung von Sozialer Phobie sicherstellen zu können, wurde die Cognitive Therapy Competence Scale for Social Phobia (CTCS-SP) entwickelt, deren psychometrische Eigenschaften in Publikation 3 (Consbruch, Clark & Stangier, in press) dargestellt werden. Zur Bestimmung der Beobachterübereinstimmung wurden 161 Therapiesitzungen von jeweils 2 Ratern mit der CTCS-SP beurteilt. Die Ergebnisse der vorliegenden Untersuchung demonstrieren eine gute interne Konsistenz und gute Interraterreliabilität der Skala, wobei erstmals auch individuelle Items mit ausreichender Reliabilität gemessen werden konnten. Mit der CTCS-SP steht somit ein reliables Messinstrument zur Erfassung therapeutischer Kompetenz in der kognitivverhaltenstherapeutischen Behandlung der Sozialen Phobie zur Verfügung, welches – bei noch zu prüfender Validität - vielfältig eingesetzt werden kann, um die Erforschung
spezifischer und allgemeiner Wirkfaktoren in der kognitiv-verhaltenstherapeutischen Behandlung Sozialer Phobien zu vertiefen.
Die selektive intraarterielle digitale Subtraktionsangiografie (DSA) ist nach wie vor der Goldstandard zur Darstellung und Beurteilung extra- und intrakranieller Stenosen. Im Gegensatz zur extrakraniellen A carotis interna fehlt für die Stenosegradbestimmung der intrakranieller Arterien ein valides Messverfahren. Da Aussagen zur Prognose symptomatischer intrakranieller Stenosen und die Entscheidung über die weitere therapeutische Vorgehensweise jedoch weitgehend vom Stenosegrad abhängen, ist ein standardisiertes Verfahren zur Stenosegradbestimmung in Prozent für die intrakraniellen Gefäße von entscheidender Bedeutung. Die im Rahmen der WASID-Studie vorgeschlagene Methode eines lokalen, proximal der Stenose gelegenen Referenzdurchmessers wurde außerhalb dieser Studie noch kaum weitergehend untersucht. In der vorliegenden Studie wurden die Angiogramme von 102 Patienten mit intrakraniellen Stenosen nach den WASID-Kriterien von 3 Observern jeweils zweimal vermessen und bezüglich der inter- und intraobserver Korrelation untersucht. Die im Rahmen der WASID-Studie vorgeschlagene und für die vorliegende Studie übernommene Methode der Stenosegradberechnung erfolgte anhand eines zunächst proximal der Stenose zu wählenden Referenzdurchmessers. Eine modifizierte Stenosegradberechnung mittels Mittelwertbildung aus proximalem und distalem Referenzdiameter wurde der WASID-Methode gegenübergestellt. Die interobserver Korrelation der WASID-Methode lag bei 89,9% für den ersten Messdurchgang und bei 90,1% für den zweiten Messdurchgang. Die Stenosegradbestimmung nach der Mittelwert-Methode ergab eine geringfügig höhere interobserver Korrelation von 90,9% bzw. 93,2%, allerdings ohne statistische Signifikanz. Die Unterschätzung (im Vergleich zur WASID-Methode) des Stenosegrades durch die Mittelwert-Methode ist jedoch signifikant (am ehesten messverfahrensbedingt). Die vergleichende Untersuchung von proximalem und distalem Referenzdiameter im Rahmen der Mittelwert-Messung ergab bezüglich der Korrelation keinen statistisch signifikanten Vorteil für einen der beiden Messpunkte. Die Analyse der intraobserver Korrelation zeigte ebenfalls keinen eindeutigen Vorteil für die Mittelwert-Methode, allenfalls lässt sich hier ein positiver Trend ausmachen. Somit liegen letztlich die inter- und auch die intraobserver Korrelationen beider Messverfaheren auf vergleichbar hohem Niveau, ein statistisch klarer Vorteil für eine der beiden Vorgehensweisen lässt sich nicht ableiten. Aufgrund der einfacheren Handhabung der WASID-Methode empfiehlt sich dieses Verfahren dennoch für den klinischen Alltag.
This thesis combines behavioral and cognitive approaches regarding the Web for analyzing users' behavior and supposed interests.
The work is placed in a new field of research called Web Science, which includes, but is not restricted to, the analysis of the World Wide Web. The term Web Science is affected by Tim Berners-Lee et al., who invited the researchers to "create a science of the web" [BLHH+06a]. The thesis is structured in two parts, reflecting the intersection of disciplines that is required for Web Science.
The first part is related to computer science and information systems. This part defines the Gugubarra concepts and algorithms for web user profiling and builds upon the results by Mushtaq et al. [MWTZ04]. This profiling aims at understanding the behavior and supposed interests of users. Based on these concepts, a framework was implemented to support the needs of web site owners. The core technologies used are Java, Spring, Hibernate, and content management systems. The design principles, architecture, implementation, and tests of the prototype are reported.
The second part is directly related to behavioral economics and is connected to the areas of economics, mathematics, and psychology. This part contributes to behavior models, as was claimed by Tim Berners-Lee et al.: "Though individual users may or may not be rational, it has long been noted that en masse people behave as utility maximisers. In that case, understanding the incentives that are available to web users should provide methods for generating models of behaviour..."[BLHH+06b]. The focus here is on studies that investigate the user's choice of online information services in a multi-attribute context. The introduced research framework takes into account background and local context effects and builds upon theoretical foundations by Tversky and Kahneman [TK86]. The findings provide useful insights to behavioral scientists and to practitioners on how to use framing strategies to alter the user's choice.
Im Rahmen dieser Dissertation wurde die spätpleistozäne und holozäne Landschaftsentwicklung im Umfeld der im Tal des Wadis Chuera in Nordsyrien liegenden bronzezeitlichen Siedlung Tell Chuera untersucht. Durch die Kombination von hochgenauen Vermessungen, Satellitenbildauswertungen und Untersuchungen der Wadisedimente konnten mehrere flussgeschichtliche Entwicklungsphasen erarbeitet und in einen chronostratigraphischen Rahmen eingeordnet werden. Über ein grobsandig-kiesiges System eines verzweigten Flusses wurden mindestens bis ins Obere Pleistozän mächtige Kieslagen im Untersuchungsgebiet sedimentiert. Innerhalb einer fossilen Rinne abgelagerte lössähnliche Sedimente, welche die Kiesfolgen partiell überlagern, konnten relativchronologisch ins Obere Pleistozän gestellt werden und dokumentieren vermutlich eine trockene Phase. Durch die mit scharfer Diskordanz über den Kiesen abgelagerten pelitischen Hochflutsedimente wird ein abrupter flussdynamischer Umbruch von dem eines ursprünglich verzweigten Flusses zu dem eines mäandrierenden Flusses mit Hochflutsedimentation nachgewiesen. IRSL-Datierungen stellen den Beginn der Ablagerung der Hochflutsedimente ins letzte Glazial. Der größte Teil der Sedimente wurde jedoch im frühen und mittleren Holozän (ca. 9 und 5 kaBP) abgelagert, so dass zu Beginn der Hauptsiedlungsphase am Tell Chuera (3. Jahrtausend v.Chr.) die Oberfläche der Überschwemmungsebene ihr heutiges Niveau nahezu erreicht hatte. Bis dahin führten großflächige Überschwemmungen zur Hochflutsedimentation in der Aue. Ein erneuter Wechsel der fluvialen Geomorphodynamik und der Sedimentationsverhältnisse zeigt sich darin, dass die letzten ca. 5000 Jahre keine nennenswerte Sedimentation in der Hochflutebene zu verzeichnen war. Es kam zu einer bis heute stattfindenden, lateralen Verlagerung der Mäander des Wadis und damit der Aufarbeitung von Teilen der Kiese und Hochflutsedimente. Siedlungsspuren im Wadiverlauf weisen auf eine Periodizität des Abflusses des Wadis Chuera zwischen etwa 4.7 und 4.2 kaBP hin. Die Theorie einer verstärkten Akkumulation von Kolluvien der Rahmenhöhen im Wadital als direkte Folge eines steigenden Siedlungsdrucks während der Hauptsiedlungsphase konnte widerlegt werden. Vielmehr handelt es sich bei den vermeintlichen Kolluvien um fluvial aufgearbeitete Hochflutsedimente. Anthropogene Eingriffe in den Landschaftshaushalt lassen sich in Form von Kalkkrustensteinbrüchen und einem komplexen Wegenetz nachweisen.
Untersuchungen zu molekularer Expressionsregulation und biologischer
Funktion von Interleukin-22
(2011)
IL-22 wird hauptsächlich von aktivierten Leukozyten produziert, wirkt aber ausschließlich auf nicht-leukozytäre Zellen vor allem epithelialen Ursprungs. Die Funktionen des Zytokins sind strikt kontextabhängig. Einerseits aktiviert es bei infektionsgetriebenen Entzündungen die angeborene Immunität und wirkt gewebeprotektiv, andererseits weist IL-22 im Rahmen von Autoimmunerkrankungen pathogenes Potenzial auf, was vor allem auf die proliferationsfördernde Aktivität des Zytokins zurückzuführen ist. In der vorliegenden Arbeit wurde erstmals die Regulation der humanen IL-22 Expression auf molekularer Ebene charakterisiert. Insbesondere die Regulation des humanen IL-22 Promotors ist bislang nicht untersucht. Darüber hinaus wurden einige biologische Eigenschaften des Zytokins näher beleuchtet. Durch Untersuchungen an der gut charakterisierten humanen T-Zelllinie Jurkat sowie durch ergänzende Versuche an humanen Primärzellen (PBMC, CD3+ T-Zellen) konnte eine relevante Funktion der Transkriptionsfaktoren NF-ATc2 und CREB sowie des IKK/NF-ΚB Signalweges bei der Regulation der IL-22 Expression nachgewiesen werden. Sowohl für NF-ATc2 als auch für den IKK-Komplex konnte dabei CsA Sensitivität gezeigt werden. CsA wird, wenn nötig, in der Therapie schwerer Verlaufsformen der Psoriasis eingesetzt und bewirkt in den Patienten unter anderem eine Reduktion der im Rahmen der Erkrankung beobachteten IL-22 Expression. Die hier vorgestellten Ergebnisse belegen erstmals eine direkte Rolle von CsA in der Reduktion der IL-22 Produktion bei immunmodulatorischer Therapie. Darüber hinaus konnte ich am Beispiel von B. burgdorferi zeigen, dass PBMC unter dem Einfluss extrazellulärer Bakterien Mediatoren freisetzen, welche die Aktivierung des IL-22 Promotors in benachbarten T-Zellen initiieren können. Dies passt zu Befunden, die belegen, dass PBMC nach Aktivierung durch B. burgdorferi eine rapide IL-22 Sekretion zeigen. Interessanterweise wird IL-17 in der frühen Phase der Aktivierung von PBMC durch B. burgdorferi nicht synthetisiert. Damit ergeben sich neue Einblicke in die Pathogenese der Spirochäteninfektion. So könnte IL-22 einen wichtigen Beitrag zum Schutz vor der borrelienassoziierten Lyme Borreliose leisten und die mangelhafte Immunabwehr, verursacht durch das Fehlen von IL-17, kompensieren. Außerdem konnte ich in der hier vorgelegten Arbeit belegen, dass Leberzirrhosepatienten signifikant erhöhte IL-22 Serumspiegel aufweisen. Da auch in Biopsien zirrhotischer Lebern IL-22 immunhistochemisch, vor allem in nicht-parenchymalen Zellen nachweisbar war, scheint die Leber der Syntheseort des im Serum detektierbaren Zytokins zu sein. Interessanterweise korrelierte IL-22 nicht nur mit der Mortalitätsrate bei Leberzirrhose, sondern auch mit der Krankheitsaktivität der betreffenden Patienten. Ein weiterer zu untersuchender Aspekt der hier vorgelegten Arbeit war die Identifizierung neuer IL-22 induzierbarer Gene. Dies geschah unter Verwendung der IL-22 responsiven, gut carakterisierten Kolonkarzinomzelllinien DLD-1 und Caco-2. Eine genomweite Expressionsstudie führte dabei zur Identifikation neuer IL-22 induzierbarer Gene, unter denen sich insbesondere CEACAM5 und NNMT befanden. Beide Proteine spielen eine Rolle in der Karzinogenese und könnten als bisher unbekannte Bindeglieder zwischen IL-22 und der Entstehung und Metastasierung maligner Entartungen fungieren. Darüber hinaus könnte sich durch NNMT, ein Enzym, das vornehmlich in der Leber exprimiert wird, eine Verbindung zur Rolle von IL-22 bei Leberzirrhose ergeben. Zusammengefasst eröffnen die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit nicht nur neue Einblicke in die Biologie von IL-22, sondern auch potenzielle Ansätze zur Therapie diverser Erkrankungen. So ist denkbar, in der Behandlung IL-22 getriebener Autoimmunerkrankungen, wie z.B. Psoriasis, auf die von starken Nebenwirkungen begleitete Verabreichung von CsA zu verzichten und stattdessen, beispielsweise durch Inhibierung des IKK-Komplexes, regulatorisch auf IL-22 einzuwirken. Neben einer möglichen Beteiligung von CEACAM5 und NNMT an IL-22/STAT3 vermittelter Karzinogenese, implizieren die hier vorgestellten Ergebnisse eine Funktion des Zytokins bei Borrelieninfektion und Leberzirrhose, wobei die genauen Aufgaben von IL-22 im Rahmen dieser Krankheitsbilder bislang unbekannt sind. Weitere Untersuchungen müssen klären, ob eine Modulation der IL-22 Spiegel für die Therapie der jeweiligen Erkrankungen in Frage kommen könnte. Zumindest bei Leberzirrhose könnte die IL-22 Serumkonzentration aufgrund der hier vorgelegten Ergebnisse allerdings jetzt schon als neuer prognostischer Marker herangezogen werden.
RNA hat neben der Rolle als Informationsüberträger wichtige Aufgaben in regulatorischen Prozessen. Sie kann komplexe Strukturen ausbilden und ähnlich wie Proteine Liganden binden oder enzymatische Reaktionen katalysieren. Im Rahmen dieser Arbeit sollten zwei Beispiele von RNA-Liganden-Interaktionen untersucht werden. Im ersten Abschnitt wurde die Interaktion des TetR-bindenden Aptamers 12-1 mit dem Tetracyclin-Repressorprotein (TetR) biochemisch charakterisiert. Über Gelverzögerungs- experimente wurde gezeigt, dass das Aptamer 12-1K delta A TetR mit hoher Affinität und Spezifität bindet. Es wurde ein KD von 22 nM bestimmt. Die Bindung ist dabei ebenso stark wie die Bindung von TetR an die Operatorsequenz tetO. In Anwesenheit von Tetracyclin (Tc) nimmt die Affinität des TetR/Aptamer-Komplexes um das sechsfache ab. Des Weiteren konnten die Bindeepitope des Aptamers durch eine Analyse von verschiedenen TetR-Mutanten im DNA-Bindebereich bestimmt werden. Die Aminosäuren T27, N47 und K48 sind dabei essentiell für die RNA-Bindung und führen bei einem Austausch zum Verlust der RNA-Bindung. Der Bindebereich des Aptamers überlappt mit Aminosäureresten, die für die tetO-Bindung essentiell sind. Die Stöchiometrie der TetR/Aptamer-Bindung wurde durch LILBID-Messungen auf eine molare Verteilung von 2:1 festgelegt. Ein TetR-Dimer bindet dabei ein Aptamermolekül. Durch die umfassende biochemische Analyse der TetR/Aptamer-Bindung kann das Aptamer 12-1 nun als Expressionssonde für RNAs in bakteriellen Zellen genutzt werden. Des Weiteren kann das Aptamer als alternativer, artifizieller Transkriptionsregulator im tet on / tet off-System verwendet werden. Im zweiten Teil der Arbeit sollten miRNAs identifiziert werden, die an der posttrans- kriptionellen Regulation der 5-Lipoxygenase (5-LO) und der Cyclooxygenase-2 (COX-2) beteiligt sind. Mit bioinformatischen Vorhersageprogrammen wurden die 3’-UTR- Bereiche von 5-LO und COX-2 nach putativen Bindestellen abgesucht. Im Fall der 5-LO wurden durch eine zusätzliche Microarray-Expressionsanalyse miRNAs ausgewählt, welche in 5-LO positiven Zellen hoch exprimiert sind und Bindestellen im 3’-UTR aufweisen. Es konnten verschiedene miRNAs detektiert werden, jedoch keine Regulation der 5-LO Aktivität beobachtet werden. Für COX-2 wurde neben der Suche nach putativen miRNA-Bindestellen zudem die Stabilität des 3’-UTR untersucht. Mit Hilfe des auf Perl basierenden Programms SignificanceScoreAssignment (Florian Groher, Diplomarbeit 2011) konnte der 3’-UTR von COX-2 als generell destabilisierend analysiert werden. In Colonkarzinom- spezifischen HT-29-Zellen wurden miRNAs untersucht, welche Bindestellen im 3’-UTR von COX-2 aufweisen. In diesem Kontext sollte der Einfluss einer Interaktion von HT- 29-Zellen mit aktivierten Thrombozyten sowie daraus isolierten Bestandteilen wie Mikropartikeln und PDGF analysiert werden. MiR-16, miR-26b, miR-199a und miR- 199a* konnten in HT-29-Zellen nachgewiesen werden. Bei einer Stimulation von HT-29- Zellen mit PDGF-BB werden miR-16 und miR-26b konzentrationsabhängig stärker exprimiert, während die Expression von miR-199a und miR-199a* signifikant abnimmt. Eine direkte Regulation von COX-2 durch die untersuchten miRNAs konnte durch Überexpressions- und Reportergenanalysen jedoch nicht festgestellt werden. Die Analysen der 5-LO- und COX-2-Regulation durch miRNAs stellen Vorarbeiten dar. Die etablierten Methoden können nun für eine detaillierte Betrachtung weiterer miRNAs verwendet werden.
Epileptische Anfälle, unabhängig von ihrer Art und Auftrittshäufigkeit, bilden eine Symptomatik, welche bei ca. 1% der Weltbevölkerung auftritt. Hierbei kann es beispielsweise zu unkontrollierten Muskelkrämpfen kommen, ebenso aber zu einer Vielzahl anderer Symptome, die in ihrer Gesamtheit das Krankheitsbild der sogenannten Epileptogenesis bilden. Bei etwa zwei Drittel der an Epilepsie leidenden Patienten kann in vielen Fällen Anfallsfreiheit im Rahmen einer medikamentösen Therapie erreicht werden. Dies umso besser, wenn die Medikation präventiv zum geeigneten Zeitpunkt erfolgen könnte. Demzufolge würden in einer großen Anzahl von Fällen Patienten von einem System profitieren, das eine automatisierte zuverlässige Anfallsvorhersage ermöglicht. Bei nur 20% der anderen Patienten kann eine chirurgische Behandlung erfolgreich sein.
In dieser Arbeit soll eine weitergehende Untersuchung des im Institut für Angewandte Physik der Johann Wolfgang Goethe- Universität entwickelten Prädiktionsverfahrens an verschiedenen EEG-Registrierungen unterschiedlicher Patienten erfolgen. Dabei soll im speziellen untersucht werden, ob basierend auf den Resultaten einer Signalprädiktion eine Unterscheidung zwischen Voranfallszeitraum, Anfall und anfallsfreier Phase getroffen werden kann, und ob basierend auf den Kenngrößen eines Prädiktors und des Prädiktionsfehlers eine Merkmalsdefinition gefunden werden kann, welche in einem späteren, implantierbaren Frühwarnsystem eine automatisierte Anfallsvorhersage ermöglicht. Als Datenbasis sollen vier Langzeit-EEG-Registrierungen mit einer Länge von jeweils 5 – 10 Tagen zugrunde gelegt werden. Zur Prädiktion sollen zeitdiskrete, gedächtnisbehaftete, mehrschichtige Zellulare Nichtlineare Netzwerke herangezogen werden. Dabei soll insbesondere anhand von unterschiedlichen Netzwerken festgestellt werden, inwieweit mittels einer Signalprädiktion Synchronisationseffekte zwischen EEG-Signalen verschiedener Hirnareale festgestellt werden können.
Zusammenfassung und Ausblick
Wissenschaftliche Untersuchungen der quantitativen und qualitativen Erfassung von Mikroperfusion, sowie der peripheren Durchblutung, erfolgen seit dem 19. Jahrhundert. Anfangs registrierte man die Blutströmungsgeschwindigkeit mit mechanischen Stromuhren und durch direkte Beobachtung durchtrennter Muskelvenen (Hürthle 1939). Erst Ende der dreißiger Jahre bestand anhand der Entwicklung elektromagnetischer Strömungsmessung die Möglichkeit, die Durchblutung quantitativ zu erfassen (Leyk 1999). Mit Verfahren wie Ultraschall und Laser Doppler Methoden stehen heutzutage wichtige diagnostische Messverfahren zur Verfügung. Dazu dienen kontinuierliche und nicht-invasive Erfassungsmöglichkeiten der Durchblutungsdynamik, d.h. ohne die biologischen Funktionen traumatisch oder thermisch zu beeinflussen. Die Laser Doppler Fluxmetrie wurde erstmalig von Riva et al.1972 verwendet. Damit konnte erstmalig der Bluttfluss in kleinen Gefäßen aufgezeichnet werden. Ähnlich wie bei der herkömmlichen Dopplermessung mit Hilfe von Schallwellen, basiert die Technik auf dem von Christian Doppler (1803-1853) beschriebenem Prinzip der Frequenzverschiebung von reflektierten Schallwellen durch sich bewegende Teile und ermöglicht in Echtzeit-Analyse, Blutflussdaten der Hautdurchblutung zu erheben. Als Weiterentwicklung ermöglicht die Methodik der Laser Doppler Spektroskopie, die Durchblutung tieferer Gewebeschichten darzustellen. Die Beurteilung des Blutflusses und der Strömungsgeschwindigkeit des Blutes - als die elementaren Größen zur Beschreibung der Kreislaufsituation und Gewebsdurchblutung - ist von hoher klinischer Relevanz. In dieser Studie dienten dazu (n=19) gesunde Proband(-innen), welche auf einem Fahrrad-Spiroergometer mit ansteigender, erschöpfungslimitierter Belastung nach BAL und kontinuierlicher Steadystate-Belastung (100W; 70W), untersucht worden sind. Die Durchblutungsmessung mit der Methode der Laser Doppler Spektrokopie (LDS) erfolgte jeweils vor und nach Intervention über fünf Minuten an der rechten Wade als Vertreter der arbeitenden, peripheren Muskulatur und am absteigenden Teil des Trapezmuskels der rechten Schulter als repräsentativer Charakter einer zentralen nicht-arbeitenden, ruhenden Muskulatur. Die Messungen wurden unter standardisierten Bedingungen durchgeführt. Das wesentliche Ziel dieser Studie war, Informationen über die Unterschiede in der Durchblutung der peripheren, arbeitenden Muskulatur und der ruhenden, nicht-arbeitenden Muskulatur darzustellen, sowie die thermoregulatorischen Vorgänge anhand unterschiedlicher Belastungsformen nicht-invasiv und atraumatisch mit Hilfe der Laser Doppler Spektroskopie darzustellen. Des Weiteren bestand die Intention eine Korrelationen zwischen der Durchblutung und der Vitalparamter, wie Herzfrequenz und Hauttemperatur, zu zeigen. Die geschlechtsunspezifischen Ergebnisse der nahezu identischen Ruhedurchblutungswerte innerhalb der wöchentlichen Messabständen der beiden unterschiedlichen Belastungsprotokolle (kontinuierlich vs. ansteigend-erschöpfend) für die Mikrogefäßdurchblutung der Muskulatur sowie der kutanen Durchblutung, sind beweisend für die Validität der Methode der Laser Doppler Spektroskopie. Gleichzeitig fanden sich signifikante Unterschiede in der Durchblutung der peripheren Arbeitsmuskulatur in Abhängigkeit von der Belastungsform, während die Hautdurchblutung keine signifikanten Unterschiede aufwies. Dies lässt die Schlussfolgerung zu, dass bereits aerobe Belastungsintensitäten die thermoregulatorischen Vorgänge im Gefäßbett aktivieren. Weiterhin kann man aus den Ergebnissen erkennen, dass über zentral gesteuerte Mechanismen die gesamte kutane Mikrozirkulation des Organismus aktiviert wird, um die bei der körperlichen Aktivität im gesteigerten Zellstoffwechsel und im Rahmen der Energieerzeugung anfallende Abfallwärme optimal an die Umgebung abzuleiten. Obwohl es zu einer signifikanten Steigerung der Durchblutung der ruhenden Muskulatur - sowohl nach der kontinuierlichen als auch nach der ansteigend-erschöpfenden Belastungsmethode - kommt, finden sich keine signifikanten Unterschiede zwischen beiden Belastungsformen. Zusammenfassend und in Übereinstimmung mit der aktuellen Literatur scheint die LDS in der Lage zu sein, bei einer Standardisierung der Untersuchungsmethodik, Veränderungen im mikrozirkulatorischen Blutfluss valide in verschiedenen Gewebetiefen, eindrucksvoll darzustellen. Neben den durch die beschriebenen Aktivitäten bedingten Durchblutungserhöhungen, zeigen die Ergebnisse, dass es durch die LDS ermöglicht wird, rasche Veränderungen im Blutfluss, in unterschiedlichen Gewebetiefen, in Echtzeit - noch bevor klinische Warnzeichen eintreten –darzustellen. Dies ist am Beispiel der ausgeschlossenen Probanden dieser Arbeit zu beobachten. Thermoregulatorische Vorgänge mit Blutflussumverteilung und kutanen Mehrperfusion waren eindrücklich, insbesonders über der beanspruchten und stoffwechselaktivierten Muskulatur (M.gastrocnemius) darstellbar. Die hohe Korrelationen zu anderen Kreislaufparameter, wie die Herzfrequenz lassen den weiteren Einsatz in Diagnostik und Therapie diverser Krankheitsbilder wünschenswert erscheinen. In der Leistungsdiagnostik liegt die Vermutung nahe, dass aufgrund der Artefaktanfälligkeit der Laser Doppler Methode, sowie dem erhöhten Mehraufwand, der Gebrauch eine eher untergeordnete Rolle spielen wird. Trotzdem veranschaulichen die in dieser Studie zusammengetragenen und ermittelten Resultate, dass die Technik der Laser Doppler Spektroskopie auch im Bereich der Sportmedizin zur nicht-invasiven Messung der Durchblutungsdynamik und der terminalen Mikrozirkulation als kleinster und wichtigster Vertreter des Kreislaufes, anwendbar ist.
Die vorliegende Arbeit hat Gespräche in einem kenianischen Unternehmen zum Gegenstand, die in der Produktionshalle im Zusammenhang mit der Herstellung des Unternehmensproduktes -verschiedene Auto- und Lastwagenreifen- geführt werden. Die Analyse hat zum Ziel, die Mechanismen und Prinzipien der Gesprächsorganisation zu rekonstruieren sowie den Einfluss des institutionellen Kontextes darauf herauszuarbeiten.
Die Arbeit ist folgendermaßen untergliedert: Nach den einleitenden Kapiteln, in denen die Fragestellung und die methodischen Hintergründe erläutert und die Datenlage dargestellt wird, folgt das Kernstück mit der Analyse der Gesprächspraktiken auf Mikro- Meso- und Makroebene. Die Arbeit endet mit einem zusammenfassenden Schlusskapitel.
Es handelt sich hierbei um eine sehr innovative Arbeit im Bereich der Afrikanischen Sprachwissenschaften.
Organische Materialien haben bis zur Mitte des 20. Jahrhunderts hinsichtlich ihrer elektronischen Eigenschaften keine besondere Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Größeres Interesse an diesen Materialien entstand erst durch die Entdeckung einer ungewöhnlich hohen elektrischen Leitfähigkeit des organischen Perylen-Bromin Ladungstransfer-Komplexes durch Inokuchi et al. im Jahr 1954. Diese neue Klasse von Materialien besteht typischerweise aus Donor- und Akzeptor-Molekülen, die in einer bestimmten Stöchiometrie aneinander gebunden sind. Elektrische Ladung wird zwischen den Donor- und Akzeptor-Molekülen transferiert. Um diesen Prozess zu beschreiben, entwickelte Robert Mulliken in den 60er Jahren ein theoretisches Gerüst. Abhängig von der Anordnung der Moleküle und transferierten elektrischen Ladung kann der Ladungstransfer-Komplex (oder Salz) ein Isolator, ein Halbleiter, ein Metall oder sogar ein Supraleiter sein. Noch mehr Aufmerksamkeit erhielten Ladungstransfer-Materialien mit der Entdeckung des ersten quasi-eindimensionalen organischen Metalls TTF-TCNQ (tetrathiafulvalene-tetracyanoquinodimethane) im Jahr 1973. ...
The current work investigated the association of trait anxiety and the neural efficiency of cognitive processing for affectively neutral (not threat-related) information. In a sample of 46 healthy volunteers, three fMRI experiments were conducted to test the prediction derived from attentional control theory (Eysenck et al., 2007) that high as compared to low trait-anxious individuals expend more neural effort on tasks requiring the top-down control of attention to reach a given level of performance. In a colour-word Stroop task requiring the inhibition of irrelevant stimulus information and associated responses as well as in a working-memorymanipulation task requiring the shifting of attention between items in working memory, trait anxiety (as measured with the State-Trait Anxiety Inventory; Spielberger et al., 1970) was positively associated with task-related increases in the activation of two adjacent regions in the right dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC). The finding that along with a stronger activation of this brain region commonly implicated in top-down control processes, the high-anxious subjects showed equal (working memory manipulation) or worse (Stroop) performance when compared to low-anxious subjects, does support the assumption that processing is less efficient in the high anxious. However, in contrast to the predictions, trait anxiety did not show a significant association with task-related brain activation in a task-switching paradigm requiring shifting between task sets. It is discussed how different attentional control demands of the task may account for differences in the effects of trait anxiety on overt behavioural performance and underlying neural processes. In addition to DLPFC activation, trait anxiety modulated the functional connectivity of distributed regions involved in processing of the Stroop and the working-memory-manipulation task. It is discussed how the observed differences in regional DLPFC activation and network connectivity relate to each other. A possible interpretation suggests that activation increases in the DLPFC reflect an attempt to compensate for suboptimal connectivity by investing more effort in prefrontally supported control processes. Overall, the current work shows an association of trait anxiety with the neural efficiency of cognitive processing in affectively neutral tasks involving attentional control. Furthermore, it suggests that investigations of neural efficiency should take into account difference in functional integration in addition to regional activation.
Towards a THz Bloch laser
(2011)
The realisation of tunable THz laser sources working at room temperature would give
rise to further applications in this range of the electromagnetic spectrum. The THz
Bloch laser could therefore become the basis for a technological breakthrough. Beside
this practical relevance, the physics of the gain mechanism has been investigated
theoretically for a long time and the experimental implementation of a self-starting
laser still has not been achieved.
At the beginning of this thesis the basic principles of Bloch oscillations and the
related Bloch gain are described. The need of a superlattice structure to make Bloch
oscillations possible in a semiconductor material is discussed. In this context, the effect
of negative differential resistance and its influence on the field distribution due to Gunn
domains is explained. The latter lead to an inhomogeneous field which may suppress
the Bloch gain mechanism. The Krömer criterion is introduced and the concept of
field-pinning layers to improve the field homogeneity is deduced. Finally, the design of
the laser material is shown and different types of laser waveguides are compared.
In chapter 3 detailed recipes for the processing of samples are given. Different types of
contacts (ohmic and Schottky), the wafer bonding process required for double-metal
lasers and the application of different photoresists for different purposes are described.
An explanation of the formation of waveguides due to dry etching, wet etching
and ion implantation follows. Dry etching is an established technique in the field
of microstructure processing but the challenge of etching about 20 μm has led to
problems. The high etching depth also makes wet etching difficult but this method
could be improved due to a hard bake of the photoresist. The protection of critical
areas on the surface of the samples with photoresist during ion implantation was
increased by optimising the spin coating process. However, a full implantation of the
active layer between the waveguides was not achieved which was the reason for the
development of the hybrid technology. Here a prior wet etching of about 10 μm is
performed and the rest of the material is implanted.
The experimental setup is shown in chapter 4. An alternative method for the electrical
contacting with the help of a copper bar is introduced. This improves the current
distribution and the risk of an electrical breakdown during the measurements could
therefore be lowered. Devices for THz beam guidance and spectroscopic measurements
are shown and the method of biasing the samples with pulses below 100 ns and
determining the effective voltage applied to the sample is depicted. These short pulses
are required to prevent the samples heating up drastically due to high power.
Chapter 5 contains the current-voltage characterisation of several structures including
I-V-samples, Bloch laser samples and a quantum cascade laser. Different contacts
(ohmic and Schottky) and different techniques for the formation of the ridges have
been used in the processing of these samples (performed at the University of Frankfurt
in all cases) and their influence on the I-V-dependence is discussed. The properties of
the THz emission of the quantum cascade laser are in good agreement with published
results from lasers processed with the same material. Another important result of
this chapter is that the Bloch laser samples show unstable behaviour compared to the
quantum cascade structure even with short pulses (of about 10 ns) where the risk of an
electrical breakdown or the building of filaments is low. THz radiation emitted from
one of the Bloch laser samples could not be observed.
Two aspects that may have prevented the Bloch laser to emit are discussed in
chapter 6. The saturation of the gain for higher amplitudes of the THz wave is
investigated in single mode and multiple mode operation (the latter could occur due
to the Bloch gain being expected to be broadband). In both cases it is shown that
the saturation effect would limit the output power only to values clearly above the
detection limit. In the subsequent section the distribution of the electric field is
simulated with SILVACO software. Structures with transit layer lengths above the
Krömer criterion are compared with structures which include field-pinning layers. It is
shown that the latter are useful to avoid propagating Gunn domains as they build up
in similar structures without field-pinning layers. Nevertheless, the electric field inside
the superlattice regions is not stable. Beside spatial inhomogeneities also temporal
variations of the field magnitude are observed. The lack of a suitable field distribution
is expected to be the main reason for the samples not to work.
Time-resolved spectroscopic analysis of fucoxanthin-chlorophyll proteins and isolated carotenoids
(2011)
The aim of this thesis was to elucidate the excitation energy transfer in the fucoxanthin-chlorophyll proteins (FCPs) isolated from the diatom Cyclotella meneghiniana in detail and to clarify the role of the different pigments contained. In a first step the excited state dynamics of the free pigments were studied by means of time-resolved absorption spectroscopy. The FCPs contain three different carotenoid species. Besides the main light-harvesting carotenoid fucoxanthin (fx) the xanthophyll cycle pigments diadinoxanthin (ddx) and diatoxanthin (dtx) are found in substoichiometric amounts. Fx is contained in an unusual carotenoid-to-chlorophyll ratio of about one. In case of ddx and dtx, changing the solvent polarity showed no significant effects on the absorption spectrum and the excited state dynamics were hardly influenced. In contrast, a solvent dependence is observed in the absorption spectrum and excited state dynamics of fx. The S1 lifetime depends strongly on the solvent polarity and an additional broad excited state absorption band red shifted compared to the S1 excited state absorption appears. The occurrence of the described features can be explained with an intramolecular charge transfer state, which is stabilized in a polar environment and appears only in carotenoids with a conjugated carbonyl group. Despite its rather short excited state lifetimes of less than 200 fs (S2) and 30-60 ps (S1), fx acts as a very efficient energy donor in the FCPs. The ultrafast energy transfer dynamics of the isolated proteins FCPa and FCPb were investigated in a comprehensive study using transient absorption in the visible and NIR spectral region complemented with polarized transient absorption spectroscopy. The excitation energy transfer was not influenced significantly by changing the light conditions during the growth, which yields an altered amount of ddx and dtx. It can be concluded that the contribution of the xanthophyll cycle pigments to the energy transfer is not significant. The altered oligomerization state results in a more efficient energy transfer for the trimeric FCPa, which is also reflected in different Chl a fluorescence quantum yields. Thus, an increased quenching in the higher oligomers of FCPb can be assumed. The observed dynamics change drastically for two different excitation wavelengths λ = 500 nm and λ = 550 nm, which both lead to the population of the S2 excited state of individual carotenoids, namely blue and red absorbing fx molecules. The differing absorption maxima result from distinct microenvironments within the protein. For FCPa an additional slow time constant of 25 ps was found after excitation at 500 nm. By means of polarized transient absorption spectroscopy applied to FCPa different transition dipole moments for the S1 and the ICT state of fx could be identified. Based on the presented studies a detailed model explaining the excitation energy transfer pathways could be developed. In agreement with the faster overall transfer rate which is also evident in the anisotropy data in case of 550 nm excitation, upon excitation at 500 nm one slow transfer channel is active. It can be attributed to a blue absorbing fx not strongly associated with a Chl a molecule. Most likely excitation energy transfer takes place between the S1/ICT states of two different fx molecules before the energy is transferred to Chl a. Additional transient absorption experiments with an improved time resolution were performed to investigate the oscillations observed. These coherent effects superimposed the kinetics of isolated carotenoids as well as FCPs within the first 500 fs. The oscillations showed a very unusual damping behavior and vanished already after two oscillation periods. In case of fx, the solvent environment as well as the excitation wavelengths had an influence on the oscillations. The frequencies of the oscillations were 70-100 cm^-1 for fx in solvents with varying polarity and 50-80 cm^-1 for the FCPs. These results could further confirm the assumption that the red absorbing fx molecules are located in a more polar environment within the protein compared to the blue absorbing fx. To clarify the origin of the oscillations in more detail, further experiments with a controlled chirp of the applied pulses and comparison between different carotenoids in various solvents are required. This approach promises to give further insight in the excited state dynamics and to answer the question whether dark states are involved. Right now, the coherent excitation of the strongly coupled excited states 1Bu+ (S2) and 1Bu- resulting in electronic quantum beats and the existence of an additional short lived excited state absorption (S2-SN2) in the visible spectral region are the most reasonable explanations for the occurrence of the coherent effects in the transient absorption spectra of carotenoids.
Endovaskuläres Stenting der thorakalen Aorta- halten die Langzeitergebnisse was die frühen Ergebnisse erwarten ließen? Hintergrund: Die frühen Ergebnisse des Endovaskulären Stentings sind in der Literatur gut dokumentiert. Das Anliegen dieser Studie ist es Langzeitergebnisse der Patienten die sich endovaskulärem Stenting der thorakalen Aorta unterzogen zu ermitteln. Methode: Insgesamt 92 Patienten unterzogen sich endovaskulärem Stenting, als Erkrankungen wurden hierbei Läsionen der thorakalen Aorta (thorakales Aortenaneuysma n=45, Typ B Dissektion n=31, traumatische Ruptur n=16) behandelt. Insgesamt waren es 62 männliche und 30 weibliche Patienten. Der Follow-up Zeitraum betrug zwischen 1-7 Jahren, der mittlere Follow-up Zeitraum lag bei 4,05 Jahren. Die Patienten wurden in jährlichen Intervallen nachuntersucht. Ergebnisse: Insgesamt belief sich die Mortalität auf 27.2% (n=25). Unterteilt in 30 Tage-Mortalität, die sich auf 9.8% (n=9) belief und die Spätmortalität mit 17.4% (n=16). 5 (5.4%) Patienten erlitten einen Schlaganfall , 3 Fälle von Paraplegie (3.2%). 7 Patienten (7.6%) entwickelten Endoleaks, 5 von ihnen starben während des Follow-up Zeitraums und 3 benötigten chirurgische Reoperation wegen persistierender Perfusion und Vergrößerung des Aneurysmasacks. Zusammenfassung: Langzeitergebnisse zeigen eine Stentgraft assoziierte Morbidität und Sterblichkeit. Deshalb ist eine regelmäßige Kontrolle unerlässlich.
Sponges are one of the major components of benthic communities and are considered to be a
key role organism in marine ecosystems. In addition to their importance in terms of
biodiversity, sponges are becoming increasingly attractive to the industry, as they themselves
or associated symbionts, produce various kinds of secondary metabolites of pharmaceutical
properties. Some of them have already been clinically applied.
The taxonomic characters of Porifera are limited to only a few morphological and
histological characters. In addition, sponges of the same species often show a wide
morphological variability, whereas the latter depends on different ecological parameters such
as water depth and current conditions. Thus, the taxonomic classification of sponges often
becomes a scientific challenge.
The fauna of the Yellow Sea rates among the least studied worldwide. At the same time,
according to the UN Atlas of the Ocean, the Yellow Sea is one of the most intensively
exploited marine areas in the world. This is not least due to the dense human population living
in the entire catchment area of the Yellow Sea region. In order to compile medium- and longterm
conclusions about the anthropogenic impact on biota of the Yellow Sea, the knowledge
of species and their distribution is of crucial importance, as these data form the baseline for all
future conservation efforts.
Until now the sponge fauna of the Chinese Yellow Sea is insufficiently investigated.
Thus, there is only one publication on sponges from this region that has been released
hitherto. This paper is dealing with only a view species. However, there is no reference
concerning the present location of the voucher material, on which this publication is based on.
Consequently, no scientific collection on Porifera from the Chinese part of the Yellow Sea
exists to date.
In order to compile a documentation of the recent sponge community of the Chinese
Yellow Sea, 12 study sites along the coast of the Liaoning Peninsula, China, Northeast
Yellow Sea, were investigated with focus on sponge distribution. The corresponding habitats
were characterized in regard to their topographical features, abiotic parameters, and common
composition of benthic megafaunal and macroalgal assemblages.
Due to the lack of comparable studies, a comprehensive literature research on sponges of the
shallow Northwest Pacific Ocean was required. As a result the first compilation of
publications is presented, dealing with sponges from shallow depths of the northwestern
Pacific Ocean.
Abstract
2
In the course of this study, 31 sponge species in total were recorded, which are scientifically
processed. With the exception of four all specimens were determined to species- level.
Twelve out of the total number of species are new to science and are described and classified
according to the recent taxonomic system of the phylum Porifera.
The results of this study indicate considerable differences in species composition between
investigated sites. It is shown that physical factors (particularly current regime, sedimentation,
seasonally related variations in temperatures), as well the availability of suitable substrates are
directly related to the diversity and abundance of investigated sponge communities. In this
context possible adaptation strategies of the corresponding sponges were discussed in detail.
Two sponge species, Clathria (Clathria) asodes and Antho (Acarnia) lithophoenix, formerly
known exclusively from the northeastern Pacific Ocean, are now recorded from the Northwest
Pacific Ocean for the first time. Furthermore, Penares hongdoensis, Clathria (Clathria)
hongdoensis and Celtodoryx girardae were synonymized with Penares cortius, Clathria
(Clathria) acanthostyli, and Celtodoryx ciocalyptoides respectively. Moreover, the occurrence
of eight sponge species, which were known from previous records from the Yellow Sea, could
be confirmed.
As a result of this study the Asian origin of a sponge species that is invasive to the French and
Dutch coasts of the Northeast Atlantic Ocean since the 1990s could be established. Moreover,
it is demonstrated that Celtodoryx girardae from the northeastern Atlantic is in fact
conspecific with Cornulum ciocalyptoides described by Burton (1935) from the Posiet Bay,
Sea of Japan. Apart from taxonomic remarks, variations between populations from both
oceans are examined and discussed thoroughly in regard to possible ecological implications.
The community of documented sponges shows overlapping with the one from the Sea of
Japan. According to the results it is assumed that the endemic degree of the sponges from the
Chinese Yellow Sea is rather low to moderate.
The material obtained in the course of this study was integrated in the collection of the
Senckenbergischen Naturforschenden Sammlungen. Therefore, it is the first scientific
collection of sponges from the Chinese Yellow Sea that can be consulted as a basis for all
further studies on sponges of this region.
The present study is the only investigation of sponges from Dalian and adjacent waters before
the spill occurred in the Dalian harbour in July 2010. Therefore, it provides an essential
baseline needed to assess the impact of the oil spill on benthic communities.
The role of small leucine-rich proteoglycans, biglycan and decorin, in podocytopathy and albuminuria
(2011)
Biglycan is a member of the small leucine-rich proteoglycan (SLRP) family and is involved in the assembly of extracellular matrix components. In macrophages soluble biglycan acts as an endogenous ligand of the innate immunity receptors TLR2 and TLR4. Data addressing the role of biglycan in renal pathology are surprisingly limited. In a normal kidney, biglycan is expressed mainly in the tubulointerstitium; however, in the course of various renal diseases its expression may be altered. The biological role and mechanisms of biglycan action in the pathology of renal diseases, especially those affecting glomeruli, remain poorly understood.
Albuminuria is the first detectable clinical abnormality in diabetic nephropathy. In this study we detected increased biglycan mRNA expression in glomeruli of renal biopsies of patients with incipient diabetic nephropathy, with predominant localization in podocytes. This novel finding raised the question about the role and mechanisms of biglycan action in diabetic podocyte injury and whether the mechanisms of biglycan signaling causing podocyte injury and albuminuria could be extrapolated to other glomerular diseases.
To investigate the role of biglycan in the cause of diabetic podocyte injury and albuminuria we used the murine model of STZ-induced diabetic nephropathy and wild type (Bgn+/0) and biglycan deficient (Bgn-/0) mice. We observed that biglycan was expressed on mRNA and protein levels in podocytes of diabetic Bgn+/0 mice and that diabetic Bgn+/0 mice also had significantly higher albuminuria compared to non-diabetic mice 6 and 12 weeks after disease induction. Biglycan deficiency was shown to be an important factor in albuminuria development. Namely, we observed that diabetic Bgn-/0 mice had significantly lower levels of urinary albumin compared to diabetic Bgn+/0 mice. We showed that less severe podocyte loss in the urine of diabetic Bgn-/0 mice was associated with significantly higher nephrin and podocin glomerular expression compared to diabetic Bgn+/0 mice. Our data suggested that biglycan deficiency was protective against podocyte loss into urine and might be beneficial against development of albuminuria in diabetes.
Biglycan contributed to podocyte actin rearrangement due to increased phosphorylation of Rac1 in vitro. Furthermore, biglycan induced caspase-3 activity and production of reactive oxygen species (ROS), thus enhancing apoptosis in cultured podocytes. Biglycan-induced ROS generation was TLR2/TLR4-dependent. Overexpression of soluble biglycan in wild type mice induced albuminuria under normal conditions and significantly increased albuminuria under pathological conditions (murine model of LPS-induced albuminuria). Inhibition of Rac1 activity in vivo decreased the albuminuria induced by biglycan overexpression. In patients with glomerular diseases, biglycan was detected in urine and was associated with nephrin appearance in the urine of these patients and with increased albuminuria. Collectively, our results elucidate a novel mechanism for biglycan-induced TLR2- and TLR4-dependent, Rac1- and ROS-mediated podocytopathy leading to podocyturia, albuminuria development and progression of glomerular diseases. Interfering with biglycan actions and blocking its signaling via TLR2 and TLR4 might be a potential therapeutic strategy against these diseases. To achieve this goal, the specific mechanisms for binding of biglycan to TLR2 and TLR4 must be elucidated and effective ways of preventing this binding must be developed. Nevertheless, biglycan remains the “danger signal” that activates innate immune receptors in non-immune cells and triggers the deleterious mechanisms leading to aggravation of renal injury.
Which factors determine whether a stimulus is consciously perceived or unconsciously processed? Here, I investigate how previous experience on two different time scales – long term experience over the course of several days, and short term experience based on the previous trial – impact conscious perception. Regarding long term experience, I investigate how perceptual learning does not only change the capacity to process stimuli, but also the capacity to consciously perceive them. To this end, subjects are trained extensively to discriminate between masked stimuli, and concurrently rate their subjective experience. Both the ability to discriminate the stimuli as well as subjective awareness of the stimuli increase as a function of training. However, these two effects are not simple byproducts of each other. On the contrary, they display different time courses, with above chance discrimination performance emerging before subjective experience; importantly, the two learning effects also rely on different circuits in the brain: Moving the stimuli outside the trained receptive field size abolishes the learning effects on discrimination ability, but preserves the learning effects on subjective awareness.
This indicates that the receptive fields serving subjective experience are larger than the ones serving objective performance, and that the channels through which they receive their information are arranged in parallel. Regarding short term experience, I investigate how memory based predictions arising from information acquired on the trial before affect visibility and the neural correlates of consciousness. To this end, I vary stimulus evidence as well as predictability and acquire electroencephalographic data.
A comparison of the neural processes distinguishing consciously perceived from unperceived trials with and without predictions reveals that predictions speed up processing, thus shifting the neural correlates forward in time. Thus, the neural correlates of consciousness display a previously unappreciated flexibility in time and do not arise invariably late as had been predicted by some theorists.
Admittedly, however, previous experience does not always stabilize perception. Instead, previous experience can have the reverse effect: Seeing the opposite of what was there, as in so-called repulsive aftereffects. Here, I investigate what determines the direction of previous experience using multistable stimuli. In a functional magnetic resonance imaging experiment, I find that a widespread network of frontal, parietal, and ventral occipital brain areas is involved in perceptual stabilization, whereas the reverse effect is only evident in extrastriate cortex. This areal separation possibly endows the brain with the flexibility to switch between exploiting already available information and emphasizing the new.
Taken together, my data show that conscious perception and its neuronal correlates display a remarkable degree of flexibility and plasticity, which should be taken into account in future theories of consciousness.
The role of peroxisome proliferator-activated receptor gamma during sepsis-induced lymphopenia
(2011)
Sepsis is one of the most common diseases on intensive care units all over the world and accounts there for the highest mortality rate. One of the hallmarks of sepsis is an accelerated T-cell apoptosis, resulting in a compromised immune state with the inability to eradicate pathogens. This promotes organ damage or even organ failure. A multiple organ dysfunction evolves, which often ends up in septic shock and death. Recently, it was shown that severe T-cell depletion correlates with sepsis mortality. When inhibiting T-cell apoptosis, an increased mouse survival was observed in experimental sepsis. ...
In human neuroscientific research, there has been an increasing interest in how the brain computes the value of an anticipated outcome. However, evidence is still missing about which valuation related brain regions are modulated by the proximity to an expected goal and the previously invested effort to reach a goal. The aim of this dissertation is to investigate the effects of goal proximity and invested effort on valuation related regions in the human brain. We addressed this question in two fMRI studies by integrating a commonly used reward anticipation task in differential versions of a Multitrial Reward Schedule Paradigm. In both experiments, subjects had to perform consecutive reward anticipation tasks under two different reward contingencies: in the delayed condition, participants received a monetary reward only after successful completion of multiple consecutive trials. In the immediate condition, money was earned after every successful trial. In the first study, we could demonstrate that the rostral cingulate zone of the posterior medial frontal cortex signals action value contingent to goal proximity, thereby replicating neurophysiological findings about goal proximity signals in a homologous region in non-human primates. The findings of the second study imply that brain regions associated with general cognitive control processes are modulated by previous effort investment. Furthermore, we found the posterior lateral prefrontal cortex and the orbitofrontal cortex to be involved in coding for the effort-based context of a situation. In sum, these results extend the role of the human rostral cingulate zone in outcome evaluation to the continuous updating of action values over a course of action steps based on the proximity to the expected reward. Furthermore, we tentatively suggest that previous effort investment invokes processes under the control of the executive system, and that posterior lateral prefrontal cortex and the orbitofrontal cortex are involved in an effort-based context representation that can be used for outcome evaluation that is dependent on the characteristics of the current situation.
The aim of this study is a better understanding of radiation processes in regional climate models (RCMs) in order to quantify their impact and to reduce possible errors. A first important task in finding an answer to this question was to examine the accuracy of the components of the radiation budget in regional climate simulations. To this end, the simulated radiation budgets of two regional climate simulations for Europe were compared with a satellite-based reference. In the simulations with the RCM COSMO-CLM there were some serious under- and overestimations of short- and long-wave net radiation in Europe. However, taking into account the differences in the reference datasets, the results of the COSMO-CLM were quite satisfactory.
Using statistical methods, the influence of potential sources of uncertainties was estimated. Uncertainties in the cloud cover and surface albedo had a significant impact on uncertainties in short-wave net radiation, the explained variance of uncertainties in cloud cover was two to three times higher than that of uncertainties in surface albedo. Uncertainties in the cloud cover resulted in significant errors in the net long-wave radiation. However, the influence of uncertainties in soil temperature on errors in the long-wave radiation budget was low or even negligible. These results were confirmed in a comparison with simulations of the REMO and ALADIN regional climate models. It is reasonable to expect that a better parameterization of relatively simple parameters such as cloud cover and surface albedo is a means of significantly improving the simulation of radiation budget components in the COSMO-CLM.
An important question for the application of RCMs is to examine whether the results of radiation uncertainties and their impact factors are comparable if the model is applied in a region that is not the one for which it was originally created. Comparisons of the simulated radiation budgets of different RCMs for West Africa showed that problems in the simulation of short- and long-wave radiation fluxes were a widespread problem. Most of the tested models showed some considerable under- or overestimation of the short- and long-wave radiation fluxes.
Similar to Europe uncertainties in cloud cover were also in the simulations for Africa a significant factor affecting uncertainties in the simulated radiation fluxes. However, for the African simulations uncertainties in the parameterization of surface albedo were much more important than in Europe. On average, overland uncertainties in the cloud cover and surface albedo were of similar importance. Uncertainties in soil temperature simulations were of higher importance in Africa, and reached overland similar values of the mean explained variance (R2 ≈ 0.2) such as uncertainties in the cloud cover. This indicates a geographical dependence of the model error. This study confirmed the assumption that an improved parameterization of relatively simple parameters such as the surface albedo in RCMs leads to a significant improvement in the modeled radiation budget, particularly in Africa.
The influence of errors in the simulated radiation budget components on the simulation of climate processes, such as the West-African monsoon (WAM), was investigated in a next step. The evaluation of ERA-Interim and ECHAM5 driven COSMO-CLM simulations for Africa showed that the main features of the WAM were well reproduced by the model, but there were only slight improvements compared to the driving data. The index of convective activity in the model simulations was much too high and precipitation was underestimated in large parts of tropical Africa. The partly considerable differences between the ERA-Interim and ECHAM5 driven simulations demonstrated the sensitivity of the RCM to the boundary conditions and in particular to the sea surface temperature. An excessive northwards shift of the monsoon in the model was influenced by the land-sea temperature gradient and the strength of the Saharan heat low. Consequently, a part of the error was due to the driving data and the model itself produced another part.
By modifying the parameterization of the bare soil albedo the errors in the radiation budget and 2 m temperature in the Sahara region were significantly reduced. Similarly, the overesti-mation of precipitation and convection has been reduced in the Sahel. The effect of this modifi-cation on the examined WAM area was low. This confirmed that especially in desert regions, errors in the surface albedo were a driving factor for errors in the radiation budget. However, there are other important factors not yet sufficiently understood that have a strong influence on the quality of the simulation of the WAM.
The analysis of the actual state, the quantification of error sources and the highlighting of connections made it possible to find means to reduce uncertainties in the simulated radiation in RCMs and to have a better understanding of radiation processes. However, the magnitude of the errors found, the number of possible influencing factors, and the complexity of interactions, indicate that there is still a need for further research in this area.
The study of meson production in proton-proton collisions in the energy range
up to one GeV above the production threshold provides valuable information about
the nature of the nucleon-nucleon interaction. Theoretical models describe the interaction
between nucleons via the exchange of mesons. In such models, different
mechanisms contribute to the production of the mesons in nucleon-nucleon collisions.
The measurement of total and differential production cross sections provide information
which can help in determining the magnitude of the various mechanisms.
Moreover, such cross section information serves as an input to the transport calculations
which describe e.g. the production of e+e− pairs in proton- and pion-induced
reactions as well as in heavy ion collisions.
In this thesis, the production of ω and η mesons in proton-proton collisions at 3.5
GeV beam energy was studied using the High Acceptance DiElectron Spectrometer
(HADES) installed at the Schwerionensynchrotron (SIS 18) at the Helmholtzzenturm
f¨ur Schwerionenforschung in Darmstadt.
About 80 000 ω mesons and 35 000 η mesons were reconstructed. Total production
cross sections of both mesons were determined. Furthermore, the collected statistics
allowed for extracting angular distributions of both mesons as well as performing
Dalitz plot studies.
The ω and η mesons were reconstructed via their decay into three pions (π+π−π0)
in the exclusive reaction pp −→ ppπ+π−π0. The charged particles were identified
via their characteristic energy loss, via the measurement of their time of flight and
momentum, or using kinematics.
The neutral pion was reconstructed using the missing mass method. A kinematic
fit was applied to improve the resolution and to select events in which a π0 was
produced.
The correction of measured yields for the effects of spectrometer acceptance was done
as a function of four variables (two invariant masses and two angles). Systematic
studies of the acceptance for different input distributions were performed.
The measured yields were normalized to the number of measured events of elastic
scattering. Systematic errors due to the methods of the data analysis and the
background subtraction were investigated.
Production angular distributions of ω and η mesons were measured. Both mesons
exhibit a slightly anisotropic angular distribution.
The Dalitz plot of ω meson production shows indications of resonant production.
However, the deviation of the distribution from the one expected by phase space
simulations is not large.
The Dalitz plot of η meson production shows a signal of the production via the
N(1535) resonance, The contribution of N(1535) to the production was quantified
to be about 47%. The angular distribution of η mesons does not show significant
differences between resonant and non resonant production.
The total production cross section of ω mesons in the reaction pp −→ ppω was
determined to be 106.5 ± 0.9 (stat) ± 7.9 (sys) [μb] where stat indicates statistical
error and sys indicates systematic error, while that of η mesons was determined to
be 136.9 ± 0.9 (stat) ± 10.1 (sys) [μb] in the reaction pp −→ ppη
Owing to long-term similarities with regard to orbital climate forcing (i.e., low eccentricity and a dampened influence of precession), Marine Isotope Stage (MIS) 11 represents one of the closest astronomical analogues for present and future climate. Hence, insights into the climate variability of MIS 11 can contribute to a better understanding of the climatic evolution of the present (Holocene) interglacial as it would occur without human interference. In order to elucidate the natural climate variability during MIS 11, this study examines predominantly annually laminated lake sediments of Holsteinian age from Dethlingen, northern Germany. The Holsteinian interglacial is widely accepted to be the terrestrial equivalent of MIS 11c in central Europe and can be biostratigraphically correlated with the Hoxnian, Mazovian and Praclaux interglacials on the British Isles, in Poland and in France, respectively. These correlations yield the potential to cross-check the results from individual sites on a regional scale. This study is based on a multi-proxy approach including palynological, micropaleontological, sedimentological, geochemical and time series analyses within a wellconstrained chronological framework that has been established through varve counting and regional bio-stratigraphic correlations with other annually laminated archives of Holsteinian age. In particular, the here-presented study aims at (i) fingerprinting the long-term (centennial- to millennial-scale) and short-term (sub-decadal- to decadal-scale) climate variability during the Holsteinian interglacial, (ii) deciphering the nature, tempo and trigger mechanisms of abrupt climate change under interglacial boundary conditions, and (iii) assessing its impact on terrestrial ecosystems. With regard to long-term climate variability, the vegetation succession at Dethlingen as inferred from pollen data provides insights into the mesocratic to telocratic forest phases of a glacial-interglacial cycle spanning ~11500 (± 1000) years of the 15-16-ka-long Holsteinian interglacial. The development of temperate mixed forests suggests a general prevalence of mild climatic conditions during the Holsteinian. The older parts of the interglacial are characterised by the strong presence of boreal tree taxa (e.g., Picea), whereas the younger parts of the interglacial are marked by the expansion of sub-Atlantic to Atlantic forest elements (e.g., Abies, Buxus, Ilex, Quercus) and the decline of boreal tree taxa. This vegetation succession suggests a general warming trend and decreasing seasonality over the course of the Holsteinian interglacial. Based on the maximum pollen abundances of indicator tree taxa (e.g., Buxus and Quercus), peak warmth was reached during the later stages of the interglacial; it was accompanied by high humidity. The forest succession of the Holsteinian interglacial was punctuated by abrupt and gradual changes in the abundances of temperate plant taxa. These vegetation changes indicate considerable intra-interglacial climate variability. In particular, two marked declines of temperate taxa leading to the transient development of boreal and sub-boreal forests were triggered by centennial-scale climate oscillations, here termed Older and Younger Holsteinian Oscillations (OHO and YHO). These oscillations occurred ~6000 and ~9000 years after the onset of the interglacial pioneer forestation in central Europe, respectively. To assess the impact of abrupt climate change on terrestrial ecosystems during the Holsteinian and to investigate the underlying driving mechanisms, the intervals spanning the OHO and the YHO at Dethlingen were subjected to decadal-scale palynological and sedimentological analyses. Based on these data, the OHO comprises a 90-year-long decline of temperate taxa associated with expansion of Pinus and non-arboreal pollen, and a subsequent 130-year-long recovery of temperate taxa marked by the pioneer expansion of Betula and Alnus. Owing to its highly characteristic imprint on vegetation dynamics, the OHO can be identified in pollen records from the central European lowlands north of 50º latitude, from the British Isles to Poland. A close inspection of individual pollen records from that region reveals the prevalence of colder winters during the OHO, with a gradient of decreasing temperature and moisture availability, and increased continentality towards eastern Europe. This climate pattern points to a weakened influence of the westerlies and/or stronger influence of the Siberian High connected to the OHO. The vegetation dynamics during the YHO are characterised by a decline of temperate taxa (particularly of Carpinus) and the expansion of pioneer trees (mainly Betula). In contrast to the OHO, frost-sensitive taxa (e.g., Ilex, Buxus and Hedera) continued to thrive. This suggests that mean winter temperatures remained relatively high (>0 ºC) during the YHO pointing to a decrease of summer warmth related to the climatic deterioration. The YHO, which has a duration on the order of 300 years, is centered within a long-term (~1500-year) decline and subsequent, millennial-scale recovery of temperate taxa. Because the impact of the OHO and the YHO on the vegetation at Dethlingen was markedly different, both short-term climate oscillations may have been caused by different trigger mechanisms. For the OHO, the inferred regional-scale winter cooling over central Europe lasting for several decades points to a decrease in ocean heat transport, most likely related to a transient slowdown in North Atlantic Deep Water formation. This view is supported by the strong resemblance of the OHO to the 8.2 ka event of the Holocene with regard to the duration, imprint on terrestrial ecosystems, spatial pattern of the climatic impact, timing within the respective interglacial, and prevailing interglacial boundary conditions. In contrast, the presence of frost-sensitive taxa during the YHO appears to exclude a reduction in oceanic heat transport as postulated for the OHO. Instead, the long-lasting, gradual changes in the abundances of temperate taxa suggest a connection to orbital forcing, with the triggering mechanism causing the centennial-scale vegetation setback itself remaining unclear. The characteristics of short-term climate variability were investigated based on microfacies and time series analyses of a ~3200-year-long, annually laminated window of the Dethlingen record. The annual laminations at Dethlingen comprise biogenic varves consisting of two discrete sub-layers. The light layers, which are controlled by the intensity of diatoms blooms during spring/summer, reflect changes in the productivity of the Dethlingen palaeolake. In contrast, the dark layers, which consist predominantly of amorphous organic matter and fragmented diatom frustules, represent sediment deposition during autumn/winter. Spectral analyses of the thicknesses of the light and dark layers have revealed several peaks exceeding the 95% and 99% confidence levels that are near-identical to those known from modern instrumental data and Holocene records. Decadal-scale signals at periods of 90, 25, and 10.5 years are likely associated with the 88-, 22- and 11-year solar cycles; hence, solar activity appears to have been a forcing agent in productivity changes of the Dethlingen palaeolake. Sub-decadal-scale signals at periods between 3 and 5 years and ~6 years may reflect an influence of the El Niño-Southern Oscillation (ENSO) and the North Atlantic Oscillation (NAO) on varve formation during winter.
This dissertation investigated the development of the complementiser that from the demonstrative pronoun in the Germanic languages; each chapter dealt with a different aspect. In the introduction, the terms ‘reanalysis’ and ‘analogy’ and their relevance for grammaticalisation were explained, and the issues of the chapters were presented. The second chapter introduced some information about the Germanic language family and the languages which were relevant for this investigation, namely Gothic, Old English, Old Icelandic, Old Saxon and Old High German. Previous assumptions about the diachrony of that were presented and discussed. One of these proposals which mainly draws on evidence from West Germanic involves the idea that the source construction contained two independent main clauses with a demonstrative pronoun (that) at the end of the first clause (cf. e.g. Paul 1962, § 248). In contrast to this, the Gothic evidence showed that the source construction of the reanalysis of ϸatei was not a proper paratactic construction (at least in Gothic) but already a complex construction which contained a complementiser (ei) in the appositional subordinate clause (cf. also e.g. Longobardi 1994 for the diachrony of ϸatei). This contradiction raised the question whether the analysis of the Gothic that-complementiser also applies to the diachrony of that in West Germanic. This issue was taken up in the third chapter which presented an overview of subordination and complementisers in Northwest Germanic. The aim was to show that the Northwest Germanic languages also show a subordinating particle, which functions like the Gothic ei, namely ϸe (OE), er/es (OI), the (OHG, OS). As a result, the subordinating particle could be observed in relative and adverbial clauses in all Northwest Germanic languages. In complement clauses, which are most crucial for the argumentation, the subordinating particle is found in Old English and Old Icelandic but not in Old Saxon. In Old High German, there are only combinations of the with a following pronoun, theih and theiz, in ‘Otfrids Evangelienbuch’ (see Wunder 1965). Consequently, the presence of a subordinating particle is confirmed in North and West Germanic. The fact that the patterns of subordination are quite similar in all Germanic languages suggested a unitary analysis of the development of that in Germanic was appropriate. In chapter four, the similarities and differences between the Germanic languages with respect to the development of that were explained. It was argued that the preconditions of the reanalysis were the same, whereas the consequences of the reanalysis are realised differently in each language. The most important precondition was that the appositional source construction (explained in more detail below) was generally available in Germanic. Since the demonstrative pronoun at the end of the matrix clause and the subordinating particle of the subordinate clause were adjacent, phonological combination might have been crucial for the subsequent reanalysis to take place. After reanalysis, however, different changes can be observed in the different languages. For instance, it appears that during the Old English period the final syllable of the form ϸætte was deleted (see chapter 4 for references), whereas the final –ei is still present in the Gothic ϸatei, and completely absent in Old High German and Old Saxon. The source structure of the reanalysis was discussed in detail in a separate subsection. The appositional source construction, which was already assumed for the reanalysis of Gothic ϸatei, was compared with analyses of clitic left dislocation which propose that two constituents with the same theta-role derive from a Big DP (see e.g. Grewendorf 2009, Belletti 2005). Based on the Big DP analysis of Grewendorf (2009), it was claimed that the appositional clause, introduced by the subordinating particle, is generated in the Spec of a DP, and adjoined to this DP on the surface. It was argued that this whole complement DP-node occurred in an extraposed position in OV-languages so that the verb, when it stays in-situ, does not appear between the demonstrative pronoun and the subordinating particle. The structure in (1) illustrates the syntactic source structure which is assumed to apply to the development of the complementiser that in Germanic. ...
Protein translocation across the chloroplast membrane is mediated by molecular machinery composed of protein complexes termed the TOC/TIC (the outer/inner envelope chloroplasts translocases). This translocation process is regulated by metabolic energy in form of GTP and ATP and is influenced by the lipid composition of the membrane. The ability to study the function of a single complex “TOC” in vitro using purified protein or purified chloroplast outer envelope vesicles has been instrumental for our understanding of the mechanism underlying this process.
Indeed, the TOC complex has been purified by previously established procedures. However its functional and structural analyses are impaired by the limited yield of purified protein. Therefore, protocols for native TOC complex purification are described here. The complex isolation is achieved by direct biochemical treatment of biological membrane hosting this complex or by tandem affinity purification of modified protein complex components from generated transgenic plants.
Furthermore, in this thesis, radioactive based in vitro import assays are described, namely those that allow monitoring translocation activity across the outer envelope of chloroplast. Based on the analysis of knock-out plants and isolated complexes it was previously suggested that lipid dependence of protein translocation might exist. Thus, the question was raised whether the lipid composition of the membrane has a direct influence on the behavior and functionality of the TOC translocon, or whether additional components of the chloroplast membrane account for the observed effect in vivo. To answer this question, a technique for vesicle fusion was developed. The principal aim was to explore the effect of an exchange of the lipid environment surrounding the complex translocon. This method helped to demonstrate that the SQDG and PI act stimulatory on the translocation across the outer envelope of chloroplast, whereas DGDG exhibits an inhibitory effect on TOC complex functionality.
In allen untersuchten Geweben findet sich eine perinukleäre cytoplasmatische NEUROD-Immunreaktion. Diese zeigt vor allem in den peripheren Geweben, die im Dienste des Metabolismus stehen, einen circadianen Rhythmus.
Die NEUROD-Ir untersteht in den Verdauungsorganen Pankreas und Duodenum einem circadianen Rhythmus. Das Maximum der NEUROD-Ir liegt in der frühen subjektiven Nacht, zum Zeitpunkt der gesteigerten Nahrungsaufnahme. Möglicherweise reguliert NEUROD als rhythmischer Transkriptionsfaktor die Expression von Genen, die im Dienste des Metabolismus stehen. In Pankreas und Duodenum ist die NEUROD-Ir in MT1-defizienten Mäusen deutlich schwächer ausgeprägt als im WT. Dies deutet darauf hin, dass Melatonin über Aktivierung des MT1-Rezeptors einen modulatorischen, stimulierenden Einfluss auf die Synthese von NEUROD im endokrinen Pankreas und in den Krypten des Duodenums ausübt. Dieser Effekt scheint jedoch indirekt zu sein, da nur eine geringe Kolokalisation der NEUROD- mit der MT1-Ir nachgewiesen werden konnte.
Mittels Mehrfachfluoreszenzmarkierung wurde die Identität der NEUROD-Ir Zellen in Pankreas und Duodenum charakterisiert. Es findet sich eine NEUROD-Ir in Glucagon--Zellen), Somatostatin-produzierenden Zellen (δ-Zellen), PP-produzierenden Zellen (γ-Zellen) und Ghrelin-produzierenden Zellen (ε-Zellen). Auch die vom Duodenum bekannten Hormone GIP, PYY und Serotonin sind im adulten endokrinen Pankreas präsent, Serotonin zeigt zudem weitgehende Kolokalisation mit NEUROD. Eine hundertprozentige Kolokalisation besteht in den Langerhans Inseln von Tyrosinhydroxylase und NEUROD. Einige Zellen in den Langerhans Inseln zeigen Koproduktion von PYY und Serotonin sowie PYY und VIP, nicht jedoch von PYY und Glucagon, PYY und Gastrin sowie Glucagon und PP. Des Weiteren ist auch NPY im adulten endokrinen Pankreas nachweisbar. Von den Melatonin-Rezeptoren kommt der MT2-Rezeptor besonders zahlreich in den Langerhans Inseln vor und zeigt teilweise Kolokalisation mit NEUROD, der MT1-Rezeptor ist in den Langerhans Inseln nur vereinzelt nachweisbar. Im exokrinen Pankreas konnten feine Fasern nachgewiesen werden, die eine NEUROD-Ir aufweisen. In den Krypten des adulten Duodenums von Mäusen ist die NEUROD-Ir ebenfalls perinukleär-cytoplasmatisch. Kolokalisation der entsprechenden Hormone mit NEUROD besteht in Gastrin-produzierenden Zellen (G-Zellen) in den Krypten und in der Lamina propria mucosae; in Secretin-produzierenden Zellen (S-Zellen) in den Krypten, in der Lamina propria mucosae sowie in den Zotten; in Substanz P-produzierenden Zellen (P-Zellen) in den
Krypten. Letztere Zellen zeigen auch in den Langerhans Inseln des endokrinen Pankreas teilweise Kolokalisation mit NEUROD. Des Weiteren besteht Kolokalisation von GIP und NEUROD in den Inseln des Duodenums. Ghrelin und PP, bekannterweise in den Langerhans Inseln des endokrinen Pankreas vorhanden, werden auch im Duodenum produziert. Ghrelin findet sich zwischen den Krypten wie auch in einzeln identifizierbaren Zellen in den Krypten, die bislang nicht beschrieben wurden und eine hundertprozentige Kolokalisation mit NEUROD aufweisen. PP findet sich im Duodenum in den Krypten, Zotten und Inseln, es besteht keine Kolokalisation mit NEUROD, während in den Langerhans Inseln des endokrinen Pankreas Kolokalisation von PP mit NEUROD gegeben ist. Das deutet darauf hin, dass die Langerhans Inseln des endokrinen Pankreas und die Inseln des Duodenums sich voneinander unterscheiden. Es besteht in den Krypten des adulten Duodenums keine Koproduktion von Substanz P und Serotonin, in den Inseln des adulten Duodenums keine Koproduktion von Serotonin und PYY. Tyrosinhydroxylase ist im adulten Duodenum auβerhalb der Krypten und in den Zotten vorhanden, zeigt aber im Gegensatz zum endokrinen Pankreas hier keine Kolokalisation mit NEUROD. Auch NPY ist im adulten Duodenum nachweisbar, und zwar in den Krypten wie auch in den Zotten. In der Lamina propria mucosae des adulten Duodenums liegen wie im adulten exokrinen Pankreas feine Fasern vor, die auch hier NEUROD-immunpositiv sind.
Auch in der hypophysären Pars tuberalis ist die NEUROD-Ir in MT1-defizienten Mäusen geringer ausgeprägt als in WT und nicht rhythmisch. Daher scheint auch in diesem Gewebe Melatonin einen (indirekten) stimulierenden Effekt auf die Synthese von NEUROD zu haben. Dies ist von besonderem Interesse, da die Pars tuberalis der einzige Anteil der Hypophyse ist, der Melatoninrezeptoren enthält und über parakrine Faktoren die jahreszeitliche Hormonsynthese der Pars distalis beeinflussen kann. Diese Arbeit zeigt zum ersten Mal das Vorkommen der Hormone Ghrelin, GIP und Secretin in der Pars tuberalis. GIP ist teilweise mit NEUROD kolokalisiert. Dieser Befund unterstreicht die Rolle der Pars tuberalis für die rhythmische Nahrungsaufnahme.
Im Hippocampus (Gyrus dentatus, CA1 und CA3 Region) zeigt die NEUROD-Ir in MT1-defizienten und WT Mäusen ein ähnliches Tagesprofil. Daher scheint das MT1-vermittelte Melatoninsignal keinen Effekt auf die Synthese von NEUROD zu haben. Auch im Neuropil der Eminentia mediana sowie in den Ependymzellen des dritten Ventrikels ist kein eindeutiger Effekt des MT1-Defizits auf die NEUROD-Ir festzustellen. Offenbar wird die Synthese von NEUROD in neuronalen Strukturen, anders als in peripheren Strukturen, nicht über Melatonin (MT1) beeinflusst.
Die Rolle des molekularen Uhrwerkes auf die Synthese von NEUROD wurde durch die vergleichende Analyse der NEUROD-Ir in WT und PER1-defizienten Mäusen untersucht. Dabei zeigte sich, dass der negative Regulator PER1 offenbar einen hemmenden Einfluss auf die Synthese von NEUROD in Pankreas und Hippocampus (Gyrus dentatus, CA1 und CA3 Region) ausübt. PER1 hemmt im molekularen Uhrwerk rhythmisch die CLOCK:BMAL1 vermittelte Genexpression. Fehlt PER1, wird auch die Inhibition der Expression von uhrenkontrollierten Genen, deren rhythmische Expression vom molekularen Uhrwerk gesteuert wird, geschwächt. Dadurch kommt es zur Enthemmung der Expression von uhrenkontrollierten Genen und zu einer Steigerung der entsprechenden Proteinsynthese. Die vergleichende Analyse von WT und PER1-defizienten Määusen deutet darauf hin, dass NeuroD ein uhrenkontrolliertes Gen sein könnte. Dies ist insbesonders interessant im Hinblick auf die wichtige Rolle von NEUROD bei der adulten Neurogenese.
Im Hippocampus (Gyrus dentatus, CA1 und CA3 Region) findet sich die NEUROD-Ir in Neuronen der Körnerschicht und in der polymorphen Schicht bzw. in Pyramidenzellen. Dabei scheinen besonders unreife Neuronen NEUROD-positiv zu sein. Es besteht teilweise Kolokalisation mit Ghrelin, nicht jedoch mit den Melatonin-Rezeptoren MT1 und MT2.
Im mediobasalen Hypothalamus findet sich die NEUROD-Ir im Neuropil von Tractus hypothalamohypophysealis, Zona externa infundibuli sowie in den Ependymzellen des dritten Ventrikels als auch in Neuronen des Nucleus arcuatus. Diese zeigen jedoch keine nukleäre NeuN-Ir. Die Ependymzellen des dritten Ventrikels zeigen nur eine schwache NEUROD-Ir, es besteht keine Kolokalisation von NEUROD mit GFAP. GIP ist, wie oben für die Pars tuberalis beschrieben, in Tractus hypothalamohypophysealis und Zona externa infundibuli vorhanden und zeigt teilweise Kolokalisation mit NEUROD. Secretin ist im mediobasalen Hypothalamus relativ homogen verteilt vorhanden. In Tractus hypothalamohypophysealis, Zona externa infundibuli und Nucleus arcuatus besteht eine starke Ir mit Vimentin, das Fibroblasten, Leukozyten und Endothel-Zellen der Blutgefäβe markiert. Auch die Melatonin-Rezeptoren MT1 und MT2 finden sich in Tractus hypothalamohypophysealis und Zona externa infundibuli. Es besteht jedoch keine Kolokalisation mit NEUROD.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem bekannten Phänomen der postmortalen Insulin-Instabilität. Die sichere Analyse von Insulin in Serum sowie vor allem auch in postmortalen Blutproben, ist für die forensische Begutachtung von enormer Bedeutung, da sie z. B. im Falle einer kriminellen Handlung einen hohen Beweiswert hat. Bei den durchgeführten Untersuchungen zeigte sich, dass bei einer Inkubation von Insulin in Serum sowie auch bei einer Inkubation mit intakten Blutzellen keine Abnahme der Insulinkonzentration eintritt. Daher kann für die Insulinbestimmung Serum als Untersuchungsmaterial empfohlen werden. Da postmortale Blutproben häufig eine Hämolyse aufweisen, wurde frisch entnommenes Blut hämolysiert und mit Insulin inkubiert. Hierbei zeigte sich, dass die Insulinkonzentration innerhalb von 5 Stunden bei 37°C signifikant auf 20% der Ausgangskonzentration sank. Ein proteolytischer Insulinabbau konnte ausgeschlossen werden, da der Zusatz von Enzyminhibitoren keine Hemmung des Insulinabbaus bewirkte. Bei der Hämolyse tritt u. a. der rote Blutfarbstoff Hämoglobin aus den Erythrocyten aus. In einer vergleichenden Inkubation aus hämolysiertem Blut und in Reinform erhältlichem Hämoglobin konnte festgestellt werden, dass die Insulinkonzentration in beiden Ansätzen in gleichem Maß absank. Hieraus wurde geschlossen, dass der Abbau auf das Hämoglobinmolekül zurückzuführen ist. Im Folgenden wurden systematische Untersuchungen angestellt, welcher Anteil des Hämoglobins für diesen Abbau verantwortlich ist. Zunächst wurde der Einfluss diverser Oxidationsstufen in Eisensalzen oder im Hämoglobin (Hb/MetHb), von Sauerstoff (Oxy-/CO-Hb), der isolierten Hämgruppe und der isolierten Globinketten untersucht. Nur die Inkubation von Insulin mit den isolierten Globinketten führte ebenfalls zu einem Insulinabbau, weswegen geschlussfolgert wurde, dass der proteinogene Teil des Hämoglobins im Wesentlichen den Insulinabbau verursacht. Eine Hemmung des Abbaus konnte nur bei Erniedrigung des pH-Werts auf 2,7 oder bei Alkylierung des Hämoglobins mit Jodacetamid erreicht werden. Jodacetamid ist ein Alkylierungsreagenz, das selektiv Thiolgruppen alkyliert. Zwar konnte die selektive Alkylierung der Thiolgruppen im Hämoglobin-Molekül mittels Flugzeitmassenspektrometrie nicht differenziert werden, aber die Ergebnisse lassen den Schluss zu, dass mindestens eine Thiolgruppe der Hämoglobin-Beta-Kette für den Insulinabbau verantwortlich ist. Der zweite Teil der vorliegenden Arbeit beschäftigt sich mit der Suche nach den Insulinabbauprodukten. Bekannte Lagerungsartefakte von Insulin, wie sie in der Literatur beschrieben werden, konnten nicht nachgewiesen werden. Auch kovalente Insulinaddukte am Hämoglobin wurden nicht beobachtet. Dagegen wurde eine Spaltung von Insulin in dessen A- und B-Kette beobachtet, allerdings mit einer Massenabnahme entsprechend dem Verlust von 4 bzw. 2 Protonen. Es wird postuliert, dass die veränderten Ketten nach einer Disulfidbrückenspaltung des Insulins wieder intramolekulare Disulfidbrücken bilden, sodass eine dehydrierte A- und B-Kette entsteht. Bei der A-Kette gibt es drei Möglichkeiten der Konfiguration der Disulfidbrücken, drei Isomere wurden auch chromatographisch unterschieden. Die Intensität der Kettenbildung entsprach allerdings nur ca. 10% des Insulinausgangssignals und sank nach dem Erreichen eines Maximums nach 20 Stunden auch wieder ab, weswegen angenommen wird, dass auch noch weitere Abbauprodukte gebildet werden. Anhand weiterer Untersuchungsverfahren (Fluoreszenz, Gelelektrophorese, isoelektrische Fokussierung) wurde zwar nach weiteren Abbauprodukten gesucht, es konnten allerdings keine Weiteren nachgewiesen werden. Es wurde eine Extraktionsmethode für Insulin und dessen Abbauprodukte entwickelt, die robust und auch für postmortale Blutextrakte geeignet scheint. Aufgrund der mangelnden Sensitivität des zur Verfügung stehenden Analysensystems konnte die Methode nur in einem sehr hohen Konzentrationsbereich überprüft werden, was weiterführende Untersuchungen in niedrigen Konzentrationsbereichen nötig macht. Die Extraktionsmethode könnte auch für Gewebeextrakte eingesetzt werden, wobei Leber- und Nierengewebe nicht geeignet erscheinen, da bei Inkubationen auch hier eine erhebliche Insulinabnahme festgestellt wurde. Für die Praxis wird, wenn möglich, eine Insulinbestimmung aus Serum empfohlen. Weiterer Forschungsbedarf besteht für die Untersuchung der Insulinstabilität in realen postmortalen Blutproben und im physiologischen Konzentrationsbereich.
Capoeta damascina (Teleostei: Cyprinidae) is one of the most common freshwater fish species, found throughout the Levant, Mesopotamia, Turkey and Iran. According to the state of knowledge prior to this study, C. damascina, which is distributed over a wide range of isolated water bodies, was not a well-defined species. It was questionable whether it represents a single species or a complex of closely related species with high intraspecific and comparatively low interspecific variability. The goal of this study was to investigate the taxonomy, systematic position of the C. damascina species complex and the phylogenetic relationships among its members, based on morphological features as well as molecular phylogeny. Samples obtained from throughout the geographic range of this species complex were subjected to comparative morphological analyses in order to define, properly diagnose and separate species within the C. damascina complex. To elucidate phylogenetic relationships among members of the C. damascina species complex, samples were subjected to genetic analyses, using two molecular markers targeting the mitochondrial cytochrome oxidase I (COI, n = 103) and the two adjacent divergence regions (D1-D2) of the nuclear 28S rRNA genes (LSU, n = 65). Based on morphological and molecular genetic data, six closely related species were recognized within the C. damascina complex: C. buhsei, C. caelestis, C. damascina, C. saadii, C. umbla and an undescribed species, Capoeta sp.1. Analyses of the morphometric and meristic data obtained in this study revealed phenotypic variability among the various populations within a species and among the different species. Such differences in morphological characters reflect genetic differences, environmentally induced phenotypic variation or both, as the meristic phenotype of fish is sometimes a consequence of environmental parameters acting on the genotype. Based on phylogenetic analyses, two main lineages were identified within the C. damascina species complex: a western lineage represented by C. caelestis, C. damascina and C. umbla and an eastern lineage represented by C. buhsei, C. saadii and Capoeta sp.1. The close phylogenetic relationships between C. damascina and C. umbla and the sharing of same haplotypes between one specimen of C. damascina from Euphrates and another of C. umbla from Tigris reflect one of three possibilites: recent speciation, mitochondrial introgression or a combination of both. The results obtained in this study indicate that speciation of the above-mentioned six taxa is quite recent and that their dispersal and present-day distribution can be related to Pleistocene events. The drying out of the Persian Gulf, probably during one of the first glacials of the Pleistocene, led the ancestor of the C. damascina species complex in Mesopotamia to reach the rivers of the Gulf and of Hormuz basins and differentiate there, giving rise to the eastern lineage (ancestor of C. buhsei, C. saadii and Capoeta sp.1). As connections presumably existed among the different river drainages and basins in Iran during the wet periods of the Pleistocene, the ancestor of C. buhsei, C. saadii and Capoeta sp.1 was subsequently able to colonize the various Iranian drainages and differentiate there, giving rise to C. buhsei, C. saadii and Capoeta sp.1. After the separation from the eastern lineage, the western lineage, represented by the ancestor of C. damascina, C. umbla and C. caelestis, most likely reached the Levant from the Tigris-Euphrates system during the Pleistocene glacials, when river connections existed in the regions of the upper courses of Ceyhan Nehri (southern Turkey) and some western affluents to the Euphrates. From Ceyhan Nehri, it dispersed into other rivers in southern Turkey during Pleistocene periods of low sea levels until it reached Göksu Nehri and evolved into C. caelestis. The sister population differentiated into C. damascina and C. umbla. Based on the results obtained in this study, it is likely that C. damascina colonized the Levant and southern Turkey during the Pleistocene glacials. This is well supported by the low genetic variability among the C. damascina populations. Direct connections existed among the river drainages in the Levant during the Pleistocene periods of low sea level, thus serving as a pathway for the dispersal of C. damascina. The results of this study provide a coherent picture of the taxonomic position, phylogenetic relationships and evolutionary history of the C. damascina species complex and explain present patterns of distribution considering paleogeographic events.
Morbus Alzheimer ist eine neurodegenerative Erkrankung, die weltweit die häufigste Ursache einer Demenz darstellt. Da neben genetischer Prädisposition vor allem ein hohes Lebensalter einen Hauptrisikofaktor für die Erkrankung darstellt, erwartet man für die Industrieländer in den nächsten Jahrzehnten eine enorm ansteigende Patientenzahl. Trotz der großen Fortschritte in der Aufklärung der pathologischen Zusammenhänge ist es bisher noch nicht gelungen, eine Therapie zu entwickeln, mit der das Voranschreiten der Krankheit deutlich verlangsamt oder sogar gestoppt werden kann. Die vorliegende Arbeit verfolgt einen medizinisch-chemischen Ansatz, in der die Entwicklung von dualen Gamma-Sekretase- und PPARgamma (Peroxisomen Proliferator-aktivierter Rezeptor Gamma)-Modulatoren als potentielle Arzneistoffe gegen Morbus Alzheimer im Fokus steht. Bei der Gamma-Sekretase handelt es sich um eine Aspartylprotease, die im Rahmen der Amyloid-Kaskade an der carboxyterminalen Spaltung von Amyloid Precursor Protein und damit unmittelbar an der Bildung der pathogenen Amyloid-Gamma42-Fragmente beteiligt ist. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass diverse Punktmutationen in ihrer katalytischen Untereinheit Presenilin eine genetisch bedingte early-onset Alzheimer-Demenz auslösen können. Das therapeutische Potential von Gamma-Sekretase-Inhibitoren und -Modulatoren konnte in der Folge in zahlreichen präklinischen Studien bestätigt werden. ...
In recent years using symmetry has proven to be a very useful tool to simplify computations in semidefinite programming. This dissertation examines the possibilities of exploiting discrete symmetries in three contexts: In SDP-based relaxations for polynomial optimization, in testing positivity of symmetric polynomials, and combinatorial optimization. In these contexts the thesis provides new ways for exploiting symmetries and thus deeper insight in the paradigms behind the techniques and studies a concrete combinatorial optimization question.
Forschungsbedarf. Wenn man die mathematische Entwicklung in der frühen Kindheit als einen ganzheitlichen Prozess betrachtet, so gilt es, die Forschungsperspektive für unterschiedliche Lernorte zu öffnen. Einer dieser Lernorte ist die Familie, in welchem mathematische Bildungsprozesse der frühen Kindheit entscheidend von elterlichem Support beeinflusst werden. Bei der Untersuchung dieses Lernortes ist in der deutschsprachigen Mathematik-didaktik bisher eine Beschränkung auf Interviewstudien zu beobachten, in denen die Vorstellungen und Überzeugungen der Eltern zum Mathematiklernen und zur Mathematik rekonstruiert werden. Beobachtungsstudien, welche unabhängig von der Perspektive der Eltern Realisierungen von Support untersuchen, liegen bisher nicht vor. Die vorliegende Dissertation liefert einen Beitrag zur Bearbeitung dieses spezifischen Forschungsbedarfs in der deutschsprachigen Mathematikdidaktik.
Die Studie. Die durchgeführte, längsschnittlich angelegte Videostudie, die der Dissertation zugrunde liegt, ist der rekonstruktiven Sozialforschung und im Speziellen der Interpretativen Forschung in der Mathematikdidaktik zuzuordnen. Es wurden zehn Vorschulkinder und ihre Mütter ein Jahr lang in offenen Vorlese- und Spielsituationen begleitet. Als Grundlage der Analyse dienen Transkripte von ausgewählten Szenen. Die Transkriptanalyse ist durchgehend am Prinzip der Komparation orientiert und erfolgt zweischrittig: In einer Interaktionsanalyse wird zunächst die interaktionale Entwicklung des mathematischen Themas in der jeweiligen Szenen nachgezeichnet; darauf aufbauend wird die Diskursszene in einer Support-Fokussierung im Hinblick auf das hergestellte Support-System ausgedeutet.
Der Forschungsgegenstand. Gemäß der Verortung in der Interpretativen Forschung wird der Forschungsgegenstand aus sozialkonstruktivistisch-interaktionistischer Perspektive betrachtet. Demzufolge ist der Support in mathematischen Mutter-Kind-Diskursen kein einseitiges Helfen der Mutter, sondern ein von Mutter und Kind gemeinsam in der Interaktion hergestelltes Support-System.
Ergebnisse. Der Support in mathematischen Mutter-Kind-Diskursen wird in der vorliegenden Dissertation als ein Mathematics Acquisition Support System (MASS) beschrieben und aus zwei unterschiedlichen Perspektiven beleuchtet.
Die erste Perspektive ist eine allgemein sozialisationstheoretische und zeigt, dass das MASS in mathematischen Mutter-Kind-Diskursen auf unterschiedliche übergeordnete Aufgaben ausgerichtet sein kann: auf ein Mitmachen, auf einen Entwicklungsfortschritt oder auf eine freie Erkundung des Kindes. Diese Typisierung von Support-Jobs verdeutlicht, dass sich Support-Systeme gegenstandsspezifisch unterscheiden. Während das Discourse Acquisition Support System (DASS), welches im Hinblick auf die Entwicklung von Erzählkompetenz beschrieben
wurde (vgl. Hausendorf und Quasthoff 2005), ausschließlich auf eine übergeordnete Aufgabe ausgerichtet ist, kann das MASS über die Arbeit an unterschiedlichen Support-Jobs hergestellt werden. So sind Vorschulkinder im familialen Kontext in mathematische Diskurse eingebunden, die an unterschiedlichen Support-Jobs ausgerichtet sind. Dieses Ergebnis gewinnt dadurch zusätzliche Bedeutung, dass die Support-Jobs in den mathematischen Mutter-Kind-Diskursen als charakterisierend für die jeweiligen Mutter-Kind-Paare rekonstruiert werden konnten. Sowohl in Komparationen über die Zeit als auch in solchen über das Material etablieren und bearbeiten Mutter und Kind mit einer gewissen Stabilität einen spezifischen Support-Job. Die Biographie von Vorschulkindern als Mathematiklerner wird in der Familie also auf spezifische Weise geprägt.
Die zweite Perspektive ist eine genuin mathematikdidaktische und gliedert sich in zwei Teilperspektiven auf. Eine fokussiert auf das Mathematiklernen, die andere auf die Mathematik. In der Perspektive des Mathematiklernens werden Realisierungen von alltagspädagogischen Konzepten typisiert. Dabei zeigt sich, wie unterschiedlich Vorschulkinder als Mathematiklerner in Support-Systeme eingebunden werden: als Sachkundiger, als Wissender und als Denker (vgl. Olson und Bruner 1996). Anhand dieser gebildeten Typen wird das Forschungsfeld dahingehend strukturiert, welchen Konzepten vom Mathematiklernen und -lehren Vorschulkinder im familialen Kontext begegnen. In der Perspektive der Mathematik wird schließlich erarbeitet, wie Vorschulkinder und ihre Mütter in und mit ihrem je spezifischen MASS die Mathematik in den Sinnbereich ihres Alltags einbinden (vgl. Bachmair 2007): als Hilfsmittel, als Lernstoff und als Beschreibungs- und Denkmittel. Damit sind drei Typen mathematischer Sozialisation im familialen Kontext beschrieben.
Insgesamt macht die Verbindung aus einer allgemein sozialisationstheoretischen und einer mathematikdidaktischen Perspektive umfassend beschreibbar, wie Kinder im familialen Kontext in Support-Systeme zum Mathematiklernen eingebunden sind. Die Bildung unterschiedlicher Typen konnte sowohl im Hinblick auf die allgemeine Fokussierung des MASS als auch im Hinblick auf die damit realisierten Konzepte von Mathematiklernen und Mathematik vor-genommen werden. Damit ist der Lernort der Familie für die frühe mathematische Bildung und den Forschungsgegenstand des Supports strukturiert und anhand von Fallstudien beschrieben. Dieses Forschungsergebnis ist eine neue Einsicht über den bisher nur wenig erforschten Lernort der Familie und gleichzeitig eine Herausforderung für den Mathematikunterricht der Grundschule. Denn im Sinne einer Passung zwischen Familie und Schule gilt es, an die jeweiligen Interaktionserfahrungen der Kinder anzuknüpfen.
The ubiquinol:cytochrome c oxidoreductase is a key component of several aerobic respiratory chains in different organisms. It is an integral membrane protein complex, made up of three catalytic subunits (cytochrome b, cytochrome c1 and Rieske iron sulphur protein) and up to eight additional subunits in mitochondria. The complex oxidizes one quinol molecules and reduces two cytochrome c during the Q cycle, originally described by Peter Mitchell. Electrons are split between the low and the high potential chain and protons are released on the positive side of the membrane, increasing the protonmotive force needed by the ATP-synthase for energy transduction. The cytochrome bc1 complex from P. denitrificans is a perfect model for structural and functional studies. Bacteria are easy to grow and the genetic material is readily accessible for genetic manipulation. Moreover, the P. denitrificans aerobic respiratory chain is very close to the mitochondrial one: the complexes involved in electron transfer resemble the ones found in mitochondria, but lack most of the additional subunits. As a unique feature, P. denitrificans has a strongly acidic domain at the N-terminal region of the cytochrome c1, a sequence of 150 aminoacids which does not correlate with any known protein. An analogous composition can be found in the eukaryotic cytochrome bc1 complex as a part of an accessory subunit, proposed to be involved in facilitating electron transfer between the complex and the electron acceptor cytochrome c. In order to study the function of this domain in the P. denitrificans cytochrome bc1 complex, a deletion mutant has been previously cloned and modified with an affinity tag as a C-terminal extension of cytochrome b. The complex is purified by affinity chromatography and characterized by steady-state kinetics using not only horse heart cytochrome c but also the endogenous electron acceptor, the membrane bound cytochrome c552, employed here as a soluble fragment. Steady–state kinetics indicate that the deletion of the long acidic domain had effects neither on the turnover rate nor on the apparent affinity for the substrate. To understand wether the deletion affects the reaction between the cytochrome bc1 complex and the substrate, laser flash photolysis experiments are performed, showing that the interaction observed was not changed in the complex missing the acidic domain. The results presented in this work confirm the ones previously obtained by Julia Janzon using soluble fragments of the same interaction partners. The deletion, however, affected the oligomerization state of the complex, as shown by LILBID (Laser Induced Liquid Bead Ion Desorption) analysis. The wild type complex has a tetrameric structure, better described as a “dimer of dimers”. The deletion of the acidic domain on the cytochrome c1 results in the separation of the two dimers, yielding the canonical dimer. Therefore, the complex deleted in the acidic domain is used for cloning and expression of a heterodimeric complex, containing an inactivating mutation in the quinol oxidation site in only one monomer, thus allowing a selective switch-off for half the complex. Such a complex is needed for the verification of an internal regulation mechanism, the half-of-the-sites reactivity. According to it, the dimeric structure of the cytochrome bc1 complex has functional implications, since the two monomers can communicate and work in a coordinated manner. This approach confirms that substrate oxidation does effectively take place only in one of the two monomers constituting the dimer, and that the binding of substrate at the Qo and Qi site regulates the switch between active and inactive monomer. Moreover, this mechanism works also as an effective protection against the reaction of quinone intermediates with oxygen and the formation of reactive oxygen species (ROS), responsable for cellular aging. The motion of the ISP head domain is also addressed in this work; in particular the mechanism which regulates the movements towards the cytochrome c1 and the electron bifurcation at the quinol oxidation site. Laser flash kinetics in presence of several inhibitors and the substrate allow studying the response of the ISP to the binding of different species at the quinol oxidation site. The binding of ligand at the Qo site in the complex triggers the conformational switch in the ISP head domain, supporting the mechanism proposed in the literature according to which the Qo site is able to “sense” the presence of substrate and transfer the information to the ISP, regulating its mobility. The internal electron pathway between the ISP and the cytochrome c1 has been analyzed also by stopped-flow kinetics, in presence and absence of inhibitors. The results indicate that two kinetic phases describe the reduction of cytochrome c1 by the ISP, and a model for the simulation of the data is proposed.
Die Atmungskette in der inneren Membran der Mitochondrien besteht aus fünf großen Enzymkomplexen. Die NADH-Dehydrogenase (I), Succinat-Dehydrogenase (II, indirekt), Cytochrom c-Reduktase (III) und Cytochrom c-Oxidase (IV) nutzen die Energie aus Elektronentransfers zum Aufbau eines Protonengradienten über die innere Mitochondrienmembran. Dieser wird anschließend von der FOF1-ATP-Synthase (V) als Energiequelle zur Phospho-rylierung von ADP verwendet. Für lange Zeit bestand eine Kontroverse, wie diese Proteine in der Membran organisiert sind. Nach dem „random collision“-Modell diffundieren sie frei als Einzelmoleküle und treffen sich nur zufällig, während sie nach dem „solid state“-Modell größere funktionelle Einheiten bilden. In den letzten Jahren gab es vermehrt Hinweise darauf, dass das letztere Modell das zutreffendere ist, da tatsächlich sogenannte Superkomplexe der Atmungskette in aktiver Form isoliert werden konnten. Schließlich konnte 2007 die erste drei-dimensionale Rekonstruktion eines Superkomplexes, bestehend aus Komplex I, dimerem Komplex III und Komplex IV publiziert werden. Aufgrund der Einschränkungen der verwendeten Negativkontrasttechnik hatte dieses Modell allerdings nur eine niedrige Auflösung und repräsentierte durch die Dehydrierung keinen nativen Zustand. Dadurch ließen sich die Strukturen der einzelnen Komplexe nur ungenau einpassen. Um diese Probleme zu umgehen, sollte eine Struktur unter Kryo-Bedingungen rekonstruiert werden. Um die für Kryo-EM benötigte größere Ausbeute und höhere Konzentration zu erzielen, wurde ein neues Reinigungsprotokoll für die Superkomplexe etabliert. Die wesentlichen Punkte darin sind der Austausch des für die Solubilisierung verwendeten Digitonins durch Amphipol A8-35 mittels ?-Cyclodextrin und eine anschließende Dichtegradienten-Ultrazentrifugation. Im BN-PAGE zeigten die auf diese Art gereinigten Superkomplexe das gleiche Banden- und Aktivitätsmuster wie Proben in Digitonin. Auch bei einer Einzelpartikelanalyse nach Negativ-kontrastfärbung konnten keine Unterschiede festgestellt werden und die Partikel zeigten ähnliche Orientierungen wie in der vorherigen Studie. Einige neue Ansichten ließen sich jedoch nicht zuordnen und stellten eventuell eine Verunreinigung mit größeren Superkomplexen dar. Da auch bei der Reinigung mit Amphipol die Proteinkonzentration letztlich nicht wesentlich erhöht werden konnte und sich die Superkomplexe nicht wie für Kryo-EM erforderlich in einen löchrigen Kohlefilm einlagerten, wurden die Proteine auf einem durchgehenden Kohlefilm in einer dünnen Pufferschicht vitrifiziert. Die dabei zu beobachtenden bevorzugten Orientierungen, sollten auch die Unterscheidung von verschiedenen Populationen von Superkomplexen erleichtern. Eine erste 3D-Rekonstruktion wurde mit Hilfe der „random conical tilt“-Methode errechnet. Dieses Modell wurde durch „projection matching“ bis zu einer Auflösung von 19 Å verfeinert, womit die Auflösung fast doppelt so hoch ist, wie bei der Rekonstruktion aus Negativ-kontrastfärbung (36 Å). Die Struktur repräsentiert einen natürlichen Zustand des Proteins und zeigt Details wie einzelne Domänen, Spalten zwischen Domänen und eine starke Krümmung des Membranarms von Komplex I, die zuvor nicht erkenn-bar waren. Die Amphipole bilden einen Gürtel um den Transmembranbereich. Die Röntgenstrukturen von Komplex I, III2 und IV konnten mit großer Präzision in die Dichtekarte eingepasst werden. Die wenigen kleinen Unterschiede zwischen Röntgenstrukturen und EM-Dichtekarte sind auf leichte Konformations-änderungen zurückzuführen. Die Kryo-EM-Rekonstruktion ist erheblich größer als die Rekonstruktion aus Negativfärbung, wodurch die enthaltenen Komplexe nur noch wenige punktuelle Kontakte haben. In den Zwischenräumen könnte eine spezielle Lipidumgebung die kleinen Elektronenüberträger Ubichinon und Cytochrom c in den Superkomplex integrieren. Ihre Bindestellen sind jeweils zueinander orientiert und die geringen Abstände, die zum ersten Mal bestimmt werden konnten, stützen die Hypothese eines gerichteten Substrattransfers über kurze Entfernungen. Von den möglichen Übertragungswegen scheint der kürzere mit weniger Transferreaktionen bevorzugt zu werden. Während der Entwicklung des neuen Reinigungsprotokolls für die Superkomplexe konnte zusätzlich eine neue Methode zur Rekonstitution von Membranproteinen entwickelt werden. Die solubilisierten Proteine werden dabei in Dichtegradienten mit steigenden Konzentrationen von ansolubilisierten Liposomen und Cyclodextrin zentrifugiert, wodurch ihnen langsam das Detergens entzogen und durch Lipid ersetzt wird. Proteoliposomen werden gleichzeitig von überschüssigem Lipid und Cyclodextrin-Detergens-Komplexen getrennt.
Strukturelle Organisation und Mobilisierung des Primaten-spezifischen Non-LTR-Retrotransposons SVA
(2011)
SVA-Elemente repraesentieren die juengste Familie der Non-LTR-Retrotransposons,
welche das humane Genom fortwaehrend modifizieren. SVA-Elemente zeichnen sich
durch ihre Organisation aus zusammengesetzten repetitiven Elementen aus. Um
Rueckschluesse auf den Assemblierungsprozess, der zur gegenwaertigen Organisation der
SVA-Elemente fuehrte, und ueber transkriptionelle Regulation dieser Elemente zu ziehen,
wurden Unterschiede in der Struktur der 116 SVA-Elemente, die auf humanem
Chromosom 19 lokalisiert sind, detailliert untersucht.
SVA-Elemente konnten in sieben unterschiedliche Strukturvarianten eingeteilt werden,
einschliesslich neuer Varianten wie SVA2, 3`-verkuerzte Elemente und Elemente mit 5`-
flankierenden Transduktionen. Ich habe auch eine extrem erfolgreiche human-spezifische
5`-Transduktionsgruppe identifiziert, SVA_F1, die trotz ihres jungen evolutionaeren Alters
ca. 32% aller Mitglieder der SVA-Subfamilie SVA_F umfasst. Die transkriptionelle
Kontrolle einer retrotransponierten und 5`-verkuerzten SVA_F-Kopie durch den Promotor
des MAST2-Gens diente als urspruengliches Source-Element dieser umfangreichen 5`-
Transduktionsgruppe, die mindestens 84 Elemente einschliesst. Die zusaetzlichen 5`-
sowie 3`-Transduktionsereignisse der vollstaendigen Alu-Sequenzen bei Mitgliedern der
SVA_F1-Transduktionsgruppe 4 weisen auf ihre wichtige Rolle in der erfolgreichen
Expansion im humanen Genom hin. Diese nachtraeglich erworbenen Alu-Sequenzen
machen SVA_F1-Familienmitglieder offensichtlich zum besseren Substrat fuer die Trans-
Mobilisierung durch die L1-Proteinmaschinerie. Die unterschiedlichen konsekutiven 5`-
Tansduktionsereignisse der SVA_F1-Familienmitglieder deuten auf transkriptionelle
Kontrolle ihrer Source-Elemente durch eine Vielzahl externer zellulaerer Promotoren hin,
die im Laufe der Evolution in Keimzellen aktiv waren. Ausserdem zeigt die Existenz von
5`-Transduktionen, dass SVA-Elemente sich die 5`-flankierenden Sequenzen aneignen
koennen. Die Daten zeigen auch, dass SVA-vermittelte 5-Tansduktionsereignisse
alternatives RNA-Spleissen an putativen Spleissstellen involvieren. Aus der EST-
Datenbankanalyse ist ersichtlich, dass Mitglieder der SVA_F1-Subfamilie auch
gegenwaertig transkribiert werden.
SVA-Elemente sind hoch aktiv im humanen Genom, aber der Mechanismus ihrer
Retrotransposition wurde bislang nicht aufgeklaert. Vorangehende Analysen genomischer
SVA-Kopien liessen auf eine L1-vermittelte Mobilisierung schliessen; allerdings wurde
der experimentelle Beweis dieser Hypothese bislang nicht geliefert. Mit Hilfe der
Zellkultur-basierten Trans-Mobilisierungsassays wurde in dieser Arbeit zum ersten Mal
experimentell bewiesen, dass SVA-Elemente tatsaechlich durch die L1-kodierten Proteine
in trans mobilisiert werden. Zu diesem Zweck wurden HeLa-Zellen mit einem
vollstaendigen oder mit einem 5`-verkuerzten SVA-Retrotranspositionsreporterkonstrukt
sowie mit einem L1-Expressionsplasmid bzw. Leervektor kotransfiziert und dann die
jeweiligen Raten der SVA-Retrotransposition anhand Neo-resistenter Kolonien, die
mindestens ein de novo-Retrotranspositionsereignis widerspiegeln, bestimmt. Die
Experimente zeigen, dass die Entstehung der Neo-resistenten Kolonien von der
Koexpression L1-kodierter Proteine abhaengig ist. Ich konnte auch zeigen, dass das
vollstaendige SVA-Testkonstrukt - im Gegensatz zum 5`-verkuerzten SVA-Konstrukt -
mit einer signifikant hoeheren Retrotranspositionsrate als die Kontrollkonstrukte, die zur
Generierung der prozessierten Pseudogenformation eingesetzt wurden, trans-mobilisiert
wird. Die Ergebnisse der Trans-Mobilisierungsassays belegen, dass SVA-Elemente ein
bevorzugtes Substrat fuer die L1-Proteinmaschinerie darstellen, und ihre 5`-Region
einschliesslich der Alu-homologen Sequenz fuer die hohe Retrotranspositionsrate essentiell
ist. Die elf analysierten SVA de novo-Integrationsereignisse weisen Merkmale der L1-
vermittelten Retrotransposition auf, wie Poly(A)-Enden, L1-EN-spezifische Konsensus-
Zielsequenz (NNAUNA), Zielsequenz-Verdoppelungen (TSDs), Mikrohomologien und
zusaetzliche Guanosin-Nukleotide am 5`-UEbergang.
Zusammenfassend demonstrieren die Ergebnisse dieser Studien, dass ein signifikanter Teil
der Mitglieder der human-spezifischen SVA-Subfamilie aus transkriptioneller Kontrolle
ihrer Source-Elemente durch externe Promotoren hervorgeht. Durch die in dieser Arbeit
durchgefuehrten in silico-Analysen wurde auch gezeigt, dass SVA-vermittelte 5`-
Transduktionsereignisse zur strukturellen Vielfalt der SVA-Elemente fuehren, und eine
neue Art von genomischen Umstrukturierungen darstellen, die zur Plastizitaet des
humanen Genoms beitragen. Ausserdem bestaetigen die Ergebnisse der Trans-
Mobilisierungsassays die Hypothese, dass SVA-Elemente tatsaechlich durch die L1-
kodierte Proteinmaschinerie trans-mobilisiert werden. Dabei sind Module am 5`-Ende der
SVA-Elemente fuer diesen Prozess hoechst relevant.
Die Ergebnisse der Dualen-Luciferase-Reportergen-Assays unterstuetzen die Hypothese,
dass innerhalb der SINE-R-Sequenz von SVA H19_27 cis-aktive Elemente vorhanden
sind, die auf aehnliche Weise wie die cis-aktiven Elemente innerhalb der 5`LTR von
HERV-K reguliert werden.
Ausserdem wurde in dieser Arbeit die Existenz interner reguatorischer Sequenzen
innerhalb der SVA-Sequenz bestaetigt. Mit Hilfe der Dualen-Luciferase-Reportergen-
Assays konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass SVA-Elemente cis-aktive Elemente
enthalten, die hauptsaechlich in der SINE-R-Region lokalisiert sind. Diese cis-aktiven
Elemente werden auf aehnliche Weise wie die cis-aktiven Elemente innerhalb der 5`LTR
von HERV-K reguliert. Die starke transkriptionelle Aktivitaet des vollstaendigen SVA-
Testelements und des L1RP-Promotors in den Teratokarzinom-Zelllinien bekraeftigen die
Annahme, dass haeufige SVA-Mobilisierung in Keimzellen durch die gleichzeitig
hochregulierte SVA- und L1-Transkription bedingt sein koennte.
Es konnte gezeigt werden, dass SVA-Elemente cis-aktive Elemente enthalten, die
hauptsaechlich in der SINE-R-Region lokalisiert sind, und auf aehnliche Weise wie die cis-
aktiven Elemente innerhalb der 5`LTR von HERV-K reguliert werden. Die starke
transkriptionelle Aktivitaet des vollstaendigen SVA-Testelements und des L1RP-Promotors
in Teratokarzinom-Zelllinien bestaetigen die Annahme, dass haeufige SVA-
Retrotransposition in Keimzellen durch die gleichzeitig hochregulierte SVA- und L1-
Transkription bedingt sein koennte.
Ubiquitin is a highly conserved protein involved in several cellular processes like protein degradation, endocytosis, signal transduction and DNA repair. The discovery of ubiquitin-like proteins (UBL) and ubiquitin-like domains (ULD) increases the number of regulation pathways where the property of the ubiquitin-fold is profitable.
Autophagy is the catabolic pathway used in cells to deliver cytosolic components and dysfunctional organelles to the lysosome for degradation. MAP1LC3 proteins are ubiquitin-like proteins involved in one hand for the expansion of the autophagosome, which sequesters cytosolic substrates. In the other hand, these proteins (LC3- and GABARAP- subfamilies) bind to autophagic receptors linked to polyubiquitinated proteins aggregates. For this project, the 3D structure of the GABARAPL-1/NBR1-LIR complex was determined and confirmed that GABARAPL-1 belongs to the MAP1LC3 proteins family, structurally characterized by an ubiquitin-fold, consisting of a central beta-sheet formed by four beta-strands and two alpha-helices on one side of the beta-sheet, preceded N terminally by two alpha-helices, resulting in the formation of two hydrophobic pockets, hp1 and hp2. The autophagic receptor NBR1 interacts with GABARAPL-1 through the hp1 and hp2 with its LIR motif taking an extended beta conformation upon binding, forming an intermolecular beta-sheet with the second beta-strand of GABARAPL 1. This LC3- interacting region (LIR) consists of an Theta XX Gamma sequence preceded by acidic amino acids, with Theta and Gamma represented by any aromatic and hydrophobic residues, respectively. Interaction studies of the LIR domains of p62, Nix and NBR1 with different members of the MAP1LC3 proteins family indicate that the presence of a tryptophan in the LIR motif increases the binding affinity. Substitution to other aromatic amino acids or increasing the number of negatively charged residues at the N-terminus of the LIR motif, however, has little effect on the binding affinity due to enthalpy-entropy compensation, suggesting that effector proteins can interact with a wide variety of different sequences with similar and moderate binding affinities.
Additionally to be present in proteins dealing with protein folding and degradation, ubiquitin-like domain were found protein involved in the regulation of signal transduction like TBK1, a serine/threonine kinase responsible for induction of immune response. In this second project, based on the NMR chemical shifts of the TBK1 domain contained between amino acids 302 and 383, secondary structure prediction programs (TALOS and CSI) confirmed the presence of an Ubiquitin-like domain in TBK1 by identifying one alpha-helix and four beta-strands sequentially aligned like following beta-beta-alpha-beta-beta. This alignment corresponds perfectly with the secondary structure elements of Ubiquitin and proved that TBK1_ULD belongs to the UBL protein superfamily. The similarity to ubiquitin was even bigger by the presence in addition of a small beta-strand and a short helix, which are observed as the beta 5-strand and a 310-helix in Ubiquitin, respectively. The first attempts on the 3D structure determination confirmed the Ub-fold but due to the lack of assignment in TBK1_ULD, only a structure based on ubiquitin as a model was determined. Interaction studies of TBK1_ULD with the IAD-SRR domain of IRF3 showed that both side of the molecule seems involved and that the TBK1/IRF3 interaction is more complex than a one to one binding process. Unfortunately, the instability of TBK1_ULD associated to the difficulty in the purification of IAD-SRR did not allow to further study this interaction more precisely.
Finally, to overcome the difficulty encountered in NMR experiments because of low expression and/or poor solubility, an expression vector using the intrinsic property of ubiquitin was designed. Fused to proteins or peptides targets, this construct produced proteins and peptides in a larger amount than with traditional expression vectors and also with a less cost than chemical synthesis for pure labeled peptides for NMR structural studies. The presence of a hexa histidine tag was useful for the isolation and the purification of the constructs. The existence of a TEV cleavage site was created to keep the possibility of releasing the ubiquitin moiety from the expressed protein or peptide. Moreover, the ubiquitin-tag could also still be attached to the protein/peptide of interest when biophysical methods like NMR, ITC or CD spectroscopy are applied, providing the same results than for the protein/peptide moiety alone.
According to the World Health Organization (WHO) bacterial resistance to antibiotic drug therapy is emerging as a major public health problem around the world. Infectious diseases seriously threaten the health and economy of all countries. Hence, the preservation of the effectiveness of antibiotics is a world wide priority. The key to preserving the power of antibiotics lies in maintaining their diversity. Many microorganisms are capable of producing these bioactive products, the so called antibiotics. Specifically in microorganisms, polyketide synthases (PKS) and non-ribosomal peptide synthases (NRPS) produce these natural bioactive compounds. Besides being used as antibiotics these non-ribosomal peptides and polyketides display an even broader spectrum of biological activities, e.g. as antivirals, immunosuppressants or in antitumor therapy. The wide functional spectrum of the peptides and ketides is due to their structural diversity. Mostly they are cyclic or branched cyclic compounds, containing non-proteinogenic amino acids, small heterocyclic rings and other unusual modifications such as epimerization, methylation, N‐formylation or heterocyclization. It is has been shown that these modifications are important for biological activity, but little is known about their biosynthetic origin.
PKS and NRPS are multidomain protein assembly lines which function by sequentially elongating a growing polyketide or peptide chain by incorporating acyl units or amino acids, respectively. The growing product is attached via a thioester linkage to the 4’-phosphopantetheine (4’-Ppant) arm of a holo acyl carrier protein (ACP) in PKSs or holo peptidyl carrier protein (PCP) in NRPSs and is passed from one module to another along the chain of reaction centers. The modular arrangement makes PKS and NRPS systems an interesting target for protein engineering. More than 200 novel polyketide compounds have already been created by module swapping, gene deletion or other specific manipulations. Unfortunately, however, engineered PKS often fail to produce significant amounts of the desired products. Structural studies may faciliate yield improvement from engineered systems by providing a more complete understanding of the interface between the different domains. While some information about domain-domain interactions, involving the most common enzymatic modules, ketosynthase and acyltransferase, is starting to emerge, little is known about the interaction of ACP domains with other modifying enzymes such as methyltransferases, epimerases or halogenases.
To further improve the understanding of domain-domain interactions this work focuses on the curacin A assembly line. Curacin A, which exhibits anti-mitotic activity, is from the marine cyanobacterium Lyngbya majuscula. This outstanding natural product contains a cyclopropane ring, a thiazoline ring, an internal cis double bond and a terminal alkene. The biosynthesis of curacin A is performed by a 2.2 Mega Dalton (MDa) hybrid PKS-NRPS cluster. A 10-enzyme assembly catalyzes the formation of the cyclopropane moiety as the first building block of the final product. Interestingly, for these enzymes the substrate is presented by an unusual cluster of three consecutive ACPs (ACPI,II,III). Little is known about the function of multiple ACPs which are supposed to increase the overall flux for enhanced production of secondary metabolites.
The first task in this work was to elucidate the structural effect of the triplet ACP repetition by nuclear magnetic resonance (NMR). The initial data show that the excised ACPI, ACPII or ACPIII proteins resulted in [15N, 1H]-TROSY spectra with strong chemical shift perturbations (CSPs), suggesting an effect on the structure. The triplet ACP domains display a high sequence identity (93- 100%) making structural investigation using usual NMR techniques due to high peak overlap impossible. To enable the investigation of the triplet ACP in its native composition we developed a powerful method, the three fragment ligation. Segmental labeling allows incorporating isotopes into one single domain in its multidomain context. As a result we could prepare the triplet ACP with only one domain isotopically labeled and therefore assign the full length protein. In this way our method paved the way to study the structural effects of the triplet ACP repetition. We could show unexpectedly, that, despite the fact that the triplet repeat of CurA ACPI,II,III has a synergistic effect in the biosynthesis of CurA, the domains are structurally independent.
In the second part of this work, we studied the structure of the isolated ACPI domain. Our results show that the CurA ACPI undergoes no major conformational changes upon activation via phosphopantetheinylation and therefore contradicts the conformational switching model which has been proposed for PCPs. Further we report the NMR solution structures of holo-ACPI and 3-hydroxyl-3-methylglutaryl (HMG)-ACPI. Data obtained from filtered nuclear overhauser effect (NOE) experiments indicate that the substrate HMG is not sequestered but presented on the ACP surface.
In the third part of this work we focussed on the protein-protein interactions of the isolated ACPI with its cognate interaction partners. We were especially interested in the interaction with the halogenase (Cur Hal), the first enzyme within the curacin A sub-cluster, acting on the initial hydroxyl-methyl-glutaryl (HMG) attached to ACPI. Primarily we studied the interaction using NMR titration and fluorescence anisotropy measurements. Surprisingly no complex between ACPI and Cur Hal could be detected. The combination of an activity assay using matrix-assisted laser desorption/ionization (MALDI) mass spectroscopy and mutational analysis revealed several amino acids of ACPI that strongly decrease the activity of CurA Hal. Mapping these mutations according to their effect on the Cur Hal activity onto the structure of HMG-ACPI displays that these amino acids surround the substrate and form a consecutive surface. These results suggest that this surface is important for Cur Hal recognition and selectivity. Our research presented herein is an excellent example for protein-protein interactions in PKS systems underlying a specific recognition process.
Membrane proteins (MPs) constitute about 30% of the genome and are essential in many cellular processes. In particular structural characterisation of MPs is challenged by their hydrophobic nature resulting in expression difficulties and structural instability upon extraction from the membrane. Despite these challenges, progress in sample preparation and the techniques to solve MP structures has led to 281 unique MP structures as of January 2011. Through the combination of a cell-free expression system and selective labelling strategies, this thesis aimed to advance the structure determination of α-helical MPs by NMR spectroscopy and resulted in the structure determination of a seven-ransmembrane-helix protein. Results were obtained for the 5-lipoxygenase-activating protein (FLAP) and proteorhodopsin (PR). The detergent-based cell-free expression mode proved most efficient for production of both targets, but optimisation of FLAP and PR followed different routes. The presence of a retinal cofactor in PR greatly facilitated the search for an appropriate hydrophobic environment. For structural studies, NMR spectra of FLAP indicated favourable properties of the lysolipid LPPG. In contrast, PR was stable and homogenous in the short-chain lipid diC7PC. As NMR spectra of α-helical MPs are generally characterised by broad lines and signal overlap, selective labelling strategies were essential in the assignment process of both targets. For the backbone assignment of FLAP the transmembrane segment-enhanced (TMS) labelling was developed, employing the six amino acids AFGILV. These residues cluster predominantly in transmembrane helices and form long stretches allowing a large extent of backbone assignment. Besides that, the combinatorial labelling enables identification of unique pairs in the sequence based on a mixture of 15N and 1-13C-labelled amino acids. To find the optimal labelling pattern for a given primary structure, the UPLABEL algorithm has been made available and successfully applied in the backbone assignment of PR. Both selective labelling approaches greatly benefitted from the use of a cell-free expression system to reduce isotope scrambling. Additionally, the de novo structure of PR was determined with an average backbone rmsd of 1.2 Å based on TALOS-derived backbone torsion angles, intrahelical hydrogen bond restraints and distance restraints from the NOE and paramagnetic relaxation enhancement (PRE). A major bottleneck in the NMR structure determination of MPs concerns the number of long-range distances which are often limited. In PR, side chain assignment was enabled by stereo-array isotope labelling as well as selective labelling which provided 33 long-range NOEs. These NOEs stabilised the symmetry of the seven helix bundle. With a total number of 1031, the majority of long-range distances were derived from PREs. The structure of PR reveals differences to its homologues such as the absence of an anti-parallel β-sheet between helices B and C and allows conclusions towards the mechanism of colour tuning.
The phenomenon of magnetism is a pure quantum effect and has been studied since the beginning of civilization. The practical use of magnetic materials for technical purposes was well established in the 19th century; still nowadays there is no lack of new high-tech applications based on magnetism for example in information technology to store and process data. This thesis does not focus on the development of new applications of magnetism in technology, nor enhancement of known fields of application. Instead, the intention is to use a quantum theory of magnetism for obtaining new insights on physical effects that accompany the phenomenon of magnetism. Therefore three different model systems, each of which are believed to describe a class of real compounds, are considered. Starting from the idea that magnetism can be understood by use of the so-called Heisenberg model that microscopically characterizes the interaction between localized magnetic moments, we restrict ourselves to the case where a long-range magnetic order is present. In order to deduce consequences resulting from this microscopic picture we use the spin-wave theory that is introduced in the first chapter. Central objects of this theory are the magnons which are elementary quantum excitations in ordered magnets. An application of these mathematical techniques to a model that describes an antiferromagnet in an external magnetic field is presented in the second chapter. Quantities like the spin-wave velocity and the damping of magnons are calculated using a Hermitian operator approach in the framework of spin-wave theory. A strong renormalization of the magnetic excitations arises because the symmetry of the system is reduced due to the external magnetic field. In the second model system, that describes thin films of a ferromagnet, concepts of classical physics meet quantum physics: The magnetic dipole-dipole interaction that is also known in everyday life from the magnetic forces between magnets and was initially formulated in the theory of electromagnetism, is included in the microscopic model. Having a special compound in mind where the magnetic excitations are directly accessible in experiments, the energy dispersions of magnon modes in thin-film ferromagnets are deduced. Our approach is essentially a basis for further investigations beyond this thesis to describe strong correlations and condensation of magnons. A recent realization of data processing devices with spin waves puts the understanding of physical processes in these ferromagnetic films in the focus of upcoming research. The third model system brings in the so-called frustration where the interactions between the spins are such that the total energy cannot be minimized by an appropriate alignment of the magnetic moments in the classical picture. In the simplest case this appears because the antiferromagnetically coupled spins are located on a triangular lattice. This situation will lead to strong quantum fluctuations which make this model system interesting. Finally the overall symmetry is reduced by inclusion of spin anisotropies and an external magnetic field. Instead of focusing on the properties of the magnetic excitations, the effect of the magnetic field on the properties of the lattice vibrations is subject to the investigation. This is interesting because the characteristics of lattice vibrations can be measured experimentally using the supersonic technique.
Im Zuge der Arbeitsbeschaffung, der Aufrüstung und der nachfolgenden Kriegsfinanzierung stand der nationalsozialistischen Regierung ein Bündel prinzipieller Finanzierungsalternativen zur Verfügung. Bei der Finanzierung der Arbeitsbeschaffungsmaßnahmen griff das Regime auf das vorhandene Instrumentarium der Vorgängerregierungen zurück. Insofern war das Prinzip der Wechselfinanzierung zur kurzfristigen Mobilisierung von Liquidität keine Innovation der NS-Regierung, sondern lediglich die Fortsetzung einer bereits praktizierten Finanzierungsmethode. In Hinblick auf die Faktoren „Ergiebigkeit“ und „zeitlicher Verfügbarkeit“ musste im Rahmen der Kriegsfinanzierung primär auf die kurzfristige Verschuldung zurückgegriffen werden. Keine andere Finanzierungsalternative hätte – unter Berücksichtigung der „Blitzkriegstrategie“ und dem damit verbundenen außerordentlichen Mittelbedarf - in solch kurzer Zeit die erforderliche Finanzkraft ohne Reibungsverluste und zeitliche Verzögerungen garantieren können. In steuerpolitischer Hinsicht schöpfte die Regierung zwar ansteigende Einkommen und Gewinne ab, doch fand die Steuergesetzgebung ihre Grenze in der gesellschaftlichen Akzeptanz sowie bei der Berücksichtigung distributionspolitischer Motive. Pläne zur weiteren Steuererhöhung oder gar zur Einführung neuer Steuern wurden zu Gunsten der Zustimmung in der Bevölkerung zur Regimepolitik verworfen. Das Primat der Fundierung kurzfristiger Kreditaufnahme wurde mit Fortdauer des Krieges aufgegeben. Die Konsolidierung der schwebenden Schulden hinkte dem Tempo des kurzfristigen staatlichen Kreditbedarfs mit Fortdauer des Krieges hinterher. Große Teile des Finanzierungsbedarfs wurden durch Enteignung und Kontribution gedeckt. Die übermäßige Beanspruchung ausländischer Volkseinkommen und – vermögen glich jedoch nur einen Teil des inländischen Geld-Gütermarkt-Ungleichgewichtes aus. Darüber hinaus waren mit der Besetzung ausländischer Territorien aber auch Kosten für die Versorgung der Bevölkerung verbunden. Selbst unter Missachtung jeglicher Humanität gegenüber der ausländischen Bevölkerung waren die Ressourcenbeiträge der besetzten Länder begrenzt. Bei der sog. „geräuschlosen Kriegsfinanzierung“ kamen verschiedene Instrumente zur Absorption überschüssiger Kaufkraft zum Einsatz. Langfristige Schuldpapiere wurden überwiegend nicht am freien Kapitalmarkt begeben, sondern direkt den Kapitalsammelstellen zugeteilt. Gesetzlich definierte Grenzen der Lohn- und Preisbildung sowie die Beschränkungen des Kapital- und Gütermarktes flankierten die Bemühungen um die Stilllegung überschüssiger Einkommen. Mit dem kriegsbedingten Ausufern des Mittelbedarfs schwand jede Rücksichtnahme auf die gesetzlichen und ökonomischen Grenzen. Die langfristige Verschuldung konnte fortan der kurzfristigen Kreditaufnahme nicht mehr folgen. Die Sparkassen stellten aufgrund ihrer Nähe zum Einzelkunden und ihres organisatorischen Aufbaues eine idealtypische Konstruktion für die Absorption von Spargeldern dar. Darüber hinaus hatten sie eine dominierende Stellung auf dem Spareinlagenmarkt.
Die Familie der Proteorhodopsine (PR) besteht aus Hunderten von PR Molekülen, die unter Lichteinwirkung Protonen pumpen und somit eine bedeutende Rolle für die Energiegewinnung spielen könnten. Da der pKa Wert des Proton Akzeptors der Schiff‘schen Base (SB) (~7.2) dem pH Wertes der Ozeane (~7.9) ähnelt, wird auch über eine regulatorische Funktion spekuliert. Wird in Erwägung gezogen, dass 24 000 PR Moleküle pro SAR86 Zelle vorhanden sind (Beja et al. 2001) und dass 13% der Bakterien der Meeresoberfläche PR besitzen (Sabehi et al. 2005) liefert dieses Protein wahrscheinlich einen bedeutenden Energiebeitrag neben der Photosynthese. Einblicke in den Mechanismus der Energieumwandlung erfordern sowohl die Untersuchung des Chromophores, welches die Lichtenergie absorbiert als auch der Struktur des Apoproteins, das durch die Generierung eines Protonengradienten zur Energiegewinnung beiträgt. Der Fokus der Doktorarbeit liegt auf dem Chromophor und seiner Umgebung. Eine erste Charakterisierung der SB und des Retinals erfolgt durch UV/VIS und NMR Messungen (Pfleger et al. 2008). Die 13C chemische Verschiebungen von 10,11-13C2 Retinal und die 15N chemische Verschiebung der protonierten SB, gebildet durch K231, zeigt eindeutig, dass im Grundzustand nur eine Konformation der Retinals, all-trans, vorliegt. Die 15N chemische Verschiebung weist außerdem auf eine starke Wechselwirkung der SB mit ihren Gegenionen hin. Desweiteren kann durch Messungen der 15N chemischen Verschiebung der SB bei verschiedenen pH Werten der pKa Wert der SB abgeschätzt werden, auf ~12. Diese Stabilisierung der positiv geladenen protonierten Form der SB weist auf die Existenz eines Wasserclusters hin, das durch die hohe Dielektrizitätskonstante die protonierte Form der SB stabilisieren könnte. Um zu überprüfen, ob Wasser an der SB gebunden ist, wird ein sogenanntes 15N-1H HETCOR Experiment durchgeführt. Der Bereich der 15N chemischen Verschiebung der SB korreliert mit einer Protonenresonanz bei ~5 ppm, welche im Bereich einer Wasserresonanz liegt und die durch D2O austauschbar ist. Dies indiziert eine wichtige Bedeutung von Wasser in der Nähe der SB für die Funktion von PR. Der Einfluss von Mutationen des Histidins H75 und des Aspartats D97 auf die 15N chemische Verschiebung der SB sowie die Auswirkung von Histidinmutationen auf das Chromophor deuten eine direkte Wechselwirkung von Aspartat 97 und der SB an, nicht aber eine direkte Wechselwirkung von H75 und der SB. Neben dem Chromophor ist außerdem das Signalpeptid Gegenstand der Untersuchung der Doktorarbeit. Motivation für die Untersuchung war die Inhomogenität der Proben, die im Zusammenhang mit ungleich prozessiertem PR stehen könnten. Ein zweiter Teil beschäftigt sich mit neuen Konzepten der Datenaufnahme, da das S/R in der Festkörper NMR ein limitierender Faktor darstellt. Diese beinhalten Verstärkung der Relaxation (RELOAD) sowie die Refokussierung von T2 bei Verwendung eines Prozessierungsschrittes, der „half echo alternating transformation“ (HEAT).
This thesis deals with the simulation, optimization and realization of quasi-optical scanning systems for active THz cameras. Active THz cameras are sensitive in the THz regime of the electromagnetic spectrum and are suitable for the detection of metal objects such as weapons behind clothing or fabrics (maybe for security applications) or material investigation. An advantage of active THz-systems is the possibility to measure the phase of the THz-radiation and thus to reconstruct the surface topography of the objects under test. Due to the coherent illumination and the required system parameters (like image field size, working distance and lateral resolution) the optical systems (in the THz region often called quasi-optical systems) must be optimized. Specifically, the active illumination systems require highly optimized quasioptical systems to achieve a good image quality. Since currently no suitable multi-pixel detectors are available, the object has to be scanned in one or two dimensions in order to cover a full field of view. This further reinforces the occurring aberrations. The dissertation covers, alongside the underlying theory, the simulation, optimisation and realisation of three different active THz systems. The subdivision of the chapters is as follows: Chapter 1 deals with a motivation. Chapter 2 develops the underlying theory and it is demonstrated that the geometrical optics is an adequate and powerful description of the image field optimization. It also addresses the developed analytic on-axis and the off-axis image field optimization routine. Chapter 3, 4 and 5 are about the basis of various active THz cameras, each presented a major system aspect. Chapter 3 shows how active THz-cameras with very high system dynamics range can be realised. Within this chapter it could although be demonstrated how very high depth resolution can be achieved due to the coherent and active illumination and how high refresh rate can be implemented. Chapter 4 shows how absolute distance data of the objects under test can be obtained. Therefore it is possible to reconstruct the entire object topography up to a fraction of the wavelength. Chapter 5 shows how off-axis quasi-optical systems must be optimized. It is also shown how the illumination geometry of the active THz systems must be changed to allow for real-time frame rates. The developed widened multi-directional lighting approach also fixes the still existing problem of phase ambiguity of the single phase measurement. Within this chapter, the world’s first active real-time camera with very high frame rates around 10 Hz is presented. This could be only realized with the highly optimised quasioptical system and the multi-directional lighting approach. The paper concludes with a summary and an outlook for future work. Within the outlook some results regarding the simulation of synthetic aperture radar systems and metamaterials are shown.
Decorin, a small leucine rich proteoglycan (SLRP) of the extracellular matrix (ECM) is a biologically active molecule with signaling capabilities modulating diverse cellular functions 1. In this report, we explore the role of the matrix proteoglycan decorin in the regulation of inflammation and apoptosis and the resultant biological significance in cancer and diabetic nephropathy. The mechanisms linking immunity and inflammation with tumor development are not well defined. Here we report a novel finding that the soluble form of decorin could autonomously trigger the synthesis of TNFα and IL-12 in macrophages through TLR2 and TLR4 in a p44/42- and p38-dependent manner. In the presence of LPS, decorin enhanced the effects of LPS by signaling additionally via TLR2. Further, decorin could enhance PDCD4 protein expression with subsequent inhibition of LPS-mediated IL-10 protein synthesis by two mechanisms: i) by TLR2/TLR4-dependent stimulation of PDCD4 synthesis and ii) by inhibition of the TGFβ1-induced increase of miR-21, a posttranscriptional suppressor of PDCD4 protein synthesis. Enhanced PDCD4, a translational inhibitor of IL-10, downregulated this anti-inflammatory cytokine, thereby further driving the cytokine profile towards a proinflammatory phenotype.
Importantly, these mechanisms appear to operate in a broad biological context linking pathogen-mediated with sterile inflammation as shown here for sepsis and growth retardation of established tumor xenografts. In sepsis, decorin is an early response gene evoked by inflammation and is markedly elevated in plasma of septic human patients and in plasma and tissues of septic mice. Our findings suggested that in vivo decorin alone mimics the effects of LPS by enhancing the plasma and tissue levels of pro-inflammatory TNFα, IL-12 and PDCD4 but when administered together with LPS, it potentiated the proinflammatory response of this PAMP by inhibiting active TGFβ1, miR-21 and hence the LPS mediated IL-10 production. In vivo, overexpression of decorin in tumor xenografts resulted in decorin/TLR2/4-driven synthesis of PDCD4, TNFα, IL-12 and decorin/TGFβ1/miR-21-mediated inhibition of PDCD4 suppression shifting the immune response to a pro-apoptotic and proinflammatory axis with strong anti-tumorigenic effects resulting in increased apoptosis and growth retardation of solid tumor. Thus, decorin signaling boosts inflammatory activity in sepsis and tumor. In contrast to the proinflammatory and proapoptotic role of decorin in tumor, decorin deficiency in diabetic kidneys led to enhanced apoptosis and increased mononuclear cell infiltration indicating that decorin might give rise to distinct biological outcomes depending on the cell type and biological context. Accordingly, in this study, we used a model of streptozotocin-induced diabetes type 1 in wild-type (Dcn+/+) and decorin-deficient- (Dcn-/-) mice to further elucidate the role of decorin in diabetic nephropathy. In this model, decorin was overexpressed in the mesangial matrix of the glomerulus and in the tubulointerstitium both at the mRNA and protein level in early stages of diabetic nephropathy which declined as the disease further progressed supporting the concept that decorin might act as a part of a natural response to hyperglycemia and to damage caused there from. These observations correlate with the data obtained in renal biopsies from patients at various stages of diabetic nephropathy 15, suggesting clinical relevance of our findings for the human disease. In the diabetic kidney, decorin deficiency was associated with: i) glomerular and tubular overexpression of p27Kip1 and enhanced proteinuria, ii) enhanced expression of TGFβ1 and CTGF resulting in increased accumulation of ECM, iii) overexpression of biglycan and elevated infiltration of mononuclear cells, iv) enhanced apoptosis of tubular epithelial cells despite overexpression of tubular IGF-IR. We further discovered that decorin binds to the IGF-IR in tubular epithelial cells and conveys protection against high glucose-mediated apoptosis providing evidence for a protective role of decorin during diabetic nephropathy development.
Thus, future therapeutic approaches that would either enhance the endogenous production of decorin or deliver exogenous decorin to the diseased solid tumors and/or diabetic kidney might improve the prognosis of these chronic diseases.
Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit steht der humane β2-adrenerge Rezeptor, ein intrinsisches Membranprotein und Mitglied der Superfamilie G Protein-gekoppelter Rezeptoren (GPCRs).
Es wurden im Wesentlichen zwei Themenschwerpunkte bearbeitet. Den ersten Schwerpunkt bildeten die heterologe Produktion des β2-adrenergen Rezeptors in der methylotrophen Hefe Pichia pastoris sowie dessen chromatographische Reinigung und Charakterisierung. Hierbei konnten in allen wesentlichen Punkten signifikante Verbesserungen im Vergleich zu früheren Arbeiten erzielt werden: Die Ausbeute an heterolog produziertem, funktionellem Rezeptor konnte um das bis zu Fünffache gesteigert werden; Die Gesamtausbeute nach chromatographischer Reinigung wurde um 60% erhöht; Es gelang die Darstellung reiner, monodisperser Rezeptorpräparationen mit einer spezifischen Ligandenbindungsaktivität von 94% und einer Halbwertszeit der Ligandenbindungsaktivität von >50 Tagen bei 4 °C. Eine pharmakologische Charakterisierung des Rezeptors erfolgte sowohl in Membranen als auch in solubilisiert-gereinigter Form. Ferner konnte die in vitro-Interaktion des solubilisiert-gereinigten Rezeptors mit einer konstitutiv aktiven β-Arrestin Variante nachgewiesen werden.
Ziel des zweiten Themenschwerpunkts der vorliegenden Arbeit war die Auffindung und Charakterisierung von rezeptorspezifischen, nicht auf Immunglobulinen basierenden Bindeproteinen, um diese später vorrangig zur Kokristallisation einsetzen zu können. Mit der zellfreien Selektionsmethode des ribosome display ist es hierbei gelungen, aus einer naiven, auf Ubiquitin als Gerüstprotein basierenden Bibliothek hochaffine, spezifische Bindeproteine gegen den β2-adrenergen Rezeptor zu isolieren. Für Monomere dieser sog. Affiline® wurden Dissoziationskonstanten bis etwa 450 nM gefunden, die durch Homodimerisierung auf etwa 70 nM verringert werden konnten. Zusätzlich wurde mit einer Affinitätsmaturierung ausgewählter Varianten begonnen.
Die Superfamilie der G Protein-gekoppelten Rezeptoren (GPCRs) bildet die größte und auch diverseste der vier Hauptgruppen membranständiger Rezeptoren. Im Rahmen der Signaltransduktion vermitteln diese die Umwandlung eines extrazellulären Signals in eine spezifische intrazelluläre Reaktion und nehmen so eine Schlüsselposition bei der Kommunikation zwischen Zellen ein. Bei GPCRs erfolgt die Weitergabe der ligandeninduzierten Konformationsänderung vorwiegend über Kopplung an und Aktivierung von Guanin-Nukleotidebindenden Proteinen (G Proteine), die dann ihrerseits mit verschiedenen Effektorsystemen in Wechselwirkung treten. Da ein Großteil aller zurzeit auf dem Markt befindlichen Medikamente ihre Wirkung durch Bindung an einen GPCR entfaltet, ist diese Proteinfamilie von besonders großem pharmakologischem Interesse. Auch der humane β2-adrenerge Rezeptor (β2AR) zählt zu den kommerziell wichtigen drug targets und ist zudem nach bovinem Rhodopsin der erste GPCR, für dessen Struktur experimentell bestimmte, atomare Modelle vorgelegt werden konnten.
Zur funktionellen Überproduktion des β2AR hatte sich bereits die methylotrophe Hefe Pichia pastoris bewährt. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass durch Anwendung hier erarbeiteter, optimierter Bedingungen das Produktionsniveau aller acht für dieses Expressionssystem zur Verfügung stehenden bzw. in dieser Arbeit hergestellten Konstrukte gegenüber früheren Ergebnissen deutlich gesteigert werden konnte. Hierbei wurde, je nach Konstrukt, eine Verdopplung bis Verfünffachung der Produktion an aktivem, bindungsfähigem Rezeptor erzielt. Bei drei der acht Konstrukte konnte das Produktionsniveau auf ≥ 50 pmol/mg Membranprotein gesteigert werden, was bis zu 1,1 mg aktivem Rezeptor in Membranen pro Liter Schüttelkultur entspricht. Die im Rahmen der Produktionsoptimierung der verschiedenen Konstrukte gewonnenen Erkenntnisse über den Einfluss sowohl von Art als auch Lokalisation eines bestimmten Anhängsels innerhalb der Expressionskassette auf das zu erwartende Produktionsniveau konnten genutzt werden, um bei einem mit bestimmten Eigenschaften neu zu erstellenden Konstrukt – einem Baukastensystem gleich – jene Anhängsel mit den gewünschten (und bekannten) Auswirkungen zu kombinieren. Auf dies Weise konnten auf Anhieb sehr gute Produktionsniveaus für neu erstellte Konstrukte erzielt werden.
Durch Optimierung einer zweischrittigen affinitätschromatographischen Reinigung konnte zum einen die Gesamtausbeute an gereinigtem β2AR um 60% gegenüber früheren Ergebnissen gesteigert werden. Zum anderen gelang es, für derartige, nach SDS-PAGE und analytischer Gelfiltration als homogen und frei von jeglichen Aggregationen befundenen Präparationen, die spezifische Aktivität (Radioligandenbindung) auf 94 ± 4% zu steigern. Die Halbwertszeit der spezifischen Aktivität derartiger Präparationen bei 4 °C lag bei über 50 Tagen. Im Rahmen einer alternativen Reinigungsstrategie konnte der praktische Nutzen proteolytisch abspaltbarer Affinitätsanhängsel in Fällen mit inhomogener posttranslationaler Prozessierung des rekombinanten Proteins durch das Expressionssystem nachgewiesen werden.
Durch Integration einer inversen Affinitätschromatographie in das Reinigungsschema konnte bei bestimmten Konstrukten die Homogenität und Dispersität der Präparation verbessert werden, bei gleichzeitiger vollständiger Entfernung sowohl der abgetrennten Anhängsel als auch der verwendeten Protease.
Die Ligandenbindung des β2AR wurde sowohl in Membranen als auch in solubilisiertgereinigter Form charakterisiert. Die hierbei für den Rezeptor in Membranen mit dem tritiierten Liganden [5,7-3H]-(-)-CGP-12177 erhaltene Dissoziationskonstante (KD) von 4,1 ± 0,2 nM befindet sich in guter Übereinstimmung mit den Literaturwerten für dieses Expressionssystem.
Bei der Charakterisierung der Ligandenbindung des β2AR in solubilisiert-gereinigter Form wurde ein stark modulierender Effekt von Lipiden auf die KD beobachtet: Die Dissoziationskonstante des soubilisiert-gereinigten Rezeptors wurde zu 8 ± 0,6 nM bestimmt, ließ sich jedoch durch gleichzeitige Verwendung von solubilisiertem Phosphatidylcholin und Cholesterinhemisuccinat im Bindungstest auf ein Viertel (2,13 ± 0,2 nM) diese Wertes reduzieren. Der Effekt der Affinitätsmodulation war voll reversibel und die Gesamtmenge (Bmax) an bindungsfähigem Rezeptor blieb praktisch unbeeinflusst.
Des weiteren konnte die spezifische Interaktion des solubilisiert-gereinigten β2AR mit rekombinantem, konstitutiv aktivem β-Arrestin in vitro nachgewiesen werden. Dies ist sowohl für die Etablierung etwaiger funktioneller Assays als auch für Ansätze zur Kokristallisation des β2AR mit einem physiologischen Bindungspartner für von Interesse.
Im Rahmen des zweiten Themenkomplexes wurde die Methode des ribosome display (RD) erfolgreich eingesetzt, um Bindeproteine gegen den β2AR zu selektieren. Ziel war es hier, diese später zur Kokristallisation mit dem Zielprotein einsetzen zu können. Das RD als zellfreie (in vitro) Selektionsmethode findet für lösliche Proteine bereits seit längerem breite Anwendung.
Für Membranproteine wurde es bisher hingegen nur sehr selten erfolgreich verwendet und der Einsatz bei GPCRs ist als neu zu bezeichnen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine hochdiverse (theoretische Diversität: 1013, funktionelle Größe 1010 – 1011), naive Bibliothek verwendet, die auf Ubiquitin als Gerüstprotein basiert und von SCIL Proteins, Halle unter der Bezeichnung Affilin® entwickelt wurde. Es handelt sich somit um alternative, d. h. nicht auf Antikörpern oder deren Fragmenten beruhenden Bindeproteine. Zielprotein der in dieser Arbeit durchgeführten Selektionen war solubilisiert-gereinigter β2AR. Sämtliche Arbeiten unter Beteiligung des Zielproteins fanden zur Bewahrung dessen Aktivität in Anwesenheit von Detergenz statt. Die verschiedenen Schritte des RD mussten daher zunächst an die speziellen Erfordernisse des Zielproteins angepasst und geeignete Bedingungen zur Durchführung einer Selektion gefunden werden. Durch entsprechende Vorversuche wurde dann verifiziert, dass der Rezeptor unter den gewählten Selektions- und Immobilisierungsbedingungen seine Ligandenbindugsaktivität beibehält. Es wurden insgesamt sechs RD-Selektionsrunden durchgeführt und der abschließend vorliegende Bindeprotein-Subpool war noch divers (keine Reduktion auf eine Konsensus-Sequenz). Zur Charakterisierung der angereicherten Varianten wurde eine Abfolge von Hochdurchsatzverfahren sowie abschließenden Einzelanalysen eingesetzt. Hierbei gelang es, hochaffine, spezifische Bindeproteine gegen den β2AR zu isolieren. Die beobachteten Dissoziationskonstanten (KD) der detailliert charakterisierten Affilin-Monomere reichen von etwa 15 μM bis hin zu 450 nM. Nach Homodimerisierung ausgewählter, zuvor charakterisierter Varianten wurde eine Verringerung der Dissoziationskonstanten bis auf etwa 70 nM beobachtet. Damit decken die selektierten Bindeproteine einen Affinitätsbereich ab, der verschiedenartige Anwendungsgebiete eröffnet: Vom Einsatz zur affinitätschromatographischen Reinigung des Zielproteins, über dessen immunologischen Nachweis bzw. dem Einsatz in Assaysystemen bis hin zur Kokristallisation mit dem Zielprotein. Die Spezifität der Bindeproteine wurde gegenüber verschiedenen Negativkontrollen wie etwa dem verwendeten Immobilisierungssystem aber auch gegenüber anderen GPCRs mit homologer Auswahl an Affinitätsanhängseln verifiziert. Durch geeignete Konditionierung (prepanning) der in den eigentlichen Selektionsprozess eingehenden ternären Komplexe war es gelungen, die Anreicherung unerwünschter, gegen das zur Immobilisierung verwendete Biotin/Streptavidin-System gerichteter Varianten wirkungsvoll zu verhindern.
Die selektierten Bindeproteine konnten in verschiedenen Maßstäben (von 1 ml bis 1 l) mit sehr hohen Ausbeuten in E. coli produziert werden. Nach Affinitätschromatographie und präparativer Gelfiltration wurden hochreine, monodisperse Präparationen erhalten. Die Gesamtausbeuten an gereinigtem Bindeprotein lagen bei etwa 15 mg/l Kulturvolumen.
Neben der Affinitätsbestimmung wurde die Bindung einzelner Affilin-Varianten an den β2AR sowohl mittels pull-down Assay als auch analytischer Gelfiltration verifiziert. Parallel zur Homo- und Hetero-Dimerisierung wurde eine Affinitätsmaturierung ausgewählter Varianten begonnen. Diese Affinitätsmaturierung der Monomere erfolgte in einem evolutiven Ansatz bestehend aus Zufallsmutagenese zuvor charakterisierter Varianten und anschließender Selektion im Rahmen eines erneuten RD.
Systematische Ansätze zur Kokristallisation des β2AR mit mehreren der aus der Selektion hervorgegangenen alternativen Bindeproteine wurden durchgeführt.
Die vorliegende Studie untersucht elf PatientInnen mit manischen Episoden in der Vorgeschichte. Keiner war bisher wegen einer depressiven Episode stationär behandelt worden (ICD 10 F31.8). Der Untersuchungszeitpunkt liegt im krankheitsfreien Intervall. Dieser psychiatrischen Gruppe gegenübergestellt werden 11 bzw. 22 stationäre, somatisch erkrankte PatientInnen (gematcht nach Alter und Geschlecht). Als Meßinstrumente dienen das idiografische Verfahren der Repertory Grid-Technik und der standardisierte Gießen-Test, zusätzlich ein halbstandardisiertes Interview zur Erfassung der anamnestischen Daten.
Mit dem Gruppenvergleich und dem hypothesengenerierenden Ansatz aus den Kasuistiken werden für das Selbstkonzept und die interpersonelle Bewältigung der Erkrankung bedeutsame Persönlichkeitsdimensionen erfasst. In der Literatur ist der „Typus manicus“ (V. ZERSSEN, 1986, HECHT ET AL, 1997), die hypomanische Grundstimmung und der Bezug auf soziale Normen und Konventionen (KRÖBER, 1988) beschrieben.
SAUER, RICHTER ET AL (1997) erarbeiteten einen höheren Wert für Extraversion und geringere Rigidität bei manisch Erkrankten gegenüber unipolar Depressiven, aber mehr Rigidität und Isolationstendenz und weniger Normorientiertheit als bei Gesunden. Ebenso werden Bipolar I Erkrankten mehr Persönlichkeitsanteile, wie emotionale Stärke/Stabilität, Gelassenheit, Selbstvertrauen, Ich-Kontrolle, aber auch mehr hysterische Züge und Neurotizismus als psychisch Gesunden zugeschrieben (SOLOMON ET AL., 1996).
Unter Berücksichtigung dieser Ergebnisse aus der Literatur wird angenommen, dass sich die unipolar manischen PatientInnen durch verschiedene Persönlichkeitsdimensionen und auffällige interpersonelle Objektbeziehungen von der somatisch erkrankten Gruppe unterscheiden. Es werden prägnant mehr und häufiger Charakterzüge des „Typus manicus“ (höheres Selbstwertgefühl, unabhängig, unkonventionell, geringere Normorientiertheit, phantasievoll, leichtfertig, extravertiert) in der psychiatrischen Gruppe vermutet. Ebenso wird ein idealisiertes, hochambivalentes Vaterbild erwartet, als Zeichen des eher väterlichen Über-Ichs (MENTZOS, 1995). Darüber hinaus wird eine problematische Paarbeziehung zur Stabilisierung der eigenen intrapsychischen Anteile erwartet. Auf der Basis eines objektbeziehungstheoretischen Modells der Depression und Manie wird ein dynamischer Zusammenhang zwischen der Regulation des Selbstwertgefühls und den interpersonellen Beziehungsmustern postuliert.
Um das Selbstwertgefühl zu erfassen, werden in der Repertory Grid-Technik die Selbstelemente (Selbst, Ideal-Selbst, normatives Selbst) vorgegeben. Zur Beurteilung der Objektbeziehungen werden die Elemente Mutter, Vater und PartnerIn hinzugefügt. Die gleichen Selbst- und Fremdbilder werden mit dem Gießen-Test erfragt. Das Konstruktsystem der psychiatrischen PatientInnen ist weder eingeengt noch zeigt es eine Denkstörung. Der Aufbau, untersucht an der Verteilung auf die Hauptkomponenten, ist vergleichbar mit dem der Kontrollgruppe.
Deutlich wird ein höheres Selbstwertgefühl in der psychiatrischen Gruppe gegenüber der somatischen Kontrollgruppe durch eine geringere mittlere Distanz zwischen dem Selbst und Ideal-Selbst in der Repertory Grid-Technik. Es kann ein relativ hohes Selbstwertgefühl einer zum Befragungszeitpunkt symptomfreien Gruppe zugeordnet werden. Dies kann aber nicht durch die mittlere Distanz zwischen Selbst und normativem Selbst gestützt werden. In den Einzelfällen zeigt keine ProbandIn ein niedriges, neun ein normales und zwei ein hohes Selbstwertgefühl. Dieses zu den Charakterzügen des „Typus manicus“ passende höhere Selbstwertgefühl lässt sich durch den Gießen-Test nicht bestätigen. Die erwartete hypomanischere Grundstimmung der untersuchten Gruppe bestätigt sich nicht. Im Gegenteil, die psychiatrischen ProbandInnen schätzen sich depressiver ein als die Kontrollgruppe.
Die Eigenschaften „unkonventionell“ und „weniger Normorientiertheit“ lassen sich durch eine größere mittlere Distanz in der Repertory Grid-Technik zwischen Ideal-Selbst und normativem Selbst beweisen. Dies zeigt sich auch im Gießen-Test. Leider sind insgesamt im Mittel keine prägnanten Ergebnisse, sondern nur Tendenzen zu erkennen. Die Hypothesen zum Selbstwertgefühl lassen sich in der Repertory Grid-Technik lediglich durch Tendenzen bestätigen, die sich im Gießen-Test nicht zeigen. Aber es wird zum ersten Mal für ein zur Zeit symptomfreies Kollektiv ein relativ hohes Selbstwertgefühl im Repertory Grid nachgewiesen. Bei der Betrachtung der Objektbeziehungen fällt eine große Varianzaufklärung des phasenspezifischen Selbst unter den manisch Erkrankten in Repertory Grid-Technik auf. Andere Elemente werden dadurch schwer interpretierbar. Wichtige Bezugspersonen scheinen außer den Eltern FreundInnen und Bekannte zu sein. Die Mutter wird am häufigsten als Konfliktperson genannt.
Die mittleren Distanzen zwischen den Selbstelementen und den Eltern im Repertory Grid zeigen eine größere Nähe zum Vater. Dies deutet auf ein eher väterliches Introjekt, bei hochambivalenter Beziehung (Distanz Ideal-Selbst zum Vater entweder auffällig klein oder auffällig groß). Durch den Gießen-Test bestätigt sich die größere Nähe des Ideal-Selbst und des normativen Selbst zum Vater, leider nicht die erwartete Nähe des Selbst zum Vater.
Die Ergebnisse zu den Selbst-Objekt-Beziehungen sind deutlich und können meist durch den Gießen-Test bestätigt werden.
Die Repertory Grid-Technik eignet sich als individuumzentriertes, idiografisches Testinstrument, um individuelle Beziehungsstrukturen auf kognitiver Ebene zu erfassen. Dies wird anhand der Kasuistiken deutlich. Die Operationalisierung des Selbstwertgefühls und der Selbst-Objekt-Beziehungen über die Mittelwerte bleibt schwierig.
Einzelne, für die Studie wichtige Elemente, sind aufgrund der geringen Varianzverteilung schwer interpretierbar. Die zum Teil nicht übereinstimmenden Ergebnisse zum Selbstwertgefühl aus beiden Testinstrumenten könnten durch die unterschiedlichen für sie aktuellen Konstrukträume der Untersuchten bedingt sein. Eventuell ist der standardisierte Raum des Gießen-Testes für viele manisch Erkrankte für intrapersonale Strukturen nicht relevant. Sie haben sich, wie KRÖBER (1988) ausführt, im Verlauf ihrer Erkrankung zu weit von dem Normalen entfernt.
Leider konnte aufgrund der schwer erreichbaren und sehr seltenen Erkrankung keine größere Stichprobe untersucht werden. Es bietet sich an, die Ergebnisse auch mit Hilfe anderer Testinstrumente an größeren Stichproben zu validieren.
Durch die Kombination aus Gruppenauswertung und Einzelfallbetrachtung wird deutlich, dass auffällige Einzelbefunde oft nivelliert werden. Auch dies sollte an größeren Stichproben mit der Möglichkeit von Untergruppierungen überprüft werden.
Numorous psychotherapeutic approaches have been put forward to better treat patients with chronic psychological problems or severe personality disorders, among them Schema Therapy (Young, Klosko & Weishaar, 2003). Within Schema Therapy, there are two important theoretical constructs: early maladaptive schemas, which are conceptualized as stable and lasting emotional, behavioral and cognitive patterns regarding ourselves, the world and other people that have their origins in childhood or adolescence and schema modes, which are current states that describe the rapid shifts in emotion, cognition and behaviour that can be seen in patients with severe personality disorders. Schema Therapy has growing popularity with clinicians in the last decade, but only a few studies have tested the empirical validity of the schema mode model. Lobbestael, van Vreeswijk, Spinhoven, Schouten & Arntz (2010) developed and evaluated the Schema Mode Inventory to assess schema modes within the framework of a questionnaire. This instrument has been translated to the German language and the psychometric properties of the instrument indicate an adequate fit to the model established in the original Dutch study (paper 1).
In Schema Therapy, on the one hand mode concepts have been proposed without a focus on one specific disorder (Young et al., 2003), but on the other hand disorder-specific concepts have been established that form the basis for manualization and research. The most popular disorder specific mode concept is that of Borderline Personality Disorder (Arntz & van Genderen, 2009). In randomized controlled trials the effectiveness of Schema Therapy for Borderline Personality Disorder in the individual setting (Giesen-Bloo, van Dyck, Spinhoven, van Tilburg, Dirksen et al., 2006) and the group setting (Farrell, Shaw & Webber, 2009) was evaluated. Whereas Schema Therapy for Borderline Personality Disorder in the individual setting has been manualized (Arntz & van Genderen, 2009), a manual for group Schema Therapy is not yet available, Therefore, particularly since this last evaluation study, there has been a need to better describe, how the Schema Therapy mode model for Borderline Personality Disorder has been applied to the group setting (papers 2 & 3) as well as how both modalities of Schema Therapy treatment, individual and group, are combined in intensive psychotherapy settings such as inpatient or day care (papers 4 & 5). Lastly the question has been put forward as to how effective Schema Therapy for Borderline Personality Disorder is in intensive treatment environments, where it is assumed that the severity of the disorders treated is even higher. It is found that a combined program of individual and group Schema Therapy for Borderline Personality Disorder is effective in the inpatient setting. Subtle variations in treatment programs in three pilot studies leave room for the discussion of possible factors influencing treatment effects (paper 6). The results of all studies are discussed on the background of Schema Therapy’s development as a new psychotherapy approach for the treatment of complex disorders.
NK cells are part of the innate immune system, and are important players in the body’s first defence line against virus-infected and malignantly transformed cells. While T cells recognize neoplastic cells in an MHC-restricted fashion, NK cells do not require prior sensitization and education about the target. In leukemia and lymphoma patients undergoing allogeneic hematopoietic stem cell transplantation not only T cells but also NK cells have been found to mediate potent graft-versus-tumor effects. Hence, autologous or donor-derived NK cells hold great promise for cancer immunotherapy. Since the generation of highly purified NK cell products for clinical applications is labor-intensive and time consuming, established human NK cell lines such as NK-92 are also being considered for clinical protocols. NK-92 cells display phenotypic and functional characteristics similar to activated primary NK cells. While NK-92 cells are highly cytotoxic towards malignant cells of hematologic origin, they do not affect healthy human tissues. NK-92 cells can be expanded under GMP-compliant conditions, and can therefore be provided in sufficient numbers with defined phenotypic characteristics for clinical applications. Safety of NK-92 cells for adoptive immunotherapy was already shown in two phase I/II clinical trials...
Das Gleichgewicht zwischen den Sphingolipiden Ceramid und Sphingosin-1-Phosphat (S1P) spielt eine entscheidende Rolle für das Schicksal einer Zelle. Es ist bekannt, dass Ceramid proapoptotisch wirkt, wohingegen S1P antiapoptotische und entzündungshemmende Signalwege induziert [6]. Eine Beeinflussung der Sphingolipid-metabolisierenden Enzyme sowie eine daraus resultierende gestörte Balance zwischen Ceramid und S1P ist somit ein Merkmal diverser entzündlicher Krankheiten wie der Asthma bronchiale, der Colitis ulcerosa [148] oder auch verschiedenen Arten von Tumoren [199]. Das Hauptziel dieser Arbeit lag in der Untersuchung der Ceramid-abbauenden neutralen Ceramidase (NCDase) und der S1P-synthetisierenden Sphingosinkinase 1 (SK1) in verschiedenen Nierenzellen. Ein Fokus wurde dabei auf die Regulierung dieser Enzyme durch entzündungshemmende Corticosteroide in Ratten Mesangiumzellen gelegt, wobei diese Zellen entscheidend in der Entstehung entzündlicher Nierenerkrankungen wie einer Glomerulonephritis sind. Weiterhin wurde der Einfluss der Mutation putativer Phosphorylierungsstellen der NCDase auf die Regulierung dieses Enzyms in HEK293 Zellen untersucht und in einem dritten Teil der Arbeit schließlich die Expression und die Funktion der SK1 in der humanen Niere im Vergleich zum Nierenzellkarzinom analysiert.
Es konnte gezeigt werden, dass Glucocorticoide (GCs) Mesangiumzellen durch eine Steigerung der intrazellulären S1P-Konzentrationen vor durch Stress induzierter Apoptose schützen. Diese Beeinflussung des Sphingolipid-Rheostats beruhte auf einer gesteigerten mRNA- und Proteinexpression der Sphingosinkinase 1 (SK1) und der neutralen Ceramidase (NCDase). Außerdem wurde nachgewiesen, dass der Promotor der NCDase durch GCs aktivierbar ist und dass zwei Glucocorticoid-responsive-Elemente (GREs) innerhalb der Promotorsequenz durch die Bindung von Glucocorticoidrezeptoren (GRs) diese Aktivierung bewirken. In vivo Experimente mit isolierten Glomeruli, die aus mit Dexamethason behandelten Mäusen gewonnen wurden, zeigten ebenfalls eine Erhöhung der mRNA-Expression und Aktivität der SK1 sowie eine gesteigerte Proteinexpression der NCDase. Somit wurde erstmals ein direkter Einfluss von GCs auf den Sphingolipidmetabolismus in Mesangiumzellen beschrieben.
In einem zweiten Teil dieser Arbeit wurde gezeigt, dass eine Mutation zweier putativer Proteinkinase C (PKC)-Phosphorylierungsstellen (T253A und T420/23A) in der Sequenz der murinen NCDase zu einem verlangsamten Reifungsprozess dieses Enzyms führt. Western Blot-Analysen ergaben, dass der überexprimierte NCDase-WT zwei unterschiedlich glykosylierte Isoformen mit einem Molekulargewicht von 120 und 130 kDa exprimiert, welche stetig durch einen aktiven Prozess sezerniert werden. Im Gegensatz dazu war in den Mutanten ausschließlich die 130 kDa-Form im Zellkulturüberstand und die 120 kDa-Form im Lysat zu finden. Im Gegensatz zum WT lokalisierten die Mutanten lediglich an intrazellulären Membranen und nicht zusätzlich an der Plasmamembran. In Lysaten von Zellen die die Mutanten exprimierten, konnte eine verringerte relative Aktivität gemessen werden, die der sezernierten mutierten Formen hingegen war erhöht. Daher wurde vermutet, dass die 130 kDa-Form die reife Plasmamembran-gebundene und anschließend sezernierte, aktivere Isoform der NCDase darstellt. Die Inkubation von Mesangiumzellen mit Zellkulturüberständen, die den sezernierten NCDase-WT enthielten, führte zum Schutz vor durch Stress induzierter Apoptose. Somit kann eine auto- bzw. parakrine Funktion der sezernierten NCDase angenommen werden.
Dem dritten Teil der Arbeit lag die erstmalige Beschreibung der SK1-Expression in der gesunden humanen Niere zugrunde. Es konnte gezeigt werden, dass diese im Zytoplasma sowie an Membranen von Zellen des proximalen Tubulus sowie in geringerem Maße in Podozyten und Mesangiumzellen des Glomerulus exprimiert wird. Im Gegensatz dazu wurde die SK1 in Biopsien von Patienten mit Nierentumor im Nukleus gefunden. Die Untersuchung der SK1-Expression in 5 verschiedenen Nierentumorzelllinien im Vergleich zu Epithelzellen des proximalen Tubulus (Human Kidney 2 - HK2-Zellen) ergaben, dass sowohl die Protein- als auch die mRNA-Expression der SK1 in Föhn-Zellen stark erhöht, in ACHN3-Zellen hingegen signifikant niedriger war. Zudem konnte auch in den Föhn-Zellen eine nukleäre Expression der SK1 nachgewiesen werden. Die Behandlung von HK2-, ACHN3- und Föhn-Zellen mit dem Transforming Growth Factor-ß2 (TGF-ß2) resultierte in einer transkriptionellen Steigerung der SK1-Expression. Die Herunterregulierung der SK1 in diesen Zellen führte zu einem Arrest der Zellen in der S Phase, wohingegen die Überexpression der SK1 in den ACHN3-Zellen zu einem signifikanten Schutz vor Apoptose führte.
Zusammenfassend sind die Sphingolipid-metabolisierenden Enzyme NCDase und SK-1 ein interessanter therapeutischer Ansatzpunkt zur Behandlung von Krankheiten, die mit pathologischen Prozessen wie Entzündung, Apoptose und Proliferation einhergehen, wie es bei Glomerulonephritiden und bei Nierentumoren der Fall ist.