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In dieser Arbeit werden die Ergebnisse quantenchemischer Untersuchungen von verschiedenen Siliciumverbindungsklassen vorgestellt, die in weiten Teilen als Begleitung zu experimentellen Arbeiten durchgeführt wurden. Das erste Hauptkapitel befasst sich mit den Chloridkomplexen von Perchlorsilanen, zu denen die inversen Sandwichkomplexe und die Silafullerane mit endohedralem Gast gehören. Der Fokus liegt dabei auf den Bindungseigenschaften zwischen Ligand und Silan. Weiterhin werden thermodynamische Untersuchungen zu Aufbaureaktionen und Eigenschaften der Verbindungen vorgestellt. Mit den durchgeführten Rechnungen kann gezeigt werden, dass durch Wahl geeigneter Substituenten am Siliciumatom ein Wechsel in den Chloridkomplexen von einem hyperkoordinierten Siliciumatom hin zu einem Siliciumatom mit ausgebildeter Tetrelbindung erreicht werden kann. Bei den inversen Sandwichkomplexen sind beide Bindungsmodi möglich, von denen die Tetrelbindung die stärkere darstellt. Neben Chloridionen können hier auch Nitrile und Chlorsubstituenten am eigenen Silangerüst als Liganden fungieren. Die stärksten Tetrelbindungen können bei den endohedral funktionalisierten Silafullerankomplexen gefunden werden. Hier stellt das experimentell isolierte Strukturmotiv mit zwölf äußeren Trichlorsilylsubstituenten das thermodynamisch stabilste Substitutionsmuster dar. Im folgenden Kapitel werden die generellen physikalischen Ursachen für die beobachteten thermodynamischen Trends zwischen Perchlorsilanisomeren sowie Disproportionierungsreaktionen behandelt und ein direkter Vergleich mit Alkanhomologen angestellt. Bei den Perchlorsilanen und den meisten Homologen ist bei den untersuchten Systemen eine energetische Präferenz von verzweigteren Strukturen zu erkennen. Die Ursache hierfür liegt hauptsächlich bei stärkeren attraktiven Wechselwirkungen durch Korrelationseffekte, Hyperkonjugation sowie elektrostatische Effekte, welche stärkere repulsive Wechselwirkungen wie die Pauli-Repulsion überkompensieren. Im letzten Kapitel kommen zu den bisher behandelten Reaktionen unter Si-Cl- und Si-Si-Bindungsbeteiligung noch Reaktionen unter Si-C-Bindungsbeteiligungen hinzu. Dort werden die auch wegen ihrer Elektronentransporteigenschaften interessanten Silacyclopentadiene (Silole) hinsichtlich ihrer Isomerisierung, Dimerisierung und weiteren pericyclischen Reaktivität untersucht. Gegenüber dem verwandten Cyclopentadien zeigen diese eine deutlich erhöhte Reaktivität, was zu verschiedenen Dimerisierungsreaktionen führt, solange keine Abfangreagenzien im Überschuss zugegen sind.
Protein ubiquitination is a post-translational modification that typically involves the conjugation of ubiquitin to substrate proteins via a three-enzyme cascade and regulates a wide variety of cellular processes. Recent studies have revealed that SidE family of Legionella effectors such as SdeA catalyzes novel phosphoribosyl-linked ubiquitination (PR-ubiquitination) of serines in host substrate proteins utilizing NAD+, without the need of E2, E3. The catalytic core of SdeA comprises a mono-ADP-ribosyltransferase (mART) domain that functions to ADP-ribosylate ubiquitin, and a phosphodiesterase (PDE) domain that processes ADP-ribosylated ubiquitin and transfers the resulting phosphoribosylated ubiquitin to serines of substrates.
To date, extensive efforts have been made to study the function of SdeA and mechanism of SdeA mediated PR-ubiquitination, however, the cellular effects of this novel ubiquitination and phosphoribosylation of ubiquitin remained poorly understood. In our study, using biochemical and cell biological approaches, we explored the biological effect of phosphoribosylation of ubiquitin caused by SdeA in cells. We found that phosphoribosylated ubiquitin is not available for conventional ubiquitination, thereby phosphoribosylation of ubiquitin impairs numerous classical ubiquitination related cellular processes including mitophagy, TNF-α signaling and proteasomal degradation.
The precise temporal regulation of the functions of bacterial effectors during Legionella infection by other effectors with antagonizing activities has been well studied so far. Not surprisingly, PR-ubiquitination catalyzed by SidE family effecters is tightly controlled as well, it has been long known that effector SidJ counteracts the toxicity of SdeA to yeast cells. Interestingly, in an experiment for verifying the activity of SidJ, we found that Legionella lysate lacking SidJ was still able to remove ubiquitin from PR-ubiquitinated substrates. Using biochemical approach we identified DupA and DupB, two Legionella bacterial effectors that specifically reverse the novel serine PR-ubiquitination catalyzed by SdeA. We found that DupA and DupB possess a highly homologous PDE domain that removes ubiquitin from PR-ubiquitinated substrates by cleaving the phosphodiester bond between the phosphoribosylated-ubiquitin and serines of substrates. Catalytically deficient mutant DupA H67A strongly binds to PR-ubiquitinated proteins but not capable of cleaving PR-ubiquitin, using it as a trapping bait we identified over 180 substrates of PR-ubiquitination, including a number of ER and Golgi proteins.
In particular, we found that exogenously expressed SdeA localizes to the Golgi apparatus via its C-terminal region and disrupts the Golgi. We validated the identified potential substrates of SidE effectors and found that SdeA modifies Golgi tethering proteins GRASP55 and GRASP65. Using mass spectrometry analyses we identified four serine targets (S3, S408, S409, S449) of GRASP55 PR-ubiquitinated by SdeA in vitro. Ubiquitination of GRASP55 serine mutant in cells co-expressing SdeA or infected with Legionella was markedly decreased, compared with that of the wild-type GRASP55. In addition, with co-immunoprecipitation analyses we found that SdeA-catalyzed ubiquitination regulates the function of GRASP55. PR-ubiquitinated GRASP55 exhibited reduced self-interaction compared to unmodified GRASP55, expression of GRASP55 serine mutant in cells in part rescued Golgi damage caused by SdeA. Furthermore, our study reveals that Golgi structure disruption caused by SdeA does not result in the recruitment of Golgi membranes to the Legionella-containing vacuoles. Instead, it affects cellular secretory pathway including cytokine secretion in cells.
Taken all together, this work expands the understanding of this unconventional PR-ubiquitination catalyzed by Legionella effectors and sheds light on the functions of PR-ubiquitination by which Legionella regulates the Golgi function and secretion pathway during bacterial infection.
Ziel der Studie: Eine psychische Komorbidität spielt im Kontext mit weiteren persönlichen, sozialen und beruflichen Faktoren bei der Ermittlung des spezifischen Rehabilitationsbedarfs der Patienten in Deutschland eine immer bedeutendere Rolle. Um die Zuweisung von Patienten zu einer Rehabilitationsform besser ausdifferenzieren zu können, soll im Rahmen dieser retrospektiven Analyse ermittelt werden, von welchem der beiden untersuchten Rehabilitationskonzepte (OR/VMO) Patienten mit psychischer Komorbidität unter Berücksichtigung von Geschlecht, Erwerbsstatus und orthopädischer Hauptdiagnose stärker profitieren.
Methodik: Mittels der Screening-Fragebögen HADS-A, HADS-D, SIMBO und BPI sowie eines Klinikfragebogens zu Beginn der Rehabilitation wurden Angaben von 913 Probanden (529 m/384 w) ausgewertet. Hiervon wurden 43 % der OR und 57 % der VMO zugewiesen. So wurde die Häufigkeitsverteilung der Faktoren psychische Komorbidität, Geschlecht, Erwerbsstatus und orthopädische Hauptdiagnose festgestellt. Mittels HADS wurde am Ende der Therapie der Benefit durch Vergleich der Scorewert-Mediane ermittelt.
Ergebnisse: Häufigkeitsverteilungen und die Entwicklung der HADS-Scores zeigen, dass die im Vorfeld erfolgte Einteilung gemäß psychischer Komorbidität korrekt war. Frauen waren häufiger von einer psychischen Komorbidität betroffen und erzielten in der VMO größere Erfolge. Bezüglich der orthopädischen Hauptdiagnose ergab sich eine hohe Prävalenz von HWS- und LWS-Beschwerden. Beim Erwerbsstatus (Arbeits(un)fähigkeit, Arbeitslosigkeit, berufliche Problemlage) zeigte sich ein diffuseres Bild, das keine generalisierende Aussage bezüglich der arbeitsweltbezogenen Faktoren zulässt.
Schlussfolgerungen: Das Vorliegen einer psychischen Komorbidität stellt einen zielführenden Indikator dar, der als eines der Hauptzuweisungskriterien zur VMO beizubehalten ist. Auch das weibliche Geschlecht in Verbindung mit dem Vorliegen einer psychischen Komorbidität ist als adäquates Kriterium anzusehen. Bezüglich der orthopädischen Hauptdiagnose können insbesondere HWS-Beschwerden als Zuweisungskriterium geeignet sein. Aufgrund der sehr heterogenen Ergebnisse hinsichtlich der Aspekte des Erwerbsstatus lässt sich festhalten, dass diesbezüglich eine Zuweisung zu einem arbeitsweltbezogenen Therapiekonzept (z. B. MBOR) zielführender erscheint.
The aim of this work was to establish a new way of predicting novel dual active compounds by combining classical fingerprint representation with state-of-the-art machine learning algorithms. Advantages and disadvantages of the applied 2D- and 3D-fingerprints were investigated. Further, the impact of various machine learning algorithms was analyzed. The new method developed in this work was used to predict compounds, which inhibit two different targets (LTA4H and sEH) involved in the same disease pattern (inflammation). The development of multitarget drugs has become more important in recent years. Many widespread diseases like metabolic syndrome, or cancer are of a multifactorial nature, which makes them hard to be treated effectively with a single drug. The new in silico method presented in this work can help to accelerate the design and development of multitarget drugs, saving time and efforts.
The nowadays readily available access to a large number of 3D-structures of biological targets and published activity data of millions of synthesized compounds enabled this study and was used as a starting point for this work. Four different data sets were compiled (crystalized ligands from the PDB, active and inactive compounds from ChEMBL23, newly designed compounds using a combinatorial library). Those data sets were collected and processed using an automated KNIME workflow. This automation has the advantage of allowing easy change and update of compound sources and adapted processing ways.
In a next step, the compounds from the compiled data sets were represented using a variety of well-established 2D- and 3D-fingerprints (PLIF, AtomPair, Morgan, FeatMorgan, MACCS). All those fingerprints share the same underlying bit string scheme but vary in the way they describe the molecular structure. Especially the difference between 2D- and 3D-fingerprints was investigated. 2D-fingerprints are solely based on ligand information. 3D-fingerprints, on the other hand, are based on X-ray structure information of protein-ligand complexes. One major difference between 2D- and 3D-fingerprints usage is the need for a 3D-conformation (pose) of the compound in the targets of interest when using 3D-fingerprints. This additional step is time-consuming and brings further uncertainties to the method.
Based on the calculated fingerprints state-of-the-art machine learning algorithms (SVC, RF, XGB and ADA) were used to predict novel dual active compounds. The models were evaluated by 10-fold cross validation and accuracy as the primary measure of model performance was maximized. Second, individual parameters of the four machine learning algorithms were optimized in a grid search to achieve maximal accuracy using the optimized partitioning scheme. Overall accuracies, regardless of fingerprint and machine learning algorithm, are slightly better for LTA4H than for sEH.
The goal to predict dual active compounds was realized by comparing the set of predicted to be active compounds for LTA4H and sEH. For the 3D-fingerprint PLIF the machine learning algorithm Random Forest was chosen, from which compounds for synthesis and testing were selected. Of 115 predicted to be active compounds, six compounds were cherry picked. Two compounds showed very good/moderate dual inhibitory activity. Of the 2D-fingerprints, the AtomPair fingerprint in combination with the machine learning algorithm Random Forest was chosen from which compounds were selected for synthesis and testing. 116 compounds were predicted to be dual active against LTA4H and sEH. One of those compounds showed good dual inhibitory activity.
In this work it was possible to show advantages and disadvantages of using 2D- and 3D-fingerprints in combination with machine learning algorithms. Both strategies (2D: ligand-based, 3D: structure-based) lead to the prediction of novel dual active compounds with moderate to very good inhibitory activity. The method developed in this work is able to predict dual active compounds with very good inhibitory activity and novel (previously unknown) scaffolds inhibiting the targets LTA4H and sEH. This contribution to in silico drug design is promising and can be used for the prediction of novel dual active compounds. Those compounds can further be optimized regarding binding affinity, solubility and further pharmacological and physicochemical properties.
Empathie ist ein mehrdimensionales psychologisches Konstrukt, das aus verschiedenen Facetten besteht (Decety & Ickes, 2011). Es ist anzunehmen, dass Empathie ein wichtiger Mechanismus ist, um Menschen miteinander zu verbinden und eine Gruppenkohäsion möglich zu machen (Rameson & Lieberman, 2009). Neben der Fähigkeit die Erlebenswelt des Gegenübers mit eigenen mentalen Repräsentationen nachzuvollziehen, werden dadurch Emotionen ausgelöst, die denen des Gegenübers sehr ähnlich sind. Gleichzeitig unterscheidet sich dieses Gefühlserleben aber beispielsweise von reiner Gefühlsansteckung, da eine Selbst-Andere Differenzierung stattfindet und in einer empathischen Episode immer im Vordergrund steht, dass man sich aufgrund der Gefühle des anderen so fühlt (Altmann, 2015). Hier spielt Imitation eine wichtige Rolle, wenn es darum geht, die Erlebenswelt der anderen Person zu erfassen (Meltzoff & Decety, 2003). Besonders auch bei Lehrkräften zeigt sich eine Wichtigkeit von empathischem Handeln und Verstehen (Tausch & Tausch, 2008). In verschiedenen Studien zeigten sich positive Effekte von Empathie auf die Schülerschaft und die Unterrichtsqualität. Die SchülerInnen trauen sich mehr, es herrscht weniger Angst im Klassenzimmer und die Qualität der Unterrichtsbeiträge steigt (vgl. Tausch & Tausch, 1998). Empathie selbst besteht aus State- und Trait-Anteilen, so dass zumindest Teile davon trainierbar sind (Butters, 2010). Eine potentielle Möglichkeit um Empathie zu fördern scheint das Lehr-Lern-Format Service Learning (SL) darzustellen. Hierbei handelt es sich um ein Veranstaltungskonzept, bei dem ein meist fachlicher, akademischer Inhalt mit einem ehrenamtlichen Engagement außerhalb der Universität verknüpft wird (Reinders, 2016). Forschung aus dem angloamerikanischen Raum weist darauf hin, dass Empathie durch derartige Formate gefördert werden kann (Lundy, 2007; Wilson, 2011). Da die meisten Messverfahren von Empathie auf Selbstauskunft basieren und damit nur indirekt Anteile wie das affektive Mitschwingen abbilden können, war es Teil dieser Arbeit im ersten Schritt einen objektiven, videobasierten Test zu entwickeln, der dann mit anderen Verfahren zur Messung eingesetzt werden sollte. In zwei ExpertInnen-Befragungen wurden aus einem Pool von Videosequenzen mit Unterrichtssituationen insgesamt zehn Videoclips mit jeweils vier Items und zugehörigen Antwortoptionen extrahiert. In einer darauf folgenden Validierung mit Studierenden der Goethe-Universität (N = 112) wurden diese Vignetten mit verschiedenen Verfahren zur Messung von Empathie gemeinsam erhoben und die Zusammenhänge analysiert. Die Reliabilitäten der drei Testscores bewegten sich in den beiden gebildeten Testversionen zwischen Cronbachs α = .53 (Verhaltens-Score der Testversion 1) und α = .76 (Intensitäts-Score der Testversion 2). Es zeigten sich zu allen Fragebögen erwartungskonforme Zusammenhänge von kleinen bis mittleren Effekten. Die Itemschwierigkeiten bei den meisten Items lagen zwischen 50 und 65, die Trennschärfen zwischen .18 und .70.
Im nächsten Entwicklungsschritt wurden die Vignetten in neu zusammengestellten Testversionen nur Lehramtsstudierenden (N = 41) vorgelegt und zusätzlich Videoaufnahmen der Gesichter der ProbandInnen gemacht, um sie mit Face-Reader zu analysieren und die Facette Mitschwingen abzubilden. Die Reliabilitäten der Testversionen lagen mit einem neuen Scoring nun zwischen α = .24 (Emotionserkennungs-Score Prä-Testversion) und
α = .57 (Intensitäts-Score Prä-Testversion) sowie zwischen α = .10 (Emotionserkennungs-Score Post-Testversion) und α = .77 (Intensitäts-Score Post-Testversion). Auch die Schwierigkeiten und Trennschärfen änderten sich nach Adaptieren des Scorings und bewegten sich in beiden Testversionen nun von 30 bis 89 (Schwierigkeit) und von .0 bis .5 (Trennschärfe). Die Face-Reader Analysen zeigten nur in Teilen kongruente Emotionen mit den Selbstauskunftsdaten bzw. den eingeschätzten Intensitäten in den Videosequenzen, dann allerdings mittlere bis große Effekte, so dass in Teilen von einem affektiven Mitschwingen ausgegangen werden kann. Da sich die internen Konsistenzen im Vergleich zur Validierung verschlechterten, wurden die Zusammensetzungen der Testversionen für den Praxiseinsatz wieder auf die Validierungs-Versionen umgestellt.
Im Praxiseinsatz wurden Lehramtsstudierende in SL und Non-SL-Veranstaltungen rekrutiert und miteinander verglichen. Insgesamt nahmen N = 68 Personen an drei Messzeitpunkten teil (n = 30 in SL und n = 38 in Non-SL-Seminaren). Die Analysen zeigten, dass es zwischen den Gruppen keine signifikanten Unterschiede in den genutzten Instrumenten gab. Auch über die Zeit gab es nach der Bonferroni-Korrektur nur einen signifikanten Effekt (F (2,52) = 6.57, p = .003, η2 = .20). Es ist anzunehmen, dass diese Ergebnisse vor allem auf methodische Einschränkungen und Verbesserungsmöglichkeiten des entwickelten Testverfahrens zurückzuführen sind. Weitere Möglichkeiten werden diskutiert.