Biologische Hochschulschriften (Goethe-Universität)
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Die Physiologie des Schmerzes umfasst komplexe immunologische, sensorische und inflammatorische Prozesse im Rückenmark, im Gehirn und in der Peripherie. Wiederholte nozizeptive Stimulation induziert pathophysiologische Veränderungen bei der Schmerzweiterleitung, aus denen eine periphere oder zentrale Sensibilisierung resultiert. Diese kann bei dafür anfälligen Patienten zu der Ausbildung von chronischen Schmerzzuständen führen. Obwohl das Wissen über die genauen molekularen Vorgänge der Schmerz-Chronifizierung noch immer unvollständig ist, sind die Identifizierung von Risikofaktoren vernünftige Schritte, um die individuelle Anfälligkeit für die Entwicklung chronischer Schmerzen zu bestimmen. Das Hauptziel dieser Doktorarbeit bestand daher in der Identifikation humaner genetischer Biomarker für chronische Schmerzzustände.
The fungal interaction with plants is a 400 million years old phenomenon, which presumably assisted in the plants’ establishment on land. In a natural ecosystem, all plant-ranging from large trees to sea-grasses-are colonized by fungal endophytes, which can be detected inter- and intracellularly within the tissues of apparently healthy plants, without causing obvious negative effects on their host. These ubiquitous and diverse microorganisms are likely playing important roles in plant fitness and development. However, the knowledge on the ecological functions of fungal root endophytes is scarce. Among possible functions of endophytes, they are implicated in mutualisms with plants, which may increase plant resistance to biotic stressors like herbivores and pathogens, and/or to abiotic factors like soil salinity and drought. Also, endophytes are fascinating microorganisms in regard to their high potential to produce a great spectrum of secondary metabolites with expected ecological functions. However, evidences suggest that the interactions between host plants and endophytes are not static and endophytes express different symbiotic lifestyles ranging from mutualism to parasitism, which makes difficult to predict the ecological roles of these cryptic microorganisms. To reveal the ecological function of fungal root endophytes, this doctoral thesis aims at assessing fungal root endophytes interactions with different plants and their effects on plant fitness, based on their phylogeny, traits, and competition potential in settings encompassing different abiotic contexts. To understand the cryptic implication of nonmycorrhizal endophytes in ecosystem processes, we isolated a diverse spectrum of fungal endophytes from roots of several plant species growing in different natural contexts and tested their effects on different model plants under axenic laboratory conditions. Additionally,we aimed at investigating the effect of abiotic and biotic variables on the outcome of interactions between fungal root endophytes and plants.
In summary, the morphological and physiological traits of 128 fungal endophyte strains within ten fungal orders were studied and artificial experimental systems were used to reproduce their interactions with three plant species under laboratory conditions. Under defined axenic conditions, most endophytes behaved as weak parasites, but their performance varied across plant species and fungal taxa. The variation in the interactions was partly explained by convergent fungal traits that separate groups of endophytes with potentially different niche preferences. According to my findings, I predict that the functional complementarity of strains is essential in structuring natural root endophytic communities. Additionally, the responses of plant-endophyte interactions to different abiotic factors, namely nutrient availability, light intensity, and substrate’s pH, indicate that the outcome of plant-fungus relationships may be robust to changes in the abiotic environment. The assessment of the responses of plant endophyte interactions to biotic context, as combinations of selected dominant root fungal endophytes with different degrees of trait similarity and shared evolutionary history, indicates that frequently coexisting root-colonizing fungi may avoid competition in inter-specific interactions by occupying specific niches, and that their interactions likely define the structure of root-associated fungal communities and influence the microbiome impacts on plant fitness.
In conclusion, my findings suggest that dominant fungal lineages display different ecological preferences and complementary sets of functional traits, with different niche preferences within root tissues to avoid competition. Also, their diverse effects on plant fitness is likely host-isolate dependent and robust to changes in the abiotic environment when these encompass the tolerance range of either symbiont.
How the brain evolved remains a mystery. The goal of this thesis is to understand the fundamental processes that are behind the evolutionary history of the brain. Amniotes appeared 320 million years ago with the transition from water to land. This early group bifurcated into sauropsids (reptiles and birds) and synapsids (mammals). Amniote brains evolved separately and display obvious structural and functional differences. Although those differences reflect brain diversification, all amniote brains share a common ancestor and their brains show multiple derived similarities: equivalent structures, networks, circuits and cell types have been preserved during millions of years. Finding these differences and similarities will help us understand brain historical evolution and function. Studying brain evolution can be approached from various levels, including brain structure, circuits, cell types, and genes. We propose a focus on cell types for a more comprehensive understanding of brain evolution. Neurons are the basic building blocks and the most diverse cell types in the brain. Their evolution reflects changes in the developmental processes that produce them, which in turn may shape the neural circuits they belong to. However, there is currently a lack of a unified criteria for studying the homology of connectivity and development between neurons. A neuron’s transcriptome is a molecular representation of its identity, connectivity, and developmental/evolutionary history. Hence the comparison of neuronal transcriptomes within and across species is a new and transformative development in the study of brain evolution. As an alternative, comparing neuronal transcriptomes across different species can provide insights into the evolution of the brain. We propose that comparing transcriptomes can be a way to fill this gap and unify these criteria. In previous studies, published in Science (Tosches et al., 2018) and Nature (Norimoto et al., 2020), we leveraged scRNAseq in reptiles to re-evaluate the origins and evolution of the mammalian cerebral cortex and claustrum. Motivated by the success of this approach, in this thesis we have now expanded single-cell profiling to the entire brain of a lizard species, the Australian dragon Pogona vitticeps, with a special focus in thalamus and prethalamus of. This approach allowed us to study the evolution of neuron types in amniotes. Therefore, we aimed to build a multilevel atlas of the lizard brain based on histology and transcriptomic and compare it to an equal mouse dataset (Zeisel et al., 2018).
Our atlas reveals a general structure that is consistent with that for other amniote brains, allowing us to make a direct comparison between lizard and mouse, despite their evolutionary divergence 320 million years ago. Through our analysis of the transcriptomes present in various neuron types, we have uncovered a core of conserved classes and discovered a fascinating dichotomy of new and conserved neuron types throughout the brain. This research challenges the traditional notion that certain brain regions are more conserved than others.
Our research also has uncovered the evolutionary history of the lizard thalamus and prethalamus by comparing them to homologous brain regions of the mouse. This pioneering research sheds new light on our understanding of the evolutionary history of the lizard brain. We propose a new classification of the lizard thalamic nuclei based on
transcriptomics. Our research revealed that the thalamic neuron types in lizards can be grouped into two large, conserved categories from the medial to lateral thalamus. These categories are encoded by a common set of effector genes, linking theories based on connectivity and molecular studies of these areas. In our data we have seen that there is a conservation of the medial-lateral transcriptomic axis in mouse and lizard, this conservation was most likely already present in the common ancestor. Although there is a shared medial-lateral axis, a deeper study of the thalamic cell types has allowed us to see the existence of a partial diversification of the thalamic population, specifically in the sensory-related lateral thalamus; in opposition, the medial thalamic nuclei neuron-types have been preserved.
On the other hand, the comparison with the mammalian prethalamus allowed us to confirm that the lizard ventromedial thalamic neuron types are homologous to mouse reticular thalamic neuron types (Díaz et al., 1994), even if they do not express the classical Reticular thalamic nucleus (RTn) marker PV/pvalb. We also discovered that there has been a simplification in the mammalian prethalamic neuron types in favor of an increase in the number of Interneurons (IN) types within their thalamus. We suggest that the loss of GABAergic neuronal types in the mammalian prethalamus is linked to the need for a more efficient control of the thalamo-pallial communication in mammals, while in lizards, where thalamo-pallial communication is probably simpler, the diversity prethalamus presents a higher diversity.
Many hominin species are best physically represented and understood by the sum of their dental morphologies. Generally, taxonomic affinities and evolutionary trends in development (ontogeny) and morphology (phylogeny) can be deduced from dental analyses. More specifically, the study of dental remains can yield a wealth of information on many facets of hominin evolution, life history, physiology and ecological adaptation; in short, the organisms paleobiomics. Functionally, teeth present information about dietary preferences, that is, the dietary niche in ecological context and, in turn, masticatory function. As the amount and types of information that can be gleaned from 2-dimensional tooth measurement exhaust themselves, 3-dimensional microscopic modeling and analysis presents a largely fertile ground for reexamination and reinterpretation of dental characteristics (Bromage et al., 2005). As such, a novel, non-destructive approach has been developed which combines the work of two established technologies (confocal microscopy and 3D modeling) adapted specifically for the purpose of mineralized tissue imaging. Through this method, 3D functional masticatory and therefore occlusal molar microwear is able to be visualized, quantified and comparatively analyzed to assess dietary preference in Javanese Homo erectus. This method differs from other microwear investigative techniques (defining 'pits'- vs- 'scratches', microtexture analysis etc.) in that it defines a molars masticatory microwear functional interactions in 3-dimensions as its baseline dataset for further interpretations and analyses. Due to poor specimen collection techniques employed during the first half of the 20th century, the very complex geologic nature of the Sangiran Dome and disagreements over its chronostratigraphy, only very few scientific works have addressed the Sangiran 7 (S7) Homo erectus molar collection (n=25) (e.g. Grine and Franzen, 1994; Kaifu, 2006). Grine and Franzen's (1994) work was a predominantly qualitative initial assessment of the specimens and identified five specimens that might better be ascribed to a fossil pongid rather than H. erectus. They also noted several molars to which tooth position (M1 or M2) was unable to be ascribed (Grine and Franzen, 1994). Kaifu (2006) comparatively examined crown sizes in several S7 molars.
The Sangiran 7 collection originates from two distinct geologic horizons: ten from the older Sangiran Formation (S7a, ~1.7 to 1.0mya) and fifteen from the younger, overlying Bapang Formation (S7b, ~1.0 to .7mya). During this million year period, Java was connected to the mainland during various glacio-eustatic low-stands in sea level. These mainland connections varied in size, extent, climatic condition and therefore in faunal and floral composition. As the S7 sample may be representative of the earliest Homo erectus migrants into Java and spans long durations of occupation, its investigation yields potential to understand the various influences climatic and ecogeographic fluctuations had on these populations. Since the sample consists only of teeth, an ecodietary approach has been deemed the most logical and appropriate investigative approach. Questions regarding the intra- and inter- S7 sample
relationships will also be addressed.
By comparing various aspects of the H. erectus dentition against that of hunter/ gatherer's (H/G) whose diet is known, functional dietary similarity can be directly correlated. Thus a comparative molar sample consisting of the below historic hunter/ gather's (n=63) has been included in order to assess H. erectus's diet in ecological context: Inuit (n=9), Pacific Northwest Tribes (n=11), Fuegians (n=11), Australian Aborigines (n=12) and Bushman (n=20). Methodologically, this approach produces a 3D facet microwear vector (fmv) signature for each molar which can then be compared for statistical similarity.
Microwear (and, as such, the fmv signatures) was defined by the regular, parallel striations found on specific cusp facets known to arise from patterned, directional masticatory movements. This differs significantly from post-mortem or taphonomic microwear which produces striations at irregular angles on multiple, non-masticatory surfaces (Peuch et al.1985, Teaford, 1988). A 'match value' is produced to determine the similarity of two molars fmv's. The 'match values' are ranked (high to low) and these rankings are used to statistically analyze and infer dietary preference: between Sangiran 7 (as an entire sample) compared against that of the historic hunter/ gatherer H. sapiens whose diet and ecogeography is known; within S7a and S7b and then among the S7 sample (eg. S7a-vs-S7b); whether the purported Pongo molars actually affiliate well with H. erectus, the hunter-gatherer's or if they demonstrate distinctly different fmv signatures altogether; whether fmv signatures are useful in distinguishing molars whose tooth position is in doubt (eg. M1 or M2).
When compared against individual H/G molars, the results show that Sangiran 7 H. erectus most closely correlates with Bushmen across all areas of fmv signature analysis. However, within broader dietary categories (yearly reliant on proteinaceous foods; seasonally reliant on proteinaceous foods; not reliant on proteinaceous foods), it was found that H. erectus most closely allied with the two hunter/ gatherer subpopulations associated with the 'Seasonally reliant on proteinaceous foods' (Australian Aboriginals and Pacific Northwest Tribes). There was also evidence for dietary change or specialization over time. As the environment changed during occupation by the earlier Sangiran to the later Bapang individuals, the dietary preference shifted from a focus on vegetative foods to a diet much more inclusive of proteinaceous resources.
These results are considered logical within the larger ecogeographic and chronostratigraphic context of the Sangiran Dome during the Pleistocene. However, a larger sample would be needed to confirm this. Although general dietary preferences can be drawn from this method, it is not possible at present to define specific foods consumed on a daily basis (eg. tubers or tortoise meat).
Out of the five specimens possibly allied with Pongo, S7-14 matched at the 'high' designation with a hunter/ gatherer, S7-62 matched 'moderately', S7-20 matched 'low' while the remaining two were not able to be matched with any other teeth for various reasons. Although designation to Pongo cannot be ruled on at this time using this method, it does demonstrate that at least two of the teeth correlate well with various hunter/ gatherer's who do not share dietary similarity with Pongo. This suggests their designation as Pongo should be more closely reevaluated. As for the four specimens whose tooth position was unsure, S7-14 matched 'highly' with 1st molars, S7-62 and S7-78 matched 'moderately' with 2nd and 1st molars respectively while S7-20 only matched at the 'low' designation. Although this approach is still exploratory, it adds another analytical tool for use in defining tooth position.
In sum, this method has demonstrated its usefulness in defining and functionally analyzing a novel 3D molar microwear dataset to interpret dietary preference. Future work would include a pan- H. erectus molar sample in order to illuminate broader populational, taxonomic and dietary correlations within and amoung all H. erectus specimens. A larger, more heterogenous historic H/G sample would also be included in order to provide a wider dietary comparative population. This method can be further extended to include and compare any and all hominins as well as any organism which produces micro wear upon it molars. Also, the data obtained and resultant fmv signature diagrams have the potential to be incorporated into 3D VR reconstructions of mandibular movement thus recreating mastication in extinct organisms and leading to more robust anatomical and physiological investigations especially when viewed in the context of larger environmental conditions or changes.
A novel role for mutant mRNA degradation in triggering transcriptional adaptation to mutations
(2020)
Robustness to mutations promotes organisms’ well-being and fitness. The increasing number of mutants in various model organisms, and humans, showing no obvious phenotype (Bouche and Bouchez, 2001; Chen et al., 2016b; Giaever et al., 2002; Kok et al., 2015) has renewed interest into how organisms adapt to gene loss. In the presence of deleterious mutations, genetic compensation by transcriptional upregulation of related gene(s) (also known as transcriptional adaptation) has been reported in numerous systems (El-Brolosy and Stainier, 2017; Rossi et al., 2015; Tondeleir et al., 2012); however, the molecular mechanisms underlying this response remained unclear. To investigate this phenomenon, I develop and study multiple models of transcriptional adaptation in zebrafish and mouse cell lines. I first show that transcriptional adaptation is not caused by loss of protein function, indicating that the trigger lies upstream, and find that the response involves enhanced transcription of the related gene(s). Furthermore, I observe a correlation between levels of mutant mRNA degradation and upregulation of related genes. To investigate the role of mutant mRNA degradation in triggering the response, I generate mutant alleles that do not transcribe the mutated gene and find that they fail to induce a transcriptional response and display stronger phenotypes. Transcriptome analysis of alleles displaying mutant mRNA degradation revealed upregulation of a significant proportion of genes displaying sequence similarity with the mutated gene’s mRNA, suggesting a model whereby mRNA degradation intermediates induce transcriptional adaptation via sequence similarity. Further mechanistic analyses suggested RNA-decay factors-dependent chromatin remodeling, and repression of antisense RNAs to be implicated in the response. These results identify a novel role for mutant mRNA degradation in buffering against mutations. Besides, they hold huge implications on understanding disease-causing mutations and shall help in designing mutations that lead to minimal transcriptional adaptation-induced compensation, facilitating studying gene function in model organisms.
The dependence of the Escherichia coli Na+H+ antiporter A (EcNhaA) pH sensor mutant E241C on H+ and Na+ concentrations was tested using a solid supported membrane (SSM) based electrophysiological approach. Proteoliposome preparations with right side out (RSO) oriented carriers were used to investigate the passive downhill uptake mode (physiologically the reverse transport mode) at zero membrane potential. Na+ concentration gradients established with a rapid solution exchange acted as the driving force. When a Na+ concentration gradient was established at symmetrical pH, the transport activity of the E241C EcNhaA variant was similar to that of the wildtype EcNhaA, with no shift of the bell-shaped pH dependence, an increase of the KmNa at acidic pH and a decrease of the KmNa at alkaline pH, supporting the model of a competitive binding of Na+ and H+ to a common binding site.
Echolocation allows bats to orientate in darkness without using visual information. Bats emit spatially directed high frequency calls and infer spatial information from echoes coming from call reflections in objects (Simmons 2012; Moss and Surlykke 2001, 2010). The echoes provide momentary snapshots, which have to be integrated to create an acoustic image of the surroundings. The spatial resolution of the computed image increases with the quantity of received echoes. Thus, a high call rate is required for a detailed representation of the surroundings.
One important parameter that the bats extract from the echoes is an object’s distance. The distance is inferred from the echo delay, which represents the duration between call emission and echo arrival (Kössl et al. 2014). The echo delay decreases with decreasing distance and delay-tuned neurons have been characterized in the ascending auditory pathway, which runs from the inferior colliculus (Wenstrup et al. 2012; Macías et al. 2016; Wenstrup and Portfors 2011; Dear and Suga 1995) to the auditory cortex (Hagemann et al. 2010; Suga and O'Neill 1979; O'Neill and Suga 1982).
Electrophysiological studies usually characterize neuronal processing by using artificial and simplified versions of the echolocation signals as stimuli (Hagemann et al. 2010; Hagemann et al. 2011; Hechavarría and Kössl 2014; Hechavarría et al. 2013). The high controllability of artificial stimuli simplifies the inference of the neuronal mechanisms underlying distance processing. But, it remains largely unexplored how the neurons process delay information from echolocation sequences. The main purpose of the thesis is to investigate how natural echolocation sequences are processed in the brain of the bat Carollia perspicillata. Bats actively control the sensory information that it gathers during echolocation. This allows experimenters to easily identify and record the acoustic stimuli that are behaviorally relevant for orientation. For recording echolocation sequences, a bat was placed in the mass of a swinging pendulum (Kobler et al. 1985; Beetz et al. 2016b). During the swing the bat emitted echolocation calls that were reflected in surrounding objects. An ultrasound sensitive microphone traveling with the bat and positioned above the bat’s head recorded the echolocation sequence. The echolocation sequence carried delay information of an approach flight and was used as stimulus for neuronal recordings from the auditory cortex and inferior colliculus of the bats.
Presentation of high stimulus rates to other species, such as rats, guinea pigs, suppresses cortical neuron activity (Wehr and Zador 2005; Creutzfeldt et al. 1980). Therefore, I tested if neurons of bats are suppressed when they are stimulated with high acoustic rates represented in echolocation sequences (sequence situation). Additionally, the bats were stimulated with randomized call echo elements of the sequence and an interstimulus time interval of 400 ms (element situation). To quantify neuronal suppression induced by the sequence, I compared the response pattern to the sequence situation with the concatenated response patterns to the element situation. Surprisingly, although the bats should be adapted for processing high acoustic rates, their cortical neurons are vastly suppressed in the sequence situation (Beetz et al. 2016b). However, instead of being completely suppressed during the sequence situation, the neurons partially recover from suppression at a unit specific call echo element. Multi-electrode recordings from the cortex allow assessment of the representation of echo delays along the cortical surface. At the cortical level, delay-tuned neurons are topographically organized. Cortical suppression improves sharpness of neuronal tuning and decreases the blurriness of the topographic map. With neuronal recordings from the inferior colliculus, I tested whether the echolocation sequence also induced neuronal suppression at subcortical level. The sequence induced suppression was weaker in the inferior colliculus than in the cortex. The collicular response makes the neurons able to track the acoustic events in the echolocation sequence. Collicular suppression mainly improves the signal-to-noise ratio. In conclusion, the results demonstrate that cortical suppression is not necessarily a shortcoming for temporal processing of rapidly occurring stimuli as it has previously been interpreted.
Natural environments are usually composed of multiple objects. Thus, each echolocation call reflects off multiple objects resulting in multiple echoes following the calls. At present, it is largely unexplored how neurons process echolocation sequences containing echo information from more than one object (multi-object sequences). Therefore, I stimulated bats with a multi-object sequence which contained echo information from three objects. The objects were different distances away from each other. I tested the influence of each object on the neuronal tuning by stimulating the bats with different sequences created from filtering object specific echoes from the multi-object sequence. The cortex most reliably processes echo information from the nearest object whereas echo information from distant objects is not processed due to neuronal suppression. Collicular neurons process less selectively echo information from certain objects and respond to each echo.
For proper echolocation, bats have to distinguish between own biosonar signals and the signals coming from conspecifics. This can be quite challenging when many bats echolocate adjacent to each other. In behavioral experiments, the echolocation performance of C. perspicillata was tested in the presence of potentially interfering sounds. In the presence of acoustic noise, the bats increase the sensory acquisition rate which may increase the update rate of sensory processing. Neuronal recordings from the auditory cortex and inferior colliculus could strengthen the hypothesis. Although there were signs of acoustic interference or jamming at neuronal level, the neurons were not completely suppressed and responded to the rest of the echolocation sequence.
Diese Dissertation befasst sich mit den Auswirkungen von nicht letalen Dosen von Neonikotinoiden auf Bienen. Neonikotinoide stellen eine Klasse von Insektiziden dar, die auf den nikotinischen Acetylcholin Rezeptor wirken. In dieser Dissertation wurden die Neonikotinoide Imidacloprid, Clothianidin und Thiacloprid benutzt. Die beiden erst genannten unterliegen zum Zeitpunkt des Verfassens dieser Arbeit einem temporären Verkaufs- und Ausbringungs-Stopp. Damit sind die Ergebnisse dieser Arbeit wichtig für die Bewertung der Gefahren von Neonikotinoiden. Neonikotinoide werden im großen Maße in der Landwirtschaft als Spritzmittel und Saatgutbeize eingesetzt. Dabei können sie in Rückständen von Bienen beim Sammeln von Nektar und Pollen aufgenommen und zum Stock gebracht werden. Um einen weiten Blick auf die Auswirkungen der Stoffe zu werfen wurden deshalb Experimente an einzelnen Sammlerinnen durchgeführt, ebenso wie an Bienenvölkern, bei denen die Substanzen verfüttert wurden. Als neuronal aktive Substanzen können sie die normale Funktion des Nervensystems von Bienen beeinflussen, was Veränderungen im Verhalten hervorrufen kann. Dies zeigt sich in Veränderungen in der Bewegung, Orientierung oder auch Interaktion mit anderen Bienen. Die Wirkung am Rezeptor variiert, trotz gleichen molekularen Ziels, stark zwischen den verwendeten Neonikotinoiden. Clothianidin wurde als Agonist beschrieben, der sogar stärkere Ströme als Acetylcholin bei gleicher Konzentration hervorrufen kann. Imidacloprid dagegen wurde bereits als partieller Agonist beschrieben, der geringere Ströme über den Rezeptor auslöst. In dieser Arbeit wurde ein erster Versuch durchgeführt um Thiacloprid ebenfalls als Agonist am nikotinischen Acetylcholin Rezeptor der Biene zu beschreiben. Hierbei wurde an einer Zelle in Kultur ein geringerer Strom ausgelöst.
Bienenvölker wurden unter kontrollierten Bedingungen gehalten, bei denen je eins der Neonikotinoide Clothianidin, Imidacloprid oder Thiacloprid in das Futter gemischt wurden. Hierfür wurden Dosen gewählt, bei denen davon ausgegangen werden konnte, dass keine akute Beeinflussung der Sammlerinnen bestand. Es konnte festgestellt werden, dass chronisches Füttern mit einer Zuckerlösung mit 8,876 mg/kg Thiacloprid zu einer verringerten Sammelleistung führte. Ebenso wurde die Entwicklung der Eier stark eingeschränkt, wobei die Königin weiterhin Eier legte. Es konnten nur vereinzelte verdeckelte Brutzellen, die ein spätes Entwicklungsstadium der Bienen darstellen, gefunden werden. Damit konnte gezeigt werden, dass geringe Dosen die Larval-Entwicklung von Bienen beeinflussen, eventuell durch Einflüsse auf die Kommunikation zwischen Ammenbienen und der Brut.
Um Auswirkungen auf einzelne Tiere zu zeigen, wurden unterschiedliche Parameter im Heimflug von Bienen nach Fütterung mit je einem der Neonikotinoide analysiert. Bienen mussten sich nach der Fütterung orientieren und von einer neuen Position den Heimweg zum Stock finden. Der Heimflug wurde per Radar verfolgt und so ein Flugprofil erstellt, das aus zwei Flugphasen bestand. Diese wurden durch die Navigation nach Vektorintegration und durch Landmarken unterteilt. Aus dem Flugprofil konnte abgelesen werden, wie lange die Bienen für die Phasen des Flugs benötigten, in welchem Hauptflugwinkel sie die erste Flugphase absolvierten, in welche Richtung sie am Ende der ersten Flugphase flogen und wie gerichtet der Flug war. Auch wurde erfasst, ob die Bienen überhaupt in der Lage waren zum Stock zurückzukehren. Hier zeigte sich, dass die Fütterung mit Zuckerwasser mit 0,6 µM und 0,9 µM Imidacloprid, ebenso wie mit 0,1 mM Thiacloprid zu einer verringerten Heimkehrwahrscheinlichkeit führte. In der ersten Flugphase konnte auch gezeigt werden, dass 0,2 µM Clothianidin im Zuckerwasser zu einem schnelleren Flug führte und dass der Flugwinkel im Vergleich zur Kontrolle in Richtung der wahren Position des Stocks verschoben war. Beide Imidacloprid-Gruppen zeigten eine ähnliche, signifikante Verschiebung des Flugwinkels, ebenso konnte im Flug selbst eine häufige Änderung der Richtung festgestellt werden. In der zweiten Flugphase zeigte sich, dass Bienen, welche mit Thiacloprid behandelt wurden häufiger eine inkorrekte Heimflugrichtung wählten, was in längeren Heimflügen resultierte. Die mit Clothianidin behandelten Bienen legten eine längere Flugstrecke zurück. Bienen, welche Imidacloprid beider Konzentrationen konsumierten, zeigten einen häufigen Wechsel ihrer Flugrichtung. Damit konnten bei allen drei gewählten Neonikotinoiden Einflüsse auf spezifische Komponenten der Navigation von Bienen gefunden und Einschränkungen im Heimkehr- und Orientierungsverhalten einzelner Sammlerinnen gezeigt werden. Somit konnten die eingehenden Fragen zumindest teilweise beantwortet werden und die Datenlage zur Frage der Schädlichkeit der, auch politisch umstrittenen, Substanzen erweitert werden.
ADAM15, which belongs to the family of the disintegrin and metalloproteinases, is a multi-domain transmembrane protein. A strongly upregulated expression of ADAM15 is found in inflamed synovial membranes from articular joints affected by osteoarthritis and especially rheumatoid arthritis (RA). During the chronic inflammatory process in RA the synovial membrane gets hyperplastic, resulting eventually in the formation of a pannus tissue, which can invade into the adjacent cartilage and bone thereby destroying their integrity. Previously, the expression of ADAM15 in fibroblasts of the RA synovial membrane was found to confer a significant anti-apoptotic response upon triggering of the Fas receptor, which resulted in the activation of two survival kinases, focal adhesion kinase (FAK) and Src. The Fas receptor, also named CD95, belongs to the death receptor family of the tumor necrosis factor receptors and stimulation of Fas/CD95 by its ligand FasL results in the execution of apoptotic cell death in synovial membranes of RA patients. However, the occurrence of apoptotic cell death in vivo in RA synovial tissues is considerably low despite the presence of FasL at high concentrations in the chronically inflamed joint. Accordingly, a general apoptosis resistance is a characteristic of RA-synovial fibroblasts that contributes considerably to the formation the hyperplastic aggressive pannus tissue. The objective of this study was to investigate the mechanisms underlying the capability of ADAM15 to transform FasL-mediated death- inducing signals into pro-survival activation of Src and FAK in rheumatoid arthritis fibroblasts (RASFs).
In the present study, the down-regulation of ADAM15 by RNA interference resulted in a significant increase of caspase 3/7 activity upon stimulation of the Fas receptor in RASFs. Likewise, chondrocytes expressing a deletion mutant of ADAM15 (ΔC), lacking the cytoplasmic domain, revealed increased caspase activities upon Fas ligation in comparison to cells transfected with full-length ADAM15, clearly demonstrating the importance of the cytoplasmic domain for an increased apoptosis resistance. Furthermore, activation of the Fas receptor triggered the phosphorylation of Src at Y416, which results in the active conformation of Src, as well as the phosphorylation of FAK at Y576/577 and Y861 – the target tyrosines phosphorylated by Src - in full-length ADAM15-transfected chondrocytes. However, cells transfected with ADAM15 mutant (ΔC) or with vector control did not exhibit any activation of Src and FAK upon Fas ligation. This suggested the presence of an as yet unknown protein interaction mediating the Fas triggered activation of the two kinases.
In order to identify this mechanism, the application of signal transduction inhibitors interfering with Calcium signaling either by inhibiting calmodulin with trifluoperazine (TFP) or the Calcium release-activated channel (CRAC/Orai1) with BTP-2 efficiently inhibited the phosphorylation of FAK and Src, revealing a role of calmodulin, the major Ca2+ sensor in cells, in ADAM15-dependent and Fas-elicited activation of the two survival kinases. Also, a direct Ca2+ -dependent binding of calmodulin to ADAM15 could be demonstrated by pull-down assays using calmodulin-conjugated sepharose and by protein binding assays using the recombinant cytoplasmic domain of ADAM15 and calmodulin.
Furthermore, it could be demonstrated in living synovial fibroblasts by double immunofluorescence stainings that triggering the Fas receptor by its ligand FasL or a Fas-activating antibody resulted in the recruitment of calmodulin to ADAM15 as well as to the Fas receptor in patch-like structures at the cell membrane. Simultaneously, Src associated with calmodulin was shown to become engaged in an ADAM15 complex, also containing cytoplasmic-bound FAK, by co-immunoprecipitations.
Additional studies were performed to analyze the efficacy of TFP and BTP-2 on apoptosis induction in synovial fibroblasts from 10 RA patients. Using caspase 3/7 and annexin V stainings for determining apoptosis, it could be shown that both inhibitors did not possess any apoptosis inducing capacity. However, when co-incubated with FasL both compounds synergistically enhanced apoptosis rates in the RASFs. Moreover, an additional silencing of ADAM15 revealed a further significant rise in apoptosis rates upon incubation with FasL/TFP or FasL/BTP-2, providing unequivocal evidence for an involvement of ADAM15 in facilitating apoptosis resistance in RASFs.
Taken together, these results demonstrate that ADAM15 provides a scaffold for the formation of calmodulin-dependent pro-survival signaling complexes upon CRAC/Orai1 coactivation by Fas ligation, which provides a new potential therapeutic target to break the apoptosis resistance in RASFs that critically contributes to joint destruction in RA.
In our rapidly changing world, land use has been recognized as having one of the strongest impacts on species and genetic diversity. The present state of temperate forests in Europe is a product of decisions made by former and current management and policy actions, rather than natural factors. Alterations of crown projection areas, structural complexity of the forest stand caused by thinning and cuttings, and changes in tree species composition caused by regeneration or plantings not only affect forest interior buffering against warming, but also the understorey light environment and nutrient availability. Ultimately, current silvicultural management practices have deep impact on the forest ecosystems, microenvironmental changes and forest floor understorey herbs. In response to environmental changes, plants rely on genetically heritable phenotypic variation, an important level of variation in the population, as it is prerequisite for adaptation. However, until now most studies on plant adaptation to land use focus on grassland management. Yet, studies on the adaptation of forest understorey herbs to forest management have been absent so far. This is important because understanding adaptation of understorey herbs is crucial for biodiversity conservation, forest restoration, and climate change mitigation. Studying current adaptation of understorey herbs to forest management yields insights into the evolutionary consequences of management practices, which could be employed to improve sustainable use of forest habitat.
In sum, my conducted experiments complement each other well and managed to fill in research gaps on the topic of genetically heritable phenotypic variation in understorey herbs and how it is affected by forest management and related microenvironmental variables. I showed that forest management has direct evolutionary consequences on the genetic basis of understorey herbs, but also indirectly through the microenvironment. Furthermore, I revealed that local adaptation and phenotypic plasticity of understorey herbs to forest structural attributes act along continuous gradients. And lastly, I highlighted the important role of intra-individual variation by revealing plastic responses to drought and shading, urging researchers to not ignore this important level of trait variation. Ultimately, understorey herbs in temperate forests employ phenotypic plasticity as a flexible strategy to adapt to varying environmental conditions. By adjusting their leaf characteristics, reproductive investment, and phenology, they can optimize their fitness and survival in response to changes in light availability, resource availability, and seasonal cues. The anthropogenic impact on temperate forests and understorey herbs will continue and likely increase in the future. This should urge foresters to adapt their silvicultural management decisions towards the long-term preservation of genetic diversity and, through this, the evolvability and adaptability of forest understorey herbs and associated organisms. Based on the results shown in my dissertation, variation in forest management regimes and types could be beneficial for promoting genetic diversity within several species of forest understorey herbs. Lastly, in the face of future climatic changes, the mechanisms by which plants can cope with increasing stressful environmental conditions might very well rely heavily on intra-individual variation, providing the necessary rapid plastic adjustment to changing microclimatic conditions within populations and thus increase climate change resilience.
Adaptive Radiation und Zoogeographie anisakider Nematoden verschiedener Klimazonen und Ozeane
(2013)
Anisakide Nematoden sind Parasiten aquatischer Organismen und weltweit in marinen Habitaten verbreitet. Ihre Übertragungswege sind tief im marinen Nahrungsnetz verwurzelt und schließen ein breites Spektrum pelagisch/benthischer Invertebraten (z.B. Cephalopoda, Gastropoda, Crustacea, Polychaeta) und Vertebraten (z.B. Teleostei, Elasmobranchia, Cetacea, Pinnipedia, Aves) als Zwischen- bzw. Endwirte ein. Aufgrund der hohen Befallszahlen u.a. in der Muskulatur und Viszera kommerziell intensiv genutzter Fischarten (z.B. Clupea harengus, Gadus morhua, Salmo salar) sowie ihrer Rolle als Auslöser der menschlichen Anisakiasis nehmen die Vertreter der Gattung Anisakis unter den anisakiden Nematoden eine Sonderstellung ein. Anhand der verbesserten Diagnostik und der Etablierung sowie Weiterentwicklung molekularbiologischer Methoden ist es in den letzten zwei Dekaden gelungen, die bestehende Taxonomie und Systematik der Gattung Anisakis zu erweitern bzw. zu revidieren. Aktuelle molekulare Analysen weisen auf die Existenz von insgesamt neun distinkten Arten hin, welche eine hohe genetische Heterogenität und Wirtsspezifität aufweisen, äußerlich jedoch nahezu identisch sind (sog. kryptische Arten). Trotz kontinuierlicher Forschung auf dem Gebiet ist das Wissen über die Biologie von Anisakis immer noch unzureichend.
Die vorliegende Dissertation ist in kumulativer Form verfasst und umfasst drei (ISI-) Einzelpublikationen. Die Zielsetzung der durchgeführten Studien bestand unter anderem darin, unter Verwendung molekularbiologischer und computergestützter Analyseverfahren, Fragestellungen zur Zoogeographie, (Co-)Phylogenie, Artdiagnostik, Lebenszyklus-Ökologie sowie des bioindikatorischen Potentials dieser Gattung zu bearbeiten und bestehende Wissenslücken zu schließen.
Die Verbreitung von Anisakis, welche bisher ausschließlich anhand von biogeographischen Einzelnachweisen abgeschätzt wurde, konnte durch den angewandten Modellierungsansatz erstmalig interpoliert und in Kartenform vergleichend dargestellt werden. Dabei wurde gezeigt, dass die Verbreitung von Anisakis spp. in den Ozeanen und Klimazonen nicht gleichmäßig ist. Die Analysen deuten auf die Existenz spezies-spezifischer horizontaler und vertikaler Verbreitungsmuster hin, welche neben abiotischen Faktoren durch die Verbreitung und Abundanz der jeweiligen Zwischen- und Endwirte sowie deren Tiefenverteilung und Nahrungspräferenzen geprägt sind.
Durch die umfangreiche Zusammenstellung und anschließende Kategorisierung der (mit molekularen Methoden) geführten Zwischenwirtsnachweise konnten indirekte Rückschlüsse über die vertikale Verbreitung von Anisakis spp. entlang der Tiefenhabitate gezogen werden.
Während Anisakis auf Gattungsebene in der gesamten Wassersäule entlang verschiedener Tiefenhabitate abundant ist, wurde für die stenoxene Art Anisakis paggiae ein meso-/bathypelagisch orientierter Lebenszyklus postuliert. Durch den Einbezug eines breiten Spektrums (paratenischer) Zwischen- und Transportwirte aus unterschiedlichen trophischen Ebenen werden Transmissionslücken im Lebenszyklus der Gattung weitestgehend minimiert und der Transmissionserfolg auf den Endwirt, und damit die Wahrscheinlichkeit einer erfolgreichen Reproduktion, erhöht. Ausgeprägte Wirtspräferenzen sowie phylogenetische Analysen des ribosomalen ITS-Markers stützen eine Theorie zur co-evolutiven Anpassung der Parasiten an ihre Endwirte. Anisakis eignet sich daher unter Einschränkungen als Bioindikator für die vertikale und horizontale Verbreitung und Abundanz der Endwirte und lässt Rückschlüsse auf trophische Interaktionen im Nahrungsnetz zu. Durch die weitere Beprobung von Zwischenwirten aus verschiedenen trophischen Ebenen in zukünftigen Studien, kann eine genauere Bewertung potentiell abweichender Lebenszyklus-Strategien gewährleistet werden. Insbesondere ist die Datenlage zur Prävalenz und Abundanz anisakider Nematoden in Cephalopoda und Crustacea noch unzureichend. Die Probennahme sollte dabei unter besonderer Berücksichtigung bislang wenig oder unbeprobter geographischer Regionen, Tiefenhabitate und Wirtsarten durchgeführt werden.
In the adult mammalian central nervous system, two defined neurogenic regions retain the capacity to generate new neurons throughout adulthood, namely the subependymal zone (SEZ) at the lateral ventricles and the subgranular layer of the hippocampus (SGL). Adult neurogenesis consists of a whole set of events including proliferation, fate specification, migration, survival and finally synaptic integration of newly born neurons. Each of these events is controlled by the interplay of numerous factors. In this study two signalling systems were analysed with regard to their functional role in adult neurogenesis in vivo, namely the purinergic system and the growth factor EGF. Neither short- nor long-term application of the P2Y receptor agonists UTP and ADPβS and the P2Y receptor antagonist suramin into the lateral ventricle of adult mice altered cell responses as compared to vehicle controls in vivo. In contrast, analysis of the expansion rates of cultured neural stem cells (NSCs) from knockout mice revealed a strong increase in the number of NSCs from NTPDase2-/- mice, whereas cell numbers of NSCs from P2Y1-/- and P2Y2-/- mice were significantly reduced in comparison to wildtype levels. Notably, in vivo proliferation rates were potently elevated in the SGL and the SEZ of NTPDase2-deficient mice. However, in vivo proliferation in both neurogenic niches of the single receptor knockout mice P2Y1-/- and P2Y2-/- and P2Y1-/- P2Y2-/-double-knockout mice did not differ significantly from the wildtype. In mice lacking the P2Y2 receptor the survival of newly born neurons in the hippocampal granule cell layer was significantly increased. These data provide the first line of evidence that purinergic signalling is involved in the control of neural stem cells behaviour not only in vitro but also in vivo. In order to further characterise the role of epidermal growth factor (EGF) in adult neurogenesis, transit amplifying precursors (TAPs) and type B astrocytes were identified as EGF-responsive cell populations following ventricular EGF injection, whereas ependymal cells, neuroblasts and NG2-positive cells did not or only to a minor extent respond to EGF injection. These EGF-responsive cell populations were found on both, the septal as well as striatal lateral ventricle walls. Long-term ventricular EGF infusion for 6d, 1. increased cell proliferation of both ventricle walls revealing a gradient along the rostro-caudal axis, 2. altered the balance between neuronal and macroglial cell fates to generate oligodendrocyte precursors and 3. lead to an entire remodelling of the classical architecture of the SEZ.
Heat stress transcription factors (Hsfs) play essential role in heat stress response and thermotolerance by controlling the transcriptional activation of heat stress response (HSR) genes including molecular chaperones. Plant Hsf families show a striking multiplicity, with more than 20 members in the many plant species. Among Hsfs, HsfA1s act as the master regulators of heat stress (HS) response and HsfA2 becomes one of the most abundant Hsfs during HS. Using transgenic plans with suppressed expression of HsfA2 we have shown that this Hsf is involved in acquired thermotolerance of S. lycopersicum cv Moneymaker as HsfA2 is required for high expression and maintenance of increased levels of Hsps during repeated cycles of HS treatment.
Interestingly, HsfA2 undergoes temperature-dependent alternative splicing (AS) which results in the generation of seven transcript variants. Three of these transcripts (HsfA2-Iα-γ), generated due to alternative splicing of a second, newly identified intron encode for the full length protein involved in acquired thermotolerance. Another 3 transcripts (HsfA2-IIIα-γ) are generated due to alternative splicing in intron 1, leading in all cases to a premature termination codon and targeting of these transcripts for degradation via the non-sense mRNA decay mechanism (NMD).
Interestingly, excision of intron 2, results into the generation of a second previously unreported protein isoform, annotated as HsfA2-II. HsfA2-II shows similar transcriptional activity to the full-length protein HsfA2-I in the presence of HsfA1a but lacks the nuclear export signal (NES) required for nucleocytoplasmic shuttling which allows efficient nuclear retention and stimulation of transcription of HS-induced genes. Furthermore, stability assays showed that HsfA2-II exhibits lower protein stability compared to HsfA2-I.
The presence of a second intron and the generation of a second protein isoform we identified in other Solanaceae species as well. Remarkably, we observed major differences in the splicing efficiency of HsfA2 intron 2 among different tomato species. Several wild tomato accessions exhibit higher splicing efficiency that favors the generation of HsfA2-II, while in these species the splice variant HsfA2-Iγ is absent. This natural variation in splicing efficiency specifically occurring at temperatures around 37.5oC is associated with the presence of 3 intronic polymorphisms. In the case of wild species these polymorphisms seemingly restrict the binding of RS2Z36, identified as a putative splicing silencer for HsfA2 intron 2.
Tomato accessions with the polymorphic “wild” HsfA2 show enhanced thermotolerance against a direct severe heat stress incident due to the stronger increase of Hsps and other stress induced genes. Introgression of the “wild” S. pennellii HsfA2 locus into the cultivar M82, resulted in enhanced seedling thermotolerance highlighting the potential use of the polymorphic HsfA2 for breeding.
We conclude that alterations in the splicing efficiency of HsfA2 have contributed to the adaption of tomato species to different environments and these differences might be directly related to natural variation in their thermotolerance.
Zur Untersuchung der Zusammensetzung und Diversität von Bambusameisengemeinschaften (Hymenoptera, Formicidae) sowie ausgewählten Nischenparametern der beteiligten Ameisenarten, wurden auf dem Gelände des Gombak Field Studies Centre (University Malaya, Selangor, Westmalaysia) fünf Haine von Riesenbambusarten (Gigantochloa scortechinii, G. thoii, Bambusoidea) gefällt und abgesammelt. Es wurden Hinweise auf deterministische oder stochastische Strukturierungsmechanismen der Ameisengemeinschaften gesucht. Hierzu wurden verschiedene Fragestellungen anhand der Multiplen Regression untersucht. Zusätzlich wurden Stichproben von Bambusschößlingen und jungen Bambushalmen hinsichtlich der Nutzungsweise und Besiedlung durch Ameisen studiert. In der vorliegenden Arbeit werden die Ergebnisse der Auswertung auf Hainebene, d. h. der Bambusameisenzönosen als Ganzes betrachtet, vorgestellt. 1. In fünf Bambushainen wurden bisher 66 nistende Ameisenarten aus 21 Gattungen und 6 Unterfamilien identifiziert. Die drei gattungs
Bei Nicht-Säugern, speziell beim Vogel, kommt es nach einem durch Schall oder ototoxische Substanzen verursachten Innenohrtrauma, zu einer spontanen Regeneration der Haarzellen und weitreichender funktioneller Erholung des Hörvermögens. In bisherigen Untersuchungen konnte gezeigt werden, daß beim Vogel die funktionelle Erholung des Hörvermögens nach Innenohrtrauma, trotz spontaner Regeneration der Haarzellen, nicht vollständig ist. Ziel dieser Studie war es herauszufinden, ob die nach Haarzellschädigung und Regeneration beobachtete unvollständige Restitution des Hörvermögens nach alleiniger Nervenfaserschädigung ausbleibt. In einem ersten Schritt wurde mit immunhistochemischen Methoden untersucht, ob AMPA-Rezeptoruntereinheiten im Innenohr der Taube exprimiert werden. Durch die Verwendung von polyklonalen Antikörpern gegen GluR1, GluR2, GluR3 und GluR4 konnte gezeigt werden, daß diese AMPA-Rezeptoruntereinheiten im Innenohr des Vogels exprimiert werden. Eine punktförmige immunreaktive Färbung konnte sowohl auf den Ganglienzellen als auch unterhalb der Haarzellen, in der Region der Synapsen, für GluR2/3 und GluR4, nicht aber für GluR1 festgestellt werden. Auf den Haarzellen selbst konnte eine immunreaktive Färbung für GuR4 nachgewiesen werden. Die Immunoblotanalyse zeigte für die Antikörper gegen GluR1, GluR2/3 und GluR4 Banden bei dem Molekulargewicht der Proteine von 100 kDa. In einem zweiten Schritt wurden die Auswirkungen von AMPA auf die afferenten Hörnervenfaserendigungen morphologisch und physiologisch untersucht. Es zeigte sich, daß die afferenten Hörnervenfaserendigungen durch Applikation von AMPA in den Recessus scalae tympani (30µl/15 min.) geschädigt wurden. Der Verlauf der CAP (Compound action potential)-Hörschwellenkurven wurde sowohl über einen Zeitraum von 8 Stunden, als auch über einen Zeitraum von mehreren Monaten ermittelt. In ebenfalls durchgeführten Kontrollversuchen, bei denen künstliche Perilymphe ohne AMPA infundiert wurde, traten keine Hörverluste auf. Somit konnte eine Schädigung des Innenohres bzw. Hörverluste durch den operativen Eingriff oder durch die Infusion ausgeschlossen werden. Die beobachteten Hörverluste sind also spezifisch auf die Wirkung von AMPA zurückzuführen. Bei der Applikation von 1 mM AMPA-Lösung konnte eine Erhöhung der Hörschwellen um bis zu 80 dB im hochfrequenten Bereich und bis zu 30 - 40 dB im tieffrequenten Bereich über den Zeitraum von mehreren Stunden beobachtet werden. Am dritten Tag nach der AMPA-Applikation zeigten alle untersuchten Tiere eine Verbesserung der Hörschwellen um 20 - 40 dB. Weitere Messungen über den Zeitraum von zwei bis drei Monate zeigten, daß bei einigen Tieren innerhalb von 7 - 21 Tagen die Hörschwellenkurven die Ausgangswerte des unbehandelten Ohres erreichten, daß aber bei der Mehrheit der Tiere eine Anhebung der Hörschwellen von ca. 20 - 30 dB im hochfrequenten Bereich bestehen blieb. Die mittlere bleibende Schwellenanhebung, gemittelt für alle Frequenzen, betrug 8 dB + 5 dB. Bei den Tieren, bei denen ein hochfrequenter Verlust bestehen blieb, erreichten auch die ermittelten CAP-Amplituden bei den hohen Frequenzen ihre Ausgangswerte nicht mehr. Zusätzlich zu den CAP-Schwellenkurven wurden 13 - 15 Wochen nach AMPA-Instillation die Antworteigenschaften einzelner Hörnervenfasern erhoben. Fasern, deren charakteristische Frequenz (CF) über 0,3 kHz lag, zeigten signifikant erhöhte CF-Schwellen. Für Fasern mit CF-Werten über 0,4 kHz wurden verminderte Q10dB-Werte gefunden, während die Spontanentladungsrate für Fasern mit CF-Werten über 0,18 kHz erhöht war. Die maximale Entladungsrate war bei allen Fasern, für die dieser Wert ermittelt wurde (n = 20), ebenfalls erhöht. Neurone, deren CF über einem Wert von 1,5 kHz lag, konnten, methodisch bedingt, nicht untersucht werden. Diese beobachteten funktionellen Veränderungen in der Aktivität und Sensitivität der auditorischen Neurone weisen darauf hin, daß es bei der Wiederherstellung der Verbindung zwischen Haarzelle und neuraler Synapse zu dauerhaften Schäden kommt. Mittels elektronenmikroskopischer Darstellung konnten bei den Tieren, die direkt nach der Infusion (nach 10 min.) der AMPA-Lösung dekapitiert wurden, große vakuolisierte afferente Terminalien unterhalb der Haarzellen gefunden werden. Die efferenten Nervenendigungen waren nicht beschädigt. Während im apikalen Bereich der Papilla basilaris sehr viele Vakuolen bzw. zerstörte afferente Nervenfaserendigungen zu sehen waren, konnten deutlich weniger Vakuolen im medialen Teil und nur sehr wenige Vakuolen im basalen Teil gefunden werden. Dieser Befund korreliert mit der Verteilung der afferenten Nervenfasern entlang der Papilla basilaris. Bei Tieren, die zwei Wochen nach der AMPA-Applikation dekapitiert wurden, konnten keine morphologischen Veränderungen mehr gefunden werden. Die untersuchten Papillen waren von den Kontrollohren nicht mehr zu unterscheiden. Dies zeigt, daß auf struktureller Ebene scheinbar eine vollständige Rekonstitution der Verbindung zwischen Haarzelle und Synapse stattfindet. Dieser Befund steht im Widerspruch zu den elektrophysiologisch erhobenen Daten. Festzuhalten bleibt, daß auch bei ausschließlicher Schädigung der afferenten Nervenendigungen und trotz deren Neubildung ein residualer Hörverlust bestehen bleibt. Als Ursache für die mangelhafte funktionelle Erholung des Hörvermögens könnten durch die längere Abwesenheit der Nervenfaserendigungen hervorgerufene Veränderungen der Eigenschaften der Haarzellen oder eine veränderte Expression und Funktion der Glutamatrezeptoren in Frage kommen.
Die Zuckertransporterfamilie ist eine Unterfamilie der MFS („major facilitator superfamily“), wobei die MFS wiederum als Überfamilie von Transportproteinen definiert wurde, die sich aus Proteinen mit 12 Transmembran-Domänen zusammensetzt. Im Rahmen dieser Doktorarbeit sollte die subzelluläre Lokalisation und physiologische Funktion der uncharakterisierten Mitglieder der Zuckertransporterfamilie Ybr241 und Ygl104 untersucht werden. Mittels Zellfraktionierung durch Saccharosedichtegradienten-Zentrifugation und Fluoreszenzmikroskopie konnte eine Lokalisation von Ybr241 und Ygl104 in der vakuolären Membran festgestellt werden. Da Plasmamembran-Proteine zur Degradation ubiquitiniert, über Endocytose internalisiert und in der Vakuole abgebaut werden, wurden weitere Lokalisationsstudien sowohl in Endocytose-Mutanten als auch in einer Mutante mit Defekten in der Ubiquitinierung durchgeführt. Diese ergaben, daß die vakuoläre Lokalisation nicht auf Degradation zurückzuführen war. Somit handelt es sich bei Ybr241 und Ygl104 um residente vakuoläre Membranproteine. Lokalisationsstudien in vps-Mutanten erbrachten Hinweise darauf, daß zumindest Ygl104, wie die meisten vakuolären Proteine, über den CPY-Weg zur Vakuole befördert wird. Weder durch Wachstumsanalysen noch mit Hilfe von Phenotype MicroArrays™ (Biolog, Inc.) konnten Phänotypen der Deletionsmutanten von Ybr241 und Ygl104 identifiziert werden. Allerdings zeigte sich im Verlauf der Arbeit, daß die Deletionsmutanten einen Vorteil beim Wachstum mit geringen Glucosekonzentrationen bei 37°C haben. Des weiteren bestanden aufgrund von Datenbankanalysen Anhaltspunkte auf eine Beteiligung am Trehalosestoffwechsel. Durch Hitzeschockexperimente konnte eine essentielle Rolle von Ybr241 und Ygl104 bei der Resistenz von Zellen gegenüber schwerem Hitzestreß identifiziert werden. Die verminderte Thermotoleranz der Deletionsmutanten war aber nicht auf einen geringeren Gehalt der Zellen am Streßschutzmolekül Trehalose zurückzuführen. Zudem deckte ein SGA („synthetic genetic array“) eine synthetisch kranke Interaktion von YBR241C und YGL104C mit dem Gen der Trehalose-6-Phosphat-Synthase TPS1 auf. Diese Interaktion sprach gegen eine Beteiligung der Genprodukte am Trehalosestransport, da tps1-Mutanten keine Trehalose enthalten. tps1-Mutanten haben einen Wachstumsdefekt mit schnell fermentierbaren Kohlenstoffquellen, der höchstwahrscheinlich auf einen Mangel an freiem Phosphat zurückzuführen ist. Somit scheinen die Proteine Ybr241 und Ygl104 die intrazelluläre Phosphatkonzentration zu beeinflussen. Eine Analyse ergab, daß der Phosphat- und Polyphosphatgehalt der Mutanten teilweise stark herabgesetzt war. Der Einfluß könnte direkt durch Phosphatimport in die Vakuole stattfinden oder sekundär über eine Verminderung der Glycerinproduktion, da durch die Synthese von Glycerin wieder Phosphat freigesetzt wird. Somit handelt es sich bei Ybr241 und Ygl104 möglicherweise um vakuoläre Phosphat- oder Glycerintransporter. Ferner konnte gezeigt werden, daß die saure Trehalase Ath1 sekretiert wird und Trehalose extrazellulär in Glucose hydrolysiert. Die Glucosemoleküle werden dann von der Hefezelle aufgenommen und verstoffwechselt. Somit spielt Ath1 eine essentielle Rolle beim Wachstum der Hefe mit Trehalose als Kohlenstoffquelle. Ziel des zweiten Teils dieser Doktorarbeit war die Entwicklung eines genomweiten Screens nach ER-Verpackungschaperonen, durch den bisher unbekannte Verpackungschaperone identifiziert werden sollten. Durch Testen verschiedener Varianten des Screens konnte ein Verfahren entwickelt werden, das prinzipiell funktionierte. Für den Einsatz im genomweiten Maßstab war es jedoch ungeeignet, da mit einer hohen Rate an falsch negativen Ergebnissen zu rechnen gewesen wäre.
Das humane Genom besteht zu etwa 8% aus retroviralen Sequenzen. Davon sind ca. 1-2% dem humanen endogenen Retrovirus K (HERV-K) zuzuordnen. Das Virus ist mit ca. 30-50 Proviren und ca. 10.000 sLTRs im humanen Genom vertreten. HERV-K besitzt intakte ORFs für alle retroviralen Proteine und zusätzlich ein ORF für das akzessorische Protein Rec. Obwohl eine basale Transkription in verschiedenen Geweben nachgewiesen werden konnte, ist eine Expression von HERV-K Proteinen und Viruspartikeln nur in Keimzelltumoren nachgewiesen worden. In dieser Arbeit wurde die transkriptionelle Regulation des gewebespezifischen Promotors von HERV-K näher charakterisiert. Hierbei wurden regulatorisch wichtige Sequenzen mit Hilfe des Luziferase-Assays eingegrenzt. Transkriptionell sensitive Regionen wurden daraufhin im EMSA auf die Bindung von Transkriptionsfaktoren untersucht. Durch transiente Transfektionen von Luziferasereporterkonstrukten in verschiedenen Zelllinien stellte sich heraus, dass HERV-K LTRs in Keimzelltumorzellen aktiv sind, dass es aber auch inaktive LTRs gibt, die im Zuge der Evolution durch Punktmutationen ihre transkriptionelle Aktivität verloren haben. Aktive und inaktive LTRs unterscheiden sich durch Punktmutationen, die sich in verschiedenen Sequenzabschnitten häufen. Chimäre Konstrukte aus aktiven und inaktiven Sequenzabschnitten und gezielte Mutationen und Deletionen in aktiven HERV-K LTRs enthüllten verschiedene DNA-Bereiche, die transkriptionelle Sensitivität aufweisen. Die LTR-Bereiche bps 572-578, bps 757-798 und bps 809-823 waren im Aktivitäts-Assay besonders empfindlich gegenüber Mutation. In diesen Bereichen liegen zum einen GC/GT-Boxen, also Konsensussequenzen für die Transkriptionsfaktoren Sp1 und Sp3, zum anderen Konsensussequenzen für ein Inr und ein DPE. Das Binden von Sp1 und Sp3 auf den GC/GT-Boxen der bps 757-798 konnte durch eine EMSA-Analyse bewiesen werden. Der transkriptionell sensitive Bereich der bps 572-578 weist eine weitere putative GC/GT-Box auf. Die TATA-Box bei bp 532 zeigte sich unempfindlich gegenüber Mutation. Eine Beteiligung dieser Konsensussequenz am basalen Promotor wurde deshalb ausgeschlossen. Unterstützt durch die Ergebnisse einer 5’-RACE, ein Verfahren, dass den Transkriptionsstart eines bestimmten Gens bestimmen kann, konnte gezeigt werden, dass der basale HERV-K Promotor aus Konsensusequenzen für die Transkriptionsfaktoren Sp1 und Sp3 , einem Inr und einem DPE besteht. Sp1 und Sp3 sind ubiquitäre Transkriptionsfaktoren, die durch ihr Mengenverhältnis in einem bestimmten Gewebe oder durch posttranslationale Modifikationen unterschiedliche Auswirkungen auf die Transkription haben können. Diese Eigenschaften könnten zur Gewebespezifität von HERV-K beitragen. Die Core Promotor Komponenten Inr und DPE sind für die korrekte Positionierung von TFIID und damit der PolII verantwortlich. Des weiteren wurde eine starke Beteiligung des Testis-spezifischen Transkriptionsfaktors SRY an der Transkription von HERV-K belegt. Im Luziferase-Assay konnte ein SRY-Expressionsplasmid die Transkription eines aktiven LTRs in GH- wie auch in HeLa-Zellen steigern. Ein Indiz dafür, dass es sich um einen für die Transkription von HERV-K essentiellen Faktor handelt. Verschiedene SRY-Konsensussequenzen auf der HERV-K LTR machen eine Wirkung in cis wahrscheinlich, doch könnte auch in trans ein für die Transkription wichtiger Transkriptionsfaktor in seiner Expression verstärkt werden. Ebenfalls konnte bewiesen werden, dass epigenetische Mechanismen eine starke Rolle bei der Transkription von HERV-K spielen. Die Methylierung eines LTR-haltigen Luziferase-Reportervektors führte zum fast vollständigen Verlust der transkriptionellen Aktivität. Es bleibt abzuwarten, in welcher Weise die Schlüsselkomponenten Sp1, Sp3, SRY und Hypermethylierung des HERV-K Genoms zur Gewebespezifität von HERV-K beitragen.
Durch die Behandlung HIV-positiver Patienten mit einer Kombinationstherapie verschiedener antiviraler Substanzen (HAART = hochaktive antiretrovirale Therapie) kann die Virusreplikation über einen längeren Zeitraum unterdrückt werden. Allerdings hat diese Therapie Limitationen. Die Medikamente verursachen hohe Therapiekosten, haben zum Teil starke Nebenwirkungen und es entstehen mit der Zeit resistente Viren. Eine Alternative besteht in der somatischen Gentherapie der HIV-Infektion. Bei diesen Ansätzen werden Zellen der Patienten genetisch modifiziert, so dass sie ein antivirales Genprodukt exprimieren. In der vorliegenden Arbeit wurde ein membrangebundenes, antivirales C46 Peptid (maC46) sowohl in vitro in Zelllinien und primären humanen T-Zellen als auch in vivo in zwei humanisierten Mausmodellen getestet. Das C46 Peptid entstammt der C-terminalen "heptad repeat" Sequenz des HIV Hüllproteins gp41. C-Peptide wie C46 oder auch T20, welches bereits für die HAART Therapie zugelassen ist, binden während der Fusion des Virus mit der Zielzelle an gp41 und inhibieren so die Fusion. Werden T-Zelllinien oder primäre humane T-Zellen mit einem gammaretroviralen Vektor, der maC46 codiert, transduziert, können sie sehr effizient vor einer Infektion mit HIV geschützt werden [30]. Dieser Vektor wurde bereits in einer klinischen Studie mit T-Zellen von 10 HIV-positiven Patienten getestet [142]. Dabei konnte allerdings kein antiviraler Effekt der Gentherapie beobachtet werden. Hier wurde nun ein lentiviraler Vektor für maC46 (LV-maC46-GFP) verwendet. Lentivirale Vektoren transduzieren im Gegensatz zu gammaretroviralen auch ruhende Zellen, was ein kürzeres ex vivo Aktivierungs- und Transduktionsprotokoll ermöglicht. Außerdem ist für lentivirale Vektoren das Risiko der Transformation der Zelle niedriger als für gammaretrovirale. Für eine mögliche klinische Anwendung sollte es daher tolerierbar sein, für lentivirale Vektoren eine höhere MOI zu verwenden als für gammaretrovirale. Eine höhere Transduktionseffizienz sollte auf der anderen Seite auch eine effektive und langanhaltende Transgenexpression ermöglichen. Zunächst wurde gezeigt, dass sowohl die T-Zelllinie PM-1 als auch primäre humane T-Zellen nach Transduktion mit LV-maC46-GFP vor einer Infektion mit HIV geschützt waren und während der Infektion einer gemischten Kultur einen Selektionsvorteil gegenüber nicht-transduzierten Zellen hatten. Dabei konnte auch durch konfokale Mikroskopie gezeigt werden, dass das Virus die maC46-exprimierenden Zellen nicht injizieren konnte, sondern lediglich auf der Zelloberfläche gebunden wurde. Im Weiteren wurden zwei humanisierte Mausmodelle etabliert, um LV-maC46-GFP in vivo zu testen. Im humanen Immunsystem Mausmodell (HIS-Mausmodell) wurden immundefiziente Mäuse mit humanen Blutstammzellen repopuliert. In den Tieren kam es zu einer de novo Bildung von humanen, reifen T-Lymphozyten durch Thymopoese. Dabei wurden im Blut der Tiere humane, maC46- exprimierende CD4+ T-Zellen detektiert. Nach Infektion der Tiere mit HIV wurden diese T-Zellen depletiert. Es kam allerdings nicht zu einer Anreicherung oder einem selektiven Überleben der genmodifizierten T-Zellen. Eine Erklärung dafür könnte eine gestörte T-Zellhomeostase in den Tieren sein. Das zweite humanisierte Mausmodell (T-Zellmausmodell) verwendete immundefiziente Mäuse, die mit transduzierten humanen T-Zellen repopuliert wurden. Die Infektion mit HIV erfolgte entweder in vitro vor Transplantation der Zellen oder in vivo nach Repopulierung der Tiere. In beiden Fällen konnte ein selektives Überleben maC46-exprimierender CD4+ T-Zellen nach HIV-Infektion beobachtet werden. Im letzten Teil der vorliegenden Arbeit wurde die Weiterentwicklung von maC46, eine sekretierte Variante des C46-Peptids (iSAVE), im T-Zellmausmodell getestet. Ein sekretierter Fusionsinhibitor stellt insofern eine Weiterentwicklung des membrangebundenen dar, als nicht nur die genmodifizierten Zellen, sondern zusätzlich auch nicht-modifizierte Nachbarzellen vor einer Infektion mit HIV geschützt werden könnten. Dadurch erhöht sich auch das Spektrum an möglichen Produzentenzellen für den Fusionsinhibitor. In den hier beschriebenen Experimenten wurden humane T-Zellen entweder mit einem gammaretroviralen (RV-iSAVE) oder einem lentiviralen Vektor (LV-iSAVE) transduziert und die Experssion das iSAVE-Peptids wurde im Serum der Tiere gemessen. In beiden Ansätzen konnte iSAVE Peptid im Serum der Tiere detektiert werden. In weiteren Experimenten sollte nun untersucht werden, ob dieses in vivo sekretierte iSAVE Peptid antiviral aktiv ist und die humanisierten Mäuse vor einer Infektion mit HIV schützen kann.
Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen führten zu folgenden Ergebnissen: 1. Eindimensionale Gelelektrophoresen Die Analyse mitochondrialer Proteine aus juvenilen und seneszenten P. anserina-Wildstämmen mit Hilfe von eindimensionalen SDS- und eindimensionalen Blau-Nativen-Gelelektrophoresen zeigt keine deutlichen, seneszenzspezifischen Unterschiede. Im Gegensatz dazu werden in initialen Versuchen der nicht-radioaktiven 2D-PAGE differentiell gebildete Proteine visualisiert. 2. 2D-PAGE mit radioaktiv-markierten, mitochondrialen Proteinen aus jungen und alten P. anserina-Wildstämmen In der ungerichteten Proteomanalyse wurden 29 differentiell-gebildete Proteine identifiziert und zusätzlich zahlreiche Isoformen einiger Proteine gezeigt. Von der ß-ATPase wurden modifizierte Isoformen gefunden. Außerdem wurde eine seneszenspezifisch verringerte Bildung von ROS-Abwehr-Proteinen in den Mitochondrien detektiert. Im Gegensatz dazu wurde eine größere Menge eines Chaperons gefunden, das bei der Proteinsynthese eine Rolle spielt: eine Protein-Disulfid-Isomerase, die die Umlagerung und Neubildung von Di-Sulfid-Brücken bei der Faltung von Proteinen katalysiert. Zusätzlich wurde eine erhöhte Menge des Proteins SSC1 identifiziert. Dieses gehört zur Hsp70-Hitzeschock-Proteinfamilie. Es wurde ebenfalls eine erhöhte Menge des Apoptosefaktors Cyclophilin D in den mitochondrialen Proben aus den seneszenten Wildstämmen identifiziert. Die Identifizierung dieses Proteins in Mitochondrien von P. anserina stellt neben der Charakterisierung der Metacaspasen (Hamann et al., 2007) einen weiteren Ansatzpunkt für die Apoptoseforschung in P. anserina dar. Die molekularbiologische Analyse dieses Proteins wurde aufgrund dieser Proteomanalyse im Arbeitskreis aufgenommen (Dissertation D. Brust). Ein weiteres Protein, das in stark erhöhter Menge in den Proteinisolaten identifiziert wurde, ist PaMTH1. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden die Struktur und die Funktion dieser neu identifizierten differentiell-gebildeten Methyltransferase während der Alterung in P. anserina mit Hilfe molekularbiologischer, biochemischer und physiologischen Analysen untersucht. 3. Charakterisierung von PaMTH1 Im Rahmen von Northernblot-Analysen wurde gezeigt, dass die PaMth1-Transkriptmenge in drei unabhängigen alten Wildstämmen im Vergleich zu den entsprechenden jungen Wildtsämmen deutlich erhöht ist. In einer Westernblot-Analyse von Gesamtproteinen und Mitochondrien aus jungen und seneszenten Wildstämmen wird der seneszenzspezifische Anstieg der Proteinmenge verifiziert. Die genauere Einordnung von PaMTH1 in die Klasse I der Methyltransferasen und die Ergebnisse der Analyse der Substratspezifizität geben einen Hinweis auf eine Schutzfunktion durch die Verhinderung einer ROS-Entstehung unter der Beteiligung von Substanzen mit einer Catecholgruppe. Die Ergebnisse der Analyse der Modulation der PaMth1-Expression in P. anserina deuten ebenfalls auf eine Schutzwirkung von PaMTH1 hin: PaMth1-Überexpressionsstämme zeigen eine verbesserte Wuchsrate auf stress-induzierenden Medien, weniger carbonylierte Proteine und vor allem eine verlängerte Lebensspanne ohne physiologische Nachteile im Vergleich zum Wildstamm. Dagegen lebt die PaMth1-Deletionsmutante kürzer und wächst schlechter auf ROS-induzierenden Medien, sie zeigt allerdings keine erhöhte Menge von carbonylierten Proteinen im eindimensionalen „Oxyblot“. Die beobachtete Lebensspannenverkürzung der PaMth1-Deletionsmutante wird jedoch durch die Reversion dieser Stämme wieder aufgehoben, sodass die Hypothese des Schutzes vor der ROS-Generierung durch die Methylierung von Dihydroxylgruppen anhand der erhaltenen Daten unterstützt wird.
Ein gentherapeutischer Ansatz für die Behandlung der HIV-Infektion ist die "intrazelluläre Immunisierung" von CD4+-Zellen die den Hauptangriffspunkt des HI-Virus darstellen. Potentiell therapeutische Gene zur Hemmung der HIV-Replikation sind in großer Zahl und für praktisch jeden schritt des Replikationszyklus des Virus publiziert. Ein Problem war allerdings bisher das Fehlen eines einheitlichen und reproduzierbaren Vergleichssystems zur Identifizierung erfolgversprechender Gene für Studien im Tiermodell und in der Klinik. In dieser Arbeit wurde ein solches auf die Gentherapie abgestimmtes Zellkultursystem entwickelt, das auf stabilem Transfer von HIV-inhibitorischen Genen durch retrovirale Transduktion von T-Zellen und Belastungsversuchen mit replikationsfähigen Viren beruht. Dazu wurden auf Basis der humanen T-Zellinie PM1 Zellinien etabliert, die das Markergen egfp sowie ein therapeutisches Gen stabil exprimieren. Für den Gentransfer wurden [MLV(GaLV)]-Vektoren verwendet, die sich für die Transduktion von hämatopoetischen Zellen besonders eignen. Mit Hilfe der etablierten HIV-inhibitorischen Gene RevM10 und STHM (membrangebundenes T20) wurden Methoden zur Generierung dieser stabilen Zellinien optimiert. Um eine höchstmögliche Vergleichbarkeit zu erreichen, müssen die Voraussetzungen für eine HIV-Replikation in allen Zellinien in gleicher Weise gegeben sein. Deshalb wurden Zellinien bei mit praktisch gleicher Zellteilungsrate und HIV-Rezeptorexpression etabliert. Die untrschiedliche Hemmwirkung der Kontrollgene konnte so in Belastungsexperimenten mit drei verschiedenen, repräsentativen HIV-1-Laborstämmen reproduzierbar gezeigt werden. Das erarbeitete Zellkultursystem wurde dann zur Evaluierung verschiedener Gene eingesetzt. Zunächst wurden zwei neue Ansätze für die HIV-Gentherapie getestet. Die hohe Wirksamkeit von APOBEC3Gagm gegen HIV-1, die zuvor in einem "single-round"-Infektionssystem gezeigt worden war, konnte bestätigt werden. Der Versuch, das als natürlicher HIV-Inhibitor in humanem Hämofiltrat gefundene Peptild VIRIP auf der Zelloberfläche zu exprimieren, bewirkte hingegen keine HIV-Hemmung. Zusätzlich wurden mehrere potentiell therapeutische Gene getestet, die von Kooperationspartnern im Rahmen eines HIV-Netzwerkes entwickelt worden waren. Für die humanisierte transdominant-negative Gag-Mutante TDsg Delta 2 konnte eine HIV-Hemmwirkung nachgewiesen werden, während weder die Wildtyp-Mutante TDwt Delta 2 noch das minimale GAG-Fragment L2GAL2-V3 eine signifikante Wirkung zeigten. Für die beiden HIV-1 p6-Konstrukte L4 und L6 war eine HIV-Hemmung ebensowenig wie für die gp41 c-tail-Konstrukte 9/1 und 9/2 feststellbar. In weiteren Versuchen konnte gezeigt werden, daß sich die Hemmwirkung der unterschiedlichen Gene gegen HIV-1-Primärisolate im wesentlichen der gegen die Laborstämme entspricht. Nach Infektion der Zellinien mit HIV-2 wurde wie erwartet die Virusreplikation nur durch STHM und TDsg Delta 2 gehemmt. Schließlich wurde getestet, ob sich die Hemmeffekte auch in primären humanen Lymphozyten nachvollziehen lassen. Obwohl aufgrund der in diesen Zellen niedrigen erreichbaren Transduktionseffizienzen und einer starken Donorabhängigkeit keine Standardisierung möglich war, konnte gezeigt werden, daß es prinzipiell möglich ist, Hemmeffekte sichtbar zu machen.
Kenntnisse über die dreidimensionale Struktur therapeutisch relevanter Zielproteine bieten wertvolle Informationen für den rationalen Wirkstoffentwurf. Die stetig wachsende Zahl aufgeklärter Kristallstrukturen von Proteinen ermöglicht eine qualitative und quantitative rechnergestützte Untersuchung von spezifischen Protein-Liganden Wechselwirkungen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden neue Algorithmen für die Identifikation und den Ähnlichkeitsvergleich von Proteinbindetaschen und ihren Eigenschaften entwickelt und in dem Programm PocketomePicker zusammengefasst. Die Software gliedert sich in die Routinen PocketPicker, PocketShapelets und PocketGraph. Ferner wurde in dieser Arbeit die Methode ReverseLIQUID reimplementiert und im Rahmen einer Kooperation für das strukturbasierte Virtuelle Screening angewendet. Die genannten Methoden und ihre wissenschaftliche Anwendungen sollte hier zusammengefasst werden: Die Methode PocketPicker ermöglicht die Vorhersage potentieller Bindetaschen auf Proteinoberflächen. Diese Technik implementiert einen geometrischen Ansatz auf Basis „künstlicher Gitter“ zur Identifikation zusammenhängender vergrabener Bereiche der Proteinoberfläche als Orte möglicher Ligandenbindestellen. Die Methode erreicht eine korrekte Vorhersage der tatsächlichen Bindetasche für 73 % der Einträge eines repräsentativen Datensatzes von Proteinstrukturen. Für 90 % der Proteinstrukturen wird die tatsächlich Ligandenbindestelle unter den drei wahrscheinlichsten vorhergesagten Taschen gefunden. PocketPicker übertrifft die Vorhersagequalität anderer etablierter Algorithmen und ermöglicht Taschenidentifikationen auf apo-Strukturen ohne signifikante Einbußen des Vorhersageerfolges. Andere Verfahren weisen deutlich eingeschränkte Ergebnisse bei der Anwendung auf apo-Strukturen auf. PocketPicker erlaubt den alignmentfreien Ähnlichkeitsvergleich von Bindetaschenfor-men durch die Kodierung berechneter Bindevolumen als Korrelationsdeskriptoren. Dieser Ansatz wurde erfolgreich für Funktionsvorhersage von Bindetaschen aus Homologiemodellen von APOBEC3C und Glutamat Dehydrogenase des Malariaerregers Plasmodium falciparum angewendet. Diese beiden Projekte wurden in Zusammenarbeit mit Kollaborationspartnern durchgeführt. Zudem wurden PocketPicker Korrelationsdeskriptoren erfolgreich für die automatisierte Konformationsanalyse der enzymatischen Tasche von Aldose Reduktase angewendet. Für detaillierte Analysen der Form und der physikochemischen Eigenschaften von Proteinbindetaschen wurde in dieser Arbeit die Methode PocketShapelets entwickelt. Diese Technik ermöglicht strukturelle Alignments von extrahierten Bindevolumen durch Zerlegungen der Oberfläche von Proteinbindetaschen. Die Überlagerung gelingt durch die Identifikation strukturell ähnlicher Oberflächenkurvaturen zweier Taschen. PocketShapelets wurde erfolgreich zur Analyse funktioneller Ähnlichkeit von Bindetaschen verwendet, die auf Betrachtungen physikochemischer Eigenschaften basiert. Zur Analyse der topologischen Vielfalt von Bindetaschengeometrien wurde in dieser Arbeit die Methode PocketGraph entwickelt. Dieser Ansatz nutzt das Konzept des sog. „Wachsenden Neuronalen Gases“ aus dem Bereich des maschinellen Lernens für eine automatische Extraktion des strukturellen Aufbaus von Bindetaschen. Ferner ermöglicht diese Methode die Zerlegung einer Bindestelle in ihre Subtaschen. Die von PocketPicker charakterisierten Taschenvolumen bilden die Grundlage für die Methode ReverseLIQUID. Dieses Programm wurde in dieser Arbeit weiterentwickelt und im Rahmen einer Kooperation zur Identifikation eines Inhibitors der Serinprotease HtrA des Erregers Helicobacter pylori verwendet. Mit ReverseLIQUID konnte ein strukturbasiertes Pharmakophormodell für das Virtuelle Screening erstellt werden. Dieser Ansatz ermöglichte die Identifikation einer Substanz mit niedrig mikromolarer Affinität gegenüber der Zielstruktur.
Im adulten Säugerhirn findet Neurogenese in der SVZ der Seitenventrikel kontinuierlich statt. Eine Vielzahl von Signalsystemen steuert in komplexer Weise zelluläre Antworten und reguliert die Proliferation, Differenzierug und Wanderung NSZ. Gegenwärtig ist nur wenig über die zugrundeliegenden Signalwege bekannt. Zunehmend gibt es Hinweise darauf, dass Nukleotide an diesen Prozessen beteiligt sind. Frühere Untersuchungen unserer Arbeitsgruppe zeigten, das die Nukleotide ADPbetaS und UTP in kultivierten NSZ der adulten SVZ einen schnellen Kalziumeinstrom induzieren und die Wachstumsfaktor-vermittelte NSZ-Proliferation steigern. In der vorliegenden Arbeit wurde ein System zur Kultivierung adhärenter adulter NSZ etabliert. Die Untersuchungen zeigen, dass adulte NSZ eine Vielzahl an P2Y- und P2X-Rezeptoren, sowie die Nukleotid-hydrolysierenden Enzyme NTPDase2 und TNAP exprimieren. Untersuchungen der ADPbetaS-, UTP- und EGF-vermittelten Signalwege zeigen, dass alle drei Agonisten eine ERK1/2- und CREB-Phosphorylierung induzieren, wobei sich die zeitlichen Charakteristika zwischen den Nukleotiden und EGF unterscheiden. Inhibierungsexperimente geben Einblicke in die dabei aktivierten Signalkaskaden und weisen auf eine ADPbetaS-induzierte Transaktivierung des EGF-Rezeptors hin. Während UTP über den P2Y2-Rezeptor wirkt, übt ADPbetaS seine Funktion über den P2Y1- und P2Y13-Rezeptor aus. Die Daten implizieren zudem, dass Nukleotide und EGF gleiche Zielproteine über verschiedene Signalwege induzieren und dass sie das Potenzial besitzen, bei der Kontrolle der Zellproliferation in der adulten Neurogenese synergistisch zu agieren. Vergleichende Analysen mit kultivierten NSZ aus Wildtyp-, P2Y1- und P2Y2-Rezeptor-Knockout-Mäusen belegen ein verändertes Antwortverhalten in Gegenwart von ADPbetaS, UTP und EGF und lassen kompensatorische Mechanismen vermuten. Die Resultate dieser Arbeit demonstrieren zudem, dass ATP, ADPbetaS, UTP und EGF die Migration von NSZ induzieren. Parallel dazu konnten Veränderungen des Aktinzytoskelletes, wie die Zunahme an F-Aktin, die Bildung von Stressfasern und eine Veränderung der Zellmorphologie gezeigt werden. Diese Prozesse gehen mit einer Aktivierung der Proteinkinasen Akt und FAK einher. Die Daten weisen darauf hin, dass Nukleotide und EGF für die Zytoarchitektur der SVZ und die Wanderung von Neuroblasten zum OB eine wichtige Rollen spielen könnten.
Rhythmic changes in environmental lighting conditions have ever been the most reliable environmental cue for life on earth. Nature has therefore selected a genetically encrypted endogenous clock very early in evolution, as it provided cells and subsequently organisms with the ability to anticipate persevering periods of light and darkness. Rhythm generation within the mammalian circadian system is achieved by clock genes and their protein products. The mammalian endogenous master clock, which synchronizes the body to environmental time, is located in the suprachiasmatic nucleus (SCN) of the hypothalamus. As an integral part of the time-coding system, the pineal gland serves the need to tune the body to the temporal environment by the rhythmic nocturnal synthesis and immediate release of the hormone melatonin. In contrast to the transcriptional regulation of melatonin synthesis in rodents, a post-translational shaping is indicated in the human pineal gland. Another important mediator of circadian time and seasonality to the body is the pituitary gland. The aim of this work was to elucidate regulation of melatonin synthesis in the human pineal gland. Furthermore, presence and regulation of clock genes in the human pineal and pituitary gland, and in the SCN were analyzed. Therefore, human tissue, taken from regular autopsies, was analyzed simultaneously for different parameters involved in melatonin biosynthesis and circadian rhythm generation. Presented data demonstrate that post-mortem brain tissue can be used to detect the remnant profile of pre-mortem adaptive changes in neuronal activity. In particular, our results give strong experimental support for the idea that transcriptional mechanisms are not dominant for the generation of rhythmic melatonin synthesis in the human pineal gland. Together with data obtained for clock genes and their protein products in the pituitary, data presented here offer 1) a new working hypothesis for post-translational regulation of melatonin biosynthesis in the human pineal gland, and 2) a novel twist in the molecular competence of clock gene proteins, achieved by nucleo-cytoplasmic shuttling in neuronal and neuroendocrine human tissue. Furthermore, in this study, oscillations in abundance of clock gene proteins were demonstrated for the first time in the human SCN.
Fas Ligand (FasL; CD95L; CD178; TNSF6) is a 40 kDa glycosylated type II transmembrane protein with 279 aa in mice and 281 aa in humans that belongs to the tumor necrosis factor (TNF) family. The extracellular domain (ECD) harbors a TNF homology domain, the receptor binding site, a motif for self assembly and trimerization, and several putative N-glycosylation and a metalloprotease cleavage site/s. The cytoplasmic tail of FasL is the longest of all TNFL family members and contains several conserved signaling motifs, such as a putative tandem Casein kinase I phosphorylation site, a unique proline-rich domain (PRD) and phosphorylatable tyrosine residues (Y7 in mice; Y7, Y9, Y13 in human). The FasL/Fas system is renowned for the potent induction of apoptosis in the receptor-bearing cell and is especially important for immune system functions. It is involved in the killing of target cells by natural killer (NK) and cytotoxic T cells, in the (self) elimination of effector cells following the proliferative phase of an immune response (activation-induced cell death; AICD), in the maintenance of immuneprivileged sites and in the induction and maintenance of peripheral tolerance. Owing to its potent pro-apoptotic signaling capacity and important functions, FasL expression and activity are tightly regulated at transcriptional and posttranscriptional levels and restricted to few cell types, such as immune effector cells and cells of immune-privileged sites. In contrast, Fas is expressed in a variety of tissues including lymphoid tissues, liver, heart, kidney, pancreas, brain and ovary. In addition to its pro-apoptotic function, the FasL/Fas system can also elicit nonapoptotic signals in the receptor-expressing cell. Among others, Fas-signaling exerts co-stimulatory functions in the immune system, e.g. by promoting survival, activation and proliferation of T cells. Besides the capacity to deliver a signal into receptor-bearing cells (‘forward signal’), FasL can receive and transmit signals into the ligand-expressing cell. This phenomenon has been described for several TNF family ligands and is known as ‘reverse signaling’. The first evidence for the existence of reverse signaling into FasL-bearing cells stems from two studies that demonstrated either co-stimulation of murine CD8+ T cell lines by FasL cross-linking or inhibition of activation-induced proliferation of murine CD4+ T cells. In both cases, the observed changes of proliferative behaviour critically depended on the presence of a signaling-competent FasL. Almost certainly, the FasL ICD is functionally involved in signal-transmission: (i) The ICD is highly conserved across species and harbors several signaling motifs, most notably a unique PRD. (ii) Numerous proteins have been identified which interact with the FasL PRD via their SH3 or WW domains and regulate various aspects of FasL biology, such as FasL sorting, storage, cell surface expression and the linkage of FasL to intracellular signaling pathways. (iii) Post-translational modifications of the ICD have been implicated in the sorting of FasL to vesicles and the FasL-dependent activation of Nuclear factor of activated T cells (NFAT). (iv) Proteolytic processing of FasL liberates the ICD and allows its translocation into the nucleus where it might influence gene transcription. (v) It could be shown that overexpression of the FasL ICD is sufficient to initiate reverse signaling upon concomitant T cell receptor (TCR) stimulation and ICD cross-linking. Conflicting data on the consequences of FasL reverse signaling exist, and costimulatory as well as inhibitory functions have been reported. These discrepancies probably reflect the use of artificial experimental systems. Neither the precise molecular mechanism underlying FasL reverse signaling, nor its physiological relevance have been addressed at the endogenous protein level in vivo. Therefore, a ‘knockout/knockin’ mouse model in which wildtype FasL was replaced with a deletion mutant lacking the intracellular portion (FasL Delta Intra) was established in the group of PD Dr. Martin Zörnig. In the present study, FasL Delta Intra mice were phenotypically characterized and were employed to investigate the physiological consequences of FasL reverse signaling at the molecular and cellular level. To ensure that FasL Delta Intra mice represent a suitable model to study the consequences of FasL reverse signaling, we demonstrated that activated lymphocytes from homozygous FasL Delta Intra or wildtype mice express comparable amounts of (truncated) FasL at the cell surface. The truncated protein retains the capacity to induce apoptosis in Fas receptor-positive target cells, as co-culture assays with FasL-expressing activated lymphocytes and Fas-sensitive target cells showed. Additionally, systematic screening of unchallenged mice did not reveal any phenotypic abnormalities. Notably, signs of a lymphoproliferative autoimmune disease associated with FasL-deficiency could not be detected. As several reports have implicated FasL reverse signaling in the regulation of T cell expansion and activation, proliferation of lymphocytes isolated from FasL Delta Intra and wildtype mice in response to antigen receptor stimulation was investigated. Using CFSE dilution assays it could be demonstrated that the proliferative response of CD4+ T cells, CD8+ T cells and of B cells was enhanced in the absence of the FasL ICD. Interestingly, this effect was most pronounced in B cells and could only be detected in CD4+ T cells after depletion of CD4+CD25+ regulatory T cells. To our Summary knowledge, this is the first time that FasL reverse signaling has been demonstrated in B cells. In a series of experiments, the activation of several pathways that are known to play important roles in signal-transmission initiated upon antigen receptor triggering was assessed. As a molecular correlate for the observed enhancement of activation-induced proliferation, Extracellular signal regulated kinase (ERK1/2) phosphorylation was significantly increased in FasL Delta Intra mice following antigen receptor crosslinking. Surprisingly, B cell stimulation lead to a comparable extent of activating phosphorylations on S38 in c-Raf and S218/S222 in MEK1/2 in cells isolated from wildtype and FasL Delta Intra mice, indicating that Mitogen activated protein kinases (MAPKs) upstream of ERK1/2 (Raf-1 and MEK1/2) apparently do not contribute to the differential regulation of ERK1/2. Experiments in which activation-induced Akt phosphorylation (S473) was quantified also did not suggest a participation of Phosphoinositol specific kinase 3 (PI3K)/Akt signals in this process. Instead, further characterization of the upstream pathway revealed an involvement of Phospholipase C gamma (PLC gamma) and Protein kinase C (PKC) signals in FasL-dependent ERK1/2- regulation. Previous studies in our group revealed a Notch-like processing of FasL, resulting in the transcriptional regulation of a reporter gene. Furthermore, an interaction of the FasL ICD with the transcription factor Lymphoid-enhancer binding factor-1 (Lef-1) that affected Lef-1-dependent reporter gene transcription could be demonstrated. Therefore, a molecular analysis of activated lymphocytes was performed to identify FasL reverse signaling target genes. The differential expression of promising candidates was verified by quantitative real-time PCR (qRT-PCR), which showed that the transcription of genes associated with lymphocyte proliferation and activation was increased in FasL Delta Intra mice compared to wildtype mice. Interestingly, an extensive regulation of Lef-1-dependent Wnt/beta-Catenin signalingrelated genes was found. Lef-1 mRNA (RT-PCR) and protein (intracellular FACS staining) could be detected in mature B cells, suggesting the possibility of FasL ICD-mediated inhibition of Lef-1-dependent gene expression in these cells, initiated by Notch-like processing of FasL. To investigate the consequences of FasL reverse signaling in vivo, a potential participation of the FasL ICD in the regulation of immune responses upon various challenges was analyzed. In experiments in which thymocyte proliferation or the expansion of antigen-specific T cells following a challenge with the superantigen Staphylococcus enterotoxin B (SEB), with Lymphocytic choriomeningitis virus (LCMV) or with Listeria monocytogenes were investigated, comparable results were obtained with wildtype and FasL Delta Intra mice. Likewise, the recruitment of neutrophils in a thioglycollate-induced model of peritonitis was not affected by deletion of the FasL ICD. These findings might reflect regulatory mechanisms operating in vivo, such as control exerted by regulatory T cells. Along these lines, proliferative differences in CD4+ T cells could only be detected ex vivo after depletion of CD4+CD25+ regulatory T cells. Furthermore, several in vitro studies indicate that retrograde FasL signals can be observed under conditions of suboptimal lymphocyte stimulation, but not when the TCR is optimally stimulated. Therefore, the potent initiation of antigen receptor signaling by stimuli like SEB or LCMV might have masked inhibitory FasL reverse signaling in these experiments. In agreement with the observed hyperactivation of lymphocytes in the absence of the ICD ex vivo, the increase in germinal center B cells (GCs) following immunization with the hapten 3-hydroxy 4-nitrophenylacetyl (NP) and the number of antibody-secreting PCs was significantly higher in FasL Delta Intra mice. The larger quantity of PCs correlated with increased titers of NP-binding, i.e. antigen-specific, IgM and IgG1 antibodies in the serum of FasL Delta Intra mice after immunization. These data suggest that FasL reverse signaling exerts immunmodulatory functions. Supporting this notion, a model of Ovalbumin-induced allergic airway inflammation revealed an involvement of retrograde FasL-signals in the recruitment of immune effector cells into the lung and in the activation of T cells following exposure of mice to Ovalbumin. Together, our ex vivo and in vivo findings based on endogenous FasL protein levels demonstrate that FasL ICD-mediated reverse signaling is a negative modulator of certain immune responses. It is tempting to speculate that FasL reverse signaling might be a fine-tuning mechanism to prevent autoimmune diseases, a theory which will be tested in adequate mouse models in the future.
A large number of chemicals are constantly introduced to surface water from anthropogenic and natural sources. Although substantial efforts have been made to identify these chemicals (e.g potentially anthropogenic contaminants) in surface waters using liquid chromatography coupled to high resolution mass spectrometry (LC-HRMS), a large number of LC-HRMS chemical signals often with high peak intensity are left unidentified. In addition to synthetic chemicals and transformation products, these signals may also represent plant secondary metabolites (PSMs) released from vegetation through various pathways such as leaching, surface run-off and rain sewers or input of litter from vegetation. While this may be considered as a confounding factor in screening of water contaminants, it could also contribute to the cumulative toxic risk of water contamination. However, it is hardly known to what extent these metabolites contribute to the chemical mixture of surface waters. Thus, reducing the number of unknowns in water samples by identifying also PSMs in significant concentrations in surface waters will help to improve monitoring and assessment of water quality potentially impacted by complex mixtures of natural and synthetic compounds. Therefore, the main focus of the present study was to identify the occurrence of PSMs in river waters and explore the link between the presence of vegetation along rivers and detection of their corresponding PSMs in river
water.
In order to achieve the goals of the present thesis, two chemical screening approaches, namely, non-target and target screening using LC-HRMS were implemented. (1) Non-target analysis involving a novel approach has been applied to associate unknown peaks of high intensity in LC-HRMS to PSMs from surrounding vegetation by focusing on peaks overlapping between river water and aqueous plant extracts (Annex A1). (2) LC–HRMS target screening in river waters were performed for about 160 PSMs, which were selected from a large phytotoxin database (Annex A2 and A3) considering their expected abundance in the vegetation, their potential mobility, persistence and toxicity in the water cycle and commercial availability of standards.
In non-target screening (Annex A1), a high number of overlapping peaks has been found in between aqueous plant extracts and water from adjacent location, suggesting a significant impact of vegetation on chemical mixtures detectable in river waters. The chemical structures were assigned for 12 pairs of peaks while several pairs of peaks
whose MS/MS spectra matched but no structure suggestion were made by the implemented software tools for retrieving possible chemical structure. Nevertheless, the pairs of peaks with matching spectra represented the same chemical structure. The identified compound belonged to different compound classes such as coumarins, flavonoids besides others. For the identified PSMs individual concentration up to 5 µg/L were measured. The concentration and the number of detected PSMs per sample were correlated with the rain event and vegetation coverage.
Target screening unraveled the occurrence of 33 out of 160 target compounds in river waters (Annex A2 and A3). The identified compounds belonged to different classes such as alkaloids, coumarins, flavonoids, and other compounds. Individual compound concentrations were up to several thousand ng/L with the toxic alkaloids narciclasine and
lycorine recording highest maximum concentrations. The neurotoxic alkaloid coniine from poison hemlock was detected at concentrations up to 0.4 µg/L while simple coumarins
esculetin and fraxidin occurred at concentrations above 1 µg/L. The occurrence of some PSMs in river water were correlated to the specific vegetation growing along the rivers while the others were linked to a wide range of vegetation. As an example, narciclasine and lycorine was emitted by the dominant plant species from Amaryllidaceae family (e.g. Galanthus nivalis (snow drop), Leucojum vernum and Anemone nemorosa) while intermedine and echimidine were from Symphytum officinale. The ubiquitous occurrence of simple coumarins fraxidin, scopoletin and aesculetin could be linked to their presence in a wide range of vegetation.
Due to lack of aquatic toxicity data for the identified PSMs (in both target and non-target) and extremely scarce exposure data, no reliable risk assessment was possible.
Alternatively, risk estimation was performed using the threshold for toxicological concern (TTC) concept developed for drinking water contaminants. Many of the identified PSMs
exceeded the TTC value (0.1 µg/L) thus caution should be taken when using such surface waters for drinking water abstraction or recreational use.
This thesis provides an overview of the occurrence of PSMs in river water impacted by the massive presence of vegetation. Concentration for many of the identified PSMs are well within the range of those of synthetic environmental contaminants. Thus, this study adds to a series of recent results suggesting that possibly toxic PSMs occur in relevant concentrations in European surface waters and should be considered in monitoring and risk assessment of water resources. Aquatic toxicity data for PSMs are extensively lacking but are required to include these compounds in the assessment of risks to aquatic organisms and for eliminating risks to human health during drinking water production.
In the past decades, the use and production of chemicals has been on the rise globally due to increasing industrialization and intensive agriculture; resulting in the occurrence and ecotoxicological risks of chemicals of emerging concern (CECs) in the aquatic compartments. Risks include changes in community structure resulting in the dominance of one species and ecosystem imbalance. When dominant disease-causing organisms are in the environment, the disease transmission is increased. For example, host snails for the schistosomiasis, a human trematode disease, are known to be tolerant to pesticide
exposure compared to the predators. This would therefore result in an increased abundance of snails which consequently increase the disease transmission in the human population.
Kenya, being a low income country faces a lot of challenges with provision of clean water, diseases and sanitation facilities, and increasing population which results in intensive agriculture coupled with pesticide use. Although a lot of research has been carried out on the environmental occurrence and risk of CECs (Chapter 1), most of these studies have been done in developed countries with limited information from Africa. Additionally, research in Africa focused on urban areas with limited number of compounds analyzed and mostly in the water phase, and inadequate information on the effects of CECs on the aquatic organisms. In order to reduce this knowledge gap, this dissertation focused on identification and quantification of CECs present in water, sediment and snails from western Kenya, and the contribution of pesticides to the transmission of schistosomiasis.
Chapter 2 gives a summary of the results and discussion of the dissertation. In Chapter 3, a comprehensive chemical analysis was carried out on 48 water samples to identify compounds, spatial patterns and associated risks for fish, crustacean and algae using toxic unit (TU) approach. A total of 78 compounds were detected with pesticides and biocides being the compounds most frequently detected. Spatial pattern analysis revealed limited compound grouping based on land use. Acute risk for crustaceans and algae were driven by one to three individual compounds. These compounds responsible for toxicity were prioritized as candidate compounds for monitoring and regulation in Kenya.
In Chapter 4, an extension of Chapter 3 was done to cover the CECs present in snails and sediment from the 48 sites. A total of 30 compounds were found in snails and 78 in sediments with 68 additional compounds being found which were not previously detected in water. Higher contaminant concentrations were found in agricultural sites than in areas without anthropogenic activities. The highest acute toxicity (TU 0.99) was determined for crustaceans based on compounds in sediment samples. The risk was driven by diazinon and pirimiphos-methyl. Acute and chronic risks to algae were driven by diuron whereas fish were found to be at low to no acute risk.
In Chapter 5, the effect of pesticide contamination on schistosomiasis transmission was evaluated by applying complimentary laboratory and field studies. In the field studies, the ecological mechanisms through which pesticides and physical chemical parameters affect host snails, predators and competitors were investigated. Pesticide data was obtained from the results in chapter 3. The overall distribution of grazers and predators was not affected by pesticide pollution. However, within the grazers, pesticide pollution increased dominance of host snails. On the contrary, the host-snail competitors were highly sensitive to pesticide exposure. For the laboratory studies, macroinvertebrates including Schistosoma-host snails, competitors and predators were exposed to 6 concentrations levels of imidacloprid and diazinon. Snails showed higher insecticide tolerance compared to competitors and predators. Finally, Chapter 6 summarizes the conclusions of this dissertation, placing it in a broader
context. In this dissertation, a comprehensive chemical characterization and risk assessment of CECs has been carried out in freshwater systems; together with the effects of pesticides on schistosomiasis transmission in rural western Kenya. Results of this dissertation showed that rural areas are contaminated posing a risk to aquatic organisms which contribute to schistosomiasis transmission. This shows the need for regular monitoring and policy formulation to reduce pollutant emissions which contributes negatively to both ecological and human health effects.
Viele physiologische Prozesse, wie zum Beispiel der Schlaf-Wach-Rhythmus, die Nahrungsaufnahme, die Aktivität, sowie unbewusstes Verhalten unterliegen circadianen Rhythmen. Diese Rhythmen werden durch die circadiane Uhr erzeugt, deren Sitz der SCN im Hypothalamus ist. Der SCN übermittelt das circadiane Signal in viele verschiedene Gehirnregionen (Reuss 1996). Die circadianen Rhythmen werden einerseits durch Umweltreize, wie Licht oder Nahrungsverfügbarkeit, eingestellt. Diese externen Signale beeinflussen direkt den SCN oder andere hypothalamische Nuclei, wie den lateralen Hypothalamus oder den N. arcuatus. Andererseits werden die circadianen Rhythmen jedoch auch an die physiologischen Parameter des Individuums angepasst. Diese externen und internen Signale werden durch den Signalaustausch zwischen den hypothalamischen Nuclei integriert. Zur Untersuchung dieser gegenseitigen Verbindungen wurden immunzytochemische Studien an Gehirnschnitten von Maus und Ratte durchgeführt, um das Vorkommen verschiedener Neuropeptide in Zellkörpern und Fortsätzen der Neurone in den entsprechenden hypothalamischen Gebieten aufzuzeigen. Untersucht wurden Vasopressin und VIP, die im SCN selbst synthetisiert werden, sowie Orexin A und MCH, die in den Zielgebieten des SCN vorkommen. Die Verteilungen der Neuropeptide bei Ratten und Mäusen stimmten weitgehend überein. Lediglich die Vasopressin-Expression im SCN weist Abweichungen im Vergleich der beiden Spezies auf. Weiterhin gibt es unterschiedliche Verbindungen zwischen den hypothalamischen Kerngebieten: Im SCN der Ratte, jedoch nicht im SCN der Maus, innervieren Orexin A-enthaltende Fasern VIP-exprimierende Zellen, sowie MCH-positive Fortsätze Vasopressin-enthaltende Neurone. Demzufolge variiert die Signalübertragung im Hypothalamus der Maus und der Ratte. GABA und Glyzin sind wichtige hemmende Neurotransmitter im ZNS. Daher wurden die transgenen Mauslinien GAD67-GFP knock-in und GlyT2-EGFP als Marker für GAD67-positive beziehungsweise Glyzin-positive Zellen verwendet. Gehirnschnitte dieser Mauslinien wurden immunzytochemisch gegen die oben genannten Neuropeptide gefärbt, um die Neuronenpopulationen in den hypothalamischen Kerngebieten zusätzlich zu charakterisieren. Viele Vasopressin- oder VIP-exprimierende Zellen im SCN sind GAD67-positiv. Im lateralen Hypothalamus sind einige MCH-positive Zellen GAD67-positiv. Orexin A enthaltende Zellen sind nicht positiv für GAD67. Orexin A-positive und GAD67-positiv Zellen sind miteinander durch direkte Kontakte verbunden. Der hemmende Neurotransmitter Glyzin wird von wenigen Zellen im lateralen Hypothalamus gebildet. Glyzin ist dort weder mit Orexin A, MCH oder Vasopressin kolokalisiert. Der gesamte Hypothalamus ist von einem dichten Netz stark verzweigter, Glyzin-enthaltender Fasern überzogen, deren Ursprung im Rahmen dieser Arbeit nicht eindeutig geklärt werden konnte. Die glyzinergen Fasern innervieren im lateralen Hypothalamus Orexin A-, Vasopressin- und MCH-exprimierende Neurone. Glyzinerge Fasern projizieren im lateralen Hypothalamus auf VIP-positive Fortsätze und im SCN auf Vasopressinenthaltende Fortsätze. Der hemmende Neurotransmitter Glyzin spielt vermutlich eine bedeutende Rolle bei der Signalübertragung zwischen Hypothalamus und anderen Gehirnbereichen. Damit wirkt Glyzin vermutlich auf diverse physiologische Abläufe ein, die durch hypothalamische Kerngebiete gesteuert und reguliert werden. Neben der Untersuchung der hypothalamischen Nuclei in Gehirnschnitten wurden die Zellen dieser Kerngebiete in histiotypischen primären Zellkulturen charakterisiert. Die Neuropeptid-Expressionen sowie synaptische Verbindungen wurden an den kultivierten Zellen untersucht. Der Vergleich der Neuropeptid-Expression bei Gehirnschnitten und bei Zellkulturen bestätigte, dass histiotypische Zellkulturen ein geeignetes Modell für Studien von Einzelzell- und Netzwerkeigenschaften sind. Die Ausbildung von zahlreichen Synapsen innerhalb nur weniger Tage bestätigt, dass die Signalübertragung in den Zellkulturen wie vermutlich auch im Hypothalamus überwiegend synaptischer Natur ist.
The brain vascular system is composed of specialized endothelial cells, which regulate the movement of ions, molecules and cells from the blood lumen to the central nervous system (CNS). Endothelial cells in the brain form the blood-brain barrier (BBB) that is essential to maintain the brain homeostasis and protect the CNS from pathogens and toxins for a proper neurological function. Endothelium together with other cellular components such as pericytes, astrocytes and the basement membrane, forms the neurovascular unit (NVU), the structural unit of the BBB. Breakdown of the BBB occurs in various neurological disorders, leading to edema and neuronal damage. Therapeutic strategies focusing on factors that regulate the permeability of the BBB may help to improve neurological disorders and facilitate drug delivery to the brain.
Angiopoietins (Ang) are potential candidates for therapeutic targeting the BBB due to their role in regulating the vascular permeability in periphery. They are key growth factors that control angiogenesis and vessel maturation. Ang-1 and Ang-2 possess similar binding affinities to the Tie2 receptor tyrosine kinase, which is almost exclusively expressed on endothelial cells. Ang-1 is expressed in smooth muscle cells and pericytes, and binds in a paracrine manner to Tie2. This results in phosphorylation of the receptor and induction of downstream signaling pathways leading to vessel maturation via pericyte recruitment and blood vessel stabilization. Ang-2, on the other hand, is stored in Weibel Palade bodies in endothelial cells and is released upon inflammatory or angiogenic stimuli. Therefore, in mature, stabilized blood vessels, Ang-2 expression is low. Increased level of Ang-2 is only observed during development or in pathology such as ischemia, cancer and inflammation. When Ang-2 is released, it acts in an autocrine manner and interferes with Tie2 phosphorylation in a context-dependent way. Antagonizing the receptor results in de-stabilization of the vessels, often accompanied by reduced numbers of pericytes leading to myeloid cell infiltration. In conjunction with the vascular endothelial growth factor (VEGF), Ang-2 contributes to blood vessel sprouting, whereupon in absence of VEGF it promotes vessel regression. ...
Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde der Großteil aller nuklearen Proteine annotiert und klassifiziert. Aus Literatur, Proteinsequenz- und Domänendatenbanken wurden bekannte nukleare Domänen ermittelt, ihre Grenzen unter Zuhilfenahme von Tertiärstrukturen oder Sekundärstrukturvorhersagen bestimmt und multiple Sequenzalignments erstellt. Die handgerfertigten Aligments wurden zur Anfertigung von Hidden Markov Models herangezogen und in das Domänenvorhersageprogramm Simple Modular Architecture Research Tool (Schultz et al. 1998, Schultz et al. 2000) (http://smart.embl-heidelberg.de/) implementiert. Hier sind umfassend Informationen über Literatur, phylogentische Verteilung, Anzahl beteiligter Proteine und Funktion für 164 Domänen (118 entstammen dieser Arbeit) mehr als 35000 Proteine abdeckend zusammengefasst. Aufbauend auf der vollständigen Kollektion nuklearer Proteine wurden ausgewählte nukleare und nicht-nukleare Proteine auf der Grundlage homologiebasierender Sequenzanalyseverfahren untersucht. Die Arbeit führte zur Entdeckung von vier biologisch relevanten neuen Domänen: - L27, eine neue Hetero-Dimer bildende Domäne in den Rezeptor-Targeting-Proteins Lin-2 and Lin-7 (Doerks et al. 2000) - GRAM, eine neue Domäne in Glucosyltransferasen, Myotubularinen und anderen Membran-assoziierten Proteinen (Doerks et al. 2000) - DDT, eine neue DNA-bindende Domäne in unterschiedlichen Transkriptionsfaktoren, Chromosom-assoziierten und anderen nuklearen Proteinen (Doerks et al. 2001) - BSD, eine neue putativ DNA-bindende Domäne in Transkriptionsfaktoren, Synapsen-assozierten und anderen hypothetischen Proteinen (Doerks et al. submitted) Abschliessend erfolgte die automatische Analyse von 24000 nuklearen Proteinen, aus denen 550 hypothetisch neue Domänen hervorgingen. Die intensive Aufarbeitung dieser 550 konservierten Sequenzbereiche erbrachte die Entdeckung von 28 neuen nuklearen oder teilweise nuklearen Domänen unterschiedlicher Speziesverbreitung, Funktion und biologischer Relevanz (Doerks et al. accepted).
Anthropogene Landnutzung in ariden Savannen verändert die strukturelle Diversität der Vegetation und bedroht damit die Artenvielfalt der Flora und Fauna von etwa 20% der Landoberfläche der Erde. Ziel meiner Dissertation war es, den Einfluss von Landnutzung auf die Abundanz und Diversität von Kleinkarnivoren und ihrer Beutetiere zu untersuchen. Dabei sollten Bioindikatoren identifiziert werden, die eine Einschätzung der Diversität im Farmmosaik der südlichen Kalahari ermöglichen. Entlang eines Weideintensitätsgradienten analysierte ich mit Hilfe freilandökologischer Methoden die komplexen Zusammenhänge zwischen Beweidungsintensität, struktureller Diversität der Vegetation, Beuteverfügbarkeit und Diversität von Kleinkarnivoren. Nach den Ergebnissen dieser Studie in der südlichen Kalahari kann ich folgende Aussagen über die anthropogene Störung der Integrität von ariden Savannensystemen durch Beweidung treffen: 1. Eine Steigerung der Bestockungsdichten von Weidetieren führte zu drastischen Veränderungen der Zusammensetzung und strukturellen Diversität der Vegetation. Dabei sank mit zunehmendem Beweidungsdruck der Anteil an Gräsern an der Vegetationsbedeckung bei gleichzeitigem Anstieg der Strauchvegetation. Die Heterogenität des Habitats, gemessen in Anzahl von Strauchpatches (ø>4m) pro Hektar, zeigte einen unimodalen Verlauf bei steigender Strauchbedeckung und damit bei steigender Weideintensität. Maximale Habitatheterogenität wurde bei einer Strauchbedeckung von ca. 20% festgestellt. 2. Die beobachteten Veränderungen der Vegetation wirkten sich sowohl auf Tierarten aus, die sich direkt von pflanzlicher Kost ernähren als auch auf solche am Ende einer Nahrungskette: Die Effekte zunehmender Strauchbedeckung (und damit steigender Beweidungsintensität) auf die relative Häufigkeit der wichtigsten Beutetiere von Kleinkarnivoren unterschieden sich zwischen den einzelnen Gruppen. Es bestand eine lineare negative Korrelation für Orthopteren, während unimodale Antwortmuster für Käfer mit maximaler Abundanz bei einer Strauchbedeckung von ca. 15% und für Nagetiere bei ca. 12,5% festgestellt wurden, wohingegen keine Korrelation für Termiten ermittelt werden konnte. 3. Am Beispiel der Nagetiergemeinschaft konnte die wesentliche Bedeutung der räumlichen Skala für das Auflösungsvermögen von Abundanz- und Diversitätsmuster gezeigt werden. Ihre Muster und damit die Auswirkungen von Beweidung wurden ausschließlich auf einer großen räumlichen Skala (250ha) identifiziert, nicht jedoch auf der Skala des mittleren Aktionsraums (1ha). Ein wichtiges Fazit dieser Ergebnisse ist, dass zuerst diejenige räumliche Skala identifiziert werden muss, auf der ein Organismus mit Habitatstrukturen (Z.B. geeigneten Nahrungsplätzen) interagiert, um die Effekte von Veränderungen der strukturellen Zusammensetzung von Habitaten verstehen zu können. Dabei führte steigende Grasbedeckung zu einer exponentiellen Sättigung der Gesamtabundanz sowie der Diversität der Nagetiere. Dagegen wurde bei Zunahme der Strauchbedeckung ein unimodales Muster für Gesamtabundanz und Diversität festgestellt. 4. Obwohl ein hoher Strauchanteil sich durchgehend negativ auf die Beuteverfügbarkeit auswirkte, haben Sträucher eine besondere Bedeutung für die Artenvielfalt in diesem Lebensraum, da sie als Schutz- und Nistplatz wichtige Funktionen erfüllen. Am Beispiel von Fuchsmangusten (Cynictis penicillata) konnte ich exemplarisch die zentralen Funktionen von Sträuchern und ihren Einfluss auf den Reproduktionserfolg dieser Art zeigen. Interessanterweise waren die Auswirkungen von Sträuchern inkonsistent für unterschiedliche räumliche Skalen. Im Mikrohabitat haben Strauchstrukturen positive Eigenschaften (Schutzfunktionen). Fuchsmangusten legten ihre Bauten meistens unter Sträuchern an, um ein Einstürzen durch Huftrampeln zu verhindern und ihr Prädationsrisiko durch Greifvögel zu reduzieren. Für die Anlage ihrer Reproduktionsbauten wählten sie Strauchstrukturen mit einem Durchmesser von mindestens sechs Metern (bevorzugt der Art Acacia hebeclada) und außerdem, wenn sich im Umkreis von 10 Metern kein weiterer Strauchpatch befand. Auf einer größeren räumlichen Skala (im Umfeld von einem Hektar um Reproduktionsbauten) wurden Flächen mit einer Strauchbedeckung präferiert, die geringer war, als zufällige Flächen im Habitat. Dabei wirkte sich zunehmende Strauchbedeckung auch negativ auf die Gruppengröße und den Reproduktionserfolg dieser Art aus. Für eine erfolgreiche Reproduktion bei Fuchsmangusten scheint die Strauchbedeckung im Umfeld von einem Hektar um die Reproduktionsbauten einen Schwellenwert zwischen 10 und 15% nicht überschreiten zu dürfen. Dies ist mit der sinkenden Beuteverfügbarkeit (Nagetiere und Arthropoden) bei zunehmender Strauchbedeckung zu begründen. 5. Aufgrund der dramatischen Auswirkungen von Verbuschung auf die Beuteverfügbarkeit von Kleinkarnivoren unterschieden sich die Abundanzen der einzelnen Kleinkarnivoren deutlich zwischen diesen Farmen. Die Abundanz der jeweiligen Einzelarten konnte über Regressionsmodelle mit Vegetationsparameter oder Beutetierverfügbarkeit erklärt werden. Im Gegensatz dazu war die Strauchbedeckung die beste erklärende Variable für Gesamtabundanz und Diversität der Gilde. Sie integriert habitatspezifische Eigenschaften, wie die Verfügbarkeit von vier Beutetiergruppen, die Konnektivität von Nahrungspatches mit hoher Qualität, das Prädationsrisiko durch Greifvögel sowie das Nistplatzangebot. Dabei sank mit zunehmender Strauchbedeckung die Gesamtabundanz, während für die Diversität ein unimodales Muster mit maximaler Diversität bei einer Strauchbedeckung von ca. 12,5% festgestellt wurde. Für eine Einschätzung der Diversität von Kleinkarnivoren eignet sich die Ginsterkatze (Genetta genetta) als Indikatorart. Interessanterweise war die Strauchbedeckung ein noch besserer Bioindikator für die Einschätzung der Diversität von Kleinkarnivoren. 6. Die Schlussfolgerung meiner Ergebnisse ist, dass die Diversität der Kleinkarnivoren einen Großteil der Biodiversität der Untersuchungsflächen in der südlichen Kalahari widerspiegelt. Dabei integriert die Kleinkarnivorengilde als Indikatorvariable neben der zoologischen Diversität (i) auch die strukturelle Diversität der Vegetation (ii) sowie die strukturelle Organisation im Nahrungsnetz (iii). Kleinkarnivoren erhalten dadurch einen Status einer Indikatorgilde und eignen sich damit sehr gut zur Beurteilung der südlichen Kalahari oder einer anderen Weidelandschaft arider Savannen. 7. Das für den Naturschutz wichtigste Ergebnis meiner Arbeit ist, dass höchste Diversität aller Untersuchungsorganismen bei einer Strauchbedeckung zwischen 10 und 15%, also einer mittleren Beweidungsintensität von ca. 3,5 LSU/ l00ha, festgestellt wurde. Daher wirken sich mäßige Bestockungsdichten durchaus positiv auf die Diversität aus, während eine Überbeweidung einen dramatischen Rückgang der Artenvielfalt in diesem Lebensraum verursacht.
Application of a developed tool to visualize newly synthesized AMPA receptor components in situ
(2018)
The information flow between neurons happens at contact points, the synapses. One underlying mechanism of learning and memory is the change in the strength of information flow in selected synapses. In order to match the huge demand in membranes and proteins to build and maintain the neurites' complex architecture, neurons use decentralized protein synthesis. Many candidate proteins for local synthesis are known, and the need of de novo synthesis for memory formation is well established. The underlying mechanisms of how somatic versus dendritic synthesis is regulated are yet to be elucidated. Which proteins are newly synthesized in order to allow learning?
In this thesis protein synthesis is studied in hippocampal neurons. The fractional distribution of somatic and dendritic synthesis for candidate proteins and their subsequent transport to their destination are investigated using a newly developed technique. In the first part of this study we describe the development of this technique and use it in the second part to answer biological questions.
We focus here on AMPA receptor subunits, the key players in fast excitatory transmission. AMPA receptors contain multiple subunits with diverse functions. It remains to be understood, when and where in a neuron these subunits come together to form a protein complex and how the choice of subunits is regulated.
The investigation of the subunits' site of synthesis and redistribution kinetics in this study will help us to understand how neurons are able to change their synaptic strength in an input specific manner which eventually allows learning and memory.
Key questions which are addressed in this study:
How can specific newly synthesized endogenous proteins be visualized in situ? What are the neuron's abilities to locally synthesize and fully assemble AMPA receptor complexes?
How fast do different AMPA receptor subunits redistribute within neurons after synthesis?
Research in cell and developmental biology requires the application of three-dimensional model systems that reproduce the natural environment of cells. Processes in developmental biology are therefore studied in entire systems like insects or plants. In cell biology, three-dimensional cell cultures (e.g. spheroids or organoids) model the physiology and pathology of cells, tissues or organs. In all systems, the cellular neighborhood and interactions, but also physicochemical influences, are realistically presented. The production and handling of these model systems is rather simple and allows for reproducible characterization.
Confocal and light sheet-based fluorescence microscopy (LSFM) enable the observation of these systems while maintaining their three-dimensional integrity. LSFM is applicable to imaging live samples at high spatio-temporal resolution over long periods of time. The quality of the acquired datasets enables the extraction of quantitative features about morphology, functionality and dynamics in the context of the complete system. This approach is referred to as image-based systems biology. Exploiting the potential of the generated datasets requires an image analysis pipeline for data management, visualization and the retrieval of biologically meaningful values.
The goal of this thesis was to identify, develop and optimize modules of the image analysis pipeline. The modules cover data management and reduction, visualization, reconstruction of multiview image datasets, the segmentation and tracking of cell nuclei and the extraction of quantitative features. The modules were developed in an application-driven manner to test and ensure their applicability to real datasets from three-dimensional fluorescence microscopy. The underlying datasets were taken from research projects in developmental biology in insects and plants, as well as from cell biology.
The datasets acquired in fluorescence microscopy are typically complex and require common image processing steps in order to manage, visualize, and analyze the datasets. The first module accomplishes automatic structuring of large image datasets, reduces the data amount by image cropping and compression and computes maximum projection images along different spatial directions. The second module corrects for intensity variations in the generated maximum projection images that occur as a function of time. The program was published as a part of an article in Nature Protocols. Another developed module named BugCube provides a web-based platform to visualize and share the processed image datasets.
In LSFM, samples can be rotated in-between two acquisitions enabling the generation of multiview image datasets. Prior to my work, Frederic Strobl and Alexander Ross acquired the complete embryogenesis of the red flour beetle, Tribolium castaneum, and the field cricket, Gryllus bimaculatus, with LSFM. I evaluated a plugin for the software FIJI as a module for the reconstruction of such datasets. The plugin was optimized for automation and efficiency. We obtained the first high quality three-dimensional reconstructions of Tribolium and Gryllus datasets.
Optical clearing increases the penetration depth into samples, thus providing endpoint images of entire three-dimensional objects with cellular detail. This work contributes a quantitative characterization module that was applied to endpoint images of optically cleared spheroids. A program for the generation of ground truth datasets was developed in order to evaluate the cell nuclei segmentation performance. The program was part of a paper that was published in BMC Bioinformatics. Using the program, I could show that the cell nuclei segmentation is robust and accurate. Approaches from computational topology and graph theory complete the segmentation of cell nuclei. Thus, the developed module provides a comprehensive quantitative characterization of spheroids on the level of the individual cell, the cell neighborhood and the whole cell aggregate. The module was employed in four applications to analyze the influence of different stress conditions on the morphology and cellular arrangement of cells in spheroids. The module was accepted for publication in Scientific Reports along with the results for one application. The cell nuclei segmentation further provided a data source for simulation models that used correlation functions to identify structural zones in spheroids. These results were published in Royal Society Interface.
The final part of this work presents a module for cell tracking and lineage reconstruction. In collaboration with Dr. Alexis Maizel, Dr. Jens Fangerau and Dr. Daniel von Wangenheim, I developed a module to track the positions of all cells involved in lateral root formation in Arabidopsis thaliana and used the extracted positions for extensive data analysis. We reconstructed the cell lineages and established the first atlas of all founder cells that contribute to the formation. The analysis of the retrieved data allowed us to study conserved and individual patterns in lateral root formation. The atlas and parts of the analysis presented in this thesis were published in Current Biology.
In this thesis, I developed modules for an image analysis pipeline in three-dimensional fluorescence microscopy and applied them in interdisciplinary research projects. The modules enabled the organization, processing, visualization and analysis of the datasets. The perspective of the image analysis pipeline is not restricted to image-based systems biology. With ongoing development of the image analysis pipeline, it can also be a valuable tool for medical diagnostics or industrial high-throughput approaches.
Ischemic injuries of the cardiovascular system are still the leading cause of death worldwide. They are often accompanied by loss of cardiomyocytes (CM) and their replacement by non-functional heart tissue. Cardiac fibroblasts (CF) play a major role in the recovery after ischemic injury and in the scar formation. In the last few years researchers were able to reprogram fibroblasts into CM in vitro and in murine models of myocardial infarction using various protocols including a cocktail of microRNAs (miRs). These miRs can target hundreds of messenger RNAs and inhibit their translation into proteins, potentially regulating multiple cellular signaling pathways. Because of this, there has been a rising interest in the use of miRs for therapeutic purposes. However, as different miRs have different effects in different cells, there is the danger of causing serious side effects. These could be alleviated by enacting a cell-specific transport of miRs, for example by using aptamers. Aptamers are usually short strands of DNA or RNA, which can fold into a specific three-dimensional confirmation which allows them to bind specifically to target molecules. Aptamers are commonly selected from a large library for their ability to bind to target molecules using a procedure called SELEX. Aptamers have already been used to transport miRs into cancer cells.
In this thesis, we first established the transport of miRs into cells of the cardiovascular system using aptamers. MiR-126 is an important part of the signaling in endothelial cells (EC), protects from atherosclerosis and supports angiogenesis, which is why we chose it as a candidate to transport into the vasculature. We first tested two aptamers for their ability to internalize into EC and fibroblasts. Both the aptamer for the ubiquitously expressed transferrin receptor (TRA) and a general internalizing RNA motif, but not a control construct, could internalize efficiently into all cell types tested. We then designed three chimeras (Ch) using different strategies to connect TRA to miR-126. While all chimeras could internalize efficiently, only Ch3, which connects TRA to Pre-miR-126 using a sticky bridge structure, had functional effects in EC. Ch3 reduced the protein expression of VCAM-1 in EC and increased the VEGF induced sprouting of EC in a spheroid-sprouting assay. Treatment of breast cancer cells with Ch3 emulated the effects of treatment with classical miR-126-3p and miR-126-5p mimics. In the SK-BR3 cell line Ch3 and miR-126-3p reduce the viability of the cells while they reduce recruitment of EC by the MCF7 cell line. miR-126-5p had no apparent effect in the SK-BR3 line, but increased viability of MCF7 cells, as did Ch3. This implies that Ch3 can be processed to both functional miR-126-3p and miR-126-5p in treated cells.
We were unable to achieve a reprogramming of adult murine cardiac fibroblasts into cells resembling CM using the cocktail of 4 miRs. This indicates that the miR-mediated transdifferentiation is only possible in neonatal fibroblasts. The effects in mice after an AMI might possibly be caused by an enhanced plasticity of fibroblasts in and close to the infarcted area.
We also screened to find aptamers specifically binding to cells of the cardiovascular system. We used two oligonucleotide libraries in a cell-SELEX to select candidates which bind to CF, but not EC. We observed that only the library which contains two randomized regions of 26 bases showed an enrichment of species binding to fibroblasts. We then sequenced rounds 5-7 of the SELEX and analyzed the data bioinfomatically to select 10 candidate aptamers. All candidates showed a strong binding not only to CF, but also EC. This indicates that the selection pressure against species binding to EC was not high enough and would have to be increased to find true CF-aptamers. Four promising candidates were also analyzed for their potential to be internalized and we surprisingly found that all of them were internalized by EC and CF more efficiently than TRA. The similar behavior of the candidates implies that they possibly share a ligand, which is expressed both by EC and CF, but more prominently by the latter.
This work demonstrates the possibility of using aptamers to transport miRs into cells of the cardiovascular system. It also shows that it is possible to select aptamers for non-cancerous mammalian cells, which has not been done before. It is reasonable to assume that a refinement of the cell-SELEX will allow selection of cell-specific aptamers. Due to the failure of reprogramming of adult fibroblasts into induced cardiomyocytes we were unable to test whether a miR-mediated reprogramming might be inducible using aptamer transported-miRs. Ultimately, aptamer mediated transport of miRs is a feasible and promising therapeutic option for the treatment of cardiovascular diseases and other disorders like cancer.
Fossile Rohstoffe dienen in unserer heutigen Gesellschaft als Energiequelle und als Rohstofflieferant für Grund-, Feinchemikalien und Pharmazeutika. Sie tragen jedoch zum Klimawandel und Umweltverschmutzung bei. Lignocellulosische Biomasse ist eine erneuerbare und nachhaltige Alternative, die durch biotechnologische Prozesse erschlossen werden kann. Die Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae ist ein sehr gut untersuchter Modellorganismus, für den es zahlreiche genetische Werkzeuge und Analysemethoden gibt. Zudem wird S. cerevisiae häufig in biotechnologischen Prozessen eingesetzt, da diese Hefe robust gegenüber industriellen Bedingungen wie niedrigen pH-Werten, toxischen Chemikalien, osmotischem und mechanischem Stress ist. Die Pentose D-Xylose ist ein wesentlicher Bestandteil von lignocellulosischer Biomasse, die aber nicht natürlicherweise von der Bäckerhefe verwerten werden kann. Für eine kommerzielle Herstellung von Produkten aus lignocellulosischer Biomasse muss S. cerevisiae D-Xylose effektiv verwerten. Für die Bäckerhefe konnten heterologe Stoffwechselwege etabliert werden, damit diese D-Xylose verwerten kann. Für eine effiziente Xyloseverwertung bleiben dennoch zahlreiche Herausforderungen bestehen. Unter anderem nehmen die Zellen D-Xylose über ihre endogenen Hexosetransporter nur langsam auf. Die heterologe Xylose-Isomerase (XI) besitzt in S. cerevisiae eine geringe Aktivität für die Isomerisierung von D-Xylose. Unspezifische Aldosereduktasen konkurrieren mit der Xylose-Isomerase um das gleiche Substrat und produzieren Xylitol, ein starker Inhibitor der Xylose-Isomerase. Eine Möglichkeit die Umsatzrate von Enzymen zu steigern und Substrate vor Nebenreaktionen zu schützen, ist die Anwendung von Substrate Channeling Strategien. Bei Substrate Channeling befinden sich die beteiligten Enzyme in einem Komplex, wodurch die Substrate lokal angereichert werden und von einem aktiven Zentrum zum nächsten weitergeleitet werden, ohne Diffusion in den restlichen Reaktionsraum. In dieser Arbeit wurde untersucht, ob ein Komplex zwischen einem membranständigen Transporter und einem löslichen Enzym konstruiert werden kann, um durch Substrate Channeling eine verbesserte Substrat-Verwertung zu erreichen. Die Xylose-Isomerase aus C. phytofermentans und die endogene Hexose-Permease Gal2 sollten in dieser Arbeit als Modellproteine in S. cerevisiae-Zellen mit Hilfe von Protein-Protein-Interaktionsmodulen (PPIM) in räumliche Nähe zueinander gebracht werden.
Die Expression verschiedener PPIM konnte in S. cerevisiae mittels Western Blot nachgewiesen werden. Auch Fusionsproteine aus unterschiedlichen PPIM wurden in dieser Hefe exprimiert. Die PPIM binden komplementäre PPIM oder kurze Peptidliganden, welche an die Xylose-Isomerase und an den Gal2-Transporter fusioniert wurden. Die Funktionalität beider Proteine wurde mittels in vivo und in vitro Tests untersucht. Die Xylose-Isomerase mit N-terminalen Liganden des WH1-Protein-Protein-Interaktionsmoduls (WH1L-XI) und der Gal2-Transporter mit N-terminalen SYNZIP2-Protein-Protein-Interaktionsmodul (SZ2-Gal2) erwiesen sich als geeignete Kandidaten für weitere Untersuchungen. Mittels indirekter Immunfluoreszenz konnte die Ko-Lokalisierung von SZ2-Gal2 und WH1L-XI, die einander über ein Scaffold-Protein binden, nachgewiesen werden.
Transformanten, in denen ein Komplex aus Transporter, Scaffold-Protein und Xylose-Isomerase gebildet wurde, zeigten bessere Fermentationseigenschaften gegenüber der Scaffold-freien Kontrolle und dem Wildtyp: Sie verwerteten Xylose schneller, bildeten weniger vom unerwünschten Nebenprodukt Xylitol, produzierten mehr Ethanol und wiesen eine höhere Ethanolausbeute auf. Der beobachtete Substrate Channeling Effekt kompensierte die geringere Enzymaktivität der WH1L-XI im Vergleich zum Wildtyp-Protein. Die Wirksamkeit des Substrate Channeling wurde verringert, wenn die Bildung des Komplexes aus Transporter, Scaffold-Protein und Xylose-Isomerase gestört wurde, indem ein getaggtes GFP mit dem Scaffold-Protein um die Bindungsstelle an Gal2 konkurrierte. Dies zeigt, dass die positive Wirkung auf die Komplex-Bildung zwischen XI und Gal2 zurück zu führen ist. Die Fermentationseigenschaften konnten gesteigert werden, indem der zuvor zwischen SZ2-Zipper und Gal2-Transporter verwendete Linker, der aus zehn Aminosäuren von Glycin, Arginin und Prolin (GRP10) bestand, durch einen aus Glycin und Alanin (GA10) ersetzt wurde. Die verbesserten Fermentationseigenschaften beruhten auf einem Substrate Channeling Effekt und einer gesteigerten Aufnahmerate des SZ2-GA10-Gal2-Transporters. Ein Vergleich der Strukturvorhersagen von SZ2-GRP10-Gal2 und SZ2-GA10-Gal2 zeigte, dass der GRP10-Linker einen unstrukturierten, flexiblen Linker ausbildet, während der GA10-Linker eine starre α-Helix ausbildet. Die Struktur und der Transportprozess von Gal2 sind nicht aufgeklärt. Bei verwandten Transportern geht man davon aus, dass Substrate durch Konformationsänderungen ins Innere der Zelle transportiert werden, indem die beiden Domänen gegeneinander klappen. Die α-Helix könnte die Geschwindigkeit der Konformationsänderungen begünstigen.
Durch Kontrollexperimente konnte ausgeschlossen werden, dass die gesteigerten Fermentationseigenschaften eine Folge der Stabilisierung der XI- und Gal2-Fusionsproteine durch das Anfügen des Liganden oder durch Komplexbildung mit dem Scaffold-Protein waren. Substrate Channeling zwischen Gal2 und XI entsteht durch die Komplexbildung mit dem Scaffold-Protein, wodurch sich Gal2 und XI in räumlicher Nähe zueinander befinden. Dieser Effekt beruht möglicherweise zusätzlich aufgrund einer hohen örtlichen Ansammlung dieser Proteine, da die tetramere XI weitere Scaffold-Proteine binden könnte, welche weitere Gal2-Transporter binden könnte. Darüber hinaus sammeln sich Transporter an bestimmten Orten der Membran an und Transporter mit ähnlicher oder gleicher Transmembransequenz tendieren dazu zu ko-lokalisieren. Hierdurch könnten Gal2-XI-Agglomerate entstehen und Xylose wird mit hoher Wahrscheinlichkeit von einer der vielen Xylose-Isomerasen umgesetzt.
1.) Zahlreiche Medikamente werden nach Einnahme nahezu unverändert wieder ausgeschieden und gelangen über Abwasser und Kläranlagen in die aquatische Umwelt. 2.) Die gemessenen Konzentrationen erscheinen gegenüber anderen Kontaminantengruppen vergleichsweise niedrig, sind jedoch angesichts der Tatsache, dass Medikamente biologisch hoch aktive Substanzen sind, besorgniserregend. Das Beispiel Ethinylöstradiol zeigt, dass bereits im ng/l-Bereich Effekte auftreten. Abgesehen vom Beispiel Ethinylöstradiol lagen bislang keine Erkenntnisse über chronische Effekte von Medikamenten bei umweltrelevanten Konzentrationen vor. 3.) Die in der Umwelt festgestellten Arzneimittelwirkstoffe werden fast ausschließlich in Ab-, Oberflächen- und Grundwasser detektiert. Angaben über Medikamentanreicherungen in Sedimenten liegen nur vereinzelt vor. 4.) Angaben über die Ökotoxizität von Medikamenten beruhen bislang fast ausschließlich auf bei sehr hohen Substanzkonzentrationen durchgeführten Akuttests. Die Übertragung auf umweltrelevante Verhältnisse erfolgte durch Einbeziehung hoher Sicherheitsfaktoren. 5.) Die vorliegende Arbeit zeigt, dass in komplexeren Tests bereits bei sehr viel niedrigeren Konzentrationen Effekte auftreten. Diese Effekte sind nicht unmittelbar toxisch, beeinträchtigen jedoch die Entwicklung und Fortpflanzung der Versuchsorganismen nachhaltig. 6.) Als Modellsubstanzen für die in Oberflächengewässern nachgewiesenen Pharmaka wurden das Antiepileptikum Carbamazepin, Clofibrinsäure als Metabolit zahlreicher Lipidsenker, das Antibiotikum Ciprofloxacin und das Antidepressivum Fluoxetin ausgewählt. Sämtliche Pharmaka werden in der Umwelt weit verbreitet nachgewiesen. 7.) Als Testorganismen dienten die Zuckmücke Chironomus riparius, die Zwergdeckelschnecke Potamopyrgus antipodarum und der aquatische Annelide Lumbriculus variegatus. C. riparius ist ein bereits standardisierter Versuchsorganismus, L. variegatus ist zur Zeit im Standardisierungsverfahren (OECD 2004B) und für ökotoxikologische Untersuchungen empfohlen (ASTM 1995). Außerdem wurde mit den Einzellern Blepharisma japonicum und Tetrahymena thermophila ein Destruentenmikrokosmos entwickelt. Beide Einzeller sind ebenfalls erprobte Versuchsorganismen (PAULI 1996, FOX & MORIN 2001). 8.) Von den vier untersuchten Pharmaka erwiesen sich im getesteten Konzentrationsbereich Carbamazepin und Fluoxetin für jeweils einen der Testorganismen als schädlich. Carbamazepin blockierte ab einer Sedimentkonzentration von 234 µg/kg Sediment (Trockengewicht) die Entwicklung von C. riparius. Fluoxetin führte ab einer Testkonzentration von 2 µg/l zu einer Reduzierung der Embryonenzahl bei P. antipodarum. Die EC10 für Carbamazepin wurde zu 113 µg/kg Sediment berechnet, die EC10 für Fluoxetin zu 0,81 µg/l. Beide Konzentrationen sind bei Berücksichtigung der im TGD vorgesehenen Sicherheitsfaktoren umweltrelevant (PEC/PNEC > 1). Als Grundlage dieser Berechnung dienten gemessene Umweltkonzentrationen im Sediment beziehungsweise Wasser. Ein negativer Effekt von Ciprofloxacin auf L. variegatus erschien anhand der Daten zwar möglich, konnte jedoch nicht statistisch belegt werden. Für Clofibrinsäure ergaben sich keine Hinweise auf negative Effekte im getesteten Konzentrationsbereich. 9.) Die vorliegenden Berechnungen sind weitaus tragfähiger als bisher vorliegende, da sie auf chronischen Toxizitätsdaten und gemessenen Umweltkonzentrationen beruhen, statt auf Akutdaten und geschätzten Umweltkonzentrationen. 10.) Die in den Versuchen festgestellten, sehr niedrigen Effektkonzentrationen lassen Effekte auch bei umweltrelevanten Konzentrationen als wahrscheinlich erscheinen. Indirekte Effekte wie vermindertes Futterangebot für Prädatoren oder Verschiebungen im Artenspektrum sind denkbar. 11.) Der Destruentenmikrokosmos erwies sich als prinzipiell geeignet, Effekte von Xenobiotika auf Einzeller zu untersuchen, da die Positivkontrolle funktionierte. Die Daten aus den Versuchsansätzen zeigen jedoch, dass Versuchsdesign und Haltung der Testorganismen weiter entwickelt werden müssen. 12.) Die vorliegenden Daten zeigen, dass Pharmaka bei umweltrelevanten Konzentrationen ein ökologisches Risiko darstellen können. Maßnahmen zur Risikominderung sind dringend erforderlich. Angesichts des therapeutischen Nutzens der Substanzen erscheinen Verbote nicht durchsetzbar.
Arten von Aschersonia Mont. (Anamorphe von Hypocrella spp., Clavicipitaceae, Hypocreales, Sordariomycetidae, Askomycota) parasitieren Weiße Fliegen und Schildläuse. Petch (1921) stellte eine Monographie über Hypocrella und Aschersonia vor. Seit dieser Zeit wurden einige Arten neu beschrieben und vereinzelte Artkomplexe revidiert. Die vorgestellte Arbeit ist seit rund 80 Jahren das umfassendste Werk über die Gattung Aschersonia. Hierfür wurden Proben in Kuba, Malaysia, Mexico, Panama, Taiwan und Thailand gesammelt und z.T. kultiviert. Es werden 20 Arten detailliert vorgestellt und illustriert. Die Arten sind: A. acutispora, A. aurantiaca, A. australiensis, A. badia, A. basicystis, A. blumenaviensis, A. caespiticia [A. insperata, syn. nov.], A. columnifera, A. crenulata, A. duplex, A. hypocreoidea [A. goldiana, syn. nov.; A. confluens, syn. nov.], A. marginata, A. oxystoma, A. philippinensis, die Anamorphe von H. rhombispora, A. samoensis, A. taitensis [A. aleyrodis, syn. nov.; A. placenta, syn. nov.; A. tamurai, syn. nov.], die Anamorphe von H. tubulata, A. turbinata [A. coffeae, syn. nov.] und A. viridans. Hierzu wurden auch wichtige Merkmale wie Stromataform und Konidiengröße in situ und in vitro charakterisiert. Mit anderen gültigen Beschreibungen von Arten, die nicht untersucht werden konnten, gibt es 32 Arten. Zum ersten Mal wurden ausführliche Daten über die Wirtsinsekten sowie die Trägerpflanzen berücksichtigt. Erstmals wurde die Verbreitung der Aschersonia-Arten kritisch beleuchtet. Die Funde von A. acutispora, A. basicystis, A. hypocreoidea, A. oxystoma, A. turbinata und A. viridans sind Erstnachweise für Panama. Die Funde von A. australiensis, A. hypocreoidea, A. marginata und A. tubulata sind Erstnachweise für Taiwan. Zum ersten Mal wird für Arten der Gattung Aschersonia ein dichotomer Bestimmungsschlüssel vorgestellt. Es werden drei Hypothesen zur Phylogenie der Aschersonia spp. vorgestellt: 1. Die Stellung der Aschersonia spp. innerhalb der Clavicipitaceae basierend auf Sequenzdaten des LSU-Gens: Aschersonia bildet eine schwach unterstützte Paraphylie, dabei steht A. badia basaler als die übrigen Aschersonia-Arten. 2. Die Beziehung der Aschersonia spp. zueinander: A. badia und eng verwandte Arten parasitieren ausschließlich Weiße Fliegen und stehen basal. Arten einer zweiten Gruppe parasitieren Arten der Aleurodidae und Coccidae und Arten einer dritten Gruppe parasitieren ausschließlich Arten der Coccidae. 3. Eine phylogenetische Hypothese basierend auf Sequenzdaten der ITS: Es gibt noch zu wenig Sequenzen um eine eindeutige Aussage treffen zu können.
Die Analyse von DNA-Sequenzen steht spätestens seit der Feststellung ihrer tragenden Rolle in der Vererbung organismischer Eigenschaften im Fokus biologischer Fragestellungen. Seit Kurzem wird mit modernsten Methoden die Untersuchung von kompletten Genomen ermöglicht. Dies eröffnet den Zugang zu genomweiten Informationen gegenüber begrenzt aussagekräftigen markerbasierten Analysen. Eine Genomsequenz ist die ultimative Quelle an organismischer Information. Allerdings sind diese Informationen oft aufgrund technischer und biologischer Gründe komplex und werfen meist mehr Fragen auf, als sie beantworten.
Die Rekonstruktion einer bislang unbekannten Genomsequenz aus kurzen Sequenzen stellt eine technische Herausforderung dar, die mit grundlegenden, aber in der Realität nicht zwingend zutreffenden Annahmen verbunden ist. Außerdem können biologische Faktoren, wie Repeatgehalt oder Heterozygotie, die Fehlerrate einer Assemblierung stark beeinflussen. Die Beurteilung der Qualität einer de novo Assemblierung ist herausfordernd, aber zugleich äußerst notwendig. Anschließend ist eine strukturelle und funktionale Annotation von Genen, kodierenden Bereichen und repeats nötig, um umfangreiche biologische Fragestellungen beantworten zu können. Ein qualitativ hochwertiges und annotiertes assembly ermöglicht genomweite Analysen von Individuen und Populationen. Diese Arbeit beinhaltet die Assemblierung und Annotation des Genoms der Süßwasserschnecke Radix auricularia und eine Studie vergleichender Genomik von fünf Individuen aus verschiedenen molekularen Gruppen (MOTUs).
Mollusken beherbergen nach den Insekten die größte Artenvielfalt innerhalb der Tierstämme und besiedeln verschiedenste, teils extreme, Habitate. Trotz der großen Bedeutung für die Biodiversitätsforschung sind verhältnismäßig wenige genomische Daten öffentlich verfügbar. Zudem sind Arten der Gattung Radix auch aufgrund ihrer großen geografischen Verbreitung in diversen biologischen Disziplinen als Modellorganismen etabliert. Eine annotierte Genomsequenz ermöglicht über bereits untersuchte Felder hinaus die Forschung an grundlegenden biologischen Fragestellungen, wie z.B. die Funktionsweise von Hybridisierung und Artbildung. Durch Assemblierung und scaffolding von sechs whole genome shotgun Bibliotheken verschiedener insert sizes und einem transkriptbasiertem scaffolding konnte trotz des hohen Repeatgehalts ein vergleichsweise kontinuierliches assembly erhalten werden. Die erhebliche Differenz zwischen der Gesamtlänge der Assemblierung und der geschätzten Genomgröße konnte zum Großteil auf kollabierte repeats zurückgeführt werden.
Die strukturelle Annotation basierend auf Transkriptomen, Proteinen einer Datenbank und artspezifisch trainierten Genvorhersagemodellen resultierte in 17.338 proteinkodierenden Genen, die etwa 12,5% der geschätzten Genomgröße abdecken. Der Annotation wird u.a. aufgrund beinhaltender Kernrthologen, konservierter Proteindomänenarrangements und der Übereinstimmung mit de novo sequenzierten Peptiden eine hohe Qualität zugesprochen.
Das mapping der Sequenzen von fünf Radix MOTUs gegen die R. auricularia Assemblierung zeigte stark verringerte coverage außerhalb kodierender Bereiche der nicht-Referenz MOTUs aufgrund hoher Nukleotiddiversität. Für 16.039 Gene konnten Topologien berechnet werden und ein Test auf positive Selektion ausgeführt werden. Insgesamt konnte über alle MOTUs hinweg in 678 verschiedenen Genen positive Selektion detektiert werden, wobei jede MOTU ein nahezu einzigartiges Set positiv selektierter Gene beinhaltet. Von allen 16.039 untersuchten Genen konnten 56,4% funktional annotiert werden. Diese niedrige Rate wird vermutlich durch Mangel an genomischer Information in Mollusken verursacht. Anschließende Analysen auf Anreicherungen von Funktionen sind deshalb nur bedingt repräsentativ.
Neben den biologischen Ergebnissen wurden Methoden und Optimierungen genomischer Analysen von Nichtmodellorganismen entwickelt. Dazu zählen eigens angefertigte Skripte, um beispielsweise Transkriptomalignments zu filtern, Trainings eines Genvorhersagemodells automatisiert und parallelisiert auszuführen und Orthogruppen bestimmter Arten aus einer Orthologievorhersage zu extrahieren. Zusätzlich wurden Abläufe entwickelt, um möglichst viele vorhandene Daten in die Assemblierung und Annotation zu integrieren. Etwa wurde ein zusätzliches scaffolding mit eigens assemblierten Transkripten mehrerer MOTUs sequenziell und phylogenetisch begründet ausgeführt.
Insgesamt wird eine umfassende und qualitativ hochwertige Genomsequenz eines Süßwassermollusken präsentiert, welche eine Grundlage für zukünftige Forschungsprojekte z.B. im Bereich der Biodiversität, Populationsgenomik und molekularen Ökologie bietet. Die Ergebnisse dieser Arbeit stellen einen Wissenszuwachs in der Genomik von Mollusken dar, welche bisher trotz ihrer Artenvielfalt deutlich unterrepräsentiert bezüglich assemblierter und annotierter Genome auffallen.
Die vorliegende Arbeit wurde partiell als Bestandteil eines von der EU geförderten TME-Projektes angefertigt. Das vorrangige Ziel war die Weiterentwicklung der Methodik, die Ring-Testung und die Freiland-Validierung eines offenen und ungestörten terrestrischen Modellökosystems (TMEs). Hierzu wurden die Auswirkungen der Modellchemikalie Carbendazim (fungizider Wirkstoff der Formulierung Derosal®) auf die Enchytraeidenzönose mit TMEs im Labor und in Freiland- Validierungsstudien untersucht. Die Familie Enchytraeidae (Annelida, Oligochaeta) unterlag auf Grund ihrer hohen ökologischen Wertigkeit und einer bekannten Sensitivität gegenüber Carbendazim, im Rahmen dieser Arbeit einer weitergehenden und vertiefenden Auswertung. Im Detail wurde analysiert, welcher der mittels TMEs für die Enchytraeen erhobenen Parameter gegenüber der Exposition von Carbendazim am sensitivsten reagiert und bei der statistischen Auswertung den niedrigsten NOEC- bzw. EC50-Wert liefert. Darüber hinaus wurde die Frage geklärt, welche der in einer TME-Studie generierten ökotoxikologischen Kenngrößen, NOEC oder EC50, am sinnvollsten in der Risikobeurteilung eingesetzt werden sollte. Die Versuche wurden in Amsterdam (Niederland), Bangor (Wales, England), Coimbra (Portugal) und Flörsheim (Deutschland) durchgeführt. An allen Standorten wurde mit dem gleichen Equipment gearbeitet. Die TMEs bestanden aus intakten Bodensäulen (Ø = 17.5 cm, Länge = 40 cm) mit ungestörter Schichtung, indigener Bodenfauna und natürlichem Pflanzenbewuchs. Die Entnahme der TMEs erfolgte auf den Flächen, auf denen auch die entsprechenden Freiland-Validierungsstudien durchgeführt wurden. Es handelte sich dabei um Grünland bzw. in einem Fall (Coimbra) um eine landwirtschaftliche Nutzfläche. Unabhängig von den jeweiligen Bodeneigenschaften konnten an allen Standorten mit den angewandten Methoden intakte Bodensäulen im Freiland entnommen und über eine dreimonatige Versuchsdauer als TMEs im Labor oder im Gewächshaus installiert werden. Zumindest für diesen Versuchszeitraum war die Aufrechterhaltung einer natürlichen Zönose der Enchytraeen in den TMEs unter den beschriebenen Versuchsbedingungen möglich. Untersucht wurden die Parameter Gesamtabundanz, Artenanzahl, Shannon-Wiener Index, Dominanzspektrum, Abundanz der Gattungen Fridericia und Enchytraeus, Anteil der Juvenilen an der Gesamtabundanz sowie die Vertikalverteilung der Enchytraeidae. Mittels einer multivariaten Statistik (PRC, Principal Response Curve) wurden die Auswirkungen auf den Endpunkt Enchytraeidae-Artengemeinschaft bestimmt. An allen Standorten kam es im TME-Vortest, im TME-Ringtest und in der Freiland-Validierungsstudie bei allen Probennahmezeitpunkten zu einer hohen Variabilität der Messwerte, die durch die heterogene räumliche Verteilung der Enchytraeidae bedingt ist. Traten Unterschiede zwischen den Kontrollen der verschiedenen Probennahmezeitpunkte im TME-Vortest und im TME-Ringtest auf, waren sie meist auf eine hohe Variabilität des jeweiligen Endpunktes zurückzuführen. Nur in wenigen Ausnahmefällen kam es zu einer kontinuierlichen Zunahme während der Versuchsdurchführung. In der Freiland-Validierungsstudie nahmen die jeweiligen Messwerte in den Kontrollen während der Versuchsdauer ab. Dies war die Folge der hohen Sommertemperaturen und der dadurch bedingten Austrocknung des Bodens, die in der Freiland-Validierungsstudie, wie alle Umweltbedingungen, nicht zu kontrollieren war. Beim Vergleich TME-Ringtest versus Freiland-Validierungsstudie lagen die Kontrollwerte der einzelnen Parameter in den beiden Studien in vergleichbaren Größenordnungen. Zwischen den Standorten konnten im TME-Vortest, im TME-Ringtest und in der Freiland- Validierungsstudie für alle Parameter keine prinzipiellen Differenzen bezüglich der Entwicklung der Kontrollen über die Probennahmezeitpunkte beobachtetet werden. An allen Standorten zeigten die untersuchten Parameter im TME-Vortest, im TME-Ringtest und in der Freiland-Validierungsstudie eine gute Übereinstimmung mit in der Literatur veröffentlichten Ergebnissen. Insgesamt lässt sich für die Entwicklung der Kontrollen über die Zeit ableiten, dass sich die Enchytraeenzönosen in den TMEs sowie am entsprechenden Freilandstandort hinsichtlich der untersuchten Parameter und ihrer räumlichen Heterogenität unabhängig von den Bodeneigenschaften nicht unterschieden. Aufgrund dieser Tatsache können systembedingte methodische Fehler bei der Erfassung von Chemikalienwirkungen auf die Enchytraeenzönosen unterschiedlicher Standorte mittels TMEs ausgeschlossen werden. Die grundlegenden Voraussetzungen für den Einsatz von TMEs als ökotoxikologisches Testsystem und Instrument in der Ökotoxikologie sind somit gegeben. An den unterschiedlichen Standorten waren die Auswirkungen von Carbendazim auf die untersuchten Parameter an den unterschiedlichen Probennahmezeitpunkten im TME-Ringtest ähnlich wie in der Freiland-Validierungsstudie. Zum Probennahmezeitpunkt w+16 waren die Effekte im TME-Ringtest und in der Freiland-Validierungsstudie vergleichbar denen im TME-Vortest. Die zwischen den Standorten festgestellten Unterschiede hinsichtlich des zeitlichen Verlaufs der Effekte sind auf die unterschiedlichen Bodeneigenschaften und die speziellen Substanzeigenschaften von Carbendazim zurückzuführen. Daher sollten bei der Planung einer TME-Studie neben den Charakteristika der zu testenden Substanz auch die standortspezifischen pedologischen Gegebenheiten berücksichtigt werden. Dabei sollten die Versuchdauer und das Raster der Probennahmen so angelegt sein, dass die maximalen Auswirkungen einer Testsubstanz sowie eine eventuelle Regeneration festgestellt werden können. Zwischen dem TME-Vortest, dem TME-Ringtest und der Freiland-Validierungsstudie sowie zwischen den verschiedenen Standorten konnten bezüglich der Sensitivität der untersuchten Endpunkte keine Unterschiede beobachtet werden. Die niedrigsten NOEC-Werte wurden im TME-Vortest, im TME-Ringtest und in der Freiland-Validierungsstudie am häufigsten mit den Parametern Dominanzspektrum und Enchytraeidae-Artengemeinschaft bestimmt. Die niedrigsten EC50-Werte (inklusive enger 95 % Vertrauensbereiche) wurden für die mit Hilfe der PRC ermittelten sensitivsten Taxa berechnet. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass multivariate statistische Verfahren wie die PRC am besten geeignet sind, um Multispezies-Testsysteme wie die TMEs auszuwerten. Darüber hinaus lassen sich mittels PRC die jeweils empfindlichsten Taxa ermitteln, für welche dann wiederum EC50-Werte mit sehr engen 95 % Vertrauensbereichen berechnet werden können. Eine einfachere Alternative ist die Auswertung des Parameters Dominanzspektrum. Mit diesem Endpunkt lassen sich sowohl NOEC-Werte bestimmen als auch sensitive Taxa ermitteln für die anschließend EC50-Werte zu berechnet werden können. EC50-Werte waren an allen Standorten sowohl im TME-Vortest und im TME-Ringtest als auch in der Freiland-Validierungsstudie häufiger bestimmbar als NOEC-Werte. Die EC50- Werte lagen meist unter den entsprechenden NOEC-Werten. Der Faktor zwischen den an den einzelnen Standorten ermittelten Minimum- bzw. Maximumwerten war für die EC50-Werte niedriger als für die NOEC-Werte. Die im TME-Ringtest ermittelten NOEC- und EC50-Werte entsprachen denen der Freiland-Validierungsstudie. Beim Vergleich der Standorte zeigten die EC50-Werte eine geringere Streuung als die NOEC-Werte. Der Variationskoeffizient der für den TME-Vortest und den TME-Ringtest berechneten EC50- Werte sowie der Faktor zwischen Minimum- und Maximumwert der unterschiedlichen Institute war denen anderer Ringtests, die mit Labormethoden durchgeführt wurden, vergleichbar, obwohl hier unterschiedliche Böden mit unterschiedlichen Enchytraeenzönosen verwendet wurden. Die im TME-Vortest und im TME-Ringtest festgestellten EC50-Werte sind mit den in der Literatur für Enchytraeen und Lumbriciden angegebenen LC/EC50-Werten sehr gut vergleichbar und liegen im unteren Bereich dieser Angaben. Damit konnte im Rahmen dieser Arbeit nachgewiesen werden, dass die mittels TME generierten Ergebnisse replizierbar und reproduzierbar sind, was eine wichtige Bedingung für die Verwendung als Testsystem in der Ökotoxikologie darstellt. Gleichzeitig wurde mittels der Freiland-Validierungsstudie die ökologische Relevanz der TME-Resultate belegt. TMEs können als sinnvolles Instrument zur Verbesserung der Risikobewertung für das Kompartiment Boden für neue/existierende Chemikalien, Biozide und Pflanzenschutzmittel betrachtet werden. Strukturelle Parameter wie z.B. die Enchytraeidae-Artengemeinschaft oder das Dominanzspektrum sollten in die Auswertung mit einbezogen und multivariate Verfahren wie die PRC verwendet werden. Damit ist es möglich, die sensitivsten Taxa zu identifizieren, Zusammenfasssung 178 für welche EC50-Werte berechnet werden können. Anstelle von NOEC-Werten sollten bei der Auswertung von TME-Studien bevorzugt EC50-Werte als ökotoxikologische Kenngröße in die Risikobewertung eingehen (z.B. zur Berechnung von TER-Werten). Die dabei zu verwendenden Sicherheitsfaktoren sind entsprechend anzupassen. Mit der Kombination Enchytraeidae und TME ist neben der Untersuchung von ökotoxikologischen Effekten zudem eine gute Möglichkeit gegeben, das Bioakkumulationspotential von Chemikalien zu bestimmen. Damit stehen für ökotoxikologische Untersuchungen auf den unterschiedlichsten Ebenen (Labor, Modellökosystem, Freiland, Bioakkumulation) standardisierte Testsysteme mit Enchytraeen zur Bestimmung der Wirkungen und des Verhaltens von Chemikalien zur Verfügung.
Das geographische Verbreitungsgebiet von Arten ist ein fundamentales Struktur gebendes Merkmal der biologischen Welt. Warum Arten so verteilt sind, wie sie sind ist seit langem eine der zentralen Fragen in Ökologie, Biogeographie und Evolution. Gegenwärtig verändern sich, im Wesentlichen als unbeabsichtigtes Nebenprodukt menschlicher ökonomischen Aktivitäten und Populationsdynamik, die geographischen Verbreitungsgebiete von Arten mit entscheidender Bedeutung für Land- und Forstwirtschaft, als Krankheitsvektoren oder als Teil der biologischen Systeme, die Ökosystemfunktionen bereitstellen. Daher ist es dringend notwendig, dass wir unser Verständnis über die Dynamiken, aus denen die geographische Verbreitung von Arten erwachsen, verbessern. Mit dieser Doktorarbeit versuche ich, in drei Untersuchungen zur Dynamik der Verbreitungsgebiete von Singvögeln einen Beitrag zu unserem in Entwicklung begriffenen Verständnis der multiplen Faktoren die Artverbreitungsgebiete beeinflussen, zu leisten.
1) Zu einem mechanistischeren Verständnis von Artmerkmalen und Verbreitungsgebietsgrößen: Ein wichtiger, ungelöster Fragenkomplex in der Makroökologie ist, die immense interspezifische Variation in der Größe geographischer Verbreitungsgebiete zu verstehen. Während man davon ausgeht, dass Artmerkmale wie Fekundität und Körpergröße einen Effekt auf Verbreitungsgebietsgrößen haben, fehlt ein allgemeines Verständnis davon, wie Verbreitungsgebietsgrößen von mehreren Merkmalen gemeinsam beeinflusst werden. Hier beurteilen wir den Effekt von Lebensgeschichtsmerkmalen (Fekundität, Ausbreitungsfähigkeit), ökologischen Merkmalen (Habitatnische, Nahrungsnische, Zugverhalten, Flexibilität im Zugverhalten) und morphologischen Merkmalen (Körpergröße) auf die globale Verbreitungsgebietsgröße von 165 europäischen Singvögeln. Wir identifizieren Hypothesen zur Beziehung von Artmerkmalen und Verbreitungsgebietsgrößen aus der Literatur und verwenden die Methodik der Pfadanalyse, um sie zu testen. Die Größe der globalen geographischen Verbreitungsgebiete europäischer Singvögel wurde von Lebensgeschichtsmerkmalen (Fekundidtät und Ausbreitungsfähigkeit), ökologischen Merkmalen (Habitatnischenbreite, Nahrungsnischenposition und Zugverhalten) und von Körpergröße beeinflusst. Artmerkmale beeinflussten Verbreitungsgebietsgrößen auf direktem und indirektem Weg. Insbesondere der Einfluss von Körpergröße war komplex mit positiven und negativen Effekten über verschiedene Pfade. Die Größe von Verbreitungsgebieten ist sehr wahrscheinlich auch von anderen Faktoren als von Artmerkmalen abhängig. Wir zeigen, dass es notwendig ist, den direkten und indirekten Einfluss einer Vielzahl von Merkmalen zu entwirren, um die Mechanismen, die makroökologische Beziehungen generieren, aufzuklären.
2) Konkurrenz und Ausbreitungsfähigkeit interagieren bei der Bestimmung der geographischen Verbreitung von Vögeln: Es ist weiterhin eine Herausforderung für Ökologie und Evolutionsbiologie, die Faktoren zu verstehen , die die geographische Verbreitung von Arten beeinflussen. Wir untersuchen wie Konkurrenz, Ausbreitungsfähigkeit, das Alter eines Taxons und Habitatverschiebungen seit dem letzten glazialen Maximum das Ausmaß beeinflussen, in dem Arten der Vogelgattung Sylvia in allen Gegenden mit geeigneten Umweltbedingungen vorkommen (d.h. range filling).
Wir haben range filling in der Vogelgattung Sylvia (Grasmücken) unter Verwendung von Boosted Regression Trees und Ridge-Regression quantifiziert. Mittels multipler Regression haben wir für die Effekte von intragenerischer Konkurrenz, Ausbreitungfähigkeit, Alter des Taxons und Habitatverschiebung seit dem letzten glazialen Maximum auf range filling getestet.
Grasmücken mit hoher Ausbreitungsfähigkeit zeigten höheres range filling, aber nur wenn Konkurrenz in Gebieten mit weniger geeignetem Habitat innerhalb ihres potentiellen Verbreitungsgebietes niedrig war. Das Alter eines Taxon und Habitatverschiebung seit dem letzten glazialen Maximum hatten keinen konsistenten Effekt. Wir zeigen, dass die Verbreitungsgebiete von Grasmücken mit hoher Wahrscheinlichkeit durch den simultanen, interaktiven Effekt von Konkurrenz und Ausbreitungsfähigkeit geformt werden. Wenn biotische Interaktionen wie Konkurrenz generell die Fähigkeit von Arten beeinflussen auf der kontinentalen Skala neue Gebiete zu kolonisieren, wird es eine Herausforderung sein, den Effekt von Klimawandel auf Biodiversität vorherzusagen.
3) Nischenverfügbarkeit in Zeit und Raum: Vogelzug der Grasmücken: Im Kontext neuer Fortschritte in der ökologischen Nischenmodellierung sind sowohl die Umwelt als auch die ökologische Nische einer Art als statische Entitäten behandelt und quantifiziert worden. In der Realität sind aber die Umwelt und die Nischenanforderungen einer Art auf einer Vielzahl von Skalen dynamisch. Wir schlagen ein konzeptionelles System vor das berücksichtigt, wie die realisierte Nische und geographische Verbreitung von Arten durch die entkoppelte raumzeitliche Verfügbarkeit unterschiedlicher Umweltbedingungen und durch Veränderungen der Nischenanforderungen über die Lebenszeit eines Organismus geformt werden. Das Testen von aus dem konzeptionellen System abgeleiteten Vorhersagen am Beispiel des Vogelzugs der Grasmücken ergab neue Erkenntnisse: Das Verfolgen der Klimanische im geographischen Raum war höchstwahrscheinlich nicht die treibende Kraft für Migration in der Gattung und steht potentiell im Konflikt mit dem Verfolgen der Landnutzungsnische. Die Nischen der Grasmücken waren während der Brutsaison schmaler, was zeigt, dass Nischenanforderungen zeitlich dynamisch sein können. Wir legen nahe, dass die Berücksichtigung dynamischer Umwelten und Nischenanforderungen zu einer entscheidenden Verbessserung unseres Verständnisses der treibenden Faktoren hinter der Bewegung von Organismen im Raum und der Dynamik ihrer Nischen und Verbreitungsgebiete führt.
Protein quality control systems (PQC), i.e. UPS and aggresome-autophagy pathway, have been suggested to be a promising target in cancer therapy. Simultaneous pharmacological inhibition of both pathways have shown increase efficacy in various tumors, such as ovarian and colon carcinoma. Here, we investigate the effect of concomitant inhibition of 26S proteasome by FDA-approved inhibitor Bortezomib, and HDAC6, as key mediator of the aggresome-autophagy system, by the highly specific inhibitor ST80 in rhabdomyosarcoma (RMS) cell lines. We demonstrated that simultaneous inhibition of 26S proteasome and selective aggresome-autophagy pathway significantly increases apoptosis in all tested RMS cell lines. Interestingly, we observed that a subpopulation of RMS cells was able to survive the co-treatment and, upon drug removal, to recover similarly to untreated cells. In this study, we identified co-chaperone BAG3 as the key mediator of this recovery: BAG3 is transcriptionally up-regulated specifically in the ST80/Bortezomib surviving cells and mediates clearance of cytotoxic protein aggregates by selective autophagy. Impairment of the autophagic pathway during the recovery phase, both by conditional knock-down of ATG7 or by inhibition of lysosomal degradation by BafylomicinA1, triggers accumulation of insoluble protein aggregates, loss of cell recovery and cell death similarly to stable short harpin RNA (shRNA) BAG3 knock-down. Our results are the first demonstration that BAG3 mediated selective autophagy is engaged to cope with proteotoxicity induced by simultaneous inhibition of constitutive PQC systems in cancer cell lines during cell recovery. Moreover, our data give new insights in the regulation of constitutive and on demand PQC mechanisms pointing to BAG3 as a promising target in RMS therapy.
Elche stellen eine Problemart in der Zootierhaltung dar. Sie erreichen im Zoo entgegen dem Trend, dass Tiere in Menschenobhut älter werden als ihre frei lebenden Artgenossen, meist weniger als die Hälfte des biologisch möglichen Alters. Besonders schwierig gestaltet sich die adäquate Fütterung, da die Tiere sehr stark von der Gabe frischer Laubäsung abhängen und die Fütterung mit Ersatzfuttermitteln, wie z.B. Heu, langfristig nicht erfolgsversprechend ist. Zudem sind die Tiere sehr anfällig für Parasiten und eine von Schafen übertragene Viruserkrankung (Bösartiges Katarrhalfieber). Ihr hoher Platzbedarf und das Problem der innerartlichen Aggression machen die Haltung dieser größten Hirschart zusätzlich kompliziert. In dieser Arbeit wird die Methode der Angewandten Chronoethologie in der Zootierhaltung vorgestellt, die sich die von der Inneren Uhr gesteuerten Verhaltensrhythmen einer Tierart zur Beurteilung ihres Wohlbefindens und ihrer Haltungsbedingungen in der künstlichen Zooumwelt zu Nutze macht. Der Besitz einer Inneren Uhr stellt in der hochgradig rhythmisch organisierten Umwelt einen Selektionsvorteil im Sinne einer frühzeitigen Anpassung an wiederkehrende Umweltbedingungen dar. Die Innere Uhr ist so alt wie das Leben selbst, genetisch fixiert, über Zeitgeberreize mit ihrer Umwelt synchronisiert und regelt die Lebensvorgänge von Organismen auf allen organisatorischen Ebenen, auch auf der Ebene des Verhaltens. Ist der normale Verhaltensrhythmus einer Tierart bzw. eines Individuums bekannt, ist es möglich, aus Abweichungen von der Norm auf Störungen des Organismus - auf Unwohlsein - zu schließen. Anhand des Vergleiches von drei Elchhaltungen mit jeweils zwei Tieren, die unter verschiedenen Bedingungen gehalten wurden, konnten mit Hilfe zeitgeraffter Videoaufzeichnung und dem Einsatz eines Speichertelemetriesystems die folgenden Faktoren als einflussreich auf das Verhaltensmuster von Elchen in Menschenobhut identifiziert werden. Die nächtliche Aufstauung von Elchen ist aufgrund des Raum- und Reizmangels in den Boxen ein erheblicher Eingriff in das natürliche, gleichmäßig über Tag und Nacht verteilte Verhaltensmuster der Tiere. Außerdem sind sie in ihrem Verhalten hochgradig vom täglichen Ablauf des Pflegeralltags im Zoo beeinflusst. Feste Fütterungszeiten können einen starken Zeilgeberreiz darstellen- den die Elche in den beiden naturferneren Haltungen stärker zu antizipieren scheinen als den Zeitgeber „Licht". Größe und vor allem Strukturierung des Außengeheges haben einen Einfluss auf dessen zeitliche und räumliche Nutzung. Abschüssige Gehegeteile können die unerwünschte Verhaltensweise Grasen fördern. In unseren mitteleuropäischen Breiten leiden die Elche im Sommer unter Hitzestress, was sich in verringerter Aktivität widerspiegelt. Ein hohes Besucheraufkommen kann die Tiere ebenfalls in ihrem Verhalten beeinflussen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass sich der Elch schnell an die Zoogegebenheiten und viele Besucher gewöhnt. Durch den Vergleich der verschiedenen Haltungsbedingungen konnten in der vorliegen Arbeit Vorschläge zur Verbesserung der Haltung von Elchen in Menschenobhut und zu ihrem zeitlichen Management gemacht werden. Der Elch hat sich aufgrund des für Wiederkäuer typischen, sehr geregelten Verhaltensrhythmus aus alternierenden Aktivitäts- und Ruhephasen, der auch unter den verschiedenen Haltungsbedingungen prinzipiell bestehen bleibt, als sehr gut geeignetes Modelltier für die Anwendbarkeit der Methode der Angewandten Chronoethologie in der Zootierhaltung herausgestellt. Abweichungen von der Norm können leicht erkannt werden. Änderungen im Verhaltensmuster m Form erhöhter lokomotorischer Aktivität lassen bei den untersuchten Tieren auf Unwohlsein (Krankheit, Abweichungen von der täglichen Routine, unterbundenes Brunftverhalten) schließen und können im Sinne eines chronoethologischen Paradigmas als eine indikative Verhaltensweise gewertet werden. Das Ziel einer vollständig automatisierten Verhaltenserfassung- und Auswertung mittels Bewegungsmeldern soll im restringierten Raum der Elchbox in einem weiteren Projekt verwirklicht werden, um damit Tierpflegern, Zooveterinären und Verantwortlichen ein gut handhabbares Mittel zur objektiven und langfristigen Beurteilung des Wohlbefindens ihrer Schützlinge zur Verfügung stellen zu können.
Das Hören hat für den Menschen eine maßgebliche Bedeutung hinsichtlich Kommunikation und Orientierung. Auch wenn sich der Mensch stark auf seinen visuellen Sinn verlässt, wird mit dem Ausfall des Hörvermögens deutlich, wie viele Informationen oft unterbewusst über die Analyse von Schallsignalen gezogen werden. Trotz dieser grundlegenden Relevanz sind bis heute noch nicht alle Komponenten, die dem Hörprozess zugrunde liegen, entschlüsselt.
Um sich diesen offenen Fragestellungen anzunähern, müssen Forscher oft auf Tiermodelle zurückgreifen. Auf Grund ihres exzellenten Gehörs haben sich hier in den letzten Jahrzehnten Fledermäuse als taugliche Versuchstiere qualifiziert. Diese Tiere sind in der Lage sich ohne Verwendung des visuellen Systems in absoluter Dunkelheit zu orientieren, indem sie mit Hilfe der wiederkehrenden Echos ihrer ausgesendeten Ultraschalllaute die Umgebungsstrukturen analysieren. Weiterhin umfasst der zur Kommunikation und Ortung verwendete Frequenzbereich bei Fledermäusen ein Vielfaches von dem des menschlichen, was ebenfalls verschiedene Aspekte der Hörforschung begünstigt. Die in dieser Studie verwendete fruchtfressende Fledermausart Carollia perspicillata eignet sich hervorragend für akustische Untersuchungen, da ihr Innenohr keine speziellen morphologischen Spezialisierungen aufweist.
Anhand der Fledermausart C. perspicillata sollen innerhalb der vorliegenden Studie verschiedene offene Fragestellungen bezüglich der Innenohrmechanik näher beleuchtet werden. Um sich diesen Fragestellungen anzunähern, wurde eine Kombination aus zwei etablierten Methoden verwendet. Zum einen die Messung von Distortions-Produkt otoakustischen Emissionen (DPOAEs), welche auf Grund ihrer Generierung durch aktive Prozesse innerhalb der Kochlea die Möglichkeit bietet, Veränderungen im Innenohr festzustellen und zum anderen kontralaterale akustische Stimulation (KAS), welche eine erprobte Methode zur Aktivierung des efferenten Systems darstellt. Dadurch, dass die äußeren Haarsinneszellen in der Kochlea direkte synaptische Kontakte mit efferenten Fasern der absteigenden Hörbahn eingehen, kann eine Aktivierung des efferenten Systems Modulationen des kochleären Verstärkers bewirken, wodurch sich wiederum die Antworteigenschaften der Kochlea verändern. Mit einer Kombination dieser beiden Methoden lassen sich demnach zum einen höhere Zentren der Hörbahn aktivieren, die über efferente Fasern einen direkten Einfluss auf das Innenohr nehmen, zum anderen die induzierten Modulationen in Form von DPOAEs mit Hilfe eines sensitiven Mikrofons aufnehmen. Die Grundvoraussetzung für die Funktionalität dieser Methodenkombination ist das Vorhandensein von efferenten Fasern innerhalb der Kochlea. Da das efferente System verschiedener Säuger eine große Diversität aufweist, wurden innerhalb dieser Arbeit zusätzlich zu den akustischen Untersuchungen histologische Schnittserien der Kochlea von C. perspicillata angefertigt. Hierbei lag das Hauptaugenmerk auf dem Verlauf der efferenten Fasern innerhalb der Kochlea. Mit Hilfe der Thiocholinmethode wurde der Ort der Umsetzung des Achetylcholinabbauenden Enzyms Achetylcholin-esterase angefärbt. Achetylcholin ist der vorranig vorkommende Transmitter an den efferenten Synapsen.
Diese Studie untersucht weiter den Einfluss der Narkose auf das Innenohr. In zahlreichen Studien, die Innenohrmechanik betreffend, wurden die Untersuchungen an narkotisierten Tieren durchgeführt. Oftmals wird zwar die Problematik der möglichen Beeinflussung des Innenohres durch das verwendete Narkosemittel diskutiert, aber meisthin als unumgänglich eingestuft. Innerhalb der vorliegenden Studie wurde ein Großteil der Experimente an narkotisierten und auch wachen Tieren durchgeführt, um die Auswirkungen der häufig verwendeten Ketamin-Xylazin-Narkose auf die Innenohr-aktivität zu verdeutlichen.
In der Literatur lässt sich eine Vielzahl von akustischen Untersuchungen finden, in denen artifizielle Stimuli wie Reintöne oder Rauschen verwendet werden. Die Problematik dahinter ergibt sich daraus, dass diese Art der Töne in der Natur selten zu finden sind. Derartige Studien werfen daher die Frage auf, ob das Innenohr beispielsweise Rauschstimuli auf die gleiche Weise verarbeitet wie natürliche, komplexere Stimuli. Innerhalb der vorliegenden Studie wurden demzufolge im Vergleich zu artifiziellen Stimuli arteigene Rufe der Fledermausspezies C. perspicillata aufgenommen und als akustische Stimuli während der Messungen verwendet.
Im Zuge dieser Fragestellung wurde in einem weiteren Teilprojekt versucht ein neues Verfahren zur Messung von OAEs zu etablieren, mit dem es möglich ist das Ohr nicht ausschließlich mit den herkömmlich verwendeten Reintönen zu stimulieren, sondern ebenfalls mit komplexen Lauten, wie arteigenen Kommunikations- und Echo-ortungsrufen. Hierfür wurde ein von Douglas Keefe vorgestelltes Paradigma zur Messung von OAE-Residualen herangezogen, welches die am Trommelfell gemessenen akustischen Signale von den Trommelfellantworten auf einzelne Komponenten dieser Signale subtrahiert.
Anhand der in dieser Studie gewonnenen Ergebnisse kann deutlich gezeigt werden, dass eine akustische Stimulation der kontralateralen Kochlea mit verschiedenen artifiziellen sowie arteigenen Stimuli zuverlässig eine Änderung des Pegels der 2f1-f2 DPOAE von bis zu 37,3 dB in der ipsilateralen Kochlea bei wachen Tieren bewirkt. Dabei unterscheidet sich die Art der Beeinflussung deutlich je nach verwendetem kontralateralem Stimulus. Die Stimulation mit artifiziellem Breitbandrauschen supprimiert den Emissionspegel über den gesamten getesteten Frequenzbereich um etwa 11,6 dB, während die verwendeten arteigenen Laute eine vergleichbare Beeinflussung des DPOAE-Pegels ausschließlich in einem Frequenzbereich zwischen 50 und 70 kHz bewirken. Im Frequenzbereich von 20 bis 30 kHz verursachen die arteigenen Laute nahezu keine Pegelabsenkung, was im deutlichen Kontrast zu den Ergebnissen unter KAS mit Breitbandrauschen steht. Unter Narkoseeinfluss konnte, unabhängig vom verwendeten Stimulus, keine Beeinflussung des DPOAE-Pegels festgestellt werden, was die Annahme bestätigt, dass die verwendete Ketamin-Xylazin-Narkose einen drastischen Einfluss auf den Hörprozess und insbesondere auf das efferente System nimmt. Die Ursache dafür, dass arteigene Stimuli anders verarbeitet werden als artifizielle Stimuli (wie z. B. Breitbandrauschen) konnte zwar nicht abschließend geklärt werden, aber die Vermutung liegt nahe, dass in diesem Verarbeitungsprozess höhere Zentren der Hörbahn involviert sind und selektiven Einfluss auf die ablaufenden Prozesse nehmen.
Die Etablierung des OAE-Residual-Messparadigmas auf der Basis der Methode von Keefe und Ling (1998) sollte die Möglichkeit bieten sowohl Reintöne als auch komplexe, arteigene Stimuli zu verwenden und so eine Erweiterung des herkömmlich verwendeten Messverfahrens darstellen. Über verschiedene Vorversuche unter Anwendung einer Zweitonreizung konnte gezeigt werden, dass die Ergebnisse des neu entwickelten Paradigmas mit denen der herkömmlichen DPOAE-Messungen hinsichtlich Reintonstimuli vergleichbar sind. Anhand der gewonnenen Ergebnisse mit einer Stimulation mit komplexen Signalen zeigen sich allerdings die Schwierigkeiten der neuen Methode. Die bisher erhobenen Daten zeigen keine klaren, reproduzierbare Ergebnisse, sollten aber die Grundbedingungen für die weiterführenden Versuche ebnen.
Mit der vorliegenden Arbeit wurde die Nutzbarkeit morphologischer und anatomischer Merkmale aus den Bereichen des Fruchtknotens und der Samenanlangen für die Systematik und Taxonomie der Bromelioideae (Bromeliaceae) untersucht. Hierzu wurden 30 Merkmale im Bereich des Fruchtknotens und der Samenanlagen definiert und anhand anatomischer Schnittpräparate die Verteilung der Merkmalsausprägungen an 102 Arten aus 28 (von 32) Gattungen der Unterfamilie Bromelioideae sowie zwei Vertretern der Unterfamilie Pitcairnioideae als Vergleichgruppe ermittelt. Allein 41 Taxa entstammten der größten und als polyphyletisch anzunehmenden Gattung Aechmea mit Vertretern aus allen sieben Untergattungen. Die Auswertung der Merkmalsverteilung erfolgte einerseits im Hinblick auf eine funktionale Deutung beobachteter Kopplungen bestimmter Strukturen im ökologischen Kontext und zum anderen unter taxonomischen Gesichtspunkten im Hinblick auf Beantwortung der Fragen, wieweit derzeitige Gattungsumgrenzungen von den hier untersuchten Merkmalen unterstützt werden, bzw. wie weit Anregungen zur Abänderung bestehender Konzepte abgeleitet werden können, welche Beziehungen zwischen den Untergattungen von Aechmea und anderen Gattungen der Bromelioideae bestehen und wodurch sich basale Linien der Bromelioideae von den abgeleiteten Formen der „Eu- Bromelioideae“ im Sinne von SCHULTE (2007) unterscheiden lassen. Um diese Fragen zu beantworten, wurden zwei unterschiedliche Ansätze kombiniert. Die Verteilung der Merkmalszustände wurde einerseits auf Topologien geplottet, die aus publizierte Phylogenien mit genetischen Merkmalen als Datenquelle beruhen. Desweiteren wurden neue Parsimonieanalysen durchgeführt a) auf der Grundlage einer morphologischen Datenmatrix mit den 30 selbst erhobenen Merkmalen aus dem Fruchtknoten- und Samenbereich, b) einer weiteren Matrix, in die fünf weitere selbst erhobene Merkmale aus dem floralen Bereich eingehen und schließlich c) einem Datensatz, in den zusätzlich acht aus der Literatur entnommene Angaben zur Morphologie und Ökologie der untersuchten Pflanzen eingingen. Die aus den molekularen Analysen von SCHULTE et al. (2005) hervorgehende Gliederung der Unterfamilie in eine paraphyletische Gruppe von basalen Linien und der von SCHULTE (2007) als „Eu-Bromelioideae“ bezeichneten monophyletischen Gruppe abgeleiteterer Gattungen findet eine deutliche Entsprechung in Merkmalen des Fruchtknotenbereichs und der Samenanlagen. Die untersuchten Vertreter der basalen Linien besitzen alle ± rechtwinklig von der Fruchtknotenachse abspreizende Samenanlagen, diese sind auf mehr als 70% der Fruchtknotenachse verteilt und die Mikropyle ist stets relativ lang ausgebildet (>100 micro m). Eine der Kerninnovationen der Eu-Bromelioiden scheint die Entwicklung des chalazalen Samenanhängsels als Hilfsinstrument bei der Besiedlung glatter Oberflächen gewesen zu sein. Diese Struktur findet sich nur bei Eu-Bromelioideae und ist stets bereits an der Samenanlage vorgebildet. Sekundär scheint dieses chalazale Anhängsel innerhalb der Eu-Bromelioideae allerdings auch immer wieder verloren gegangen zu sein. Die Umgrenzung der meisten Gattungen sowohl der basalen Linien als auch der Eu-Bromelioideae konnten in ihrer jetzigen Form anhand der Merkmale des Fruchtknotenbereichs und der Samenanlagen nachvollzogen werden. Eine Ausnahme hiervon stellt lediglich die hochgradig polyphyletische Gattung Aechmea s.l. dar. Für keine der untersuchten Gattungen konnten synapomorphe Merkmalszustände erkannt werden, vielmehr gibt es jeweils gattungsspezifische Kombinationen von Merkmalen. Die Ausprägungen der Einzelmerkmale dagegen sind stets auch in anderen Verwandschaftsgruppen zu beobachten. Die hier untersuchten Merkmale unterstreichen das für die Bromelioideae seit langem bekannte Phänomen eines extrem hohen Homoplasiegrades in nahezu allen morphologischen Strukturen. Selbst für den Fruchtknoten lassen sich klare Abhängigkeiten der Merkmalsausprägungen von ökologischen Selektionsfaktoren erkennen. Insbesondere scheinen funktionale Notwendigkeiten im Kontext der Nektarsekretion und der Bestäubungsökologie für die Merkmalsausprägung des Fruchtknotens eine wichtige Rolle zu spielen. Die Samenanlage ist zwar zum Zeitpunkt der Anthese noch nicht direkten Selektionsdrücken ausgesetzt, ihre Merkmale sind aber nur dann zu verstehen, wenn die Funktion hier bereits angelegter Strukturen (wie z.B. der chalazalen Samenanhängsel) im Kontext mit den reifen Samen gedeutet wird.
Lipophile, sedimentgebundene Substanzen sind für endobenthische Tiere in hohem Maße bioverfügbar und können von diesen aufgenommen und angereichert werden. Für benthivore Fische besteht damit das Risiko, diese Chemikalien mit der Nahrung aufzunehmen. Die Aufkonzentrierung sedimentgebundener Chemikalien über zwei oder mehr trophische Ebenen (Biomagnifikation) kann somit durch die Bestimmung der Biokonzentration von Chemikalien in Fischen nach der OECD-Richtlinie 305 (OECD 1996) nicht adäquat erfasst werden. Zur standardisierten Bestimmung der Bioakkumulation und Biomagnifikation wurde eine einfache, zwei trophische Stufen umfassende Labornahrungskette etabliert. Diese bestand aus dem endobenthischen Oligochaeten Tubifex tubifex (MÜLLER) als Beute und dem Dreistachligen Stichling (Gasterosteus aculeatus LINNÉ) als Prädator. Die Experimente wurden mit 14C-markiertem Hexachlorbenzol und Terbutryn in dotiertem künstlichem Sediment und rekonstituiertem Wasser durchgeführt. Um den Einfluss einzelner Expositionspfade an der Gesamtanreicherung der Modellchemikalien zu quantifizieren, wurden die Fische gegenüber dotiertem Wasser bzw. dotiertem Sediment (Biokonzentrationsszenario), vorexponierten Würmern (Biomagnifikationsszenario) und Kombinationen dieser Aufnahmepfade (Bioakkumulationsszenario) exponiert. Sedimentgebundenes HCB wurde im Bioakkumulationsszenario sowohl in den Tubificiden (BAFWurm/Sediment (FG/FG) = 7,8) als auch in den Fischen (AFFisch/Wasser (FG/FG) = 52500; AFFisch/Sediment (FG/FG) = 47; AFFisch/Wurm (FG/FG) = 3,2) deutlich angereichert. Da die Gewebekonzentration von HCB im Räuber, auch auf Basis lipidnormierter Konzentrationen, die Konzentration in seiner Beute überstieg (AFFisch/Wurm (lipidnormiert) = 1,3), kann von einer Aufkonzentrierung der Chemikalie entlang der Labornahrungskette ausgegangen werden (Biomagnifikation). Es konnte gezeigt werden, dass die Exposition gegenüber der Kombination sämtlicher Aufnahmepfade zu deutlich höherer Anreicherung in den Fischen führte als im Falle einzelner Expositionspfade. Ein Vergleich der Ergebnisse der einzelnen Expositionsszenarien erlaubt den Schluss, dass HCB von den Fischen im Bioakkumulationsszenario zu ungefähr gleichen Teilen über das Wasser (45%) und über die Nahrung (41%) aufgenommen wurde, während die Anwesenheit kontaminierten Sediments nur mit 14% zur Gesamtanreicherung beitrug. 14C-Terbutryn wurde im Bioakkumulationsszenario - auf Basis der Gesamtradioaktivität - sowohl in den Tubificiden (AF Wurm/Sediment (FG/FG) = 4,4) als auch in den Fischen (AFFisch/Wasser (FG/FG) = 323; AFFisch/Sediment (FG/FG) = 10; AFFisch/Wurm (FG/FG) = 1,4) angereichert. Allerdings wurde Terbutryn in den Stichlingen zum überwiegenden Teil zu einem polareren Metaboliten transformiert (84%). Daher müssen zur Abschätzung der Anreicherung von Terbutryn die auf den Gehalt an Ursubstanz korrigierten Gewebekonzentrationen und Anreicherungsfaktoren betrachtet werden. Hierbei wird deutlich, dass Terbutryn nicht entlang der Labornahrungskette aufkonzentriert wurde (AFFisch/Wurm = 0,09). Ein Vergleich der Ergebnisse der einzelnen Expositionsszenarien zeigt, dass der Hauptaufnahmepfad von 14C-Terbutryn in Stichlingen das umgebende Wasser ist, während die Anwesenheit kontaminierten Sediments und die Aufnahme über die Nahrung eine untergeordnete Rolle spielen. Da die Messung der Bioakkumulation und Biomagnifikation von sedimentassoziierten Substanzen sehr aufwendig ist, werden zur Abschätzung ihres Risikopotentials vermehrt mathematische Modelle entwickelt und eingesetzt, die eine Chemikalienanreicherung in Nahrungsketten vorhersagen sollen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden die Vorhersagen dreier Modelle mit den experimentell ermittelten Daten verglichen. Hierdurch sollte sowohl die Eignung des entwickelten Testsystems als auch der verwendeten Modelle als nützliche Instrumente des environmental risk assessment überprüft werden. Die Vorhersagen der drei Modelle bei Applikation auf die Daten der Labornahrungskette stimmen gut mit den experimentell bestimmten Konzentrationen von HCB und Terbutryn in den Tubificiden und Fischen überein. Für HCB sagen alle drei Modelle eine Biomagnifikation in der Labornahrungskette vorher. Die Modelle unterschätzen die gemessenen Konzentrationen in den Fischen mit einem Faktor von 1,1 - 1,7 nur geringfügig. Die Konzentration in den Tubificiden wird vom Gobas/Morrison-Modell sehr präzise vorhergesagt (Unterschätzung um Faktor 1,1), während sie im Campfens/Mackay-Modell (Faktor 2,1) und Gobas-Modell (Faktor 6,3) deutlicher unterschätzt wird. Speziell die dem Campfens/Mackay- und Gobas-Modell zugrunde liegenden Annahmen zur Anreicherung in benthischen Organismen erwiesen sich für HCB und Tubificiden als unzureichend zu sein, da die Modelle hierbei nur die Aufnahme aus dem Porenwasser berücksichtigen. Für Terbutryn sind die Modellvorhersagen sehr viel ungenauer als für HCB, da vor allem die starke Metabolisierung von Terbutryn in den Stichlingen unterschätzt wird. Dies resultiert in einer Überschätzung der Terbutryn-Konzentration in den Fischen (Faktor 5,8 - 6,4). Allerdings bleiben zwei Punkte festzuhalten: 1) Die Modelle sagen keine Biomagnifikation von Terbutryn in der Labornahrungskette vorher. 2) Die Modellvorhersagen bestärken die Annahme, dass die Anreicherung von Terbutryn in den Fischen dominiert ist von der Aufnahme aus dem umgebenden Wasser über die respiratorische Oberfläche. Die analysierten Modelle können bei entsprechender Weiterentwicklung als nützliche Instrumente für eine erste Abschätzung des Risikos der Bioakkumulation sedimentgebundener, hoch lipophiler Substanzen in aquatischen Nahrungsketten im Rahmen der Risikoabschätzung (environmental risk assessment) dienen. Zum gegenwärtigen Entwicklungsstand ist die Labornahrungskette jedoch den Modellen vorzuziehen, da sie die konservativeren Daten liefert. Für eine abschließende Beurteilung der vorgestellten Methoden bedarf es allerdings einer Verbreiterung der Datenbasis.
Today the structure of photosystem II, which is the enzyme responsible for the evolution of molecular oxygen by plants, algae and cyanobacteria, is known up to a resolution of about 3.0 Å in cyanobacteria (Loll et al., 2005). Photosystem II of higher plants, which shows some differences compared to the photosystem II of cyanobacteria, is not resolved in such high detail, yet (8-10 Å) (Rhee et al., 1998; Hankamer et al., 2001a). Therefore, the molecular structure of PSII of higher plants and its adjacent antenna complexes remains in the focus of the current research. One of the major problems when working with photosystem II is its relative instability during isolation. Together with the antenna proteins and several other proteins, some of which still have an unclear function, PSII forms a huge multi-protein-complex, which tends to fall apart during classical preparation methods. In order to achieve a faster and milder method of purification for PSII, four different His-tags have been added to one of the subunits of PSII. The gene targeted in this study is called psbE and codes for the α-chain of cytochrome b559, an integral part of PSII. The gene for PsbE is encoded in the chloroplast genome. The His-tags, which were employed in this work, consist of six or ten consecutive histidine aminoacid residues, which were fused to the N-terminus of the protein, either with or without a cleavage site for the protease “Factor Xa”. The N-terminus of PsbE is located on the more accessible stromal side of the thylakoid membrane. After inserting the psbE gene in a vector plasmid, in which the recognition site for the restriction endonuclease SacI had been eliminated, the different His-tags were generated by PCR with purposefully altered primers. In a final cloning step, a gene, which confers resistance to the antibiotics spectinomycin and streptomycin, was added to the DNA construct. Subsequently, the so-called biolistic transformation method (“gene gun”) was applied to introduce this genetically engineered plasmid DNA to Nicotiana tabacum chloroplasts (Bock & Hagemann, 2000). Through the processes of homologous recombination that take place in the chloroplast, the plastid encoded wildtype psbE gene was replaced by its His-tag containing counterparts. After several rounds of regenerating plants on antibiotic-containing medium, successful transformation was confirmed through PCR methods. By self fertilisation of fully regenerated plants, seeds were produced from tobacco strains, which carried only the mutated psbE gene. Plants cultivated from these seeds showed no distinctive phenotype under the chosen growth conditions, in respect to wildtype plants. The presence of the His-tag in this F1 generation was again confirmed with PCR methods. Measurements of oxygen evolution and pulse amplitude modulated fluorescence (PAM), carried out with preparations of wildtype and transgenic tobacco strains, revealed no differences for photochemical or non-photochemical quenching between both types. However, the oxygen evolution capacity of transgenic tobacco thylakoids compared to the wildtype was significantly reduced, although the chlorophyll content in relation to the leaf area was almost identical. This hints at a reduced amount of photosystem II complexes in the thylakoid membranes of transgenic tobacco. This alteration could be related to the mutation of cytochrome b559, because, amongst other functions, this subunit was shown to be important for the assembly of photosystem II (Morais et al., 1998). If solubilised thylakoid preparations of His-tagged plant strains were applied to a Ni-NTA column, photosystem II was selectively bound to the matrix. After washing away most of the contaminations, photosystem II core complexes could be eluted with imidazole-containing buffer. Photosystem II prepared in this way, displayed a drastic reduction of the peripheral light-harvesting complexes (LHCI & LHCII) and photo-system I reaction centres. This could be demonstrated by the loss of chlorophyll b and xanthophyll bands (LHCs) in absorption spectra, a small blue-shift of the chlorophyll a Qy absorption (PSI) and the respective band patterns in polyacrylamide gel electro-phoresis. The photosystem II complexes prepared in this way can now be put to use in different structural studies, like two-dimensional or three-dimensional crystallisation and spectroscopic measurements. Another photosynthetic pigment-protein complex of interest is the fucoxanthin-chlorophyll a/c-binding protein of diatoms, because eukaryotic algae, like diatoms, are important factors of oceanic ecosystems and account for a large part of marine biomass production. In order to facilitate ultra-fast time-resolved transient absorption spectroscopy and subsequent modelling of the kinetic traces, FCPs were prepared by sucrose-gradient ultra-centrifugation and their pigment stoichiometries determined by HPLC. Combining the spectroscopic data (Papagiannakis et al., 2005) with protein sequence alignments (Eppard & Rhiel, 1998) and the structure of the homologous higher plant LHCIIb (Kühlbrandt et al., 1994), a hypothetical model for the structure of FCP could be proposed (Fig. IV.3)
Photosystem (PS) I is a huge membrane protein complex which coordinates around 200 co-factors. Upon light excitation a charge separation at the PS I reaction centre is induced which leads to an electron transport across the thylakoid membrane and the generation of redox equivalents needed for several biochemical reactions, e.g. the synthesis of sugars. For higher plants and cyanobacteria the crystal structure of PS I complexes were resolved to resolutions of 4.4 Å and 2.5 Å. Furthermore, supramolecular structures of PS I of eukaryotic algae, mainly of the green line, were obtained recently. However, up to now, no structure of diatoms is available yet. Diatoms are key players in global primary production and derived from a secondary endosymbiosis event. Their chloroplasts are surrounded by four envelope membranes and their thylakoids are evenly arranged in bands of three, i.e. no separation in grana and stroma regions is apparent. In this thesis a protocol was developed to isolate a functional PS I complex of diatoms which can be used for structural analysis by transmissional electron microscopy (TEM). A photosystem I-fucoxanthin chlorophyll protein (PS I-FCP) complex was isolated from the pennate diatom Phaeodactylum tricornutum by ion exchange chromatography. Spectroscopic analysis proved that bound Fcp polypeptides function as a light-harvesting complex. An active light energy transfer from Fcp associated pigments, Chl c and fucoxanthin, towards the PS I core was proven by fluorescence spectroscopy. Oxidised minus reduced difference spectroscopy evidenced the activity of the PS I reaction centre P700 and yielded a chlorophyll a/P700 ratio of approximately 200:1. These data indicate that the isolated PS I-FCP complex exceeds the PS I cores from cyanobacteria and higher plants in the numbers of chlorophyll a molecules. Because of the strict conservation of PS I cores among organisms the additional 100 chlorophyll a molecules must either be coordinated by Fcps or function as linker molecules between the Fcp antenna and the PS I core as shown for the PS I-LHC I complex of higher plants. To tell something about the structural organisation, the PS I-FCP complex was compared with its cyanobacterial and higher plant counterparts. Whereas cyanobacterial PS I cores aggregate to trimers, usually without associated antennae, higher plant PS I is a monomer and binds additionally two LHC I heterodimers. BN-PAGE and gel filtration experiments showed that also diatoms contain PS I monomers associated with Fcps as light-harvesting antenna. First TEM studies evidenced these observations. Negatively stained PS I-FCP particles had an increased size compared to PS I cores of other organisms. No PS I trimers or higher oligomers have been found. The calculated diameter and shape of the particles correspond to PS I-LHC I particles obtained from green algae, which also comprise of a higher number of LHC I polypeptides compared to the higher plant x-ray structure. Additionally, the analysis of polypeptides indicates that the PS I associated Fcps differ from the free Fcp pool and also from Fcps of a PS II enriched fraction. The assumption that diatoms harbour just one Fcp antenna that serve both Photosystems equally seems to be wrong. To further study the association of Fcps with the two Photosystems, both complexes plus the free FCP complexes were isolated from the centric diatom Cyclotella meneghiniana. Because of the availability of antibodies directed against specific Fcp polypeptides of Cyclotella the PS I-FCP complex of Phaeodactylum could not be used. A trimeric FCP complex, FCPa, and a higher FCP oligomer, FCPb, have already been described for C. meneghiniana. The latter is assumed to be composed of only Fcp5, whereas the FCPa contains Fcp2 and Fcp6. Biochemical and spectroscopical evidences revealed a different subset of associated Fcp polypeptides within the isolated photosystem complexes. Whereas the PS II associated Fcp antenna resembles FCPa, at least three different Fcp polypeptides are associated with PS I. By re-solubilisation of the PS I complex and a further purification step Fcp polypeptides were partially removed from PS I and both fractions were analysed again by biochemical and spectroscopical means, as well as by HPLC. Thereby Fcp4 and a so far undescribed 17 kDa Fcp were found to be strongly coupled to PS I, whereas another Fcp, presumably Fcp5, is only loosely bound to the PS I core. Thus an association of FCPb and PS I is assumed.
Diatoms contribute largely to the total primary production of the ecosphere and are key players in global biogeochemical cycles. Their chloroplasts are surrounded by four membranes owing to their secondary endosymbiotic origin. Their thylakoids are arranged into three parallel bands and differentiation of thylakoid membranes into grana or stroma is not observed. The fucoxanthin chlorophyll a/c binding proteins act as the light harvesting proteins and play a role in photoprotection during excess light as well. The diatom genome encodes three different families of antenna proteins. Family I are the classical light harvesting proteins called "Lhcf". Family II are the red algae related Lhca-R1/2 proteins called "Lhcr" and family III are the photoprotective LI818 related proteins called "Lhcx".
All known Fcps have a molecular weight in the range of 17-23 kDa. They are membrane proteins and have shorter loops and termini compared to LHCs of higher plants and are therefore extremely hydrophobic. This makes the isolation of single specific Fcps using routine protein purification techniques difficult.
The purification of a specific Fcp containing complex has not been achieved so far and until this is done several questions concerning light harvesting antenna systems of diatoms cannot be answered. For e.g. Which proteins interact specifically? Are various Fcps differently pigmented? Which pigments interact with each other and how? Which proteins contribute to photosystem specific antenna systems? Can pure Fcps be reconstituted into crystals like LHCII proteins? In order to answer these questions specific Fcp containing complexes have to be purified. ...
Ziel der vorliegenden Arbeit war es, vor- und nachbereitenden Unterricht zu Biodiversitätsführungen an den vier außerschulischen Lernorten Palmengarten, Senckenbergmuseum, Stadtwaldhaus und Zoo Frankfurt zu evaluieren. Durch den Unterricht mithilfe neu entwickelter Arbeitsmaterialien sollte die aktuelle Motivation der Schüler und weitere pädagogisch-psychologische Lernvariablen gefördert werden. Es stellte sich die Frage, ob so eine erhöhte Auseinandersetzung mit dem Themenkomplex Biodiversität erreicht werden kann und welche Einflussfaktoren dabei eine Rolle spielen.
Theoretische Grundlage war dabei das Risikowahlmodell der Leistungsmotivation nach Atkinson, das von Rheinberg zum handlungstheoretischen Modell der Motivation erweitert wurde (Rheinberg & Vollmeyer, 2012). Auf dieses bezieht sich der von Rheinberg et al. (2001) entwickelte und hier eingesetzte Fragebogen zur aktuellen Motivation (FAM).
Die Stichprobe setzte sich aus insgesamt 523 Schülern der Klassen 5 bis 9 zusammen. Davon nahm jeweils die Hälfte mit (Versuchsgruppe) und die andere ohne (Kontrollgruppe) vor- und nachbereitendem Unterricht an den Biodiversitätsführungen teil. Die Erhebung der aktuellen Motivation, des erworbenen Fachwissens und weiterer Variablen erfolgte in einem Pre/Post/Follow-Up-Design mit Fragebögen, deren Auswertung analytisch statistisch durgeführt wurde.
Es zeigte sich, dass in der Gesamtstichprobe die Teilnahme an der Biodiversitätsführung die aktuelle Motivation der Schüler erhöhte. Dauerhafte Lernparameter wie die Biologieeinstellung und die Interessenshandlung wurden jedoch nicht signifikant verändert. Ein eindeutiger Effekt der unterrichtlichen Vorbereitung konnte jedoch nicht ermittelt werden. Einzig beim gemessen Fachwissen zu den Führungsinhalten schnitt die Versuchsgruppe signifikant besser ab. Insgesamt wird angenommen, dass der Effekt des Besuchs des außerschulischen Lernortes an sich den Effekt der Vor- und Nachbereitung überdeckt oder vom Einfluss anderer Parameter beeinflusst wird. Hier stach besonders das Alter der Jugendlichen hervor, das vor allem in der hier evaluierten Schülergruppe bedingt durch die Pubertät eine große Rolle spielt. Weitere Einflussfaktoren waren die Biologieeinstellung und die Unterrichtsvariablen der Führung. In den Stichproben der einzelnen außerschulischen Lernorte zeigten sich leichte Abweichungen von der Gesamtstichprobe. Diese waren meist auf die leicht unterschiedliche Zusammensetzung der Stichproben zurückzuführen. Aber auch Besonderheiten der Lernorte hatten dabei ein bedeutendes Gewicht.
Bezüglich der Lernbedingungen für die Lernorte ließen sich aus den Ergebnissen vor allem zwei Komponenten ermitteln: Zum einen die Architektur/räumliche Struktur der Lernorte. Hier können Faktoren wie drinnen/ draußen, Größe und die räumliche Orientierung unterschieden werden. All dies hat Auswirkungen auf das physische Wohlbefinden der Schüler, was wiederum eine Voraussetzung für eine hohe Lernmotivation ist. Die andere Hauptkomponente ist das am Lernort behandelte Thema. Hier kann grob zwischen Pflanzen und Tieren unterschieden werden. Pflanzen wurden dabei in mehreren Studien von den Schülern als weniger attraktiv eingeschätzt. Trotzdem sollten aber die Möglichkeiten, auch botanische Themen außerhalb der Schule zu behandeln, von den Lehrkräften zur Vermittlung biologischer Vielfalt genutzt werden.
Als Konsequenz der Ergebnisse kann der Besuch eines außerschulischen Lernrotes im Biologieunterricht bezüglich der Förderung der Lernmotivation unbedingt empfohlen werden. Da kein klarer Effekt des vor- und nachbereitenden Unterrichts der Biodiversitätsführungen erkennbar war, wären hier weitere Untersuchungen vonnöten, um genauere Aussagen machen zu können. Hier böten sich Studien mit Schülern anderer Altersgruppen und der Vergleich nur zweier außerschulischer Lernorte an.
This work comprises the investigation of four different biosynthesis gene clusters from Xenorhabdus. Xenorhabdus is an entomopathogenic bacterium that lives in mutualistic symbiosis with its Steinernema nematode host and together they infect and kill insect larvae. Xenorhabdus is well known for the production of so-called specialised metabolites and many of these compounds are synthesised by non-ribosomal peptide synthetases (NRPSs) or NRPS-polyketide synthase (PKS)-hybrids. These enzymes are organised in a modular manner and produce structurally very diverse molecules, often with the help of modifying domains and tailoring enzymes. In general, the genes involved in the biosynthesis are organised in so-called biosynthetic gene clusters (BGCs) in the genome of the producing strain. Exchanging the native promoter with an inducible promoter, e.g. PBAD, allows the targeted activation of the BGC and in turn the analysis of the biosynthesis product via LC-MS analysis.
The first BGC investigated in this work is responsible for the biosynthesis of xenofuranones. Based on gene deletions, this work shows that the NRPS-like enzyme XfsA produces a carboxylated furanone intermediate which is subsequently decarboxylated by XfsB to yield xenofuranone B. The next step in xenofuranone biosynthesis is the O-methylation of xenofuranone B to yield xenofuranone A. A comparative proteomics approach allowed the identification of four methyltransferase candidates and subsequent gene deletions confirmed one of the candidates to be responsible for methylation of xenofuranone B. The proteome analysis was based on the comparison of X. szentirmaii WT and X. szentirmaii Δhfq because distinct levels of the methylated xenofuranone A were observed when the xfs BGC was activated in either WT or Δhfq strain. Hfq is a global transcriptional regulator whose deletion is associated with the down regulation of natural product biosynthesis in Xenorhabdus. The strong PBAD activation of the xfs BGC also allowed the detection of two novel xenofuranone derivatives which arise from incorporation of one 4-hydroxyphenylpyruvic acid as first or second building block, respectively.
PBAD based activation of the second BGC addressed in this work lead to the detection of a novel metabolite and compound purification allowed NMR-based structure elucidation. The molecule exhibits two pyrrolizidine moieties and was named pyrrolizwilline (pyrrolizidine + twin (German: “Zwilling”)). The BGC comprises seven genes and single gene deletions as well as heterologous expression in E. coli and NRPS engineering were conducted to investigate the biosynthesis. The first two genes xhpA and xhpB encode a bimodular NRPS and a monooxygenase which synthesise a pyrrolizixenamide-like structure, similar to PxaA and PxaB in pyrrolizixenamide biosynthesis. It is suggested that the acyl side chain incorporated by XhpA is removed by the α,β-hydrolase XhpG. The keto function is then reduced by two subsequent two electron reductions catalysed by XhpC and XhpD. One of these two reduced pyrrolizidine units most likely is extended with glyoxalate prior to non-enzymatic dimerisation with the second pyrrolizidine moiety. To finally yield pyrrolizwilline, L-valine is incorporated, probably by the free-standing condensation domain XhpF.
The third BGC investigated is responsible for the production of a tripeptide composed of β-D-homoserine, α-hydroxyglycine and L-valine and is referred to as glyoxpeptide. This work demonstrates that the previously observed glyoxpeptide derivative is derived from glycerol present in the culture medium. Furthermore, this work shows that the monooxygenase domain, which is found in an unusual position between motifs A8 and A9 within the adenylation domain, is responsible for the α-hydroxylation of glycine. It is suggested that the α-hydroxylation of glycine renders the tripeptide prone to hydrolysis via hemiacetal formation. Hence, the XgsC_MonoOx domain might be an interesting candidate for further NRPS engineering.
The fourth BGC addressed is responsible for the production of xildivalines and this work describes two additional derivatives which are detected only when the promoter is exchanged and activated in the X. hominickii WT strain but not in X. hominickii Δhfq. Deletion of the methyltransferase encoding gene xisE results in the production of non-methylated xildivalines. It remains to be determined when the N-methylation of L-valine takes place. It is discussed that the methyltransferase could act on the NRPS released product but also during the assembly. The peptide deformylase is not involved in the proposed biosynthesis as xildivaline production is detected in a ΔxisD strain. The PKS XisB features two adjacent, so-called tandem T domains. The inactivation of the first or the second T domain by point mutation causes decreased production titres of detected xildivalines in the respective mutant strain when compared to the wild type.
This work characterizes the post-PKS modifications of AQ-256. Additionally, the second part describes the establishment of an AQ production platform for electrolyte generation that can be utilized in redox-flow-batteries. Lastly, a silent BGC that encodes the genes for terpenoid biosynthesis was described and characterized with regards to product formation and putative ecological function.
Reading is an essential ability to master everyday life in our society. The ability to read is based on specific connections between brain regions involved in the reading process – so-called cortical networks for reading. These cortical networks for reading allow us to learn the correct identification of visual words. The use of visual words is based on knowledge about the orthography (lexical) and the meaning of words (semantic). This knowledge must be acquired by beginning readers (first grader), i.e. beginning readers learn in a first step to link letters to a whole word and in a second step associate this whole word with meaning. To retrieve this knowledge during visual word recognition (VWR) a cortical network for lexical-semantic process must be activated. However, it is currently unclear whether beginning readers and reading experts activate the same neuronal network during VWR. Therefore, the aim of this thesis was to investigate the question whether beginning readers (first grader, children) and reading experts (adults) use different cortical networks for the lexical-semantic processing in VWR.
To address this question we recorded electroencephalographic (EEG) activity during VWR in children and adults. Children and adults were instructed to read a visualizable word to compare this word with a following picture stimulus. The first part of this thesis is concerned with the analysis of ERPs for visual word recognition in children and adults at sensor level. For both groups we observed the typical ERP components P100 and N170 for visual word recognition. These components differed in amplitude and time course between both groups. The second part of this thesis investigated the neuronal generators (brain areas) of ERPs during VWR and possible differences between children and adults at source level. We observed a high overlap in brain areas involved during VWR in children and adults. However, the brain areas differed in activation and time course between children and adults. Finally, the third and most important part of the thesis investigated the question whether children and adults use different cortical networks for the lexical-semantic processing in VWR over time. To address this question Dynamic Causal Modeling (DCM) and Bayesian model comparison were used. We compared nine biologically plausible cortical network models underlying the ventral lexical-semantic path in VWR. In addition, increasing time intervals were used to consider possible changes of network structure during VWR. The network models included eight brain regions (four bilateral pairs) involved in the lexical-semantic processing in VWR: occipital cortex (OC), temporo-occipital part of inferior temporal gyrus (ITG), temporal pole (TP), and inferior frontal gyrus (IFG). In almost all time intervals we found evidence that children and adults use the same cortical networks for the lexical-semantic processing in VWR. However, we found differences between adults and children in the connection strengths of the favoured model. Interestingly, we found a stronger direct connection from OC to IFG in adults compared to children.
In conclusion, our results suggest that children and adults activate largely the same lexical-semantic networks during VWR over time. This supports the notion that children and adults use the same biological fiber connections for VWR. However in contrast to children, adults showed increased use of the shortcut pathway from OC to IFG. The increased use of the shortcut pathway from OC to IFG in adults can be interpreted as consequence of learning. Learning causes in accordance with the Hebbian learning rule (“neurons that fire together, wire together” (Hebb, 1949)) synaptic change. Consequently the frequent coactivation of the input and output stage of OC and IFG during the lexical-semantic process facilitates the stronger direct connection between both brain areas. The stronger direct connection from OC to IFG most likely allows adult reading experts to speed up the lexical-semantic process during VWR. Accordingly, we conclude that the stronger direct connections from OC to IFG in adults compared to children underlay the different reading capabilities in both groups.
Cardiac trabeculation is one of the essential processes required for the formation of a competent ventricular wall, whereby clusters of ventricular cardiomyocytes (CMs) from a single layer delaminate and expand into the cardiac jelly to form sheet-like projections in the developing heart (Samsa et al., 2013). Several congenital heart diseases are associated with defects in the formation of these trabeculae and lead to embryonic lethality (Jenni et al., 1999; Zhang et al., 2013, Jenni et al., 2001; Towbin 2010). It has been experimentally shown that lack of Nrg1/ErbB2/ErbB4, Angipoetin1/Tie2, EphrinB2/B4, BMP10, or any component of the Notch signaling pathway can cause defective trabeculation. Moreover, changes in blood flow and/or contractility can also affect trabeculation (Samsa et al., 2013). Together, these observations demonstrate that cardiac trabeculation is a highly dynamic and regulated process.
Trabeculation is a morphogenetic process that requires control over cell shape changes and rearrangements, similar to those observed during EMT. Epithelial cells within an epithelium are polarized and establish cell-cell junctions with the neighboring cells (Ikenouchi et al., 2003; Ferrer-vaquer et al., 2010), thus epithelial cell polarity is an important feature to maintain cell shape and tissue structure. During developmental processes such as cell migration and cell division or in disease states epithelial polarity might be disrupted. As a consequence of this alteration, cells lose their tight cell-cell adhesions, undergo cytoskeletal rearrangements, change their shape and gain migratory properties becoming mesenchymal cells (Micalizzi et al., 2010). In epithelial cells, apicobasal polarity is regulated by a conserved set of core complexes, including the PAR, Scribble and Crumbs complexes (Kemphues et al., 1988; Bilder and Perrimon, 2000; Teppas et al., 1984). The polarity proteins composing these complexes interact in a well organized and coordinated-manner creating molecular asymmetry along the apicobasal axis of the cell. In turn, this crosstalk regulates the maturation and stabilization of the junctions between cells and cytoskeleton in order to strengthen cell polarization (Roignot et al., 2013). Amongst the different polarity complex, Crumbs has been shown to be a key regulator of apicobasal polarity during development in both vertebrates and invertebrates (Tepass et al., 1990; Fan et al., 2004).
Here, taking advantage of zebrafish as a model organism, I study in vivo at single cell resolution changes in CM apicobasal polarity during cardiac trabeculation. Moreover, I show which factors regulate CM apicobasal polarity during this process. In addition, I dissect the role of the polarity complex Crumbs in regulating CM junctional rearrangements and the formation of the trabecular network.
Isolation des Carotinoidbiosynthese Genclusters aus Flavobacterium spec P99-3. Das isolierte Gencluster von 15 kb Größe zeigt 7 offene Leseraster, die auf Grund ihrer Sequenzhomologie Carotinoidgenen zugeordnet werden können oder anhand von Komplementationen in einem heterologen Expressionssystem in E. coli mit anschließender HPLC-Analayse eine eindeutige Funktion im Biosysnthesewegs des selten vorkommenden Myxols zugeordnet werden kann.
With the help of miniaturized GPS recorders I recorded 167 tracks of 48 individual pigeons during their flight from 6 different sites around Frankfurt. The experiments consisted of two main series of repeated releases from two sites 30 km north and south from the pigeons' home loft. From the site in the south the pigeons homed 12 times and from the site in the north 16 times. After the final release from these sites, the pigeons were released at 60 km distance from home. These additional sites were selected so that the pigeons would presumably fly over the previous release site with which they were highly familiar. After conclusion of the main series two additional releases were performed, one within the magnetic anomaly of the Vogelsberg and one in a magnetically quiet region. To make these releases comparable, both release sites were selected so that the distance from the home loft was 40 km. All data obtained during these experiments were subjected to a threefold analysis, mostly based on methods that I had developed by myself or adapted for this specific study. In the first step, data were analyzed traditionally, evaluating variables similar to those that can be found in current literature. I therefore calculated values that correspond to those obtained by visual observation, like virtual vanishing bearings and intervals after one minute and after 2.5 km. Additionally I calculated the efficiency of the flights and efficiencies for specific portions of each flight, to derive variables that describe the behavior after vanishing. In the second step, which served also as a preparation for the mathematical analysis, the flight of the pigeons was separated into distinctive phases of the flight by the so-called points of decision. The flight of the pigeon can usually be separated into an initial phase of flying about, a departure and/or final homing phase. In more complex cases, however, several points of decision and a multitude of intermediary phases can be defined. Yet, the initial phase, the departure phase and the final homing phase can be defined for all tracks and therefore have been selected as appropriate candidates for a thorough analysis. In the last step I employed the so-called method of time lag embedding to reconstruct the underlying navigational process of the pigeons' homing flight. This method is based on the principles of chaos theory and is regularly employed for the analysis of dynamic systems. Its application allows the reconstruction of the underlying processes from experimentally recorded data without any a priori knowledge of the underlying system itself. For these reconstructed systems I calculated characteristic properties which are unique for each system. These are the so-called correlation dimension, describing the complexity of the system, and the so-called largest Lyapunov exponent, describing its predictability. Based on the knowledge gathered from these reconstructions, I used a variation of the previous methods to identify navigational phases, by calculating the correlation dimension as a sliding mean over the complete track. From these data I then derived further characteristics of the underlying process, such as its precision and differences in complexity depending on the pigeon's current position. ...
Characterisation of cytosolic prion protein-mediated putative cytotoxicity in neuronal cell lines
(2006)
Prion diseases are a complex group of fatal neurodegenerative disorders with a broad host spectrum, which are characterised by strong neuronal cell loss, spongiform vacuolation and astrocytic proliferation. The molecular mechanisms of prion-mediated neurodegeneration are not yet fully understood. Recently, it has been proposed that neuronal cell death might be triggered by cytosolic accumulation of misfolded cellular prion protein (PrPC) due to impairment of proteasomal degradation. Cytosolic PrPC could result from either retro-translocation via the endoplasmatic reticulum-associated degradation system (ERAD) or abortive translocation of PrPC into the ER. Indeed, expression of cytosolic PrP (Cy-PrP) was shown to be neurotoxic both in vivo and in vitro. However, contradicting results on cytosolic PrP-mediated neurotoxicity in cultured cells have been reported. Cytosolic PrP–mediated cytotoxicity may play a central role in the pathogenesis of prion diseases. In order to investigate the molecular mechanisms of this process, a detailed analysis of N2a cells conditionally expressing cytosolic PrP (Cy-PrP) was performed in this study. The following results were obtained: First, Cy-PrP expression is not per se sufficient to trigger cytotoxicity in N2a cells independently of proteasome inhibition. Second, Cy-PrP is degraded with kinetics resembling the degradation of cell membrane-anchored full-length PM-PrP. In this process, the 20/26S proteasome was responsible for Cy-PrP degradation while the proteolysis of matured full length PM-PrP is not affected by the proteasomal system. Third, Cy-PrP accumulates in fine foci when expressed at high levels and co-localises with the cytosolic chaperone Hsc70 in EEA-1 positive endocytic vesicles. From these data it was proposed that the chaperone Hsc70 acts as a regulator for the controlled formation of amorphous Cy-PrP aggregates and their transport to endosomal vesicles. This Hsc70-dependent mechanism may confer protection to N2a cells against toxic accumulation of Cy-PrP in the cytosol.
Epithelial cells enable essential physiological functions, including absorption, morphogenesis, secretion, and transport. To execute these functions, epithelial cells often form three-dimensional shapes that include curved sheets of cells surrounding a pressurized fluid-filled lumen. These three-dimensional tissues (called domes) are essential for organ function, but when they are not working properly, developmental defects, inflammation, and cancer can ensue. Recently, it has been shown that the cells that form domes show active superelasticity on micropatterned plates.
We show here that the immortalized renal proximal tubule epithelial cell line, LLC-PK1, stereotypically forms tubules in 10 days. Tubule formation takes place in 4 stages. When cells are plated on a culture dish, they form a monolayer on the 1st day; on the 3rd day, three-dimensional structures are formed, called domes; and after the 4.5th day, these domes start fusing to begin the transition stage and transit to the tubule stage. At the end of the 10th day, differentiated, elongated, and matured tubes form (Figure 3.1). Therefore, tubule formation is a self-organized, stereotypic morphogenetic program under long-term, unperturbed tissue culture conditions.
We propose that tubulogenesis is a two-step process in proximal tubules by doming and wrapping. The process begins with dome formation, and as the cell layers come together in the transition stage at the edge of the dome, this leads to the formation of the lumen of the eventual tubule. We also found that F-actin provides the mechanical strength during the formation of these three-dimensional structures during tubule formation. To better understand this 4-step process on a molecular level, we performed proteomics of tubule formation to identify the different proteins that play a significant role in proximal tubule development. Importantly, we identified proximal tubule markers like synaptopondin, angiotensin 1-10, collectrin, polycystin 1, and polycystin 2. These proteins play an important role in renal tube formation and differentiation.
Cell division is carried out by highly conserved cyclin-CDK complexes, which phosphorylate various cellular components. Cyclin-CDKs act differently depending on the cell cycle phase and work cooperatively to create DNA replication and cytokinesis. Therefore, we identified that cyclin-B1, marker of proliferation Ki-67, the RAD51 recombinase, and proliferating cell nuclear antigen (PNCA) are upregulated in the monolayer stage, and the expression decreases as tubule formation takes place. The proximal tubule reabsorbs 60-65% of the glomerulus filtrate. Therefore, it requires a lot of energy generated by using the fatty acid oxidation (FAO) pathway. In our model, we found FAO expression is higher than that of the other metabolic pathways.
We found expression of an intricate protein network in mitochondria, which we interpret as a sign of mitochondrial homeostasis being vital for the FAO pathway to work. Furthermore, we also identified different types of transporters at each stage of proximal tubule formation, and we could recognize different cytoskeletal components playing a significant role in each stage of proximal tubule formation, for instance, at the monolayer stage, vimentin expression is high, and its expression is reduced as tubules form. Hence, this 2D system, at this step of characterization, seems suitable to use to study differential transport protein expression and how this might relate to physiological functions and syndromes.
Next, we inhibited different transporters using specific inhibitors and analyzed the effect on dome and tubule formation. We identified that Na+/K+ ATPase and vacuolar H+ ATPase play a significant role in the process of epithelial dynamics. Digoxin (a Na+/K+ ATPase inhibitor) treatment inhibits dome and tubule formation. Bafilomycin (a v-ATPase inhibitor) treatment demonstrated a delay in dome and tube formation. Therefore, this study shows that this 2D proximal tubule novel system can be used for screening of pharmacological leads in the context of specific aspects of kidney physiology.
Despite the recent success in growing kidney organoids, they are not well suited to investigate various pathophysiological conditions in vitro for several reasons: They grow in 3D and form a tissue that later needs to be dissected/cleared and stained to investigate pathophysiological changes. Moreover, organoids require complex and expensive protocols for generation and are challenging to use in screening approaches. Therefore, we set out to demonstrate feasibility for our 2D system using normal renal epithelial cells, which are the origin of various pathological conditions, to study pathophysiological conditions.
Adhesion to host cells is the first and most crucial step in infections with pathogenic Gram negative bacteria and is often mediated by trimeric autotransporter adhesins (TAAs). TAA-producing bacteria are the causative agent of many human diseases and TAA targeted anti-adhesive compounds might counteract such bacterial infections. The modularly structured Bartonella adhesin A (BadA) is one of the best characterised TAAs and serves as an attractive adhesin to study the domain-function relationship of TAAs during infection. BadA is a major virulence factor of B. henselae and is essential for the initial attachment to host cells via adhesion to extracellular matrix proteins. B. henselae is the causative agent of cat scratch disease and adheres to fibronectin using its long BadA fibres. The life cycle of this pathogen, with alternating host conditions, drives evolutionary and host-specific adaptations.
Human, feline, and laboratory adapted B. henselae isolates display genomic and phenotypic differences. By analysing the genomes of eight B. henselae strains using long-read sequencing, a variable genomic badA island with a diversified and highly repetitive badA gene flanked by badA pseudogenes was identified. Moreover, numerous conserved flanking genes were characterised, however, their influence on the regulation of badA expression and modification remains to be explored. It seems that B. henselae G 5436 is the evolutionary ancestor of the other B. henselae strains analysed in this work. The diversity of the badA island among the B. henselae strains indicates that the downstream badA-like domain region might be used as a ‘toolbox’ for rearrangements in the badA gene. Overall, it is suggested that badA-domain duplications, insertions, and/or deletions are the result of active phase variation via site-specific recombination and contribute to rapid host adaptation in the scope of pathogenicity, immune evasion, and/or enhanced long-term colonisation.
The model strain B. henselae Marseille expresses a badA gene that includes 30 repetitive neck/stalk domains, each consisting of several predicted structural motifs. To further elucidate the motif sequences that mediate fibronectin binding, various modified badA constructs were generated. Their ability to bind fibronectin was assessed via whole-cell ELISA and fluorescence microscopy. In conclusion, it is suggested that BadA adheres to fibronectin in a cumulative fashion with quick saturation via unpaired β-strands appearing in structural motifs present in BadA neck/stalk domains 19, 27, and other homologous domains. Furthermore, antibodies targeting a 15-mer amino acid sequence in the DALL motif of BadA neck/stalk domain 27 were able to reduce fibronectin binding of the B. henselae mutant strain S27. Moreover, this DALL motif sequence is conserved in the genome of all analysed B. henselae strains. The identification of common binding motifs between BadA and fibronectin supports the development of new anti-adhesive compounds that might inhibit the initial adherence of B. henselae and other TAA-producing pathogens during infection.
Die Ursache von Adipositas liegt im übermäßigen Wachstum von Fettgewebe, welches hauptsächlich aus Fettzellen, den Adipozyten, besteht. Die Zellen der stroma-vaskulären Fraktion, welche Vorläuferzellen, Makrophagen und Zellen des lokalen Gefäßnetzwerks enthält, sind außerdem an der Homöostase des Fettgewebes beteiligt. Insbesondere spielt das Gefäßsystem des Fettgewebes in Nagetieren eine wichtige Rolle im Fettgewebewachstum, da die Hemmung der Angiogenese in genetisch- und diät-induzierten fettleibigen Mäusen die Entstehung von Adipositas verhindert. Dennoch wurde das Gefäßsystem des menschlichen Fettgewebes bis heute nicht erforscht. Durch immuno-histochemische Analysen am subkutanen menschlichen Fettgewebe konnten wir zwei verschiedene Gefäßsysteme identifizieren: das vaskuläre Netzwerk des Bluts und das lymphatische vaskuläre Netzwerk. Während die Endothelzellen von beiden Gefäßsystemen die gemeinsamen Endothelzellmarker von Willebrand factor (vWf) und CD31 (PECAM, Platelet Endothelial Cell Adhesion Molecule) exprimierten, konnten die Endothelzellen der Blutgefäße an der Expression des Markers CD34 (Stamm/Blutgefäß-Endothel-Zell-Marker) und die Endothelzellen der Lymphgefäße an der Expression der beiden lymphatischen Marker Podoplanin und VEGFR3 (Vascular Endothelial Growth Factor Receptor 3) spezifisch erkannt werden. Ausschließlich für den Marker CD34-positive Zellen und in Rosetten angeordnete CD31-positive Zellen, welche als residente Makrophagen wurden auch charakterisiert. Um die beiden Gefäßsystemen des menschlichen Fettgewebes weiterhin zu erforschen, haben wir ein auf Immunoselektion basiertes Protokoll entwickelt. Es ermöglicht, Blut- (BEC) und lymphatische (LEC) Endothelzellen aber auch Makrophagen und CD34-positive Zellen spezifisch zu isolieren. Sowohl BEC als auch LEC exprimierten VEGFR1, VEGFR2, vWf und Notch4 und nehmen acetyliertes LDL auf. Darüber hinaus konnte in LEC die Expression von Genen, welche spezifisch für das Lymphgefäßsystem sind, wie Podoplanin, Reelin, VEGFR3, Desmoplakin, LYVE-1 nachgewiesen werden. Durch fluss-cytometrischen Analysen des Anzahls von BEC und LEC im Fettgewebe von Patienten mit unterschiedlichen Body Mass Indices (BMI) wurde entdeckt, dass Fettleibigkeit von einer Erweiterung des vaskulären Netzwerks des Bluts im Fettgewebe begleitet wird, jedoch nicht von einer Erweiterung des lymphatischen vaskulären Systems. Flusscytometrische Analysen belegen, dass es in der CD34-positive Stroma-Zellpopulation Zellen gibt, die den endothelialen Progenitor-Zellmarker CD133 und den primitiven Stammzellmarker ABCG2 exprimieren. Außerdem zeigten die CD34-positive Zellen eine signifikant stärkere Proliferation und Expression von Endothelzellmarkern wie CD31 und vWf, wenn dem Kulturmedium zuvor die Faktoren Vascular Endothelial Growth Factor A (VEGF A) und Insulin-Like Growth Factor-1 zugefügt worden waren. Wurden Mäusen mit Hinterbeinischämie CD34-positive Zellen in vivo injiziert, beteiligten sich diese Zellen an der Neovaskularisation des ischämischen Hinterbeins. Eine signifikante Zunahme des Blutflusses im ischämischen Bein, gekoppelt an einer erhöhten Kapillardichte im ischämischen Muskel und einer Integration der menschlichen Zellen in die Vaskulatur der Maus waren erkennbar. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass es unter den CD34-positive Zellen eine Population von endothelialen Progenitorzellen gibt, die -bei geeigneter Stimulation- zu Endothelzellen differenzieren. Parallel dazu wurden die lokalen Faktoren untersucht, die potentiell an der Wachstumskontrolle, der Migration und der Organisation der ruhenden, aus dem Fettgewebe stammenden, BEC und LEC beteiligt waren. Sekrete der Adipozyten, jedoch nicht der CD34-positive Zellen, induzierten eine signifikante BEC- und LEC-Proliferation. Außerdem induzierte die Kombination von Leptin und VEGF A oder des basic Fibroblast Growth Factor eine signifikante Zunahme der BrdU-Inkorporation in BEC während Adiponectin, VEGF C und VEGF D bereits alleine konzentrationsabhängig die Proliferation von LEC induzierten. Leptin, und nicht Adiponectin, führte zu signifikant höherer BEC-Migration und Röhrenformung, während Adiponectin, und nicht Leptin, die LEC-Migration und -Organisation förderte. Dabei führte Leptin in BEC und Adiponectin in LEC zeitabhängig zu einer signifikanten Zunahme der Phosphorylierung der Kinase Akt. Diese Ergebnisse belegen, dass die beiden aus Adipozyten stammenden Adipokine Leptin und Adiponectin eine tragende Rolle in der Umverteilung von BEC bzw. LEC spielen. Im Rahmen der Adipositas steigt die Plasmakonzentration von Leptin an während die Plasmakonzentration von Adiponectin sinkt. Unsere Ergebnisse deuten daraufhin, dass Leptin als lokaler pro-angiogenetischer Faktor identifizieren und Adiponectin als neuer lymphangiogenetischer Faktor im menschlichen Fettgewebe beschreiben konnte. Demnach könnten Veränderungen, in der Adipositas, der Adipokinfreisetzung durch Adipozyten am Umbau des vaskulären Netzwerks des Bluts und am ausbleibenden Wachstum des lymphatischen vaskulären Systems innerhalb des Fettgewebes beteiligt sein. Schließlich belegen die vorliegenden Ergebnisse das Vorhandensein einer Progenitor-Zell-Population in der Stroma-Fraktion des menschlichen Fettgewebes. Diese Progenitor-Zellen sind in der Lage sich an der Neovaskularisation ischämischen Gewebes zu beteiligen. Diese Population könnte im Hinblick auf zelltherapeutische Strategien eine interessante Alternative zu Stammzellen aus dem Knochenmark darstellen.
Die hier vorliegende Dissertation befasst sich mit der Synthese von Naturstoffen aus Xenorhabdus und Photorhabdus spp. Da 6,0 - 7,5% ihres Genoms Sekundärmetabolit Clustern zuzuordnen sind, gelten diese entomopathogenen Bakterien als vielversprechende Naturstoffproduzenten. Die Palette der von ihnen produzierten Naturstoffe reicht von Antibiotika über Insektizide bis hin zu potentiellen Zytostatika. Die im Rahmen dieser Arbeit synthetisierten und charakterisierten Substanzen lassen sich in vier Kategorien einteilen: kleine Sekundärmetabolite (Phurealipide), zyklische Makrolaktame (Xenotetrapeptide, GameXPeptide und Ambactin), zyklische Makrolaktone (Szentiamide, Xentrivalpeptide und Xenephematide) und methylierte lineare Peptide (Rhabdopeptide und Rhabdopeptid-ähnliche Moleküle).
Lipopolysaccharide (LPS) is a major glycolipid component in the outer leaflet of the outer membrane of Gram-negative bacteria and known as endotoxin exhibited by the lipid A moiety, which serves as a membrane anchor. The effective permeability barrier properties of the outer membrane contributed by the presence of LPS in the extracellular layer of the outer membrane confer Gram-negative bacteria a high resistance against hydrophobic compounds such as antibiotics, bile salts and detergents to survive in harsh environments. The biogenesis of LPS is well studied in Escherichia coli (herewith E. coli) and the LPS transport (Lpt) is carried out by a transenvelope complex composed of seven essential proteins (LptABCDEFG), which are located in the three compartments of the cell such as the outer membrane, the inner membrane and the periplasm. The Lpt system also exists in Anabaena sp. PCC 7120 (herewith Anabaena sp.), however, homologues of LptC and LptE are still missing. BLAST search failed to identify a homologue of LptC, in contrast, the secondary structure analysis using the Pfam database based on the existing ecLptC secondary structure identified one open reading frame All0231 as the putative Anabaena sp. homologue of LptC, which is designated anaLptC. Despite the low sequence similarity, the secondary structure alignment between anaLptC and ecLptC using the HHpred server showed that both proteins share high secondary structural similarities. The genotypic analysis of the insertion mutant anaLptC did not identify a fully segregated genome and its phenotypic analysis revealed that it was sensitive against chemicals, suggesting that the analptC gene is essential for the growth of Anabaena sp. and involved in the outer membrane biogenesis. This is further supported by the observation of the small cell phenotype in the anaLptC mutant via transmission electron microscopy. Moreover, physical interactions between the anaLptC periplasmic domain with anaLptA as well as with anaLptF were established, indicating that the anaLptC periplasmic domain is correctly folded and alone functional and that the transmembrane helix is not required for the interaction with anaLptA and anaLptF. Furthermore, the reduction of the O-antigen containing LPS was observed in the insertion mutant anaLptC and the dissociation constant Kd of the anaLptC periplasmic domain for ecLPS was determined.The three-dimensional structure of the periplasmic domain of anaLptC was solved by X-ray crystallography with a resolution of 2.8 Å. The structural superposition between the ecLptC crystal structure (PDB number 3my2) and the crystal structure of anaLptC periplasmic domain obtained by this study showed the similarity in the folding of the two proteins with a Cα r.m.s.d value of about 1 Å and confirmed that the length of anaLptC is more than two times longer than that of ecLptC. The structural comparison also revealed that both structures share the typical β-jellyroll fold and conserved amino acids, which were shown in ecLptC to bind to LPS in vivo and found in anaLptC. Overall, these data strongly suggest that anaLptC is involved in the transport of LPS and support the model whereby the bridge spanning the inner membrane and the outer membrane would be assembled via interactions of the structurally conserved β-jellyroll domains shared by five (LptACDFG) out of seven Lpt proteins.
Die Spinozerebelläre Ataxie Typ 2 (SCA2) ist eine autosomal dominant vererbte neurodegenerative Krankheit, welche durch die Expansion des Trinukleotids Cytosin-Adenin-Guanin von ~22/23 auf >32 im Ataxin-2 Gen (ATXN2) verursacht wird. Dieses Trinukleotid codiert für die Aminosäure Glutamin weshalb SCA2 auch zu den Polyglutaminerkrankungen zählt. Zu dieser Gruppe zählen außerdem fünf weitere SCA-Subtypen sowie drei weitere neurodegenerative Erkrankungen, darunter die Huntington-Krankheit.
SCA2 wurde 1971 zum ersten Mal von Wadia und Swami beschrieben und unterscheidet sich von den anderen SCAs aufgrund der typischen Störung der sakkadischen Augenbewegungen. Weitere klinische Symptome von SCA2 sind Ataxie, Tremor, Dysmetrie, Dysarthrie, Hyporeflexie und Dysdiadochokinese. Die Symptome gehen auf einen neuronalen Verlust insbesondere im Cerebellum, aber auch in anderen Hirnregionen wie zum Beispiel dem Hirnstamm zurück.
Atxn2 wird in weiten Teilen des Zentralnervensystems aber auch in vielen nicht-neuronalen Geweben exprimiert. Es handelt sich um ein überwiegend cytoplasmatisch lokalisiertes Protein, welches im Gegensatz zu vielen anderen SCA-Proteinen cytoplasmatische und nur selten nukleäre Aggregate bildet. Die exakte Funktion von Atxn2 ist bisher unklar, es wurde allerdings mehrfach gezeigt, dass es in die mRNA Translation involviert ist aufgrund seiner Interaktion mit dem PolyA-bindenden Protein PABPC1.
Eine Expansion des Trinukleotids in Ataxin-2 kann nicht nur zu SCA2 führen, sondern stellt bei Wiederholungen zwischen 27 und 32 CAGs auch ein erhöhtes Risiko für eine Erkrankung an Amyotropher Lateralsklerose (ALS) und anderen neurodegenerativen Krankheiten dar. Eine Interaktion zwischen ATXN2 und dem ALS-verursachenden TDP43 (Tardbp) wurde bereits zahlreich beforscht, da Aggregate von ATXN2 in Motoneuronen des Rückenmarks von ALS-Patienten und aggregiertes TDP43 in SCA2-Neuronen beobachtet wurden.
Generell sind die Mechanismen, die zur Pathologie von SCA2 und ALS führen, noch weitgehend unklar. Ziel dieser Arbeit war es daher auf der einen Seite einen Einblick in den Pathomechanismus von SCA2 zu erhalten, indem mögliche oder bereits bekannte Interaktoren in etablierten Atxn2-Mausmodellen untersucht wurden. Auf der anderen Seite wurden zwei neue Mausmodelle charakterisiert, um ihre Eignung für die Erforschung von ALS und SCA2 zu prüfen.
Für den ersten Teil der Arbeit dienten Daten aus mehreren Transkriptomstudien von Atxn2-Knock-Out (KO) und Atxn2-CAG42-Knock-In (KIN) Mäusen als Grundlage. Konnten die Daten mit einer unabhängigen Methode bestätigt werden, folgten weitere Untersuchungen auf mRNA und Proteinebene sowie unter zusätzlicher Verwendung von Zellkultur und Patientenmaterial. Dadurch konnten neue Interaktionspartner von ATXN2 identifiziert und bereits bekannte in diesen Mausmodellen bestätigt werden.
So wurde zum Beispiel eine Interaktion von ATXN2 mit der E3-Ubiquitin-Protein-Ligasekomponente FBXW8 gezeigt und deren Beteiligung am Abbau von expandiertem ATXN2. Außerdem wurde eine Interaktion von FBXW8 mit dem bereits bekannten ATXN2-degradierenden Protein PARK2 gezeigt. Eine Hochregulierung des Fbxw8 Transkripts wurde sowohl im Atxn2-CAG42-KIN-Mausmodell als auch in SCA2-Patientenfibroblasten gefunden, während Park2 in keinem der Modelle signifikant veränderte Transkriptspiegel aufwies. Diese Daten belegen die Relevanz von Fbxw8 für den Abbau von moderat-expandiertem Atxn2 und begründen weitere Studien zur genauen Funktion dieses Proteins im Pathomechanismus von Atxn2.
Des Weiteren wurden diverse Kalziumhomöostasefaktoren untersucht, welche eine konsistente Herunterregulierung der Transkripte in beiden Mausmodellen aufwiesen. Auf Proteinebene zeigten sich jedoch Unterschiede zwischen den Modellen. Diese Daten belegen, dass zwar ähnliche Transkriptveränderungen im KIN- und KO-Modell auftreten, diesen aber vermutlich verschiedene Mechanismen zugrunde liegen. Welche Mechanismen dies genau sind bleibt zu klären, es ist jedoch wahrscheinlich, dass im KIN-Modell die Aggregatbildung sowie in beiden Modellen die Beteiligung von ATXN2 an der Translationregulation eine Rolle spielen. Die Ergebnisse dieser Studie unterstreichen die Relevanz des Ca2+ Signalwegs für die Entwicklung von SCA2.
Der zweite Teil der Arbeit beinhaltet die Charakterisierung einer ATXN2/TDP43 Doppelmutante auf Verhaltensebene sowie die gründliche Evaluierung des Phänotyps einer vollkommen neuen SCA2 Mausmutante. Während in der Doppelmutante trotz doppelter Genmutation nur ein sehr schwacher Phänotyp auf Verhaltensebene festgestellt werden konnte und bis zu einem Alter von 12 Monaten keine Potenzierung der Mutationen zu beobachten war, zeigte die Atxn2-CAG100-KIN Maus signifikante und früh auftretende Pathologie. Neben einer verminderten Überlebensrate, einem Gewichtsverlust und diversen motorischen Störungen, konnten auch Aggregate des mutierten Proteins in diversen Hirnregionen identifiziert werden. Der Atxn2-CAG100-KIN Phänotyp spiegelt die humanen Symptome daher recht gut wider, weshalb diese Mausmutante ein wertvolles Modell für die weitere SCA2-Forschung darstellt.
Zusammengefasst zeigt diese Arbeit die Bedeutung des ATXN2-Interaktors FBXW8 im SCA2-Mausmodell als auch im Patientenmaterial. Sie betont die Relevanz des Atxn2-KO-Modells in Bezug auf Störungen der Kalziumhomöostase und dokumentiert die Alters- und Gewebespezifität dieser Veränderungen. Außerdem beinhaltet sie die vorläufige Beschreibung eines kombinierten Atxn2/TDP43-Mausmodells und schließlich die ausführliche Charakterisierung eines vollkommen neuen und äußerst wertvollen SCA2-Mausmodells.
This work deals with the characterization of three different type II polyketide synthase systems (PKS II) from the Gram-negative bacteria Xenorhabdus and Photorhabdus.
Particular attention was paid to a biochemically underexplored class of aryl polyene (APE) pigments. Bioinformatic analysis of enzymes involved in the biosynthesis and the in vitro reconstruction proved that the synthesis of APEs involves an unusual fatty acid-like elongation mechanism. Furthermore, the discovery of unexpected protein-protein interactions provided new insights into the multienzyme complex formation of this unusual PKS II system. Through collaboration with the groups from Prof. Michael Groll and junior Prof. Nina Morgner, two protein complexes were structurally solved and several native protein multimerization events were identified and allowed us to suggest a possible protein-interaction network. The results are summarized in publication ‘An Uncommon Type II PKS Catalyzes Biosynthesis of Aryl Polyene Pigments’ (first author; J. Am. Chem. Soc.).
In addition to in vitro-analysis, in vivo-studies were used to investigate the APE compound produced by X. doucetiae in more detail. The activation of the silent biosynthetic gene cluster (BGC) led to the detection of the APE compound in the homologous host. Further combination of homologous expression and targeted deletions of the APE BGC revealed an APE-lipid-like structure. MS-based analyses and purification of intermediates allowed us to deduce structural building blocks of the APE-lipid, which is composed of an APE structural core, a glucosamine residue and an unusual long-chain fatty acid with unusual conjugated double bonds and a phosphoethanolamine head group. In combination with the above stated in vitro-data, we assumed a plausible biosynthetic mechanism of the APE-lipid. The results are summarized in the section ‘Additional Results: Tracing the Full-length APE’.
The biosynthesis of isopropylstilbene (IPS) has already been well-studied by the Bode laboratory and the group of Prof. Ikuro Abe. Studies with Photorhabdus laumondii TT01 by the Bode group revealed the distributed locations and functions of the genes involved in biosynthesis, which originate from two pathways. Particularly, the Bode group first demonstrated that an unusual ketosynthase/cyclase (StlD) catalyzes the condensation of 5-phenyl-2,4-pentadienoyl-ACP and isovaleryl-beta-ketoacyl-ACP via a Michael addition. Such a pathway for stilbene formation is distinct from those widespread in plants. The Abe group solved the structure and biochemical mechanism of StlD and further investigated the aromatization reaction of the aromatase StlC. However, the generation of the required cinnamoyl-precursor 5-phenyl-2,4-pentadienoyl-ACP as a Michael acceptor for this cyclization reaction remained elusive. In this work, we were able to reconstitute the synthesis of the Michael acceptor in vitro, by the action of enzymes from the fatty acid biosynthesis. With the knowledge about the crucial cross-talk from primary and specialized metabolism, we further determined the minimal endowment for stilbene production in a heterologous host. Here, the discovered AasS enzyme StlB is responsible for the generation of cinnamoyl-ACP and among others, plFabH plays a key role as gatekeeper enzyme for further processing. With this information in hand, we were able to obtain IPS production in E. coli. These results are presented in the manuscript ‘Biosynthesis of the Multifunctional Isopropylstilbene in Photorhabdus laumondii Involves Cross-talk Between Specialized and Primary Metabolism’ (co-first author, manuscript).
The biosynthesis of the orange-to-red-pigmented anthraquinones (AQs) is the best-studied type II PKS system according to preliminary results. While several investigations by Brachmann et al. discovered the BGC and the overall product spectrum of the main AQ-256 and its methylated derivatives, data of Quiqin Zhou (Bode group) performed biochemical in vitro analysis paired with in vivo heterologous expression of the ant-genes antA-I. This led to the identification of shunt products that indicated an AQ-scaffold derived from an octaketide intermediate that gets shortened to a heptaketide by the hydrolase AntI, resulting in the main anthraquinone AQ-256. This PKS-shortening mechanism was further confirmed by the protein crystal structure of AntI by the Groll group (publication, minor contributions, co-author, Chem Sci. ‘Molecular Mechanism of Polyketide Shortening in Anthraquinone Biosynthesis of Photorhabdus luminescens’). Further substrate analysis of the P. luminescens AQ-producer and mutants revealed an inhibitory effect of cinnamic acid against the hydrolase AntI. Cinnamic acid might therefore be involved in regulation of AQ biosynthesis (‘Anthraquinone Production is Influenced by Cinnamic Acid’, first author, manuscript).
Biochemical analysis from Quiqin Zhou with the minimal PKS of the AQ-synthase further revealed the exclusive activation of the AQ-ACP by the PPTase AntB. The PPTase is insoluble alone but gets stabilized by the CoA-ligase, most likely inactive, working as a chaperone. Thus, the minimal PKS endowment to produce the octaketide scaffold compromises, besides the ACP, the KS:CLF heterodimer and the MCAT, the co-occurrence of the PPTase AntB and the CoA-ligase AntG. For the first time, X-ray crystallography depicted a minimal PKS in action, by obtaining the structural data of native complexes from an ACP:KS:CLF, the KS:CLF alone and an ACP:MCAT in their non-active and active forms. It was possible to confirm a KS-bound hexaketide, which was built upon heterologous expression of the KS:CLF. Mutagenesis with amino-acids proposed to be involved in protein-protein interactions in the ACP:KS:CLF complex revealed some interesting protein-interaction sites. Additionally, an induced-fit mechanism of the MCAT with the ACP during the malonylation reaction confirmed a monodirectional transfer reaction (‘Structural Snapshots of the Minimal PKS System Responsible for Octaketide Biosynthesis’ co-author, manuscript under review).
Heat stress transcription factors (Hsfs) have an essential role in heat stress response (HSR) and thermotolerance by controlling the expression of hundreds of genes including heat shock proteins (Hsps) with molecular chaperone functions. Hsf family in plants shows a striking multiplicity, with more than 20 members in many species. In Solanum lycopersicum HsfA1a was reported to act as the master regulator of the onset of HSR and therefore is essential for basal thermotolerance. Evidence for this was provided by the analysis of HsfA1a co-suppression (A1CS) transgenic plants, which exhibited hypersensitivity upon exposure to heat stress (HS) due to the inability of the plants to induce the expression of many HS-genes including HsfA2, HsfB1 and several Hsps. Completion of tomato genome sequencing allowed the completion of the Hsf inventory, which is consisted of 27 members, including another three HsfA1 genes, namely HsfA1b, HsfA1c and HsfA1e.
Consequently, the suppression effect of the short interference RNA in A1CS lin e was re-evaluated for all HsfA1 genes. We found that expression of all HsfA1 proteins was suppressed in A1CS protoplasts. This result suggested that the model of single master regulator needs to be re-examined.
Expression analysis revealed that HsfA1a is constitutively expressed in different tissues and in response to HS, while HsfA1c and HsfA1e are minimally expressed in general, and show an induction during fruit ripening and a weak upregulation in late HSR. Instead HsfA1b shows preferential expression in specific tissues and is strongly and rapidly induced in response to HS. At the protein level HsfA1b and HsfA1e are rapidly degraded while HsfA1a and HsfA1c show a higher stability. In addition, HsfA1a and HsfA1c show a nucleocytosolic distribution, while HsfA1b and HsfA1e a strong nuclear retention.
A major property of a master regulator in HSR is thought to be its ability to cause a strong transactivation of a wide range of genes required for the initial activation of protective mechanisms. GUS reporter assays as well as analysis of transcript levels of several endogenous transcripts in protoplasts transiently expressing HsfA1 proteins revealed that HsfA1a can stimulate the transcription of many genes, while the other Hsfs have weaker activity and only on limited set of target genes. The low activity of HsfA1c and HsfA1e can be attributed to the lower DNA capacity of the two factors as judged by a GUS reporter repressor assay.
HsfA1a has been shown to have synergistic activity with the stress induced HsfA2 and HsfB1. The formation of such complexes is considered as important for stimulation of transcription and long term stress adaptation. All HsfA1 members show synergistic activity with HsfA2, while only HsfA1a act as co-activator of HsfB1 and HsfA7. Interestingly, HsfA1b shows an exceptional synergistic activity with HsfA3, suggesting that different Hsf complexes might regulate different HS-related gene networks. Altogether these results suggest that HsfA1a has unique characteristics within HsfA1 subfamily. This result is interesting considering the very high sequencing similarity among HsfA1s, and particularly among HsfA1a and HsfA1c.
To understand the molecular basis of this discrepancy, a series of domain swapping mutants between HsfA1a and HsfA1c were generated. Oligomerization domain and C-terminal swaps did not affect the basal activity or co-activity of the proteins. Remarkably, an HsfA1a mutant harbouring the N-terminus of HsfA1c shows reduced activity and co-activity, while the reciprocal HsfA1c with the N-terminus of HsfA1a cause a gain of activity and enhanced DNA binding capacity.
Sequence analysis of the DBD of HsfA1 proteins revealed a divergence in the highly conserved C-terminus of the turn of β3-β4 sheet. As the vast majority of HsfA1 proteins, HsfA1a at this position comprises an Arg residue (R107), while HsfA1c a Leu and HsfA1e a Cys. An HsfA1a-R107L mutant has reduced DNA binding capacity and consequently activity. Therefore, the results presented here point to the essential function of this amino acid residue for DNA binding function. Interestingly, the mutation did not affect the activity of the protein on Hsp70-1, suggesting that the functionality of the DBD and consequently the transcription factor on different promoters with variable heat stress element number and architecture is dependent on structural peculiarities of the DBD.
In conclusion, the unique properties including expression pattern, transcriptional activities, stability, DBD-peculiarities are likely responsible for the dominant function of HsfA1a as a master regulator of HSR in tomato. Instead, other HsfA1-members are only participating in HSR or developmental regulations by regulating a specific set of genes. Furthermore, HsfA1b and HsfA1e are likely function as stress primers in specific tissues while HsfA1c as a co-regulator in mild HSR. Thereby, tomato subclass A1 presents another example of function diversity not only within the Hsf family but also within the Hsf-subfamily of closely related members. The diversification based on DBD peculiarities is likely to occur in potato as well. Therefore this might have eliminated the functional redundancy observed in other species such as Arabidopsis thaliana but has probably allowed the more refined regulation of Hsf networks possibly under different stress regimes, tissues and cell types.
Research on the human and animal microbiome has become increasingly important in recent years. It is now widely accepted the gut microbiome is of crucial importance to health, as it is involved in a large number of physiological processes. The term ‘microbiome’ refers to the all living microorganisms including their genes and metabolites in a defined environment, while the specific composition of microorganisms consisting of bacteria, archaea and protozoa is referred to as the ‘microbiota’ (Lane-Petter, 1962; Lederberg and McCray, 2001).
In recent years, research has focused on various of these communities in the soil (Fierer, 2017), water (Sunagawa et al., 2015), air (Leung et al., 2014) and especially in the human gut. However, this topic is also becoming increasingly relevant for the conservation of endangered species. In the face of global mass extinctions and the listing of over 42,000 animal species as ‘critically endangered’, conservation breeding programmes are more important than ever (Díaz et al., 2019; IUCN, 2022). The responsibility for these tasks lies with zoological institutions, which are dedicated to animal conservation and the continuous monitoring of animal welfare. Microbiome research offers a non-invasive method to support species conservation. By analysing faecal samples, microbial markers can be identified that provide important information about the health status and reproductive cycle of animals (Weingrill et al., 2004; Antwis et al., 2019). Zoological facilities also provide an ideal research environment for comparing individuals from different habitats. In addition, all necessary metadata such as age, sex, kinship or medical treatment are documented and can be used for the analysis.
This is the starting point for this thesis. In order to identify such microbial markers, it is necessary to understand the microbiome of a variety of animal species. The first aim is therefore to characterise the faecal microbiota of 31 mammalian species, focusing on herbivores and carnivores. It could be shown that they differ significantly in terms of both microbial diversity and microbiota composition. Herbivorous species express a very diverse microbial composition, consisting mainly of cellulose-degrading taxa of the families Fibrobacteraceae or Spirochaetaceae. In contrast, the microbiota of carnivorous species is less diverse and is dominated by protein-degrading Fusobacteriaceae and Clostridiaceae. In addition, this thesis proves that the microbiota of herbivorous species is highly consistent, whereas the microbiota of carnivorous species is highly variable. The results of this study provide important insights for the sampling scheme of future projects. Especially when analysing carnivorous species, single samples are not sufficient to capture the full variability of the microbiome.
These results lead to the question of whether this variability can be explained by daily fluctuations in the individual microbiome and whether this can be used to distinguish between species or individuals. Using individual longitudinal data and a combined approach of clustering algorithms and dynamic time warping, it is shown that such a distinction is possible at the species and individual level. This was confirmed for both a carnivorous (Panthera tigris) and a herbivorous (Connochaetes taurinus) species. These results confirm the influence of the host individual on the faecal microbiota, in addition to the often described influence of diet (Ley et al., 2008a; Kartzinel et al., 2019).
Based on the knowledge gained from these studies, a methodology has been developed that will enable the conservation of species in the field to be supported by microbiome research in the future. The focus here lays on the identification of host-specific metadata based on the faecal microbiota. The developed regression model is able to distinguish between carnivorous, herbivorous and omnivorous hosts with up to 99% accuracy. In addition, a more accurate phylogenetic classification of the family (Canidae, Felidae, Ursidae, Herpestidae) can be made for carnivorous hosts. For herbivorous hosts, the model can predict the respective digestive system with up to 100% accuracy, distinguishing between ruminants, hindgut fermenters and a simple digestive system. The acquisition of host-specific metadata from an unknown faecal sample is an important step towards establishing microbiome research in species conservation. Field studies in particular will benefit from such new methods. Usually, costly microsatellite analysis and high-quality host DNA are required to obtain host-specific information from faecal samples. The newly developed method offers a less costly and labour-intensive alternative to conventional techniques and opens up a more accessible field for microbiome research in the field.
Characterizing the hologenome of Lasallia pustulata and tracing genomic footprints of lichenization
(2017)
The lichen symbiosis – consisting of fungal mycobionts and photoautotroph photobionts (green algae or cyanobacteria) – is globally successful. It covers an estimated 6% of the global surface with habitats ranging from deserts to the arctic. This success is reflected in the diversity of the mycobionts, with around 21% of all fungal species participating in lichen symbioses that can be facultative or obligate. Lichenization is furthermore evolutionary old, with fossil evidence for lichens reaching back 415 million years. For an individual fungal lineage, the Lecanoromycetes, the lichenization happened around 300 million years ago. This longstanding symbiotic relationship and the diversity of observed symbiotic dependency make them promising models to study the genomic consequences that follow the establishment of symbioses. Despite this, only little is known about the genomic effects of lichenization and extreme symbiotic dependency. To fill this gap we sequenced the hologenome of the lichen Lasallia pustulata, where the mycobiont could so far not been cultivated, suggesting that it might be more dependent on its symbionts.
As the poor culturability of lichen symbionts renders their genomes inaccessible to standard sequencing practices, we evaluated the extent to which different metagenome sequencing- and de novo assembly-strategies can be used to sequence and reconstruct the genomes of the individual symbionts. We find that the abundances of individual genomes present in the L. pustulata hologenome vary substantially, with the mycobiont being most abundant. Using in silico generated data sets and real Illumina sequencing data for L. pustulata we observe that the skewed abundances prevent a contiguous assembly of the underrepresented genomes when using only short-read sequencing. We conclude that short-read sequencing can offer first insights into lichen hologenomes. The fragmentation of the reconstructions hinders downstream analyses into the genomic consequences of lichenization though, as these are focused on identifying the gain and loss of genes.
We thus demonstrate a hybrid genome assembly strategy that is based on both short- and long-read sequencing. We show that this strategy is capable of creating highly contiguous genome reconstructions, not only for the L. pustulata mycobiont but also its photobiont Trebouxia sp., along with substantial amounts of the bacterial microbiome. A subsequent analysis of the microbiome of L. pustulata – performed over nine different samples collected in Germany and Italy – showed a stable taxonomic composition across the geographic range. We find that Acidobacteriaceae, which are known to thrive in nutrient poor habitats, are the dominant taxa. These would make them well adapted for the co-habitation with L. pustulata, which largely grows on rocks. Whether the Acidobacteriaceae are functionally involved in the lichen symbiosis is unclear so far.
As further comparative genomic studies rely on comprehensive genome annotations, we evaluate the completeness and fidelity of the gene annotations for the mycobiont L. pustulata as well as four further Lecanoromycetes. This reveals that un- and mis-annotated genes impact all evaluated genomes, with artificially joined genes and unannotated genes having the largest impact. In addition to these factors we find that the sequence composition – especially G/C-rich inverted repeats – lead to sequencing errors that interfere with the gene prediction. We minimize the effects of these artifacts through a rigorous curation.
Given the extremely sparse taxon sampling of available green alga genomes, we focus our search for the genomic footprints of lichenization on the mycobionts. We compare the genomes of the Lecanoromycetes to their closest relatives, the Eurotiomycetes and Dothideomycetes. This reveals that the last common ancestor of the Lecanoromycetes has lost around 10% of its genes after they split from the non-lichenized ancestor they share with the Eurotiomycetes. These losses are furthermore enriched, showing an excessive loss of genes involved with the degradation of polysaccharides. The loss of these genes fits a change from an ancestral saprotrophic lifestyle that depends on degrading complex plant matter, to the symbiotic lifestyle that relies on simpler nutrients provided by the photobionts. While the last common ancestor of the Lecanoromycetes additionally gained around 400 genes these could so far not be further characterized due to a lack of functionally annotated reference data.
As the mycobiont L. pustulata could so far not been grown in axenic culture, we initially expected to find an extensive genomic remodeling compared to the other mycobionts that easily grow in culture. We do not find evidence for this. Analyzing both the contraction of gene families and the loss of genes, we observe that L. pustulata and Umbilicaria muehlenbergii – its close relative that is easily grown in culture – share most of these. Furthermore, L. pustulata does not show an excessive loss of evolutionary old and well-conserved genes. These effects are mirrored on the functional level, as neither gene family contractions nor gene losses show a functional enrichment. This is partially due to the lack of functional reference data, analogous to the genes gained in the Lecanoromycetes, rendering their characterization hard. Thus, further studies on the genomic consequences of lichenization and differences in symbiotic dependence will have to be conducted, including larger taxon sets. This will be even more important for the photobionts, as the Chlorophyta are even more sparsely sampled today, hindering an effective functional and evolutionary study.
Hitzestress führt bei allen bisher untersuchten Organismen zu einer transienten Umprogrammierung des Transkriptions- und Translations-apparats. Bei diesem auch als Hitzestressantwort bezeichneten Prozess wird vorrangig eine neue Klasse von Proteinen exprimiert, die als Hitzestressproteine (Hsp) bezeichnet werden. Eine Schlüsselrolle in der Signaltransduktionskette der Hitzestressantwort spielen Hitzestresstrans-kriptionsfaktoren (Hsf). Hsf sind hochkonservierte, modular aufgebaute Proteine mit einer N-terminalen DNA-Bindungsdomäne (DBD), einer zentralen Oligomerisierungsdomäne (HR-A/B Region) und einer C-terminalen Aktivatordomäne (AD). Über ihre DBD sind oligomerisierte Hsf in der Lage an hochkonservierte Motive, sogenannte Hitzestresselemente (HSE), in der Promotorregion von Hsp zu binden und deren Transkription zu initiieren. In hitzegestressten Zellen von Lycopersicon peruvianum (Perutomate) können neben den konstitutiv exprimierten Hitzestresstranskriptionsfaktoren A1 und A3 die beiden stressinduzierten Vertreter HsfA2 und B1 nachgewiesen werden. In präinduzierten Zellen befindet sich HsfA2 trotz einer funktionellen Kernimportsequenz (NLS) überwiegend im Zytoplasma. Dieses Verhalten von HsfA2 wurde bisher durch eine konformationsbedingte Maskierung der NLS erklärt. Der Kotransport von HsfA2 in den Zellkern erfolgt in diesem Modell durch eine heterologe Interaktion mit HsfA1. Mit dem Ziel, die für den Transport und die Interaktion mit HsfA1 verantwortlichen Strukturelemente von HsfA2 näher zu untersuchen, wurden verschiedene Tomaten-Hsf sowohl in Tabakprotoplasten, als auch in CHO-K1 Zellen heterolog exprimiert. Hierbei konnte gezeigt werden, dass sich HsfA2 auch ohne die Interaktion mit HsfA1 im Zellkern anreicherte, wenn der Kernexportrezeptor Crm-1 mit dem Antibiotikum Leptomycin B (LMB) inhibiert wurde. HsfA2 wird demnach permanent zwischen Kern und Zytoplasma hin- und hertransportiert, wobei der Kernexportprozess dominiert. Die für den Export verantwortliche, leucinreiche Kernexportsequenz (NES) konnte am äussersten C-Terminus von HsfA2 identifiziert werden. HsfA2-Mutanten, bei denen dieser Sequenzabschnitt deletiert bzw. die Leucine durch Alanine substituiert wurden, waren überwiegend im Zellkern lokalisiert. Die Fusion der NES von HsfA2 an den ausschliesslich im Zellkern lokalisierten HsfB1 führte zum Export des Fusionsproteins ins Zytoplasma, was durch die Zugabe von LMB wieder umgekehrt wurde. Ferner konnte gezeigt werden, dass für die Interaktion mit HsfA1 und den Kotransport in den Zellkern die HR-A/B Region essentiell ist. Mit Hilfe eines Luciferasereporterassays konnte der Zusammenhang zwischen der Lokalisation von HsfA2 und dessen Transaktivierungspotential in CHO-K1 Zellen demonstriert werden. Hierbei stellte sich heraus, dass die im Zellkern lokalisierte NES-Mutante eine ca. 20-fach höhere Aktivität im Vergleich zum zytoplasmatisch lokalisierten Wildtyp hatte. Ebenso führte die LMB-bedingte Anreicherung von HsfA2 im Zellkern bereits nach 6 h zu einer messbaren Steigerung der Aktivität. Eine synergistische Aktivitätszunahme konnte, wie auch schon in Tabakprotoplasten beobachtet, bei gleichzeitiger Expression mit HsfA1 gemessen werden. In Hitzestressversuchen (41 °C) konnte gezeigt werden, dass HsfA2 in CHO-K1 Zellen selbst unter dem Einfluss von LMB nicht mehr in den Zellkern importiert wurde. Bei Zellen, die sich unter LMB-Einfluss bei 37°C von dem Hitzestress erholten, kam es jedoch bereits nach 15 min zu einer sichtbaren Translokation von HsfA2 in den Zellkern. Dieses Verhalten lässt Rückschlüsse auf eine mögliche, konformationsbedingte Maskierung der NLS unter Hitzestress zu. Insbesondere da die HsfA2-Mutante, bei der die HR-A/B-Region fehlte, sich auch unter Hitzestress im Zellkern anreicherte. Neben der löslichen Form im Zytoplasma kommt HsfA2 in Tomatenzellen unter Hitzestress auch in einer unlöslichen, strukturgebundenen Form vor. Diese als Hitzestressgranula (HSG) bezeichneten Komplexe bestehen überwiegend aus niedermolekularen (lmw)-Hsp. Es konnte gezeigt werden, dass die Koexpression von lmw-Hsp und HsfA2 unabhängig vom Expressionssystem zur Bildung zytoplasmatischer Aggregate führte, in denen beide Proteine nachweisbar waren. Hierbei konnte sowohl eine klassen- als auch eine artspezifische Interaktion von HsfA2 mit Klasse II lmw-Hsp aus Tomate beobachtet werden. Ferner konnte gezeigt werden, dass die HR-A/B Region für die Interaktion von HsA2 mit lmw-Hsp essentiell ist.
Autophagie ist ein evolutionär stark konservierter Degradationsmechanismus für geschädigte Proteine bis hin zu ganzen Organellen eukaryotischer Zellen. Dabei umhüllt eine Doppelmembran, bisher unbekannten Ursprungs, das zu degradierende Material und bildet das Autophagosom. Dies fusioniert später mit Lysosomen, wodurch dessen Inhalt proteolytisch zersetzt und die Bestandteile der Zelle wieder zur Verfügung gestellt werden kann.
In dieser Abeit wurde der Fokus auf den mitochondrialen Abbau über Autophagie (Mitophagie) und dessen Funktion als ein mitochondrialer Qualitätsmechanismus gesetzt. Als Zellmodell wurden primäre humane Endothelzellen der Nabelschnurvene (HUVEC) verwendet. Diese zeichenen sich durch einen Übergang von einer mitotischen, jungen in eine lange postmitotische, seneszente Phase während der Kultiverungszeit aus. Dabei durchlaufen sie einer zelluläre und mitochondriale Morphologieänderung. , wodurch sich die Möglichkeit bot , die Autophagie unter verschiedenen Parametern zu betrachten.
So wird generell eine Abnahme des autophagosomalen / lysosomalen Weges mit dem Alter beschrieben und die Abhängigkeit der Mitophagie von der mitochondrialen Länge.
Mitophagie ist unter normalen Kultivierungsbedingungen ein mikroskopisch selten zu beobachtender Vorgang. Daher wurde ein mitochondriales Schädigungsystem etabliert, welches die photosensibiliesierende Wirkung des Farbstoffs MitoTracker Red Cmx Ros (MTR) nutzt, um Mitochondrien gezielt oxidativ zu schädigen und die Mitophagie zu aktivieren.
Mitotische HUVEC zeigten 2 h – 8 h nach oxidativer Schädigung eine mitochondriale Fragmentierung größtenteils begleitet von einem Verlust des Membranpotentials. Über einen Zeitraum von 72h-120h kam es zur Regeneration des mitochondrialen Netzwerks durch Neusynthese mitochondrialer Biomoleküle. Entgegen der rescue Hypothese konnten oxidativ geschädigte Mitochondrien nicht durch eine Fusion mit funktional intakten Mitochondrien gerettet werden und wurden über den autophagosomalen / lysosomalen Weg abgebaut, gekennzeichnet durch die Ubiquitin-Ligase Parkin vermittelte Markierung und finaler Kolokalisation mit den autophagosomalen und lysosomalen Markerproteinen LC3B und LAMP-2A. Auf mRNA- und Proteinebene zeigte sich in diesem Zeitraum eine erhöhte Expression autophagie-relevanter Gene (ATGs) ATG5, ATG12 und LC3B.
Der Vergleich von mitotischen mit postmitotischen HUVEC nach oxidativer Schädigung wies zwei grundlegende Unterschiede auf.
Zum einem behielten, in Gegensatz zu jungen Zellen, die Mitochondrien alter HUVEC ihre Morphologie und ihr Membranpotential bei. Diese erhöhte Widerstandfähigkeit gegenüber oxidativem Stress konnte auf die erhöhte Expression der mitochondrial lokalisierten Serin / Threonin Kinase PINK1 zurückgeführt werden, ein Schlüsselgen in Parkinson.
Die PINK1-Transkription stand invers zu der Expression der mitochondrialen Teilungsfaktoren Fis1- und Drp1, welche in postmitotischen HUVEC stark vermindert war.
Andererseits wiesen alte Zellen eine verminderte Degradationsfähigkeit geschädigter Mitochondrien auf. Dieser Umstand war durch eine verminderte lysosomale Azidität bedingt. Eine externe ATP-Zugabe förderte die Azidität der Lysosomen alter Zellen und die Fusion mit Autophagosomen, wodurch Mitochondrien und ihre geringere ATP-Produktion im Alter als ein Faktor der Autophagie ermittelt weden konnte.
Die Autophagierate steht in Verbindung mit der Lebensspanne von Zellen bis hin zu ganzen Organismen. Durch die Überexpression autophagie-relevanter GFP-Fusions-Proteine ATG5, ATG12 und LC3B, welche nach oxidativer Schädigung in ihrer Expression verstärkt wurden, förderten die Mitophagie und wurden stabil in junge HUVEC exprimiert. Diese Überexpressionen bewirkten eine verbesserte mitochondriale Qualität, veranschaulicht durch ein erhöhtes Membranpotential und die ATP-Bereitstellung, einer besseren mtDNA Integrität und sie verlängerten die Lebensspanne signifikant, wobei die Produktion von reaktiven Sauerstoffspezien (ROS), entgegen der von Harman aufgestellten Alterungstheorie, keine Verminderung zeigte. Dennoch wiesen sie einen erhöhten Gehalt oxidativ modifizierter Proteine auf, welche letztendlich auf die erhöhten Autophagosomenanzahl zurückgeführt werden konnte, in denen höchstwahrscheinlich das oxidativ geschädigte Material gelagert wird.
In dieser Arbeit kann gezeigt werden, dass Mitochondrien nach oxidativer Schädigung eine Teilung vollziehen und geschädigte Mitochondrien selektiv über Autophagie abgebaut werden. Dabei fungiert Mitophagie als ein mitochondrialer Qualitätmechanismus und steht unmittelbar mit der Lebensspanne in Verbindung.
Die oxygene Photosynthese bildet den Grundpfeiler des heutigen Ökosystems unseres Planeten. Neben den gut untersuchten Landpflanzen bilden Mikroalgen eine äußerst bedeutende Organismengruppe der phototrophen Lebewesen. Zu den Mikroalgen zählen die Diatomeen, welche sich beispielsweise durch eine Silikatschale und spezielle Lichtsammelkomplexe auszeichnen und für einen Großteil der marinen Primärproduktion verantwortlich sind. Die stoffwechselphysiologischen Grundlagen des ökologischen Erfolgs der Kieselalgen sind bislang noch unzureichend erforscht. Ein Vertreter der zentrischen Diatomeen, Cyclotella, wurde bereits zur Jahrtausendwende zur biochemischen Charakterisierung der Diatomeen Photosynthese verwendet (Eppard und Rhiel, 1998; Eppard und Rhiel, 2000), das Genom des Organismus aber erst vor kurzem sequenziert (Traller et al., 2016). Die Sequenzierung des Genoms konnte einige Gene für Lichtsammelproteine identifizieren, die Homologie zu den LhcSR-Proteinen aus C. reinhardtii aufweisen, welche nachweislich eine photoprotektive Funktion besitzen (Peers et al., 2009). Diese sogenannten Lhcx-Proteine der Diatomeen sind in den zwei Gruppen der Kieselalgen, den zentrischen und pennaten Diatomeen zu finden, unterscheiden sich aber in ihren jeweiligen Lhcx-Kandidaten. So können in der pennaten Diatomee P. tricornutum vier lhcx-Gene ausgemacht werden, während die zentrische Kieselalge T. pseudonana sechs lhcx-Gene besitzt und C. cryptica vier verschiedene lhcx-Kandidaten genomisch aufweist (Armbrust et al., 2004; Bowler et al., 2008; Traller et al., 2016). Die beschriebenen Diatomeen weisen alle eine Homologie im Lhcx1 auf, während sich die übrigen Lhcx-Kandidaten zwischen pennaten und zentrischen Diatomeen unterscheiden. Ein zwischen T. pseudonana und C. cryptica konserviertes Lhcx ist das Lhcx6_1, welches 2011 das erste Mal massenspektrometrisch an Photosystemen von T. pseudonana nachgewiesen wurde (Grouneva et al., 2011) und in weiteren Massenspektrometrie-gestützten Untersuchungen in beiden zentrischen Diatomeen an Photosynthese-Komplexen gefunden werden konnte (Gundermann et al., 2019; Calvaruso et al., 2020). Die Funktion des Lhcx6_1 ist bislang unklar.
Diese Arbeit konnte das Lhcx6_1 aus C. meneghiniana charakterisieren und Antikörper-gestützt genauer lokalisieren, eine nicht dynamische Phosphorylierung der Thylakoidmembran-Proteine der zentrischen Diatomee nachweisen und die molekularbiologische Zugänglichkeit des Organismus optimieren. qRT-PCR gestützte Expressions-Analysen konnten eine unerwartete Expression des lhcx6_1-Gens aufdecken. Dieses weist, im Vergleich zum Lhcx1, keine Starklicht induzierte Expression auf. Die Expression des Gens konnte nach wenigen Stunden Schwachlicht als maximal bestimmt werden, während sie im Starklicht abnimmt. Das Muster der Genexpression glich im Schwachlicht eher der des lhcf1-Gens. Die Sequenzierung des lhcx6_1 aus C. meneghiniana identifizierte eine verlängerte N-terminale Sequenz des Proteins, welche Homologie zu den minoren Antennen aus A. thaliana besitzt und Teil des reifen Proteins ist. Mittels eines C-terminalen Epitops wurde ein Antikörper gegen das Lhcx6_1 entworfen, welcher das Protein in C. meneghiniana spezifisch nachweisen kann. Die Isolation von Thylakoidmembranen der zentrischen Diatomee und weitergehende Aufreinigung mittels Saccharosedichtegradienten und lpBN-PAGE konnten die Lokalisation des Lhcx6_1 eingrenzen. Das Protein zeigt dabei keine Unterschiede in seiner Lokalisation nach Inkubation in Schwach-, Stark- und Fernrot-Licht und ist vorrangig mit Photosystem I assoziiert. In geringerer Menge konnte es zudem an Photosystem II nachgewiesen werden, während der immunologische Nachweis in Lichtsammelkomplexen (FCPs) minimale Mengen erbrachte. Ferner konnte eine Phosphorylierung des Lhcx6_1 an Threonin-Resten nachgewiesen werden, während die meisten anderen Thylakoidmembran-Proteine mittels Phospho-Serin Antikörper detektiert werden konnten. Weder die Phosphorylierung des Lhcx6_1, noch der anderen Thylakoidmembran-Proteine, zeigt eine dynamische Regulation, im Stile einer state-transition ähnlichen Kinase auf. Die Qualität des Umgebungslichts führte zu keinerlei Unterschieden in Phosphorylierungsmustern. Weiterführende Untersuchungen der Lhcx6_1-Phosphorylierung mittels Phos-tag PAGE identifizieren eine unphosphorylierte und eine einfach phosphorylierte Form des Proteins. Dabei kann an PSI ausschließlich die phosphorylierte Version des Lhcx6_1 gefunden werden. Im Zuge der Arbeit konnte zudem erstmalig die Elektroporation und Konjugation für C. meneghiniana als Transformations-Methoden etabliert werden, während das Protokoll für die biolistische Transformation optimiert wurde. Die Elektroporation erbrachte die höchste Transformationseffizienz. Molekularbiologische Unterfangen eines Lhcx6_1-Knockdowns mittels Antisense-RNA erzielten zunächst, aufgrund der starken Gegenregulation der Diatomee, keinen Erfolg...
H. salinarum ist einer von zwei archaealen Organismen, die synchronisiert werden können. Die Synchronisations-Methode konnte in dieser Arbeit optimiert werden. Nahezu 100 % aller Zellen teilen sich in einer Zeitspanne von einem Viertel der Generationszeit. Die Analyse zweier aufeinanderfolgender Zellzyklen zeigte, dass die Zellen sich auch im zweiten Zyklus synchron teilen. Die Zellsynchronisation wurde angewendet, um zellzyklusabhängige Vorgänge in H. salinarum auf unterschiedlichen Ebenen zu charakterisieren. Mittels DNA-Mikroarrays wurden Transkriptomänderungen untersucht. Nur 87 Gene zeigten zellzyklusspezifische Regulationen. Dies entspricht 3 % aller vorhergesagten offenen Leserahmen und ist somit im Vergleich zu allen anderen Organismen, deren Transkriptome untersucht wurden, deutlich geringer. Die Transkriptmengen von 15 ausgewählten Genen wurden mit Northern Blot Analysen verifiziert. Die regulierten Gene konnten in sieben Gruppen mit unterschiedlichen Transkriptprofilen eingeordnet werden. Gruppenspezifische DNA-Sequenzmotive wurden gefunden, von denen angenommen wird, dass sie in die zellzyklusspezifische Transkriptionsregulation involviert sind. Überraschenderweise wurden die meisten als Zellzyklusgene annotierten Gene konstitutiv transkribiert. Die Analyse zellzyklusabhängiger Proteomänderungen erfolgte mittels 2D-Gelelektrophorese. 1200 Proteine konnten reproduzierbar detektiert werden. Die meisten Proteine wurden konstitutiv exprimiert. Nur 30 Proteine zeigten eine zellzyklusabhängige Regulation. Dies entspricht 2,5 % der reproduzierbar detektierten Proteine. Es konnten unterschiedliche Expressionsprofile gefunden werden. Aus den Transkriptom- und Proteomanalysen folgt, dass auf Ebene der Genexpression nur wenige zellzyklusabhängige Regulationen existieren. Sekundäre Botenstoffe spielen eine wesentliche Rolle bei Signaltransduktionen und sind an Regulationen von Zellzyklen beteiligt. Eine Methode zur Messung intrazellulärer cAMP-Konzentration in H. salinarum konnte etabliert werden. Die basale cAMP-Konzentration von 200 µM in haloarchaealen Zellen ist bedeutend höher als die von Hefe. Synchrone Kulturen wurden auf die Oszillation des sekundären Botenstoffes hin untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Konzentration zellzyklusabhängig zweimal kurzfristig signifikant erhöht wird. Die cAMP-Konzentration steigt einmal vor und einmal direkt nach der Zellteilung an. cAMP könnte daher ein wichtiges Signal für das Fortschreiten des Zellzyklusses sein. Es konnte eine Methode zur Analyse der Replikation in H. salinarum entwickelt werden. Hierfür wurde das Basenanalogon BrdU und ein spezifischer Antikörper gegen dieses verwendet. Die Analyse synchroner Kulturen zeigte das überraschende Ergebnis, dass die Zellen ihre DNA während des gesamten Zellzyklusses zu replizieren scheinen. Vor allem die DNA-Synthese in synchronen Kulturen während der Teilungsphase der Zellen stellt einen völlig neuartigen Zellzyklusablauf dar. Für in vivo Analyse von Zellzyklusproteinen können diese mit GFP markiert und fluoreszenzmikroskopisch analysiert werden. Mit dieser Methode konnten wichtige zellzyklusabhängige Aspekte in anderen Arten aufgeklärt werden. Für einen GFP-Modellversuch wurde in dieser Arbeit ein Fusionsgen bestehend aus den offenen Leserahmen von bop (bacterio-opsin) und gfp (green fluorescent protein) erstellt. Die Expression des chromosomalen bop Gens und des plasmidkodierten bop-gfp Fusionsgens wurde mit Northern Blot Analysen nachgewiesen. Die Purpurmembranbiogenese wurde fluoreszenzmikroskopisch in lebenden H. salinarum Zellen untersucht. Es stellte sich heraus, dass die Bildung der Purpurmembran ca. 15 Stunden nach Eintritt der Zellen in die stationäre Wachstumsphase beginnt. Innerhalb der folgenden sieben Stunden stieg sowohl die Anzahl an Zellen mit fluoreszierenden Signalen als auch die durchschnittliche Anzahl an Signalen pro Zelle gleichmäßig an. Die Ergebnisse zeigen, dass GFP-Fusionsproteine in H. salinarum z. B. zur Charakterisierung von differentieller Genexpression verwendet werden können. Des Weiteren könnten sie für die Untersuchung zellzyklusabhängiger Proteinlokalisation und für die Analyse der intrazellulären Verteilung putativer Cytoskelettproteine eingesetzt werden.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden sRNAs des halophilen Archaeons Haloferax volcanii hinsichtlich ihrer biologischen und ihrer regulatorischen Funktion charakterisiert.
Um einen Überblick über die biologischen Funktionen archaealer sRNAs zu erhalten, wurde eine umfassende phänotypische Charakterisierung von 27 sRNA-Deletionsmutanten im Vergleich zum Wildtyp ausgewertet. Im Zuge dieser phänotypischen Charakterisierungen wurden zehn verschiedene Wachstumsbedingungen, morphologische Unterschiede und Veränderungen in der Zellmotilität untersucht. Hierbei zeigten nahezu alle Deletionsmutanten unter mindestens einer der getesteten Bedingungen phänotypische Unterschiede. Durch den Verlust von sRNAs wurden sowohl sogenannte Gain-of-function als auch Loss-of-function Phänotypen beobachtet. Haloarchaeale sRNAs spielen eine wichtige Rolle beim Wachstum mit verschiedenen Salzkonzentrationen, mit verschiedenen Kohlenstoffquellen und beim Schwärmverhalten, sind jedoch weniger in die Adaptation an diverse Stressbedingungen involviert.
Zur näheren Charakterisierung der regulatorischen Funktion archaealer sRNAs wurden sRNA362, sRNAhtsf468 und sRNA479 mittels molekulargenetischer Methoden wie Northern Blot-Analyse und DNA-Mikroarray sowie bioinformatischer in silico-Analyse untersucht. Das Expressionslevel von sRNA362 konnte bestimmt und potentielle Zielgene für sRNAhtsf468 und sRNA479 identifiziert werden.
Eine vorangegangene Studie zeigte den Einfluss von sRNA30 unter Hitzestress und führte zur Identifikation differentiell produzierter Proteine in Abwesenheit der sRNA. In dieser Arbeit wurde mittels Northern Blot-Analysen die Expression der sRNA30 charakterisiert. Das Wachstum in An- und Abwesenheit von sRNA30 wurde bei 42°C und 51°C phänotypisch charakterisiert und der regulatorische Einfluss der sRNA auf die mRNA differentiell regulierter Proteine durch Northern Blot-Analyse überprüft. Eine Transkriptomanalyse mittels DNA-Mikroarray nach Hitzeschock-Induktion führte zur Identifikation differentiell regulierter Gene involviert in Transportprozesse, Metabolismus, Transkriptionsregulation und die Expression anderer sRNAs. Die differentielle Regulation des Proteoms nach Hitzeschockinduktion in An- und Abwesenheit von sRNA30 konnte bestätigt werden.
Desweiteren wurde in dieser Arbeit sRNA132 und deren phosphatabhängige Regulation der Ziel-mRNA HVO_A0477-80 näher charakterisiert. Eine Induktionskinetik nach Phosphatentzug bestätigte die Bedeutung von sRNA132 für die verstärkte Expression des Operons HVO_A0477-80 unter Phosphatmangel-Bedingungen und verwies auf die Existenz weiterer Regulationsmechanismen. Während vor und nach Phosphatentzug kein Unterschied bezüglich der Zellmorphologie von Wildtyp und Deletionsmutante zu erkennen war, führte das Wachstum mit einem starken Phosphatüberschuss von 5 mM zu einer Zellverlängerung der Deletionsmutante. Die Kompetition der nativen 3‘-UTR des Operons HVO_A0477-80 mit einer Vektor-kodierten artifiziellen 3‘-UTR legt eine Regulation über die Bindung von sRNA132 an die 3‘-UTR nahe. Der Transkriptomvergleich nach Phosphatentzug in An- und Abwesenheit von sRNA132 führte zur Identifikation des Phosphoregulons der sRNA. Zu diesem Phosphoregulon gehören unter anderem zwei Glycerinphosphat-Dehydrogenasen, Transkriptionsregulatoren, eine Polyphosphatkinase und eine Glycerolphosphodiesterase. Zudem waren die Transkriptlevel der beiden ABC-Transporter HVO_A0477-80 und HVO_2375-8 für anorganisches Phosphat und des Transporters HVO_B0292-5 für Glycerinaldehyd-3-Phosphat in Abwesenheit der sRNA verringert. Die beiden ABC-Transportsysteme für anorganisches Phosphat wurden im Rahmen dieser Arbeit deletiert und weiter charakterisiert. Es konnte gezeigt werden, dass das ABC-Transportsystem HVO_2375-8 bei geringen Phosphatkonzentrationen leicht induziert wird und das Transkriptlevel in Anwesenheit von sRNA132 erhöht ist. Wachstumsversuche der jeweiligen Deletionsmutante in direkter Konkurrenz mit dem Wildtyp zeigten, dass keiner der beiden ABC-Transporter den anderen vollständig ersetzen kann und der Wildtyp mit beiden intakten ABC-Transportern unter phosphatlimitierenden Bedingungen einen Wachstumsvorteil besitzt. In silico-Analysen der Promotorbereiche von sRNA und ABC-Transporter legen zudem die Existenz von P-Boxen nahe.
Replizierende Murine Leukämieviren (MLV) können wertvolle Werkzeuge für die humane Krebsgentherapie werden, da sie das Transgen innerhalb des gewünschten Gewebes verteilen, ihr Genom stabil integrieren und einen natürlichen Tumortropismus aufweisen. In vorliegender Arbeit wurde ein System zur visuellen Analyse der MLV‐Replikation sowie der Virusbindung an Zielzellen mittels Einfügung fluoreszierender Proteine etabliert und als Werkzeug für dasDesign und die Optimierung dieser Viren als Gentherapievektoren benutzt. Zuerst wurde die Kodierungskapazität dieser Retroviren durch Aufteilen der viralen Gene auf zwei semireplikative Vektoren vergößert. Die Kopplung der Genome mit fluoreszierenden Proteinen ermöglichte ebenfalls in diesem Zusammenhang die Beobachtung der Repliktion aber auch die einfache Aufdeckung von Rekombinationsereignissen. Die Ergebnisse zeigten den Bedarf weiterer Optimierungen, stellten allerdings einen Vorreiter auf diesem Forschungsgebiet dar und zeigten das Potential dieses Systems auf (Sliva et al., 2004a). Zusätzlich zum natürlichen Tumortropismus sollte die Sicherheit von replizierenden Retroviren für die Tumortherapie erhöht werdn. Gezielte Veränderungen des ecotropen Hüllproteins zu EGFR‐exprimierenden Zellen mittels gerichteter Evolution sowie der Versuch, den Wirtstropismus des Env mit der Insertion des Liganden SDF‐1α auf humane CXCR4‐exprimierende Zellen auszuweiten, sind jedoch gescheitert. Diese Daten müssen sich in die Reihe der erfolglos gebliebenen Versuche, den Wirtstropismus des ecotropen Env auf humane Zellen auszuweiten, einreihen (Sliva et al., 2004b). Abschließend wurde shRNA als therapeutisches Effektormolekül erfolgreich mittels replikationskompetenter MLV in Zielzellen überragen, was zur deutlichen Herabsetzung des Proteinlevels des Zielproteins der siRNA führte (Sliva et al., 2006). Diese modifizierten Viren sind ein gutes Werkzeug zur einfachen in vitro Untersuchung von Genfunktionen, und könnten auch eine Erleichterung für die Untersuchung von Genfunktionen innerhalb von proliferierendem Tumorgewebe darstelln. Des Weiteren präsentieren die Ergebnisse und Beobachtungen dieser Arbeit einen großen Schritt in Richtung Anwendung dieser Virn für die humane Gentherapie. Denn gekoppelt mit z.B. einer tumorspezifischen Expression der shRNA‐Expressionskassette und der intelligenten Wahl der siRNA‐(Ziel)Sequenz, die nach Applikation zum Tod von malignen Tumorzellen führt, wären sie die perfekte Waffe gegen solide Tumoren.
Der erste Teil der vorliegenden Arbeit beinhaltet die funktionelle Analyse von fünf Oberflächenproteinen von B. recurrentis die die Fähigkeit besitzen, die Aktivierung von humanen Komplement zu inhibieren und Borrelien vor Bakteriolyse zu schützen. Im zweiten Teil der Arbeit wurden zwei immunologische Testverfahren mit hoher Sensitivität sowie Spezifität entwickelt und mit zahlreichen Patientenseren evaluiert. Die entwickelten Tests könnten in Zukunft als zuverlässige Instrumente für eine gesicherte Diagnose von LRF eingesetzt werden.
Eine Sequenzanalyse führte zur Identifizierung eines neuen Proteinclusters, welches die fünf untersuchten Komplement-inhibierenden Proteine als „Cluster of Complement-targeting and Host-interacting Proteins“ oder „Chi-Gencluster“, zusammenfasst. Diese Oberflächenproteine wurden als ChiA, ChiB, ChiC, ChiD und ChiE bezeichnet. Weiterführende Sequenzanalysen ergaben, dass das Chi-Gencluster extrem hoch konserviert ist und sowohl in den ersten B. recurrentis-Isolaten aus den 1990er Jahren als auch in B. recurrentis-Stämmen nachgewiesen werden konnte, die 2015 aus Patienten isoliert wurden.
Durch funktionelle Analysen konnte gezeigt werden, dass alle fünf Chi-Proteine in der Lage sind den alternativen und terminalen Komplementweg zu inhibieren. Ebenfalls konnte für die Proteine ChiB, ChiD sowie ChiE nachgewiesen werden, dass die Interaktion mit der Komplementkomponente C5 dosisabhängig verläuft.
Die strukturelle Aufklärung des Proteins ChiB ermöglichte es Aminosäuren zu identifizieren, von denen angenommen wurde, dass sie für die Interaktion mit Komplement eine Rolle spielen könnten. Durch in vitro Mutagenese konnten insgesamt fünf verschiedene Varianten von ChiB generiert werden, die jedoch keine Veränderungen in ihrem Komplement-inhibierenden Potential gegenüber dem unveränderten ChiB-Protein aufwiesen. Weder in der Inhibition des alternativen oder des terminalen Komplementweges, noch in der Interaktion mit den untersuchten Komplementkomponenten C3b, C5 und C9.
Weiter konnte gezeigt werden, dass die lytische Aktivität von Humanserum durch Vorinkubation mit ChiB, ChiC, ChiD und ChiE drastisch reduziert werden konnte, sodass Serum-sensible Borrelienzellen in Gegenwart von Komplement überlebten. „Gain-of-function“ B. garinii-Transformanten, welche mit dem entsprechendem Chi-kodierenden Gen transformiert wurden, bestätigten die mit den gereinigten Proteinen erhobenen Ergebnisse.So konnte nachgewiesen werden, dass ChiB-, ChiC- oder ChiD-produzierende „Gain-of-function“ B. garinii Transformanten, nicht jedoch ChiE- produzierende Zellen, in der Lage waren einen Serum-resistenten Phänotypen auszubilden. Für Transformanten, die zwei-, drei- oder vier Chi-Proteine in verschiedenen Kombinationen gleichzeitig produzierten, konnte allerdings die Fähigkeit in Gegenwart von Humanserum zu überleben nicht bestätigt werden.
Molekulare Analysen mit verschiedenen RF-Borrelienstämmen führten zum Nachweis, dass die fünf Chi-kodierenden Gene bei allen Isolaten vorhanden sind und unter in vitro Bedingungen exprimiert werden. Im Gegensatz zu B. recurrentis PAbJ, ließ sich das HcpA kodierende Gen in B. duttonii LAI nicht nachweisen, jedoch alle dem Chi-Cluster zugehörigen Gene. Bei B. duttoni V fehlte das gesamte Chi-Cluster sowie die für CihC- und HcpA-kodierenden Gene. Durch eine Western Blot-Analyse konnte mit spezifischen Antikörpern bestätigt werden, dass die Proteine CihC, HcpA und ChiB in B. recurrentis A17 unter in vitro Bedingungen produziert wurden.
Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit wurden durch die Analyse der IgM- und IgG-Immunreaktivitäten der LRF-Patientenseren zwei Proteine identifiziert, CihC und GlpQ, die als potenzielle Antigene für die Serodiagnostik des LRF evaluiert wurden. Eine initiale Evaluierung des IgM Lineblot-Immmunoassays zeigte jedoch nur eine geringe Sensitivität für die beiden Antigene, während der IgG Lineblot-Immunoassay eine sehr hohe Sensitivität aufwies. Der ELISA hingegen zeigte bei einer Kombination beider Antigene sehr gute Sensitivitäten und Spezifitäten. Um die starke Hintergrundfärbung bei den Lineblot-Immunoassays, welche eine korrekte Bewertung der Reaktivitäten gegenüber CihC erheblich erschwerten, zu minimieren, wurde ein „Epitop-Mapping“ durchgeführt, um immunogene Regionen innerhalb des CihC-Proteins zu lokalisieren. Eine zweite Evaluierung mit dem immunreaktiven N-terminalen CihC-Fragment CihC-N führte zu einer deutlichen Verbesserung der IgG Lineblot-Immunoassays mit einer Sensitivität von 100 % und einer starken Reduktion der Hintergrundfärbung. Zusätzlich konnte die Sensitivität der IgM-ELISA deutlich verbessert werden. Die Verwendung von CihC-N führte beim IgG-ELISA zur Herabsetzung des Cut-off-Wertes und zu einer besseren Unterscheidung zwischen den positiven LRF-Seren und den verwendeten Kontrollseren. Im Rahmen dieser Arbeit konnten somit zwei serologische in vitro Diagnostika entwickelt werden, die als zuverlässige Point-of-Care-Diagnostik in klinischen Studien eingesetzt werden könnten. Zur Steigerung der Sensitivität des IgM-Lineblot-Immunoassays sollten allerdings weiterführende Untersuchungen mit weiteren immunreaktiven Antigenen, wie z.B. den Vmp-Proteinen von B. recurrentis, angestrebt werden.
In der vorliegenden Studie wurde der modulierende Einfluss von Acetylcholin auf die Frequenzabstimmung der Neurone im primären Hörkortex untersucht. Im primären Hörkortex von betäubten Wüstenrennmäusen (Meriones unguiculatus) wurden Einzel- und Mehrzellableitungen in Elektrodenpenetrationen senkrecht zur Kortexoberfläche durchgeführt und die Antworteigenschaften der Neurone vor und während der iontophoretischen Applikation von Acetylcholin, dem Agonisten Carbachol bzw. dem muskarinischen Antagonisten Atropin gemessen. Bei rund der Hälfte der gemessenen Neurone konnte ein cholinerger Einfluss auf die Frequenz-Antwortbereiche gemessen werden. Dabei können sich die Frequenz-Antwortbereiche unter dem Einfluss von Acetylcholin sowohl vergrößern als auch verkleinern, so dass für die gesamte Neuronenpopulation keine signifikante gerichtete Veränderung auftrat. Bereits bei den niedrigsten verwendeten Dosen von Acetylcholin waren maximale Effekte zu beobachten. Cholinerge Einflüsse in Form von Veränderungen der Frequenz-Abstimmkurven von Neuronen konnten in allen kortikalen Schichten gemessen werden. Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit werden die neuronalen Antworten auf repetitive Schallereignisse, d.h. einfache zeitliche Muster, beschrieben. Für die Versuche wurden drei unterschiedlich zeitlich strukturierte Reize ausgewählt. Es handelte sich um sinusamplituden-modulierte (SAM) Reize, sowie repetitive Ton- und Rauschpulse. SAM Reize und repetitive Tonpulse ähnelten sich in ihrem Frequenzgehalt. Die repetitiven Ton- und Rauschpulse wiesen ein identisches zeitliches Muster auf, das sich von SAM Reizen unterschied. Es wurden sowohl die Wiederholfrequenzen, als auch an der besten Wiederholfrequenz die Schalldruckpegel systematisch verändert. Zusätzlich erfolgte die iontophoretische Applikation von Bicucullin (BIC), um den möglichen Einfluss schneller GABAerger Inhibition zu ermitteln. Während die neuronale Aktivitätsrate mit höheren Wiederholfrequenzen annähernd konstant blieb, war die Stärke der zeitlichen Synchronisation der neuronalen Aktivität von der jeweiligen Wiederholfrequenz des repetitiven Reizes abhängig. Die zeitliche Synchronisation der neuronalen Aktivität sank in der Mehrheit der Neurone mit steigender Wiederholfrequenz drastisch ab (Tiefpasscharakteristik) und nur in einem Bruchteil der Neurone fanden sich einzelne Wiederholfrequenzen, die eine maximale Synchronisation auslösten (Bandpasscharakteristik). Die kortikalen Neurone zeigten unabhängig vom benutzten Reiztyp ein gutes neuronales Folgeverhalten auf repetitive Schallreize bis zu Wiederholfrequenzen von 15 – 30 Hz, mit besten Wiederholfrequenzen von 5 -10 Hz. Unter dem Einfluss von BIC war eine deutliche Veränderung der neuronalen Aktivitätsrate zu erkennen. Diese hatte jedoch weder einen Effekt auf die Synchronizität, noch auf die Repräsentation der Reiztypen. Eine einfache Inhibition im auditorischen Kortex fällt damit als Erklärung für die gemessenen neuronalen Aktivitätsmuster aus. In der realen Umwelt können komplexe akustische Reize in sehr unterschiedlichen Schallintensitäten auftreten. Die reizsynchronisierte neuronale Aktivität erlaubt, ein zeitliches Muster innerhalb eines komplexen Reizes zu kodieren. Es wurde untersucht, inwieweit diese zeitliche Kodierung von der Schallintensität abhängt und inwieweit schnelle GABAerge Inhibition darauf einwirkt. Es fand sich kein Zusammenhang zwischen der allgemeinen neuronalen Aktivitätsrate oder der neuronalen Synchronizität in Abhängigkeit vom Schalldruckpegel. Allerdings konnte bei verschiedenen Neuronenpopulationen ein unterschiedliches Verhalten in der Synchronisation mit höheren Schalldruckpegeln bei Stimulation der Neurone mit SAM Reizen und repetitiven Tonpulsen festgestellt werden, das im Hinblick auf die sich verändernde Flankensteilheit bei höheren Schalldruckpegeln und den daraus resultierenden veränderten Interstimulusintervallen diskutiert wird. Die Ergebnisse aus den Experimenten mit BIC und variierenden Schalldruckpegeln zeigten im Mittel keinen Einfluss der kortikalen Inhibition auf die Abhängigkeit der neuronalen Aktivitätsrate und der Synchronisation vom Schalldruckpegel. Allerdings fanden sich im Einzelfall Änderungen in der Synchronisation auf SAM Reize unter BIC. Insgesamt scheint der Einfluss der kortikalen Inhibition auf Veränderungen der neuronalen Antwort im Zusammenhang mit variierenden Schalldruckpegeln gering bzw. nicht vorhanden zu sein.
Seit Jahrzehnten finden Kunststoffe aufgrund ihrer vorteilhaften Materialeigenschaften wie z. B. Formbarkeit und im Vergleich zu Glas oder Metall geringe Kosten und leichtes Gewicht, vermehrt Anwendung in allen Bereichen des täglichen Lebens. Einhergehend gelangen Kunststoffe zunehmend in die Umwelt, und reichern sich dort an. Besondere Aufmerksamkeit erfahren Partikel im Größenbereich von 1-1000 µm, sogenanntes Mikroplastik (MP), welches entweder direkt eingetragen wird oder in der Umwelt durch Fragmentierung größerer Plastikteile entsteht. Lange Zeit fokussierte sich die MP Forschung vorrangig auf aquatische Ökosysteme, obwohl Schätzungen davon ausgehen, dass die Kunststoffeinträge in terrestrischen Ökosystemen um ein Vielfaches höher sind. Besonders relevante Eintragspfade sind neben der unsachgemäßen Entsorgung von Abfällen, die landwirtschaftliche Klärschlamm- und Kompostdüngung und der zunehmende Einsatz von Mulchfolien, sowie der im Straßenverkehr generierte Reifenabrieb.
Für eine Abschätzung und Bewertung der MP-Belastung in Böden sind analytische Messungen von MP in Umweltproben essenziell, derzeit jedoch kaum existent, da MP im Boden partikulär und heterogen verteilt vorliegt und deshalb nur schwierig zu detektieren ist. Die für viele Analyseverfahren notwendige Isolation der Kunststoffpartikel, sowie die für repräsentative Messungen erforderliche Aufbereitung großer Probenvolumina stellen besondere analytische Herausforderungen mit großem Kosten- und Zeitaufwand dar. Chromatografische Verfahren finden wenig Anwendung, bieten aber vorteilhafte Voraussetzungen als Screeningverfahren für die Untersuchung von Böden, da sie nicht zwangsweise eine Partikelisolation verlangen, und zudem als Ergebnis einen Massegehalt liefern.
Diese Dissertation zeigt drei Anwendungen Chromatografie basierter Analyseverfahren zur Charakterisierung von MP im Boden. Erstmalig wurde die Thermo-Extraktion-Desorption-Gaschromatografie-Massenspektrometrie (TED-GC/MS) für die Analytik von Reifenabrieb in realen Umweltproben angewandt bei minimaler Probenaufbereitung. Dafür wurde ein Straßenrandboden umfangreich beprobt und analysiert, und es konnte neben der Eignung der analytischen Methode auch eine repräsentative Probenahmestrategie und räumliche Verteilungsmuster von Reifenabrieb im Boden demonstriert werden.
Der zweite Forschungsschwerpunkt lag auf der Methodenentwicklung und validierung eines neuartigen chemischen Extraktionsverfahrens für die Bestimmung von Polyestern in Bodenproben. Das Verfahren basiert auf der hydrolytischen Spaltung von Polyestern in ihre Monomere, deren flüssigchromatografische Abtrennung von Matrixbestandteilen und der Detektion mittels UV-Absorption. Das Verfahren verlangt neben der Extraktion keine weiteren Probenaufbereitungsschritte, ist für unterschiedliche Umweltmatrizes geeignet und ist damit z. B. prädestiniert für den Nachweis von Polyesterfasern auf gedüngten landwirtschaftlichen Flächen.
MP ist nicht nur aufgrund seiner Persistenz problematisch, sondern auch, weil es hydrophobe organische Schadstoffe aus dem Umweltmedium anreichern und transportieren kann. Maßgeblich für das Sorptionsverhalten sind die Materialeigenschaften des zugrunde liegenden Kunststoffes, welche Änderungen durch Alterungsprozessen unterliegen. Der Zusammenhang zwischen Materialalterung und Sorptionsverhalten wurde in früheren Studien kontrovers diskutiert und ist der dritte Teil dieser Arbeit. In einem Sorptionsexperiment konnte mittels Headspace-Gaschromatografie mit Flammenionisations-Detektion die Aufnahme von Aromaten an den Kunststoffen Polypropylen und Polystyrol quantifiziert werden. Die Kunststoffe wurden materialwissenschaftlich charakterisiert, teilweise künstlich gealtert und die daraus resultierende Änderungen der Materialeigenschaften sowie einhergehenden Änderungen des Sorptionsverhaltens erfasst. Dadurch war es möglich den Einfluss einzelner Materialeigenschaften auf das Sorptionsverhalten zu bewerten, Rückschlüsse auf zugrunde liegende Sorptionsmechanismen zu treffen und zu zeigen, dass in vorliegendem Experiment die Polymeralterung bei MP nicht zu einer erhöhten Schadstoffsorption führte.
Koalas are popular zoo animals, but difficult in husbandry. In addition to their specialised diet of eucalyptus leaves, they are prone to “stress” and disease. Particularly in European zoos, themonitoring of theirwell-being has high priority and they are protected from possible stressors. However, stress signs in koalas are vague and monitoring techniques like weighing might result in discomfort itself. Additionally, husbandry routines are planned according to keeper’s schedule, not to the endogenous rhythms of the koalas. Therefore it is necessary to investigate activity pattern in captive koalas and the signals influencing them. These signals have to be assessed on the strength and quality of their impact. A total of 17 koalas have been observed in three zoological gardens in Australia and Europe. Koalas kept in outdoor enclosures with little human contact (Koala Walkabout, Taronga Zoo, Sydney) showed a uniform activity pattern, which was clearly entrained by light. Activity levels were higher during the night, and there was a pronounced resting period in the morning which corresponds with low body temperature measured by Degabriele and Dawson (1979). Activity peaks were related to twilight and changed during the year related to day lengths. However, there was a clear influence from the introduction of fresh browse which resulted in a distinct feeding peak in the afternoon. With short day lengths, this stimulus competed with dusk. Activity patterns from koalas in indoor enclosures (Zoo Duisburg, Vienna Zoo) varied between individuals and in some cases lacked a detectable rhythm. Though activity peaks were related to light, entrainment to sunlight was weak. In winter, koalas reacted primarily to the artificial light, but some also showed activity peaks related to sunlight. Activity patterns in these koalas were less structured and differed severely from patterns expected according to literature. Activity was often related to the keeper’s presence and food introduction. Frequency of feeding bouts was considerably higher at Vienna Zoo compared to the other zoos and the bouts were shorter in duration. Time budgets of the koalas were within the range given in free-range studies. Feeding showed seasonal changes and was increased in lactating females. Koalas at Vinna Zoo had a high level of locomotor activity compared to the size of the enclosure. Koalas at Koala Walkabout were not used to handling, so they resisted the keeper. The koalas at the two European zoos were handled regularly and settled down quickly. However, handling took place in the morning; in most koalas, there was no activity prior to it. In Vienna, resting periods were interrupted daily due to weighing. Food introduction at KoalaWalkabout took place in the afternoon. It was preceded by locomotor activity and triggered a long feeding bout in the koalas. It is not clear, whether food had true Zeitgeber properties or masked the endogenous rhythm. In the two European zoos, food was introduced in the morning. The peaks related to this were smaller than those at Koala Walkabout. Activity was rarely observed prior to food introduction. The koalas at Koala Encounter, Taronga Zoo (Sydney),were regularly confronted with visitors, though no contact was allowed. Direct observation by the keepers did rarely show any stress signs. Activity patterns at night were strikingly similar to Koala Walkabout, but differed dramatically during the day. Food was introduced three times a day, which usually resulted in activity that interrupted a resting period. Generally, the koalas at Koala Encounter were more active than those at KoalaWalkabout. They also displayed a high level of locomotor activity, especially on the ground, which is an accepted sign of discomfort in koalas (Wood 1978; Zoological Society of San Diego 2001; Yusuf& Rosenthal unpublished data). In summary, this chronoethological study of the captive koalas showed that there are several problems with koala husbandry. Artificial light regimes for koalas are not sufficient for entrainment and result in unstructured activity pattern. This is especially the case in winter, when the day in Europe is artificially extended. Due to the mainly nocturnal behaviour of koalas, such an extension might not be necessary and therefore should be avoided. Handling in Europe took place during the physiological resting time of the koalas. Interruptions of resting times are considered as stressors (Wood 1978) and should be avoided. Handling in the afternoon would be more suitable for the koalas and triggered activity in the two koalas at Vienna Zoo. It is also arguable if daily weighing is necessary to monitor health in captive koalas or if the frequent interruption of resting countervail the advantages of constant monitoring. Frequent contact with visitors, evenwithout the so-called cuddling, has a considerable impact on activity patterns and time budget of koalas, even if no immediate stress signs are displayed. Such contact should therefore be reduced to a minimum and chronoethological observations of the koalas should be used. A study on koalas with direct visitor contact is also advisable to revise the current legislation on “koala cuddling”. Koalas frequently rested in living trees if they had access to it. Since no food-poisoning has been reported from koalas using living non-food trees, the provision of living trees with an appropriate canopy should be included in the husbandry guidelines. Increased locomotor activity has been shown to be related to conditions of discomfort or stress and possibly to oestrus. This is in accordance with literature (Wood 1978; Zoological Society of San Diego 2001). Further observation, combined with hormone analysis, are advisable to establish this parameter for evaluation of well-being. Chronoethology has proven to be useful for the evaluation of husbandry conditions and group dynamics. Different to other, traditional ethologicalmethods, it indicated problems and enabled me to advise more appropriate times for handling and food introduction. It is desirable that zoos already using 24-hour video observation include chronoethological aspects into their analysis.
Sleep is one of the fundamental requirements of all animals from nematodes to humans. It appears in different formats with shared features such as reduced muscle activities and reduced responsiveness to the environment. Despite the long history of sleep research, why a brain must be taken offline for a large portion of each day remains unknown. Moreover, sleep research focused on mammals and birds reveals two stages, rapid-eye-movement (REM) and slow-wave (SW) sleep, alternating during sleep. Whether these two stages of sleep exist in other vertebrates, particularly reptiles, is debated, as is the evolution of sleep in general.
Recordings from the brain of a lizard, the Australian bearded dragon Pogona vitticeps, indicate the presence of two electrophysiological states and provides a better picture of their sleep. Local field potential (LFP) signals, head velocity, eye movements, and heart rate during sleep match the pattern of REM and SW sleep in mammals. The SW and REM sleep patterns that we observed in lizards oscillated continuously for 6 to 10 hours with a period of 80-100 seconds when the ambient temperature was ~27°C. Lizard SW dynamics closely resemble those observed in rodent hippocampal CA1, yet originated from a brain area, the dorsal ventricular ridge (DVR), that does not correspond anatomically or transcriptomically to the mammalian hippocampus. This finding pushes back the probable evolution of these dynamics to the emergence of amniotes, at least 300 million years ago.
Unlike mammals and birds, REM and SW sleep in lizards occupy an almost equal amount of time during sleep. The clock-like alternation between these two sleep states was found initially by measuring the power modulation of two frequency bands, delta and beta. I recorded the full-band LFP and found an infra-slow oscillation (ISO) in the frequency range between 5 and 20 milli-Hz during sleep. The magnitude of ISO increased during sleep and decreased during both wakefulness and arousal during sleep. The up- and down-states of ISO were synchronized with the sleep state alternating rhythm but with a significant time lag dependent on the locations of the recording electrodes. Multi-site LFP recordings indicated that this ISO is a putative propagation wave sweeping extremely slowly, 30-67 µm/sec, from the posterior-dorsal pole to the anterior-ventral pole of the DVR.
Previous studies in other animals showed that brainstem areas such as the locus coeruleus, laterodorsal tegmentum, and periaqueductal gray are involved in sleep states regulation. It is sadly impossible to carry out in vivo recordings in the lizard brainstem without severely affecting them and their quality of life. I thus carried out ex vivo recordings in both DVR and brainstem. Pharmacological stimulation of the brainstem could reversibly silence one distinct EEG pattern characteristic of SW sleep, the sharp-wave and ripple complex, in DVR. An ISO could be recorded simultaneously in both DVR and brainstem. From data collected in both intact and split ex vivo brains, I concluded that there are independent ISO generators in at least two areas, the brainstem and the telencephalon. Their signals may normally be synchronized by long-range connections. The DVR ISO leads the brainstem ISO by ~29 sec. Optogenetic stimulation of brainstem neurons was able to disrupt the ISO in DVR reversibly.
In conclusion, the lizard brain offers a relatively simple model system to study sleep. Despite a diversity of results in different lizard species, my results revealed a number of new findings. Relevant for sleep research in general: 1) REM and SW sleep exist in a reptile. Since they also exist in birds and mammals, they probably existed in their common amniote ancestor, if not earlier. 2) REM and SW occupy equal amounts of time during sleep (50% duty cycle), a unique feature among all described sleep electrophysiological patterns, suggesting the possible existence of a simple central pattern generator of sleep, possibly ancestral. 3) I discovered the existence, in the local field potential, of an infra slow oscillation with extremely slow propagation, locked to the SW-REM alternating rhythm. The causes and mechanisms of this ISO remain to be understood. To my knowledge, the correlation between sleep states and a slow rhythm has only been reported in human scalp EEG recordings so far.
Climate and subsequent environmental changes are regarded as one driver of species evolution. Against this background the present study investigates the evolutionary history of the mammalian family Bovidae (Cetartiodactyla, Mammalia), today the most species-rich family of large herbivores on the African continent. Temporal and spatial patterns in that group’s evolution are the focus of the present study and were investigated using methods and data deriving from multiple disciplines (palaeontology, genetics, climatology, conservation biology). The results serve as a validation of macroevolutionary hypotheses of species evolution.
A major proportion of African mammalian fossils can be assigned to that family. Due to their morphological adaptations, bovid species are highly indicative of their habitats. Hence, bovids are of great importance for paleontology. However, a strong taphonomic bias is present in the fossil record of bovids, favoring large and arid- adapted species. Molecular phylogenies of extant species and species distribution modelling combined with climate reconstructions can help to overcome these limitations.
A molecular phylogeny, based on the cytochrome b gene of 136 bovid species served as basis for analysis of temporal patterns. Divergence events were dated using the relaxed molecular clock approach. The tree was time calibrated at 30 nodes using information inferred from the fossil record. Lineage-Through-Time plots and the respective statistical analyses reveal detailed temporal patterns in the evolutionary history of tribes and groups combining arid- and humid-adapted tribes. The resulting pattern shows three distinct phases. Phase 1 (P1) is dominated by speciation events within the humid group, while the second phase (P2) is marked by a dominance of speciation within the arid group. The switch in diversification rates (BDS) from P1 to P2 is dated to 2.8 million years ago. The third phase (P3) shows low diversification rates for all groups, starting around 1.4 million year ago and culminates in a significantly reduced diversification rate for the complete family at 0.8 million years ago. Both transitions are contemporaneous with global climate changes and turnover events in fossil faunal communities.
To investigate the impact of climate changes onto the habitat availability within the last 3 million years and its putative influence on diversification rates, the species distribution modeling method was applied. For 85 African species and subspecies the climate niches were established and grouped into 5 climate-groups based on their climate preferences. For each group the available habitat for the period before and after the BDS was calculated on continental scale using reconstructed climate scenarios. To evaluate the modeled habitat distributions, regional analyses were performed in test areas surrounding well studied fossil sites (Laetoli, Olduvai, Chiwondo Beds, Lothagam, Koobi Fora, West Turkana, Swartkrans, Sterkfontain und Toros-Menalla). Habitat profiles (HP) permitted the comparison of the model based habitat reconstruction with the interpretations of classic paleontological reconstruction. The validity of the habitat modeling has been shown in particular for East African test areas. The reconstructions for the northern and southern fossil sites does not support the modeled habitats in these areas. Yet, the method of habitat- profiling may serve as suitable tool for environmental reconstruction of areas lacking sufficient paleontological material. A comparison of habitat availability before and after the BDS on continental scale identified a significant loss of habitat for humid adapted groups (7-22%) and habitat gain for arid adapted groups (19-173%). The climatically intermediate group experiences a tremendous gain of habitat (3366%). The greatest environmental change was modeled for East Africa, initiated by a progressive regional aridification.
In addition to the distribution modeling for past climate conditions, the geographical distribution was modeled for the future, i.e. for climate scenarios representing the years 2050 and 2080 under a putative climate change scenario (global surface warming). It was shown that in particular the arid groups have to expect a remarkable loss of habitat (41-76%), while a gain of available habitat can be expected for the humid adapted groups (114-577%). The climatically intermediate group suffers the strongest habitat loss (85%). Regions with locally stable climate conditions were detected and may serve as potential refugia and are already today known as Africa’s hot spots of biodiversity.
The results show a positive correlation of high diversification rates and increasing habitat availability. None of the tested speciation hypotheses taken alone explains the observations (e.g., Turnover-pulse Hypothesis, Relay Model). A major element in these hypotheses is the passive fragmentation of populations induced by unfavorable climate changes. In contrast, the Periodic Model (Grubb 1999) considers natural, periodically recurring climate changes and moreover, the active dispersal of individuals and resulting founder events. I added the effect of a superimposed directed climate trend – like the progressive aridification since the late Pliocene in Africa – which leads to a bias in the proportion and probability towards leading edge effects. This Directed Periodic Model explains the patterns found in the evolution of Bovidae.
The combination of a molecular phylogeny and species distribution modeling, together with information inferred from the fossil record, reveals remarkable temporal and spatial patterns in the evolution of bovids, and helps overcome the limitations of the fossil record. The present study highlights the importance of active dispersal and founder populations in speciation processes. A point widely unattended in speciation hypotheses. The fully dated molecular phylogeny is the most densely sampled tree for the family Bovidae to date and may serve as a framework for a connection of present and future population studies, permitting the connection of medium-scale with long- term effects induced by climate and environmental changes.
Gravitropism is a fundamental process in plants that allows shoots to grow upward and roots to grow downward. Protein phosphorylation has been postulated to participate in the intricate signaling cascade of gravitropism. In order to elucidate the underlying mechanisms governing the gravitropic signaling and unearth novel protein constituents, an exhaustive investigation employing microgravity-induced phosphoproteomics was undertaken. The significantly phosphorylated proteins unraveled in this study can be effectively divided into two groups through clustering analysis. Furthermore, the elucidation of Gene Ontology (GO) enrichment analysis disclosed the conspicuous overrepresentation of these clustered phosphoproteins in cytoskeletal organization and in hormone-mediated responses intimately intertwined with the intricate phenomenon of gravitropism. Motif enrichment analysis unveiled the overrepresentation of [-pS-P-] and [-R-x-x-pS-] motifs. Notably, the [-pS-P-] motif has been suggested as the substrate for the Casein kinase II (CK II) and Cyclin-dependent kinase (CDK). Kinase-inhibitor assays confirmed the pivotal role played by CK II and CDK in root gravitropism. Mutant gravitropism assays validated the functional significance of identified phosphoproteins, with some mutants exhibiting altered bending kinetics using a custom-developed platform. The study also compared phosphoproteomics data from different platforms, revealing variations in the detected phosphopeptides and highlighting the impact of treatment differences. Furthermore, the involvement of TOR signaling in microgravity-induced phosphorylation changes was uncovered, expanding the understanding of plant gravitropism responses.
To fulfill the large-scale verification of interesting candidates from the phosphoproteomics study, a novel root and hypocotyl gravitropism phenotyping platform was developed. This platform integrated cost-effective hardware, including Raspberry Pi, a high-quality camera, an Arduino board, a rotation stage (obtained from Prof. Dr. Maik Böhmer), and programmable green light (modified by Sven Plath). In addition, through collaboration with a software developer, machine-learning-based software was developed for data analysis. This platform tested the gravitropic response of candidate mutants identified in the phosphoproteomics study. Furthermore, the capabilities of this platform were expanded to investigate tropisms in other species and organs. To find novel proteins that might act as partners of a key protein that is involved in gravitropism signaling, ALTERED RESPONSE TO GRAVITY 1 (ARG1), immunoprecipitation coupled with Mass Spectrometry (IP-MS) was performed and identified ARG1-LIKE1 (ARL1) as a potential interacting protein with ARG1. This interaction was further confirmed through in vivo pull-down assays and bimolecular fluorescence complementation assays. In addition, the interaction between ARG1 and HSP70-1 was also validated.
Overall, this thesis sheds light on the molecular components and signaling events involved in plant gravitropism. It contributes to existing knowledge and opens up new ways to investigate this fascinating area of plant biology.
Compaction and spheroid formation modulates stemness and differentiation of human pancreas organoids
(2023)
The incidence of diabetes type 1 (T1D) in children and young adults is increasing worldwide. T1D is well treated by insulin administration. However, there is currently no long-lasting cure for this ailment. The success rate of pancreatic islet transplantation to treat T1D is limited by the availability of patient-matched islets and the necessity of using life-long immunosuppressive medication. The difficulties caused by transplantation can be overcome by generating bio-engineered pancreatic islets from patient-derived progenitor cells. Aim of this thesis is to establish new strategies for the generation and analysis of pancreatic lineages derived from human progenitor cells. It reports on the optimization of a technique to form human pancreatic spheroids from hollow monolayered human pancreas organoids (hPOs) to investigate how cell-cell and cell-matrix interaction can be leveraged to induce endocrine differentiation of the pancreas progenitor cell organoids. We introduce cell aggregation protocols to generate endocrine pancreas cell lineages from ductal pancreatic cells. Next, we study the effect of co-culture with stromal and endothelial cells to promote cell differentiation toward a pancreatic fate enhancing β cells productivity.
This thesis has focused on identifying the differences in gene expression along with phenotypical transformation during differentiation of human pancreatic organoids (hPOs) towards human β cells to be used in the future of cellular therapeutics in treating T1D patients.
The continuous conversion of natural wildlife habitats into agricultural areas, as well as the fragmentation of the last wildlife refuges, is increasing the interface between people and wildlife. When wildlife negatively impacts on people and vice versa, we speak about human-wildlife conflicts (HWCs). This definition includes losses on both sides and takes into consideration the rooting of most of these conflicts between different groups of interest, such as advocates for nature conservation and economic groups. The centres of highest biodiversity are located in developing countries, which are also characterized by poverty. In African and Asian countries, people living in the vicinity of national parks and other conservation areas mostly receive only little support through the government or conservation organisations. Especially for those people who are dependent on agriculture, damage to fields and harvests can have catastrophic consequences. If the species causing damage is protected by national or even international law, the farmer is not allowed to use lethal methods, but has to approach the authority in charge. If this agency, however, cannot offer appropriate support, resentment, anger or even hate develops, and the support for wildlife conservation activities declines. For this reason, HWCs were declared as one of the most important conservation topics today, being particularly relevant for large and threatened species such as the African and Asian elephant, hippopotamus and the greater one-horned rhino, as well as for large predators. Up to today, no general assessment scheme has been recommended for damage caused by protected wildlife species.
In my study, HWCs in Asia and Africa are compared, focussing on all herbivorous species identified which damaged crops. For the French NGO Awely, des animaux et des hommes, I developed a detailed assessment scheme suitable for all terrestrial ecosystems, and any type of HWCs and any species (Chapter 2). This HWC assessment scheme was used in four different study areas located in two African countries (South Luangwa/Zambia (SL), Tarangire/Tanzania (TA)) and two Asian countries (Bardia/Nepal (BA) and Manas/India (MA)). This scheme ran for six consecutive years (2009 to 2014) for Zambia, Nepal and India and two years (2010 to 2011) for Tanzania. To carry out the assessments, I trained local HWC officers (Awely Red Caps) to assess HWCs by field observations (measurement of damage, identification of species through signs of presence, landscape attributes etc.) and interviews with aggrieved parties (socio economic data). Results of this assessment are presented in Chapters 2-4.
To determine whether elephants prefer or avoid specific crop species, two field experiments were carried out, one in SL and one in BA (Chapter 5 and 6). For this, two test plots were set up and damage by elephants (and other herbivores) were quantified.
Within this doctoral thesis, 3306 damage events of 7408 aggrieved parties were analysed. In three out of the four study areas (SL, BA, MA), elephants caused the highest number of damage events compared to all other wildlife species, however, in TA, most fields were damaged by zebra. Furthermore, the greater one-horned rhino, hippopotamus, wild boar, bushpig, deer and antelope, as well as primates, caused damage to fields and harvests. Damage to houses and other property were nearly exclusively caused by elephants.
With this doctoral thesis I was able to show that season, crop availability, type and the phenological stage of the crop played an important role for crop damaging behavior of herbivores (Chapter 2). Elephants especially damaged rice, maize and wheat and preferred all crop types in a mature stage of growth. In contrast, rhinos preferred wheat to rice and similar to antelope and deer, they preferred crops at earlier stages of growth, before ripening. Crop damage by wildlife species varied strongly in size; most damages fell below 40% of the total harvest per farmer, but in several cases (3 to 8% depending on the study area), harvests were completely destroyed. Interestingly, during times of low nutritional availability in the natural habitat (dry season), crop damages in all four study areas were significantly less than during other seasons.
In all four study areas, crop protection strategies, such as active guarding in the fields, chasing wildlife with noise or fire torches or erecting barriers, were used. In some cases protection strategies were combined. Analysis of data revealed that traditional protection strategies did not reduce the costs of damage (Chapter 3). In some cases, costs of damage, on protected fields were even higher than for unprotected fields. Only in MA did strategic and cohesive guarding significantly reduce crop damage by wildlife species.
Besides damage in the fields, elephants also caused damage to properties in the villages. In search for stored staple crops, they damaged houses, grain stores and kitchens. Such damage was analysed in three study areas (SL, BA, MA) (Chapter 4). Although property damage occurred less frequently compared to crop damage in the fields, the mean cost of this damage was found to be double in BA/MA and four times higher in SL, compared to the costs of crop damage in the fields. It is further remarkable that property damage significantly increased towards the dry season, when the harvest was brought into the villages.
The findings of this study underpin the assumption that wildlife herbivores, especially elephants, are lured to fields and crops because the highly nutritional food (crop) being readily available. Traditional crop protection is cost and labour intensive and does not reduce the costs of damage. For this reason, crop types, which are thought to be not consumed by elephants were systematically tested on their attractiveness in field experiments in SL and BA (Chapter 5 and 6). In SL, lemon grass, ginger and garlic were proven to be less attractive to African elephants than maize and in BA, basil, turmeric, chamomile, coriander, mint, citronella and lemon grass were found to be less attractive to Asian elephants than rice.
The results of this doctoral thesis are relevant for the management of wildlife conservation as they can lead to new approaches to the mitigation of HWCs in African and Asian countries. Finally, specific needs for more scientific research in this field have been identified.
The fruit fly Drosophila melanogaster is one of the most important biological model organisms, but only the comparative approach with closely related species provides insights into the evolutionary diversification of insects. Of particular interest is the live imaging of fluorophores in developing embryos. It provides data for the analysis and comparison of the threedimensional morphogenesis as a function of time. However, for all species apart from Drosophila, for example the red flour beetle Tribolium castaneum, essentially no established standard operation procedures are available and the pool of data and resources is sparse. The goal of my PhD project was to address these limitations. I was able to accomplish the following milestones:
- Development of the hemisphere and cobweb mounting methods for the non-invasive imaging of Tribolium embryos in light sheet-based fluorescence microscopes and characterization of most crucial embryogenetic events.
- Comprehensive documentation of methods as protocols that describe (i) beetle rearing in the laboratory, (ii) preparation of embryos, (ii) calibration of light sheet-based fluorescence microscopes, (iv) recording over several days, (v) embryo retrieval as a quality control as well as (vi) data processing.
- Adaption of the methods to record and analyze embryonic morphogenesis of the Mediterranean fruit fly Ceratitis capitata and the two-spotted cricket Gryllus bimaculatus as well as integration of the data into an evolutionary context.
- Further development of the hemisphere method to allow the bead-based / landmark-based registration and fusion of three-dimensional images acquired along multiple directions to compensate the shadowing effect.
- Development of the BugCube, a web-based computer program that allows to share image data, which was recorded by using light sheet-based fluorescence microscopy, with colleagues.
- Invention and experimental proof-of-principle of the (i) AGameOfClones vector concept that creates homozygous transgenic insect lines systematically. Additionally, partial proof-of-principle of the (ii) AClashOfStrings vector concept that creates double homozygous transgenic insect lines systematically, as well as preliminary evaluation of the (iii) AStormOfRecords vector concept that creates triple homozygous transgenic insect lines systematically.
- Creation and performance screening of more than fifty transgenic Tribolium lines for the long-term imaging of embryogenesis in fluorescence microscopes, including the first Lifeact and histone subunit-based lines.
My primary results contribute significantly to the advanced fluorescence imaging approaches of insect species beyond Drosophila. The image data can be used to compare different strategies of embryonic morphogenesis and thus to interpret the respective phylogenetic context. My technological developments extend the methodological arsenal for insect model organisms considerably.
Within my perspective, I emphasize the importance of non-invasive long-term fluorescence live imaging to establish speciesspecific morphogenetic standards, discuss the feasibly of a morphologic ontology on the cellular level, suggest the ‘nested linearly decreasing phylogenetic relationship’ approach for evolutionary developmental biology, propose the live imaging of species hybrids to investigate speciation and finally outline how light sheet-based fluorescence microscopy contributes to the transition from on-demand to systematic data acquisition in developmental biology.
During my PhD project, I wrote a total of ten manuscripts, six of which were already published in peer-reviewed scientific journals. Additionally, I supervised four Master and two Bachelor projects whose scientific questions were inspired by the topic of my PhD work.
Dissecting the complexities of mammalian heart development and regenerative capacity require thorough understanding of the underlying molecular mechanisms through the expression pattern of proteins and post-translational modifications. To obtain insights intoactivated signaling pathways that control the cellular phenotype during postnatal heart development, we generated a comprehensive map of phosphorylation sites. In total we identified 21,261 phosphorylation sites and 8985 proteins in developing mouse hearts by mass spectrometry. The in-vivo SILAC (stable isotope labeling of amino acids in cell culture) approach allowed robust quantification of phosphorylation sites and proteins, which are regulated during heart development. We found several activated pathways involved in cell cycle regulation and detected numerous kinases and transcription factors to be regulated on protein and phosphopeptide level. Most strikingly, we identified a novel mitochondrial protein, known previously as Perm1, as a highly phosphorylated factor regulated during heart development. We renamed Perm1 as MICOS complex subunit Mic85 since it shows robust physical interaction with MICOS complex subunits, including Mitofilin (Mic60), Chchd3 (Mic19), Chchd6 (Mic25) and the outer membrane protein Samm50. Moreover, Mic85 is localized to the mitochondrial inner membrane facing the intermembrane space and the dynamics of Mic85 protein expression is regulated by the ubiquitin-proteasomal system through phosphorylation of casein kinase 2 on its PEST motif. Silencing of Mic85 in cultured neonatal cardiomyocytes impairs mitochondrial morphology and compromises oxidative capacity. Our findings support a clear role for Mic85 in the maintenance of mitochondrial architecture and in its contribution to enhanced energetics during developing and adult mouse cardiomyocytes. The transgenic Mic85 knockout mouse generated with a GFP knock-in will support future in vivo investigations on the integrity of mitochondria and the function of Mic85 in cardiac development.
Alternative splicing (AS) is a co- or post-transcriptional process by which one gene gives rise to multiple isoforms. This ‘split and combine’ step multiplies eukaryotic proteome diversity several fold and is implicated in several diseases given its pervasive impact. Control of alternative splicing is brought about by cis-regulatory elements, such as RNA sequence and structure, which recruit trans-acting RNA-binding proteins (RBPs). Although several of these interactions are already described in detail, we lack a comprehensive understanding of the regulatory code that underlies a splicing decision.
Here, we have established a high-throughput screen to comprehensively identify and characterise cis-regulatory elements that control a specific splicing decision. A cancer-relevant splicing event in proto-oncogene RON was picked as a minigene prototype for initialising the screening approach. Then, we transfected a library of thousands of randomly mutagenised minigene variants as a pool into human cells, and subsequently quantified the spliced isoforms by RNA sequencing. Importantly, we used a barcode sequence to tag the minigene variants and thereby linked mutations to their corresponding spliced products. By using a linear regression-based modelling approach, we were able to determine the effects of single mutations on RON AS. In total, more than 700 mutations were found to significantly affect the splicing regulation of the RON alternative exon. In addition, mutation effects quantified from the screening approach correlate with RON alternative splicing in cancer patients. We discovered numerous previously unknown cis-regulatory elements in both introns and exons, and found that the RBP heterogeneous nuclear ribonucleoprotein H (HNRNPH) extensively regulates RON AS at multiple levels in both cell lines and cancer. Furthermore, the large number of RBPs involved in the process, point to a complex splicing regulatory network involved in the control of RON splicing. iCLIP and synergy analysis between mutations and HNRNPH knockdown data pinpointed the most relevant HNRNPH binding sites across RON. Finally, cooperative HNRNPH binding was shown to mediate a splicing switch of RON alternative exon. In summary, our results provide an unprecedented view on the complexity of splicing regulation of an alternative exon. The novel screening approach introduces a tool to study the relationship of RNA sequence variants along with trans-acting regulators to their impact on the splicing outcome, offering insights on alternative splicing regulation and the relevance of mutations in human disease.
Hypoxia is a condition in which cells are deprived of adequate oxygen supply and represents a main feature of solid tumours. Cells under hypoxic stress activate transcriptional responses driven by hypoxia-inducible factors (HIFs), which affect multiple cellular pathways, including angiogenesis, metabolic adaptation and cell proliferation. While the transcriptional changes induced in hypoxic tumours are well characterised, it is still poorly understood how hypoxia contributes to the aberrant post-transcriptional regulation observed in tumours. In this PhD thesis, I studied the RNA response to hypoxia in cancer, to provide novel insights into its regulation.
Using deep RNA-Sequencing (RNA-Seq), I investigated transcriptome changes of three human cell lines from lung, cervical and breast cancer under hypoxia, advancing our knowledge of post-transcriptional gene regulation in hypoxic cancer. I show that hypoxia induced consistent changes in transcript abundance in the three cancer types. This was coupled to divergent splicing responses, highlighting the cell type specificity of alternative splicing programs. While the mRNA levels of RNA-binding proteins were mainly reduced, hypoxia upregulated muscleblind-like protein 2 (MBNL2) in all three cell lines. Hypoxia control was specific for MBNL2, since it did not affect its paralogs MBNL1 and MBNL3. Via knockdown experiments of MBNL2 in hypoxic cells, I could show that MBNL2 induction promotes adaptation of cancer cells to low oxygen by regulating both transcript abundance and alternative splicing of hypoxia response genes. In addition, depletion of MBNL2 reduced the proliferation and migration of cancer cells, corroborating a function of MBNL2 as cancer driver.
In the last few years, a novel class of RNAs has gained attention, namely circular RNAs (circRNAs), which are produced by a particular splicing mechanism, known as back-splicing. CircRNAs have been reported to change their abundance in cancer and their high stability makes them promising candidates as diagnostic biomarkers. In this study, I took advantage of deep rRNA-depleted RNA-Seq data to comprehensively investigate the expression of circRNAs in human cancer cells and their changes in response to hypoxia. To reliably identify circRNAs, I established a pipeline that integrates two available tools. for circRNA detection with custom approaches for quantification and statistical analysis. Using this pipeline, I identified 12006 circRNAs in the three cancer cell lines. Their molecular features suggest an involvement of complementary RNA sequences as well as trans-acting factors in circRNA biogenesis, including the splicing factor HNRNPC. Remarkably, I detected 210 circRNAs that are more abundant than their linear counterparts. Upon hypoxic stress, 64 circRNAs were differentially expressed in cancer cells, in most cases in a cell type-specific manner. In summary, in this PhD thesis, I present a comparative transcriptome profiling in human cancer cell lines. It reveals MBNL2 as an important player in hypoxic cancer progression and provides novel insights into the biogenesis and regulation of circRNAs under hypoxic stress.
Most cellular processes are regulated by RNA-binding proteins (RBPs). These RBPs usually use defined binding sites to recognize and directly interact with their target RNA molecule. Individual-nucleotide resolution UV crosslinking and immunoprecipitation (iCLIP) experiments are an important tool to de- scribe such interactions in cell cultures in-vivo. This experimental protocol yields millions of individual sequencing reads from which the binding spec- trum of the RBP under study can be deduced. In this PhD thesis I studied how RNA processing is driven from RBP binding by analyzing iCLIP-derived sequencing datasets.
First, I described a complete data analysis pipeline to detect RBP binding sites from iCLIP sequencing reads. This workflow covers all essential process- ing steps, from the first quality control to the final annotation of binding sites. I described the accurate integration of biological iCLIP replicates to boost the initial peak calling step while ensuring high specificity through replicate re- producibility analysis. Further I proposed a routine to level binding site width to streamline downstream analysis processes. This was exemplified in the re- analysis of the binding spectrum of the U2 small nuclear RNA auxiliary factor 2 (U2AF2, U2AF65). I recaptured the known dominance of U2AF65 to bind to intronic sequences of protein-coding genes, where it likely recognizes the polypyrimidine tract as part of the core spliceosome machinery.
In the second part of my thesis, I analyzed the binding spectrum of the serine and arginine rich splicing factor 6 (SRSF6) in the context of diabetes. In pancreatic beta-cells, the expression of SRSF6 is regulated by the transcription factor GLIS3, which encodes for a diabetes susceptibility gene. It is known that SRSF6 promotes beta-cell death through the splicing dysregulation of genes essential to beta-cell function and survival. However, the exact mechanism of how these RNAs are targeted by SRSF6 remains poorly understood. Here, I applied the defined iCLIP processing pipeline to describe the binding landscape of the splicing factor SRSF6 in the human pancreatic beta-cell line EndoC-H1. The initial binding sites definition revealed a predominant binding to coding sequences (CDS) of protein-coding genes. This was followed up by extensive motif analysis which revealed a so far, in human, unknown purine-rich binding motif. SRSF6 seemed to specifically recognize repetitions of the triplet GAA. I also showed that the number of contiguous triplets correlated with increasing binding site strength. I further integrated RNA-sequencing data from the same cell type, with SRSF6 in KD and in basal conditions, to analyze SRSF6- related splicing changes. I showed that the exact positioning of SRSF6 on alternatively spliced exons regulates the produced transcript isoforms. This mechanism seemed to control exons in several known susceptibility genes for diabetes.
In summary, in my PhD thesis, I presented a comprehensive workflow for the processing of iCLIP-derived sequencing data. I applied this pipeline on a dataset from pancreatic beta-cells to unveil the impact of SRSF6-mediated splicing changes. Thus, my analysis provides novel insights into the regulation of diabetes susceptibility genes.
Connectomic analysis of apical dendrite innervation in pyramidal neurons of mouse cerebral cortex
(2020)
The central goal of this study was to generate synapse-resolution maps of local and long-range innervation on apical dendrites (AD) in mouse cerebral cortex. We used three-dimensional electron microscopy (3D-EM) to first measure the cell-type specific balance in the excitatory and inhibitory input on ADs. Further, we found two inhibitory axon populations with preference for apical dendrites originating from layer 2 and 3/5. Additionally, we used a combination of large-scale volumetric light and electron microscopy to investigate the innervation preference of long-range cortical projections onto ADs. To generate such large-scale 3D-EM datasets, we also developed a software package to automate aberration adjustment.
The balance of excitation and inhibition defines the computational properties of neurons. We, therefore, generated 6 datasets and annotated 26,548 excitatory and inhibitory synapses to map the relative inhibitory strength on the AD of pyramidal neurons in layers 1 and 2 (L1 and 2) of the cortex. We found consistent and cell-type specific patterns of inhibitory strength along the apical dendrite of L2-5 pyramidal neurons in primary somatosensory (S1), secondary visual (V2), posterior parietal (PPC) and anterior cingulate (ACC) cortices. L2 and L5 pyramidal neurons had inhibitory hot-zones at their main bifurcation and distal apical dendrite tuft, respectively. In contrast, L3 neurons had a baseline (~10%) level of inhibition along their apical dendrite. As controls, we quantified the effect of synapse strength (size), dendrite diameter, AD classification and synapse identification methods on the cell-type specific synapse densities. To classify L5 pyramidal subtypes, we performed hierarchical clustering using morphological properties that were described to differentiate slender- and thick-tufted L5 neurons.
We also investigated the distance to soma as a predictor of fractional inhibition around the main bifurcation of apical dendrites. Interestingly, we found a strong exponential relationship that was absent in density of either synapse type. This suggests a distance dependent control mechanism designed specifically for the balance (in synapse numbers) of excitation and inhibition.
Next, we focused on the inhibitory innervation preference for apical dendrite of pyramidal neuron. We, therefore, annotated 5,448 output synapses of AD-targeting inhibitory axons and found two populations specific for either L2 or L3/5 apical dendrites. Together with previous findings on preferential innervation of sub-cellular structures by inhibitory axons, this suggests two distinct inhibitory circuits for control of AD activity in L2 vs. deep-layer pyramidal neurons. This innervation preference was surprisingly consistent across S1, V2, PPC and ACC cortices.
3D-EM data acquisition is a laborious process that is made easier and more popular everyday by technical progress in the laboratory and industrial settings. To make data acquisition robust using our custom-built 3D-EM microscopes, an automatic aberration software was implemented to adjust the objective lens and the stigmators of the electron microscope. This method was used in multiple month-long experiments across 2 microscopes and 10 datasets. The aberration adjustment used the reduction in image details (high-frequency elements) to estimate the level of deviation from optimal focus and stigmator parameters. However, large objects in EM micrographs such as blood vessel and nuclei cross-sections generated anomalous results. We, therefore, added image processing routines based on edge detection combined with morphological operations to exclude such large objects.
Finally, we performed a correlative three-dimensional (3D) light (LM) and electron (EM) microscopy experiment to map the long-range primary visual (V1) and secondary motor (M2) cortical input to ADs in layer 1 of PPC using the “FluoEM” approach. This method allows for identification of the long-range source of projection axons in EM volumes without the need for EM-dense label conversion or heat-induced markings. The long-range source of an axon in EM is identified based on the fluorescent protein that is expressed in its LM counterpart. In comparison to M2 input, Long-range axons from V1 had a higher tendency to target L3 pyramidal neurons in PPC according to our preliminary analysis. In combination with the difference observed in the synapse composition of L2 and L3 apical dendrites, this suggests the need for separate functional and structural analysis of L2 and 3 pyramidal neurons.
The rate of species extinctions due to anthropogenic activities has dramatically increased within the past few centuries (Dirzo & Raven, 2003; Novacek & Cleland, 2001). Although the mechanisms and ultimate causes leading to the extinction of species remain largely unclear (Frankham et al., 2002), five threats to global biodiversity have frequently been referred to as the most important: habitat destruction and fragmentation, global climate change, hunting and overuse of food resources, biological invasions and environmental pollution (Dudgeon et al., 2006; Lewis, 2006; Novacek & Cleland, 2001). Different research fields, as conservation biology, ecology and ecotoxicology, investigate the effects of these factors on organisms and found strong evidence for their negative impact on regional and global biodiversity.
In most cases, natural populations will be impacted not only by one threat, but rather a combination of them (Buckley & Roughgarden, 2004; Kappelle et al., 1999). Multiple environmental stress factors can have cumulative negative effects on the survival of populations (Sih et al., 2004). To understand, how natural populations respond to combinations of different stress factors is thus of crucial importance in order to understand our present and future impact on all scales of biodiversity (Warren et al., 2001).
The effects of anthropogenically introduced chemicals on organisms and ecosystems are investigated in the field of ecotoxicology. Research in this area has led to a large body of information concerning the impact of chemical stress on the fitness of model species in the laboratory. In contrast to this, there is an obvious lack of knowledge on the effects of contaminants on natural populations and communities (Bickham et al., 2000; Bourdeau et al., 1990). For instance, ecotoxicologists have just started to investigate the impact of environmental pollution on the genetic variability of natural populations (Bickham et al., 2000; Whitehead et al., 2003). Genetic variation provides the raw material for populations in order to adapt to changing environmental conditions and is thus the substrate for evolution and long-term survival of populations and species (Frankham, 2005). The amount of genetic variation in populations is positively correlated with the effective population size (Frankham, 1996). Habitat destruction and fragmentation has divided the ranges of many species into small and isolated refuges. Without migration from adjacent habitats, isolated populations will decrease in their level of genetic diversity through random loss of alleles (Hedrick, 2000). Frankham (1995) for instance, showed that 32 of the 37 endangered species (which occur in small populations per definition) of different animals and plant taxa display reduced levels of heterozygosity compared to closely related and more frequent species.
In strongly human impacted landscapes, both factors, environmental pollution and habitat destruction, can be expected to occur frequently together. It is thus of crucial importance to investigate the impact of reduced genetic diversity and inbreeding on the response to chemical stress. In addition, chemical exposure has frequently been discussed to have an impact on the extent of genetic variability in exposed populations (Guttman, 1994; Staton et al., 2001; van Straalen & Timmermans, 2002). However, evidence for this 'genetic erosion hypothesis' remained scarce to date, most likely because of the difficulty to single out the impact of pollution stress from a background of multiple factors which influence patterns of genetic variability in natural populations (Belfiore, 2001; Staton et al., 2001; van Straalen & Timmermans, 2002).
Coupling between epidermis and amphid morphogenesis during embryonic development of C. elegans
(2021)
Sensory organs are fundamental for survival of animal populations, since the detection of environmental stimuli is crucial for localization of nourishment, predators or mating partners. In nematodes, the amphid (AM) sensilla are the largest sensory organs for detection of chemical compounds.
This study investigates how the AM sensilla acquire their special elongated shape during lima-bean to 1.5-fold embryonic stages of C. elegans head development. The dissertation also examines events facilitating the morphogenesis of other head sensilla (IL/OL/CEP) and addresses aspects of general embryonic head morphogenesis. Using high resolution live-cell imaging techniques with different combinations of markers highlighting specific tissues, this study shows that epidermal head enclosure, migration of AM socket cells (pores) and translocation of AM dendrite tips are coupled processes, facilitating the elongation of AM dendrites. Importantly, during AM dendrite elongation the AM neural cell bodies are staying stationary. Manipulation through conducting UV-Laser ablation (epidermis close to pore/pore) and RPN-6.1 dsRNA interference resulted in compromised AM pore migration and impaired dendrite elongation. This leads to the conclusion that AM pores need to be physically attached (through C. elegans apical junctions, CeAJ) to the migrating epidermal sheet and to AM dendrite tips for successful AM morphogenesis. This study infers that RPN-6.1 plays an important role for correct AM pore morphogenesis and AM pore to AM dendrite tip attachment. Our results lead to the conclusion that head enclosure drives AM pore migration and AM dendrite elongation with AM neural cell bodies staying stationary. Thereby, CeAJ are interconnecting AM dendrite tips to AM pores and CeAJ link the sensillar ending to the migrating epidermis. Thus, migration of attached target tissue (pore), with neural cell bodies staying stationary (constituting an abutment), creates a pulling force facilitating AM dendrite elongation. This passive neurite elongation procedure is coined dendrite towing in this study.
Additionally, this study discovers that translocation of IL, OL and CEP head sensilla pores is influenced by apical constriction. This conclusion was made based on the findings that IL/OL/CEP pores migrate towards the prospective mouth anterior to the epidermal leading edge, separated from AM pores and irrespective of highly impaired AM sensilla morphogenesis after strong RPN-6.1 depletion. Also, concurrent with translocation of IL/OL/CEP pores, bottle-shaped cells occur and non-muscle-myosin and apical polarity factors are getting enriched at the anterior most part of the head, indicating de-novo manifestation of apical constriction. It is furthermore assumed that apical constriction in arcade cells might contribute to early pharynx development. All in all, this study reveals two force-generating events: Head enclosure-driven AM sensilla morphogenesis via dendrite towing and, otherwise, apical constriction-facilitated translocation of IL/OL/CEP sensilla pores. These events can get separated by graded depletion of the proteasome activator RPN-6.1.
Die mittelamerikanische Jagdspinne Cupiennius salei Keys. zeigt nach Reizung ventraler Tasthaare auf den proximalen Beingliedern in freier Natur und auch im Labor das relativ einfache, reflektorische Verhalten des „Körperanhebens“. Ziel der vorliegenden Arbeit war, den am Körperanheben maßgeblich beteiligten Coxamuskel c2 hinsichtlich seiner Anatomie, seiner funktionellen Faserzusammensetzung und Innervation sowie seiner Aktivität beim „Körperanheben“ und bei weiteren Bewegungsweisen der Spinne zu untersuchen. (1) Der c2-Muskel liegt im Prosoma der Spinne und setzt für jedes Bein am anterioren Coxarand an. In den 1. - 3. Beinpaaren liegt c2 zweigeteilt (apodemaler und tergaler Anteil), im Hinterbeinpaar dagegen einteilig (nur tergaler Anteil) vor. (2) Histochemische Nachweisreaktionen (Glykogengehalt, relative Succinatdehydrogenase- und relative myofibrilläre Adenosintriphosphatase-Aktivität) ergeben eine heterogene Faserzusammensetzung des c2-Muskels aus 4 Muskelfasertypen (A, B, C, D). Der apodemale c2-Anteil besteht homogen aus A-Fasern. (3) Messungen mit Laserdiffraktometrie zeigen für die A- und B-Fasern signifikant kürzere Sarkomerlängen als für die C- und D-Fasern. (4) Sodium-Dodecylsulfat-Polyacrylamid-Gelelektrophorese weist als Besonderheit für die A- und B-Fasern eine Paramyosin-Isoform P1 (107 kDa), eine Isoform der leichten Ketten des Myosins LC2 (22 kDa) und vermehrt eine Troponin-Isoform T4 (46 kDa) nach. In den Cund D-Fasern kommt allein eine 43-kDa-Bande und vermehrt eine Troponin-Isoform T2 (50 kDa) vor. (5) Der c2-Muskel der Vorder- und Hinterbeine wird durch einen eigenen Nerv innerviert. Retrograde Anfüllungen („Backfills“) des Nervs mit neuronalen Tracern legen eine polyneurale Innervation des c2-Muskels aller Beine dar, höchstwahrscheinlich jeweils durch 6 Motoneurone. Zwei davon sind jeweils positiv GABA (Gamma-Amino-Buttersäure) -immunreaktiv; dies ist ein Hinweis auf eine mögliche inhibitorische Innervation des c2-Muskels. (6) Wie Elektromyogramme freilaufender Spinnen zeigen, besteht das Körperanhebeverhalten aus zwei aufeinanderfolgenden Reaktionen: einer lokalen c2-Kontraktion im taktil gereizten Bein, die eine Bewegung im zugehörigen Prosoma-Coxa-Gelenk verursacht, und einer durch diese aktive Bewegung hervorgerufenen plurisegmentalen Reaktion im c2 der übrigen 7 Beine. Wird eine Coxa passiv bewegt, kann auch in festgelegten Spinnen eine plurisegmentale Reaktion aller 8 Beine ausgelöst werden. (7) Sowohl bei der lokalen als auch bei der plurisegmentalen Reaktion des „Körperanhebens“ rekrutiert c2 die gleichen neuromuskulären Einheiten. Dies deutet auf die gleiche zentalnervöse Endstrecke beider Reaktionen hin. Die Anzahl der elektrophysiologisch unterscheidbaren neuromuskulären Einheiten stimmt mit der der anatomisch nachgewiesenen Motoneuronen und Fasertypen überein. (8) Der tergale c2-Anteil ist immer, der apodemale Anteil nur bei schnellem Körperanheben, schnellen Laufstarts und bei Schreckreaktionen (Flucht) der Spinne aktiv. Hierbei rekrutiert der apodemale Teil nur zu Beginn der Verhaltensweise schnelle phasische Einheiten. (9) Ich diskutiere bei welchen Bewegungsweisen der Spinne die 4 Fasertypen vermeindlich zum Einsatz kommen, wie sie höchstwahrscheinlich innerviert werden und welche Konsequenzen die c2-Zweiteilung in den vorderen Beinpaaren (1 - 3) auf die Beinbewegung im Verhalten haben könnte. Am wahrscheinlichsten ist eine verstärkte Druckerhöhung zur Beinextension durch schnelle anfängliche Kontraktionen des „apodemalen Hebels“ und eine vektorielle Kräfteaddition der zwei Muskelteile. (10) Anhang II behandelt den internen Gelenkrezeptor R0 im Prosoma-Coxa-Gelenk. Ausschaltversuche weisen R0 als unentbehrlich für das Zustandekommen der plurisegmentalen Reaktion aus. Lage und Anordnung der R0-Sinneszellen sind in den Beinpaaren 1 - 3 und den Hinterbeinen verschieden.
BACKGROUND: Attention-Deficit/Hyperactivity Disorder (ADHD) is one of the most common neurodevelopmental disorders worldwide. As described in the DSM-5, ADHD is clinically heterogeneous with three main subtypes; predominant hyperactive, predominant attention deficit and combined. The severity of symptoms widely differs among the patients and interferes with the person functioning, negatively impacting social and occupational activities (American Psychiatric Association, 2013). Despite the many efforts, the etiology of the disorder is still unclear. Therefore, there is an increasing demand of models that would help elucidating the causative mechanisms of the disorder and, in parallel, would be valuable tools to discover new and effective treatments. The main goal of the study is the identification of disease specific cellular phenotypes related to Attention-Deficit/Hyperactivity Disorder (ADHD) in cellular models from patients carrying rare copy number variants (CNVs) in the PARK2 locus that have been previously associated with ADHD (Elia et al., 2010; Jarick et al., 2014).
METHODS: Human dermal fibroblast (HDF) cultures were obtained from skin punches and reprogrammed into human induced pluripotent stem cells (HiPSC) and successively induced to differentiate into HiPSC-derived dopaminergic neurons. Both HiPSC and HiPSC-derived neurons, were proven to be bona fide models by morphological analysis, RT-PCR, RT-qPCR, immunofluorescence, embryoid body assay, molecular karyotyping and dopamine level quantification. A total of six donors were selected for HiPSC and dopaminergic neuron generation: 3 adult ADHD PARK2 CNV risk carriers (1 duplication and 2 deletion carriers, 1 ADHD non-risk CNV variant carrier and 2 healthy controls).
We conducted stress-response experiments (nutrient deprivation and CCCP administration) that are well known to increase PARK2 expression, on both fibroblasts and HiPSC. After assessing PARK2 gene and protein expression levels, we evaluated the gene expression of genes that are involved with different processes orchestrated by PARK2. We then performed a series of assays with a special focus on mitochondrial function and energy metabolism (ATP production, basal oxygen consumption rates, ROS abundance) and evaluated changing in the mitochondrial network morphology.
To evaluate the effect of nicotine exposure, one of the best replicated prenatal risk factors for having a child later on diagnosed with ADHD, we treated HiPSC-derived dopaminergic neurons with smoking-relevant nicotine concentrations and evaluated PARK2 protein expression after treatment and gene expression by RNA sequencing.
RESULTS: The cell models created in this study passed all the characterization tests required to assess whether the lines can be considered bona fide models without underling genotype differences. The evaluation of patho-phenotypes connected with ADHD/PARK2 CNVs in HDF and HIPSC showed that, although PARK2 gene expression was unchanged, ADHD/PARK2 CNV carriers show different PARK2 protein levels possibly implying the presence of different post-transcriptional processes. ADHD/PARK2 CNV carriers show lower levels of ATP production and basal oxygen consumption rates compared to controls, a result in line with what was already reported in ADHD cybrids cells model (Verma et al., 2016). Our experiments indicate that both the amount of reactive oxygen species (ROS) and the mitochondrial network morphology is influenced by the treatment but not by the genotype. The evaluation of nicotine effects on HiPSC-derived dopaminergic neuron from aADHD patients showed no effects on PARK2 protein levels and gene expression. ADHD/PARK2 CNVs carriers show gene ontology enrichment in modules connected with the regulation of cell growth after nicotine acute treatment. Additionally, genes connected with energy production & oxidative stress response and extracellular matrix & cell adhesion were significantly differentially expressed after nicotine treatments.
CONCLUSIONS: This study points out the presence of impairment of mitochondrial energetics in cellular models derived from adult ADHD patients carrying rare CNVs within the PARK2 locus. In the last years, several studies have linked mitochondrial impairments to the etiology of psychiatric and neurodevelopmental disorders (McCann & Ross, 2018) and reported an overall increase of oxidative stress or insufficient response to oxidative damage both in children and adults with ADHD (Joseph, Zhang-James, Perl, & Faraone, 2015; Lopresti, 2015). Additionally, different groups have underlined an abnormal brain connectivity in ADHD patients in their work (Gehricke et al., 2017). Our preliminary investigation of the effects of a well-known prenatal risk factor for ADHD, nicotine gestation exposure, point out a susceptibility of the PARK2 CNVs carriers in processes involved in regulation of cell growth and in proteins connected with extracellular matrix composition and cell-adhesion molecules, all factors necessary for neuronal maturation and formation of proper neural connections (Washbourne et al., 2004). In conclusion, this study presents novel and fully validated cellular model systems to study the etiopathogenesis of ADHD based on rare CNVs in the PARK2 locus. Moreover, the identification of disease-relevant phenotypes in the model might be helpful in the future for testing new alternative medications.
Das aktuell diskutierte Modell der lichtabhängigen Magnetrezeption bei Vögeln beschreibt, dass die Richtung des Erdmagnetfelds durch Radikalpaarprozesse in spezialisierten Photorezeptoren wahrgenommen wird. Dabei werden Cryptochrome, eine Klasse photoaktiver Flavoproteine, als potentielle Kandidaten für das Radikalpaarmodell und damit als mögliches Magnetrezeptormolekül diskutiert. Verhaltensbiologische Experimente mit Zugvögeln zeigen, dass der Magnetrezeptionsprozess offensichtlich stark lateralisiert im rechten Auge stattfindet und dass dieser Prozess Licht aus dem blau-grünen Teil des Spektrums benötigt. Cryptochrome absorbieren Licht in diesem Bereich und besitzen darüber hinaus biochemische Eigenschaften, die für die Funktion des Radikalpaarmodells entscheidend sind. Vor dem Hintergrund dieser Überlegungen habe ich untersucht, ob Cryptochrom (CRY) in der Retina des Rotkehlchens, Erithacus rubecula, einem nachtziehenden Singvogel, zu finden ist. Mit molekulargenetischen Methoden konnte ich erstmals drei individuell exprimierte Cryptochrome aus der Rotkehlchenretina isolieren: Erithacus (e)-CRY1a, -CRY1b und -CRY2. Während eCRY1a und eCRY2 fast vollständig homolog zu Cryptochrom 1 und 2 in der Retina des Haushuhns sind, besitzt eCRY1b eine noch unbeschriebene C-terminale Domäne, die auf neue Proteinbindungseigenschaften und Interaktionspartner hindeutet. Die Identifizierung eines Kernlokalisierungssignals bei eCRY2 weist auf dessen Lokalisierung im Zellkern hin und macht seine Funktion als sensorischer Lichtrezeptor eher unwahrscheinlich. Ein mit Hilfe der Aminosäurensequenz erstelltes Proteinmodell von eCRY1 zeigt, dass dieser Typus zwei Cofaktoren besitzt: das katalytische Chromophor Flavinadenindinukleotid (FAD) und das lichtsammelnde Pterin Methenyltetrahydrofolat (MTHF). eCRY1a und eCRY1b sind Spleißprodukte des gleichen Gens; ihre C-terminalen Domänen sind auf unterschiedlichen Exonen codiert. eCRY1a und eCRY1b besitzen beide keine Membranbindedomäne und liegen zytosolisch vor. Weil jedoch laut Radikalpaartheorie die magnetosensitiven Rezeptoren zumindest im Moment der Photonenabsorption in einer bestimmten Anordnung und Raumrichtung vorliegen müssen, benötigen beide eCRY1-Varianten daher mindestens einen sphärisch fixierten Interaktionspartner. In meiner Arbeit diskutiere ich Opsine als mögliche Partner, da diese in den Aussensegmenten der Photorezeptoren stark geordnet und in konstanter Raumrichtung vorliegen. Die Genexpression von eCRY1a und eCRY1b unterscheidet sich sowohl zwischen den Augen als auch zwischen den CRY-Varianten. Im Mittel waren die Expressionswerte von eCRY1a in der Rotkehlchenretina fünf- bis zehnmal höher als die von eCRY1b. In der Dämmerung und nachts ist eCRY1a im linken Auge signifikant höher exprimiert als im rechten Auge. Im Gegensatz dazu ist die Expression von eCRY1b in beiden Augen gleich, zeigt jedoch einen signifikanten Anstieg zu Beginn des Zuges in der Dämmerung. Durch die unterschiedlichen Expressionsraten von eCRY1a und eCRY1b verschiebt sich zum Zeitpunkt der Richtungsentscheidung des Vogels in der Dämmerung das Verhältnis zwischen den beiden Cryptochrom1-Varianten im rechten Auge zugunsten von eCRY1b. Die Ergebnisse meiner Expressionsstudie deuten darauf hin, dass die in Verhaltensversuchen nachgewiesene Lateralisation des Magnetkompass bereits auf Rezeptorebene in der Retina beginnen könnte. mRNA in situ- als auch immunohistochemische Untersuchungen dieser Arbeit zeigen, dass bei Zugvögeln sowohl die mRNA als auch die Proteine beider eCRY1-Typen in den Innensegmenten der retinalen Photorezeptoren lokalisiert sind. Die räumliche Nachbarschaft zu Opsinen unterstützt die Annahme einer möglichen Interaktion zwischen diesen und Cryptochrom. Darüber hinaus lässt dieser Befund Spekulationen zu, dass die neuronale Verarbeitung der aus den Photorezeptoren stammenden magnetischen Richtungsinformation analog zum bildverarbeitenden Sehen stattfinden könnte. Modelle für eine mögliche Verschaltung und Signalverarbeitung der Cryptochromsignale werden in dieser Arbeit diskutiert. Insgesamt unterstützen die Befunde meiner Arbeit die im Radikalpaarmodell diskutierte Annahme, dass Cryptochrome eine entscheidende Rolle bei der Perzeption von magnetischer Kompassinformation bei Zugvögeln spielen und möglicherweise als Magnetrezeptormoleküle fungieren. Darüber hinaus könnten die Ergebnisse einen wichtigen Beitrag zu einem besseren Verständnis des Gesamtprozesses der Magnetrezeption bei Tieren leisten, und zwar von der Rezeptorzelle bis zur Verhaltensantwort. Meine Ergebnisse tragen möglicherweise auch dazu bei, die bekannten neurowissenschaftlichen und funktionell morphologischen mit den entsprechenden ethologischen Ergebnissen zu verknüpfen. Ich würde es sehr begrüßen, wenn meine Arbeit zu weiterführender Forschung auf diesem spannenden Gebiet anregt und zu einem besseren Verständnis der noch unbekannten Aspekte der Magnetrezeption beitrüge.
Ubiquitin and the ubiquitin-like protein ATG8 are covalently attached to their respective targets via a coordinated cascade involving E1 activating, E2 conjugating and E3 ligating enzymes. Whereas ubiquitin is conferred to proteins as mono- and/or polymer(s) to alter their stability, localization and/or activity, the ubiquitin-like modifier (UBL) ATG8 is conjugated to the phospholipid phosphatidylethanolamine (PE). The best understood function of ATG8 is during autophagy where ATG8-PE conjugates are incorporated into both layers of incipient autophagosomes and serve as multipurpose docking sites for autophagosomal cargo receptors as well as regulatory factors (termed adaptors) that drive formation and maturation of autophagosomes. Mammalian cells harbor six ATG8 family members that can be subclassified into the LC3- and GABARAP-family and that can all be lipidated. However, it is currently unclear to what extent these proteins are functionally redundant or fulfil unique roles.
Cullin-RING ligase complexes (CRLs) are modular E3 ubiquitin ligases that comprise a RING-finger protein that associates with the ubiquitin-charged E2 enzyme, a substrate recruiting module as well as a cullin scaffold as a linker between RING protein and substrate adaptor. Whereas SCF (SKP1-CUL1-F-box protein) complexes, the most studied CRLs, harbor cullin-1 (CUL1) as scaffold and F-box proteins as substrate binding modules, CUL3-containing CRL complexes employ cullin-3 (CUL3), RING-box protein 1 (RBX1) and BTB proteins as substrate adaptors. Here, the BTB domain serves as binding interface for CUL3 and is usually complemented by an additional protein-protein interaction domain such as MATH or Kelch that mediates binding to the substrate of the E3 ligase complex.
Besides ubiquitylation, guanine nucleotide binding is another common way to regulate protein activity and signaling in cells. Here, small Rho GTPases cycle between active and inactive states by binding of the guanine nucleotides GTP or GDP with the help of regulatory proteins. Whereas GTPase-activating proteins (GAP) render RAC1 inactive by facilitating GTP hydrolysis, guanine exchange factors (GEF) such as T-lymphoma invasion and metastasis-inducing protein 1 (TIAM1) activate RAC1 by stimulating the exchange of GDP to GTP. Local control of RAC1 activity is essential to allow a specific cellular response to stimuli such as growth factors or migratory impulses.
This study reports an unexpected link between the GABARAP subfamily of mammalian ATG8 proteins, the ubiquitin proteasome system and RAC1 through the ubiquitylation of the RAC1 GEF TIAM1. The Kelch repeat and BTB domain-containing proteins 6 (KBTBD6) and 7 (KBTBD7) were established as heterodimeric substrate adaptors for CUL3. Interestingly, a thorough proteomic analysis revealed a number of putative substrates but, out of 11 substrate candidates tested, only the RAC1 GEF TIAM1 appeared to be influenced by depletion of CUL3KBTBD6/KBTBD7. Binding studies showed that KBTBD7 binds TIAM1 via the Kelch repeats and that this binding was markedly enhanced when CUL3 activation was abolished upon treatment with the neddylation inhibitor MLN4924. Also, total TIAM1 abundance was increased upon CUL3KBTBD6/KBTBD7 depletion and accumulation of TIAM1 upon proteasome inhibition suggested that TIAM1 is degraded via the proteasome. In vivo ubiquitylation assays and denaturing immunoprecipitations as well as mass spectrometrical analysis confirmed that CUL3KBTBD6/KBTBD7 ubiquitylates TIAM1 at two distinct lysines (K1404 and K1420) close to its C-terminus.
Previously, KBTBD6 and KBTBD7 were found as interactors of several members of the human ATG8 family of proteins in a proteomic study analyzing the human autophagy network. This association was confirmed in the present work. Furthermore, peptide array technology and mutational analysis revealed that KBTBD6 and KBTBD7 employ a classical ATG8-family interacting motif (AIM; also referred to as LC3-interacting region or LIR) as binding interface. The AIMs of KBTBD6 (W-V-R-V) and KBTBD7 (W-V-Q-V) fulfil the consensus AIM sequence motif (F/W/Y1-X2-X3-I/L/V4) and are preceded by several acidic residues and serines. A series of structural and cell biological experiments revealed a binding preference for the GABARAP subfamily of human ATG8 proteins and most importantly, a requirement of the GABARAP-KBTBD6 and -KBTBD7 interaction for TIAM1 ubiquitylation. The finding that TIAM1 binding to KBTBD6 and KBTBD7 AIM mutants was diminished raised the possibility that GABARAP binding mediates the recruitment of CUL3KBTBD6/KBTBD7 to membranes where TIAM1 is localized. Interestingly, colocalization of KBTBD6, GABARAPL1 and TIAM1 in punctuate structures could be observed. Since only a very small fraction of GABARAPL1 colocalized with LC3B, and colocalization between KBTBD6 and LC3B was not observed, these vesicular structures are most likely distinct from autophagosomes. Furthermore, TIAM1 ubiquitylation was reduced when GABARAP, but not LC3B, was depleted or when lipidation of GABARAP was prevented.
Stabilization of TIAM1 upon KBTBD6 and/or KBTBD7 depletion led to elevated TIAM1-dependent RAC1 activity, altered actin morphology with increased cortical actin and loss of vinculin foci. Re-introduction of wild-type KBTBD6 or KBTBD7 but not AIM mutants reverted all these phenotypes. Moreover, depletion of KBTBD6 or KBTBD7 in human breast cancer cells massively increased their invasiveness, whereas TIAM1 knockdown had the opposite outcome. All physiological effects of KBTBD6 and KBTBD7 depletion were inhibited by additional depletion of TIAM1 or RAC1 confirming that the phenotypes observed are indeed mediated by the CUL3KBTBD6/KBTBD7-TIAM1-RAC1 signaling pathway. Intriguingly, KBTBD6 and KBTBD7 were not subject to autophagosomal degradation, thereby establishing a new function for GABARAP proteins beyond autophagosomal degradation in providing a signaling platform for recruitment of the E3 ligase CUL3KBTBD6/KBTBD7 in close proximity to its substrate TIAM1, enabling localized ubiquitylation.
Local restricted control of RAC1 activity by ubiquitylation has been described for TIAM1-RAC1 signaling previously. Examples are HECT, UBA and WWE domain-containing protein 1 (HUWE1)-mediated TIAM1 ubiquitylation that occurs predominantly at cell-cell-junctions in response to hepatocyte growth factor stimulation in MDCKII cells or inhibition of RAC1 activity by the RAC1 GAP protein BCR (breakpoint cluster region) at the leading edge of astrocytes through binding to the TIAM1-Par (polarity) complex. SCFBTRC mediates ubiquitylation of TIAM1 in response to mitogens or DNA damage, though it has not been explored whether this regulation is spatially restricted. Thus, this study adds a novel layer of complexity to the spatial regulation of RAC1 signaling by implicating membrane-bound human ATG8 proteins in this process.
Also, this study is the first report specifically implicating the GABARAP proteins in cellular signaling events. It will be interesting to explore whether the concept of localized signaling mediated by GABARAPs applies to other substrates of CUL3KBTBD6/KBTBD7 and membranerelated signaling processes in which GABARAP proteins are involved. Controlling RAC1 activity at GABARAP-decorated membranes might also be important for trafficking events or autophagy since it was described that RAC1 has an inhibitory function on autophagy. Therefore, spatial restricted ubiquitylation of TIAM1 resulting in specific deactivation of RAC1 could promote the autophagic process when locally needed. Although the catalytic mTOR inhibitor Torin1 and the lysosomal H+ ATPase inhibitor BafilomycinA1 promoted TIAM1 ubiquitylation by increasing the pool of membrane-conjugated GABARAP, but other signals that stimulate GABARAP-KBTBD6/KBTBD7 association and subsequent TIAM1 ubiquitylation are to be identified. Besides, determining the KBTBD6/KBTBD7 binding site in TIAM1 or uncovering a deubiquitylating enzyme (DUB) that locally counteracts the ubiquitylation of TIAM1 will enable a better comprehension of the complete localized signaling cascade.
Die Funktion der äußeren Haarsinneszellen geht weit über die normale Rezeptoreigenschaft der Kategorie Mechanorezeptor hinaus. Äußere Haarzellen mit ihrer reichhaltigen efferenten Innervierung sind nicht nur für die sensorische Aufnahme mechanischer Bewegung zuständig, sondern ermöglichen aufgrund ihrer motorischen Funktionen die mechanische Verstärkung der Wanderwelle in der Cochlea. Äußere Haarzellen sind eine maßgebliche Komponente des ´cochleären Verstärkers` und ihr Ausfall führt zur Schwerhörigkeit. Beiprodukte des cochleä-ren Verstärkers sind otoakustische Emissionen, deren Messung Aufschluss über aktive mechanische Prozesse im Innenohr gibt.
Die äußeren Haarsinneszellen bilden Synapsen mit dem olivo-cochleären efferenten System, welches im Zentrum der vorliegenden Untersuchung steht. Es vermittelt den Einfluss des Zentralnervensystems auf das Corti-Organ des Innenohrs. Über die akustische Reizung des olivo-cochleären Reflexbogens ist man in der Lage, das efferente System zu aktivieren und gleichzeitig die Antworteigenschaften der Cochlea zu verändern. Efferente Modulationen des cochleären Verstärkers können sich z. B. in einer Veränderung des Emissionspegels bemerk-bar machen. Die Fledermausspezies Carollia perspicillata ist aufgrund ihres Echoortungs-systems mit einem sehr sensitiven und hochauflösenden Hörvermögen ausgestattet und eignet sich hervorragend als Modelltier in der Hörforschung, insbesondere auch deshalb, da oto-akustische Emissionen sehr gut messbar sind.
Das efferente System von C. perspicillata wurde in dieser Untersuchung durch akustische Stimulation der kontralateralen Cochlea angeregt. Die Stimuli, die nicht nur in ihrem Pegel sondern auch in ihrer Bandbreite und in der Mittelfrequenz in Relation zu den ipsilateralen Stimulusfrequenzen variierten, beeinflussten dabei die Generierung der otoakustischen Emis-sionen (DPOAE, engl: distortion product otoacoustic emissions) im ipsilateralen Ohr: akustische Stimulation der kontralateralen Cochlea bewirkte zuverlässig eine Änderung der DPOAE- Amplitude im kontralateralen Ohr. Vor allem eine Suppression des cochleären Verstärkers in Form von DPOAE-Pegelverminderungen wurde beobachtet. Die supprimieren-den Effekte erreichten trotz leiser bis moderater kontralateraler Rauschpegel (bis maximal 54 dB SPL) Werte von bis zu 14, 17.1 und 13.9 dB SPL (bei f2 = 20, 40 und 60 kHz und effek-tivstem kontralateralen Rauschstimulus) und waren damit deutlich größer als in vorangegang-enen Studien an anderen Spezies. Die DPOAE-Pegelverminderungen waren positiv mit dem x Pegel der kontralateralen akustischen Stimulation, ebenso wie seiner Bandbreite und der Mittelfrequenzen in Relation zu den ipsilateralen Stimulusfrequenzen korreliert. Es gab keinen absoluten Frequenzbereich, in dem die efferenten Effekte am größten gewesen wären. Vielmehr traten maximale Effekte immer durch etwas oberhalb der ipsilateralen Stimulusfre-quenzen gelegene kontralaterale Rauschstimuli auf. Die Effekte waren auch abhängig von der Bandbreite des kontralateralen Rauschstimulus und maximal bei einer relativen Bandbreite von 1.5 Oktaven. Die Verschiebung des efferenten Effekts hin zu hohen Frequenzen und die Bandbreitenabhängigkeit sind vereinbar mit den anatomischen Eigenschaften der Projektio-nen der medialen olivo-cochleären Efferenzen in der Säugetiercochlea. Kontralaterale akusti-sche Reizung bewirkte auch eine Verschiebung der Wachstumsfunktionen der 2f1-f2 -DPOAE in einen unsensitiven Bereich und außerdem eine Verformung der Wachstumsfunktion. Bei-des könnte durch Beeinträchtigung des cochleären Verstärkers verursacht sein. Eine Beteili-gung des Mittelohrmuskels an den Effekten kann nahezu ausgeschlossen werden und die beobachteten Effekte sind höchstwahrscheinlich dem olivo-cochleären System zuzuschreiben.
Funktionell ist denkbar, dass bei C. perspicillata das mediale olivo-cochleäre System im Kontext einer Frequenzverschärfung bei der cochleären Verstärkung der Basilarmembranbe-wegung aktiv wird. Aus diesem Grund wurden ipsilateral sogenannte DPOAE-Suppressions- Abstimmkurven gemessen, welche die mechanische Abstimmschärfe im Innenohr beschrei-ben. Während und nach kontralateraler Reizung kam es zu Veränderungen der Abstimmkur-ven. Signifikante Effekte konnten allerdings nicht festgestellt werden, da die Veränderungen der Suppressions-Abstimmkurven variabel und schlecht kategorisierbar war.
Die vorliegenden Ergebnisse unterstützen weit verbreitete Hypothesen zur Funktion der medialen olivo-cochleären Effernzen in Bezug auf mechanische Suppression, Verbesserung des cochleären Signal-Rauschverhältnisses und einer generellen frequenzspezifischen Wirkung.
Einige Vogelarten verstecken im Herbst Samen, um die Samenverstecke im darauffolgenden Winter wieder auszubeuten. In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, wie sich der Kiefernhäher (Nucifraga columbiana), der Eichelhäher (Garrulus glandarius) und die Sumpfmeise (Parus palustris) beim Schaffen und Ausbeuten ihrer Wintervorräte orientieren. Bei den beiden Häherarten sollte herausgefunden werden, ob der Sonnenkompaß eine Rolle bei der Orientierung spielt, wie schon bei dem Buschblauhäher (WILTSCHKO & BALDA 1989) gezeigt werden konnte. Bei den Sumpfmeisen wurde zum einen untersucht, ob eine experimentelle Veränderung des Erdmagnetfeldes eine Rolle bei der Orientierung spielt. Weiterhin wurde untersucht, ob eine Veränderung der Position von zwei starken Scheinwerfern eine Rolle bei der Orientierung der Meisen spielt. Die Versuche mit Kiefernhähern wurden in Flagstaff (Arizona), die mit Eichelhähern und Sumpfmeisen in Frankfurt am Main durchgeführt. Die Versuche mit Kiefernhähern und Eichelhähern fanden in gleichartigen Volieren unter der natürlichen Sonne statt. Die Vögel durchliefen eine Serie von klassischen Zeitumstellungsversuchen. Die Kiefernhäher wurden darüber hinaus unter verschiedenen Licht- und Schattenverhältnissen getestet. Die Sumpfmeisen wurden in einem Versuchskäfig in einer Holzhütte unter Kunstlichtbedingungen getestet. In einer Versuchsserie wurde die Horizontalkomponete des den Versuchskäfig umgebenden Erdmagnetfeldes um 120° gedreht. In einer weiteren Versuchsserie wurde mit zwei Halogenscheinwerfern gearbeitet, deren Position während der Versuche verändert wurde. Es konnte gezeigt werden, daß sowohl beim Kiefernhäher als auch beim Eichelhäher die Sonne eine entscheidende Rolle bei der Orientierung beim Samenverstecken und der Samensuche spielt. Bei beiden Corvidenarten ist die Sonne hier in einem redundanten, multifaktoriellen System eingebunden wie es auch schon für Zugvögel und Brieftauben nachgewiesen werden konnte. Es gibt Anzeichen dafür, daß Kiefernhäher, die den Tageslauf der Sonne länger nicht mehr mitverfolgen konnten, den Sonnenkompaß erst wieder erlernen müssen. Es konnte gezeigt werden, daß die Genauigkeit, mit der die Kiefernhäher ihre versteckten Samen finden, in mehreren, aufeinander folgenden Versuchen abnimmt. Kiefernhäher besitzen ein komplizierteres Orientierungssystem als der in der Vorstudie (WILTSCHKO & BALDA 1989) untersuchte Buschblauhäher, da sie auch ökologisch mehr auf die versteckten Samen angewiesen sind, als die Buschblauhäher. Desweiteren konnte gezeigt werden, daß Eichelhäher in der Lage sind, die Position von Orten, die ihnen in einer Trainigsphase antrainiert wurde, auch nach einer versuchsfreien Phase von drei Monaten fehlerfrei wiederzufinden. Bei Sumpfmeisen konnte gezeigt werden, daß sie in der Lage sind, sich nichtvisuell zu orientieren. Ob das Erdmagnetfeld hierbei eine Rolle spielt, konnte weder bestätigt noch ausgeschlossen werden. Es konnte gezeigt werden, daß die Position der Halogenscheinwerfer bei der Orientierung der Sumpfmeisen während der Samensuche eine Rolle spielt. Es gelang in dieser Arbeit, die Hypothese zu bestätigen, daß Vögel Kompaßmechanismen nicht nur zur Orientierung während des Vogelzuges oder dem Rückflug zum Nest sondern auch in ihrem unmittelbaren Umgebungsbereich benutzen.
Ziel dieser Arbeit ist es, einen Überblick über die Verhaltensweisen zoolebender Zwergschimpansen (Pan paniscus Schwarz 1929) zu geben. Dabei nimmt die Beschreibung des Sozialverhaltens eine zentrale Stellung ein. Dieser Aspekt ist von besonderem Interesse, weil die Zwergschimpansen oder Bonobos durch eine regelmäßige Überflutung großer Teile ihres Lebensraumes zu einer stärker arborealen Lebensweise gezwungen sind (s. HOFW 1975) als die zweite Schiopansenart, Pan troglodytes. Das läßt neben morphologischen auch ethologische Anpassungen an ein Baumleben erwarten, und zwar sowohl in Bereichen wie Lokomotion etc.. als auch in Bezug auf das Sozialverhalten. Gerade auf diesem Gebiet aber ist unser ohnehin bruchstückhaftes Wissen über die Ethologie des Bonobo besonders gering....
Deciphering the ecological functions of fungal root endophytes based on their natural occurrence
(2017)
Plants are colonized by a large diversity of fungi, some residing on the surface and others penetrating the plant tissues, the latter referred to as fungal endophytes (endon Gr., within; phyton, plant; de Bary 1879). Despite the saprotrophic potential of fungal endophytes, they are not found to cause visible disease symptoms to the host. Plants are colonized simultaneously by various fungal species, which form rich and diverse endophytic assemblages. Although it is hypothesized that fungal endophytes contribute to the fitness of their hosts and to the functioning of ecosystems, the ecological function of fungal endophytic assemblages remains cryptic. The aims of this doctoral thesis are to gain insight to the ecological functions of root fungal endophytes, by deciphering their roles in ecosystems based on their natural occurrence and the structure of their assemblages. The thesis focuses on studying the diversity and structure of the endophytic mycobiome within roots of two annual and widespread plant hosts Microthlapsi perfoliatum and M. erraticum (Brassicaceae) in several locations across northern Mediterranean and central Europe. The thesis is composed by six Chapters, with a primary focus on Chapter 1, 2 and 3.
Chapter 1 (Glynou et al., 2016) aimed at characterizing the diversity of fungal endophytes in roots at a continental scale and at assessing the factors affecting the structure of endophytic assemblages with the use of cultivation-based methods. For that, root samples were collected from 52 plant populations, along with a collection of soil, bioclimatic, geographic and host data. Cultivation of surface-sterilized root samples on culture media and isolation of fungal colonies in pure culture generated 1,998 fungal colonies. Grouping of sequences into Operational Taxonomic Units (OTUs), based on the 97% similarity of the isolates’ rDNA Internal Transcribed Spacer (ITS) sequence, generated in total 296 OTUs, representing taxa mostly within the phylum Ascomycota with a minor representation of Basidiomycota. Endophytic assemblages were mostly correlated with variation in bioclimatic conditions. Interestingly, despite the large diversity revealed, the assemblages were dominated by only six OTUs related to the orders Hypocreales, Pleosporales and Helotiales, which had a widespread distribution across populations but with some following patterns of ecological preferences.
Chapter 2 aimed at characterizing the uncultivable fraction of the root fungal endophytic diversity, which was not possible to capture in Chapter 1. High-throughput sequencing via the
Illumina Miseq platform was implemented in 43 of the 52 original populations and mostly in the same root samples. In comparison with the cultivation-based approach, the HTS managed to cover the overall diversity within samples. It revealed a large non-cultivated endophytic diversity but the same cultivable fungi dominated assemblages. Moreover, the endophytic diversity was grouped mostly within fungal orders with demonstrated ability to grow in culture and taxonomically related groups were found to have divergent ecological preferences.
The genetic identity of the most abundant OTUs was further investigated in Chapter 3 (Glynou et al., 2017), aiming to unravel genotypic variability, which was possibly overlooked due to the use of lTS, as a universal genetic marker, and could explain their high abundance and widespread distribution. Multi-locus gene sequencing and AFLP profiling for the five most abundant OTUs suggested a low within-OTU genetic variability and show that these fungi have ubiquitous distribution and are not limited by environmental conditions within the ecological ranges of the study. A selection of endophytes frequently isolated in Chapter 1 was functionally characterized in Chapter 4 (Kia et al., 2017) based on the isolates’ traits and interactions with plants. In Chapter 5 (Cheikh-Ali et al., 2015) fungal cultures of Exophiala sp. with differential colony structure where investigated for their production of secondary metabolites. Moreover, Chapter 6 (Maciá-Vicente et al., 2016) comprises the description of the new species Exophiala radicis based on morphological and molecular characteristics.
Compilation of all results shows that the fungal endophytic diversity in roots of Microthlaspi spp. is high but few widespread OTUs dominate the assemblages, and have unlimited dispersal ability. These fungi seem also to have a wide niche breadth and are not affected by environmental filtering. The findings indicate that the local environment but also processes of competitive exclusion determine the structure of endophytic assemblages. In addition, the fungal endophytes associated with Microthlapsi spp. likely have saprotrophic activity however the interactions with plants are likely context-dependent. Further research is needed to assess the biotic interactions among endophytes and their effect on the structure of fungal endophytic assemblages. Ultimately, the findings of this thesis are useful to shed light on the processes underlying the structure of endophytic assemblages. They also upraise the need to describe diversity by combining genetic, metabolic and physiological data, in order to disentangle the elusive ecological roles of the endophytic mycobiome.
Degenerationsvorgänge am Innenohr und experimentelle Untersuchungen über Protektionsmöglichkeiten
(2000)
Hörverluste durch Innenohrschäden gelten beim Menschen und anderen Säugetieren als irreversibel. Deshalb wird es von vielen Wissenschaftlern versucht, eine Regeneration im Innenohr der Säugetiere zu induzieren oder das Ohr pharmakologisch vor Schädigung zu schützen. Ziel dieser Arbeit war es zu untersuchen, ob neurotrophe Wachstumsfaktoren Meerschweinchen vor experimentell ausgelösten Innenohrschäden schützen können. Als erstes wurde in dieser Arbeit ein Tiermodell zur akuten und frequenzspezifischen Hörschädigung entwickelt. Meerschweinchen wurden Kanamycin und Ethakrynsäure intravenös infundiert. Es wurde festgestellt, daß die erwünschten frequenzspezifischen Hörverluste durch 266 mg/kg Kanamycin kombiniert mit 30 mg/kg Ethakrynsäure reproduzierbar induziert werden konnten. Die Hörschwellen und ihre Verluste wurden anhand der Summenaktionspotentiale vom Hörnerv bestimmt. Anschließend wurde an Meerschweinchen eine Methode zur chronischen Applikation von Wachstumsfaktoren ausgearbeitet. Es wurden drei implantierbare Applikationssysteme getestet, das Mikrodosiersystem (MDS) aus der Tübinger HNO-Klinik, die wiederbefüllbaren ESOX-Pumpen und osmotische ALZET-Pumpen. Durch die osmotischen ALZET-Mikropumpen konnten neurotrophe Faktoren über einen Zeitraum von mehreren Wochen kontinuierlich und zuverlässig appliziert werden. Diese Pumpen wurden in Meerschweinchen implantiert und lieferten eine Lösung mit der Testsubstanz oder eine Kontrollösung, die an das runde Fenster der Cochlea oder in die Zerebrospinalflüssigkeit abgegeben wurden. Im dritten Teil der Arbeit wurden die beiden entwickelten Methoden miteinander kombiniert. Damit war es möglich zu testen, ob der durch die Mikropumpen applizierte neurotrophische Faktor-3 (NT-3) die durch Ototoxika ausgelösten Schwellenverluste vermindert, Argumente für die Wahl von NT-3 waren, daß NT-3 in vitro bereits eine starke protektive Wirkung an den Neuronen des Spiralganglions erwiesen hatte (Marzella et al., 1997). Außerdem sind Rezeptoren für NT-3 auch bei adulten Tieren in den cochleären Haarzellen vorhanden. Die physiologische Wirkung von NT-3 war aber in vivo noch nicht untersucht worden. Zu Beginn der Experimente wurden die Tiere mit Mikropumpen implantiert, die über 14 Tage eine NT-3-haltige oder Kontrollösung applizierten. Vier Tage nach Implantation der Pumpen wurden die Meerschweinchen durch die Infusion der oben genannten ototoxischen Arzneimitteln vertäubt. Die Hörschwellen wurden kurz bevor und über 32 Tage nach der Vertäubung gemessen. Die Hörschwellen der mit NT-3 behandelten Tiere wurden mit den Hörschwellen der Kontrolltiere verglichen. Durch die Infusion von Kanamycin und Ethakrynäure wurden bei Meerschweinchen Hörverluste in der Größenordnung von 40 dB induziert. Bei der Gabe von NT-3 an die rechten Cochleae wurden diese ototoxisch ausgelösten Schwellenverluste um 9 dB vermindert, und dies nicht nur auf der behandelten, sondern auch auf der kontralateralen Seite. Diese Befunde deuteten darauf hin. daß bei der lokalen Gabe die neurotrophen Faktoren auf systemischem Wege auch andere Seite erreichen und dort eine Wirkung ausüben. Ähnliche Effekte wurden auch bei lokaler Gabe von einem anderen neurotrophen Faktor, Glial cell line-derived neurotrophic factor (GDNF), beoobachtet (Shoji et al., 2000). Die kontralaterale Wirkung war hier aber schwächer (3 dB), als die ipsilaterale (5 dB). Die ins Ohr implantierten Pumpen verursachten per se Hörverluste von etwa 5 dB. NT-3 verminderte auch diese Hörverlustedurchschnittlich um 4 dB. In einer weiteren Versuchsreihe wurde der systemische Effekt von NT-3 geprüft. Dafür wurde NT-3 nicht lokal an das runde Fenster der Cochlea, sondern in die Zerebrospinalflüssigkeit appliziert. Die ototoxisch ausgelösten Hörverluste konnten durch den systemisch gegebenen NT-3 um 5 dB verringert werden. Relativ zu den ototoxisch ausgelösten Hörverlusten in der Größenordnung von 40 dB war die Protektion durch systemisch (5 dB) oder lokal (9 dB) applizierten NT-3 gering. Die stärkste otoprotektive Wirkung durch Wachstumsfaktoren, von 12-18 dB, wurde bis jetzt durch gentechnisch in die Cochlea eingebrachten GDNF erreicht (Yagi et al., 1999). Der Schutzeffekt durch den lokal am Ohr gegebenen GNDF (5 dB, Shoji et al., 2000) war aber geringer, als der vom identisch verabreichten NT-3 (9 dB, diese Arbeit, s. auch Sudavicius et al., 2000). Wenn durch gentechnische Art des Verabreichens die Wirkung von NT-3 im gleichen Maße potenziert werden sollte, wie es bei GDNF der Fall ist, wäre die protektive Wirkung von NT-3 stärker als die von GDNF.
Der DNA-Translokator von T. thermophilus HB27, ebenso wie Typ-IV-Pili (T4P), sind Multiproteinkomplexe, die die Membranen und das Periplasma durchspannen. Sie sind ähnlich aufgebaut und enthalten identische Proteine. Der DNA-Translokator vermittelt Transport von DNA in das Zellinnere während der natürlichen Transformation. T4P sind filamentöse Zellorganellen, die an der inneren Membran assembliert werden und bis zu mehrere Mikrometer aus der Zelle hinausragen. Sie dienen der Anhaftung und Fortbewegung der Zellen auf Oberflächen.
Das Ziel dieser Arbeit war es, die Funktionen einzelner Komponenten der Komplexe und ihrer Proteindomänen bei der natürlichen Transformation, der T4P-Assemblierung und den durch T4P vermittelten Funktionen Adhäsion und „twitching motility“ aufzuklären.
Es sind neun Proteine bekannt, die eine duale Rolle als Komponenten des DNA-Translokators und des T4P spielen. Eines dieser Proteine ist die Assemblierungs-ATPase PilF, die Hexamere bildet. Diese cytoplasmatischen ATPase-Komplexe stellen die Energie für die Assemblierung der T4P bereit, ebenso wie für die Aufnahme freier DNA. Es ist jedoch bisher nicht geklärt, wie die durch PilF bereitgestellte Energie auf die anderen Komponenten des DNA-Translokators/T4P übertragen wird.
In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass PilF an das cytoplasmatische Protein PilM des T4P und DNA-Translokators bindet. Zudem konnten Proteinkomplexe bestehend aus den Proteinen PilM, PilN und PilO heterolog produziert und aus Zellmembranen koisoliert werden. PilF interagierte mit diesen PilMNO-Komplexen via PilM. Diese Interaktionen führt zur Stimulierung der ATPase-Aktivität von PilF. Dies deutet an, dass PilM ein Kupplungsprotein ist, welches die Assemblierungs-ATPase PilF physisch und funktionell mit dem T4P/DNA-Translokator über den PilMNO-Komplex verbindet.
Neben PilF standen Präpiline von T. thermophilus im Fokus dieser Arbeit. Präpiline sind Vorläuferproteine, die zu Pilinen prozessiert werden und als solche dann die Untereinheiten der Pilus-Strukturen bilden.
Zusammenfassend konnten die Rollen einzelner Präpilin-ähnlicher Proteine bei T4P-assoziierten Funktionen geklärt werden und es konnten erste Analysen zur Charakterisierung des weitestgehend unbekannten Proteins ComZ durchgeführt werden. Desweiteren liefert diese Arbeit Hinweise darauf, dass die membranassoziierten Proteine PilM, PilN und PilO Kupplungsproteine sind, die PilF mit den periplasmatischen Komponenten des T4P/DNA-Translokators verbinden und dadurch die ATPase-Aktivität von PilF stimulieren. Die Rollen einzelner Proteindomänen von PilF und PilM bei der Protein-Protein-Interaktion und der Bindung von Liganden wurden aufgeklärt, sowie ihre Funktionen bei den T4P-vermittelten Funktionen und der natürlichen Transformation.
In dieser Arbeit wurde der Hefepilz Xanthophyllomyces dendrorhous als vielseitige biotechnologische Plattform für die Produktion von Carotinoiden verwendet. Durch genetische Modifikationen der Carotinoidbiosynthese wurde ein Astaxanthin-Hochproduzent zur Akkumulation des farblosen Phytoens, das die menschliche Haut vor der schädlichen Wirkung der UV-Strahlung schützt und des gelben Zeaxanthins, das zur Förderung und Erhalt der Sehfähigkeit beiträgt, befähigt. Zur Generierung eines Phytoen-Hochproduzenten wurde das Gen crtI (Phytoen-Desaturase) inaktiviert und der Phytoengehalt durch Überexpression der Gene HMGR, crtE und crtYB gesteigert. Die Generierung eines Zeaxanthin-Hochproduzenten beinhaltete die Inaktivierung des Gens asy (Astaxanthin-Synthase) und die heterologe Expression einer bakteriellen ß-Carotin-Hydroxylase CrtZoXd.
Die Inaktivierung der Gene erfolgte mit spezifischen Knock-Out-Konstrukten, die mittels homologer Rekombination in crtI oder asy integrierten. Nachdem die Transgene auf Vektoren mit verschiedenen Antibiotikaresistenzen kloniert wurden, wurde die Überexpression durch genomische Integration in die ribosomale DNA erreicht. Anschließend wurde die Carotinoidzusammensetzung der Zellextrakte durch Hochleistungsflüssigkeitschromatographie an einer C18-Trennsäule oder durch Dünnschichtchromatographie bestimmt. Der Knock-Out-Nachweis erfolgte mittels Polymerase-Kettenreaktion und Amplifikation der Genloci, während die Anzahl integrierter Carotinoidgene durch quantitative Real-Time-PCR bestimmt wurde. Die Kultivierungen von X. dendrorhous wurden sowohl in Schikanekolben als auch in einem 2L-Bioreaktor durchgeführt.
Im Zuge der genetischen Modifikationen konnte der Ploidiegrad des Wildtyps bestimmt werden, der bis dahin unbekannt war. Durch das Auftreten von instabilen heterozygoten Stämmen und deren Überführung zu stabilen Homozygoten wurde die Existenz eines diploiden Genoms nachgewiesen. Um die für die biotechnologische Anwendung notwendige Stabilität der Carotinoidbiosyntheseleistung zu erreichen, wurden zwei Strategien entwickelt. Hierbei erfolgte die Stabilisierung der Stämme als Folge mitotischer Rekombination nach Subkultivierung und anschließender Farbselektion oder durch Induktion des sexuellen Zyklus und Sporulation.
Der crtI-Knock-Out führte zur Akkumulation von 3,6 mg/g dw Phytoen. Anschließend wurde die Limitierung der Phytoensynthese durch crtYB-Überexpression aufgehoben und die Versorgung der Carotinoidbiosynthese mit Vorläufermolekülen durch HMGR- und crtE-Überexpression erhöht. Im Bioreaktor wurde durch die Anwendung eines dreistufigen Fed-Batch-Prozesses, der eine effiziente Glucoseverwertung sicherstellte, mit 10,4 mg/g dw die höchste bis dato publizierte zelluläre Phytoenkonzentration im stabilisierten Hochproduzenten erreicht.
Der asy-Knock-Out führte zur Akkumulation von 4,5 mg/g dw ß-Carotin, das anschließend durch heterologe Expression der codon-optimierten ß-3,3-ß-Hydroxylase crtZoXd im Hochproduzenten zu 3,5 mg/g dw Zeaxanthin umgesetzt wurde. Zur Optimierung des Vorgehens wurden Knock-In-Konstrukte entwickelt, mit denen beide Schritte (Knock-Out und Integration von Carotinoidgenen) in nur einem molekular-biologischen Schritt durchgeführt und 94 % des in einem Wildtypstamm vorhanden ß-Carotins zu Zeaxanthin umgesetzt wurden. Die Optimierung der Wachstumsbedingungen bei der Bioreaktor-Kultivierung des stabilisierten Zeaxanthinproduzenten führte mit 10,8 mg/L zu einem 5-fach höheren Zeaxanthingehalt im Vergleich zur Schikane-Kultivierung.
Durch den Einsatz der Pentosen Arabinose und Xylose als alternative Kohlenstoffquellen wurde der Carotinoidgehalt der Phytoen- und Zeaxanthin-Hochproduzenten um 70 bzw. 92 % im Vergleich zur Glucose-Kultivierung gesteigert, wobei die Gründe für diesen Effekt in einer stärkeren Kohlenstoffverwertung und der Hemmwirkung von Glucose vermutet wurden. Aus verschiedenen pflanzlichen Abfallstoffen kann Xylose durch Hydrolyse freigesetzt werden, deren Nutzung zum Aufbau einer nachhaltigen und kostengünstigen biotechnologischen Carotinoidproduktion beitragen kann.
Darüber hinaus wurden multioxigenierte Zeaxanthinderivate, von denen eine positive Wirkung auf die menschliche Gesundheit vermutet wird, durch kombinatorische Biosynthese erhalten. Durch die schrittweise Integration der Gene crtZoXd, crtG (ß-2,2-Hydroxylase) und bkt (ß-4,4-Ketolase) in eine ß-Carotinmutante wurde die Biosynthese von Zeaxanthin, Nostoxanthin und schließlich von 4-Keto-Nostoxanthin und 4,4-Diketo-Nostoxanthin erreicht. Anschließend erfolgte die chemische Reduktion zu den neuartigen Carotinoiden 4-Hydroxy-Nostoxanthin und 4,4-Dihydroxy-Nostoxanthin und der zweifelsfreie Nachweis aller vier Carotinoide anhand der mittels Massenspektrometrie bestimmten Molekülmassen und Fragmentierungsmuster.