Biologische Hochschulschriften (Goethe-Universität)
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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.
The enzyme acetyl-CoA carboxylase (ACC) plays a fundamental role in the fatty acid metabolism. It regulates the first and rate limiting step in the biosynthesis of fatty acids by catalyzing the carboxylation of acetyl-CoA to malonyl-CoA and exists as two different isoforms, ACC1 and ACC2. In the last few years, ACC has been reported as an attractive drug target for treating different diseases, such as insulin resistance, hepatic steatosis, dyslipidemia, obesity, metabolic syndrome and nonalcoholic fatty liver disease. An altered fatty acid metabolism is also associated with cancer cell proliferation. In general, the inhibition of ACC provides two possibilities to regulate the fatty acid metabolism: It blocks the de novo lipogenesis in lipogenic tissues and stimulates the mitochondrial fatty acid β-oxidation. Surprisingly, the role of ACC in human vascular endothelial cells has been neglected so far. This work aimed to investigate the role of the ACC/fatty acid metabolism in regulating important endothelial cell functions like proliferation, migration and tube formation.
To investigate the function of ACC, the ACC-inhibitor soraphen A as well as an siRNA-based approach were used. This study revealed that ACC1 is the predominant isoform both in human umbilical vein endothelial cells (HUVECs) and in human dermal microvascular endothelial cells (HMECs). Inhibition of ACC via soraphen A resulted in decreased levels of malonyl-CoA and shifted the lipid composition of endothelial cell membranes. Consequently, membrane fluidity, filopodia formation and the migratory capacity were attenuated. Increasing amounts of longer acyl chains within the phospholipid subgroup phosphatidylcholine (PC) were suggested to overcompensate the shift towards shorter acyl chains within phosphatidylglycerol (PG), which resulted in a dominating effect on regulating the membrane fluidity. Most importantly, this work provided a link between changes in the phospholipid composition and altered endothelial cell migration. The antimigratory effect of soraphen A was linked to a reduced amount of PG and to an increased amount of polyunsaturated fatty acids (PUFAs) within the phospholipid cell membrane. This link was unknown in the literature so far. Interestingly, a reduced filopodia formation was observed upon ACC inhibition via soraphen A, which presumably caused the impaired migratory capacity.
This work revealed a relationship between ACC/fatty acid metabolism, membrane lipid composition and endothelial cell migration. The natural compound soraphen A emerged as a valuable chemical tool to analyze the role of ACC/fatty acid metabolism in regulating important endothelial cell functions. Furthermore, regulating endothelial cell migration via ACC inhibition promises beneficial therapeutic perspectives for the treatment of cell migration-related disorders, such as ischemia reperfusion injury, diabetic angiopathy, macular degeneration, rheumatoid arthritis, wound healing defects and cancer.
Antimicrobial resistance became a serious threat to the worldwide public health in this century. A better understanding of the mechanisms, by which bacteria infect host cells and how the host counteracts against the invading pathogens, is an important subject of current research. Intracellular bacteria of the Salmonella genus have been frequently used as a model system for bacterial infections. Salmonella are ingested by contaminated food or water and cause gastroenteritis and typhoid fever in animals and humans. Once inside the gastrointestinal tract, Salmonella can invade intestinal epithelial cells. The host cell can fight against intracellular pathogens by a process called xenophagy. For complex systems, such as processes involved in the bacterial infection of cells, computational systems biology provides approaches to describe mathematically how these intertwined mechanisms in the cell function. Computational systems biology allows the analysis of biological systems at different levels of abstraction. Functional dependencies as well as dynamic behavior can be studied. In this thesis, we used the Petri net formalism to gain a better insight into bacterial infections and host defense mechanisms and to predict cellular behavior that can be tested experimentally. We also focused on the development of new computational methods.
In this work, the first realization of a mathematical model of the xenophagic capturing of Salmonella enterica serovar Typhimurium in epithelial cells was developed. The mathematical model expressed in the Petri net formalism was constructed in an iterative way of modeling and analyses. For the model verification, we analyzed the Petri net, including a computational performance of knockout experiments named in silico knockouts, which was established in this work. The in silico knockouts of the proposed Petri net are consistent with the published experimental perturbation studies and, thus, ensures the biological credibility of the Petri net. In silico knockouts that have not been experimentally investigated yet provide hypotheses for future investigations of the pathway.
To study the dynamic behavior of an epithelial cell infected with Salmonella enterica serovar Typhimurium, a stochastic Petri net was constructed. In experimental research, a decision like "Which incubation time is needed to infect half of the epithelial cells with Salmonella?" is based on experience or practicability. A mathematical model can help to answer these questions and improve experimental design. The stochastic Petri net models the cell at different stages of the Salmonella infection. We parameterized the model by a set of experimental data derived from different literature sources. The kinetic parameters of the stochastic Petri net determine the time evolution of the bacterial infection of a cell. The model captures the stochastic variation and heterogeneity of the intracellular Salmonella population of a single cell over time. The stochastic Petri net is a valuable tool to examine the dynamics of Salmonella infections in epithelial cells and generate valuable information for experimental design.
In the last part of this thesis, a novel theoretical method was introduced to perform knockout experiments in silico. The new concept of in silico knockouts is based on the computation of signal flows at steady state and allows the determination of knockout behavior that is comparable to experimental perturbation behavior. In this context, we established the concept of Manatee invariants and demonstrated the suitability of their application for in silico knockouts by reflecting biological dependencies from the signal initiation to the response. As a proof of principle, we applied the proposed concept of in silico knockouts to the Petri net of the xenophagic recognition of Salmonella. To enable the application of in silico knockouts for the scientific community, we implemented the novel method in the software isiKnock. isiKnock allows the automatized performance and visualization of in silico knockouts in signaling pathways expressed in the Petri net formalism. In conclusion, the knockout analysis provides a valuable method to verify computational models of signaling pathways, to detect inconsistencies in the current knowledge of a pathway, and to predict unknown pathway behavior.
In summary, the main contributions of this thesis are the Petri net of the xenophagic capturing of Salmonella enterica serovar Typhimurium in epithelial cells to study the knockout behavior and the stochastic Petri net of an epithelial cell infected with Salmonella enterica serovar Typhimurium to analyze the infection dynamics. Moreover, we established a new method for in silico knockouts, including the concept of Manatee invariants and the software isiKnock. The results of these studies are useful to a better understanding of bacterial infections and provide valuable model analysis techniques for the field of computational systems biology.
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?
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 membranintegrierten, rotierenden F-Typ ATP-Synthasen zählen zu den essentiellen Komponenten der bakteriellen Energieversorgung. Ihre Rolle im zellulären Energiehaushalt bestehtin der Synthese von ATP unter Nutzung des transmembranen, elektrischen Ionengradienten (Mitchell 1961, Duncan et al. 1995, Noji et al. 1997, Kinosita et al. 1998). Die rotierenden ATP-Synthasen werden entsprechend der Kationenselektivität, die sie unter physiologischen Bedingungen zeigen, in zwei verschiedene Klassen eingeteilt, die H+-selektiven, sowiedie Na+-selektiven ATP-Synthasen. Hierbei bildet die Selektivität beider Klassen für einwertige Kationen (H+ oder Na+) eine essenzielle Grundlage für ihre Rolle im Energiehaushalt der bakteriellen Zellen. Jedoch gibt es nur eine begrenzte Anzahl von anaeroben Eubakterien und Archaeen, die noch einen auf Na+- Ionen basierenden Energiehaushalt besitzen. Gut charakterisierte Beispiele für Na+-selektive ATP-Synthasen bilden die F-Typ-Synthasen von I. tartaricus, P. modestum, sowie die V/A-Typ-Enzyme von E. hirae und A. woodii. Trotz der Unterschiede in der Kationenselektivitätder unterschiedlichen F-Typ ATP-Synthasen sind sie jedoch sowohl inihre Organisation, als auch hinsichtlich ihre Wirkungsweisen ähnlich. Das Ziel, der im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Forschung, bestand in der Identifizierung der Faktoren, die sowohl die hohen Selektivität, als auch die Affinität des in der Membran-eingebetteten Rotor-C-Rings der ATP-Synthasezu Protonen (H+) und Na+- Ionen beeinflussen. Die Untersuchungen wurden hierbei andem c11-Ring der F-Typ-ATP-Synthase aus dem anaeroben Bakterium Ilyobacter tartaricus durchgeführt, das hierbei als Modellsystem diente. Der untersuchte Ring zeigt unter physiologischen Bedingungen eine hohe Bindungsselektivität für Na+ Ionen, kann jedoch unter nicht-physiologischen Bedingungen auch Li+ und H+ Ionen binden und zur ATP-Synthese verwenden (Neumann et al. 1998).
Das Ziel, der im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Forschung, bestand in der Identifizierung der Faktoren, die sowohl die hohen Selektivität, als auch die Affinität des in der Membran-eingebetteten Rotor-C-Rings der ATP-Synthasezu Protonen (H+) und Na+- Ionen beeinflussen. Die Untersuchungen wurden hierbei andem c11-Ring der F-Typ-ATP-Synthase aus dem anaeroben Bakterium Ilyobacter tartaricus durchgeführt, das hierbei als Modellsystem diente. Der untersuchte Ring zeigt unter physiologischen Bedingungen eine hohe Bindungsselektivität für Na+ Ionen, kann jedoch unter nicht-physiologischen Bedingungen auch Li+ und H+ Ionen binden und zur ATP-Synthese verwenden (Neumann et al. 1998). Die Kd- und KM-Werte wurden verwendet, um die Na+ -Bindungsaffinität der C-Ringe bzw. ATP-Synthasen zu quantifizieren. Über die Selektivität wurdebeschrieben, welche Kationen an die C-Ringe und ATP-Synthasen binden können (z. B. H+/Na+/Li+, H+/Na+ - oder nur H+ Ionen).Das Verhältnis der absoluten Bindungsaffinitäten zwischen zwei Kationen (z. B. Kd (Na+)/Kd (H+)) wurde verwendet, um die Präferenz des Enzyms für eines der Ionen zu quantifizieren. Die Faktoren, dieder Kationenselektivität und der Affinität des I. tartaricus c-Rings zugrunde liegen, wurden mit Hilfe von Mutageneseexperimenten der Aminosäuren in der Ionenbindungsstelle untersucht. Im I. tartaricus-c-Ring erfolgt die Na+ Bindung an der Grenzfläche von zwei benachbarten c-Untereinheiten des c-Rings. An der Bindung der Na+-Ionen sind sowohl Aminosäuren aus Helix 1 (Gln32), sowie von Helix 2 (Val63, Ser66, Thr67 und Tyr70) beteiligt, die in der Nähe, des für den Mechanismusessentiellen Glu65 liegen. Insgesamt wurden 19 verschiedene, spezifische Einzel- und Doppelmutationen in die Sequenz des atpE-Gens eingeführt, die für die I. tarticus-ATP-Synthase-c-Untereinheit kodiert. Bei den Experimenten mit dem I. tartaricus c-Ring (Ser66, Thr67 und Tyr70) wurden drei polare Reste der Ionenbindungsstelle durch die polaren Reste (Ser67, Ile67 oder Leu67) oder hydrophobe Reste (Ala66, Gln67 und Phe70) ersetzt, während das geladene Glu65 durch die kürzere, aber immer noch geladene Seitenkette Asp65 ausgetauscht wurde. Zur Charakterisierung der monovalenten Kationenbindung durch die Wildtyp, sowie die mutierten C-Ringe von I.-tartaricus, wurde ein Ansatz verwendet, der biochemische (DCCD-Ionen-Kompetitionsassay) und biophysikalische (ITC) Methoden kombiniert.
Die Daten der in dieser Arbeit durchgeführten Experimente, zeigen, dass c-Ringe selektiv für H+ sind, solange in der Ionenbindungsstelle des c-Rings ein ionisierbarer Glu/Asp-Rest vorhanden ist. Die H+-Bindungsaffinität des c-Rings hängt von der Hydrophobizität der Reste ab, aus der die Ionenbindungsstelle aufgebaut ist.Jedoch ist die Zahl der Faktoren, die die Na+-Selektivität des C-Rings bestimmen, weitaus größer. Von den in dieser Arbeit untersuchten Faktoren war die Zahl der polaren Reste, die Wasserstoffbrücken zu Na+ bilden, die Co-Koordination von Na+ durch strukturell vorhandene Wassermoleküle und die Anwesenheit von negativ geladenen Resten besonders wichtig für die Bindung der Na+-Ionen an den Ring. Die hohe Bindungsaffinität des c-Rings für Na+-Ionen, wird sowohl durch Wechselwirkungen begünstigt die das gebundene Na+-Ion stabilisieren, als auch den gesamten atomaren Aufbau der Ionenbindestelle, der die enthalpiegetriebene Na+-Bindungan den c-Ring begünstigen. Im Rahmen dieser eingehenden Studien konnten zum ersten Mal die thermodynamischen Eigenschaften aufgeklärt werden, die der hohen Na+-Bindungsaffinität des c-Rings zugrunde liegen, sowie der Einfluss von Mutationen auf diese Parameter ermittelt werden. Durch zahlreiche Experimente mit ATP-Synthasen, die mit mutierten c-Ringen zusammengesetzt wurden, sollte eine Verbindung zwischen Veränderungen der H+- und der Na+-Bindungsaffinitäten und Unterschiede im Betrieb der ATP-Synthase aufgeklärt werden. Die wichtigste Schlussfolgerung, die sich aus dieser Arbeit ableiten lässt, ist, besteht darin, dass sich Na+/H+-selektiven ATP-Synthasen durch den Austausch von 1-2 Aminosäureresten innerhalb der rotierenden c-Ring-Ionenbindungsstelle in ausschließlich H+-selektive, vollfunktionelle ATP-Synthasen umwandeln lassen.
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.
G-protein coupled receptors (GPCRs) are a predominant class of cell-surface receptors in eukaryotic life. They are responsible for the perception of a broad range of ligands and involved in a multitude of physiological functions. GPCRs are therefore of crucial interest for biological and pharmaceutical research. Molecular analysis and functional characterisation of GPCRs is frequently hampered by challenges in efficient large-scale production, non-destructive purification and long-term stability. Cell-free protein synthesis (CFPS) provides new production platforms for GPCRs by extracting the protein synthesis machinery of the cell in an open system that allows target-oriented modulations of the synthesis process and direct access to the nascent polypeptide chain. CFPS is fast, reliable and highly adaptable. Unfortunately, highly productive cell-free synthesis of GPCRs is often opposed by low product quality. This thesis was aimed to adapt and improve some of the new possibilities for the cell-free production of GPCRs in high yield and quality for structural and pharmaceutical analysis. An E. coli based CFPS system was applied to synthesise various turkey and human Beta-adrenergic receptor (Beta1AR) derivatives as well as human Endothelin receptors type A and B (ETA and ETB) constructs. Both receptor families are important drug targets and pharmacologically addressed in the treatment of several cardiovascular diseases. CF-synthesis was mainly performed in presence of nanodiscs (ND), which are reconstituted high density lipoprotein particles forming discoidal bilayer patches with a diameter varyring from 6 to approx. 15 nm. The supplementation of ND in the CF-synthesis reaction caused the co-translational solubilisation of the freshly synthesised GPCRs. The fraction of the solubilised GPCR that was correctly folded was analysed by the competence to bind its ligand alprenolol or Endothelin-1, respectively. Both the solubilisation efficiency and the ability to fold in a ligand binding competent state was strongly affected by the lipid composition of the supplied ND. Best results were generally achieved with lipids having phosphoglycerol headgroups and unsaturated fatty acid chains with 18 carbon atoms. Furthermore, thermostabilisation by introduction of point mutations had a large positive impact on the folding efficiency of both Beta1AR and ETB receptor. Formation of a conserved disulphide bridge in the extracellular region was additionally found to be crucial for the function of the ETB receptor. Disulphide bridge formation could be enhanced by applying a glutathione-based redox system in the CFPS. Further improvements in the quality of ETB receptor could be made by the enrichment of heat-shock chaperones in the CF-reaction. Depending on the receptor type and DNA-template, roughly 10 – 30 nmol (350 – 1500 µg) of protein could be synthesised in 1 ml of CF-reaction mixture. After the applied optimisation steps, the fractions of correctly folded receptor could be improved by several orders of magnitude and were finally in between 35% for the thermostabilised turkey Beta1AR, 9% for the thermostabilised ETB receptor, 6.5% for the non-stabilised ETB receptor, 1 - 5% for non-stabilised turkey Beta1AR and for human Beta1AR isoforms and 0.1% for ETA receptor. Therefore, between 2 and 120 µg of GPCR could be synthesised in a ligand binding competent form, depending on the receptor and its modifications. Correctly folded turkey Beta1AR and ETB receptors were thermostable at 30°C and could be stored at 4°C for several weeks after purification. Yields of the thermostabilised turkey Beta1AR were sufficient to purify the receptor in a two-step process by ligand-binding chromatography to obtain pure and correctly folded receptor in the lipid bilayer of a ND. Furthermore, a lipid dependent ligand screen could be demonstrated with the turkey Beta1AR and significant alterations in binding affinities to currently in-use pharmaceuticals were found. The established protocols are therefore suitable and highly competetive for a variety of applications such as screening of GPCR ligands, analysis of lipid effects on GPCR function or for the systematical biochemical characterisation of GPCRs. Most promising for future approaches appears to address the suspected bottlenecks of intial insertion of the GPCR-polypeptide chain in the ND bilayer and the thermal stability of the receptors. Nevertheless, the estabilised protocols for the analysed targets in this thesis are already highly competitive to previously published production protocols either in cell-based or cell-free systems with regard to yield of functional protein, speediness and costs. Moreover, the direct accessibility and other general characteristics of cell-free synthesis open a large variety of possible applications and this work can therefore contribute to the molecular characterisation of this important receptor type and to the development of new pharmaceuticals.
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.
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.
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.
Die Analyse früher Entwicklungsstadien von Säugetierembryonen und daraus gewonnener Stammzelllinien kann entscheidende Erkenntnisse im Bereich der Reproduktionsbiologie und der regenerativen Medizin hervorbringen. Dabei spielt die Maus, als geeignetes Modellsystem für die Übertragbarkeit auf den Menschen eine wichtige Rolle, in erster Linie weil die Blastozysten der Maus verglichen mit menschliche Blastozysten eine morphologische Ähnlichkeit aufweisen. Humane embryonale Stammzelllinien haben großes Potential für die Anwendung in der regenerativen Medizin und vergleichend dazu wurde Gen-Targeting in embryonalen Stammzellen verwendet, um tausende neuer Mausstämme zu generieren. Die Gewinnung embryonaler Stammzellen erfolgt im Blastozystenstadium, diese können dann nach Injektion in eine andere Blastozyste zur Entwicklung aller Gewebearten, einschließlich der Keimbahngewebe, beitragen (Martin, 1981; Evans and Kaufman 1981).
Ursache einer Fehlgeburt können vor allem Defekte in der Entwicklung des Trophoblasten und des primitive Entoderms (PrE) sein, dabei sind ca. 5 % der Paare betroffen die versuchen ein Kind zu bekommen (Stephenson and Kutteh, 2007). Eine Untersuchung dieser Zelllinien im Mausmodell könnte weitere Erkenntnisse für die Gründe einer Fehlentwicklung liefern. Trophoblasten Stammzelllinien können aus den Blastozysten der Maus und dem extraembryonalen Ektoderm von bereits implantieren Embryonen gewonnen werden (Tanaka et al., 1998). Diese Zelllinien geben Aufschluss über die Entwicklung des Trophoblasten, fördern die Entwicklung der Plazenta und sind gleichzeitig ein gutes Modellsystem um die Implantation des Embryos im Uterus näher zu untersuchen. Zellen des primitive Entoderms (PrE) beeinflussen das im Dottersack vorhandene extraembryonale Entoderm, welches dort als “frühe Plazenta” fungiert und für die Versorgung des Embryos mit Nährstoffen zuständig ist (Cross et al., 1994). Des Weiteren besitzt das Entoderm einen induktiven Einfluss auf die Bildung von anterioren Strukturen und die Bildung von Endothelzellen sowie Blutinseln (Byrd et al., 2002).
Extraembryonale Endodermstammzellen (XEN Zellen) können aus Blastozysten gewonnen und in embryonale Stammzellen (ES-Zellen) umgewandelt werden (Fujikura et al., 2002; Kunath et al., 2005). Es war jedoch nicht bekannt, ob XEN-Zellen auch aus Postimplantations-Embryonen gewonnen werden können. XEN-Zellen tragen in vivo zur Entwicklung des Darmendoderms bei (Kwon et al., 2008; Viotti et al., 2014) und könnten als alternative, selbsterneuernde Quelle für extraembryonale Endoderm-abgeleitete Zellen dienen, die zur Herstellung von Geweben für die regenerative Medizin verwendet werden könnten (Niakan et al., 2013).
In der Embryogenese der Maus zeigt sich an Tag E3.0 eine kompakte Morula die sich allmählich in das Trophektoderm (TE) differenziert, welches wiederum den Embryonalknoten (“innere Zellmasse”) umschließt (Johnson and Ziomek, 1981). Ein wichtiger Schritt im Rahmen der Entwicklung findet an Tag E3.5 statt, in diesem Zeitraum gehen aus dem Embryonalknoten der pluripotente Epiblast und das primitive Entoderm hervor. Im späten Blastozystenstadium an Tag E4.5 liegt das PrE als Zellschicht entlang der Oberfläche der Blastocoel-Höhle. Aus dem Epiblast entwickeln sich im weiteren Verlauf der Embryo, das Amnion und das extraembryonale Mesoderm des Dottersacks. Die Zellen des Trophektoderm führen zur Entwicklung der Plazenta. Das PrE differenziert sich im Zuge der Weiterentwicklung in das viszerale Entoderm (VE) und das parietale Entoderm (PE) des Dottersacks (Chazaud et al., 2006; Gardner and Rossant, 1979; Plusa et al., 2008). VE umgibt den Epiblast und extraembryonisches Ektoderm (ExE). PE-Zellen wandern entlang der inneren Oberfläche von TE und sezernieren zusammen mit Trophoblasten-Riesenzellen Basalmembranproteine, um die Reichert-Membran zu bilden (Hogan et al., 1980). Die Reichert-Membran besteht aus Basalmembranproteinen, einschließlich Kollagenen und Lamininen, die zwischen den parietalen Endoderm- und Trophoblastzellen liegen. Diese Membran wirkt als ein Filter, der dem Embryo den Zugang zu Nährstoffen ermöglicht, während er eine Barriere zu den Zellen der Mutter bildet (Gardner, 1983).
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Photolabile protecting groups (PPGs, cages, photocages) are molecules which can block the activity of a functional group and be removed by irradiation of light of an appropriate wavelength. One of the goals of this work was to design new photolabile protecting groups, based on a literature known one. The far-UV absorbing diethylamino benzyl (DEAMb) photocage, developed by Wang et al., was selected as structural basis for this work. In order to trigger the uncaging reaction with longer wavelengths (≥365 nm), thus allowing also biological applications, its structure was optimized. This was done by elongating the π-orbital conjugation using biphenyl derivatives instead of a single aromatic moiety. The photocage was loaded with glutamic acid as the leaving group.
The highest bathochromic shift was shown by compounds, which had the smallest sterical hindrance imposed on the second aromatic ring. The absorption spectrum was more redshifted if the second aromatic ring contained an electron withdrawing group. However, the stronger the substituents electron withdrawing strength was, the lower the uncaging quantum yield was. It was rationalized, that this is due to a decreased excited state electron density at the benzylic carbon of the DEAMb core which is necessary to trigger bond dissociation. This has been confirmed using TDDFT (time-dependent density functional theory) computations done by Jan von Cosel, Konstantin Falahati and Carsten Hamerla (from the group of Irene Burghardt). The best uncaging quantum yield was 42% for m-phenyl substituted DEAMb, while if a strong electron withdrawing group was present (nitro group), there was no photoactivity at all.
In order to achieve a better π-orbital conjugation of the non-coplanar biphenyl derivatives, a C-C bond was introduced between the benzylic carbon and the second aromatic ring. The resulting planar compounds belong to the fluorene class. The computational data predicted the photochemical meta effect to some extent to be preserved in these molecules. A set of fluorene derivatives was synthesized and photochemically characterized. The molar absorption coefficients of all prepared fluorene derivatives were higher than for any of the biphenyl derivatives. Quantum yields of the acetate release ranged between 3-42%, thus being as good as the best glutamic acid releasing biphenyl compounds. The highest uncaging cross section of the acetate release from the prepared fluorene derivatives was above 5000 M^-1 cm^-1. This value proves the high potential of the new fluorene based photocages developed in this work. Furthermore, release of hydroxide ion from fluorenol could be shown along with generation of, presumably, fluorenyl cation. These intriguing results paves a way for further exploration of fluorene based photocages for the release of bad leaving groups.
The second part of this work describes the custom synthesis of 13C labeled compounds for the VIPER (VIbrationally Promoted Electronic Resonance) project. In the VIPER pulse sequence, a molecule is vibrationally excited by a narrow band IR-pump pulse. The following Vis-pump pulse will promote the vibrationally pre-excited molecules to an electronically excited state. This Vis-pump pulse is offresonant for the not vibrationally pre-selected species and only resonant with the molecules, which are already pre-excited by the IR-pump pulse. Since the IR absorption bands usually are well resolved, a selective excitation of one molecule in an ensemble of similar ones is possible in the IR frequency range. Isotopologues and isotopomers are an extreme case of molecules which are near identical and differ only by isotopic composition or position. As a result in solution and at room temperature they have an identical UV-Vis absorption spectrum but different IR spectrum. This allows vibrational excitation of only one isotopologue (or isotopomer).
Isotopic labels were introduced in known photocages: 7-diethylamino coumarin (DEACM) and para-hydroxy phenacyl (pHP). The position for isotopic label incorporation in these molecules was guided by computations done by Jan von Cosel and Carsten Neumann. To allow control of the photoreactions in an ultrafast timescale, an IR active leaving group was used. The uncaging behavior of the prepared molecules in steady state was tested using chromatography (HPLC) and spectroscopy (1H NMR, FTIR and UV-Vis). The VIPER experiments were performed by Daniela Kern-Michler, Carsten Neumann, Nicole Mielke and Luuk van Wilderen (from the group of Jens Bredenbeck). A selective uncaging of only the vibrationally pre-excited molecules could be achieved.
Seit einigen Jahren ist bekannt, dass Sphingolipide nicht nur eine strukturgebende Funktion in der Plasmamembran aufweisen, sondern ebenfalls als Botenstoffe intra- und extrazellulär aktiv sind. Sphingosin-1-Phosphat (S1P) bildet dabei einen Schlüssel-Metaboliten, da es verschiedene Zellfunktionen wie Wachstum und Zelltod beeinflusst. Es wird durch zwei Isoformen der Sphingosinkinasen, SK1 und SK2, gebildet. Die SK1 wurde bereits gut untersucht und es konnte gezeigt werden, dass sie eine wichtige Rolle beim Zellwachstum einnimmt und einen entscheidender Regulator bei inflammatorischen Erkrankungen und Krebs darstellt. Über die SK2 ist soweit wenig bekannt und die Ergebnisse sind zum Teil kontrovers. Sowohl pro-proliferative als auch anti-proliferative Funktionen der SK2 wurden beschrieben. Andererseits handelt meine Arbeit von Nierenfibrose, da beschrieben wurde, dass Sphingolipide einen wichtigen Einfluss auf die Entwicklung chronischer Nierenerkrankungen nehmen. Nierenfibrose stellt das Endstadium chronischer Nierenerkrankungen dar und führt zu einer Akkumulation der Extrazellulärmatrix, Organvernarbung und zum Verlust der Nierenfunktion. Die SK1 spielt dabei eine protektive Rolle bei der Entstehung von Nierenfibrose. Deshalb sollte in dieser Arbeit die Rolle der Sk2 bei der Entstehung von Nierenfibrose untersucht werden.
Im ersten Teil meiner Arbeit wurde das Mausmodell der unilateralen Ureterobstruktion (UUO) verwendet, welches zur Entwicklung einer tubulointerstitiellen Nephritits und nachfolgender Fibrose führt. Es konnte dabei gezeigt werden, dass sowohl die Protein-Expression als auch die Aktivität der SK2 im fibrotischen Nierengewebe gesteigert wurden. Allgemein wiesen die SK2-/--Mäuse eine verminderte Fibrose in Folge des UUO auf im Vergleich zu den Wildtyp-Mäusen. Dies wurde bestätigt durch eine reduzierte Kollagenakkumulation, sowie eine verminderte Protein-Expression von Fibronektin-1, Kollagen-1, α-smooth muscle actin, connective tissue growth factor (CTGF) und Plasminogen-Aktivator-Inhibitor1 (PAI-1). Diese Effekte gingen einher mit einer gesteigerten Protein-Expression des inhibitorischen Smad7 und erhöhten Sphingosin-Spiegeln in SK2-/--UUO-Nieren. Auf mechanistischer Ebene vermindern die erhöhten Sphingosin-Spiegel die durch transforming growth factor-β (TGFβ) induzierte Kollagenakkumulation, die PAI-1- und CTGF-Expression, aber induzieren die Smad7-Expression in primären Nierenfibroblasten. In einem komplementären Versuch mit hSK2 tg-Mäusen wurde eine verstärkte Entstehung von Nierenfibrose mit erhöhter Kollagenakkumulation, sowie erhöhte Protein-Expressionen von Fibronektin-1, Kollagen-1, α-smooth muscle actin, CTGF und PAI-1 festgestellt. Die Smad7-Expression dagegen war vermindert.
Im zweiten Teil meiner Arbeit stand der glomeruläre Teil der Niere im Fokus und es wurde untersucht, ob die Überexpression der SK2 zu einer phänotypischen Veränderung der glomerulären Mesangiumzellen führt. Mesangiumzellen wurden dazu aus den hSK2 tg-Mäuse isoliert und charakterisiert. Es konnte gezeigt werden, dass hSK2 und mSK2 in den transgenen Zellen hauptsächlich in der zytosolischen Fraktion lokalisiert sind, während S1P ausschließlich im Kern akkumulierte. Weiterhin konnte eine verminderte Proliferation unter normalen Wachstumsbedingungen der hSK2 tg-Zellen im Vergleich zu den Kontrollzellen beobachtet werden. Die Zellen reagierten auch sensitiver auf Stress-induzierte Apoptose. Auf molekularer Ebene konnte dies durch eine reduzierte ERK- und Akt/PKB-Aktivierung erklärt werden. Nach Staurosporin-Behandlung wurde Apoptose durch den intrinsischen, mitochondrialen Apoptosesignalweg induziert. Dabei konnte eine reduzierte anti-apoptotische Bcl-xL-Expression und vermehrte Prozessierung von Caspase-9 und Caspase-3 und PARP beobachtet werden.
Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass eine verminderte tubulointerstitielle Fibrose-Entstehung durch die Deletion der SK2, sowie anti-proliferative und Apoptose-induzierende Effekte durch die SK2 in Mesangiumzellen nachgewiesen werden konnten. Somit könnten SK2-Inhibitoren die Entstehung tubulointerstitieller Fibrose und mit Proliferation assoziierte Erkrankungen wie mesangioproliferative Glomerulonephritis positiv beeinflussen.
Angesichts heutiger Umweltprobleme ist die Stärkung positiver Mensch-Natur-Beziehungen wichtiger denn je. Zeitgenössische Umweltbildung zielt darauf ab, Motivation und Einstellungen zu fördern sowie eine grundlegende Wissensbasis zu schaffen (IUCN, UNEP, & WWF, 1991; Potter, 2010), um einen selbstbestimmten, verantwortungsvollen Umgang mit der Natur zu ermöglichen. Positiver Naturbezug und Umwelteinstellungen gelten als Basis für aktiven Umweltschutz. Direkte Naturerfahrungen gelten dabei als didaktische Möglichkeit, die Motivation für Umweltschutz zu festigen (Kaiser, Roczen, & Bogner, 2008). Einstellungen verändern sich im Laufe des Lebens und so kann das Alter eine wichtige Rolle bezüglich der Effektivität von Umweltbildungsprogrammen spielen (Ernst & Theimer, 2011). Auch Umweltwissen gilt als Grundlage von Umwelthandeln. Denn sinnliche Erfahrungen allein führen nicht zum Verständnis ökologischer Zusammenhänge (Frick, Kaiser, & Wilson, 2004; Liefländer, Bogner, Kibbe, & Kaiser, 2015). Die biologiedidaktische Forschung sieht Fakten-, Handlungs- und Effektivitäts-wissen als zentral für die Genese von Umwelthandeln (Frick, Kaiser, & Wilson, 2004). Isoliertes Fachwissen wiederum führt nach aktueller Erkenntnis auch nicht zur Entwicklung von Haltungen und Wertvorstellungen, welche unser Handeln beeinflussen (Barr, 2003; Finger, 2010; Leiserowitz, Kates, & Parris, 2005).
Bis heute sind altersbasierte Unterschiede bei Schülerinnen und Schülern bezüglich ihrer Naturverbundenheit und Umwelteinstellungen nicht hinreichend untersucht. Auch ist die nötige Dauer der Naturerfahrungen noch nicht nachgewiesen. Es gibt bislang keine Studie, die Umwelteinstellungen, -wissen und –handeln von Kindern verschiedener Regionen der Erde untersucht und Daten auf internationaler Ebene erhoben und ausgewertet hat. Die gezielte Integration der drei Umweltwissensarten in ein solch globales Umweltbildungsprojekt stellt eine zusätzliche bislang nicht angegangene Aufgabe dar. Die vorliegende Arbeit schließt diese Forschungslücken, indem sie auf internationaler Ebene jene Variablen mit einbezieht, die einen nahezu vollständigen Eindruck der Effektivität von Umweltbildung in verschiedenen Regionen, Sozialisationen und Altersklassen zulässt. So wird der Einfluss eines umfassenden Umweltbildungsprogramms auf Naturverbundenheit, Umwelteinstellungen und -wissen der verschiedenen Typen untersucht und ein Bezug zur eventuellen Veränderung des Umwelthandelns hergestellt. Dabei stehen sowohl traditionelle als noch unerforschte mögliche Einflussfaktoren im Fokus. Die Studie umfasst insgesamt 1454 Schülerinnen und Schüler aus Bangladesch, Malaysia, Deutschland und Singapur, die alle an dem Umweltbildungsprojekt „Global denken, lokal handeln – wir schützen unsere Umwelt!“ bzw. “Think global, act local – we protect our environment!“ teilgenommen haben.
Zur Messung der Naturverbundenheit diente Schulz’ INS-Skala (Inclusion of Nature in Self) (2002). Umwelteinstellungen wurden mit dem 2-MEV-Modell (Two Major Environmental Values) gemessen (Johnson & Manoli, 2011). Eine Skala zur Erhebung von Umweltwissen wurde eigens erstellt und hinsichtlich der drei Wissenstypen nochmals modelliert. Eine Skala zur Ermittlung von Umwelthandeln wurde auf Grundlage von Bögeholz (1999) erstellt. Alle Skalen waren Teil eines Fragebogens, welcher in Form eines Pre-, Post- und Follow-up-Test eingesetzt wurde. Kinder aus Parallelklassen, die nicht am Projekt teilnahmen, aber Klassenunterricht zu den jeweiligen Themen erhielten, dienten als Kontrollgruppen.
Die Ergebnisse bestätigen einen positiven Effekt außerschulischer Umweltbildung bezüglich der Entwicklung der untersuchten Variablen. So wurde nach der Teilnahme am eintägigen und auch nach dem fünftägigen Umweltbildungsprogramm eine signifikante Verstärkung des Naturbezugs gemessen, wohingegen die Kontrollgruppen keine messbare Veränderung zeigten. Jedoch nur die fünftägige Intervention führte auch zu nachhaltigen Veränderungen. Hierbei am stärksten beeinflusst wurden Kinder zwischen sieben und neun Jahren.
Bei der Untersuchung demographischer Einflussfaktoren auf Umwelteinstellung, -wissen und –handeln stellten sich das Wohnsitzland sowie die städtische bzw. ländliche Prägung der Wohngegend als entscheidend heraus. So waren dies die einflussreichsten Determinanten zur Vorhersage des Grundvorhandenseins sowie Veränderungen der untersuchten Variablen in Folge der Bildungsmaßnahme. Einzig bei der Entwicklung des Umwelthandelns schien die direkte Naturerfahrung unwesentlich, zeigten die Kontrollgruppen ähnlichen Wandel in ihrem aktiven Einsatz für die Umwelt. Im internationalen Vergleich scheint die komplexe Verkettung diverser einflussnehmender Faktoren, wie der Wohlstand des jeweiligen Staates, das generelle politische System sowie spezifische bildungspolitische Begebenheiten, den Erfolg von Umweltbildungsprogrammen mit zu bestimmen.
Die Daten zeigen, dass Faktenwissen Grundlage für Handlungs- und Effektivitätswissen ist. Alle Dimensionen wurden durch die Intervention signifikant gesteigert. Effektivitätswissen wuchs am stärksten. Auch das Umweltverhalten wurde positiv verstärkt. Jedoch ließen sich nur schwache Korrelationen zwischen den einzelnen Wissenstypen und Handeln feststellen. Zusammenfassend war das durchgeführte Bildungsprojekt erfolgreich in der Förderung von Naturverbundenheit sowie Umwelteinstellungen, -wissen und- handeln. Die Ergebnisse werden im Rahmen dieser Arbeit im Hinblick auf ihre Bedeutung für die schulische Umweltbildung sowie die didaktische Forschung erörtert.
Hämophilie A ist eine X-chromosomal rezessiv vererbte Krankheit, die aufgrund von Mutationen innerhalb des Gens von Gerinnungsfaktor VIII (FVIII) zum funktionellen Defekt oder zum Fehlen des körpereigenen FVIII führt. FVIII zirkuliert als Heterodimer und besteht aus einer schweren Kette mit der Domänenstruktur A1-A2-B und einer leichten Kette mit der Domänenstruktur A3-C1-C2. Bei Patienten unter Prophylaxe wird durch regelmäßige Substitution mit rekombinanten oder aus Plasma gewonnenen FVIII-Präparaten die Hämostase wiederhergestellt. Allerdings entwickeln hierbei etwa 30% der Patienten mit einer schweren Hämophilie eine FVIII-spezifische Immunantwort in Form von neutralisierenden Antikörpern (Inhibitoren). Die sogenannte Immuntoleranz-Therapie (engl. immune tolerance induction therapy, ITI) ist bisher die einzige etablierte Therapie, die zu einer dauerhaften Eradikation der FVIII-Inhibitoren und Induktion von Toleranz gegenüber FVIII führen kann. Die Therapie beruht auf einer meist täglichen Gabe hoher FVIII-Dosen, welche sich, je nach Behandlungsdauer, über Wochen bis hin zu Jahren erstrecken kann. Bei etwa 30% der Patienten ist diese Therapie nicht erfolgreich. Für solche Patienten besteht die Gefahr lebensbedrohlicher, unkontrollierbarer Blutungen und erheblicher Gelenkschäden.
Die spezifische Ansteuerung des Membran-gebundenen Immunglobulin G (mIg) des B-Zellrezeptors (BZR) mithilfe von Immuntoxinen ist eine mögliche Option zur selektiven Eliminierung FVIII-spezifischer B-Zellen und somit zur Eradikation von FVIII-Inhibitoren. Solche Immuntoxine bestehen aus einer zellbindenden und einer zytotoxischen Domäne, welche nach Internalisierung zur Apoptose der Zielzelle führen soll. Da FVIII aufgrund der Größe als zellbindende Domäne ungeeignet ist, beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Entwicklung und Evaluierung alternativer Immuntoxine zur selektiven Eliminierung FVIII-spezifischer B-Zellen. Die FVIII-spezifische Immunantwort ist zwar polyklonal, jedoch vor allem gegen A2- und die C2-Domäne gerichtet. Aus diesem Grund wurden die humane A2- und C2-Domäne (hA2, hC2) als zellbindende Domäne verwendet und jeweils genetisch an eine verkürzte Version des Exotoxin A (ETA) aus Pseudomonas aeruginosa fusioniert, bei welcher die natürliche zellbindende Domäne entfernt wurde. Die rekombinanten Proteine wurden bakteriell produziert und im Anschluss an die Aufreinigung biochemisch charakterisiert. Während das bakterielle Expressionssystem für hA2-ETA nicht geeignet war, konnte hC2-ETA neben weiteren Kontrollproteinen mit korrekter Konformation der hC2-Domäne hergestellt und aufgereinigt werden.
Die Fähigkeit zur selektiven Eliminierung hC2-spezifischer B-Zellen wurde im weiteren Verlauf sowohl in vitro mithilfe einer hC2-spezifischen Hybridomazelllinie als auch ex vivo und in vivo mithilfe von Splenozyten aus FVIII-immunisierten FVIII-knockout Mäusen untersucht.
Durch Inkubation der hC2-spezifischen Hybridomazelllinie mit hC2-ETA konnten ca. 38 % der Zellen eliminiert werden. Weitere Untersuchungen der Zelllinie ergaben, dass diese keinen vollständigen funktionalen B-Zellrezeptor auf der Oberfläche exprimierte, welcher für die Bindung und die korrekte Internalisierung des Immuntoxins notwendig ist. Aufgrund dessen eignet sich diese Zelllinie nicht als Modell für eine genauere Analyse der in vitro Eliminierungseffizienz von hC2-ETA.
Weitere Analysen mithilfe von Splenozyten aus FVIII-immunisierten FVIII-knockout Mäusen haben jedoch gezeigt, dass durch ex vivo Inkubation der Splenozyten mit hC2-ETA, alle hC2-spezifischen B-Zellen vollständig, selektiv und konzentrations-abhängig eliminiert werden konnten. Auch die mehrfache Applikation von hC2-ETA in FVIII-immunisierten FVIII-knockout Mäusen führte bei der Hälfte der Tiere zur vollständigen Eliminierung aller hC2-spezifischen B-Zellen. Eine Reduktion des hC2-spezifischen Antikörpersignals konnte nach Gabe von hC2-ETA in allen behandelten Tieren beobachtet werden. Die unvollständige Eliminierung in der Hälfte der Tiere ist vermutlich auf die Präsenz hC2-spezifischer Antikörper zurückzuführen, die einen Teil des applizierten Immuntoxins neutralisiert haben, sodass nicht alle hC2-spezifischen Gedächtnis-B-Zellen erreicht und eliminiert werden konnten. Um die Eliminierungseffizienz von hC2-ETA weiter zu erhöhen, müsste das Behandlungsprotokoll geändert werden. Sowohl eine Verlängerung des Behandlungszeitraums als auch eine kombinierte Therapie aus FVIII und hC2-ETA sollte zu einer erhöhten Bioverfügbarkeit des Toxins und dadurch zu einer gesteigerten Eliminierungseffizienz führen.
Die Ausweitung des hier vorgestellten Ansatzes auf weitere FVIII-Domänen ist generell möglich, jedoch muss hierzu ein alternatives Expressionssystem aufgrund des eukaryotischen Ursprungs von FVIII in Betracht gezogen werden. Die hier vorgestellten Ergebnisse zeigen dennoch, dass FVIII-Domänen-Immuntoxine ein wirkungsvolles Mittel sind, um FVIII-spezifische B-Zellen selektiv zu eliminieren. Die Anpassung der Gabe von FVIII-Domänen-Immuntoxinen an die individuelle Immunantwort des Patienten könnte das Auftreten von Nebenwirkungen minimieren. Außerdem könnte eine kombinierte Therapie aus ITI und FVIII-Domänen-Immuntoxinen die Zeit bis zur Induktion von Toleranz verkürzen und die Chancen für den generellen Therapieerfolg erhöhen.
To date, chemicals are used ubiquitous in everyday life and an increasing consumption of pharmaceuticals and personal care products and industrial chemicals results in an increased water pollution. Conventional wastewater treatment plants are not able to completely remove the variety of (polar) organic compounds from today’s wastewater and thus serve as constant key point sources for the unintentional release of (micro-)pollutants into the aquatic environment. Anthropogenic micropollutants are detectable in very low concentrations in almost every aquatic compartment and may cause adverse effects on aquatic organisms. Considering the current situation of water pollution and to enhance water quality with regard to environmental and human health, the implementation of advanced wastewater treatment technologies, such as ozonation and activated carbon filtration was extensively discussed and investigated in recent years. Yet, besides their advantages regarding the efficient removal of a variety of recalcitrant, organic compounds as well as pathogens from the wastewater, it is known that especially the treatment with ozone may lead to the formation of largely unknown ozonation by-products with often unknown toxicity and unknown threats to human and the environment. To address these topics the joint research project TransRisk aimed at the “characterization, communication and minimization of risks originating from emerging contaminants and pathogens in the water cycle”. Within this research project the present thesis focuses on the ecotoxicological investigation of emerging waterborne contaminants, including their potential transformation products (TPs). Additionally, focus was laid on the investigation of combined effects of anthropogenic contaminants and pathogens with effects especially on aquatic invertebrate organisms.
The potential ecotoxicological effects of the antiviral drug acyclovir and two of its structurally identified TPs, were investigated on three aquatic organisms (Raphidocelis subcapitata, Daphnia magna and embryos of Danio rerio). While the parent compound acyclovir caused no acute toxicity up to a tested concentration of 100 mg/l on any of the investigated organisms, both TPs were shown to exhibit an increased aquatic toxicity. Carboxy-acyclovir, the biodegradation product of acyclovir, significantly reduced reproduction of D. magna by 40% at 102 mg/l, and the ozonation product COFA significantly inhibited growth of green algae R. subcapitata (EC10 = 14.1 mg/l). In the present case, advanced wastewater treatment was shown to lead to the formation of TPs, that reveal a higher toxicity towards investigated organisms, than the parent compound. Results highlight the necessity of further research related to the topic of identification and characterization of TPs, formed during advanced wastewater treatment processes.
To investigate the potential reduction or enhancement of toxic effects of nine differently treated wastewater effluents, selected bioassays with Daphnia magna, Lumbriculus variegatus and Lemna minor were conducted in flow-through test systems on a pilot treatment plant. The different treatment processes included ozonation of conventional biological treatment, with subsequent filtration processes as well as membrane bioreactor treatment in combination with ozonation. While exposure to the conventionally treated wastewater did not result in significant impairing effects on D. magna and L. minor, a reduced abundance of L. variegatus (by up to 46%) was observed compared to the medium control. Subsequent ozonation and additional filtration of the wastewater enhanced water quality, visible in an improved performance of L. variegatus. In general, direct evidence for the formation of toxic TPs due to the advanced wastewater treatments was not found, at least not in concentrations high enough to cause measurable effects in the investigated test systems. Additionally, no evidence for immunotoxic effects of the investigated wastewater effluents were observed. Yet, study-site- and species-specific effects hindered the definite interpretation of results. That underline the importance of a suitable test battery consisting of representatives of different taxonomic groups and trophic levels, to ensure a comprehensive evaluation of the complex matrix of wastewater and to avoid false-negative or false-positive results.
With aim to improve knowledge regarding immunotoxicity in invertebrates, the potential immunotoxic effects of the immunosuppressive pharmaceutical cyclosporine A (CsA) were investigated by applying the host-parasite model system Daphnia magna – Pasteuria ramosa in an adapted host resistance assay. Co-exposure to CsA and Pasteuria synergistically affected long-term survival of D. magna. Additionally, the enhanced virulence of the pathogen upon chemical co-exposure was expressed in synergistically increased infection rates and an increased speed of Pasteuria-induced host sterilization. In conclusion, results provide evidence for a suppressed disease resistance in a chemically stressed invertebrate host, highlighting the importance of investigating the conjunction of environmental pollutants and pathogens in the environmental risk assessment of anthropogenic pollutants.
Natural products are valuable sources for biologically active compounds, which can be utilized as pharmaceuticals. Thereby, the synthesis is based purely on biosynthetic grounds often conducted by so-called megaenzymes. One major biosynthetic pathway is the acetate pathway including polyketide and fatty acid synthesis, which encompass one of the largest classes of chemically diverse natural products. These have medicinal relevance due to their antibacterial, antifungal, anthelmintic, immunosuppressive and antitumor properties.
Due to the high structural and functional similarity between polyketide synthases and type I animal fatty acid synthases (FASs), FAS can serve as a paradigm for the whole class of multifunctional enzymes. To fully exploit the biosynthetic potential of FASs, a good access to the enzyme is of essential importance. In this regard, Escherichia coli remains an unchallenged heterologous host due to low culturing costs, particularly fast mutagenesis cycles and relatively easy handling. Surprisingly, no sufficient expression strategy for an animal FAS in E. coli has yet been reported, as it turned out that the only approach was not reproducible.
We commenced our analysis with searching for an appropriate FAS homolog that fulfills our requirements of high protein quality, sufficient yield and ensured functionality. After extensive screening of different variants, culturing conditions and co-expression strategies, we identified the murine FAS (mFAS) as our protein of choice. The established purification strategy using tags at both termini led to a reproducible and sufficient access to the protein in excellent quality. The enzyme was further biochemically characterized including an enzyme kinetic investigation of fatty acid synthesis and an examination whether different acyl-CoA substrates can serve as priming units. This adds mFAS to our repertoire of manageable megaenzymes paving the way to exploit the catalytic efficiency in regards of microbial custom-compound synthesis.
With a strong focus on deepening our understanding of the working mode of such megaenzymes, rather than analyzing respective biosynthetic products, we have addressed the question whether mFAS itself can be engineered towards PKSs or whether properties of mFAS can be exploited to engineer PKSs. This approach was conducted on three levels of complexity from function of individual domains via organization of domains to form modules to the interplay of two modules in bimodular constructs.
Fatty acid synthesis begins with the loading of acyl moieties onto the FAS, which is conducted by a domain called malonyl-/acetyltransferase (MAT). This domain was in-depth characterized due to its important role of choosing the substrates that are built in the final compound. Our analysis comprised structural and functional aspects providing crystal structures of two different acyl-bound states and kinetic parameters for the hydrolysis and transacylation reaction using twelve exemplary CoA-esters. For this purpose, we have successfully established a continuous fluorometric assay using the α-ketoglutarate dehydrogenase as a coupled enzyme, which converts the liberated coenzyme A into Nicotinamide adenine dinucleotide. These data revealed an extensive substrate ambiguity of the MAT domain, which had not been reported to that extent before. Further, we could demonstrate that the fold fulfills both criteria for the evolvability of an enzyme by expressing MAT in different structural arrangements (robustness) and by altering the substrate ambiguity within a mutagenesis study (plasticity). Taken these aspects together, we are persuaded that the MAT domain can serve as a versatile tool for PKSs engineering in potential FAS/PKS hybrid systems.
On the higher level of complexity, we investigated the architectural variability of the mFAS fold, which constitutes a fundamental basis for a broader biosynthetic application. We could rebuild all four module types occurring in typical modular PKSs confirming a high degree of modularity within the fold. Not only structural, but also functional integrity of these modules was validated by using triacetic acid lactone formation and ketoreductase activity. Especially the latter analysis, made it possible to quantify effects of the engineering within the processing part by respective enzyme kinetic parameters. Expanding our focus beyond a singular module, we have utilized the mFAS fold for designing up to 380 kDa large bimodular constructs. In this approach, a loading didomain was attached N-terminally containing an additional MAT and acyl carrier protein (ACP) domain. Two constructs could be expressed and purified in excellent quality to investigate the influence of an altered overall architecture on fatty acid synthesis. By comparison with appropriate controls, a functional effect of the additional loading module could indeed be proven in the bimodular systems. Those constructs allow a comprehensive analysis of the underlying molecular mechanism in the future and serve as a potential model system to study the transition from iterative to vectorial polyketide synthesis in vitro.
Der ligandaktivierte Transkriptionsfaktor Farnesoid X Rezeptor (FXR) ist neben seiner Funktion als Regulator des Gallensäurehaushaltes auch in vielen anderen metabolischen Prozessen wie Glukose- und Lipidhomöostase involviert und besitzt antiinflammatorische Eigenschaften. Gerade bei hepatischen, gastrointestinalen und systemischen Erkrankungen erscheint FXR daher als interessante Zielstruktur zur Behandlung metabolischer Erkrankungen. Basierend auf den natürlichen Liganden von FXR, den Gallensäuren, wurde Obeticholsäure (OCA) als seminsynthetisches Derivat der endogenen Chenodesoxycholsäure zu einem potenten FXR-Agonisten entwickelt. OCA wurde in mehreren Studien auf seine therapeutische Wirkung bei hepatisch-entzündlichen Krankheitsbildern wie der primären biliären Cholangitis (PBC), der nicht-alkoholischen Fettleber (engl: non-alcoholic fatty liver disease, NAFLD) und der daraus folgenden nicht-alkoholischen Steatohepatitis (NASH) getestet. Mittlerweile ist OCA als Zweitlinientherapie der PBC auf dem Arzneimittelmarkt zuge-lassen. Neben OCA gibt es noch eine große Anzahl an weiteren FXR-Liganden, deren strukturelle Diversität von Steroiden bis nicht-steroidalen kleinen Molekülen (engl: small molecules) reicht. Trotz dieser Erfolge muss das Therapiepotential von FXR noch weiter ausgebaut werden. Die meisten verfügbaren Liganden besitzen in vitro zwar eine hohe Potenz, können in ihrem pharmakokinetischen Profil oder ihrer Selektivität gegenüber anderen nukleären Rezeptoren aber nicht überzeugen.
Die hier vorliegende Arbeit hat sich mit der Entwicklung unterschiedlicher Liganden für FXR beschäftigt und diese in vitro und teilweise auch in vivo charakterisiert, um sie entsprechend ihrer Wirkungsweise einzuordnen und ein besseres Verständnis der regulatorischen Funktion von FXR zu erlangen.
Modulation von FXR bezieht sich nicht nur auf die agonistische Aktivierung, sondern setzt sich auch mit Antagonismus auseinander. Neben einigen Krankheitsbildern, die aus einer Überexpression von FXR resultieren, werden Antagonisten als Werkzeug (engl: tool compound) zur Aufklärung von konformellen Veränderungen von FXR und deren Auswirkung auf bestimmte Signalwege benötigt. Für die Erforschung solcher FXR-Antagonisten sollte das Potential nicht-steroidaler Antirheumatika (engl: non-steroidal anti-rheumatic drugs, NSAIDs) als etwaige Leitstrukturen untersucht werden, da in einer Veröffentlichung von Lu et al. ein FXR-Antagonismus durch NSAIDs postuliert wurde. Beim Versuch der Reproduktion der Ergebnisse von Lu et al. mit den drei NSAIDs Ibuprofen, Indometacin und Diclofenac wurde festgestellt, dass die Effekte auf den ersten Blick antagonistisch erscheinen, aber bei genaueren biochemischen Untersuchungen zweifelsfrei als Zytotoxizität identifiziert wurden.
FXR-Antagonisten wie Guggulsteron oder Gly-MCA sind auf ihre therapeutische Wirksamkeit unter-sucht worden, aber die genaue Wirkweise ist noch nicht aufgeklärt. Aufgrund ihrer steroidalen Grundstruktur ist ihre Selektivität gegenüber anderen nukleären Rezeptoren fraglich. Die überschaubare Anzahl an publizierten nicht-steroidalen FXR-Antagonisten besitzt zwar moderate IC50-Werte, ihre strukturelle Diversität und Selektivität ist aber limitiert. Zur Entwicklung neuer potenter FXR-Antagonisten, die aus kleinen Molekülen (engl: small molecules) aufgebaut sind, wurde eine N-Phenylbenzamid-Leitstruktur ausgewählt. Diese Leitstruktur wurde im Rahmen der SAR-Unter-suchungen zur Entwicklung von Anthranilsäurederivaten als FXR-Partialagonisten innerhalb des Arbeitskreises entdeckt. Ausgehend von dieser Leitstruktur wurde eine mehrstufige, systematische SAR-Untersuchung durchgeführt, wodurch ein sehr potenter FXR-Antagonist entwickelt werden konnte, der anschließend umfangreich biochemisch auf FXR-Modulation, Selektivität, Löslichkeit, Toxizität und metabolische Stabilität charakterisiert wurde.
Neben dem Verständnis eines Modulationsmechanismus ist die konkrete Anwendung eines FXR-Liganden zu therapeutischen Zwecken von großem Interesse. Die Beteiligung von FXR in unterschiedlichen metabolischen Prozessen macht den Rezeptor zu einem begehrten Ansatzpunkt für die Wirkstoffentwicklung. Doch die Behandlung eines multifaktoriellen Krankheitsbildes (z.B. metabolisches Syndrom, NASH) sollte sich nicht nur auf einen der gestörten Signalwege beziehen, da diese Erkrankungen durch mehrere Faktoren ausgelöst oder beeinflusst werden. Der semisynthetische FXR-Agonist OCA zeigte innerhalb der FLINT-Studie sowohl antientzündliche und antifibrotische Effekte, als auch eine Verbesserung der metabolischen Parameter mit Blick auf NAFLD und NASH. Die lösliche Epoxidhydrolase (engl: soluble epoxidhydrolase, sEH) besitzt nachweislich anti-inflammatorische und antisteatotische Effekte in der Leber. Aus diesem Grund wurde eine Leitstruktur entwickelt, die eine duale Modulation aus FXR-Aktivierung und sEH-Inhibition erzeugt. Dafür wurden die Pharmakophore eines im Arbeitskreis entwickelten FXR-Partialagonisten sowie eines potenten sEH-Inhibitors miteinander verknüpft. Zur Weiterentwicklung einer ausgewogenen hohen Potenz beider Modulationsfaktoren wurden mehrere unterschiedliche SAR-Untersuchungen als translationales Projekt in mehreren Arbeiten durchgeführt. In der hier vorliegenden Arbeit konnten dieses SAR-Untersuchungen zusammengeführt und weiterentwickelt werden. Dabei wurde ein ausgewogener und hochpotenter dualer Modulator erhalten, der umfassend in vitro und in vivo charakterisiert wurde. Die gezielte duale Aktivität, die mit dieser Substanz erreicht wurde, führt in einem Krankheitsbild zu synergistischer Ergänzung zweier Therapieoptionen. Jedoch kann eine unerwünschte Promiskuität über verwandten nukleären Faktoren zu Nebenwirkungen führen. Die Ursache dafür kann eine saure Funktion darstellen. Ein sehr potenter nicht-azider FXR-Agonist mit einem subnanomolaren EC50-Wert konnte im Arbeitskreis entwickelt werden. Diese Verbindung ist FXR-selektiv, hat keinen toxischen Effekt auf HepG2-Zellen und eine moderate metabolische Halbwertszeit. Die qRT-PCR-Untersuchung direkter und indirekter FXR-Zielgene zeigte eine verstärkte Expression nach der Inkubation mit der nicht-aziden Substanz. Dadurch lässt sich das Prinzip der Nebenwirkungsminderung durch nicht-azide Verbindungen beweisen.
Insgesamt konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, wie vielfältig und vielversprechend eine FXR-Modulation aufgebaut sein kann. Zum einen konnte über eine ausgeprägte biochemische Evaluation eine Differenzierung zwischen FXR-Antagonismus und Zelltoxizität bewiesen werden, worauf sich aufbauend eine genaue in vitro-Charakterisierung von neuen N-phenylbenzamidbasierten FXR-Antagonisten durchführen ließ, die ausgehend von einer moderat potenten Leitstruktur zu einer sehr potenten optimierten Substanz entwickelt wurden. FXR-Antagonismus und die dazu passenden tool compounds sind nicht nur von Bedeutung zum besseren Verständnis der unterschiedlichen Bindungsmodi des FXR, sondern auch potentielle Therapieansätze zur Behandlung von Krankheiten, in denen eine FXR-Überexpression stattfindet. Die agonistische Modulation von FXR wurde genauer betrachtet in der in vitro-Untersuchung nicht-azider FXR-Agonisten, die durch das Fehlen einer sauren Funktion ein hohes Maß an Selektivität und dabei eine geringe Toxizität aufwiesen. Synergistische Effekte zur Behandlung eines multifaktoriellen Krankheitsbildes durch die Kombination von FXR-Partialagonismus und sEH-Inhibition konnte durch die Entwicklung der potenten und balancierten Substanz sowohl in vitro als auch in vivo bewiesen werden, wodurch diese Verbindung ein vielversprechender Kandidat für weitere klinische Entwicklung ist.
Entwicklung von Immunisierungsstrategien zur Induktion hoher funktionaler Antikörperantworten
(2018)
Neuartige Viren und Erreger, die sich antigenetisch tiefgreifend von bekannten Varianten unterscheiden, können verheerende Epidemien auslösen, da weder gegen diese Erreger eine Immunität in der Bevölkerung besteht, noch prophylaktische oder therapeutische Maßnahmen verfügbar sind. Eine prophylaktisch vermittelte Immunität durch Impfung stellt die bei Weitem effektivste Methode zur Vorbeugung viraler Infektionen dar, jedoch sind die Entwicklungs- und Herstellungszeiten eines neuen Impfstoffs in der Regel mit der Ausbruchsdynamik nicht kompatibel. Inzwischen steht zwar eine überschaubare Anzahl antiviraler Medikamente zur Verfügung, doch ist die Wahrscheinlichkeit gering, dass diese meist hoch spezifischen Wirkstoffe gegen neu auftretende Viren aktiv sind. Das beispiellose Ausmaß der Ebola-Epidemie 2014 führte zum Einsatz experimenteller antikörperbasierter Therapien, welche das Potential der passiven Vermittlung von temporärem Immunschutz naiver Personen verdeutlicht. Für viele neuartige Viren ist die Entwicklung von Therapieansätzen allerdings noch nicht entsprechend weit fortgeschritten. Zudem bedingt eine Verwendung des eigentlichen Erregers oft hohe Sicherheitsmaßnahmen, was die Arbeit erschwert. Aus diesem Grund werden Notfalltherapien benötigt, die schnell in klinisch relevanter Qualität und Quantität unter niedrigen biologischen Sicherheitsmaßnahmen produziert werden können.
Diese Arbeit basiert auf der zentralen Hypothese, dass die Induktion von hohen Titern funktioneller Antikörperantworten die Basis für einen breiteren Schutz gegen antigenetisch entferntere Virusstämme sowie für die schnelle Produktion von therapeutischen Antiseren darstellt.
Um diese Hypothese zu testen und Einblicke in verschiedene Aspekte dieses Prozesses zu bekommen, wurde zunächst die Nutzung von Adjuvanzien als Zusätze für Impfstoffe am Beispiel des pandemischen A(H1N1)pdm09-Impfstoffs untersucht. Neben den alljährlichen Epidemien, die von saisonalen Influenza-A-Viren der Subtypen H1N1 oder H2N3 verursacht werden, können neuartige Subtypen zu weltweiten Pandemien führen. Während die saisonalen Influenza-Impfstoffe in der Regel keine Adjuvanzien enthalten, wurden einige pandemische H1N1-Impfstoffe aus 2009 mit einem reduzierten Antigengehalt formuliert und mit squalenbasierten Adjuvanzien kombiniert, um eine ausreichende Wirksamkeit bei größerer Verfügbarkeit zu gewährleisten. Zur Charakterisierung des Effekts dieser Adjuvanzien auf die Immunantworten wurden Frettchen mit 2 µg des kommerziellen H1N1pmd09-Impfstoffes alleine sowie in Kombination mit verschiedenen Adjuvanzien immunisiert, die Antikörpertiter gegen homologe und heterologe Influenzastämme untersucht und mit dem Schutz vor einer Infektion korreliert. Dabei zeigte sich, dass die Verwendung squalenbasierter Adjuvanzien die funktionalen Antikörperantworten um das 100-fache erhöhte und zu einer signifikant reduzierten Viruslast nach der Infektion mit dem homologen pandemischen Virus führte. Während in keiner Gruppe Antikörper gegen die heterologen Hämagglutinin-(HA-)Proteine H3, H5, H7 und H9 nachweisbar waren, induzierten mit squalenbasierten Adjuvanzien kombinierte Impfstoffe subtypenspezifische Antikörper gegen das N1 Neuraminidase-(NA-)Protein einschließlich H5N1. Darüber hinaus führte die Immunisierung mit squalenbasierten Adjuvanzien zu einer besseren Kontrolle der Influenzavirus-Replikation in den oberen Atemwegen.
Anschließend wurde im zweiten Teil dieser Arbeit unter Einbeziehung der gewonnenen Erkenntnisse eine Immunisierungsstrategie zur schnellen Produktion therapeutischer Hyper-immunseren entwickelt, wobei unterschiedliche Antigenexpressionssysteme miteinander verglichen wurden. Während in den frühen Stadien eines Ausbruchs Rekonvaleszenzseren nicht ohne weiteres verfügbar sind, können Antiseren tierischen Ursprungs innerhalb eines kurzen Zeitraums hergestellt werden. Die Herausforderung liegt in der schnellen Induktion einer schützenden Immunität, wobei die effiziente Produktion und Reinigung von Hyperimmunserum in klinisch relevanten Mengen ebenso essenziell ist wie die Anpassungsfähigkeit der Immunisierungsstrategie an neue oder hinsichtlich ihrer Antigenizität veränderte Viren. Hierzu wurden verschiedene Immunisierungsstrategien in Mäusen und Kaninchen verglichen, die unterschiedliche Expressionssysteme für das Modellantigen Ebolavirus-Glykoprotein (EBOV-GP) verwenden: (i) Ebolavirus-ähnliche Partikel (VLP), (ii) das rekombinante modifizierte Vacciniavirus Ankara (MVA) sowie (iii) das rekombinante Virus der vesikulären Stomatitis (VSV). Im Ergebnis induzierte eine dreimalige Immunisierung mit VLPs in Kombination mit squalenhaltigem Adjuvans neutralisierende Antikörpertiter, die vergleichbar mit der Immunisierung mit replikationskompetentem VSVΔG/EBOV-GP waren. Dies deutet darauf hin, dass nicht die De-novo-Antigenexpression, sondern vielmehr die mehrfache Präsentation des Antigens in nativer Konformation für die Produktion von neutralisierenden Antikörpern essenziell ist. Darüber hinaus waren die funktionalen Antikörpertiter aller Kaninchenseren in der In-vitro-Analyse gegen das Wildtypvirus 10- bis 100-fach höher als der Durchschnitt, der in mit VSVΔG/EBOV-GP geimpften Probanden beobachtet wurde. Die Etablierung eines optimierten mehrstufigen Reinigungsverfahrens unter Verwendung einer zweistufigen Ammoniumsulfat-Präzipitation, gefolgt von einer Protein-A-Affinitätschromatographie, führte zu aufgereinigten IgG-Präparationen mit nahezu unveränderter neutralisierender Aktivität, die über neun Tage im xenogenen In-vivo-Modell stabil waren. Die signifikante Erhöhung von totalen und funktionalen Antikörpertitern in Kombination mit einer größeren Breite der Antikörperantwort im Kontext von squalenbasierten Adjuvanzien stützt die Hypothese dieser Arbeit. Adjuvantierte Immunisierungsstrategien sind damit ein vielversprechender Ansatz nicht nur zur Wirksamkeitssteigerung von Subunit- und Proteinimpfstoffen, sondern auch zur schnellen Herstellung von therapeutischen Antiseren.