Biologische Hochschulschriften (Goethe-Universität)
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This dissertation constitutes a series of successive research papers, starting with the characterization of various optogenetic tools up to the establishment of purely optical electrophysiology in living animals.
Optogenetics has revolutionized neurobiology as it allows stimulation of excitable cells with exceptionally high spatiotemporal resolution. To cope with the increasing complexity of research issues and accompanying demands on experimental design, the broadening of the optogenetic toolbox is indispensable. Therefore, one goal was to establish a wide variety of novel rhodopsin-based actuators and characterize them, among others, with respect to their spectral properties, kinetics, and efficacy using behavioral experiments in Caenorhabditis elegans. During these studies, the applicability of highly potent de- and hyperpolarizers with adapted spectral properties, altered ion specificity, strongly slowed off-kinetics, and inverted functionality was successfully demonstrated. Inhibitory anion channelrhodopsins (ACRs) stood out, filling the gap of long-sought equivalent hyperpolarizing tools, and could be convincingly applied in a tandem configuration combined with the red-shifted depolarizer Chrimson for bidirectional stimulation (Bidirectional Pair of Opsins for Light-induced Excitation and Silencing, BiPOLES). A parallel study aimed to compare various rhodopsin-based genetically encoded voltage indicators (GEVIs) in the worm: In addition to electrochromic FRET-based GEVIs that use lower excitation intensity, QuasAr2 was particularly convincing in terms of voltage sensitivity and photostability in C. elegans. However, classical optogenetic approaches are quite static and only allow perturbation of neural activity. Therefore, QuasAr2 and BiPOLES were combined in a closed-loop feedback control system to implement the first proof-of-concept all-optical voltage clamp to date, termed the optogenetic voltage clamp (OVC). Here, an I-controller generates feedback of light wavelengths to bidirectionally stimulate BiPOLES and keep QuasAr’s fluorescence at a desired level. The OVC was established in body wall muscles and various types of neurons in C. elegans and transferred to rat hippocampal slice culture. In the worm, it allowed to assess altered cellular physiology of mutants and Ca2+-channel characteristics as well as dynamical clamping of distinct action potentials and associated behavior.
Ultimately, the optogenetic actuators and sensors implemented in the course of this cumulative work enabled to synergistically combine the advantages of imaging- and electrode-based techniques, thus providing the basis for noninvasive, optical electrophysiology in behaving animals.
Bioactive small molecules are used in many research areas as important tools to uncover biological pathways, interpret phenotypic changes, deconvolute protein functions and explore new therapeutic strategies in disease relevant cellular model systems. To unlock the full potential of these small molecules and to ensure reliability of results obtained in cellular assays, it is crucial to understand the properties of these small molecules. These properties encompass their activity and potency on their designated target(s), their selectivity towards unintended off-targets and their phenotypic effects in a cellular system. Approved drugs often engage with multiple targets, which can be beneficial for some applications such as treatment of cancer where several pathways need to be inhibited for treatment efficacy. However, targeting multiple key proteins in diverse pathways also increases the possibility for unspecific or unwanted side effects. For many drugs the entire target space that they modulate is not known. This makes it difficult to use these drugs for target deconvolution or functional assays with the aim to understand the underlying biological processes. In contrast to drugs, for mechanistic studies, a good alternative are chemical tool compounds so called chemical probes that are usually exclusively selective as well as chemogenomic compounds, that inhibit several targets but have narrow selectivity profiles. Because they are mechanistic tools, chemical tool compounds must meet stringent quality criteria and they are therefore well characterized in terms of their potency, selectivity and cellular on-target activity. To ensure that an observed phenotypic effect caused by a compound can be attributed to the described target(s), it is essential to study also properties of chemical tools leading to unspecific cellular effects. There are a variety of unspecific effects that can be caused by physiochemical compound properties that can interfere with phenotypic assays as well as functional compound evaluations. One of these effects is low solubility causing toxicity or intrinsic fluorescence potentially interfering with assay readouts. But unanticipated cellular responses can also arise from unspecific binding, accumulation in cellular compartments or damage caused to organelles such as mitochondria or the cytoskeleton that can result in the induction of diverse forms of cell death.
In this study, we investigated the influence of a variety of small molecules on distinct cell states, by establishing and validating high-content imaging assays, which we called Multiplex assay. This assay portfolio enabled us to detect different cellular responses using diverse fluorescent reporters, such as the influence of a compound on cell viability, induction of cell death programs and modulation of the cell cycle. Additionally, general compound properties such as precipitation and intrinsic fluorescence were simultaneously detected. The assay is adaptable to assess other cellular properties of interest, such as mitochondrial health, changes in cytoskeletal morphology or phospholipidosis. A significant advantage of the assay is that we are using live cells, so we can capture dynamic cellular changes and fluctuations that can be crucial for the understanding of cellular responses.
Der Hirntumor Glioblastom (GBM) ist aufgrund seines infiltrativen Wachstums, der hohen intra- und intertumoralen Heterogenität, der hohen Therapieresistenz als auch aufgrund der sogenannten gliomartigen Stammzellen sehr schwer zu behandeln und führt fast immer zu Rezidiven. Da es in den letzten Jahrzehnten kaum Fortschritte in der Behandlung des GBMs gab, bis auf die Therapie mit Tumortherapiefeldern, wird weiterhin nach alternativen Zelltodtherapien geforscht, wie zum Beispiel dem Autophagie-abhängigen Zelltod. Der Autophagie-abhängige Zelltod ist durch einen erhöhten autophagischen Flux gekennzeichnet und obwohl die Autophagie, als auch selektive Formen wie die Lysophagie und Mitophagie, normalerweise als überlebensfördernde Mechanismen gelten, konnten viele Studien eine duale Rolle in der Tumorentstehung, -progression und -behandlung aufzeigen, die vor allem vom Tumortyp und stadium abhängt. Um die zugrunde liegenden Mechanismen des durch Medikamente induzierten Autophagie-abhängigen Zelltods im GBM weiter zu entschlüsseln, habe ich in meiner Dissertation verschiedene Substanzen untersucht, die einen Autophagie-abhängigen Zelltod induzieren.
In einer zuvor in unserem Labor durchgeführten Studie konnte gezeigt werden, dass das Antipsychotikum Pimozid (PIMO) und der Opioidrezeptor-Antagonist Loperamid (LOP) einen Autophagie-abhängigen Zelltod in GBM Zellen induzieren können. Darauf aufbauend habe ich die Fähigkeit zur Induktion des Autophagie-abhängigen Zelltods in weiteren Zellmodellen validiert. Dies bestätigte einen erhöhten autophagischen Flux nach PIMO und LOP Behandlung, während der Zelltod als auch der autophagische Flux in Autophagie-defizienten Zellen reduziert war. In weiteren Versuchen konnte ich die Involvierung der LC3-assoziierten Phagozytose (LAP), ein Signalweg der auf die Funktion einiger autophagischer Proteine angewiesen ist, ausschließen. Weiterhin konnte ich eine massive Störung des Cholesterin- und Lipidstoffwechsels beobachten. Unter anderem akkumulierte Cholesterin in den Lysosomen gefolgt von massiven Schäden des lysosomalen Kompartiments und der Permeabiliserung der lysosomalen Membran. Dies trug einerseits zur Aktivierung überlebensfördernder Lysophagie als auch der Zell-schädigenden „Bulk“-Autophagie bei. Letztendlich konnte aber die erhöhte Lysophagie die Zellen nicht vor dem Zelltod retten und die Zellen starben einen Autophagie-abhängigen lysosomalen Zelltod. Da die Eignung von LOP als Therapie für das GBM aufgrund der fehlenden Blut-Hirn-Schranken Permeabilität und von dem Antipsychotikum PIMO aufgrund teils schwerer Nebenwirkungen eingeschränkt ist, habe ich mich im weiteren Verlauf meiner Dissertation mit einer Substanz mit einem anderen Wirkmechanismus beschäftigt.
Der Eisenchelator und oxidative Phosphorylierungs (OXPHOS) Inhibitor VLX600 wurde zuvor berichtet mitochondriale Dysfunktion und Zelltod in Kolonkarzinomzellen zu induzieren. Allerdings hat meines Wissens nach bisher noch keine Studie die therapeutische Eignung von VLX600 für das GBM untersucht. Hier zeige ich eine neuartige Autophagie-abhängige Zelltod-induzierende Fähigkeit von VLX600 für GBM Zellen, da der Zelltod signifikant in Autophagie-defizienten Zellen aber nicht durch Caspase-Inhibitoren gehemmt wurde und der autophagische Flux erhöht war. Darüber hinaus konnte ich die Hemmung der OXPHOS und die Induktion von mitochondrialem Stress in GBM Zellen bestätigen und weiterhin aufzeigen, dass VLX600 nicht nur die mitochondriale Homöostase stört, sondern auch zu einer BNIP3-BNIP3L-abhängigen Mitophagie führt, die wahrscheinlich durch HIF1A reguliert wird aber keinen erkennbaren Nettoeffekt auf den von VLX600 induzierten Zelltod hat. Demnach induziert VLX600 letale „Bulk“-Autophagie in den hier verwendeten Zellmodellen. Darüber hinaus konnte ich zeigen, dass die Eisenchelatierung durch VLX600 eine große Rolle für den von VLX600-induzierten Zelltod spielt aber auch für die Mitophagie Induktion, Histon Lysin Methylierung und den ribosomalen Stress. Letztendlich ist es wahrscheinlich ein Zusammenspiel all dieser Faktoren, die zur Zelltodinduktion durch VLX600 führen und interessanterweise werden Eisenchelatoren bereits in präklinischen und klinischen Studien für Krebstherapien untersucht. Dabei könnten gewisse metabolische Eigenschaften verschiedener Tumorzellen die Sensitivität von Wirkstoffen, die auf den Metabolismus wirken wie VLX600, beeinflussen was in zukünftigen Studien beachtet werden sollte um den bestmöglichsten Therapieerfolg zu erzielen. Zusammenfassend unterstützt meine Dissertation die duale Rolle der Autophagie, die stark vom jeweiligen Kontext abhängt und befürwortet die weitere Forschung von Substanzen, die einen Autophagie-abhängigen Zelltod induzieren, für das GBM.
Anthropogenic activities have a major impact on our planet and rapidly drive biodiversity loss in ecosystems at a global scale. Particularly over the last century, rising CO2 emissions significantly raised global temperatures and increased the intensity and frequency of droughts and heatwaves. Additionally, agricultural land use and fossil fuel combustion contribute to the continuous release of nitrogen (N) and phosphorus (P) into ecosystems worldwide through extensive fertilization and deposition from the atmosphere. It is important to understand how these rapid changes affect the evolution of plant populations and their adaptive potential. Adaptation by natural selection (i.e., adaptive evolution) within a few generations is an essential process as a response to rapid environmental changes. Rapid evolution of plant populations can be detected by using the so-called resurrection approach. Here, diaspores (i.e., seeds) from a population are collected before (ancestors) and after (descendants) a potential selection pressure (e.g., consecutive years of drought or changes in nutrient supply). Comparing phenotypes of ancestors and descendants in a common environment such as an outside garden, greenhouse, or climate chamber, may then reveal evolutionary changes. Ideally, plants are first grown in a common environment for an intermediate refresher generation to reduce parental and storage effects.
The aim of this thesis was to investigate the occurrence of adaptive evolution in natural plant populations in response to rapidly changing environments over the past three decades. I conducted three experiments using the resurrection approach to generate comprehensive data on the adaptive processes that acted on three plant populations from three different species over the last three decades. Furthermore, I filled knowledge gaps in plant evolutionary ecology and conceptually developed the resurrection approach further.
In Chapter I, I performed a novel approach by testing for adaptive evolution in natural plant populations using the resurrection approach in combination with in-situ transplantations. I cultivated seedlings from ancestors (23 – 26 years old) and contemporary descendants of three perennial species (Melica ciliata, Leontodon hispidus and Clinopodium vulgare) from calcareous grasslands in the greenhouse and In Chapter III, I assessed the reproducibility of phenotypic differences between genotypes among three different growth facilities (climate chamber, greenhouse, and outdoor garden). I also evaluated differences in phenotypic expression between plants grown after one vs. two intermediate generations (i.e., refresher generations). I performed this experiment within the framework of the resurrection approach and compared ancestors and descendants of the same population of Leontodon hispidus.
I observed very strong differences among plants growing in the different growth facilities. I found a significant interaction between the growth facility and the temporal origin (ancestors vs. descendants): descendants had significantly larger rosettes than ancestors only in the greenhouse and they flowered significantly later than ancestors exclusively in the climate chamber. I did not find significant differences between intermediate generations within the growth facilities. Overall, Chapter III shows that the use of a particular experimental system can dictate the presence and magnitude of phenotypic differences. This implies that absence of evidence is not evidence of absence when it comes to investigating genetically based trait differentiation among plant origins (in space or time). Experimental systems should be carefully designed to provide meaningful conditions, ideally mimicking the environmental conditions of the population’s origins. Finally, growing a second intermediate generation did not impact the genetic differences of ancestors and descendants within the environments, supporting the idea that only one intermediate generation may be sufficient to reduce detectable parental and storage effects.
The resurrection approach allows a better understanding of rapid plant adaptation, but some limitations deserve to be highlighted. I only studied one population per species, and Chapters II and III only focus on one population of L. hispidus, which is also hampering generalizations, as adaptive potential can vary greatly among populations of the same species. I only compared the ancestral genotypes to one descendant sample with a long time span in between (26 – 28 years), which makes it hard to pinpoint the selection agents that caused the genetic differentiation among the sampling years. Hence, closely monitoring biotic and abiotic factors of the studied populations between the ancestral and descendant sampling in future studies, would make identifying the responsible selection pressures more precise. I also recommend sampling multiple populations over consecutive years to improve the robustness of results and make generalizations more approachable.Furthermore, combining the resurrection approach with other methods such as in-situ transplantations will be valuable to offset the limitation that adaptations cannot be proven under artificial conditions (e.g., in the greenhouse).
The nucleus reuniens drives hippocampal goal‑directed trajectory sequences for route planning
(2023)
Goal-directed spatial navigation requires accurate estimates of one’s position and destination, as well as careful planning of a route between them to avoid known obstacles in the environment. Despite its general importance across species, the neural circuitry supporting the ability for route planning remains largely unclear. Previous studies described that place cells in the hippocampal CA1 encode the animal's next movement direction (Wood et al., 2000; Ito et al., 2015) and upcoming navigational routes (Pfeiffer & Foster, 2013). However, it has been shown that part of the CA1 activity representing the animal’s future behaviors is not necessarily generated in the hippocampus, but is derived from the medial prefrontal cortex (PFC) via the nucleus reuniens of the thalamus (RE) (Ito et al., 2015). Notably, the importance of the PFC in navigation has been demonstrated in several studies, including the recent finding of a goal map in the orbitofrontal cortex (Basu et al., 2021). Therefore, I hypothesized that information flow from the PFC to CA1 via the RE plays a key role in route planning.
To assess the animals' route planning ability, I designed a new navigation task in which a rat has to navigate to a fixed target location from various starting positions in an arena. Furthermore, by adding an L-shaped wall in the maze and removing all light sources in the experimental room, this task forced the animals to plan a wall-avoiding route without relying on direct sensory perceptions. I confirmed that rats could learn this task successfully, memorizing the wall location and taking a smooth wall-avoidance route. To test the role of the RE, I inactivated RE neurons by expressing the inhibitory opsin SwiChR++, which resulted in a significant deficit in the animal’s route planning ability, taking a longer non-smooth path to the destination. By contrast, this manipulation did not affect navigation performance when a straight goal-directed route was available, suggesting a specific role of the RE in route planning. I further found that DREADDs-mediated inactivation of neurons in the bilateral hippocampi resulted in a similar deficit in route planning ability, implying cooperation between the RE and the hippocampus.
I finally examined the activity of hippocampal CA1 neurons with and without RE inactivation. While neurons in the hippocampus exhibited brief trajectory sequences corresponding to the animal’s subsequent goal-directed journey, I found that this goal-directed bias of trajectory events was significantly reduced by RE inactivation, likely associated with route-planning deficits in these animals.
Altogether, this dissertation demonstrates the role of the RE from both behavioral and neural coding perspectives, identifying a pivotal circuit element supporting the animal’s route-planning ability.
Methods using environmental DNA to explore and analyze biodiversity from previously unexplored habitats and ecosystems have become increasingly popular in recent years. This is particularly due to the potential reduction in necessary taxonomic expertise, the opportunity to assess microorganismal communities, and decreased time investments required to cover large spatial extents. In forests, the surface of tree bark is an important habitat for epiphytic diversity. Because of the large surface area rich in micro-niches, the seasonal stability of the substrate, and the longevity of trees, tree bark surfaces provide an ideal habitat for many species. Yet, we lack a comprehensive understanding of their communities and the environmental drivers behind the community assembly. These missing links hinder the exploration of the forest microbiome as a whole and limits our understanding of functions of a large forest habitat and its connections to other forest microbiomes. With a holistic eDNA metabarcoding approach, encompassing samples of three major taxonomic groups (e.g. bacteria, fungi, and green algae), as well as simultaneous collections from multiple forest habitats we can contribute to closing these gaps and increase our knowledge of the forest microbiome.
My dissertation is set within the framework of the Biodiversity Exploratories and was conducted in four parts: I. the establishment of an eDNA metabarcoding workflow to reveal the local diversity of the bark surface microbiome; II. the upscaling of the method to large geographic and environmental gradients to uncover the drivers of the microbiome; III. the integration of soil and bark samples to investigate compositional differences in two important forest habitats; IV. the evaluation of eDNA metabarcoding as a tool for biodiversity assessments of lichen diversity in forests.
In the first part, I developed a simple, cost-effective and fast sampling strategy to acquire eDNA samples from the bark of trees in forest ecosystems. Using readily available medical-specimen-collection swabs I sampled bark surfaces of individual trees in Central German forests and used metabarcoding to amplify marker genes of green algae, fungi and bacteria. From the sequencing reads I calculated the first diversity estimates of the major organismal groups of bark surface microbiomes from Central European forests. Overall the methodology produced reliable results, allowing for an expanded sampling in the second part.
In the second part of the dissertation, I expanded the sampling based on the results of part one. I collected bark surface samples from the three regions of the Biodiversity Exploratories covering large spatial and environmental gradients representative for Central European forests. The collection included composite samples from 150 plots and over 750 trees. Utilizing measurements of climatic and forest structure variables provided by the Biodiversity Exploratories, as well as my own community data, I identified the biotic and abiotic drivers behind alpha and beta diversity of the bark surface microbiome.
In the third part, I studied the differences between the bark surface as an unexplored and the soil as an example of a well characterized forest microbiome. Using only the fungal part of the large sampling campaign and soil samples obtained from the same plots at the same time, I assessed the commonalities and differences of the micro-communities of these distinct forest niches. Furthermore, I included two coniferous and one deciduous tree species to examine, if the effect of tree species, previously shown for soil microbiomes, also holds true for the bark surface.
In the last part of my dissertation, I used eDNA in a more applied way as a tool in biodiversity assessments of lichenized fungi. I compared the results from eDNA metabarcoding to an expert floristic mapping conducted in the same plots in 2007/2008. I assigned functional guilds to the fungal taxa obtained in the large sampling campaign and used a subset that was assigned as lichenized fungi.
In conclusion, I showed that eDNA metabarcoding is a valuable tool to reveal the unknown diversity of microorganisms in forest ecosystems. In particular, my results advance our understanding of the bark surface microbiome, an underexplored habitat within forests. The tightly linked interactions of the three major microbial groups underline that studies need to take holistic approaches across multiple taxonomic groups to deepen our understanding of processes governing the assembly of microbiomes. Results from my dissertation may serve as a foundation to inform hypotheses addressing the functions of forest microbiomes. The massive diversity data collected may also contribute to closing the gap in our understanding of macro-organisms and micro-organisms with respect to diversity distributions and patterns of richness, and serve as a baseline for predictions of biodiversity responses under future anthropogenic change.
Biotechnological processes offer better production conditions for a wide variety of goods of industrial interest. The production of aromatic compounds, for example, involves molecules of great value for cosmetic, plastic, agrochemical and pharmaceutic industries. However, the yield of such processes frequently prevents a proper implementtation that would allow the replacement of traditional production processes.
Numerous rational engineering approaches have been attempted to enhance metabolic pathways associated with desired products. Unfortunately, genetic modifications and heterologous pathway expression often lead to a higher metabolic burden on the producing organisms, ultimately leading to reduced production levels and fitness.
This project utilised adaptive laboratory evolution to better understand the development of synthetic cooperative consortia, using S. cerevisiae as a model organism. Specifically, a synthetic cooperative consortium was developed around the exchange of lysine and tyrosine, which was subjected to adaptive laboratory evolution aiming to induce mutations that would improve the system’s fitness either by enhanced production or upgraded stress resistance. Consequently, the mutant strains isolated after the evolution rounds were sequenced to identify relevant variations that could be related to the growth and production phenotypes observed.
The insights derived from this project are expected to contribute to further developing synthetic cooperative consortia with utilitarian purposes.
Hyperparasitic fungi on black mildews (Meliolales, Ascomycota) : hidden diversity in the tropics
(2023)
Meliolales (Sordariomycetes, Ascomycota) is a group of obligate plant parasitic microfungi mainly distributed in the tropics and subtropics. Meliolalean fungi are commonly known as “black mildews”, as they form black, superficial hyphae on the surface of vegetative and reproductive organs of vascular plants. They are considered biotrophic parasites, and the infections caused by black mildews can lead to a decrease in the photosynthetic activity of plants, as well as to an increase in the temperature and respiration rate of their leaves.
Meliolales are frequently parasitized by hyperparasitic fungi, i.e., parasitic fungi that have parasitic hosts. These hyperparasites are all Ascomycota and belong mainly to the Dothideomycetes and Sordariomycetes. Although hyperparasites represent a megadiverse group, species were only described by morphology until 1980, and the systematic position of more than 60 % of known species is still unclear. In addition, there are no DNA reference sequences available in public databases for any of the species of hyperparasites of Meliolales, and no ecological studies have been done up to now.
Before this study, no exact number of hyperparasitic fungi growing on colonies of black mildews existed. Here, we present a checklist including 189 species of fungi known to be hyperparasitic on Meliolales, but the number of existing species is likely to be even higher. The elaboration of this species checklist laid the foundations for this investigation, as it helped to understand the present state of knowledge of hyperparasitic fungi on Meliolales worldwide.
For the present study, fresh specimens of leaves infected with colonies of Meliolales and hyperparasites were opportunistically collected at 32 collection sites in Western Panama and Benin, West Africa, in 2020 and 2022, respectively. In total, 100 samples of plant specimens infected with black mildews were collected, of which 58 samples were parasitized by hyperparasitic fungi. 31 species and morphospecies of hyperparasitic fungi were identified. In addition, 35 historical specimens, including 12 type specimens, were examined for the present work.
DNA of hyperparasitic fungi was isolated directly from conidia, synnemata, apothecia, perithecia or pseudothecia of fresh and dried specimens. The main challenges faced by scientists in doing molecular studies of hyperparasitic fungi are related to the fact that the hyperparasitic fungi are intermingled with tissues of the meliolalean hosts and other organisms present in a given sample. This makes the isolation of DNA exclusively from the hyperparasite difficult. Moreover, hyperparasitic fungi on Meliolales are biotrophs and cannot be grown axenically. The hosts themselves are also biotrophic, further complicating DNA isolation from either partner. These factors have contributed to a lack of reference sequences in public databases. After more than 100 attempts, DNA of 20 specimens of hyperparasitic fungi, representing seven species, has been isolated in the context of the present investigation. Three partial nuclear gene regions were amplified and sequenced: nrLSU, nrSSU and nrITS. The datasets were assembled for phylogenetic analyses applying Maximum Likelihood (ML) and Bayesian inference (BI) methods. DNA sequences of hyperparasitic fungi on Meliolales were generated for the first time in the context of the present investigation.
Hyperparasitic fungi on Meliolales do not represent a single systematic group, but a polyphyletic ecological guild of fungi. Because of this huge diversity, only the systematics of species of perithecioid hyperparasites, as well as of the species of the genera Atractilina and Spiropes known to be hyperparasitic on black mildews was discussed in this thesis, as they represented the most common groups of fungi found in Benin and Panama. The results indicated, for example, the systematic position of Dimerosporiella cephalosporii and Paranectriella minuta in the Sordariomycetes and Dothideomycetes, respectively. In addition, the first record of a hyperparasitic fungus of black mildews in the Lecanoromycetes, namely Calloriopsis herpotricha, is reported here. The systematics of Atractilina parasitica and of some species of Spiropes is also discussed here.
In the context of the present investigation, four species new to science were described. They are presented with detailed descriptions, photos and scientific illustrations. Taxonomic studies of this thesis also generated seven new synonyms, nine new records for Benin, seven for Panama, one for Africa and two for mainland America, as well as the confirmation of one anamorph-teleomorph connection by molecular sequence data.
The ecology of hyperparasitic fungi on Meliolales is complex and far from being completely understood. The hypothesis of host specificity between hyperparasitic fungi, their meliolalean hosts and their plant hosts was tested for the first time, through a tritrophic network analysis. Results indicate that hyperparasites of Meliolales are generalists concerning genera of Meliolales, but apparently specialists at the level of order. In addition, hyperparasitic fungi tend to be found alongside their meliolalean hosts, suggesting a pantropical distribution.
Die Zahl der gramnegativen Bakterien auf der WHO-Liste der Antibiotikaresistenzen hat in den letzten Jahrzehnten erheblich zugenommen. Schätzungen zufolge wird die Antibiotikaresistenz bis 2050 tödlicher sein als Krebs. Die äußere Membran gramnegativer Bakterien ist aufgrund ihres wichtigsten Strukturbestandteils, des Lipopolysaccharids (LPS), sehr anpassungsfähig an Umweltveränderungen. Das LPS macht gramnegative Bakterien von Natur aus resistent gegen viele Antibiotika und führt somit zu Antibiotikaresistenz. Der bakterielle ATP-bindende Kassettentransporter (ABC-Transporter) MsbA spielt eine entscheidende Rolle bei der Regulierung der bakteriellen Außenmembran, indem er das Kern-LPS durch ATP-Hydrolyse über die Innenmembran von gramnegativen Bakterien flockt. Darüber hinaus fungiert diese Floppase als Efflux-Pumpe, indem sie Medikamente durch die innere Membran transportiert, was sie zu einem interessanten Ziel für Medikamente macht. Vor kurzem wurden zwei verschiedene Klassen von MsbA-Inhibitoren entdeckt: (1) Tetrahydrobenzothiophene (TBT), die den LPS-Transport aufheben, und (2) Chinolinderivate, die sowohl die ATP-Hydrolyse als auch die LPS-Translokation blockieren. Darüber hinaus hat die Bestimmung der 3D-Struktur von MsbA durch Rontgen- und Kryo-EM mehrere interessante Zustände der Floppase ergeben. Die Kernspinresonanzspektroskopie ist eine hervorragende biophysikalische Methode zur Ergänzung der vorhandenen 3D-Strukturdaten. Insbesondere ermöglicht die Festkörper-NMR die Untersuchung von Membranproteinen in einer nativen Umgebung (z. B. in einer Lipiddoppelschicht). In der Vergangenheit hat unser Labor mithilfe der Festkörper-NMR einige detaillierte Mechanismen von MsbA aufgedeckt. Trotz der zahlreichen Fortschritte bei der Untersuchung der ABC-Transporterprotein-Superfamilie ist der spezifische Prozess der Substrattranslokation von MsbA noch immer unbekannt. Es wird angenommen, dass dieser Translokationsprozess über die Kopplungshelices (CHs) erfolgt, die sich zwischen der Transmembranregion (TMD) und der Nukleotidbindungsdomäne (NBD) befinden. Nukleotid-Bindungsdomäne (NBD). Zu diesem Zweck wird dem Zusammenspiel zwischen der TMD und der NBD über die CHs besondere Aufmerksamkeit gewidmet, mit dem Ziel, den Prozess der Substrattranslokation mithilfe von funktionellen Assays und Festkörper-NMR zu verstehen. Bei letzterem wurden spezifische Reporter in die CHs eingeführt, um Konformationsänderungen in 2D-spektroskopischen Daten zu verfolgen. Darüber hinaus wurde zeitaufgelöste NMR eingesetzt, um die Auswirkungen verschiedener Substrate in der TMD während der ATP-Hydrolyse in der NBD sichtbar zu machen. Die einzigartigen Reporter in den CHs haben Konformationsänderungen in bestimmten katalytischen Zuständen gezeigt. Darüber hinaus scheinen verschiedene Substrate die Kinetik der ATP-Hydrolyse zu beeinflussen. Die Ergebnisse zeigten, dass einige Substrate einen bevorzugten katalytischen Zustand innerhalb des ATP-Hydrolyse Zyklus aufweisen, der möglicherweise einen gekoppelten oder ungekoppelten Kinasemechanismus hat. Diese Ergebnisse könnten verschiedene Einblicke in die molekulare Struktur potenzieller neuer Antibiotika liefern.
Discrepancies between knockdown and knockout animal model phenotypes have long stood as a perplexing phenomenon. Several mechanisms explaining such observations have been proposed, namely the toxicity or the off-target effects of the knockdown reagents, as well as, in certain cases, genetic robustness – an organism's ability to maintain its phenotype despite genetic perturbations. In addition to these explanations, transcriptional adaptation (TA), a phenomenon defined as an event whereby a mutation in one gene leads to transcriptional upregulation or downregulation of another, adapting, gene or genes expression, has been recently proposed as an alternative explanation for the conflicting knockdown and knockout phenotype paradox.
Since its discovery in 2015, TA's precise mechanism remains a subject of ongoing research. Majority of evidence suggests that mutant mRNA degradation plays a central in TA. Epigenetic remodeling is also thought to play a role, as evidenced by an increase in active histone marks at the transcription start sites of the adapting genes. Whether mRNA degradation is indeed the key player in TA remains debated. Furthermore, it is still unknown how exactly TA develops, what adapting genes it targets, and whether genomic mutations that render mutant mRNA sensitive to degradation are required for TA to occur.
Throughout the experiments described in this Dissertation, I have designed an inducible TA system where TA can be triggered on demand and its effects on the cell’s transcriptome followed through time. I have demonstrated that degradation-prone transgenes, once induced and expressed, can be efficiently degraded, resulting in the protein loss-independent upregulation of adapting genes via TA. Adapting genes with higher degree of sequence similarity become upregulated faster than genes with lower degree of sequence similarity. Further functionality of this approach to study TA is limited by the leakiness of the inducible gene expression system; however, constitutively expressed degradation-prone transgenes were used to demonstrate TA in human cells.
In addition, I have developed an approach to target wild-type cytoplasmic mRNAs without altering the cell’s genome and reported a TA-like phenomenon, which manifested as adapting gene upregulation not relying on mutations in other genes. Cytoplasmic mRNA cleavage with CRISPR-Cas13d triggered a TA-like response in three different gene models: Actg1 knockdown, Ctnna1 knockdown, and Nckap1 knockdown. After comparing two different modes of triggering TA, CRISPR-Cas9 knockout versus CRISPR-Cas13d knockdown, I reported little overlap between the dysregulated genes and suggested that diverse mRNA degradation modes led to distinct TA responses. In addition, the transcriptional increase of Actg2 caused by CRISPR-Cas13d-mediated Actg1 mRNA cleavage did not require chromatin accessibility changes.
Experiments and genetic tools described in this dissertation investigated how TA develops from its earliest onset, how it affects the global transcriptome of the cell, as well as provided compelling evidence for an mRNA degradation-central TA mechanism. I have created tools to study both direct and indirect TA gene targets and unveiled important insights into the temporal dynamics of TA. Genes with higher sequence similarity were found to be upregulated more rapidly than those with lower similarity. Furthermore, it was revealed that the epigenetic properties of TA responses vary depending on the triggering mechanism. Cas13d-mediated degradation of wild-type mRNAs led to immediate transcriptional enhancement independent of epigenetic changes, which stood in contrast to previously measured alterations in chromatin accessibility in CRISPR-Cas9 mutants. This research has thus significantly advanced our knowledge of TA and provided valuable tools and findings that contribute to the broader understanding of gene expression regulation in response to mRNA degradation.
The simultaneous inhibition of HDACs and BET proteins has shown promising anti-proliferative effects against different cancer types, including the difficult to treat pancreatic cancer. In this work, the strategy of concurrently targeting HDACs and BET proteins was pursued by developing different types of dual inhibitors.
By developing a novel scaffold that selectively inhibits HDAC1/2 together with BET proteins in cells, an effective tool for the investigation of pancreatic cancer, and other diseases which are sensitive to epigenetic processes, was created. The compound’s small size further gives the opportunity to further develop the inhibitor towards optimized pharmacokinetic properties, potentially resulting in a drug for cancer treatment.
A second novel approach that was pursued, was the development of a small-molecule degrader, targeting HDACs and BET proteins. Through synthesizing a variety of different molecules, a compound that was capable of lowering BRD4 levels and, at the same time, increasing histone acetylation was developed. While additional mechanistic investigations are needed to verify the degradation, the potent antiproliferative effects in pancreatic cancer cells encourage further studies following this alternative new strategy.
Nukleinsäuren und Proteine bilden zusammen mit den Kohlenhydraten und Lipiden die vier großen Gruppen der Biomoleküle. Dabei setzen sich Nukleinsäuren aus einer variierenden Abfolge von Nukleotiden zusammen. Gleiches trifft auf die Proteine zu, wobei deren Bausteine als Aminosäuren bezeichnet werden. Die Reihenfolge der Bausteine bestimmt zusammen mit der Interaktion, die die einzelnen Bestandteile untereinander eingehen, deren Funktion. Um deren Wirkungsweise verstehen und nachverfolgen zu können, wurden unterschiedliche Methoden entwickelt, zu welchen auch die EPR-Spektroskopie gehört.
Durch den Einbau modifizierter Nukleotide oder Aminosäuren lassen sich Spinlabel in die sonst EPR-inaktiven Nukleinsäuren und Proteine einführen. Diese Marker lassen sich grundsätzlich in drei Klassen unterteilen (Metallionen, Nitroxidradikale und TAMs), weisen aber immer mindestens ein ungepaartes Elektronenpaar auf. Die Festphasensynthese ist eine Standardprozedur zur Herstellung von markierten Nukleinsäuren und Proteinen. Allerdings führen die Bedingungen dieser Methode zumindest teilweise zur Zersetzung der Nitroxidradikale, die dieser Arbeit zugrunde liegen, wenn sie direkt während der Synthese eingebaut werden. Der direkte Einbau ist aber in vielen Fällen essenziell, um bestimmte Eigenschaften zu erzielen.
Um den Abbau des Nitroxidradikals während der Festphasensynthese zu verhindern, kann dieses vorübergehend mit einer Schutzgruppe versehen werden, welche sich anschließend wieder abspalten lässt.
Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt hierbei auf der Darstellung neuer photolabil geschützter Spinlabel zur Synthese markierter Proteine und Nukleinsäuren.
Basierend auf den Nukleotiden Uridin und Cytidin konnten zwei für die RNA-Synthese vorgesehene Phosphoramidite synthetisiert werden, welche jeweils an der 5-Position des Pyrimidinrings mit einem photolabil geschützten Spinlabel auf Basis von TPA versehen waren. Durch Einbau des Uridinderivats in das Neomycin-Aptamer konnte zudem der Einfluss der Spinlabel auf die lokale Struktur mit Hilfe von in-line probing gezeigt werden.
Der gleiche TPA-Label konnte ebenfalls mit einem Lysin gekuppelt werden, welches später über ein orthogonales tRNA/Aminoacyl-tRNA Synthetase Paares in eine Polypeptid eingebaut werden sollte. In Kooperation mit dem AK Grininger ist auch ein nicht geschützter Spinlabel zur kupferfreien Markierung der Fettsäuresynthase entstanden. Abschließend war noch die Synthese eines auf Phenylalanin basierenden photolabil geschützten Spinlabel in Arbeit, welcher jedoch nicht beendet werden konnte. Dieser sollte mittels Festphasensynthese einbaubar sein, weswegen er am N-Terminus mit Fmoc geschützt ist.
Die vorliegende Doktorarbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung von molekularen Systemen, die aus mehreren Chromophoren bestehen und über einen Zweiphotonen-Prozess aktiviert werden können.
Die Zweiphotonen-Absorption (2PA) beschreibt die nahezu simultane Absorption zweier Photonen, deren Summe die Energie ergibt, die für den entsprechenden elektronischen Übergang nötig ist. Da für die Anregung somit zwei niederenergetische Photonen benötigt werden, kann für die 2PA Nahinfrarot-Licht (NIR-Licht) verwendet werden, welches eine geringe Phototoxizität aufweist und eine tiefe Gewebedurchdringung ermöglicht. Weiterhin wird durch die intrinsische dreidimensionale Auflösung der 2PA eine hohe Ortsauflösung der Photoaktivierung erzielt.
Photolabile Schutzgruppen (PPGs) bzw. Photocages sind chemische Verbindungen, die der vorübergehenden Maskierung der biologischen Funktion eines (Makro-)Moleküls dienen. Sie können durch Licht geeigneter Wellenlängen abgespalten werden (uncaging), wodurch die Aktivität des geschützten Substrats wiederhergestellt wird. Leider weisen viele der etablierten PPGs schlechte Zweiphotonen-Eigenschaften auf. Um die 2P-Aktivität einer PPG zu erhöhen, kann sie kovalent mit einem guten Zweiphotonen-Absorber verknüpft werden, der bei Bestrahlung das Licht über einen Zweiphotonen-Prozess absorbiert und anschließend mittels Energietransfer auf die photolabile Schutzgruppe überträgt. Dies führt schließlich zur Uncaging-Reaktion.
Im Zuge von Projekt I dieser Dissertation wurde eine solche molekulare Dyade für verbessertes Zweiphotonen-Uncaging bestehend aus einem Rhodamin-Fluorophor als Zweiphotonen-Absorber und einem Rotlicht-absorbierenden BODIPY als photolabile Schutzgruppe hergestellt und charakterisiert. Die Zweiphotonen-Aktivität des Fluorophors wurde mittels TPEF-Messungen (two-photon excited fluorescence) untersucht. Anschließend wurde das Rhodamin an einen 3,5-Distyryl-substituierten BODIPY-Photocage gekuppelt. Der Energietransfer innerhalb dieser Dyade wurde mithilfe von transienter Ultrakurzzeit-Spektroskopie und quantenmechanischen Berechnungen untersucht. Die Freisetzung der Abgangsgruppe para-Nitroanilin (PNA) bei Belichtung der Dyade konnte sowohl nach Einphotonen-Anregung des Rhodamins als auch des BODIPYs mithilfe von UV/vis-Absorptionsmessungen qualitativ nachgewiesen werden.
Da die Uncaging-Reaktion allerdings nicht besonders effektiv war, wurde für die Weiterführung des Projekts ein neuer BODIPY Photocage, der eine verbesserte Photolyse-Effizienz und eine höhere Photostabilität aufwies, verwendet und erneut an einen Rhodamin-Fluorophor geknüpft. Anhand dieser optimierten Dyade konnte die Einphotonen-Photolyse quantifiziert, d.h. eine Uncaging-Quantenausbeute für die Freisetzung von PNA bestimmt werden. Weiterhin wurde beobachtet, dass die Photolyse der Dyade mit einer deutlichen Änderung ihrer Fluoreszenzeigenschaften einherging. Dies ermöglichte einen Nachweis des Zweiphotonen-Uncagings mithilfe eines Fluoreszenzmikroskops. Die Dyaden-Moleküle wurden zur Immobilisierung in Liposomen eingeschlossen und unter dem konfokalen Fluoreszenzmikroskop belichtet. Sowohl nach Einphotonen- als auch nach Zweiphotonen-Anregung der Rhodamin-Einheit konnte die gewünschte Fluoreszenzänderung beobachtet und somit das Uncaging bestätigt werden.
In Projekt II der Dissertation wurde ein photoaktivierbarer Fluorophor (PAF) hergestellt. PAFs liegen in ihrer geschützten Form dunkel vor. Durch die Aktivierung mit Licht können sie Fluoreszenzsignale emittieren. Sie liefern somit ein direktes Feedback über die Lichtverteilung und –intensität innerhalb einer Probe und werden somit unter anderem für die Charakterisierung und Optimierung von Belichtungsapparaturen verwendet. Besonders wünschenswert ist hierbei eine Fluoreszenzaktivierung mit sichtbarem Licht bzw. mit NIR-Licht über einen Zweiphotonen-Prozess.
Im Zuge der Arbeit wurde ein Rhodamin-Derivat synthetisiert, das durch die Anbringung eines DEACM450-Photocages in seine nichtemittierende Form gezwungen wurde. Bei Bestrahlung mit 455 nm konnte die Abspaltung der Cumarin-Schutzgruppe und der damit verbundene Anstieg der Rhodamin-Fluoreszenz beobachtet und eine Uncaging-Quantenausbeute bestimmt werden. Für die Untersuchung der Zweiphotonen-Photolyse wurde der geschützte Fluorophor in einem Hydrogel immobilisiert und unter dem konfokalen Fluoreszenzmikroskop betrachtet werden. Anschließend wurden Fluoreszenzbilder vor und nach Photoanregung von bestimmten Regionen des Hydrogels aufgenommen. Durch das Uncaging der Probe konnten helle, definierte Muster geschrieben und ausgelesen werden. Die Photoaktivierung führte dabei sowohl über die Einphotonen-Anregung mit blauem Licht (488 nm) als auch über die Zweiphotonen-Anregung mit NIR-Licht (920 nm) zur Generierung von stabilen, gleichmäßigen Fluoreszenzmustern mit hohem Kontrast.
Seit Jahrzehnten finden Kunststoffe aufgrund ihrer vorteilhaften Materialeigenschaften wie z. B. Formbarkeit und im Vergleich zu Glas oder Metall geringe Kosten und leichtes Gewicht, vermehrt Anwendung in allen Bereichen des täglichen Lebens. Einhergehend gelangen Kunststoffe zunehmend in die Umwelt, und reichern sich dort an. Besondere Aufmerksamkeit erfahren Partikel im Größenbereich von 1-1000 µm, sogenanntes Mikroplastik (MP), welches entweder direkt eingetragen wird oder in der Umwelt durch Fragmentierung größerer Plastikteile entsteht. Lange Zeit fokussierte sich die MP Forschung vorrangig auf aquatische Ökosysteme, obwohl Schätzungen davon ausgehen, dass die Kunststoffeinträge in terrestrischen Ökosystemen um ein Vielfaches höher sind. Besonders relevante Eintragspfade sind neben der unsachgemäßen Entsorgung von Abfällen, die landwirtschaftliche Klärschlamm- und Kompostdüngung und der zunehmende Einsatz von Mulchfolien, sowie der im Straßenverkehr generierte Reifenabrieb.
Für eine Abschätzung und Bewertung der MP-Belastung in Böden sind analytische Messungen von MP in Umweltproben essenziell, derzeit jedoch kaum existent, da MP im Boden partikulär und heterogen verteilt vorliegt und deshalb nur schwierig zu detektieren ist. Die für viele Analyseverfahren notwendige Isolation der Kunststoffpartikel, sowie die für repräsentative Messungen erforderliche Aufbereitung großer Probenvolumina stellen besondere analytische Herausforderungen mit großem Kosten- und Zeitaufwand dar. Chromatografische Verfahren finden wenig Anwendung, bieten aber vorteilhafte Voraussetzungen als Screeningverfahren für die Untersuchung von Böden, da sie nicht zwangsweise eine Partikelisolation verlangen, und zudem als Ergebnis einen Massegehalt liefern.
Diese Dissertation zeigt drei Anwendungen Chromatografie basierter Analyseverfahren zur Charakterisierung von MP im Boden. Erstmalig wurde die Thermo-Extraktion-Desorption-Gaschromatografie-Massenspektrometrie (TED-GC/MS) für die Analytik von Reifenabrieb in realen Umweltproben angewandt bei minimaler Probenaufbereitung. Dafür wurde ein Straßenrandboden umfangreich beprobt und analysiert, und es konnte neben der Eignung der analytischen Methode auch eine repräsentative Probenahmestrategie und räumliche Verteilungsmuster von Reifenabrieb im Boden demonstriert werden.
Der zweite Forschungsschwerpunkt lag auf der Methodenentwicklung und validierung eines neuartigen chemischen Extraktionsverfahrens für die Bestimmung von Polyestern in Bodenproben. Das Verfahren basiert auf der hydrolytischen Spaltung von Polyestern in ihre Monomere, deren flüssigchromatografische Abtrennung von Matrixbestandteilen und der Detektion mittels UV-Absorption. Das Verfahren verlangt neben der Extraktion keine weiteren Probenaufbereitungsschritte, ist für unterschiedliche Umweltmatrizes geeignet und ist damit z. B. prädestiniert für den Nachweis von Polyesterfasern auf gedüngten landwirtschaftlichen Flächen.
MP ist nicht nur aufgrund seiner Persistenz problematisch, sondern auch, weil es hydrophobe organische Schadstoffe aus dem Umweltmedium anreichern und transportieren kann. Maßgeblich für das Sorptionsverhalten sind die Materialeigenschaften des zugrunde liegenden Kunststoffes, welche Änderungen durch Alterungsprozessen unterliegen. Der Zusammenhang zwischen Materialalterung und Sorptionsverhalten wurde in früheren Studien kontrovers diskutiert und ist der dritte Teil dieser Arbeit. In einem Sorptionsexperiment konnte mittels Headspace-Gaschromatografie mit Flammenionisations-Detektion die Aufnahme von Aromaten an den Kunststoffen Polypropylen und Polystyrol quantifiziert werden. Die Kunststoffe wurden materialwissenschaftlich charakterisiert, teilweise künstlich gealtert und die daraus resultierende Änderungen der Materialeigenschaften sowie einhergehenden Änderungen des Sorptionsverhaltens erfasst. Dadurch war es möglich den Einfluss einzelner Materialeigenschaften auf das Sorptionsverhalten zu bewerten, Rückschlüsse auf zugrunde liegende Sorptionsmechanismen zu treffen und zu zeigen, dass in vorliegendem Experiment die Polymeralterung bei MP nicht zu einer erhöhten Schadstoffsorption führte.
Trait-dependent effects of biotic and abiotic filters on plant regeneration in Southern Ecuador
(2024)
Tropical forests have always fascinated scientists due to their unique biodiversity. However, our understanding of ecological processes shaping the complexity of tropical rainforests is still relatively poor. Plant regeneration is one of the processes that remain understudied in the tropics although this is a key process defining the structure, diversity and assembly of tropical plant communities. In my dissertation, I combine experimental, observational and trait-based approaches to identify processes shaping the assembly of seedling communities and compare associations between environmental conditions and plant traits across plant life stages. By working along a steep environmental gradient in the tropical mountains of Southern Ecuador, I was able to investigate how processes of plant regeneration vary in response to biotic and abiotic factors in tropical montane forests.
My dissertation comprises three complementary chapters, each addressing an individual research question. First, I studied how trait composition in plant communities varies in relation to the broad- and local-scale environmental conditions and across the plant life cycle. I measured key traits reflecting different ecological strategies of plants that correspond to three stages of the plant life cycle (i.e., adult trees, seed rain and recruiting seedlings). I worked on 81 subplots along an elevational gradient covering a large climatic gradient at three different elevations (1000, 2000 and 3000 m a.s.l.). In addition, I measured soil and light conditions at the local spatial scale within each subplot. My findings show that the trait composition of leaves, seeds and seedlings changed similarly across the elevational gradient, but that the different life stages responded differently to the local gradients in soil nutrients and light availability. Consequently, my findings highlight that trait-environment associations in plant communities differ between large and small spatial scales and across plant life stages.
Second, I investigated how seed size affects seedling recruitment in natural forests and in pastures in relation to abiotic and biotic factors. I set up a seed sowing experiment in both habitat types and sowed over 8,000 seeds belonging to seven tree species differing in seed size. I found that large-seeded species had higher proportions of recruitment in the forests compared to small-seeded species. However, small-seeded species tended to recruit better in pastures compared to large-seeded species. I showed that high surface temperature was the main driver of differences in seedling recruitment between habitats, because it limited seedling recruitment of large-seeded species. The results from this experiment show that pasture restoration requires seed addition of large-seeded species and active protection of recruiting seedlings in order to mitigate harmful conditions associated with high temperatures in deforested areas.
Third, I examined the associations between seedling beta-diversity and different abiotic and biotic factors between and within elevations. I applied beta-diversity partitioning to obtain two components of beta-diversity: species turnover and species richness differences. I associated these components of beta-diversity with biotic pressures by herbivores and fungal pathogens and environmental heterogeneity in light and soil conditions. I found that species turnover in seedling communities was positively associated with the dissimilarity in biotic pressures within elevations and with environmental heterogeneity between elevations. Further, I found that species richness differences increased primarily with increasing environmental heterogeneity within elevations. My findings show that the associations between beta-diversity of seedling communities and abiotic and biotic factors are scale-dependent, most likely due to differences in species sorting in response to biotic pressures and species coexistence in response to environmental heterogeneity.
My dissertation reveals that studying processes of community assembly at different plant life stages and spatial scales can yield new insights into patterns and processes of plant regeneration in tropical forests. I investigated how community assembly processes are governed by abiotic and biotic filtering across and within elevations. I also experimentally explored how the process of seedling recruitment depends on seed size-dependent interactions, and verified how these effects are associated with abiotic and biotic filtering. Identifying such processes is crucial to inform predictive models of environmental change on plant regeneration and successful forest restoration. Further exploration of plant functional traits and their associations with local-scale environmental conditions could effectively support local conservation efforts needed to enhance forest cover in the future and halt the accelerating loss of biodiversity.
Unter den weltweit in ständigem Gebrauch befindlichen Chemikalien befinden sich nicht nur Verbindungen mit akuter toxischer Wirkung, sondern auch solche mit Wirkung auf das endokrine System. Eine große Rolle spielt hier vor allem die Störung der Geschlechtsdifferenzierung und der Reproduktion, ausgelöst durch natürliche oder synthetische Chemikalien mit endokrinem Potential, sogenannte endokrine Disruptoren (ED). Diese Chemikalien können über unterschiedliche Eintragspfade in die Umwelt gelangen. Seit Mitte des 20. Jahrhunderts werden mehr und mehr Fälle bekannt, in denen anthropogene Chemikalien die Pflanzen- und Tierwelt belasten, darunter zahlreiche Befunde zu Störungen des Hormonsystems von Mensch und Tier.
Im Rahmen der Gefahren- und Risikobewertung steht bereits eine Vielzahl harmonisierter Prüfrichtlinien für die Identifizierung und Evaluierung der Effekte von (potentiellen) ED zur Verfügung. Um die Gesamtheit aller potentiellen Interaktionen von ED mit dem Hormonsystem detektieren zu können, ist die In-vivo-Untersuchung an Vertebraten in der Chemikalienregistrierung bisher unabdingbar. Bei der Untersuchung endokriner Potentiale in höheren Vertebraten spielen vor allem nager- und vogelbasierte Testsysteme eine wichtige Rolle. Diese bergen jedoch einen hohen zeitlichen, personellen und finanziellen Aufwand und erfordern eine massive Zahl an Versuchstieren, die für diese Tests benötigt werden. Darüber hinaus beinhalten Tierversuche eine Vielzahl von Problemen einschließlich ethischer Bedenken, die sich als Konsequenz der Tierhaltung unter Versuchsbedingungen ergeben. Ein sehr interessanter und vielversprechender Ansatz zur Reduktion von Tierversuchen ist die Entwicklung eines standardisierten Verfahrens für die Untersuchung potentieller ED in Vogelembryonen. Auf Vogelembryonen basierende In-ovo-Modelle stellen einen Mittelweg zwischen In-vitro- und In-vivo-Testsystemen dar. Mit dem Vogeleitest wird der sich entwickelnde Embryo, das für ED sensitivste Entwicklungsstadium im Leben eines Organismus, berücksichtigt.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung und Eignungsuntersuchung eines auf dem Embryo des Haushuhns (Gallus gallus domesticus) basierenden Testsystems für den Nachweis von ED. Das resultierende Testsystem soll als Alternativmethode zu bisher etablierten nager- und vogelbasierten Testsystemen für die Untersuchung der Effekte hormonell aktiver Substanzen auf die Geschlechtsdifferenzierung in höheren Wirbeltieren eingesetzt werden.
Die im Rahmen der vorliegenden Dissertation durchgeführten Arbeiten umfassten sowohl die Charakterisierung der Normalentwicklung des Hühnerembryos, unbeeinflusst durch ED, als auch die morphologisch-histologischen Veränderungen der Gonaden von substanzexponierten Embryonen. Für die Untersuchung substanzbedingter Effekte, welche den Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit darstellen, wurden die Embryonen gegenüber verschiedenen (anti)estrogenen und (anti)androgenen Substanzen exponiert. Unter Einfluss der Estrogene Bisphenol A (BPA) und 17α-Ethinylestradiol (EE2) entwickelten sich die Keimdrüsen der Männchen zu Ovotestes, während Weibchen ein Ovar mit deutlich schmalerem Cortex ausbildeten. Unter Einfluss der Antiestrogene Fulvestrant und Tamoxifen blieben Effekte auf die Gonaden männlicher Embryonen aus, eine durch das potente Estrogen EE2 hervorgerufene Feminisierung männlicher Gonaden konnte durch beide Substanzen jedoch effektiv antagonisiert werden. Weibchen bilden unter Einfluss von Tamoxifen deutlich schmalere linke Gonaden mit einem missgebildeten Cortex aus. Unter Einfluss der Androgene Tributylzinn (TBT) und 17α-Methyltestosteron (MT) blieben die Effekte auf männliche Embryonen aus, während die Weibchen anatomisch virilisierte Gonaden und eine Reduktion des linken gonadalen Cortex aufwiesen. Allein die untersuchten antiandrogenen Versuchssubstanzen Cyproteronacetat (CPA), Flutamid und p,p´-Dichlorodiphenyldichloroethen (p,p´-DDE) hatten keinen Effekt auf die gonadale Geschlechtsdifferenzierung männlicher und weiblicher Hühnerembryonen.
Es konnte gezeigt werden, dass der Embryo von G. gallus domesticus einen sensitiven Organismus innerhalb des Tierreichs darstellt und hinreichend sensitiv auf eine Reihe von endokrin wirksamen und reproduktionstoxischen Chemikalien reagiert. Anatomische und histologische Änderungen der Gonaden können daher als Biomarker für die Wirkung von ED bei Vögeln nützlich sein. Die untersuchten Endpunkte beziehen sich jedoch auf apikale Effekte und liefern keine mechanistischen Informationen zu den untersuchten Substanzen. Der
Hühnereitest ist eine sinnvolle Ergänzung zur bestehenden OECD-Testbatterie und zeichnet sich besonders durch seine kostengünstige und einfache Handhabung im Labor sowie einfach durchzuführende Tests aus. Durch die vergleichsweise kurze Versuchsdauer von nur 19 Tagen ist ein schnelles Substanzscreening möglich, welches zeitlich deutliche Vorteile gegenüber den etablierten nager- und vogelbasierten Testsystemen hat. Als Alternative zu bisherigen Assays könnte der vorgeschlagene Hühnereitest dazu beitragen, im Rahmen der (öko)toxikologischen Gefährdungs- und Risikobewertung von Chemikalien künftig weniger Versuchstiere zu verwenden.
Der Fokus der Arbeit liegt auf der Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen Molekülen in selbst-anordnenden Monolagen (SAMs) auf Goldoberflächen mittels Rastertunnelmikroskopie und komplementären Methoden wie z.B. Infrarot-Reflektions-Absorptions-Spektro-skopie.
In dieser Arbeit wurde das kürzlich etablierte Konzept von eingebetteten Dipolmomenten in aromatischen, SAM-bildenden Molekülen eingehender untersucht. Das Ausmaß des Dipol-moments und die Größe der SAM-bildenden Moleküle wurden synthetisch variiert und der Einfluss auf die Struktur und elektronischen Eigenschaften der SAMs untersucht. Binäre, gemischte Monolagen aus SAM-bildenden Molekülen mit "entgegen gerichteten", Dipolmomenten wurden hergestellt und charakterisiert. Zur Herstellung der binären, gemischten Monolagen wurden zwei Methoden verwendet: die Monolagen wurden a) aus bereits gemischten Lösungen der Moleküle abgeschieden oder b) eine reine SAM in die Lösung des anderen Moleküls eingelegt, so dass ein Austausch stattfand. Der Vergleich der beiden Methoden ermöglicht Rückschlüsse über die Abscheidungsprozesse. Die Charakterisierung der SAMs dieser Mischungsreihen gab Aufschluss über Eigenschaften wie Packungsdichte, Austrittsarbeit, elektronischen Ladungstransport in Monolagen und Orientierung der Moleküle relativ zur Oberfläche und erlaubte Schlussfolgerungen über die Mischbarkeit und das Ausmaß der Dipolwechselwirkungen der Moleküle in der Monolage. In einem ähnlichen Ansatz zu dem oben beschriebenen Vorgehen wurden Quadrupolwechselwirkungen zwischen SAM-bildenen, Benzol-, Naphtalin- und Anthracenderivaten untersucht. In Mischungsreihen wurden SAMs von nicht- und teilweise (hoch)fluorierten, SAM-bildenden Molekülen auf Goldoberflächen charakterisiert. Die Ergebnisse der Untersuchungen können bei der gezielten Einstellung der elektronischen Eigenschaften in elektronischen Bauteilen wie OFETs Anwendung finden.
In einem weiteren Projekt wurde der Einfluss von polaren Endgruppen auf die in situ Abspaltung von Schutzgruppen an Terphenylthiol-Derivaten untersucht, wobei die Ergebnisse zum Aufbau größerer, aus organischer Elektronik bestehender, Netzwerke verwendet werden können.
The role of USP22 in nucleic acid sensing pathways and interferon-induced necroptotic cell death
(2023)
Every day, living organisms are challenged by internal and external factors that threaten to bring imbalance to their tightly regulated systems and disrupt homeostasis, leading to degeneration, and ultimately death. More than ever, we face the challenge of combating diseases such as COVID-19 caused by infection with the SARS-CoV-2 coronavirus. It is therefore crucial to identify host factors that control antiviral defense mechanisms. In addition, in the fight against cancer, it is becoming increasingly important to identify markers that could be used for targeted therapy to influence cellular processes and determine cell fate.
As a deubiquitylating enzyme, ubiquitin specific peptidase 22 (USP22) mediates the removal of the small molecule ubiquitin, which is post-translationally added to target proteins, thereby regulating several important processes such as protein degradation, activation or localization. Through its deubiquitylating function, USP22 controls several biological processes such as cell cycle regulation, proliferation and cancer immunoresistance by modulating key proteins involved in these pathways. Lately, USP22 was reported to positively regulate TNFα-mediated necroptosis, an inflammatory type of programmed cell death, in various human tumor cell lines by affecting RIPK3 phosphorylation. In addition, USP22 as a part of the Spt-Ada-Gcn5 acetyltransferase (SAGA) transcription complex is known to regulate gene expression by removing ubiquitin from histones H2A and H2B. However, little is known about the role of USP22 in global gene expression.
In this study, we performed a genome-wide screen in the human colon carcinoma cell line HT-29 and identified USP22 as a key negative regulator of basal interferon (IFN) expression. We further demonstrated that the absence of USP22 results in increased STING activity and ubiquitylation, both basally and in response to stimulation with the STING agonist 2'3'-cGAMP, thereby affecting IFNλ1 expression and basal expression of antiviral ISGs. In addition, we were able to establish USP22 as a critical host factor in controlling SARS-CoV-2 infection by regulating infection, replication, and the generation of infectious virus particles, which we attribute in part to its role in regulating STING signaling.
In the second part of the study, we connected the findings of USP22-dependent regulation of IFN signaling and TNFα-induced necroptosis and investigated the role of USP22 during necroptosis induced by the synergistic action of IFN and the Smac mimetic BV6 in caspase-deficient settings. We identified USP22 as a negative regulator of IFN-induced necroptosis, which does not depend on STING expression, but relies on a yet unknown mechanism.
In summary, we identify USP22 as an important regulator of IFN signaling with important implications for the defense against viral infections and regulation of the necroptotic pathway that could be exploited for devising targeted therapeutic strategies against viral infections and related diseases like COVID-19, and advancing precision medicine in cancer treatment.
The role of Apelin signaling and endocardial protrusions during cardiac development in zebrafish
(2023)
During cardiac development, cardiomyocytes (CMs) are delaminated from the compact muscle wall to increase the muscle mass of the heart. This process is also known as cardiac trabeculation. It has been shown that growth factors produced by endocardial cells (EdCs) are required for myocardial morphogenesis and growth. In particular, Neuregulin produced by EdCs promotes myocardial trabeculation. The deficiency of Neuregulin signaling leads to hypotrabeculation. Endocardial protrusions project from the endocardium to the myocardium are also essential for the trabeculae onset. Yet current studies only introduce the function of endocardial sprouts descriptively. This article first reports the mechanisms of endocardial sprouting during myocardial trabeculation. By living imaging, we first demonstrate that EdCs interact with CMs through membrane protrusions in zebrafish embryos. More interestingly, these protrusions stay in close contact with their target CMs in spite of the cardiac contraction. We utilize loss-of-function strategies to report the importance of myocardial apelin, which induces endocardial protrusion formation. Zebrafish lacking Apelin signaling exhibit defects in endocardial protrusion formation as well as excessive deposition of cardiac jelly and hypotrabeculation. Notably, we also present data that blocking protrusion formation in endocardial cells phenocopies the trabeculation defects in apelin mutants. Mechanistically, endocardial-derived Neuregulin requires Apelin signaling mediated endocardial protrusions, and Neuregulin dependent pERK expression is attenuated in the condition of reduced endocardial protrusion formation. Together, our data suggest that endocardial-myocardial communication through endocardial protrusions acts as an underlying principle allowing myocardial growth.
Necroptosis is an immunogenic form of programmed cell death characterized by plasma membrane accumulation of activated mixed lineage kinase domain-like (MLKL) that eventually leads to membrane disruption and release of danger-associated molecular patterns (DAMPs). Necroptotic cell death is tightly controlled by checkpoints, including compartmentalization as well as post-translational modifications (PTMs), like phosphorylation and ubiquitination of receptor-interacting protein kinase (RIPK) 1, RIPK3 and MLKL. Removal of plasma membrane-located activated MLKL via endocytosis or exocytosis can counteract necroptosis, but up till now, the exact mechanisms by which necroptosis is regulated downstream of MLKL activation and oligomerization are not fully understood.
Ubiquitination is a key post-translational modification that regulates various cellular processes including cell survival and cell death signaling via ubiquitination of RIPK1, RIPK3 and MLKL. M1-linked (linear) poly-ubiquitination is mediated exclusively by the linear ubiquitin chain assembly complex (LUBAC) which critically regulates cell fate and immune signaling via death receptors such as TNF receptor 1 (TNFR1).
In this study, we demonstrate that M1 poly-Ubiquitin (poly-Ub) increases during necroptosis which can be blocked by inhibition of LUBAC activity with the small-molecule HOIL-1-interacting protein (HOIP) inhibitor HOIPIN-8 or by loss of LUBAC catalytic subunit HOIP. Intriguingly, HOIPIN-8, as well as the HOIP inhibitor gliotoxin, and HOIP knockdown effectively prevent TNFα/smac mimetic/zVAD.fmk-induced necroptotic cell death in cells of human origin, without affecting necroptotic RIPK1 and RIPK3 phosphorylation, necrosome formation and oligomerization of phosphorylated MLKL. We demonstrate that HOIPIN-8 treatment inhibits MLKL translocation to intracellular membranes and accumulation in plasma membrane hotspots as well as MLKL exocytosis. We further confirm that HOIPIN-8 treatment suppresses necroptotic cell death in primary human pancreatic organoids (hPOs). Using time-lapse imaging and live/dead staining, we demonstrate loss of organoid structure and hPO cell death induced by smac mimetics and caspase inhibitors, thus providing a novel platform to investigate necroptosis in near physiological settings. Inhibition of LUBAC activity with HOIPIN-8 prevents hPO collapse and extends cell viability. Of note, loss of the M1 Ub-targeting deubiquitinating enzymes (DUBs) OTU DUB with linear linkage specificity (OTULIN) and cylindromatosis (CYLD) in human cell lines does not affect necroptosis induction and HOIPIN-8-mediated rescue of necroptosis. Intriguingly, inhibition of LUBAC activity with HOIPIN-8 does not block necroptotic cell death in murine cell lines.
Using massive analyses of cDNA ends (MACE)-seq-based global transcriptome analysis we confirm that necroptosis induces a pro-inflammatory cytokine profile which is dependent on LUBAC function and necroptotic signaling. Loss of LUBAC activity prevents the MLKL-dependent production and release of pro-inflammatory cytokines and chemokines.
Finally, we identify Flotillin-1 and -2 (FLOT1/2) as putative targets of necroptosis-induced M1 poly-Ub. Ubiquitin-binding in ABIN and NEMO (UBAN)-based pulldowns of M1 poly-ubiquitinated proteins revealed enrichment of FLOTs after necroptosis induction which is dependent on LUBAC activity and can be blocked with necroptosis inhibitors Nec-1s, GSK’872 and NSA, targeting RIPK1, RIPK3 and MLKL, respectively. Of note, loss of FLOT1/2 potentiates necroptosis suppression induced by LUBAC inhibition with HOIPIN-8.
Together, these findings identify LUBAC-mediated M1 poly-Ub as an important mediator of necroptosis and identify FLOTs as novel putative targets of LUBAC-mediated M1 poly-Ub during necroptosis. In addition, by modeling necroptosis in primary human organoids, we further expand the spectrum of experimental models to study necroptosis in human cellular settings.
Nukleäre Rezeptoren (NRs) sind ligandengesteuerte Transkriptionsfaktoren, die sich aus einer Superfamilie von 48 humanen Mitgliedern zusammensetzt. Seit vielen Jahrzehnten stellen sie ein attraktives Forschungsgebiet für die Arzneistoffentwicklung dar, da sie eine bedeutende Rolle in zahlreichen Prozessen unseres Körpers spielen. Das Ziel dieser Forschungsarbeit bestand darin, neue innovative Liganden für den Peroxisomen-Proliferator-aktivierter-Rezeptor γ (PPARγ) sowie die Waisenrezeptoren Nervenwachtumsfaktor induzierter Klon B (Nur77) und Neuronen-abgeleiteter Waisenrezeptor (NOR-1) zu identifizieren.
Bei den Rezeptoren Nur77 und NOR-1 handelt es sich um noch unzureichend erforschte NRs der NR4A-Familie. Es fehlt insbesondere an Modulatoren dieser Rezeptoren als Werkzeuge, um ihr zum Teil noch unentdecktes Potential zu erforschen. Um diese Lücke zu schließen, wurde ein in vitro Screening durchgeführt und eine Arzneistoff-Fragment-Bibliothek mit 480 Fragmenten, die aus bekannten strukturellen Motiven zugelassener Arzneimittel stammen, auf ihre modulatorische Aktivität an Nur77 und NOR-1 gescreent. Durch das Screening und weitere Testungen konnten jeweils für Nur77 und für NOR-1 drei Verbindungen als Liganden identifiziert werden. Bei der weiteren Charakterisierung stellte sich insbesondere 41 als besonders vielversprechenden Ausgangspunkt für die Entwicklung von Liganden für Nur77 und NOR-1 heraus, der ein besseres Verständnis für die invers agonistische Aktivität lieferte und die Möglichkeit für eine agonistische Modulation aufzeigte. Zudem konnte durch ein weiteres Screening mit Computer-gestützten Verfahren auf Nur77 der Chemotyp von 41 noch weiter optimiert werden und führte zur Identifizierung von Verbindung 68 (EC50 = 2 ± 1 μM). Diese zeichnete sich durch eine hohe Potenz aus, die zu einer beachtenswerten Aktivierung von Nur77 (169 ± 18% maximale Aktivierung) führte. Die Untersuchung der strukturellen Erweiterung von 43 (IC50 = 47 ± 8 μM) führte zur Verbindung 75, die eine 3,5-fache Steigerung des inversen Agonismus auf NOR-1 zeigte. Die Erkenntnisse dieser Entdeckung ermöglichte den Rückschluss, dass das Einführen von voluminösen Resten, wie Brom oder Phenyl eine invers agonistische Potenz im unteren mikromolaren Bereich bewirkte. Die Identifizierung der Verbindungen 41 und 68 für Nur77 sowie 43 und 76 für NOR-1 könnten dazu beitragen, ein tieferes Verständnis der molekularen Mechanismen hinter der Aktivierung von Nur77 und NOR-1 zu erlangen und einen vielversprechenden chemischen Ausgangspunkt für die Entwicklung von noch wirksameren und selektiveren Liganden bieten.
Im anderen Teil dieser Forschungsarbeit stand die Synthese eines selektiven allosterischen PPARγ-Liganden im Fokus, um mit diesem die allosterische Modulation von PPARγ zu charakterisieren. Den Ursprung der Idee lieferte Garcinolsäure, dass in der Lage ist, PPARγ orthosterisch und allosterisch zu binden. Aufgrund der komplexen biologischen Effekte und der geringen synthetischen Zugänglichkeit konnte 37 nicht als Ausgangspunkt für dieses Vorhaben dienen. Auf der Suche nach einer geeigneten Ausgangsverbindung wurde durch ein in vitro Screening mit einer hauseigenen Sammlung von synthetischen PPARγ-Modulatoren, bei dem die orthosterische Bindungsstelle von PPARγ durch den irreversiblen Antagonisten GW9662 blockiert wurde, Verbindung 39 identifiziert. Diese ist wie 37 in der Lage PPARγ ortho- und allosterisch zu binden, weist aber eine bessere synthetische Zugänglichkeit auf. Die Co-Kristallisation von 39 mit der PPARγ-Ligandenbindungsdomäne zeigte, dass die orthosterische Bindungstasche (BT) keinen Platz für eine Verlängerung des Moleküls bietet, die allosterische BT ist dagegen Lösungsmittel exponiert, wodurch eine Verlängerung möglich schien. Daraufhin wurde die Hypothese aufgestellt, dass eine Verlängerung von 39 eine orthosterische Bindung verhinderte und dadurch eine selektive allosterische Bindung ermöglichen könnte. Aus diesem Grund wurde eine modifizierte Struktur von 39 verwendet, um eine einfache Einbringung eines Linkers in das Molekül zu ermöglichen. Durch verschiedenste Modifikationen und Anpassungen wurde 104 als potenzieller selektiver allosterischer Ligand synthetisiert. Die Testung von 104 im Reportergenassay zeigte eine schwache Aktivierung von PPARγ allein, jedoch offenbarte sich bei der Kombination mit dem orthosterischen Agonisten Pioglitazon eine dosisabhängige Steigerung der Aktivität von PPARγ. Diese Ergebnisse deuteten darauf hin, dass trotz der Bindung von 104 eine Bindung von 33 in die orthosterische BT immer noch möglich war. Diese Annahme konnte anschließend auch durch zellfreie Experimente (Isotherme Titrationskalorimetrie, MS-basierte-PPARγ-Ligandenbindungs-Assay) bestätigt werden. Der eindeutige Beweis für die selektive allosterische Bindung von 104 lieferte die Co-Kristallisation von 104 mit der PPARγ-LBD. Zusätzlich offenbarte sich, durch den strukturellen Vergleich der Bindungsmodi von anderen PPARγ-Liganden, der außergewöhnliche Bindungsmodus von 104, da 104 im Vergleich zu anderen Liganden selektiv die allosterische BT, ohne Überlappung in die orthosterische BT, besetzte. Weitere Untersuchungen, wie der Einfluss von 104 auf die Rekrutierung von Co-Regulatoren, die Differenzierung von adipozytären Stammzellen und die Genexpression zeigten eine bisher einmalige Modulation von PPARγ, die auf die selektive allosterische Modulation zurückzuführen war. Mit 104 wurde ein innovatives und vielfältig einsetzbares Werkzeug zur Erforschung der allosterischen Modulation von PPARγ entdeckt, dessen Geschichte an diesem Punkt noch nicht zu Ende ist.
Get3 in Arabidopsis
(2021)
Der guided entry of tail-anchored proteins (GET) Biogenese-Weg vermittelt den Transport und die Insertion von tail-anchor (TA) Proteinen in die Doppellipidschicht des Endoplasmatischen Retikulums (ER). TA Proteine sind dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Transmembran Domäne (TMD) in den letzten 50 Aminosäuren ihrer Sequenz beherbergen. Diese TMD enthält die notwendigen Informationen, mit denen die Proteine an ihren jeweiligen subzellulären Zielort transportiert werden können. TA Proteine erfüllen eine Vielzahl von essentiellen biologischen Prozessen, sie fungieren zum Beispiel als Rezeptoren, sind maßgeblich an der Fusion von Vesikeln beteiligt sowie an der Initiation von Apoptose. Durch ihren modularen Aufbau können TA Proteine nicht mit dem Signalerkennungspartikel interagieren und müssen deshalb posttranslational zum ER geleitet werden. Im Modellorganismus Bäckerhefe (Saccharomyces cerevisiae) ist der GET Biogenese-Weg am besten beschrieben und läuft wie folgt ab: Nach der Termination der Translation bindet das Protein SgtA das TA Protein und händigt es über den Adapter-Komplex, bestehend aus Get4 und Get5, an die zytosolische ATPase Get3 aus. Get3 ist der zentrale Zielsteuerungsfaktor des GET Biogenese-Weges. Sobald sich ein Komplex aus Zeilsteuerungsfaktor und TA Protein gebildet hat, wird dieses zur Membran des ERs überführt. Dort wird das TA Protein an den Rezeptorkomplex bestehend aus Get1 und Get2 übergeben, welcher anschließend die Insertion des TA Proteins in die Doppellipidschicht des ERs initiiert.
Get3 hat im zellulären Kontext noch eine weitere Funktion. Unter oxidativem Stress oder Energie depletierenden Bedingungen wird Get3 zu spezifischen Foci rekrutiert, an denen sich noch weitere durch Stress -induzierbare Proteine, wie z.B. die der Familie der Hitze Stress Proteine (HSPs) versammeln. Analysen haben gezeigt, dass Get3 unter den oben genannten Bedingungen, Konformationsänderungen durchläuft und dann als ATP unabhängige Holdase fungiert. Diese kann die exponierten, hydrophoben Anteile von Proteinen binden, um dadurch die Proteostasis aufrechtzuhalten.
Durch die Bedeutsamkeit der TA Proteinen ist die zentrale ATPase Get3 in allen Domänen des Lebens hochgradig konserviert. Phylogenetische Analysen ergaben, dass sich Get3 im Allgemeinen in eine „A“ Gruppe sowie eine „BC“ Gruppe aufspaltet. Im Modellorganismus Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand) wurden drei Orthologe zu Get3 identifiziert. Eins davon gehört zu der „A“ Gruppe und befindet sich im Zytoplasma. Die anderen zwei Orthologe befinden sich in den Organellen endo-symbiotischen Ursprungs und gehören der „BC“ Gruppe an. Untersuchungen an verschiedenen Deletionsmutanten in A. thaliana haben gezeigt, dass die Mutationen einzelner GET Komponenten zu einer signifikanten Verkürzung der Haarwurzeln führen, obwohl der restliche Habitus der Pflanze unverändert bleibt. Diesbezüglich wurde SYP123 als einziges TA Proteine identifiziert, dessen Abundanz durch die Deletion von GET Komponenten beeinflusst werden kann. Von den anderen beiden Orthologen organellären Ursprungs ist, abgesehen von ihrer Lokalisation nichts weiter bekannt
Vier Orthologe Gruppen in Pflanzen
Da bislang nicht mehr als zehn Pflanzenarten für phylogenetische Analysen herangezogen wurden, wurden in dieser Arbeit die taxonomischen Beziehungen von Get3 zu einander in 50 Spezies der Viridiplantae auf Basis der Orthologie sowie Homologie untersucht. Dies führte zur Identifizierung einer zytolischen (AtGet3a), einer plastidären (AtGet3b), einer mitochondriellen (AtGet3c) sowie einer Monokotyledone spezifischen Gruppe (SBGet3). Die Lokalisation der ersten drei Gruppen wurde in selektierten Pflanzen, sowohl homolog als auch heterolog, der unterschiedlichen Spezies mittels saGFP untersucht, und es konnte gezeigt werden, dass mehrere Get3 Orthologe mit unterschiedlichen subzellulären Lokalisationen eine unter Pflanze häufig auftretende Eigenschaft ist. Das Weitern konnte gezeigt werden, dass manche Komponenten des Präzielsteuerungskomplexes (SgtA und Get4) sowie des Rezeptorkomplexes (Get1) in fast allen der 50 untersuchten Pflanzenarten vorhanden sind. Dies weist auf eine Konservierung des gesamten GET Biogenese-Weges in Pflanzen hin.
Get3a in Arabidopsis thaliana
Da die molekulare Zusammensetzung des Präzielsteuerungskomplexes für AtGet3a in A. thaliana nicht bekannt ist, habe ich Co-Immunpräzipitationen mit Zellextrakten aus weißer Zellkultur und einen von mir selbst aufgereinigten Antikörper gegen AtGet3a durchgeführt. Nach anschließender Gelelektrophorese und einer Anfärbung mit Coomassie Brilliant Blue ließ sich ein reproduzierbares Muster aus Proteinbanden erkennen, welche ausgeschnitten und mittels LC-MS/MS analysiert wurden. Dadurch wurde ein putativer Kandidat für Get5 identifiziert sowie eine Assoziation mit Chaperonen und proteasomalen Untereinheiten.
Um die Zielsteuerungseffizienz und Topologie von ER-Membranproteinen zu analysieren habe ich (i) die rekombinante Synthese eines Modell-TA Proteins mit glykosylierbarem opsin bovine glycosylation Tag (OPG) etabliert sowie (ii) eine Methode etabliert um in isolierten Protoplasten die Richtigkeit der Insertion zu überprüfen. Mit Hilfe dieser Methoden können nun verschiedene Mutanten auf ihre Insertions-Wirksamkeit untersucht werden. Desweitern können durch Mutationsanalysen die notwendigen physikochemischen Eigenschaften für die Erkennung des Substrates ermittelt werden.
Eine weit verbreitete Methode im GET Feld ist die tail-anchor translocation (TAT). Bei dieser Methode werden isolierte mikrosomale Fraktionen des rauen ERs mit rekombinanten Komplexen bestehend aus Zielsteuerungsfaktor und TA Protein inkubiert. Durch einen rekombinanten OPG, der im Lumen des ERs post-translational modifiziert werden kann, ist die Beobachtung einer zeitabhängigen Kinetik der Glykosylierung möglich. Dieses System wurde bislang nur für Komponenten aus Säugern oder Hefen benutzt, aber noch nie mit einem System auf pflanzlicher Basis. Um dies zu verwirklichen, habe ich die rekombinante Proteinexpression soweit optimiert, dass der Großteil des synthetisierten Proteins sich im löslichen Anteil des Lysats statt in den Inclusion Bodies befand. Mittels dieser Optimierung konnte ich die Ko-Expression von Zielsteuerungsfaktor mit TA Protein als löslichen Komplex etablieren. Ergänzend zu den löslichen Komplexen habe ich eine geeignete Methode etabliert um mittels Saccharosegradienten mikrosomale Fraktionen aufzutrennen in denen AtGet3a angereichert ist. Leider müssen noch die Parameter der Reaktion optimiert werden, aber die Akquirierung alle nötigen Bestandteile ist etabliert.
Chapter I of this work addressed the piggyBac (PB) transposon system, a non-viral genome engineering tool that is capable of efficiently performing stable integration of DNA sequences into a target cells genome and has already been used in clinical trials. However, the PB transposase has the problematic property of preferentially integrating transposons near transcriptional start sites (TSSs). This increases the likelihood of causing genotoxic effects, limiting its potential use as a tool in clinical applications. It has been shown in the past that the PB transposase shows physical interactions with BET proteins (e.g. BRD4) through Co-IP experiments. Representatives of these proteins are part of the transcriptional activation complex and are abundant at TSSs. Accordingly, it was previously proposed that this interaction is the underlying cause for the biased integration preference. For the first chapter of this thesis, the goal was to disrupt this interaction potentially modifying said integration preference. A secondary structure hypothesized to be mainly responsible for said interaction was extensively mutated resulting in several PB variants that were analyzed for their interaction capacity through a series of Co-IP experiments with BRD4. In total, seven substitutions were identified (E380F, V390K, T392Y, M394R, K407C, K407Q, and K407V) which exhibited reduced interaction capacity with BRD4. Each of the aforementioned mutants were used to generate integration libraries and, through NGS, it was determined if the integration preferences of the respective mutants had changed. In the immediate range 200 base pairs up- and downstream from known TSSs all mutants used exhibited a reduced integration bias. At a wider observation window 3 kbp up- and downstream from TSSs, further mutants with the substitutions M394R, T392Y and V390K showed a reduction in integration frequency of 17.3%, 1.5% and 5.4%, respectively, compared to the wildtype. Of particular note was the M394R mutant, which showed a reduction in all window sizes analyzed with a maximum of 65% less integration preference in the immediate vicinity of TSSs, theoretically generating a safety advantage over the wildtype transposase.
Chapter II was dedicated to the overall safety improvement for transposon-based gene modification and addresses the time point after the transgene has already been integrated and serious side effects may not be preventable. With this in mind, the aim was to develop a novel suicide-switch that can be stably introduced into cells via transposition, and reliably leads to cell death of the modified cells once activated. A system based on CRISPR/Cas9 was developed, where single guide RNAs were used to guide the Cas9 nuclease to Alu elements. These are short, repetitive sequences, which are distributed over the human genome in more than one million copies. Inducing double strand breaks within these elements would lead to genomic fragmentation and cell death. To be inducible, a transcriptional as well as post- translational control mechanism was added. Transcription of the Cas9 nuclease was regulated using a tet-on system, making expression dependent on doxycycline (DOX) supplementation. Furthermore, a version of the Cas9 nuclease called arC9 was used that allows double strand break generation only in the presence of 4-Hydroxytamoxifen (4-HT). Together with an expression cassette for the Alu-specific guide RNA and an expression cassette for the reverse tetracycline controlled transactivator all components were arranged between transposase-specific recognition sequences on a plasmid to allow transposon-system based gene transfer. The system was tested in HeLa cells. First, conditional expression of the arC9 nuclease was confirmed by addition of 1 μg/ml DOX. Second, the suicide-switch was further induced by adding 200 nM 4-HT and protein extracts were assayed for the KAP1 phosphorylation. Only upon induction with DOX and 4-HT phosphorylated KAP1 was detected, indicating DNA damage. Further, extensive growth and survival experiments were conducted to determine the effect of suicide-switch induction on cell proliferation and survival. Between 24 and 48 hours after induction, a halt in cell division was detected, after which extensive cell death was observed. Within 5 days post induction, >99% of all cells were eliminated. In the absence of both inducers, no significant differences in survival were observed compared to control cells line lacking Alu-specific guide RNAs. Microscopic examinations of the <1% surviving cell fraction revealed a senescence-associated phenotype and showed no signs of resumption of the cell division process. Accordingly, the second chapter of this thesis also achieved its goal in developing a functional suicide-switch that can be inserted into human cells via transposition, is highly dependent on the necessary induction signals, and exhibits excellent elimination capabilities in the context tested.
Synaptic transmission is a fundamental process that involves the transfer of information from a presynaptic neuron to a target cell through the release of neurotransmitters. The SV cycle is a complex series of events that enables the recycling of SVs, allowing for the sustained release of neurotransmitters. This process is mediated by a variety of proteins and enzymes, and its regulation is critical for maintaining proper synaptic function. Despite extensive research efforts, many aspects of the SV cycle and the underlying synaptic proteins remain poorly understood, highlighting the need for continued investigation into this important process. During this work, multiple aspects of synaptic transmission were studied by performing
behavioural, pharmacological, optogenetic, electrophysiological and ultrastructural assays on Caenorhabditis elegans. First, the role of two proteins (ERP-1 and RIMB-1) were analysed in the synaptic vesicle cycle. Second, a new optogenetic tool, the pOpsicle assay was described, which enables the direct visualization of synaptic vesicle (SV) release.
Activity-dependent bulk endocytosis (ADBE) enables the endocytosis of SV membrane and proteins in a fast manner during intense stimulation, resulting in bulk endosomes (also so-called large vesicles, LVs). Recycling proteins can be characterized by its site of action, whether they act at the plasma membrane (participating at the LV formation), or at the LV membrane (participating at the SV formation). ERP-1 (the C. elegans ortholog of Endophilin B) was recently identified as a possible SV recycling factor, its contribution to synaptic transmission has not been analysed before. During this project the function and possible cooperation of three proteins, ERP-1, UNC-57 (the C. elegans ortholog of Endophilin A) and CHC-1 (the C. elegans ortholog clathrin heavy chain) were studied, with a special emphasis of the site of action. It has been confirmed that these proteins participate together in synaptic vesicle recycling. Endophilins (ERP-1 and UNC-57) act both at the PM and the LV level, but while UNC-57 has been identified as the main player, ERP-1 rather has a minor role and acts as a back-up protein. CHC-1 functions the LV level in the first place, but it can compensate for the loss of UNC-57 and acts as a back-up protein at the PM.
RIM-binding protein is an evolutionarily conserved active zone protein, which interacts directly with RIM and N, P/Q, as well as L-type Ca2+ channels. RIM-BP and RIM have redundant functions in different model organisms including C. elegans, however, while the loss of UNC-10 (the C. elegans ortholog of RIM) led to drastic behavioural defects, the loss of RIMB-1 (the C. elegans ortholog of RIM-BP) led only to mild phenotypes. During this work the synaptic function of RIMB-1 and its interaction with UNC-10 and UNC-2 (C. elegans ortholog of the CaV2 1 subunit) were extensively investigated. It has been shown that RIMB-1 contributes to the precise localization of VGCCs in cooperation with UNC-10. Furthermore, it has been demonstrated, that RIMB-1 plays different roles in cholinergic and GABAergic neurons, thus it contributes to maintain a proper excitation/inhibition balance.
There are numerous available assays, which enable the indirect analysis of synaptic transmission, however, a tool, that enables the direct visualization of SV release, is highly desired. pOpsicle is a method which combines the optogenetic stimulation of cholinergic neurons with real-time visualization of SV release. A pH-sensitive fluorescence protein, pHuji, was inserted into the second intravesicular loop of the synaptic vesicle membrane protein, synaptogyrin (SNG-1). The fluorescence of pHuji is quenched inside the vesicles, but once they are released, the pH increases and pHuji can be detected. pOpsicle enables not only the direct visualization of SV exo-, and endocytosis events, but also the identification of putative SV recycling proteins.
Identifizierung und funktionelle Analyse von Pathogenitätsfaktoren in Bartonella bacilliformis
(2023)
Die Carrión-Krankheit ist eine durch Vektoren übertragene vernachlässigte Tropenkrankheit (neglected tropical disease), die in den südamerikanischen Andentälern auf einer Höhe von 600 3.200 m über dem Meeresspiegel vor allem in Peru, aber auch in Ecuador und Kolumbien endemisch ist. Der Erreger dieser Infektionskrankheit ist Bartonella bacilliformis, ein strikt humanpathogenes, Gram-negatives, fakultativ intrazelluläres Stäbchen der Klasse der Alphaproteobakterien. In der akuten Krankheitsphase, die als "Oroya-Fieber" bezeichnet wird, infizieren die Erreger Erythrozyten und verursachen eine schwere akute hämolytische Anämie, hohes Fieber sowie eine ausgeprägte Immunsuppression. Für diese Phase wurden Sterblichkeitsraten von bis zu 88% beschrieben. Dem Oroya-Fieber folgt meist eine chronische Infektion der vaskulären Endothelzellen, bei der durch vaskulo-endotheliale Proliferationen noduläre, Hämangiom-ähnliche, kutane Gefäßläsionen, die als "Verruga peruana" bezeichnet werden, entstehen. Diese beiden Phasen treten in der Regel nacheinander, manchmal aber auch unabhängig voneinander auf. Die Übertragung auf dem Menschen erfolgt durch den Biss infizierter Sandmücken (Lutzomyia spp.), die in den hochgelegenen Regionen der Anden vorkommen. Klimatische Veränderungen führen jedoch zur Expansion des Vektors auf angrenzende Regionen und begünstigen damit die Ausbreitung von B. bacilliformis-Infektionen.
In der Erforschung der Carrión-Krankheit besteht ein erheblicher Wissensmangel zu zahlreichen Aspekten (z. B. Epidemiologie, Infektionsbiologie, Diagnostik, Therapie), wodurch die Entwicklung von potenziellen Diagnostika, Therapeutika oder Vakzinen verhindert wird. Auch wenn frühere Studien zum Ziel hatten, immundominante Proteine für die Entwicklung serodiagnostischer Verfahren und Impfstoffe zu identifizieren, ist bislang kein validierter serologischer Test bzw. ein Impfstoff verfügbar. Daher sollte im ersten Teil dieser Arbeit ein serologischer Test zum Nachweis von anti-B. bacilliformis-Antikörpern entwickelt werden. Hierzu wurde ein Ansatz aus reverser Vakzinologie in Kombination mit einer Analyse heterologer genomischer Expressionsbibliotheken verfolgt, um geeignete immundominante Proteine zu identifizieren. Insgesamt wurden 21 potenziell immundominante Proteine identifiziert, rekombinant produziert, und auf ihre Reaktivität mit B. bacilliformis Patientenseren mittels Immunoblotting analysiert. Von den 21 Antigenkandidaten erwiesen sich 14 als immunreaktiv, die anschließend in einer Lineblot-Analyse mit 26 Serumproben von peruanischen B. bacilliformis Patienten und 96 Serumproben von gesunden deutschen Blutspendern ohne Reisevorgeschichte in Südamerika auf ihren potenziellen Nutzen für serologische Test untersucht wurden. Drei Antigene (Porin-B, Autotransporter-E und hypothetisches Protein-B) erwiesen sich für die Entwicklung eines diagnostischen ELISA als geeignet und wurden in zwei verschiedenen Antigenkombinationen (ELISA 1: Porin-B, Autotransporter-E, ELISA 2: Porin-B, Autotransporter-E, hypothetisches Protein B) verwendet. Um die Leistungsfähigkeit des B. bacilliformis ELISA zu bewerten, wurde eine Receiver-Operating-Characteristic-Analyse durchgeführt. Für die Kombination aus Porin-B und Autotransporter-E lag die Sensitivität des Tests bei 80,8% und die Spezifität bei 94,8%, wohingegen die Kombination aus Porin-B, Autotransporter-E und dem hypothetischem Protein-B in einer Sensitivität von 76,9% und einer Spezifität von 93,8% resultierte. Dieser neu entwickelte ELISA könnte ein nützliches serodiagnostisches Instrument für künftige epidemiologische Studien über B. bacilliformis in endemischen Gebieten darstellen. Darüber hinaus könnten die hier identifizierten immundominanten Antigene eine erste Grundlage für die zukünftige Entwicklung von Impfstoffen für die Prävention Carrión-Krankheit bilden.
Erythrozyten-Invasion und Hämolyse sind wahrscheinlich die wichtigsten Schritte in der Pathogenese der Carrión-Krankheit und verantwortlich für die hohe Sterblichkeitsrate beim Menschen. Genaue mechanistische Kenntnis dieses Prozesses sind entscheidend für die Entwicklung therapeutischer Arzneimittel. Im zweiten Teil dieser Arbeit sollten die in der Hämolyse involvierten Pathogenitätsfaktoren von B. bacilliformis identifiziert werden. Hierzu wurde eine Tn5-Transposonmutagenese in den beiden B. bacilliformis Stämmen KC583 und KC584 durchgeführt. Ein screening nach Hämolyse-defizienten Mutanten führte zur Identifizierung von zwei Pathogenitätsfaktoren: einem Porin (Porin-A) und einer α/β-Hydrolase. Ihre vermutete Funktion im Prozess der Hämolyse wurde durch eine zielgerichtete markerlose Deletion sowie durch genetische Komplementationen in vitro funktionell bestätigt. Dabei zeigte sich, dass Porin-A und die α/β Hydrolase jeweils essenzielle Faktoren für die Hämolyse darstellen. Durch eine in silico-Charakterisierung konnte konservierte biologische Funktionen identifiziert sowie die dreidimensionale Struktur der Proteine vorhergesagt werden. Diese Versuche bilden eine experimentelle Basis, um die Rolle von Porin-A und der α/β-Hydrolase näher untersuchen zu können und um potenzielle (Porin-A und α/β-Hydrolase) Inhibitoren mit anti-hämolytischer und damit therapeutische Wirkung testen zu können.
mRNS ist einer der wichtigsten Informationsträger in lebenden Zellen. Mit ihr wird die in der DNS gespeicherte Information zu aktiven Zellprozessen umgesetzt. Dabei finden erste regulatorische Prozesse, die den Phänotyp eines Organismus bestimmen können, bereits über Strukturelemente auf der mRNS statt. Diese, als Riboschalter bezeichneten Strukturen, können spezifisch, kleine Moleküle binden und dadurch ihre Struktur ändern. Durch diese dynamische Änderung der Struktur, in An- oder Abwesenheit des Liganden, wird reguliert, ob nachfolgende Gene vom Ribosom abgelesen werden können. Der Cd1-Riboschalter aus Clostridium Difficile ist schon während der Transkription aktiv und ein Teil des regulatorischen Netzwerkes, das bestimmt, ob das Bakterium einen mobilen oder stationären Lebensstil einnimmt. Das zentrale Signalmolekül in diesem Netzwerk ist der sekundäre Botenstoff c-di-GMP, der gleichzeitig auch der Ligand des Cd1-Riboschalters ist. In der folgenden Arbeit wurde der zeitliche und strukturelle Ablauf des Cd1 Regulationsmechanismus und die Bindung von c-di-GMP untersucht. Auch ohne einen Riboschalter in der Sequenz ist strukturierte mRNS ein interessanter Forschungsgegenstand. Wie die Covid-19 Pandemie und die Forschungen, mRNS Abschnitte als Krebsmedikamente zu gebrauchen, zeigen, gewinnt RNS immer mehr an Bedeutung für die medizinische Forschung und Anwendung. Mit dieser Motivation im Hintergrund wurden drei weitere RNS Projekte bearbeitet. Im ersten wurde ein 19F-Screening für die Erkennung von RNS bindenden Fragmenten etabliert. Im zweiten wurde ein RNS Doppelstrang untersucht, der mit Hilfe verschiedener, kovalent gebundener Spiropyrane reversibel gefaltet und entfaltet werden sollte. Im abschließenden Projekt wurden im Rahmen der COVID-19-NMR Initiative zwei Sekundärstrukturelemente der Covid-19 RNS untersucht.
Bei der Untersuchung des Cd1-Riboschalters konnten folgende Ergebnisse erzielt werden. Es wird gezeigt, dass die Bindung von c-di-GMP an das Cd1-Aptamer ein konzentrationsabhängiges Magnesiumverhältnis braucht. Dieses Verhältnis wurde ausgehend von initialen Messungen als 1/40 (RNS/Ligand) bestimmt. Spätere ITC Messungen geben aber Hinweise darauf, dass dieses Verhältnis bei niedrigen RNS Konzentrationen höher liegt und bei größeren RNS Konzentrationen niedriger. Die Bestimmung des Start- und Endpunktes der c-di-GMP Bindung wird in Unterkapitel 3.1.2 behandelt. Es wurde ermittelt, dass Cd1 bei 83 Nukleotiden eine alternative schwach Ligand bindende Konformation einnimmt, die wahrscheinlich durch eine P1 Helix bis zum Erreichen von Cd1-87 stabilisiert wird. Ab Cd1-87 bildet sich die reguläre von der Literatur vorhergesagte Bindetasche. Das Ende der c-di-GMP Bindung wird mit Cd1-148 erreicht, auch wenn hier noch Reste der Reportersignale für Bindung zu sehen sind. Diese Reste werden aber aller Wahrscheinlichkeit nach durch eine Cd1-83 entsprechende Konformation der Bindetasche erzeugt. In Kapitel 3.2 wird gezeigt, wie durch NMR Messungen die Zuordnung der Sekundärstruktur des Cd1-Riboschalters vollzogen wurde. Durch diese Messungen konnte bestätigt werden, dass in allen Längen eine P2 und P3 Helix vorhanden ist. Im Aptamer wird die Ligandbindung durch zwei Interaktionen zwischen P2 und P3 stark stabilisiert und der untere Abschnitt der P3 erst dann nicht mehr dynamisch, wenn c-di-GMP gebunden wird. Durch x-filter Experimente und Mutationen konnte nachgewiesen werden, dass C87 das basenpaarende Nukleotid an einem G des Liganden ist. Die Anwesenheit des HP1 Stamms konnte in den Längen 147, 148 und 160 nachgewiesen werden, wobei besonders der Vergleich der NOESY Spektren von Cd1-147 und Cd1-148 die Änderung der Sekundärstruktur hin zum Antiterminator zeigen. Der Verlauf der Bindungsaffinitäten wurde auch durch ITC Messungen an Cd1-83, 86, 87, 88, 135 und 146 bestätigt. Für die volle Länge (Cd1-160) des Riboschalters konnte gezeigt werden, dass der Terminatorstamm ausgeformt ist. Die erreichten Ergebnisse wurden in einem Modell zusammengefasst und der zeitliche Verlauf der Cd1 Regulation simuliert. Aus der Simulation ist zu erkennen, dass Cd1, wie erwartet, Ligand abhängig schaltet. Dabei ist der Aus-Zustand bei hoher Ligandkonzentration zu 90% populiert und der An-Zustand zu 100% bei niedriger Konzentration. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass die Transkriptionsgeschwindigkeit bei hohen Ligandkonzentrationen einen starken Einfluss auf die Regulationseffizienz des Riboschalters hat. So ist bei einer Transkriptionsgeschwindigkeit von 100 nt/s nach 1 s eine Gleichverteilung von An- und Aus-Zustand zu erkennen. Dieses Verhalten kann durch einen Stopp der Transkription an der potentiellen Pausierstelle U141-145 aufgehoben werden. Unter den Rahmenbedingungen des Modells erwiesen sich Transkriptionsgeschwindkeiten von um die 20 nt/s als optimal und bei niedrigen Ligandkonzentrationen hatte die Transkriptionsgeschwindigkeit faktisch keine Auswirkungen auf die Regulation. Ein interessantes Ergebniss der Modellierung ergab sich aus der Notwendigkeit der Verwendung einer Rate für konkurrenzlose Basenpaarschließungen. Hier konnte gezeigt werden, dass eine Rate von 400 nt/s ausreicht um einen voll funktionsfähigen Riboschalter zu beschreiben.
Beim 19F Bindungsscreenings von 101 Fragmenten, die alle ein oder mehrere 19F Atome besaßen, an Cd1-98 wurden 9 Fragmente gefunden die an Cd1-98 binden. Diese sind größtenteils planar mit Ausnahme von 2 Fragmenten bei denen die eine Hälfte des Moleküls nicht aromatisch ist. Des Weiteren besitzen alle Fragmente, außer einem, mindestens eine Aminogruppe im Molekül. Die daraus resultierende Vermutung, dass die Fragmente in die RNS interkalieren, konnte durch RNS beobachtende NMR Messungen nicht überprüft werden, da keine Signaländerung im Imino-Bereich zu erkennen war. Durch Verdrängungsexperimente konnte gezeigt werden, dass die Fragmente, nicht wie c-di-GMP, die RNS Faltung homogenisieren und auch nicht in der Bindetasche gebunden werden.
Anthropogenic interventions have altered all ecosystems around the world. One of those ecosystems are forests, the main resource for timber. They have been strongly transformed in their structure with large consequences on forest biodiversity. Especially the decrease in dead-wood volume due to the timber extraction and alternation of natural forest structures with even-aged stands of less diverse tree species composition has put especially saproxylic, i.e., dead-wood dependent species, under threat, which comprise about 20% of all forest species. Beetles, fungi and bacteria are three functional important groups for decomposition processes but we still lack much information about their sampling and the drivers of their diversity, thus it is difficult to comprehensively protect their diversity. Saproxylic fungi are a highly diverse species group and the main drivers of dead-wood decomposition; hence they play a major role in the global carbon cycle. Due to their cryptic lifestyle, many species are still unknown, but the recent advances in environmental DNA barcoding methods (metabarcoding) shed light on the formerly underestimated diversity. Yet, this method's accuracy and suitability in detecting specific species have not been assessed so far, limiting its current usefulness for species conservation. On the other hand, these methods are a convenient tool to study highly diverse areas with high numbers of unknown species, enabling the study of global diversity and its drivers, which are unknown for saproxylic fungi, but important to assess to predict the future impacts of global change. Since nature conservation concepts are usually not applied on a global scale, the drivers of diversity must also be assessed on smaller scales. Besides understanding the drivers of diversity, to identify focus scales to create comprehensive, evidence-based conservation concepts must utilize multi-taxonomic studies since saproxylic species are differently sensitive towards environmental variables and closely interact with each other. Filling these knowledge gaps is utterly needed to protect the high saproxylic diversity and ensure the functional continuity of decomposition processes, especially regarding the global change.
To address the usefulness of metabarcoding for fungal species conservation, I compared the traditional method of fruit body sampling with metabarcoding and their efficiency in detecting threatened fungal species in the first chapter of this thesis. Both methods have advantages and disadvantages. Their ability to detect threatened saproxylic fungal species and their dependencies on detecting specific fungal groups have not been compared, albeit they are important to inform species conservation like Red Lists properly. I found metabarcoding to generally detect more threatened fungal species than fruit body sampling with a higher frequency than fruit body sampling. Moreover, fruit body sampling detected a unique set of species, while fruit body sampling missed large parts of fungal diversity due to species-specific fruiting characteristics. Metabarcoding with high sampling intensity is thus a viable method to assess threatened saproxylic fungal diversity and inform nature conservation like Red Lists about distribution and abundances. Nevertheless, a complementary approach with fruit body sampling is indispensable for assessing all threatened fungal species.
In order to analyse the global diversity of saproxylic fungi and its drivers, I examined whether fungal species richness increases from the poles towards the equator and thus follows the latitudinal diversity gradient already found in many other species groups. I further investigated whether such an increase is caused by increasing ecological specialisation, i.e., niche partitioning, or local tree diversity, i.e., niche space. Gamma diversity per biome increased from the boreal, over the temperate to the tropics and thus confirmed the latitudinal diversity for saproxylic fungi. Contrastingly, alpha diversity at the log level did not significantly increase towards the tropics, suggesting a grain size dependency of the observed pattern and an equal niche space within dead-wood across latitudes. Ecological specialisation on the plot level was globally on a high level but did not increase significantly towards the equator. Additionally, I found local tree species richness to drive plot-based fungal diversity. Further analysis of gamma diversity against the total number of sampled tree species strengthened the assumption that tree species diversity and not increased ecological specialisation was the main driver of the latitudinal diversity gradient, as there was no significant difference between the gamma diversity of the temperate and tropical biome. Nonetheless, as the gamma diversity of the boreal biome was still significantly smaller, my results do not allow a complete neglection of the ecological specialisation hypothesis. The overall results indicate a strong dependency of saproxylic fungi diversity with host tree species diversity and that the global loss of tree species threatens saproxylic fungi with an unpredictable impact on carbon and nutrient cycling.
To support saproxylic conservation, I conducted two analyses. First, I compared the beta diversity of the three main decomposer groups (beetles, fungal fruit bodies, mycelial fungi (metabarcoding), and bacteria (metabarcoding)) across different scales to assess the impact of different environmental variables on their overall diversity. I used an experimental design to disentangle two different spatial scales, influenced by differences in macroclimate, forest microclimate and spatial distance, and two host scales, driven by differences between tree lineages and tree species. I set these beta diversities in relation to the gamma diversity of the three main decomposer groups to identify whether a unified conservation concept could be applied to one scale to optimally protect the diversity of all three species groups. Second, I identified whether diversity and community composition of fungi and bacteria differed among climate and land use gradients. Further I explored whether specialisation and niche packing could explain the expected pattern. To do so I used an experimental design disentangling climate and land use across a large gradient in Germany. The results differed among the species groups, denying a unified conservation concept focusing on one scale. Saproxylic beetle and fruit body beta diversity was equally high on each scale, as they are more sensitive towards environmental factors like macro- and microclimate. On the other hand, mycelial fungi and bacteria beta diversity was highest on the host scale, especially the host tree scale, indicating a high host specificity of the two groups. The second study also identified tree species as the main driver of diversity and community composition of these two study groups. Specialisation of fungi was not influenced by land use or climate. Bacterial specialisation and diversity were under a strong influence of mean precipitation. Comprehensive conservation of multi-taxonomic diversity across regions thus requires the integration of several scales. Within different macroclimatic regions, forests of varying microclimates, i.e., forest management, must be implemented. In these forests, dead-wood of different tree lineages, i.e., angio- and gymnosperms and tree species, must be provided.
Taken together, I could demonstrate that metabarcoding is an efficient method to sample threatened fungal species and identify differing drivers of fungal diversity present as fruit bodies or mycelium. Its usefulness will further increase due to the ongoing improvement of sequencing databases and thus better inform conservation concepts. Using metabarcoding, I could demonstrate that high host specialisation of saproxylic fungi is not a European but a global phenomenon and identify tree species loss under global change as one major concern for saproxylic diversity. My dissertation further highlighted the importance of multi-taxonomic studies for evidence-based nature conservation, as different species groups require varying concepts. These results were especially important for saproxylic bacteria as the drivers of their diversity are still largely unknown. Howbeit, large research gaps still exist regarding the impacts of global change on species and processes. Moreover, the spatial coverage of studies is needed to confirm or neglect the generality of current research especially concerning the highly diverse tropical areas. An increased focus on the drivers of diversity in these areas is crucial to ensure a globally comprehensive saproxylic conservation and the various ecosystem functions they control.
Die Kernspinresonanz(NMR)-Spektroskopie ist ein leistungsstarkes analytisches Werkzeug. Allerdings ist ihre Empfindlichkeit aufgrund geringer Wechselwirkungs-energie zwischen den Kernspins und dem externen Magnetfeld begrenzt. Die dynamische Kernpolarisation (DNP) erhöht DNP die Empfindlichkeit der NMR, indem sie die Polarisation von ungepaarten Elektronenspins auf die benachbarten Kernspins überträgt. In den letzten Jahrzehnten hat die DNP bei hohen Magnetfeldern erneut an Aufmerksamkeit gewonnen, bedingt durch die Verfügbarkeit leistungsstarker Gyrotron-Mikrowellen(mw)-Quellen. Jedoch wurde die Anwendung von DNP für Flüssigkeiten im Vergleich zu Festkörperproben bei niedrigen Temperaturen (≈100 K) weit weniger erforscht. Zwei Gründe können dafür hauptsächlich benennt werden. Bei hohen Magnetfeldern (entsprechend hohen mw-Frequenzen) wird die mw-Strahlung sehr stark von Flüssigkeiten absorbiert, was zu einer starken Erwärmung führt. Darüber hinaus sind die Translations- und Rotationsdynamik der Radikale und Target-Molekülen nicht schnell genug, um Spectraldichten bei den hohen mw-Frequenzen zu erzeugen, die für eine Overhauser-Effekt (OE) DNP Verstärkung benötigt werden. In dieser Arbeit wird gezeigt, Flüssigzustands-DNP bei hohen Magnetfeldern, insbesondere bei 9,4 T, mit hocheffizienten DNP-Probenköpfen möglich ist.
Der von skalaren Hyperfein-Wechselwirkung (hfWW) angetriebene OE ist für Flüssigzustands-DNP-Forschungen von besonderem Interesse, da der von der Theorie vorhergesagte Mechanismus auch bei hohen Magnetfeldern noch effizient ist. In der vorliegenden Arbeit wurde eine Methode zur Vorabprüfung potenzieller DNP-Kandidaten durch Messungen ihrer paramagnetischen NMR-Verschiebungen vorgeschlagen und untersucht. Wir beobachtete signifikante 13C-skalare OE DNP-Verstärkungen bis zu 50 bei den ausgewählten kleinen Biomolekülen, einschließlich Imidazol, Indol, verschiedene Aminosäuren und Kohlenhydraten. Das Lösungssystem wurde auch von organischen Lösungsmitteln auf Wasser erweitert.
Im Kontext von dipolarer OE DNP haben wir den Beitrag der Rotation des Radikals neben der Translationsbewegung zwischen Radikal und Target-Molekül zur OE DNP-Effizienz systematisch untersucht, indem wir verschiedene Nitroxidderivate mit unterschiedlichen Ringgeometrien und Substituenten verwendet haben. Mithilfe eines Models, das eine 'out-sphere' Translationsbewegung und eine 'inner-sphere' Rotationsbewegung des Radikal-Lösungsmittel-Komplexes enthält, konnte unsere Beobachtungen quantitativ simuliert werden. Außerdem wurde ein anderes Model untersucht, das eine Translationsbewegung mit der Rotation von Radikalen, bei denen das ungepaarte Elektron nicht im Zentrum sitzt, kombiniert.
Eine weitere neue Entdeckung in der DNP bei hohen Magnetfeldern waren der beobachtete SE (Solid-Effekt) an Lipidmolekülen mit BDPA-Radikal oberhalb der Lipidphasen-übergangstemperatur. Die neue Anwendung von SE DNP bietet einen alternativen Mechanismus zur OE DNP in Flüssigkeiten bei hohen Magnetfeldern und könnte möglicherweise auf Makromoleküle mit relativ langsamer Rotationsbewegung angewendet werden.
Wir haben zusätzliche Untersuchungen an den Lipiddoppelschichten mit Nitroxid-radikale durchgeführt, basierend auf dem beobachteten 1H DNP-Verstärkungen in einer viskosen Lipidumgebung bei 9,4 T . Durch Messung des Feldprofils wurden DNP-Verstärkungen durch OE und SE in Abhängigkeit ihrer relativen Verschiebungen von der Elektronen-Larmor-Frequenz bestimmt. Die individuelle OE DNP-Effizienzen für Protonen des Wassers, der Lipid-Cholin-Kopfgruppen oder der Lipid-Acylketten wurde bestimmt. Dadurch wird ein quantitativer Vergleich mit MD-Simulationen ermöglicht. Obwohl die von der MD-Simulationen vorhergesagten DNP Kopplungsfaktoren noch deutliche Abweichungen von den experimentellen Beobachtungen aufweisen, wird die schnelle Dynamik nahe der Elektronen-Larmor-Frequenz, die für einen erfolgreichen OE DNP Transfer erforderlich ist, von den MD-Simulationen gut erfasst.
In der Arbeit wurden auch zwei unterschiedliche Dreifachresonanz-DNP-Experimente durchgeführt. Zum einen wurde 13C OE DNP unter 1H-Entkopplung in wässriger Natriumpyruvatlösung, und zum anderen 13C-NMR von Glycin, verstärkt durch SE DNP an 1H zusammen mit einem 1H-13C INEPT-Polarisationstransfer, im Rahmen dieser Doktorarbeit durchgeführt.
The role of lncRNAs in the CVS and the endothelium is highly diverse and has been subject to a substantial amount of research over the last decade. The identification of lncRNAs as clinically relevant biomarkers and as co-regulatory molecules let to the appreciation of the functional relevance of lncRNAs.
In the present study, LINC00607 was identified as an endothelial-enriched, human-specific lncRNA. With its distinct functions, LINC00607 maintains and supports the endothelial homeostasis especially in response to VEGF-A signalling.
In the first part of this study, LINC00607 was functionally characterized in human endothelial cells. LINC00607 is highly and specifically expressed in endothelial cells and is differentially regulated in CVDs. Depletion of LINC00607 resulted in decreased angiogenic sprouting, reduced integration of ECs in a newly formed vascular network in vivo, enhanced endothelial migration and differential expression of many important genes for endothelial cell homeostasis. Functionally, LINC00607 maintains ERG-driven endothelial gene expression programs through BRG1. BRG1 secures stably accessible enhancer regions as well as TSS of ERG target genes, thus enabling transcription of endothelial gene programs.
The second part of this study proposes an additional mode of action for LINC00607. The strongly impaired response to VEGF-A after LINC00607 KO can only be partially explained by its’ expression control of ERG target genes. It rather appears that LINC00607 is involved in the control of alternative splicing of VEGF receptor FLT1. The differential splicing of FLT1 produces the anti-angiogenic soluble isoform of FLT1. Even though further validation is needed to uncover the underlying mechanism, there is the potential of a more general role of LINC00607 in splicing control through BRG1. As AS of FLT1 is a clinical marker in preeclampsia, LINC00607 might qualify to be an additional marker for the onset and manifestation of the pregnancy disorder.
Taken together, LINC00607 is a target in future for molecular therapy in CVD to restore a healthy endothelial phenotype and has the potential to serve as a biomarker in preeclampsia.
This cumulative dissertation examines learning in chemistry laboratories, focusing on the challenges and benefits of problem-based learning (PBL) for novices in the lab. It addresses the lack of consistent understanding about what should be learned in labs and why it's important. The research aims to understand what students learn, how they learn, and how lab learning can be improved.
A central concept in PBL labs is Information Literacy, defined as a sociocultural practice enabling learners to identify and use information sources within a specific context as legitimized by the practice community.
The first publication, Wellhöfer and Lühken (2022a), investigates the relationship between PBL and learner motivation. It identifies factors that can foster students' intrinsic motivation in a PBL lab. Autonomy is found to be a key factor, increasing student motivation and presenting a model of the autonomous scientific process. This model involves four steps: information acquisition, designing and applying experimental procedures, experimental feedback, and autonomous process optimization. The results suggest that intrinsic motivation in PBL labs can be enhanced by enabling students to independently execute these steps.
The second publication, Wellhöfer and Lühken (2022b), examines the information process students undergo during their first PBL lab. Using a sociocultural framework, it explores Information Literacy to understand students' handling of information and their perceptions of the information process. The findings reveal that in PBL labs, developing a practical, applicable experimental procedure is crucial for problem-solving and significantly shapes the information-acquisition process. This process is iterative, influenced by new information, leading to more precise information needs. Students assess information quality based on its usefulness for their problem, implementability (considering cognitive understanding, available equipment, and psychomotor skills), and safety.
Furthermore, the role of privileged knowledge forms in evaluating the quality of text sources is explored. Students viewed non-scientific sources as "poor" and scientific sources as "good," yet used both for information gathering. There were discrepancies between their assessment of source quality and actual use, indicating that perception of source quality doesn't always affect their practical decisions.
The third publication, Wellhöfer, Machleid, and Lühken (2023), investigates students' information practices in the lab, focusing on discourse between novice learners and experienced assistants. It shows that theoretical knowledge isn't sufficient for independent practical action, and students need actionable social information from experienced community members. The results highlight that information literacy in the lab for newcomers to a community of practice has distinctive features, and physical experience and tacit knowledge are crucial for learning the methods and group-specific knowledge of the practice community. The article demonstrates how learning information literacy in a practice community requires a social and physical experience and provides insights on how educators can support this process.
Mechanistic characterization of photoisomerization reactions in organic molecules and photoreceptors
(2023)
In dieser Arbeit wurden verschiedene Einflüsse auf die Dynamik von Photoisomerisierungen in Phytochromen und indigoiden Photoschaltern untersucht. Beide Forschungsgebiete teilen wesentliche Aspekte wie die Kontrolle durch sterische Wechselwirkungen und den starken Einfluss der Polarität oder der ionischen Umgebung.
Auf dem Gebiet der Phytochrome wurde die relative Positionierung der knotenlosen Phytochrome innerhalb der Superfamilie der Phytochrome in Bezug auf ihre Photodynamik und den Effekt von Grundzustandsheterogenität herausgearbeitet. Es wurde anhand von ultraschnellen, zeitaufgelösten Anrege-Abtast-Experimenten der einzelnen GAF-Domäne All2699g1 im Vergleich mit dem vollständigen knotenlosen Phytochrom All2699g1g2 und dem strukturell ähnlichen knotenlosen Phytochrom SynCph2 gezeigt, dass knotenlose Phytochrome in ihrer Vorwärtsdynamik eine komplexe mehrphasige Kinetik mit einem langlebigen angeregten Zustand (~100 ps) aufweisen. Die beobachtete mehrphasige Kinetik konnte einer initialen Chromophordynamik sowie einer nicht exponentiellen Reorganisation der chromophor-umgebenden Proteinmatrix zugeordnet werden. Dies steht im starken Kontrast zur im Gebiet der Phytochrome etablierten Beschreibung derartiger mehrphasiger Kinetiken mittels heterogener Grundzustände. Stattdessen wurde ein konserviertes kinetisches Muster identifiziert, welches die mehrphasige Dynamik beschreibt und in allen in dieser Arbeit untersuchten Phytochrome beobachtet wurde. Zudem konnte dieses Muster in einem Phytochrom der Gruppe I und einem Phytochrom der Gruppe III, die einen ähnlichen Pr Dunkelzustand aufweisen, gezeigt werden, was eine breite Anwendbarkeit des damit verbundenen Mechanismus vermuten lässt. Weiterhin konnte die zentrale Rolle eines konservierten Tyrosins in der Photoisomerisierung anhand von Mutationsstudien in All2699g1 herausgearbeitet werden. Diese konservierte Aminosäure muss im Rahmen der Reorganisation der Proteinmatrix vom Chromophor weggezogen werden, damit die sterische Blockade abgebaut werden kann, die die Isomerisierung des Chromophors zunächst verhindert. Da diese Bewegung von diversen Faktoren in der den Chromophor umgebenden Proteinmatrix abhängt, weist sie eine nicht exponentielle Kinetik auf, die je nach Phytochrom, der spezifischen Flexibilität und dem vorhandenen Raum in der Bindetasche unterschiedliche Lebenszeiten aufweist.
Die Rückreaktion knotenloser Phytochrome konnte ebenfalls im Rahmen dieser Arbeit charakterisiert werden, welche im Pikosekundenbereich abläuft, und damit signifikant schneller ist als die Vorwärtsreaktion. Im Gegensatz zur Vorwärtsreaktion nimmt Grundzustandsheterogenität in der Rückreaktion eine weitaus bedeutendere Rolle ein. Hier weisen die in All2699g1 vorhandenen heterogenen Grundzustandspopulationen jeweils eine eigene Kinetik ihres angeregten Zustands auf, während die homogenen Grundzustände von All2699g1g2 und SynCph2 jeweils nur einen Zerfall des angeregten Zustands zeigen. Der Ursprung dieser Heterogenität konnte im Wasserstoffbrückennetzwerk des Chromophors lokalisiert und mit dem konservierten Tyrosin und einem konservierten Serin in der PHY-Domäne verknüpft werden. Die Anwesenheit der PHY-Domäne sorgt demnach für eine Verringerung der Grundzustandsheterogenität und des vorhandenen Raums in der Bindetasche, wodurch die Effizienz der Photoreaktion optimiert wird.
Zuletzt konnte die Millisekundendynamik knotenloser Phytochrome und der Einfluss der PHY-Domäne auf diese aufgeklärt werden. Die PHY-Domäne sorgt hierbei durch den verringerten Raum in der Bindetasche dafür, dass die zunächst stattfindende thermische Relaxation des Chromophors signifikant verlangsamt wird, während spätere Änderungen im Photozyklus nur wenig beeinflusst werden.
Auf dem Gebiet der indigoiden Photoschalter konnte, anhand eines sterisch überladenen Hemithioindigo Photoschalters, der Photoisomerisierungsmechanismus des Hula-Twists beobachtet und eine starke Lösungsmittelabhängigkeit der entsprechenden Kinetik aufgezeigt werden. Aus den durchgeführten zeitaufgelösten Anrege-Abtast-Experimenten in verschiedenen Lösungsmitteln konnte ein Modell für die Photodynamik des verwendeten Hemithioindigo Photoschalters entwickelt werden. In unpolaren Lösungsmitteln muss eine hohe Barriere zur produktiven konischen Durchschneidung überwunden werden, was zu Lebenszeiten des angeregten Zustands im Nanosekundenbereich führt. Der Weg zur produktiven konischen Durchschneidung folgt dabei dem Hula-Twist Mechanismus. Dieser Pfad ist in polaren Lösungsmitteln unerreichbar, weshalb eine schnelle Relaxation über eine unproduktive konische Durchschneidung stattfindet.
Im zweiten Projekt auf dem Gebiet der indigoiden Photoschalter wurde anhand der neuartigen Klasse der Iminothioindoxyl Photoschalter ein Schwingungsenergiedonor für Schwingungsenergietransferstudien entwickelt. Das daraus entwickelte Modellsystem, bestehend aus einer künstlichen Aminosäure auf Basis des Iminothioindoxyl Photoschalters und einem daran gekoppelten Schwingungsenergiesensor, wurde charakterisiert und die primäre Photoreaktion untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass der angeregte Zustand des Modellsystems kurzlebig ist und unter Abgabe von großen Mengen an Schwingungsenergie zerfällt, unabhängig von der Anregungswellenlänge und dem verwendeten Lösungsmittel. Somit zeigt das entwickelte System vorteilhafte Eigenschaften für Schwingungsenergietransferstudien.
Insgesamt konnten somit die Mechanismen der Photoisomerisierungsreaktionen in knotenlosen Phytochromen und indigoiden Photoschaltern aufgeklärt und daraus die Relevanz der Umgebung für derartige Reaktionen herausgearbeitet werden.
Eine überlebenswichtige Eigenschaft von Mensch und Tier ist es, sich bei Gefahr durch eine Schreckreaktion in Sicherheit zu bringen. Doch woran erkennt ein Organismus, in welcher Situation es „sinnvoll“ wäre, sich zu erschrecken und welche Eigenschaften sensorischer Stimuli tragen zu dem Gefahreneindruck bei? Bei plötzlich eintretenden, lauten auditorischen Reizen kann es zur Auslösung der akustischen Schreckreaktion kommen. Dies führt bei Menschen, aber auch bei kleineren Säugetieren zu einer reflexartigen Kontraktion der Nacken-, Gesichts- und Skelettmuskulatur. Die Erforschung der akustisch evozierten Schreckreaktion (ASR) dient dem besseren Verständnis der neurobiologischen Grundlagen sensorischer Verarbeitung. Modulationen der ASR mithilfe von Präpulsen (Präpulsinhibition) ermöglichen Einblicke in die Funktion der Kochlea, des Hörnervs, der Hirnstammstrukturen und anderer beteiligter Gehirnregionen.
In dieser Arbeit wurden kurzzeitige Änderungen von Frequenz oder Intensität des akustischen Hintergrundes als neuartige Präpulse untersucht. Die Bedeutung verschiedener Reizparameter dieser Präpulse wurde in der vorliegenden Arbeit zum ersten Mal systematisch erforscht. Um zu prüfen, welche Präpulsstimulationen eine Inhibition der ASR auslösen können, wurde eine Reihe von Parametern umfassend getestet. In einem weiteren Schritt wurde analysiert, ob es mithilfe von gezielten Änderungen von Frequenz oder Intensität möglich sein könnte, Unterscheidungsschwellen, oder gar Hörschwellen von Versuchstieren zu bestimmen.
Die Experimente zur Modulation der ASR wurden mit weiblichen Sprague Dawley-Ratten durchgeführt. Dabei wurde eine Vielzahl von Verhaltensparadigmen untersucht. Dazu zählten Präpulse mit unterschiedlichem Frequenzgehalt und variabler Dauer. Zusätzlich wurden neuartige Paradigmen etabliert, um die Fähigkeit zur Frequenz- und Intensitätsdiskriminierung zu untersuchen. Hierbei wurde der Frequenzgehalt oder die Intensität einer kontinuierlichen Hintergrundstimulation verändert, um eine Präpulswirkung zu erzeugen. Um die Möglichkeiten der Bestimmung von Hörschwellen mittels der Präpulsinhibition (PPI) zu ergründen, wurde die Intensität von Präpulsen systematisch verändert. Die so generierten Schwellenwerte wurden durch die Messung früher akustisch evozierter Hirnstammpotenziale verifiziert. Schließlich sollten, unter Zuhilfenahme der Signaldetektionstheorie, aus den erhobenen Daten diverse Schwellen bestimmt werden: Für die Intensitätsänderungen der Präpulse in Stille wurden Hörschwellen bestimmt, während bei Änderungen der Frequenz und Intensität Unterscheidungsschwellen bestimmt werden sollten.
Mit steigender Größe eines Frequenzsprungs in einer kontinuierlichen Hintergrundstimulation war eine stärkere Inhibition der ASR feststellbar; ein Effekt, der stark von der Hintergrundfrequenz abhängig war. Bei einer Stimulation mit 8 kHz konnten signifikant höhere Inhibitionswerte erzielt werden als mit 16 kHz. Bei der Untersuchung des Zeitablaufs der Stimulation ergab sich, dass eine abgesetzte Stimulation mit einer Abweichung von 80 ms Dauer bis 50 ms vor dem Schreckreiz für die höchsten Inhibitionen sorgte.
Die durch eine Intensitätsänderung einer kontinuierlichen Hintergrundstimulation ausgelöste PPI hing primär von der Größe und Richtung des Intensitätssprungs ab. Mit zunehmender Sprunggröße stiegen die Inhibitionswerte an. Eine Erhöhung der Hintergrundintensität um 10 dB hatte einen signifikanten Einfluss auf die Inhibitionswerte. Auch hier zeigte sich eine höhere Sensitivität in Form von höheren Inhibitionen für Stimuli mit einer Hintergrundfrequenz von 8 kHz als für alle anderen getesteten Hintergrundfrequenzen.
Die Bestimmung von Hörschwellen mittels intensitätsabhängiger PPI wies im Vergleich mit den elektrophysiologisch bestimmten Hörschwellen ein heterogenes Bild mit starken individuellen Schwankungen auf: Bei etwa der Hälfte der Tiere waren die Hörschwellen beider Messungen sehr vergleichbar, bei den übrigen Tieren konnten mittels PPI für eine oder mehrere Frequenzen keine aussagekräftigen Hörschwellen erzielt werden. Die elektrophysiologisch bestimmten Hörschwellen waren am sensitivsten, während PPI-Stimulationen signifikant höher waren. Außerdem bewirkten PPI-Stimulationen mit Reintönen signifikant sensitivere Hörschwellen im Vergleich zu einem Schmalbandrauschen.
Für die Bestimmung der Unterscheidungsschwellen von Frequenzänderungen konnte beobachtet werden, dass die Tiere auf Frequenzsprünge hin zu niedrigeren Frequenzen signifikant sensibler reagierten, als hin zu Aufwärtssprüngen (-1.2 bzw. +4.5%). Bei der Intensitätsunterscheidung hingegen konnte beobachtet werden, dass die Tiere signifikant sensitiver auf Intensitätserhöhungen als auf Erniedrigungen reagierten (-5.9 bzw. +2.7 dB).
Zusammenfassend konnte in der vorliegenden Arbeit festgestellt werden, dass die PPI zur Bestimmung von absoluten Hörschwellen starken Schwankungen unterlag, sodass diese Methode nur eingeschränkt als Alternative zu operanter Konditionierung oder elektrophysiologischen Ableitungen in Frage kommt. Des Weiteren erzeugten bereits kleine Änderungen des Frequenzgehalts oder der Intensität einer Hintergrundstimulation eine robuste PPI. Somit können reflexbasierte Messungen mit überschwelligen Stimuli genutzt werden, um Unterscheidungsschwellen in Versuchstieren zu bestimmen. Diese Herangehensweise stellt also eine vielversprechende Methode dar, um Hörstörungen zu untersuchen, die nach einem Schalltrauma auftreten können. In einem nächsten Schritt könnte sie zur weiteren Charakterisierung von verstecktem Hörverlust beitragen.
Seed dispersal is a key ecosystem function for plant regeneration, as it involves the movement of seeds away from the parental plants to particular habitats where they can germinate and transition to seedlings and ultimately adult plants. Seed dispersal is shaped by a diversity of abiotic and biotic factors, particularly by associations between plants and climate and between plants and other species. Due to the ongoing loss of biodiversity and changing global conditions, such interactions are prone to change and pose a severe threat to plant regeneration. One way to address this challenge is to study associations between plant traits and abiotic and biotic factors to understand the potential impacts of global change on plant regeneration. Plant communities have long been analyzed through the lens of vegetative traits, mainly ignoring how other traits interact and respond to the environment. For instance, while associations between vegetative traits (e.g., specific leaf area, leaf nitrogen content) and climate are well studied, there are few case studies of reproductive traits in relation to trait-environment associations in the context of global change.
Thus, the overarching aim of this dissertation is to explore how trait-environment associations, with a special focus on reproductive traits, can improve our understanding of the effect that global change may have on seed dispersal, and ultimately on plant regeneration. To this end, my research focuses on studying associations between plant traits and abiotic and biotic factors along an elevational gradient in both forests and deforested areas of tropical mountains. This dissertation addresses three principal research objectives.
First, I investigate the extent to which reproductive (seed and fruit traits) and vegetative traits (leaf traits) are related to abiotic and biotic factors for communities of fleshy-fruited plants in the Ecuadorian Andes. I used multivariate analyses to test associations between four (a)biotic factors and seven reproductive traits and five vegetative traits measured on 18 and 33 fleshy fruited plant species respectively. My analyses demonstrate that climate and soil conditions are strongly associated with the distribution of both reproductive and vegetative traits in tropical tree communities. The production of “costly” vs. “cheap” seeds, fruits and leaves, i.e., the production of few rewarding fruits and acquisitive leaves versus the production of many less-rewarding fruits and conservative leaves, is primarily limited by temperature, whereas the size of plant organs is more related to variation in precipitation and soil conditions. My findings suggest that associations between reproductive and vegetative traits and the abiotic environment follow similar principles in tropical tree communities.
Second, I assess how climate and microhabitat conditions affect the prevalence of endozoochorous plant species in the seed rain of tropical montane forests in southern Ecuador. I analyzed seed rain data for an entire year from 162 traps located across an elevational gradient spanning of 2000 m. I documented the microhabitat conditions (leaf area index and soil moisture next to each seed trap) at small spatial scale as well as the climatic conditions (mean annual temperature and rainfall in each plot) at large spatial scale. After a one-year of sampling, I counted 331,838 seeds of 323 species/morphospecies. My analyses demonstrate that the prevalence of endozoochorous plant species in the seed rain increases with temperature across elevations and with leaf area index within elevations. These results show that the prevalence of endozoochory is shaped by the interplay of both abiotic and biotic factors at large and small spatial scales.
Third, I examine the potential of seed rain to restore deforested tropical areas along an elevational gradient in southern Ecuador. For this chapter, I collected seed rain using 324 seed traps installed in 18 1-ha plots in forests (nine forest plots) and in pastures (nine deforested plots) along an elevational gradient of 2000 m. After a sampling period of three months, I collected a total of 123,039 seeds of 255 species/morphospecies from both forests and pastures along the elevational gradient. I did not find a consistent decrease in the amount and richness of seed rain between forests and pastures, but I detected a systematic change in the type of dispersed seeds, as heavier seeds and a higher proportion of endozoochorous species were found in forests compared to pastures at all elevations. This finding suggests that deforestation acts as a strong filter selecting seed traits that are vital for plant regeneration.
Understanding the role that trait-environment associations play in how plant communities regenerate today could serve as a basis for predicting changes in regeneration processes of plant communities under changing global conditions in the near future. Here, I show how informative the measurement of reproductive traits and trait environment associations are in facilitating the conservation of forest habitats and the restoration of deforested areas in the context of global change.
Brain development is a complex and highly organized process that relies on the coordinated interaction between neurons and vessels. These cell systems form a neurovascular link that involves the exchange of oxygen, ions, and other physiological components necessary for proper neuronal and vascular function. This physiologically coupled process is executed through analogous structural and molecular signaling mechanisms shared by both cell types. At the neurovascular interface, the cellular crosstalk via these shared signaling mechanisms allows for the synchronized expansion and integration of neurons and vessels into complex cellular networks. This study investigated the role of VEGFR2, a receptor for vascular endothelial growth factor (VEGF), during postnatal neuronal development in the mouse hippocampus. Prior studies have revealed physiological roles of VEGF, a pro-angiogenic morphogen, in nervous system development. However, it was unclear if VEGF signaling had a direct effect on neuronal physiology and function through neuronal-expressing receptors. In this investigative work, we identified a previously unknown function of VEGFR2, whereby VEGF-induced signaling coordinates the development and circuitry integration of CA3 pyramidal neurons in the early postnatal mouse hippocampus. Mechanistically, we found that VEGFR2 signaling requires receptor endocytosis, a process mediated by ephrinB2. We also found that VEGF-induced cooperative signaling between VEGFR2 and ephrinB2 is functionally required for the dendritic arborization and spine maturation of developing CA3 neurons during the first few postnatal weeks. Moreover, in a collaborative effort with the research group of Carmen Ruiz de Almodovar, formerly at the University of Heidelberg, we simultaneously studied VEGF-induced VEGFR2 signaling in CA3 axonal development. Together, we aimed to gain a comprehensive understanding of the complex interplay between VEGF and VEGFR2 signaling during the early postnatal development of CA3 neurons. Ruiz de Almodovar’s research group found that, unlike the branch and spine development of CA3 dendrites, VEGF-VEGFR2 signaling promotes axonal development through mechanisms that are independent of ephrinB2 function. Our findings on CA3 dendritic development are reported in the published manuscript, Harde et al. (2019), and the complementary work on CA3 axonal development from Ruiz de Almodovar's group is presented in the co-published manuscript, Luck et al. (2019). Although the totality of Ruiz de Almodovar's group's work on CA3 axons is not fully discussed here, it is referenced where noted to provide biological context for our findings on CA3 dendritic development.
VEGFR2 signaling within neurovascular niches is known to play a role in the neurogenesis of neural progenitor cells during embryonic development and within the adult brain. However, the precise localization of neuronal VEGFR2 expression and functional role within the nervous system during postnatal brain development was unknown. To investigate this, we used immunohistochemistry to identify the spatial expression of VEGFR2 within the mouse hippocampus during the first few weeks after birth. Our results showed that VEGFR2 was predominantly expressed within the hippocampal vasculature, consistent with prior studies. However, we also observed localized VEGFR2 expression in pyramidal cell neurons of the hippocampal CA3 region by postnatal day 10 (P10). This spatially restricted postnatal expression of VEGFR2 in CA3 neurons suggested a potential role in the development of these neurons during this developmental stage.
The first two weeks after birth in the mouse hippocampus is a critical period for the development of neuronal circuits, as neurons undergo extensive dendritic arborization and spine formation. To explore the role of VEGFR2 in the postnatal nervous system, we used a Nes-cre VEGFR2lox/- mouse line to target the deletion of VEGFR2 expression within the nervous system while preserving normal receptor expression in all other cell types. We also generated corresponding control mice that were negative for Nes-cre. By breeding these mice with Thy1-GFP reporter mice, we could analyze the functional consequences of VEGFR2 by assessing the morphologies of CA3 dendritic trees and spine density and maturation at P10 and P15, respectively. Our analysis showed that CA3 neurons in Nes-cre VEGFR2lox/- mice had less complex dendritic arbors compared to control mice. There were significant reductions in total length and branch points, particularly in areas located 100-250 μm from the cell soma within the stratum radiatum layer. Additionally, Nes-cre VEGFR2lox/- mice exhibited a significant decrease in spine density accompanied by an increased proportion of immature spines. These findings suggest that VEGFR2 plays a crucial role in the proper development of CA3 dendrites and spines during the early postnatal weeks.
In view of a growing world population and the finite nature of fossil resources, the development of eco-friendly production processes is essential for the transition towards a sustainable industry. Methanol, which can be produced both petrochemically and from renewable resources, offers itself as bridging technology and attractive alternative raw material for biotechnological processes. This work describes developments for the progress of the well-studied methylotrophic α proteobacterium Methylorubrum extorquens AM1 towards an efficient methylotrophic cell factory. Although many homologous and heterologous production routes have already been described and realized for M. extorquens in a laboratory scale, no industrial process has yet been realized. Three major reasons can be identified for this: (1) A limited choice of tools for genetic modifications, (2) a lack of understanding of carbon fluxes and side reactions occurring in modified strains, such as product reimports, and (3) the lack of tailored production strains for profitable target products and optimized bioprocessing protocols. The aim of the present work was to achieve developments for the mentioned areas. As a model application, the high-level production of chiral dicarboxylic acids from the substrate methanol was chosen. Enantiomerically pure chiral compounds are of great interest, e.g., as building blocks for chiral drugs. The ethylmalonyl CoA metabolic pathway (EMCP) which is part of the primary metabolism of M. extorquens, harbors unique chiral CoA-ester intermediates. Their acid derivatives can be released by cleavage of the CoA-moiety using heterologous enzymes. The dicarboxylic acids 2 methylsuccinic acid and mesaconic acid were produced in a previous study by introducing the heterologous thioesterase YciA into M. extorquens. In the said study, a combined product titer of 0.65 g/L was obtained in shake flask experiments. These results serve as the basis for the developments in the present work.
First, the previously described reuptake of products was thoroughly investigated and dctA2, a gene encoding for an acid transporter, was identified as target for reducing the product reuptake. In addition, reuptake of mesaconic acid was prevented by converting it to (S)-citramalic acid, a product not metabolizable by M. extorquens, by the introduction of a heterologous mesaconase. Together with 2-methylsuccinic acid, for which a high enantiomeric excess of (S)-2-methylsuccinic acid was determined, a second chiral molecule was thus added to the product spectrum. For the release of dicarboxylic acid products, YciA, a broad-range thioesterase that accepts a variety of CoA-esters with different chain lengths as substrates, was chosen. The enzyme should theoretically be able to hydrolyze all CoA-esters of interest present in the EMCP. However, in culture supernatants of M. extorquens strains that were overexpressing the corresponding yciA gene, only mesaconic acid and 2 methylsuccinic acid could be detected. To expand the substrate spectrum of YciA thioesterase with respect to other EMCP intermediates, semi-rational enzyme engineering was attempted. Screening of the corresponding strains carrying the respective YciA variants did not result in strains capable of producing new dicarboxylic acid products. However, the experiments revealed an amino acid position that strongly affected the production of mesaconic acid and 2-methylsuccinic acid in vivo. By substituting the according amino acid in YciA, the maximum titers of mesaconic acid and 2-methylsuccinic acid could be increased substantially. Application of an improved thioesterase variant in a second E. coli-based process confirmed the enhanced activity of the enzyme. The desired extension of the product spectrum by another chiral molecule (2-hydroxy-3-methylsuccinic acid, presumably the (2S,3R)-form) was finally achieved by using an alternative thioesterase. Tailored fermentation strategies were developed for the high-level production of the above-mentioned products.
As second part of the work, two novel genetic tools for M. extorquens were developed and characterized. The pBBR1-derived plasmid pMis1_1B was shown to be stably maintained in M. extorquens cells. In addition, its suitability for co-transformations with other plasmids was demonstrated. The second tool, the cumate-inducible promoter Ps6, is tailored for expression of pathways with toxic products, as the transcription of genes controlled by Ps6 is strongly repressed in the absence of an inducer.
Overall, the present work demonstrates the enormous potential of using M. extorquens as a methylotrophic cell factory. In the applications shown, the biotechnological production of high-priced chiral molecules is combined with the use of an attractive alternative substrate. In addition, new achievements and approaches are presented to facilitate the development of future M. extorquens production strains.
For thousands of years, S. cerevisiae has been employed by humans in brewing and baking. Nowadays, this budding yeast is more than that: it is a well investigated model organism and an established workhorse in biotechnology. S. cerevisiae serves as a production host for various applications such as i) bioethanol production ii) the biosynthesis of hormones including insulin or iii) cannabinoid biosynthesis. Hereby, the robustness of S. cerevisiae and its high tolerances regarding pH and salt concentrations qualifies it for a wide range of industrial applications. Moreover, products of S. cerevisiae are generally recognised as safe (GRAS), enabling diverse biotechnological applications. Various mechanisms for genetic engineering of S. cerevisiae are applicable and the engineering process itself is straightforward since methods are established and widely known. Due to the wide range of industrial applications of S. cerevisiae, this organism is an ideal candidate for applied research and implementation of the recombinant biosynthesis of tocochromanols in this study.
Tocochromanols encompass tocotrienols and tocopherols, which are lipid-soluble compounds that are commonly associated with vitamin E activity. Hereby, α-tocopherol is the most prevalent form, as it is an essential nutrient in the diet of humans and animals. Naturally, tocochromanols are almost exclusively synthesised by photoautotrophic organisms such as plants or cyanobacteria. They consist of an aromatic head group and a polyprenyl side chain which is saturated in tocopherols and 3-fold unsaturated in tocotrienols. The methylation status of the chromanol ring distinguishes α-, β-, γ- and δ-tocochromanol. All forms of tocochromanols represent a group of powerful antioxidants, scavenging reactive oxygen species (ROS) and preventing the propagation of lipid oxidation in lipophilic environments. Recently, attention has been drawn to tocotrienols, due to their benefits in neuroprotection as well as cholesterol-lowering and anti-cancer properties. Consequently, tocochromanols are valuable additives in the food, feed, cosmetic and pharmaceutical industries.
The metabolic engineering strategy of S. cerevisiae to enable tocochromanol biosynthesis was started in a preceding master thesis with the provision of the aromatic moiety, homogentisic acid (HGA), from the aromatic amino acid biosynthesis. Hereby, the upregulation and redirection of the native pathway was essential. Therefore, a strain with an engineered aromatic amino acid pathway for improved 4 hydroxyphenylpyruvate (HPP) production (MRY33) was utilised from Reifenrath and Boles (2018). Furthermore, a heterologous hydroxyphenylpyruvate dioxygenase (HPPD) was required to convert HPP into HGA. Thus, several heterologous HPPDs were expressed and characterised regarding their HGA production within the previous study. The best variant originated from Yarrowia lipolytica, YlHPPD, and was integrated into the genome of MRY33. The resulting strain JBY2, produced 435 mg/L HGA in a shake flask fermentation.
This work was started with the genetically highly modified strain JBY2, whose genome already contained a large number of genes artificially expressed behind strong promoters. For further strain development, it was advantageous to maintain a high degree of sequence variability in order to prevent genomic instabilities due to sequence homologies. Thus, 17 artificial promoters (AP1-AP17) were characterised regarding their strength of expression by the yellow fluorescent protein (YFP). These sequences were also part of a patent that was filed during this work (WO2023094429A1).
The key point of this study was the development of a metabolic engineering strategy for the strain JBY2. First, the sufficient supply of the second precursor, the polyprenyl side chain, was investigated. Natively, S. cerevisiae produces the precursor, geranylgeranyl diphosphate (GGPP), from the isopentenyl diphosphate pathway. However, without further engineering, GGPP was barely detectable in JBY2 (< 0.1 mg/L). Thus, engineering of the isopentenyl diphosphate biosynthesis was necessary. The limiting enzyme of the mevalonate pathway was the 3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme A reductase (HMGCR), which is encoded by HMG1. Therefore, a truncation for feedback-resistance and its overexpression by a promoter exchange was performed. Furthermore, the promoter of the gene for the squalene synthase (pERG9) was exchanged by the ergosterol sensitive promoter pERG1 to limit the metabolic flux of the mevalonate pathway into the ergosterol pathway. The native GGPP synthase (BTS1) was another limitation that was observed throughout this study. To overcome this bottleneck, plasmid-based and integrative overexpression of the native BTS1 and a codon optimised BTS1 were investigated. Other strategies to improve GGPP production were the deletion of the gene for the diacylglycerol pyrophosphate phosphatase (DPP1) to prevent excessive dephosphorylation of GGPP to geranylgeraniol (GGOH), and the overexpression of the farnesyl pyrophosphate synthetase, encoded by ERG20. However, the best improvements of the GGPP biosynthesis, inferred through GGOH measurements, were achieved from the screening of several heterologous GGPP synthases in S. cerevisiae. The best performing strain was JBY61 (JBY2, hmg1Δ::pTDH3-HMG1tr[1573–3165], pERG9Δ::pERG1, ChrIV-49293-49345Δ::pTDH3-XdcrtE-tSSA1_LEU2), bearing the heterologous GGPP synthase crtE of Xanthophyllomyces dendrorhous and produced 64.23 mg/L GGOH. Consequently, this engineering strategy improved the GGOH production by a factor of 642 compared to the parent strain JBY2.
The capacity of pathogenic bacteria to adhere to host cells and to avoid subsequent clearance by the host´s immune response is the initial and most decisive step leading to infections. Human pathogenic bacteria circulating in the bloodstream need to find ways to interact with endothelial cells (ECs) lining the blood vessels to infect and colonise the host. The extracellular matrix (ECM) of ECs might represent an attractive initial target for bacterial interaction, as many bacterial adhesins have reported affinities to ECM proteins, particularly fibronectin (Fn). Trimeric autotransporter adhesins (TAA) have been described as important pathogenicity factors of Gram-negative bacteria. The TAA from human pathogenic Bartonella henselae, Bartonella adhesin A (BadA), is one of the longest and best characterised adhesin and represents a prototypic TAA due to its domain architecture. B. henselae, the causative agent of cat scratch disease, endocarditis, and bacillary angiomatosis, adheres to ECs and ECM proteins via BadA interaction.
In this research, it was determined that the interaction between BadA and Fn is essential for B. henselae host cell adhesion. BadA interactions were identified within the heparin-binding domains of Fn, and the exact binding sites were revealed by mass spectrometry analysis of chemically crosslinked whole-cell bacteria and Fn. It turned out that specific BadA interactions with defined Fn regions represent the molecular basis for bacterial adhesion to ECs. These data were confirmed by using BadA-deficient bacteria and CRISPR-Cas FN1 knockout ECs. It was also identified that BadA binds to Fn from both cellular and plasma origin, suggesting that B. henselae binding to Fn might possibly take part in other infection processes apart from bacterial adherence, e.g. evasion from the host cell immune system.
Interactions between TAAs and Fn represent a key step for adherence of B. henselae to ECs. Still, Fn-mediated binding is of more significant importance for pathogenic bacteria than broadly recognised. Fn removal from the ECM environment of ECs, also reduced adherence of Staphylococcus aureus, Borrelia burgdorferi, and Acinetobacter baumannii to host cells Interactions between adhesins and Fn might therefore represent a crucial step for the adhesion of human-pathogenic Gram-negative and Gram-positive bacteria targeting the ECs as a niche of infection or as means for persistence.
This research demonstrated that combining large-scale analysis approaches to describe protein-protein interactions with supportive functional readouts (binding assays) allows for the discrimination of crucial interactions involved in bacterial adhesion to the host. The herein-described experimental approaches and tools might guide future research for other pathogenic bacteria and represent an initial point for the future generation of anti-virulence strategies to inhibit bacterial binding to host cells.
In our rapidly changing world, land use has been recognized as having one of the strongest impacts on species and genetic diversity. The present state of temperate forests in Europe is a product of decisions made by former and current management and policy actions, rather than natural factors. Alterations of crown projection areas, structural complexity of the forest stand caused by thinning and cuttings, and changes in tree species composition caused by regeneration or plantings not only affect forest interior buffering against warming, but also the understorey light environment and nutrient availability. Ultimately, current silvicultural management practices have deep impact on the forest ecosystems, microenvironmental changes and forest floor understorey herbs. In response to environmental changes, plants rely on genetically heritable phenotypic variation, an important level of variation in the population, as it is prerequisite for adaptation. However, until now most studies on plant adaptation to land use focus on grassland management. Yet, studies on the adaptation of forest understorey herbs to forest management have been absent so far. This is important because understanding adaptation of understorey herbs is crucial for biodiversity conservation, forest restoration, and climate change mitigation. Studying current adaptation of understorey herbs to forest management yields insights into the evolutionary consequences of management practices, which could be employed to improve sustainable use of forest habitat.
In sum, my conducted experiments complement each other well and managed to fill in research gaps on the topic of genetically heritable phenotypic variation in understorey herbs and how it is affected by forest management and related microenvironmental variables. I showed that forest management has direct evolutionary consequences on the genetic basis of understorey herbs, but also indirectly through the microenvironment. Furthermore, I revealed that local adaptation and phenotypic plasticity of understorey herbs to forest structural attributes act along continuous gradients. And lastly, I highlighted the important role of intra-individual variation by revealing plastic responses to drought and shading, urging researchers to not ignore this important level of trait variation. Ultimately, understorey herbs in temperate forests employ phenotypic plasticity as a flexible strategy to adapt to varying environmental conditions. By adjusting their leaf characteristics, reproductive investment, and phenology, they can optimize their fitness and survival in response to changes in light availability, resource availability, and seasonal cues. The anthropogenic impact on temperate forests and understorey herbs will continue and likely increase in the future. This should urge foresters to adapt their silvicultural management decisions towards the long-term preservation of genetic diversity and, through this, the evolvability and adaptability of forest understorey herbs and associated organisms. Based on the results shown in my dissertation, variation in forest management regimes and types could be beneficial for promoting genetic diversity within several species of forest understorey herbs. Lastly, in the face of future climatic changes, the mechanisms by which plants can cope with increasing stressful environmental conditions might very well rely heavily on intra-individual variation, providing the necessary rapid plastic adjustment to changing microclimatic conditions within populations and thus increase climate change resilience.
Gravitropism is a fundamental process in plants that allows shoots to grow upward and roots to grow downward. Protein phosphorylation has been postulated to participate in the intricate signaling cascade of gravitropism. In order to elucidate the underlying mechanisms governing the gravitropic signaling and unearth novel protein constituents, an exhaustive investigation employing microgravity-induced phosphoproteomics was undertaken. The significantly phosphorylated proteins unraveled in this study can be effectively divided into two groups through clustering analysis. Furthermore, the elucidation of Gene Ontology (GO) enrichment analysis disclosed the conspicuous overrepresentation of these clustered phosphoproteins in cytoskeletal organization and in hormone-mediated responses intimately intertwined with the intricate phenomenon of gravitropism. Motif enrichment analysis unveiled the overrepresentation of [-pS-P-] and [-R-x-x-pS-] motifs. Notably, the [-pS-P-] motif has been suggested as the substrate for the Casein kinase II (CK II) and Cyclin-dependent kinase (CDK). Kinase-inhibitor assays confirmed the pivotal role played by CK II and CDK in root gravitropism. Mutant gravitropism assays validated the functional significance of identified phosphoproteins, with some mutants exhibiting altered bending kinetics using a custom-developed platform. The study also compared phosphoproteomics data from different platforms, revealing variations in the detected phosphopeptides and highlighting the impact of treatment differences. Furthermore, the involvement of TOR signaling in microgravity-induced phosphorylation changes was uncovered, expanding the understanding of plant gravitropism responses.
To fulfill the large-scale verification of interesting candidates from the phosphoproteomics study, a novel root and hypocotyl gravitropism phenotyping platform was developed. This platform integrated cost-effective hardware, including Raspberry Pi, a high-quality camera, an Arduino board, a rotation stage (obtained from Prof. Dr. Maik Böhmer), and programmable green light (modified by Sven Plath). In addition, through collaboration with a software developer, machine-learning-based software was developed for data analysis. This platform tested the gravitropic response of candidate mutants identified in the phosphoproteomics study. Furthermore, the capabilities of this platform were expanded to investigate tropisms in other species and organs. To find novel proteins that might act as partners of a key protein that is involved in gravitropism signaling, ALTERED RESPONSE TO GRAVITY 1 (ARG1), immunoprecipitation coupled with Mass Spectrometry (IP-MS) was performed and identified ARG1-LIKE1 (ARL1) as a potential interacting protein with ARG1. This interaction was further confirmed through in vivo pull-down assays and bimolecular fluorescence complementation assays. In addition, the interaction between ARG1 and HSP70-1 was also validated.
Overall, this thesis sheds light on the molecular components and signaling events involved in plant gravitropism. It contributes to existing knowledge and opens up new ways to investigate this fascinating area of plant biology.
Many metabolic pathways of eukaryotes are carried out in form of interconnected pathways, which take place in organelles. The organelle membrane separates the reaction compartments from each other, making it a key feature of organelle existence in the cell. To maintain cellular homeostasis, organelle positioning in and transport through the cell as well as organelle interaction are important for the organisms. In plants, organellar movement of peroxisomes, Golgi stacks and mitochondria was shown to be mediated by the actin-myosin machinery. The molecular mechanisms are not elucidated, but working models comprise classical movement mechanisms of motor proteins pulling their cargo on cytoskeletal filaments. In contrast, many mechanisms of chloroplasts movement, which are regulated by blue and red light, are deciphered but follow a different molecular mechanism. Plastidal relatives of the chloroplast have long been disregarded by scientific research but carry out important metabolic reactions to maintain cellular homeostasis. The cellular transport and movement mechanisms of root plastids have not been described in detail until now. Additionally, all plastid subspecies can form tubular structures, called stromules. Those are thought to be involved in the organelle communication and metabolite exchange. Since they are very mobile structures, they influence the organellar dynamic of plastids. This work aimed for an in-detail description of the cellular movements of root plastids in the plant Arabidopsis thaliana to elucidate underlying mechanisms of their movement. Additionally, the dynamics of root plastid stromules were investigated, led by the questions, if and how stromules are involved in the mediation of plastidal movement and their overall dynamics. Plastidal movement in Arabidopsis thaliana was captured using light sheet-based fluorescence microscopy. 4D image data was automatically analyzed using the program Arivis Vision 4D with subsequent manual correction. Additionally to the 4D approach, a manual 3D analysis of plastid and stromule dynamics was performed. The results of the semiautomated analysis displayed heterologous distribution of the plastidal movement. Using a combination of the vector length of each motion event and the angle in relation to previous motion vectors, the proportions of different movement patterns were determined. Main fractions of the data showed undirected motion of plastids, whereas small proportions displayed directed movement with speed up to 8.5 µm/sec. Directed motion was shown to be carried out on defined routes in the cell. Salt stress did not affect plastidal motion, whereas drought stress lead to its reduction. Sucrose depletion led to a drastic decrease of plastidal movement. Additionally, stromule dynamics were investigated using the acquired image data. Stromules were observed in high frequency mainly at stationary plastids giving them the opportunity of dynamic interaction in their cellular surrounding. Stromules reached lengths of up to 60 µm. Additionally, they displayed a variety of movement patterns that contributed greatly to the overall plastid dynamics. Stromule related motion events were captured reaching up to 3.2 µm/sec. Similar to determined plastid dynamics, stromule motions were reduced during drought stress and sucrose depletion, but also were negatively influenced by salt stress. Those results strongly favor an actin-myosin mediated movement machinery mediating the plastidal and stromule movement. This stands in contrast to previous results describing the movement mechanisms of light induced chloroplast movement.
In an additional approach, the molecular mechanisms underlying stromule formation were analyzed. Previous results describe that stromule formation can be induced at isolated chloroplasts of the plant Nicotiana benthamiana by mixing it with concentrated cell extract. During this work, a variation of the described assay was established using the plant Pisum sativum. It was shown that an unknown protein factor presumably undergoing protein-lipid interaction is responsible for in vitro stromule formation. Using a combination of sucrose gradient centrifugation and anion exchange chromatography, the desired factor could be enriched, while the majority of unwanted proteins could be reduced drastically. A following LC-MS analysis revealed a selection of proteins with membrane interaction- and unknown functions that might be involved in in vitro stromule formation.
Sphingolipids are not only structural components of cell membranes but can also act as signalling molecules in different pathways. Sphingolipid precursors, Ceramides (Cer), are synthesized de novo by six different synthases (CerS1-6) which generate Cer of different chain lengths. Cer can be further synthesized to glycosphingolipids and sphingomyelin. Cell membrane parts that are enriched in glycosphingolipids are so-called lipid rafts and can function as signalling platforms for different receptors, such like the T cell receptor (TCR). CD4+ T cells play a crucial role in the development of ulcerative colitis, a chronic inflammatory disease of the colon. As CerS3 expression was increased in the white blood cells of human colitis patients, the role of CerS3 in the TCR signalling and colitis was investigated in this dissertation. By lenti-viral transduction of a CerS3-shRNA into a CD4+ Jurkat cell line, it was shown that CerS3 has an impact on activated T cells. A decrease of different sphingolipids after T cell activation via CD2/3/28 activation beads and IL2 treatment was observed that was accompanied by an inhibition of Zap70 phosphorylation, an important protein of the TCR signalling. The impaired TCR signalling led to a diminished NFAT1 translocation into the nucleus which subsequently led to a reduced NFAT1- dependent TNFα release. Downregulation of CerS3 in primary CD4+ T cells, obtained from the blood of healthy volunteers, also showed a reduced release of pro-inflammatory cytokines after activation. This dissertation demonstrates a pivotal role for CerS3 in T cell function and highlights CerS3 as potential new target for T cell driven colitis.
Subject of this thesis was the investigation of the actin-interacting and glucocorticoid-sensitive Protein DRR1 (or Fam107a) and its role in promoting stress resilience in the murine hippocampus.
We proposed the hypothesis that DRR1 through its actin-binding properties specifically modulates neuronal actin dynamics and promotes resilience through synaptic plasticity leading to subsequently improvement of cognitive performance and social behavior. The accompanied AMPA-receptor transport could create an efficient way regulating neural function and complex behavior during stress episodes.
By utilizing fluorescent immunohistochemistry, we showed basal expression of DRR1 primarily in the murine cerebellum and hippocampal CA3 and CA1 area. Co-staining with different cell marker proteins showed DRR1 expression in neurons, microglia and especially in astrocytic end-feet, which create contact to the brain vasculature.
To test whether DRR1 and AMPA receptor function correlate to modulate stress-associated consequences, primary hippocampal neuron cultures were transduced with adeno-associated virus (AAV) for overexpression or suppression of the protein. Western Blot analysis showed a positive correlation between the AMPA-receptor subunit GluR2 and DRR1 amounts. Further the application of the proximity ligation assay (PLA) in untreated neural cultures indicated interaction between DRR1 and the AMPA receptor subunit GluR2. To address whether DRR1 even affects AMPAR trafficking we performed the “newly inserted assay” after AAV-treatment of primary hippocampal neuron cultures. Suppression of DRR1 revealed less newly inserted GluR2 subunits as compared to controls. Inconclusive were the results upon DRR1 overexpression, however they point to no changes.
In the second part we correlated behavioral phenotypes originating from in vivo overexpression and suppression of DRR1 in the murine hippocampus with potential alterations in neuronal morphology. Therefore, in vitro analysis was performed utilizing AAV transduced primary hippocampal cultures overexpressing or suppressing DRR1. Synchronously the viral vector included a green fluorescent protein (GFP) being expressed throughout the complete neural cell. GFP staining was used to verify successful transfection and for reconstruction of dendritic arbors and dendritic stretches for spine classification. DRR1 suppression showed reduced total spine numbers especially evoked by reduced numbers of immature spine classes – namely long thin spines and filopodia. Whereas mature mushroom spines and stubby spines were unaffected. By overexpressing DRR1, tendencies inclined against higher total dendritic lengths, branch points and increased dendritic arbors in comparison to controls. In regard of spines, total numbers were unaffected. However, mature mushroom spines were significantly declined in numbers, but compensated by increased numbers of immature long thin spines and filopodia.
Chronic social defeat stress (CSDS) is widely used in mouse models to study the effects of stress and resilience. We exposed C57Bl/6J mice expressing GFP under the Thy1 promoter CSDS and categorized them into resilient (R+/-), susceptible (R-/-) and non-learning (R+/+) mice following a modified social interaction test (MSIT). We found alterations in CA1 spine compositions with resilient animals resembling the untreated phenotype. Stress susceptible and non-learning animals displayed reduced numbers in stubby spines with simultaneous increases in mature mushroom spines. In addition, we could detect a tendency towards more immature spines in susceptible animals and non-learners, mirroring our in vitro results.
Finally, we present a different investigative approach in this thesis. Sequenced acute stress was previously found to compromise cognition including spine loss.
We aimed to investigate the implication of acute stress on DRR1 levels and its occurrence in diverse cell types of the brain. We subjected one group of C57Bl/6J mice to acute stress and injected another group with the artificial glucocorticoid DEX. Six hours post stress, animals were perfused and brains were subsequently immunobiologically analyzed. We found DRR1 protein levels elevated in the hippocampus of stressed and DEX-treated animals compared to controls. Interestingly, DRR1 seemed was especially elevated in endothelial cells. This coincides with our investigations finding DRR1 present in astrocytic end-feet under basal conditions and might claim a participation of DRR1 in the blood-brain-barrier integrity.
Our results show DRR1 as actin-interacting and glucocorticoid-sensitive gene affecting structural plasticity of hippocampal spines. Moreover, DRR1 directly interacts with AMPA glutamate receptors and presumably is involved in AMPA trafficking to the postsynaptic membrane. In addition, this study could demonstrate that DRR1 is expressed by other cell types of the brain. Of special interest is DRR1’s occurrence in astrocytic end-feet and endothelial cells suggesting a role as integrator of cell-cell communication and to this end also acting as modifier of stress-induced consequences at the neurovascular unit.
In vivo data of chronically stressed mice displayed no phenotypic differences in hippocampal pyramidal neurons of resilient animals as compared to unstressed mice. Morphological alterations of spine structures were particularly visible in stress susceptible and non-learning animals. Integrating our findings with existing behavioral data, we can conclude that DRR1 plays a role in stress resilience whereby it needs to be expressed in a tightly managed homeostatic equilibrium.
Bei den meisten erwachsenen Säugetieren führt ein Herzinfarkt zu Fibrose und Verlust von funktionellem Herzgewebe. Einige Wirbeltiere, wie der Zebrabärbling, besitzen jedoch die bemerkenswerte Fähigkeit, nach einer Schädigung ihres Herzgewebes verlorenes Gewebe zu regenerieren und so schädliche Folgen zu verhindern. Die lokale Immunantwort auf eine Verletzung wird zunehmend als eine wichtige Determinante für das regenerative Potential eines Gewebes gesehen. Das Komplementsystem ist Teil des humoralen Immunsystems. Historisch ist es als eine Sammlung von Protein bekannt, den Komplementkomponenten, die in der Leber synthetisiert werden und im Blutkreislauf zirkulieren. Bei Exposition gegenüber einem Auslöser, wie z. B. einem Pathogen, wird eine Komplementkomponentproteinspaltungskaskade initiiert, die dazu führen kann, dass Immunzellen rekrutiert werden, und, dass die Phagozytose erleichtert, ggf. die Zielzelle lysiert wird. Studien legen nahe, dass das Komplementsystem an zellulären Prozessen beteiligt sei, die für Entwicklungs- und Krankheitsprozesse entscheidend sind, wie etwa Proliferation und Dedifferenzierung. Es gibt Hinweise, dass das Komplementsystem eine Rolle bei Krebserkrankungen und bei regenerativen Prozessen spielen könnte. In verschiedenen Arten wurde eine lokale verletzungsinduzierte Expression von komplementkomponentkodierenden Genen in regenerierendem Gewebe beobachtet.
Einzelne Studien legen nahe, dass Funktionsverlust einzelner Komplementkomponenten regenerative Prozesse beeinträchtigt.
Offene Fragen bleiben jedoch: Ist die lokale Expression von mehreren komplementkomponentkodierenden Genen ein Merkmal von regenerierendem Gewebe, das sie von Geweben unterscheidet, welchem die Fähigkeit zur Regeneration fehlt? Und welche Rolle könnte das Komplementsystem und seine Komponenten während des regenerativen Prozesses spielen? Um diesen Fragen nachzugehen, wurde eine Expressionsanalyse von Zebrabärblingsgewebe nach Verletzung mittels RT-qPCR und in situ Hybridisierung durchgeführt: kardiale Kryoverletzung, Larvenrumpfamputation und Schwanzflossenamputation. Ich beobachtete, dass mehrere komplementkomponentkodierende Gene in diesen Geweben nach Verletzung induziert wurden. Die Interpretation veröffentlichter single cell RNAseq Datensätze legt nahe, dass diese komplementkomponentenkodierenden Gene von verschiedenen Zelltypen exprimiert werden, darunter Immunzellen, Epikardzellen und Fibroblasten. Um transkriptionelle Unterschiede zwischen regenerierendem und nicht regenerierendem Gewebe zu identifizieren, verwendete ich ein nicht regeneratives Zebrabärblingmodell, die il11ra- Mutante. Dieser Mutante fehlt die Fähigkeit, verschiedene Organe zu regenerieren, das ist der Fall beim Herzen, dem larvalen Rumpf, und der Schwanzflosse. Ich stellte fest, dass die Mehrheit der verletzungsinduzierten komplementkomponentkodierenden Gene il11ra nachgeschaltet war. Darüber hinaus zeigten Experimente unter Verwendung chemischer Inhibitoren, dass speziell die Expression der komplementkomponentkodierenden Gene c3a.1,
c4b und c7a im Larvenrumpfamputationsmodell durch den Il11-Stat3-Signalweg moduliert wird.
Zur Klärung der Frage, ob das Komplementsystem und/ oder seine Komponenten eine Rolle während der Regeneration spielen, wurden verschiede Funktionsverlustmodelle generiert und im larvalen Rumpfamputationsmodell auf mögliche Aberrationen getestet. Zum einen generierte ich Überexpressionslinien von endogenen Inhibitoren der Komplementproteinspaltungskaskade. Überexpression eines etablierten Komplementsysteminhibitors rca2.1/ tecrem führte zu einer im Vergleich zu Wildtyp- Geschwistern verringerten Regeneration des larvalen Rumpfs. Zum anderen generierte ich Funktionsverlustmutanten von individuellen Komplementkomponenten durch CRISPR/Cas9 vermittelter Mutagenese, und zwar für masp1, masp2, cfd, c1s, c4b, c5 und c9. Die larvale Rumpfregeneration war in diesen Mutanten unauffällig. Allerdings zeigten c4b Mutanten eine verringerte Kardiomyozytenproliferation und eine differenzielle Expression von einigen Markergenen, einschließlich einer erhöhten Expression von inflammatorischen Zytokinen.
Meine Studien führten zu neuen Einblicken in das Komplementsystem im Kontext der Regeneration. Ich fand heraus, dass mehrere komplementkomponentenkodierenden Gene in regenerierendem Zebrabärblinggewebe exprimiert werden, und zwar im Herzgewebe, im larvalen Rumpf und in der adulten Flosse. Darüber hinaus zeige ich, dass die verletzungsinduzierte Expression von komplementkodierenden Genen in regenerierendem Gewebe dem Regenerationsmasterregulator il11ra nachgeschaltet ist. Speziell c3a.1, c4b und c7a wurden durch il11/ stat3 reguliert...
The functional and molecular role of transglutaminase 2 in hematopoietic stem and progenitor cells
(2023)
Long-term repopulating hematopoietic stem cells (LT-HSCs) that reside in the bone marrow (BM) give rise to all blood cell types including erythrocytes, leukocytes and platelets. LT-HSCs are mainly quiescent during steady state hematopoiesis. LT-HSCs can process self-renewal to expand and maintain stemness, or commit to differentiation into short-term (ST) repopulating HSC and multipotent progenitors (MPPs). MPPs differentiate into oligopotent lineagerestricted progenitors which eventually produce all mature blood cell lineages, and thereby regenerate hematopoietic system.
Previous studies have shown in transcription profiles and quantitative PCR (qPCR) analysis that transglutaminase 2 (Tgm2) is one of the most upregulated genes in quiescent LT-HSCs in comparison to active HSCs, mobilized HSCs, ST-HSCs, MPPs, as well as leukemic stem cells (LSC). However, the reason why Tgm2 is strongly upregulated in dormant mouse LTHSCs and what the role of Tgm2 is in LT-HSCs has not been investigated yet.
Tgm2, encoded by the Tgm2 gene, is a multi-functional protein within the transglutaminase family. It has been found to be widely expressed inside and outside the cells. It consists of four domains and two functionally exclusive forms that are regulated by the Ca2+ and GTP concentration. Besides the most well-known transglutaminase enzymatic activity for transamidation, deamidation and crosslinking, Tgm2 acts also as a GTPase/ATPase, kinase, adhesion/scaffold protein, as well as disulfide isomerase. The role of Tgm2 in hematopoiesis remains elusive. Accordingly, the aim of this dissertation is to investigate the role of Tgm2 in murine hematopoiesis, especially in murine LT-HSCs.
Firstly, the expression of Tgm2 was analyzed in highly purified murine hematopoietic stem and progenitor cell (HSPC) populations. Low input label-free mass spectrometric proteomics and WES protein analysis confirmed the highly specific expression of Tgm2 in LT-HSCs at protein level. Already at the state of MPPs, Tgm2 protein was almost absent with further decline towards oligopotent progenitors. These results indicated Tgm2 as a specific protein marker for LT-HSCs, justifying the future generation of a fluorescent reporter mouse line based on endogenous Tgm2 tagging.
To delineate the functional and molecular role of Tgm2 in LT-HSCs, a conditional Tgm2 knockout mouse model was generated using the Mx1-Cre/loxP system, with the loxP sites flanking the coding exons of the catalytic domain of Tgm2. After PolyIC-mediated induction, a more than 95% knockout efficiency was observed in purified LT-HSCs and the protein expression of Tgm2 was confirmed to be vanished in the purified LT-HSCs from conditional Tgm2-KO mice. Conditional knockout mice are viable and show no aberrant organ functions.
In steady state condition, the distribution of mature blood cell lineages and immunophenotypically-defined HSPC populations within the BM, the mitochondrial potential of HSPCs reflected by the non-invasive cationic dye JC-1, as well as the cell cycle status of HSPCs mirrored by the intracellular Ki67 staining did not show any significant variations upon loss of Tgm2. However, the in vitro continuous observation of prospectivly isolated LT-HSCs by time-lapse microscopy-based cell tracking revealed a delayed entry into cell cycle with a two fold increased apoptosis rate after knocking out Tgm2, indicating Tgm2 expression might be essential for survival of LT-HSCs. Moreover, while the absence of Tgm2 in LT-HSCs did not influence differentiation and lineage choice in vitro, overexpression of Tgm2 in LT-HSCs resulted in an increase of the most immature subpopulation upon cultivation. All these features were not observed in Tgm2-deleted MPPs, suggesting Tgm2 playing a specific function at the level of LT-HSCs. Upon stress hematopoiesis, induced by the administration of 5-fluorouracil (5-FU), there was a trend towards delayed recovery of LT-HSCs lacking Tgm2. Although Tgm2 express specificly in LT-HSCs, two rounds of competitive BM serial transplantation displayed an equal overall engraftment and multi-lineage reconstitution of LT-HSCs from Tgm2-WT and Tgm2-KO mice in peripheral blood (PB), BM and spleens. Interestingly, LT-HSCs from Tgm2-KO mice reconstituted to more myeloid cells and fewer B cells in the first four weeks after primary transplantation, which disappeared at later time points.
Gene expression profiling and simultaneous single cell proteo-genomic profiling indicated that HSPCs and LT-HSCs from Tgm2-KO mice were transcriptionally more active. A heterogeneity of Tgm2 expression within Tgm2-WT LT-HSCs was revealed by single cell data. Commonly up-regulated genes in Tgm2-KO LT-HSCs and MPPs were significantly involved in regulation of transcription from RNA polymerase II promoter in response to stress, positive regulation of cell death as well as negative regulation of mitogen-activated protein kinase (MAPK) signaling pathways. In Tgm2-KO LT-HSCs, 136 up-regulated genes demonstrated an enrichment of genes involved in apoptosis, as well as negative regulation of MAPK signaling pathway.
Taken together, this dissertation shows that Tgm2 protein is highly specifically expressed in LT-HSCs, but not in subsequent progenitor populations. However, Tgm2 is not essential for differentiation and maturation of myeloid lineages, the proliferation and the long-term multilineage reconstitution potential of LT-HSCs after transplantation. Tgm2 might be involved in accurate stress response of LT-HSCs and the transition from LT-HSCs into MPPs, meaning that the absence of Tgm2 results in poor survival, myeloid bias upon transplantation, as well as slower recovery upon chemotherapeutic treatment.
Nanoarzneimittel haben in den letzten Jahren in der Therapie verschiedener Erkrankungen immer mehr an Bedeutung gewonnen. Dadurch hat auch die Anzahl zugelassener Arzneimittel mit an Arzneistoffträgern wie Liposomen gebundenen Wirkstoffen zugenommen. Weil für die Zulassung, neben der Wirksamkeit und Unbedenklichkeit, auch die Qualität der neuen Arzneimittel gewährleistet sein muss, spielen die verschiedenen Eigenschaften der Arzneistoffträger eine wichtige Rolle in der Qualitätskontrolle. Neben der Partikelgröße, der Partikelgrößenverteilung und der Oberflächenladung spielt die (Rest-)Kristallinität des Wirkstoffs und die Wirkstofffreisetzung eine wesentliche Rolle für die erfolgreiche in vivo-Performance von Nanoarzneimitteln. Zur Bestimmung der Wirkstofffreisetzung aus kolloidalen Arzneistoffträgern wie Liposomen, Nanopartikeln oder Mizellen gibt es bis heute keine Standardmethoden. In der Forschung und der pharmazeutischen Industrie werden folglich verschiedene Methoden wie Filtration, Zentrifugation oder Dialyse verwendet, um den freigesetzten Wirkstoff zu bestimmen. Dabei ist die Wahl der Separationsmethode auf die Eigenschaften der Arzneistoffträger abzustimmen.
In der vorliegenden Arbeit wurde eine dialysebasierte Apparatur, der Dispersion Releaser (DR), zur Untersuchung der in vitro Wirkstofffreisetzung aus kolloidalen Trägersystemen eingesetzt. Diese kann direkt mit den Apparaturen I/II der Arzneibücher der Europäischen Union (Ph. Eur.) und der Vereinigten Staaten (USP) gekoppelt werden. Zur Untersuchung der Wirkstofffreisetzung wird die Formulierung in das Donorkompartiment gegeben, sodass der freigesetzte Wirkstoff infolge über die Dialysemembran in das Akzeptorkompartiment permeiert. Dort kann dieser mittels HPLC analysiert werden. Besonders hervorzuheben ist das synchrone Rühren in beiden Kompartimenten des DR, worüber andere dialysebasierte Apparaturen nicht verfügen.
Die Entwicklung und Patentierung eines funktionsfähigen Prototyps des DR erfolgte an der Goethe Universität, Frankfurt am Main und wurde im Rahmen dieser Arbeit gemeinsam mit der Pharma Test Apparatebau AG (Hainburg, Deutschland) zu einer kommerziell erwerbbaren Apparatur (Pharma Test Dispersion Releaser, PTDR) weiterentwickelt. Innerhalb dieser Kollaboration wurde der Prototyp des DR unter Einbezug der Anforderungen der pharmazeutischen Industrie rekonstruiert. Eine erleichterte Anwendung für den Nutzer wurde dabei mitberücksichtigt.
Die finale Apparatur wurde zuletzt einer ausgiebigen Validierung unterzogen, bei der Diclofenac und Hydrocortison als Modellarzneistoffe dienten. Neben Untersuchungen zur Hydrodynamik und dem Einfluss der Umdrehungszahl auf die Membranpermeationsrate kM wurde eine Methode mit Gold-Nanopartikeln zur Bestimmung der Dichtigkeit des Systems entwickelt. Hierbei wurden Messungen mit einer UV/Vis-Methode und mit dynamischer Lichtstreuung durchgeführt, um die Abwesenheit der Goldpartikel im Akzeptorkompartiment nachzuweisen. Der Einfluss von Proteinen im Freisetzungsmedium auf die Membran-permeation wurde ebenfalls untersucht.
Der DR wurde ursprünglich zur Untersuchung von parenteralen Nanoformulierungen entwickelt. Aufgrund der bisher noch nicht erfolgten Untersuchung von halbfesten Zubereitungen im DR, wurde die Apparatur im Rahmen dieser Forschungsarbeit für zwei verschiedene Diclofenac-Gele (Voltaren® Emulgel, Olfen® Gel) unter verschiedenen Bedingungen evaluiert. Dabei konnte unter non-sink-Bedingungen der Einfluss der lipophilen Phase des Voltaren® Emulgels (GlaxoSmithKline Consumer Healthcare GmbH & Co. KG, München, Deutschland) gezeigt werden. Im Vergleich zum fettfreien Olfen® Gel (Mepha Pharma AG, Basel, Schweiz) zeigte Voltaren® Emulgel eine vollständige Freisetzung unter den erschwerten Löslichkeitsbedingungen.
Mit Hydrocortison als Modellsubstanz wurden vier verschiedene Proliposomen zur vaginalen An¬wendung formuliert. Neben der Charakterisierung der Partikelgröße und der Verkapselungs¬effizienz wurden Messungen mit dynamischer Differenzkalorimetrie durch-geführt und Aufnahmen zur morphologischen Charakterisierung mittels Transmissions-elektronen¬mikroskopie der Liposomen erstellt. Die Wirkstofffreisetzung des Hydrocortisons aus dem rekonstituierten liposomalen Gel sowie die Permeabilität über eine Zellmonoschicht wurde vergleichend untersucht. Dabei wurden Zelllinien aus humanem Cervixkarzinom beziehungsweise Endometriumkarzinom eingesetzt. Die Unterschiede der Formulierungen konnten vom DR sensitiver erfasst werden und die Verkapselungseffizienz als relevanter Faktor für die in vivo-Performance festgelegt werden.
Weil die tatsächliche Wirkstofffreisetzung durch die Permeation über die Dialysemembran überlagert werden kann, wurde neben der Standardisierung der Konstruktion die Auswertung mit Hilfe eines neuen mathematischen Modells, das auf dem Fick’schen Diffusionsgesetz basiert, verbessert. Das Normalisieren des Freisetzungsprofils mit Hilfe des mathematischen Modells dient dazu, die tatsächliche Wirkstofffreisetzung zu berechnen und den Vergleich verschiedener Freisetzungen ohne den Einfluss der Membranpermeation zu ermöglichen. Im Zuge der Validierung des DR wurde das mathematische Modell ebenfalls erfolgreich validiert.
In der vorliegenden Forschungsarbeit wurde eine neue Konstruktion des DR für die kommerzielle Anwendung entwickelt und validiert. Nebenbei wurde der Auswerteprozess zur Berechnung der diffusionsbereinigten Wirkstofffreisetzung vereinheitlicht und validiert. Zuletzt wurde das Anwendungsgebiet des DR von parenteralen Nanoformulierungen auf halbfeste Arzneiformen erweitert.
Der erste Teil der vorliegenden Arbeit beinhaltet die funktionelle Analyse von fünf Oberflächenproteinen von B. recurrentis die die Fähigkeit besitzen, die Aktivierung von humanen Komplement zu inhibieren und Borrelien vor Bakteriolyse zu schützen. Im zweiten Teil der Arbeit wurden zwei immunologische Testverfahren mit hoher Sensitivität sowie Spezifität entwickelt und mit zahlreichen Patientenseren evaluiert. Die entwickelten Tests könnten in Zukunft als zuverlässige Instrumente für eine gesicherte Diagnose von LRF eingesetzt werden.
Eine Sequenzanalyse führte zur Identifizierung eines neuen Proteinclusters, welches die fünf untersuchten Komplement-inhibierenden Proteine als „Cluster of Complement-targeting and Host-interacting Proteins“ oder „Chi-Gencluster“, zusammenfasst. Diese Oberflächenproteine wurden als ChiA, ChiB, ChiC, ChiD und ChiE bezeichnet. Weiterführende Sequenzanalysen ergaben, dass das Chi-Gencluster extrem hoch konserviert ist und sowohl in den ersten B. recurrentis-Isolaten aus den 1990er Jahren als auch in B. recurrentis-Stämmen nachgewiesen werden konnte, die 2015 aus Patienten isoliert wurden.
Durch funktionelle Analysen konnte gezeigt werden, dass alle fünf Chi-Proteine in der Lage sind den alternativen und terminalen Komplementweg zu inhibieren. Ebenfalls konnte für die Proteine ChiB, ChiD sowie ChiE nachgewiesen werden, dass die Interaktion mit der Komplementkomponente C5 dosisabhängig verläuft.
Die strukturelle Aufklärung des Proteins ChiB ermöglichte es Aminosäuren zu identifizieren, von denen angenommen wurde, dass sie für die Interaktion mit Komplement eine Rolle spielen könnten. Durch in vitro Mutagenese konnten insgesamt fünf verschiedene Varianten von ChiB generiert werden, die jedoch keine Veränderungen in ihrem Komplement-inhibierenden Potential gegenüber dem unveränderten ChiB-Protein aufwiesen. Weder in der Inhibition des alternativen oder des terminalen Komplementweges, noch in der Interaktion mit den untersuchten Komplementkomponenten C3b, C5 und C9.
Weiter konnte gezeigt werden, dass die lytische Aktivität von Humanserum durch Vorinkubation mit ChiB, ChiC, ChiD und ChiE drastisch reduziert werden konnte, sodass Serum-sensible Borrelienzellen in Gegenwart von Komplement überlebten. „Gain-of-function“ B. garinii-Transformanten, welche mit dem entsprechendem Chi-kodierenden Gen transformiert wurden, bestätigten die mit den gereinigten Proteinen erhobenen Ergebnisse.So konnte nachgewiesen werden, dass ChiB-, ChiC- oder ChiD-produzierende „Gain-of-function“ B. garinii Transformanten, nicht jedoch ChiE- produzierende Zellen, in der Lage waren einen Serum-resistenten Phänotypen auszubilden. Für Transformanten, die zwei-, drei- oder vier Chi-Proteine in verschiedenen Kombinationen gleichzeitig produzierten, konnte allerdings die Fähigkeit in Gegenwart von Humanserum zu überleben nicht bestätigt werden.
Molekulare Analysen mit verschiedenen RF-Borrelienstämmen führten zum Nachweis, dass die fünf Chi-kodierenden Gene bei allen Isolaten vorhanden sind und unter in vitro Bedingungen exprimiert werden. Im Gegensatz zu B. recurrentis PAbJ, ließ sich das HcpA kodierende Gen in B. duttonii LAI nicht nachweisen, jedoch alle dem Chi-Cluster zugehörigen Gene. Bei B. duttoni V fehlte das gesamte Chi-Cluster sowie die für CihC- und HcpA-kodierenden Gene. Durch eine Western Blot-Analyse konnte mit spezifischen Antikörpern bestätigt werden, dass die Proteine CihC, HcpA und ChiB in B. recurrentis A17 unter in vitro Bedingungen produziert wurden.
Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit wurden durch die Analyse der IgM- und IgG-Immunreaktivitäten der LRF-Patientenseren zwei Proteine identifiziert, CihC und GlpQ, die als potenzielle Antigene für die Serodiagnostik des LRF evaluiert wurden. Eine initiale Evaluierung des IgM Lineblot-Immmunoassays zeigte jedoch nur eine geringe Sensitivität für die beiden Antigene, während der IgG Lineblot-Immunoassay eine sehr hohe Sensitivität aufwies. Der ELISA hingegen zeigte bei einer Kombination beider Antigene sehr gute Sensitivitäten und Spezifitäten. Um die starke Hintergrundfärbung bei den Lineblot-Immunoassays, welche eine korrekte Bewertung der Reaktivitäten gegenüber CihC erheblich erschwerten, zu minimieren, wurde ein „Epitop-Mapping“ durchgeführt, um immunogene Regionen innerhalb des CihC-Proteins zu lokalisieren. Eine zweite Evaluierung mit dem immunreaktiven N-terminalen CihC-Fragment CihC-N führte zu einer deutlichen Verbesserung der IgG Lineblot-Immunoassays mit einer Sensitivität von 100 % und einer starken Reduktion der Hintergrundfärbung. Zusätzlich konnte die Sensitivität der IgM-ELISA deutlich verbessert werden. Die Verwendung von CihC-N führte beim IgG-ELISA zur Herabsetzung des Cut-off-Wertes und zu einer besseren Unterscheidung zwischen den positiven LRF-Seren und den verwendeten Kontrollseren. Im Rahmen dieser Arbeit konnten somit zwei serologische in vitro Diagnostika entwickelt werden, die als zuverlässige Point-of-Care-Diagnostik in klinischen Studien eingesetzt werden könnten. Zur Steigerung der Sensitivität des IgM-Lineblot-Immunoassays sollten allerdings weiterführende Untersuchungen mit weiteren immunreaktiven Antigenen, wie z.B. den Vmp-Proteinen von B. recurrentis, angestrebt werden.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde die schnelle Energietransfer- (EET) und Elektronentransfer (ET)-Dynamik unterschiedlichster Quantenpunkte (QD) spektroskopisch untersucht. Die untersuchten Systeme bestanden in den meisten Fällen aus Donor-Akzeptor-Paaren, bei denen die Halbleiternanokristalle als Donor fungierten. Der Fokus lag dabei auf der gezielten Anpassung des Donors, um die optimale Funktionalität zu erreichen. Die Untersuchung der Nanokristalle erstreckte sich daher von einfachen Kernen über verschiedene Kern-Schale-Partikel bis hin zu völlig anderen Strukturen wie Nanoplatelets (NPL). Als Akzeptor wurden eine Vielzahl von Molekülen verwendet, die sich als Elektronen- und/oder Energieakzeptoren für die verschiedenen QDs eignen.
Structure-function relationships in substrate binding protein dependent secondary transporters
(2023)
This work provides new insights into the relevance of SBP dependent secondary transport systems, especially in the thus far under-researched subgroup of TAXI transporters. Importantly, we identified and characterized the TAXI transport system TAXIPm-PQM from Proteus mirabilis. We demonstrated that, in contrast to previously characterized SBP dependent secondary transport systems, TAXIPm-PQM is a proton coupled system and transports the C5-dicarboxylate α- ketoglutarate. Since initially the transport of α-ketoglutarate could only be demonstrated in vivo but not in vitro using established protocols (Mulligan et al. 2009), we investigated in detail the differences between the in vivo and in vitro assay. This resulted in a bioinformatic analysis of TRAP and TAXI signal peptides, which strongly implied that TAXIPm-P requires a transmembrane anchor to allow for transport. We then provided TAXIPm-P surface tethered to the membrane in in vitro transport assays and confirmed the prediction of our bioinformatic analysis that TAXIPm-PQM deploys a membrane-anchored instead of a soluble SBP. Furthermore, the TAXI transport system TAXIMh-PQM from Marinobacter hydrocarbonoclasticus transports fumarate only if both membrane domains Q and M are present. For further characterization, Michaelis-Menten kinetics and affinities were determined for both TAXI transport systems TAXIPm-PQM from Proteus mirabilis and TAXIMh-PQM from Marinobacter hydrocarbonoclasticus. In addition, nanobodies were selected for the membrane domain TAXIPm-QM from Proteus mirabilis to stabilize different conformations which can serve in subsequent structural elucidation studies. Furthermore, the TRAP SBP TRAPHi-SiaP from Haemophilus influenzae was shown to interact not only with its corresponding membrane domain TRAPHi-SiaQM but with at least one additional transporter. It was thereby excluded that TRAPHi- SiaP transfers N-acetylneuraminic acid to the only native E. coli TRAP transporter TRAPEc-YiaMNO and suggested to rather interact with a SBP dependent ABC transport system as this protein family represents the largest SBP dependent protein group in E. coli (Moussatova et al. 2008).
Baleen whales (Mysticeti) are a clade of highly adapted carnivorous marine mammals that can reach extremely large body sizes and feature characteristic keratinaceous baleen plates used for obligate filter feeding. From a conservation perspective, nearly all baleen whale species were hunted extensively over a roughly 100 years lasting time period that depleted many of the respective whale stocks with so far unknown consequences for e.g. their molecular viability. From an evolutionary perspective, the lack of fossil records together with conflicting molecular patterns resulted in a still unclear and debated phylogeny of modern baleen whales, particularly in rorquals (Balaenopteridae). In this dissertation, I will demonstrate the application of baleen whale genomes to tackle these open questions by using modern approaches of conservation and evolutionary genomics.
Conservation genomic aspects of baleen whales were addressed in two projects, both using whole genome data of either an Icelandic fin whale (Balaenoptera physalus) population or multiple blue whale (Balaenoptera musculus) populations to evaluate the impact of the industrial whaling era on their molecular viability. The results suggest a substantial drop in effective population size of both species but also a lack of manifestation in genotypes of the fin whale population when compared to the blue whale populations. Especially the rare and short runs of homozygosity (ROH), usually indicative for inbreeding, suggest frequent outcrossing in fin whales while all analyzed blue whale populations featured long and frequent ROH. In addition to these analyses, genome data of blue whale populations was further used to evaluate if northern hemisphere blue whales diverged into different subspecies. Population genetic and gene flow analyses showed clearly separated and well isolated populations in accordance with their assumed geographical distance. In contrast, the genome-wide divergence between all blue whale populations was low compared to other cetacean populations and to the next closely related sei whale species. Because this includes the morphologically different and well recognized pygmy blue whale subspecies, a proposal was made to equally categorize the two northern-hemisphere blue whale populations as subspecies.
Evolutionary aspects were addressed in a third project, by constructing the genome of the pygmy right whale (Caperea marginata) and testing its potential in phylogenetics and cancer research. Phylogenomic analyses using fragments of a whole-genome alignment featuring nearly all extant baleen whales, allowed the revision of the complex evolutionary relationships of rorquals by quantifying and characterizing the amounts of conflicts in early diverging branches. These relationships were further used to identify phylogenetically independent pairs of baleen whales with a maximum of diverging body size differences to compare rates of positive selection between their genomes. The results suggest nearly evenly distributed frequencies of alternative topologies which supports the representation of the early divergence of rorquals as a hard polytomy with high amounts of introgression and incomplete lineage sorting. Within the set of available genomic data, three independent pairs of baleen whales with diverging body sizes were found and comparisons of positive selection rates resulted in many potentially body size and cancer related genes. The lack of conserved selection patterns, however, suggest a more convergent evolution of size and cancer resistance like previously discussed in paleontology.
In conclusion, the application of whole genome data using methods of conservation genetics allowed for a comprehensive estimation about the molecular viability of blue and fin whales as well as an assessment of the taxonomic status of northern-hemisphere blue whale populations. The rather different results between blue and fin whales underlines the importance of genomic monitoring of baleen whales because different species show rather different molecular consequences of their potentially varying depletions. Furthermore, as showcased for the northern-hemisphere blue whale, many important isolated populations of baleen whales may still be unknown to conservation management and genome-wide comparisons will most likely contribute to overcome this under-classification problem. The application of whole genome data in evolutionary research allowed the characterization of the complex patterns of molecular conflicts within baleen whales and especially rorquals that will contribute to the still rather unclear understanding of their evolution. The here found molecular support for the idea of convergent evolution of gigantism in whales will further guide the search for molecular patterns responsible for Peto’s paradox.
Compaction and spheroid formation modulates stemness and differentiation of human pancreas organoids
(2023)
The incidence of diabetes type 1 (T1D) in children and young adults is increasing worldwide. T1D is well treated by insulin administration. However, there is currently no long-lasting cure for this ailment. The success rate of pancreatic islet transplantation to treat T1D is limited by the availability of patient-matched islets and the necessity of using life-long immunosuppressive medication. The difficulties caused by transplantation can be overcome by generating bio-engineered pancreatic islets from patient-derived progenitor cells. Aim of this thesis is to establish new strategies for the generation and analysis of pancreatic lineages derived from human progenitor cells. It reports on the optimization of a technique to form human pancreatic spheroids from hollow monolayered human pancreas organoids (hPOs) to investigate how cell-cell and cell-matrix interaction can be leveraged to induce endocrine differentiation of the pancreas progenitor cell organoids. We introduce cell aggregation protocols to generate endocrine pancreas cell lineages from ductal pancreatic cells. Next, we study the effect of co-culture with stromal and endothelial cells to promote cell differentiation toward a pancreatic fate enhancing β cells productivity.
This thesis has focused on identifying the differences in gene expression along with phenotypical transformation during differentiation of human pancreatic organoids (hPOs) towards human β cells to be used in the future of cellular therapeutics in treating T1D patients.