Biologische Hochschulschriften (Goethe-Universität)
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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.