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Research on the human and animal microbiome has become increasingly important in recent years. It is now widely accepted the gut microbiome is of crucial importance to health, as it is involved in a large number of physiological processes. The term ‘microbiome’ refers to the all living microorganisms including their genes and metabolites in a defined environment, while the specific composition of microorganisms consisting of bacteria, archaea and protozoa is referred to as the ‘microbiota’ (Lane-Petter, 1962; Lederberg and McCray, 2001).
In recent years, research has focused on various of these communities in the soil (Fierer, 2017), water (Sunagawa et al., 2015), air (Leung et al., 2014) and especially in the human gut. However, this topic is also becoming increasingly relevant for the conservation of endangered species. In the face of global mass extinctions and the listing of over 42,000 animal species as ‘critically endangered’, conservation breeding programmes are more important than ever (Díaz et al., 2019; IUCN, 2022). The responsibility for these tasks lies with zoological institutions, which are dedicated to animal conservation and the continuous monitoring of animal welfare. Microbiome research offers a non-invasive method to support species conservation. By analysing faecal samples, microbial markers can be identified that provide important information about the health status and reproductive cycle of animals (Weingrill et al., 2004; Antwis et al., 2019). Zoological facilities also provide an ideal research environment for comparing individuals from different habitats. In addition, all necessary metadata such as age, sex, kinship or medical treatment are documented and can be used for the analysis.
This is the starting point for this thesis. In order to identify such microbial markers, it is necessary to understand the microbiome of a variety of animal species. The first aim is therefore to characterise the faecal microbiota of 31 mammalian species, focusing on herbivores and carnivores. It could be shown that they differ significantly in terms of both microbial diversity and microbiota composition. Herbivorous species express a very diverse microbial composition, consisting mainly of cellulose-degrading taxa of the families Fibrobacteraceae or Spirochaetaceae. In contrast, the microbiota of carnivorous species is less diverse and is dominated by protein-degrading Fusobacteriaceae and Clostridiaceae. In addition, this thesis proves that the microbiota of herbivorous species is highly consistent, whereas the microbiota of carnivorous species is highly variable. The results of this study provide important insights for the sampling scheme of future projects. Especially when analysing carnivorous species, single samples are not sufficient to capture the full variability of the microbiome.
These results lead to the question of whether this variability can be explained by daily fluctuations in the individual microbiome and whether this can be used to distinguish between species or individuals. Using individual longitudinal data and a combined approach of clustering algorithms and dynamic time warping, it is shown that such a distinction is possible at the species and individual level. This was confirmed for both a carnivorous (Panthera tigris) and a herbivorous (Connochaetes taurinus) species. These results confirm the influence of the host individual on the faecal microbiota, in addition to the often described influence of diet (Ley et al., 2008a; Kartzinel et al., 2019).
Based on the knowledge gained from these studies, a methodology has been developed that will enable the conservation of species in the field to be supported by microbiome research in the future. The focus here lays on the identification of host-specific metadata based on the faecal microbiota. The developed regression model is able to distinguish between carnivorous, herbivorous and omnivorous hosts with up to 99% accuracy. In addition, a more accurate phylogenetic classification of the family (Canidae, Felidae, Ursidae, Herpestidae) can be made for carnivorous hosts. For herbivorous hosts, the model can predict the respective digestive system with up to 100% accuracy, distinguishing between ruminants, hindgut fermenters and a simple digestive system. The acquisition of host-specific metadata from an unknown faecal sample is an important step towards establishing microbiome research in species conservation. Field studies in particular will benefit from such new methods. Usually, costly microsatellite analysis and high-quality host DNA are required to obtain host-specific information from faecal samples. The newly developed method offers a less costly and labour-intensive alternative to conventional techniques and opens up a more accessible field for microbiome research in the field.
Das Ziel der vorliegenden Studie war die vergleichende morphometrische Untersuchung der Molarenmorphologie rezenter Hominoidea. Im Mittelpunkt der Fragestellung stand die dreidimensionale Analyse des hominoiden Facettenmusters, neben dem quantitativen Vergleich der Relieftopographie und der konstruktiven Veränderung der Kauflächen mit zunehmender Abnutzung, im Hinblick auf die funktionellen Möglichkeiten zur effektiven Nahrungsaufschließung.
Die qualitative Analyse umfasst, neben der dentalmorphologischen Beschreibung, die digitale Fotodokumentation und die Klassifizierung der verschieden weit abgenutzten Molaren in vergleichende Abkauungsgrade.
Die quantitative Auswertung der virtuellen Zahnmodelle schließt die Vermessung der größten Länge, Breite und Höhe, die Berechnung des prozentualen Dentin- und Facettenflächenanteils, des Relief-Index sowie die Neigung und Orientierung der antagonistischen Facetten des Oberund Unterkiefers mit ein. Die Berechnung der korrespondierenden Facettenwinkel in einem einheitlichen Koordinatensystem erlaubt die Kalibrierung der okkludierenden Flächenareale und die Berechnung dreidimensionaler Richtungsvektoren, die die buccale und linguale Mandibelbewegung widerspiegeln. Je nach der Art der Verzahnung der in Okklusion tretenden Höckerflanken lassen sich aus dem räumlichen Zusammenspiel der Funktionselemente quetschende und scherende Komponenten differenzieren.
Die Ergebnisse, die am Rezentmaterial (244 Einzelzähne) gewonnen wurden, sind auf 16 ausgewählte Einzelzähne aus Sangiran und Punung (Java, Indonesien) der Sammlung VON KOENIGSWALD der Abteilung Paläoanthropologie und Quartärpaläontologie des Forschungsinstituts Senckenberg, übertragen worden.
Entsprechend der zu Anfang aufgeworfenen Fragestellung konnte ein für jede Gattung charakteristisches Reliefmuster der Okklusalfläche und dessen Veränderung im Laufe der Abkauung etabliert werden. Infolge des Abschleifens der konvexen Höckerspitzen kommt es zu einer unterschiedlich schnellen und intensiven Reliefverflachung. Die Reliefunterschiede zwischen den Gattungen bleiben im Laufe der Abnutzung erhalten. Gorilla besitzt das am stärksten ausgeprägte okklusale Relief und zeigt die intensivste Abnutzung der Kauflächen und grenzt sich von Pan und Hylobates und insbesondere von Pongo deutlich ab. Pongo besitzt das flachste okklusale Relief und zeigt eine geringere Abnutzung der Kauflächen.
Auf der Grundlage der rekonstruierten Facettenwinkel lässt sich das homologe Facettengrundmuster der Hominoidea weiter differenzieren. Alle Gattungen stimmen in der Position der Facettenareale weitgehend überein. Dieses homologe Facettenmuster resultiert aus der relativ zyklischen Kaubewegung. Die Relieftopographie und Profilierung der Kaufläche sind für die individuelle Bewegungsführung entscheident. Es konnte gezeigt werden, dass aus der unterschiedlichen Steilheit der Zahn-zu-Zahn-Kontakte, unter Berücksichtigung der auf der dreidimensionalen Orientierung der Facetten basierenden Bewegungsbahnen, verschiedene Funktionalitäten resultieren. Durch die Unterschiede in der räumlichen Facettenausdehnung prägt sich ein gattungsspezifisches Grundmusters aus, welches direkt mit der Funktion korreliert und die hohe Effizienz bei der unterschiedlichen Nahrungsaufbereitung bewirkt. Jene quantitativ erfassten Flächen und Bewegungen können funktionell interpretiert werden und stellen eine eindeutige Verbindung zu den in der Literatur aufgeführten Ernährungsweisen der Hominoidea her. Die Kauflächen der vier rezenten Gattungen können unter unterschiedlichen Nutzungsbedingungen im Hinblick auf eine spezifische Ernährungsweise verstanden werden.
Es wurde gezeigt, dass die dreidimensionale Ausrichtung homologer Facetten zu unterschiedlicher Funktionalität führen kann und demzufolge über die zweidimensionale Analyse hinausgeht.
Gorilla nutzt die Vielzahl steiler und kleiner Kontaktflächen zum Zerschneiden der überwiegenden faserigen Nahrungsbestandteile durch hohe Scherkräfte. Aufgrund der stark profilierten Kaufläche folgt die Bewegungsführung restriktiv dem Furchungsverlauf.
Pongo besitzt infolge der Konstruktion der Kaufläche große Kontaktareale, die in flachem Winkel aufeinandertreffen und so ein effizientes Quetschen oder Zermahlen der überwiegenden Früchtenahrung erlauben. Das flache Kauflächenprofil ermöglicht einen größeren Spielraum in der Bewegungsführung.
Pan und Hylobates besitzen ein Repertoire aus schneidenden und quetschenden Funktionselementen und somit einen geringeren Spezialisierungsgrad.
Die Beurteilung der Konstruktion und Funktion der pleistozänen Einzelmolaren im Vergleich mit den erarbeiteten Rezentmodellen ergibt eine Ähnlichkeit mit dem modernen Pongo. Die flache Relieftopographie, die geringe Steilheit der Winkel und die zusätzlichen Schmelzrunzelungen lassen auf ein Quetschen der Nahrung schließen. Eine phylogenetische Aussage zur Differenzierung zwischen Homo oder Pongo konnte aufgrund der kleinen und als exemplarisch anzusehenden Zahl fossilen Materials nicht eindeutig erfolgen.
Rafts: Rafts sind spezialisierte Domänen biologischer Membranen, die sich durch ihre spezifische Lipid- und Proteinzusammensetzung auszeichnen (zur Übersicht siehe Simons und Toomre, 2000). Die am besten beschriebenen Rafts sind die Caveolae, doch es gibt noch weitere weniger gut charakterisierte Rafttypen. Rafts werden verschiedene zelluläre Funktionen zugeschrieben wie z.B. gerichteter Transport von Membranproteinen, Endozytose und Signaltransduktion. Diese Funktionen erfüllen sie vornehmlich, indem sie verschiedene Proteine und Lipide bedingt durch ihre biophysikalischen Eigenschaften selektiv aufnehmen oder ausschließen. Viele Raftproteine sind über gesättigte Acylketten, wie Myristat oder Palmitat, oder einen GPIAnker mit der Membran assoziiert. Transmembranproteine, wie z.B. der EGFRezeptor, können jedoch auch in Rafts angereichert sein. Besonders an der Plasmamembran dienen Rafts als Signaltransduktionszentren, indem sie beteiligte Rezeptoren und Signalmoleküle konzentrieren.
Reggie-Proteine: Bei der Suche nach Proteinen, die bei der Regeneration von verletzten Sehnerven von Fischen hochreguliert werden, wurden Reggie-1 und Reggie-2 entdeckt (Schulte et al., 1997). Gleichzeitig wurden diese Proteine bei der Suche nach neuen Raftproteinen gefunden und als Flotillin-1 (=Reggie-2) und Flotillin-2 (=Reggie-1) bezeichnet (Bickel et al., 1997). Reggie-1 und -2 haben ein Molekulargewicht von 47 kDa und sind auf Aminosäuren-Basis zu 44% identisch. Homologe zu Reggie-1 wurden bislang in Mensch, Maus, Ratte und Fisch, wie auch in D. melanogaster gefunden. Die evolutionäre Konservierung der Reggies ist, mit beispielsweise 80% zwischen Ratte und Goldfisch, sehr hoch und weist auf eine wichtige Funktion hin, die Sequenzkonservierung verlangt. Reggie-1 wird ubiquitär exprimiert, wogegen Reggie-2 ein weniger verbreitetes Expressionsmuster aufweist. Reggie-1 ist vornehmlich an der Plasmamembran und an Endosomen lokalisiert. Die subzelluläre Lokalisation von Reggie-2 hängt vom Zelltyp ab...
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden zum ersten Mal die Ökologie, Morphologie und Systematik von Pilzen untersucht, die assoziiert mit Haut- und Nagelläsionen von ambulanten Patienten sowie von Patienten dermatologischer Praxen in der Provinz Chiriquí im Westen Panamas nachgewiesen wurden. Die Pilze werden klassifiziert nach dem klinischen D-H-SSystem von Rieth und entsprechend ihrer Position im phylogenetischen System der Pilze. Die Morphologie der verschiedenen Arten wird dokumentiert auf der Grundlage von Kulturen und lichtmikroskopischer Untersuchungen durch Beschreibungen sowie Zeichnungen und Fotographien charakteristischer Strukturen. Die Pathogenität der einzelnen Pilzstämme wurde nicht nachgewiesen, sondern auf der Grundlage von Angaben aus der Literatur diskutiert. Außerdem lieferte die Literatur Daten zum Vorkommen der Pilze an Pflanzen und anderen Substraten in der Natur.
In Panama wurden zahlreiche klinische Proben untersucht, von denen ca. 100 Pilzstämme nach Deutschland geschickt wurden. Dort konnten 80 Stämme weiter kultiviert und detailliert untersucht werden. Mehr als 22 verschiedene Arten wurden beobachtet, die 17 verschiedenen Gattungen angehören. Sie entsprechen drei verschiedenen Arten von Dermatophyten, mindestens drei Arten von Hefen und 16 verschiedenen Schimmel- oder sonstigen Pilzarten.
Mit Ausnahme von Hormographiella verticillata wurden ausschließlich imperfekte Stadien beobachtet, und zwar überwiegend von verschiedenen Vertretern der Ascomycota: Dothideales: Scytalidium dimidiatum (6 Stämme), Eurotiales: Aspergillus spp. (4), Paecilomyces lilacinus (2), Penicillium sp. (2), Hypocreales: Fusarium lichenicola (3), F. solani (4), F. subglutinans (1), Microascales: Scopulariopsis brevicaulis (2), Onygenales: Trichophyton mentagrophytes (2), T. rubrum (9), T. tonsurans (7), Ophiostomatales: Sporothrix schenckii (1), Pleosporales: Curvularia geniculata (1), Polystigmatales: Colletotrichum gloeosporioides (1), Sordariales: Nigrospora sphaerica (1), Saccharomycetales: Candida spp. (12), Geotrichum candidum (8), incerte sedis: Pestalotiopsis cf. tecomicola (1), Tritirachium oryzae (1). Vertreter der Basidiomycota sind: Agaricales: Hormographiella verticillata bzw. Coprinellus domesticus (3), Polyporales: Unbekannter Basidiomycet (1), Trichosporonales: Trichosporon cutaneum (6).
Im Rahmen dieser Studie waren Schimmelpilze die am häufigsten bei Haut- und Nagelläsionen angetroffenen Pilze. Unter diesen waren Fusarium-Arten und Scytalidium dimidiatum besonders häufig vertreten. Candida-Arten wurden ebenfalls oft isoliert. Die wichtigste Art unter den Dermatophyten war Trichophyton rubrum. Die prozentualen Anteile der verschiedenen Gruppen entsprechen gut den von anderen Autoren aus anderen Regionen publizierten Ergebnissen. Dies erklärt sich aufgrund der ökologischen Tatsache, dass die Sporen der Schimmelpilze fast überall in der Natur vorhanden sind und diese Pilze viele verschiedene Substrate nutzen können. Candida-Arten gehören zur normalen Flora des Menschen, können aber bei immunodefizienten Patienten, Diabetikern u.a. schwere Haut- und Schleimhautinfektionen, sowie Organerkrankungen verursachen. Dermatophyten sind als Krankheitserreger oberflächlicher Hautmykosen bekannt.
Zum ersten Mal wird das Vorkommen von Hormographiella verticillata in Amerika nachgewiesen. Dieses imperfekte Stadium eines Basidiomyceten hat in Kultur Fruchtkörper gebildet, die als Coprinellus domesticus bestimmt wurden. Damit wurde zum ersten Mal die Anamorph-Teleomorph-Verbindung zwischen diesen beiden Arten festgestellt, die durch eine molekular-phylogenetische Analyse von LSU rDNA (große Untereinheit der ribosomalen DNA) unterstützt wird. Für diese Analyse wurden andere Stämme und Genbank-Daten zum Vergleich herangezogen.
In den Kulturen von H. verticillata entstehen vor der Entwicklung der Fruchtkörper asexuelle sterile Hyphen, die als Ozonium-Stadium bezeichnet werden können. Zum Vergleich wurden Herbarbelege von verschiedenen Arten dieser Gattung bearbeitet. Die Arten sind morphologisch nicht unterscheidbar, weshalb vorgeschlagen wird, nur den Gattungsnamen zur Bezeichnung des entsprechenden Entwicklungsstadiums zu benutzen.
Es war nicht möglich, aufgrund morphologischer Merkmale den Stamm des Unbekannten Basidiomyceten zu bestimmen. Erst eine molekular-phylogenetischer Analyse von LSU rDNA mit Vergleichssequenzen aus der Genbank zeigte, dass der Pilz nahe verwandt ist mit Vertretern der Polyporales.
Die bisher bekannten Cranialfragmente umfassen chronologisch den Zeithorizont der Eisenzeit (Hallstatt- und Latènezeit), die im nördlichen Mittelrheingebiet als stark regional geprägte Hunsrück – Eifel – Kultur bezeichnet wird. Absolutchronologisch datieren die perforierten Fragmente in die Zeit vom 8./ 7. Jh. v. Chr. bis in das 1 Jh. v. Chr.
Mit den Cranialfragmenten im Untersuchungsgebiet lässt sich ein eisenzeitlicher Schädelkult fassen, der bisher, durch die besondere Fundüberlieferung, nur auf die Region des nördlichen Mittelrheingebietes beschränkt scheint. Eine Häufung der Funde um das keltische Hengeheiligtum „Goloring“ im Landkreis Mayen – Koblenz als Zentrum der östlichen Hunsrück – Eifel – Kultur ist dabei klar erkennbar.
Sämtliche bisher bekannten Stücke stammen aus Siedlungsgruben eisenzeitlicher Gehöfte. Nach dem archäologischen Befund wurden die Stücke nach ihrer Verwendung im Sohlenbereich der Gruben deponiert.
Die bei den archäologischen Untersuchungen entdeckten Fragmente bestehen aus Einzelsegmenten oder größeren Teilen des menschlichen Schädels. Nach dem Befund wurden ausschließlich nur alte, schon skelettierte Schädel verwendet, die bereits längere Zeit im Sediment lagen und möglicherweise regulären Bestattungen entnommen wurden.
Sämtliche Stücke weisen als besondere Eigenart dieser Fundgruppe eine Lochung zur Aufhängung und Befestigung auf. Nach dem Befund konnte eine Aufhängung mit Riemen sowie eine Befestigung mit Eisendorn festgestellt werden. Weiterhin sind die Stücke sekundär modifiziert und manipuliert und lassen Schliff- und Schnittspuren, sowie Polituren erkennen. Die Schnittspuren wie auch die Lochungen wurden wahrscheinlich mit Steinwerkzeugen eingebracht. Die Schliffspuren finden sich besonders an den Rändern und Bruchkanten und lassen eine eindeutige sekundäre, postmortale Behandlung erkennen. Oft zeigen die Ränder zudem Schlagspuren einer groben Zurichtung.
Typologisch lässt sich eine Entwicklung fassen, die in der späten Urnenfelderzeit (Ha B) mit echten Trepanationsscheiben ihren Anfang hat. In der frühen Eisenzeit (Laufelder Gruppe im Mittelrheingebiet; Ha C) entstehen in Anlehnung an die Trepanationsscheiben gelochte und modifizierte Knochenscheiben bzw. Rondelle, die schon aus bereits skelettierten Schädeln entnommen wurden. In der älteren Hunsrück – Eifel – Kultur (Hallstattzeit; Ha D) wurden in der Regel größere Schädelteile und Segmente des Craniums perforiert und modifiziert. Während der darauf folgenden jüngeren Hunsrück – Eifel – Kultur (Latènezeit; Lt A/B) finden Schädelcalotten, halbe Schädel sowie größere Teile mit Os frontale oder Occipitale Verwendung. Aus der Mittellatènezeit (Lt C) liegt ein vollständiges Viscerocranium mit Lochung vor. In der späten Eisenzeit (Spätlatènezeit; Lt D) werden dann vollständige Schädel gelocht und modifiziert. Anhand der Typologie ist eine Entwicklung von medizinischen Schaustücken (Trepanationsscheiben) mit Amulettcharakter zu einem ausgeprägten Ahnen – bzw. Reliquienkult zu beobachten. Mit der frühen Hallstattzeit (Laufelder Gruppe; Ha C) wird ausschließlich schon skelettiertes Knochenmaterial verwendet.
Die anthropologische Untersuchung der auswertbaren Cranialfragmente ergab nach den Merkmalen am Schädel tendenziell mehr männliche Individuen. Das biologische Lebensalter lag nach den auswertbaren Charakteristika hauptsächlich in den Altersstufen adult bis matur und in Einzelfällen darüber. Es handelt sich um eine Altersgruppe, die in den regulären Nekropolen deutlich unterrepräsentiert ist, aber bei den Cranialfragmenten in den Siedlungen die Masse der Funde darstellt. Juvenile Individuen fehlen im Fundbestand bisher vollständig. Nach anthropologischen Kriterien handelt es sich bei fast allen Stücken um Langschädel mit dolichokranen Merkmalen.
Nach den Ergebnissen lässt sich der prähistorische Schädelkult an Mittelrhein und Mosel als ein ausgeprägter Ahnenkult charakterisieren. Die perforierten Cranialfragmente machen im Gegensatz zu anderen Regionen eine eigene Entwicklung bis zur Zeitenwende durch. Vereinzelte Parallelen zu den Funden im Mittelrheingebiet sind aus dem gesamten Verbreitungsgebiet der eisenzeitlich – keltischen Latènekultur bekannt. Zudem geben die antiken Autoren ebenfalls Hinweise auf eine solche Kultausprägung. Die Behandlung der Schädel in der Eisenzeit lässt auch rezente, ethnographische Parallelen zu den Inselkulturen Ozeaniens und Südostasiens erkennen.
Diadenosinpolyphosphate (ApnAs), wirken in einer Vielzahl unterschiedlicher Gewebe als extrazelluläre Signalmoleküle. Ihre asymmetrische Hydrolyse durch Enzyme auf der Zelloberfläche oder durch lösliche Enzyme im extrazellulären Milieu wurde in der Literatur bereits mehrfach beschrieben. Die molekulare Identität dieser Enzyme war jedoch nicht bekannt.
In der vorliegenden Arbeit wurden die Fähigkeit von NPP1, NPP2 und NPP3, den drei Mitgliedern der E-NPP-Familie, Diadenosinpolyphosphate zu hydrolysieren, untersucht. Dazu wurden humanes NPP1 und NPP3 aus der Ratte heterolog in CHO-Zellen exprimiert und die enzymatische Aktivität wurde anhand von Membranfraktionen analysiert. Für die Charakterisierung der katalytischen Eigenschaften von NPP2 wurde eine lösliche sekretierte Form des humanen NPP2 aus partiell aufgereinigtem Vaccinia-Viruslysat eingesetzt. Es konnte gezeigt werden, dass die heterolog exprimierten Enzyme NPP1, NPP2 und NPP3 die untersuchten Diadenosinpolyphosphate Diadenosin-5´,5´´´-P1,P3-triphosphat (Ap3A), Diadenosin-5´,5´´´-P1,P4-tetraphosphat (Ap4A) und Diadenosin-5´,5´´´-P1,P5-pentaphosphat (Ap5A), sowie das Diguanosinpolyphosphat Diguanosin-5´,5´´´-P1,P4-tetraphosphat (Gp4G) hydrolysieren.. Ein Vergleich der Hydrolyseraten zeigte, dass NPP1-2 Ap3A, Ap4A, Ap5A und Gp4G mit vergleichbarer Rate hydrolysieren. NPP3 zeigte ebenfalls keine Präferenz für eines der untersuchten Diadenosinpolyphosphate, hydrolysierte aber Gp4G im Vergleich zu Ap4A deutlich langsamer. Die Hydrolyse der Dinukleotide erfolgte asymmetrisch durch Spaltung der α,β-Pyrophosphatbindung. Als primäre Hydrolyseprodukte entstanden Nukleosid-5´-Monophosphat und der verbleibende Mononukleotidrest Npn-1. Für Ap3A als Substrat wurde für NPP1-3 ein alkalisches pH-Optimum mit maximaler Aktivität bei pH 8.5-9 (NPP1 und NPP3), bzw. pH 10 (NPP2) nachgewiesen. Die enzymatische Aktivität von NPP1-3 wurde durch EDTA inhibiert und die Km-Werte für Ap3A lagen mit 5,1 ± 3,6 µM (NPP1), 8,0 ± 0,5 µM (NPP2) und 49,5 ± 17,7 µM (NPP3) im niedrigen mikromolaren Bereich. Untersuchungen zur Hemmbarkeit der NPP-vermittelten Diadenosinpolyphosphathydrolyse (Ap4A) zeigten, dass die Enzyme NPP1, NPP2 und NPP3 nach Koapplikation verschiedener P2-Rezeptorantagonisten in unterschiedlichem Ausmaß inhibiert wurden. Cibacron Blue inhibierte kräftig alle drei Enzyme, während PPADS einen stärkeren inhibitorischen Einfluss auf die katalytsiche Aktivität von NPP1 und NPP3 als auf die katalytische Aktivität von NPP2 zeigte. Suramin inhibierte dagegen nur die NPP1 und NPP2 katalysierte Ap4AHydrolyse und hatte keinen Einfluss auf NPP3. Eine Inhibierung von NPP1-3 durch NaF wurde nicht beobachtet. Eine geringe inhibitorische Wirkung auf NPP1 wurde durch die extrazellulären Matrix-Komponenten Heparin und Heparansulfat, durch ATP und die Nukleotidanaloga, AMP-CP, AMP-CPP und ATP-γ-S beobachtet. NPP2 und NPP3 wurden durch AMP-CP nicht inhibiert. Den schwächsten inhibitorischen Einfluss zeigte ATP auf die durch NPP3-vermittelte Ap4AHydrolyse.
Die hier für NPP1-3 ermittelten katalytischen Eigenschaften zeigten Übereinstimmgen aber auch Unterschiede gegenüber früheren Daten, die für die Hydrolyse von Diadenosinpolyphosphaten auf der Oberfläche von Zellen ermittelt wurden. Insgesamt sprechen die Ergebnisse dafür, dass NPP1-3 die Hauptvertreter der Diadenosinpolyphosphat-hydrolysierenden Enzyme in Säugergewebe darstellen. Möglicherweise gibt es aber auch ApnA-hydrolysierende Enzyme, die nicht zu den bisher charakterisierten Mitgliedern der E-NPP-Familie zugehören.
In einem zweiten Teil der Arbeit wurde die Expression von NPP1-3 im Gehirn der Ratte mittels Western-Blot-Analyse (Entwicklungsstadien P1, P21 und adult) untersucht. Aufgrund der geringen Spezifität der gegen NPP1 und NPP2 zur Verfügung stehenden Antikörper, konnten jedoch keine eindeutigen Aussagen zur Expression von NPP1 und NPP2 im Gehirn getroffen werden. NPP3 konnte im Rattengehirn nachgewiesen werden. Die Expression war entwicklungsabhängig und nahm mit zunehmendem Alter der Tiere deutlich ab. Die Entwicklung spezifischer Antikörper erscheint ein lohnender Ansatz, um die zelluläre Verteilung von NPP1-3 im Nervengewebe zu bestimmen.
Fungi belonging to the Rhytismatales (Ascomycota) are parasites or endophytes of plants, some are saprophytes. Their fruiting bodies are localized in different organs of the host plants belonging to many different families of gymnosperms and angiosperms. Many species of Rhytismatales are known on species of Pinaceae, Ericaceae, and Poaceae. These fungi usually have ascomata that are more or less embedded in host tissue and open by longitudinal or radial splits. They have a more or less carbonized covering stroma, thin-walled, iodine negative asci, and ascospores usually covered by gelatinous sheaths.
In the present study, two lists of species of Rhytismatales in China are presented. One is based on literature and includes 103 species in 15 genera. The second one contains the names of the species in the present study, 57 species in 20 genera based on 90 specimens I collected in the Yunnan and Anhui province in China during July to August in 2001. 31 species in the second list are new species or new records for China, so we presently know 134 species in 22 genera of Rhytismatales for China. 28 new species of Rhytismatales are proposed, 21 species from the Yunnan province and seven from the Anhui province. Among them, three new species are proposed in three new genera, Nematococcomyces, New Genus 1, and New Genus 2, respectively. The 28 new species are Cerion sp., Coccomyces spp. 1-2, Colpoma spp. 1-2, Hypoderma spp. 1-6, Lirula sp., Lophodermella sp., Lophodermium spp. 1-5, Nematococcomyces rhododendri C.-L. Hou, M. Piepenbr. & Oberw., Neococcomyces sp., New Genus 1 sp., New Genus 2 sp., Rhytisma spp. 1-2, Soleella sp., Terriera spp. 1-2, and Therrya sp. The genus Davisomycella is proposed as a synonym of Lophodermella based on observations of the morphology, ecology, and the infected organ. The four genera Cerion, Naemacyclus, Terriera, and Therrya, and three species, Hypoderma rubi, Lophodermium uncinatum, and Naemacyclus pinastri, are reported for the first time for China. All the new taxa, the newly recorded ones, as well as six species which had not been illustrated in detail before, are carefully described and illustrated by line drawings in the present study.
The results show that species of Rhytismatales are highly diverse especially in the natural vegetation in high mountainous areas in China. Most species of Rhytismatales are conspicuously host specific. The diversity of Rhytismatales is closely related to that of the preferred hosts, which are members of Pinaceae, Ericaceae, and Cupressaceae. Based on the detailed morphological observations, the significance of different morphological characteristics for a natural classification of Rhytismatales is discussed. Genera are traditionally defined by character states of a few characteristics, namely the opening patterns of ascomata, the depth of ascomata in the host tissue, and asci and ascospore shape. Data from collections in the field, detailed morphological investigation, and molecular data show, however, that the ecology, the infected organ, the host relationship, and many other characteristics have to be combined to circumscribe natural groups.
The discussion of the systematic significance of morphological characteristics is complemented by molecular data. In the present study, partial nuclear large subunit rDNA sequences of 52 specimens representing 38 species are used to analyse phylogenetic relationships for members of Rhytismatales.
Most species of Rhytismatales are placed in a monophyletic group corresponding to the Rhytismatales in the Maximum Parsimony analysis. The delimitation of the Rhytismatales from the Helotiales is, however, difficult. Cyclaneusma minus should be transferred from the Rhytismatales to the Helotiales, and Cudonia circinans and Spathularia flavida from the Helotiales to the Rhytismatales. These tranfers have previously been proposed based on SSU rDNA analysis by other authors. New Genus 1 sp. has morphological characteristics typical for species of Rhytismatales. In the LSU rDNA analysis, however, it is more closely related to Helotiales rather than toRhytismatales. Therefore New Genus 1 sp. is placed in the Helotiales.
Tryblidiopsis pinastri is morphologically intermediate between members of Rhytismataceae and Cudoniaceae. LSU rDNA sequences in the present study show that T. pinastri is more closely related to species of Cudoniaceae. Therefore, this species is removed from the Rhytismataceae to the Cudoniaceae. The delimitation of further families could not be resolved in the present analysis.
Though many new morphological, ecological, and molecular phylogenetic findings are contributed for the first time, the systematic conclusions at generic, family, and order level can only be fragmentary in the present study. With more collections and more molecular data of the worldwide 450 known and many more unknown species of Rhytismatales at hand, a natural system combining morphological and molecular analysis can be elaborated.
Einleitung
APP und die Alzheimersche Krankheit
Das Alzheimer Amyloid Precursor Protein (APP) ist ein Typ-1 Transmembranprotein mit einem Molekulargewicht von 110-135 kDa [Selkoe et al. 1988, Weidemann et al. 1989]. Es wird in allen bisher untersuchten Geweben exprimiert und weist in mehrzelligen Organismen einen hohen Konservierungsgrad auf [Robakis et al. 1987, Rosen et al. 1989]. APP ist unter anderem Vorläufer des β-A4-Peptides (Aβ), das in extrazellulären Aggregaten (Plaques) im Zentralen Nervensystem von Alzheimer-Patienten akkumuliert [Masters et al. 1985]. Die sogenannte „Amyloid-Hypothese der Alzheimerschen Erkrankung“ besagt, dass das Aβ-Peptid eine pathologische Kaskade initiiert, die zur Bildung von amyloiden Plaques, neuronaler Funktionsstörung und letztendlich Demenz führt [Hardy 1997, Selkoe 1999].
Prozessierung des APP
Der Hauptanteil des zellulären APP wird über den (nicht pathogenen) α-Sekretase-Weg prozessiert, wobei das sekretorische APP (α-sAPP) freigesetzt wird, das beinahe der gesamten N-terminalen Ektodomäne des APP entspricht. Die α-Sekretase spaltet APP innerhalb der Aβ-Domäne und verhindert somit die Bildung des pathogenen Aβ-Peptides. Kandidaten für die Katalyse dieser Spaltung sind Proteasen der ADAM-Familie [Buxbaum et al. 1998, Hooper et al. 1997, Koike et al. 1999, Lammich et al. 1999, Loechel et al. 1998].
Das Aβ-Peptid entsteht bei der sukzessiven proteolytischen Spaltung des APP durch die sogenannten β- und γ-Sekretasen. Bei der β-Sekretase handelt es sich um die Aspartat-Protease BACE (β-site APP cleaving enzyme) [Hussain et al. 1999, Sinha et al. 1999, Vassar et al. 1999, Yan et al. 1999]. Die Identität der γ-Sekretase ist noch nicht endgültig geklärt, jedoch spielen Presenilin-1 und -2 sowie Nicastrin eine Rolle bei der γ-Spaltung des APP [de Strooper et al. 1998, 1999, Struhl et al. 2000, Wolfe et al. 1999].
Unter physiologischen Bedingungen wird ca. 30% des APP durch α-Sekretasen prozessiert, ein viel geringerer Anteil dagegen durch die β-Sekretasen. Mehr als die Hälfte des zellulären APP bleibt ungespalten [Koo 2002].
Biologische Funktionen des APP
Die Funktionen des APP lassen sich unterscheiden nach Funktionen der kurzen zytoplasmatischen Domäne und der ca. 100 kDa großen Ektodomäne (α-sAPP). Die zytoplasmatische Domäne des APP stellt eine Plattform für die Bindung verschiedener Interaktionspartner dar. In Kooperation mit den Bindungspartnern spielt APP eine Rolle in unterschiedlichsten zellulären Prozessen wie vesikulärem Transport, Zellmotilität oder Genaktivierung [Review siehe Annaert und de Strooper 2002]. Die meisten Interaktionspartner der zytoplasmatischen Domäne des APP binden an die YENPTY-Sequenz nahe des C-Terminus des APP, die auch als Signal für die Endozytose des APP dient [Perez et al. 1999].
Die sekretorische Ektodomäne des APP hat eine wachstumsfördernde und neuroprotektive Wirkung. Um diese Wirkung auszuüben, bindet α-sAPP an einen bisher unbekannten Rezeptor, der auf der Zelloberfläche diverser Zelltypen wie Neuronen, Fibroblasten, Thyreozyten und Keratinozyten exprimiert wird [Review siehe Schmitz et al. 2002].
Polarer Transport des APP
In polaren MDCK Zellen wird das APP-Holoprotein fast ausschließlich zur basolateralen Zelloberfläche transportiert [Haass et al. 1994]. Es wurde gezeigt, dass dieser polare Transport des APP durch Tyrosin 653 in der zytoplasmatischen Domäne des APP beeinflusst wird. Mutation dieses Tyrosins zu Alanin führte zu partieller Fehlsortierung von ca. 50% des APP zur apikalen Plasmamembran. Die Sekretion von α-sAPP dagegen fand in MDCK-Zellen unabhängig von Tyrosin 653 basolateral statt [Haass et al. 1995].
Intrazellulärer Proteintransport durch Adaptor-Protein-Komplexe
Am intrazellulären Proteintransport sind Adaptor-Protein-Komplexe (APs) beteiligt, die bestimmte Sortierungssignale in der zytoplasmatischen Domäne von Frachtproteinen erkennen. Bis heute sind vier dieser tetrameren AP-Komplexe (AP-1 bis AP-4) bekannt, die zum Teil verschiedene Isoformen einzelner Untereinheiten aufweisen, z.B. AP-1A und AP-1B [Review: Boehm und Bonifacino 2001]. Jeder AP-Komplex spielt eine Rolle in einem bestimmten Schritt des intrazellulären Proteintransportes. Für AP-1A wird eine Funktion im anterograden und retrograden Transport zwischen Endosomen und TGN beschrieben [Review: Hinners und Tooze 2003]. AP-2 vermittelt Endozytose verschiedener Transmembranproteine von der Plasmamembran [Review: Kirchhausen 2002]. AP-3 spielt eine Rolle im Proteintransport zu Lysosomen und Lysosom-ähnlichen Organellen wie Melanosomen [Robinson und Bonifacino 2001]. AP-4 sowie AP1-B sortieren Proteine zur basolateralen Plasmamembran polarer Epithelzellen [Fölsch et al. 1999, Simmen etal. 2002].
Die Sortierungsmotive, die von Adaptor-Komplexen in der zytoplasmatischen Domäne der Fracht-Proteine gebunden werden, enthalten in den meisten Fällen entweder ein Tyrosin oder zwei Leucine. Das gesamte Motiv besteht aus jeweils vier bis zehn Aminosäuren [Review siehe Bonifacino und Traub 2003].
Ziele der Arbeit
In der vorliegenden Arbeit wurde der polare Transport des APP in Epithelzellen untersucht. Ein Ziel war es, Faktoren zu finden, die den basolateralen Transport des APP in Abhängigkeit von Tyrosin 653 vermitteln. Des weiteren sollte der Transport von APP und sAPP in verschiedenen Epithelzelllinien analysiert werden. Um ein gutes Werkzeug zur Detektion von APP zu haben, wurden GFP-APP-Fusionsproteine hergestellt und charakterisiert.
Ergebnisse und Diskussion
GFP-APP-Fusionsproteine wurden hergestellt und in MDCK-, FRT- und LLC-PK1-Zellen stabil exprimiert. Die Charakterisierung der GFP-APP-Fusionsproteine durch Immunfluoreszenzanalysen zeigte, dass die chimeren Proteine im TGN sowie in peripheren Vesikeln lokalisiert sind und mit endogenem APP stark kolokalisieren. GFPAPP war somit gut geeignet, um den intrazellulären Transport des APP zu untersuchen.
Eine Analyse der zytoplasmatischen Domäne des APP im Bereich des Tyrosin 653 zeigte, dass dieses Tyrosin und die drei folgenden Aminosäuren (YTSI) ein Konsensus-Motiv für die Bindung von tetrameren Adaptor-Protein-Komplexen darstellen.
Zu Beginn dieser Arbeit waren AP-1 bis AP-3 bereits gut charakterisiert, wohingegen für AP-4 keine Funktion bekannt war. In Kollaboration mit Simmen et al. konnte gezeigt werden, dass AP-4 den basolateralen Transport einiger Proteine vermittelt [Simmen et al. 2002]. Immunfluoreszenzanalysen lokalisierten AP-4 im TGN und peripheren Vesikeln, die unterschiedlich von AP-1A/B markierten Strukturen waren. Da kaum Kolokalisation von AP-4 und AP-1A/B zu beobachten war, ist die Lokalisation von AP-4 und AP-1B, das auch eine Rolle im basolateralen Proteintransport spielt, in unterschiedlichen Subdomänen des TGN und unterschiedlichen vesikulären Strukturen anzunehmen.
Polarer Transport des APP durch Adaptor-Protein-Komplexe
Die mögliche Funktion von AP-1 und AP-4 im Transport von APP wurde zunächst mit Hilfe von in vitro-Bindungsstudien untersucht. Dazu wurde die zytoplasmatische Domäne des APP als GST-Fusionsprotein kloniert und exprimiert. Die Frachtproteinbindenden Untereinheiten von AP-1 und AP-4 wurden unter Verwendung von radioaktiv markiertem Methionin durch in vitro-Transkription und -Translation hergestellt. In Bindungsstudien interagierten AP-1A und AP-1B mit der zytoplasmatischen Domäne des APP, nicht aber AP-4. Diese Ergebnisse deuten an, dass AP-1A und AP-1B eine Rolle im intrazellulären Transport von APP spielen könnten. AP-4 dagegen scheint nicht an diesem Prozess beteiligt zu sein.
Durch Mutation des Tyrosin 653 in APP zu Alanin (Y653A) wurde die Interaktion zwischen AP-1B und APP stark verringert, was darauf hindeutet, dass dieses Tyrosin einen Teil des Bindungsmotivs für AP-1B darstellt. Übereinstimmend damit entspricht die genaue Aminosäureabfolge des Y653TSI-Motivs den Sotierungsmotiv-Präferenzen von AP-1B [Ohno et al. 1999]. Die Interaktion von AP-1A dagegen war mit WildtypAPP und der Tyrosin-Mutante vergleichbar und scheint somit auf einem anderen Interaktions-Motiv zu basieren. AP-1A und AP-1B erkennen somit unterschiedliche Sortierungsmotive in der zytoplasmatischen Domäne des APP und kooperieren möglicherweise im intrazellulären Transport des APP. Diese Ergebnisse sind der erste Bericht über eine Interaktion von Adaptor-Protein-Komplexen mit der zytoplasmatischen Domäne des APP.
Die Rolle von AP-1B im basolateralen Transport von APP wurde genauer untersucht mit Hilfe der LLC-PK1 Zelllinie, die kein AP-1B exprimiert [Ohno et al. 1999]. In LLCPK1-Zellen werden verschiedene Proteine unpolar zur apikalen und basolateralen Membran verteilt, die in MDCK-Zellen durch Interaktion mit AP-1B basolateral transportiert werden [Fölsch et al. 1999, Sugimoto et al. 2002]. Um den Transport von APP in polaren LLC-PK1-Zellen zu untersuchen, wurde Plasmamembran-ständiges GFP-APP durch zwei unabhängige Methoden nachgewiesen: die apikale oder basolaterale Oberfläche der Zellen wurde selektiv entweder biotinyliert oder mit GFPAntikörpern markiert. Beide Methoden zeigten, dass GFP-APP in LLC-PK1-Zellen sowohl an der apikalen als auch an der basolateralen Zelloberfläche lokalisiert ist. Somit wird auch APP in diesen Zellen im Vergleich zu MDCK-Zellen anders sortiert. Dieses Ergebnis festigt die Hypothese einer Funktion von AP-1B im Transport von APP, die aufgrund der Daten der in vitro-Bindungsstudien aufgestellt wurde.
Polare Sekretion des sAPP ist unabhängig vom Transport des Holoproteins
Neben dem Transport des APP-Holoproteins war auch die polare Sekretion des sAPP Thema dieser Arbeit. Es war gezeigt worden, dass basolaterale Sekretion des sAPP in MDCK-Zellen unabhängig vom Transport des APP-Holoproteins ist [Haass et al. 1995]. Dieses Ergebnis konnte in der vorliegenden Arbeit bestätigt und auf andere Zelllinien erweitert werden. Um die korrekte Sekretion von GFP-sAPP nachzuweisen, wurde die GFP-sAPP-Sekretion zunächst in polaren MDCK-Zellen untersucht, die stabil GFP-APP exprimierten. Da GFP am N-Terminus des APP angefügt ist, trägt auch das sezernierte APP die GFP-Markierung. GFP-sAPP konnte mittels Immunpräzipitation mit GFP-spezifischen Antikörpern lediglich im basolateralen Medium nachgewiesen werden. Somit sezernieren MDCK-Zellen GFP-sAPP in gleicher Polarität wie von Haass et al. für endogenes sAPP gezeigt wurde [Haass et al. 1995].
Experimente in GFP-APP exprimierenden LLC-PK1- und FRT-Zellen zeigten, dass auch hier die polare Sekretion des GFP-sAPP und der Transport des APPHoloproteins zwei unabhängige Prozesse sind. Polare LLC-PK1-Zellen transportierten GFP-APP zur apikalen und basolateralen Plasmamembran (siehe oben). GFP-sAPP-Sekretion aus polaren LLC-PK1-Zellen dagegen fand ausschließlich basolateral statt. In FRT-Zellen wurde GFP-sAPP im Gegensatz zu MDCK- und LLCPK1-Zellen apikal sezerniert. Kolokalisation des GFP-APP mit Transferrin-Rezeptor in FRT-Zellen deutete dagegen an, dass das Holoprotein wie in MDCK-Zellen basolateral transportiert wird. Dies ist auch zu erwarten, da FRT-Zellen AP-1B exprimieren und es auch in dieser Zelllinie basolateralen Transport vermittelt [A. Gonzalez, persönlich, ASCB 2003]. Nach diesen Ergebnissen zu urteilen, finden auch in FRT und LLC-PK1-Zellen APP-Transport und sAPP-Sekretion unabhängig voneinander statt.
Basolaterale sAPP-Sekretion ist unabhängig von der Ektodomäne
In MDCK-Zellen wurde zusätzlich die Sekretion eines GFP-APP untersucht, in dem der Großteil der Ektodomäne deletiert und durch GFP ersetzt wurde, die SekretaseSchnittstellen jedoch noch vorhanden waren. Durch Immunfluoreszenzanalyse wurde zunächst nachgewiesen, dass die subzelluläre Lokalisation dieser Deletionsmutante der des endogenen APP entspricht. Die Sekretion dieses stark verkürzten sAPP erfolgte wie die des Wildtyps basolateral. Dieses Ergebnis deutet an, dass die Determinante für die basolaterale Sekretion des sAPP nicht innerhalb der Ektodomäne liegt, wie in einigen älteren Publikationen angenommen wird [Haass et al. 1995, de Strooper et al. 1995]. Neuere Ergebnisse dagegen führen die polare Sekretion des sAPP auf die basolaterale Lokalisation der α-Sekretase zurück [Capell et al. 2002], was die basolaterale Sekretion der Deletionsmutante erklären könnte.
sAPP-Bindung an polaren Zellen
Durch Interaktion mit einem bisher unbekannten Rezeptorprotein erfüllt sAPP für verschiedene Zelltypen die Funktion eines Wachstumsfaktors [Saitoh et al., 1989, Pietrzik et al., 1998, Hoffmann et al., 2000]. Da viele Wachstumsfaktor-Rezeptoren selektiv entweder an der apikalen oder basolateralen Plasmamembran von Epithelzellen lokalisiert sind, wurden Bindungsstudien mit rekombinant exprimiertem sAPP (sAPPrec) an polaren FRT und MDCK-Zellen durchgeführt. Analyse der Bindung mit einem sAPPrec-spezifischen Antikörper zeigte, dass sAPP ausschließlich an der apikalen Plasmamembran beider Zelllinien bindet. Da die Sekretion des sAPP in FRT-Zellen ebenso apikal erfolgt, ist in dieser Zelllinie eine autokrine Regulation durch sAPP vorstellbar, was auch durch vorherige Ergebnisse angedeutet wurde [Pietrzik et al. 1998]. Für MDCK-Zellen, die sAPP basolateral sezernieren und apikal binden, muss ein anderer Regulationsmechanismus vorliegen. Es könnte sich um parakrine Regulation handeln, was jedoch noch bestätigt werden muss.
Fazit: In dieser Arbeit wurde zum ersten Mal gezeigt, dass tetramere Adaptor-ProteinKomplexe eine Rolle im intrazellulären Transport von APP spielen. In diesem Zusammenhang wurde die Funktion des AP-4-Komplexes in einer Kollaboration analysiert. Es wurde gezeigt, dass AP-1A und AP-1B eine Rolle im Transport von APP spielen. Eine Funktion von AP-4 im Transport von APP ist nach den vorliegenden Ergebnissen unwahrscheinlich. Untersuchungen zur APP-Sortierung in verschiedenen Epithelzelllinien zeigten, dass die Hypothese der Unabhängigkeit von APP-Transport und sAPP-Sekretion als genereller Mechanismus angesehen werden kann. Durch Analyse der sAPP-Bindung an polaren FRT- und MDCK-Zellen wurde erstmals die polare Lokalisation des putativen sAPP-Rezeptors untersucht, was einen ersten Einblick in den Mechanismus der sAPP-vermittelten Regulation in polaren Zellen ermöglichte.
Cytochrome P450 (CYP) enzymes oxidize, peroxidize and/or reduce cholesterol, vitamins, steroids, xenobiotics and numerous pharmacological substances in an oxygen- and NADPHdependent manner. Since many CYP isozymes are also capable of metabolizing arachidonic acid to biologically active products, CYP enzymes are often described as the third pathway of arachidonic acid metabolism i.e., in addition to cyclooxygenases and lipoxygenases. CYP enzymes are predominantly expressed in the liver while others, such as members of the CYP 2J, CYP 2C and CYP 4A subfamilies, can be detected in extrahepatic tissues, particularly in the cardiovascular system. Recent data suggest that a CYP 2C enzyme(s) expressed in coronary artery endothelial cells generate epoxyeicosatrienoic acids (5,6-; 8,9-; 11,12- and 14,15-EET) which contribute to the acute control of vascular tone and the longterm regulation of vascular homeostasis.
The expression of CYP 2C in coronary artery endothelial cells is regulated by a number of stimuli, such as cyclic stretch and fluid shear stress as well as by the corticosteroid cortisol and a number of CYP substrates (nifedipine, cerivastatin and -naphthoflavone). However, the signalling pathways and the transcription factors involved in regulating the expression of the gene are unknown.
Since most of the CYP 2C enzymes are transcriptionally regulated, we were interested in identifying the CYP 2C isoform(s) expressed in porcine coronary artery endothelial cells (PCAEC) as well as determining its/their promoter sequence(s). The overall goal was to study the involvement of different transcription factor binding elements in the regulation of the CYP 2C gene(s). Porcine coronary arteries were used given the possibility of analysing the results obtained at the cellular level with alterations in vascular function. Comparison of the porcine CYP 2C and the human CYP 2C8 and 2C9 promoters was also a major goal of this study.
To identify the relevant porcine CYP 2C isoform nested RT-PCR was performed using total RNA from porcine coronary artery endothelial cells. Comparison of the sequence of the product of this reaction with the NCBI database suggested that the CYP 2C expressed in PCAEC was approximately 85% homologous with the human CYP 2C9 enzyme. To obtain the full length CYP 2C isoform 5´ rapid amplification of cDNA end (5´ RACE) was performed using a downstream reverse gene specific primer which is conserved in all of the porcine CYP 2C isoforms. The intention behind using such a primer was to amplify all the possible CYP cDNAs expressed in PCAEC. With the 5´ RACE technology it was possible not only to identify the exact isoform (CYP 2C34) expressed in PCAEC, but it was also possible to amplify 550 bp of the 5´ upstream region. This result was authenticated by comparing the protein/nucleotide sequence with other human CYP 2C genes such as CYP 2C8 and CYP 2C9 as well as different porcine CYP 2C genes (CYP 2C34, CYP 2C49). Multiple protein/nucleotide sequence alignment revealed approximately 85-90% sequence identity. An exon1-2 specific radio-labelled probe of the CYP 2C34 gene was then used to screen a porcine genomic library for positive genomic clones containing the promoter region of the CYP 2C34 gene.
For the isolation of 5´ flanking region of CYP 2C34 gene a PCR-based directional genome walking strategy was used in which the positive porcine genomic BAC clones were taken as a DNA template. Four arbitrarily designed universal walking primers and a gene-specific primer derived from the CYP 2C34 gene sequence were employed and led to the identification and isolation of 1.4 kb of the 5´ flanking region.
The 1.4 kb 5´ flanking region of CYP 2C34 gene contains multiple transcription factor binding sites including glucocorticoid-responsive element (GRE), hypoxia-responsive element (HRE), CAAT-enhancer binding protein (C/EBP), stress responsive element (STRE) consensus sequences. CYP 2C34 promoter constructs were generated and reporter gene activity (luciferase) activity was compared with that of a promoterless vector (pGL3-Basic) at first in HEK cells and then in PCAEC. After using cortisol as a positive control to demonstrate that the promoter constructs generated were functional we determined the effects of physiologically relevant stimuli i.e., hypoxia and cyclic stretch. Additional experiments with zinc sulphate were performed in a preliminary analysis of the role of Zn2+ inducible transcription factors and might be cooperative heterodimerization formation with these transcription factor with C/EBP in the regulation of CYP 2C34 expression. With all these stimuli, reporter gene activity of CYP 2C34 promoter was significantly (3-8 fold) increased over values obtained in unstimulated cells.
Analysis of the regions that are essential for the induction of promoter activity in response to the different stimuli of interest have to be performed in combination with gel shift assays, siRNA experiments as well as site-directed mutagenesis experiments. Comparison of the regulation of the CYP 2C34 gene and correlation with changes in vascular function (in isolated porcine coronary arteries) should deliver information relevant to the regulation of the CYP 2C enzyme expressed in human coronary artery endothelial cells. The recent demonstration of a clinically relevant role for CYP 2C9 in coronary heart disease underlines the importance of such a study.
Taphonomy and palaeoecology of Laetoli as well as Makuyuni, Arusha region in northern Tanzania
(2004)
This thesis is the result of the Hominid Corridor research Project in Tanzania since 1993 to 1995 that include Pliocene and Pleistocene localities. The localities under study include Laetoli and Manyara area in Arusha Region, northern Tanzania. The thesis has the following specific objectives: firstly, to identify taxa recovered from the studied assemblages; secondly, to underpin taphonomic history of the assemblages under study; thirdly, to elucidate further palaeoecological reconstruction of the assemblages; and finally, to examine surface fossil fauna modifications including agents of modifications either hominids or carnivores.
The Upper Laetolil Beds are dated at 3.5 million years ago (Ma) and the Ndolanya Beds are bracketed in age between 3.5 and 2.41 Ma. The Naibadad Beds, also from Laetoli area, are date to be between 2.2 to 2.1 Ma. The Naibadad Beds are correlated with the base of Bed I at Olduvai Gorge. There are so far no absolute dates for Manyara assemblages. Based on biostratigraphic correlation, the younger overlying unit, the Upper Manyara Beds are estimated to belong to Later Pleistocene and the Lower Manyara Beds are estimated to belong to Early Pleistocene. The Upper Manyara Beds are correlated to the age of Bed III at Olduvai Gorge, while the Lower Manyara Beds are interpreted to span the same contemporaneity with the upper part of Bed II at Olduvai Gorge.
At Laetoli localities, terrestrial mammals while localities from Manyara besides terrestrial mammals dominate fauna; they include aquatic species such as fish, crocodiles and hippopotamus. The main families recovered from Upper Laetolil Beds complement those already recovered from former research works by other workers. This is also true for the younger overlying stratigraphic horizon, the Upper Ndolanya Beds. Thus, mammalian families recovered from Upper Laetolil Beds include Bovidae, Carnivora, Elephantidae, Equidae, Lagomorpha, Suidae, Rodentia, Hominoidea and Rhenocerotidae. Remains of an invertebrate, Gastropoda were also recovered. For Upper Ndolanya Beds include almost the same families recovered from Upper Laetolil Beds, but based on former recovery of fossil fauna, these Beds outnumber greatly the Upper Laetolil Beds in bovid composition by 20 per cent. Such a change in species composition is noticed also from South African localities and East African localities such as the East Turkana. This is interpreted to be due to climatic change drier environments that included species adapted to such palaeoclimates.
For the first time, our team has been able to retrieve specimens identifiable to taxa, a pattern that not possible from previous workers who claimed to have recovered too sparse specimens to be identifiable to any taxon.
The Upper Manyara Beds as well as Lower Manyara taxonomic composition include aquatic species besides the large terrestrial mammalian fauna retrieved from there. In due regard, the former horizon is attributed to have affinity with Olduvai Bed III components and the latter, older horizon, is attributed to have affinity with upper parts of Bed II times at Olduvai Gorge. The Lower Manyara Beds can be said to have, in relative terms, affinity to species recovered from site RC 11 of the Chiwondo Beds, Malema region in northern Malawi, although the former site may be equable to the terminal age of the latter locality.
Fossil hominid remains; attributable to genus Homo and possibly species Homo erectus have been recovered from two localities, Mk 2 and Mk, along Lower Manyara Beds. On the other hand, stone tools, identified to belong to the Acheulian industrial technocomplex, were recovered from site Mk 4.
All of fossil fauna from Laetoli sites were mostly exfoliated and there shows to be little effect in terms of hydrodynamic sorting of the fossil bones. However, intense carnivore activity is witnessed due to the almost one to one ratio of proximal to distal ends. This is also true for the Lower Manyara Beds locality. Through examination of surface modifications of the fossil fauna, it has been established that there was carnivore consumption of ungulates. There is no evidence of hominid involvement that has to be testified by stone tools.
Die Transkription vieler Gene wird über den Acetylierungsgrad der Histone reguliert. Entsprechend erweiterte die Entdeckung von Histondeacetylase-Inhibitoren das Verständnis um Transkriptions-Repressoren und ihre Rolle in der Pathogenese beträchtlich. Zur Zeit stehen die Modifikationen der Histondeacetylasen (HDACs) sowie die biologischen Rollen der verschiedenen HDAC-Isoenzyme im Zentrum intensiver Forschungsarbeiten.
In der vorliegenden Arbeit wurde anhand verschiedener Zelllinien und mit murinem Primärmaterial nachgewiesen, dass das gut verträgliche Antiepileptikum Valproinsäure (VPA) ein potenter HDAC-Inhibitor ist. Dies zeigt sich daran, dass VPA in vivo die durch HDACs vermittelte transkriptionelle Repression aufhebt und zur Akkumulation hyperacetylierter Histone führt. In vitro Enzymassays weisen darauf hin, dass VPA selbst und nicht ein hypothetischer Metabolit die Histondeacetylasen hemmt. Darüber hinaus wurde mit Bindungs- und Kompetitionsstudien festgestellt, dass eine Interaktion von VPA mit dem katalytischen Zentrum der HDACs stattfindet.
Weitere Analysen zeigten, dass VPA bevorzugt Klasse I HDACs hemmt. Durch dieses Merkmal einer erhöhten Spezifität bei gleichzeitig guter Bioverfügbarkeit definiert VPA eine neue Klasse von HDAC-Inhibitoren. Hieraus ergeben sich Hinweise auf strukturelle Anforderungen, die ein HDAC-Inhibitor erfüllen muß, um spezifischer und weniger toxisch als konventionelle Chemotherapeutika zu wirken. Außerdem eröffnete das neu entdeckte pharmakologische Wirkungsspektrum von VPA auf HDACs Erkenntnisse um zusätzliche therapeutische Einsatzmöglichkeiten dieses etablierten Arzneimittels. Bereits jetzt wird VPA in klinischen Studien an Patienten mit Krebs verabreicht.
HDAC-Inhibitoren gelten als potentielle Medikamente für die Therapie maligner Neoplasien. Deshalb besteht großes Interesse an den molekularen Mechanismen, mit denen Substanzen dieser Wirkstoffklasse das Wachstum transformierter Zellen in vitro und in vivo hemmen. In den humanen Melanomzelllinien SK-Mel-37 und Mz-Mel-19 bewirken klinisch relevante VPA-Dosen eine zeit- und dosisabhängige Akkumulation von Zellzyklusinhibitoren und hyperacetylierten Histonen, morphologische Veränderungen und eine verringerte Proliferationsrate. Die verminderte Proliferation wird von einem veränderten Zellzyklusprofil und Apoptose unter Beteiligung sowohl der extrinsisch als auch der intrinsisch bedingten Caspase-Kaskade begleitet. Dies manifestiert sich in der Spaltung der Caspasen 3, 8 und 9, einer Schädigung der Mitochondrien, der apoptotischen PARP-Spaltung, einem Abbau der genomischen DNA und einer Inaktivierung des GFP-Proteins.
Diese Analysen in Melanomzellen sprechen dafür, dass die weitgehend selektive Wirkung von VPA auf Klasse I HDACs der Mechanismus ist, mit dem diese Substanz das Wachstum bestimmter Tumorzellen hemmt. Durch Genexpressions-Analysen konnten außerdem neue Modelle zum Einfluss von VPA auf solide Tumoren postuliert werden. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Expression und Induzierbarkeit der Zellzyklusregulatoren p21WAF/CIP1 und p27Kip1 und des latent cytoplasmatischen Transkriptionsfaktors Stat1 Biomarker für die Sensitivität von Melanomzellen gegenüber HDAC-Inhibitoren sind. Im Einklang hiermit wird die proapoptotische Wirkung von VPA durch das Cytokin Interferon α und den S-Phase-Inhibitor Hydroxyharnstoff deutlich gesteigert. Diese Ergebnisse sprechen für den Einsatz von VPA in tierexperimentellen und klinischen Studien.
Aufgrund der Schlüsselrolle der HDACs für die physiologische und aberrante Genexpression ist es wichtig, die Mechanismen ihrer Regulation zu kennen. In der vorliegenden Arbeit wurde anhand zahlreicher kultivierter Zelllinien und mittels eines Mausmodells gezeigt, dass therapeutisch einsetzbare VPA-Dosen neben der Hemmung enzymatischer Aktivität auch zu einer isoenzymspezifischen Verringerung der Klasse I Histondeacetylase HDAC2 führen. Als Ursache hierfür konnten eine verstärkte Poly-Ubiquitinylierung und ein proteasomaler Abbau ermittelt werden. Gleichzeitig wurden die Beteiligung etlicher Proteasen und eine veränderte Synthese oder Prozessierung der HDAC2-mRNA als Mechanismen ausgeschlossen.
Expressionsanalysen identifizierten die E2 Ubiquitinkonjugase Ubc8 als von HDAC-Inhibitoren induziertes Gen. Mittels transienter Überexpression („Gain-of-Function“) und siRNA-Experimenten („Loss-of-Function“) konnte dieses Gen als limitierender Faktor des HDAC2-Umsatzes in vivo erkannt werden. Weiterhin wurde gezeigt, dass die E3 Ubiquitinligase RLIM spezifisch mit HDAC2 interagiert. Die Expression von RLIM beziehungsweise seine enzymatische Funktion beeinflusst die HDAC2-Konzentration in vivo. Hierbei kann VPA klar von dem HDACInhibitor Trichostatin A (TSA) abgegrenzt werden. Dieser hemmt ein breites Spektrum an HDACs und induziert Ubc8, führt aber gleichzeitig zu einem proteasomal vermittelten Abbau des RLIM-Proteins. Analysen mit überexprimiertem RLIM zeigten, dass TSA aufgrund dieses Mechanismus nicht in der Lage ist, den Abbau von HDAC2 zu induzieren. Somit ist im Rahmen dieser Arbeit die Ubiquitinylierungs-Maschinerie für HDAC2 charakterisiert worden. Hierdurch sind neue Aspekte zum Zusammenspiel zwischen dem Ubiquitin-Proteasom-System und der Transkriptionsrepression nachgewiesen worden.
Isoenzymspezifische HDAC-Inhibitoren können zur Aufklärung der Funktion einzelner Histondeacetylasen beitragen, insbesondere wenn Knock-Out-Studien zu aufwendig oder aufgrund embryonaler Letalität nicht durchführbar sind. Die Wichtigkeit dieser Analysen wird gerade bei HDAC2 deutlich, da diese Histondeacetylase in vielen soliden und hämatologischen Tumoren überexprimiert ist, und ihre Deregulation möglicherweise zur Krebsentstehung beiträgt. Die in der vorliegenden Arbeit identifizierte Regulation dieses HDAC-Isoenzyms könnte Hinweise auf den Ablauf eines malignen Transformationsprozesses geben. Darüber hinaus zeigt der nachgewiesene Regulationsmechanismus Erfordernisse und potentielle Zielstrukturen einer pharmakologischen Intervention auf. Schließlich könnten die Selektivität von VPA für Klasse I HDACs zusammen mit der Spezifität für HDAC2 die Gründe für die geringen Nebenwirkungen der VPA-Behandlung bei gleichzeitigem Auftreten antitumoraler Effekte sein.
The role of Apelin signaling and endocardial protrusions during cardiac development in zebrafish
(2023)
During cardiac development, cardiomyocytes (CMs) are delaminated from the compact muscle wall to increase the muscle mass of the heart. This process is also known as cardiac trabeculation. It has been shown that growth factors produced by endocardial cells (EdCs) are required for myocardial morphogenesis and growth. In particular, Neuregulin produced by EdCs promotes myocardial trabeculation. The deficiency of Neuregulin signaling leads to hypotrabeculation. Endocardial protrusions project from the endocardium to the myocardium are also essential for the trabeculae onset. Yet current studies only introduce the function of endocardial sprouts descriptively. This article first reports the mechanisms of endocardial sprouting during myocardial trabeculation. By living imaging, we first demonstrate that EdCs interact with CMs through membrane protrusions in zebrafish embryos. More interestingly, these protrusions stay in close contact with their target CMs in spite of the cardiac contraction. We utilize loss-of-function strategies to report the importance of myocardial apelin, which induces endocardial protrusion formation. Zebrafish lacking Apelin signaling exhibit defects in endocardial protrusion formation as well as excessive deposition of cardiac jelly and hypotrabeculation. Notably, we also present data that blocking protrusion formation in endocardial cells phenocopies the trabeculation defects in apelin mutants. Mechanistically, endocardial-derived Neuregulin requires Apelin signaling mediated endocardial protrusions, and Neuregulin dependent pERK expression is attenuated in the condition of reduced endocardial protrusion formation. Together, our data suggest that endocardial-myocardial communication through endocardial protrusions acts as an underlying principle allowing myocardial growth.
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.
Compaction and spheroid formation modulates stemness and differentiation of human pancreas organoids
(2023)
The incidence of diabetes type 1 (T1D) in children and young adults is increasing worldwide. T1D is well treated by insulin administration. However, there is currently no long-lasting cure for this ailment. The success rate of pancreatic islet transplantation to treat T1D is limited by the availability of patient-matched islets and the necessity of using life-long immunosuppressive medication. The difficulties caused by transplantation can be overcome by generating bio-engineered pancreatic islets from patient-derived progenitor cells. Aim of this thesis is to establish new strategies for the generation and analysis of pancreatic lineages derived from human progenitor cells. It reports on the optimization of a technique to form human pancreatic spheroids from hollow monolayered human pancreas organoids (hPOs) to investigate how cell-cell and cell-matrix interaction can be leveraged to induce endocrine differentiation of the pancreas progenitor cell organoids. We introduce cell aggregation protocols to generate endocrine pancreas cell lineages from ductal pancreatic cells. Next, we study the effect of co-culture with stromal and endothelial cells to promote cell differentiation toward a pancreatic fate enhancing β cells productivity.
This thesis has focused on identifying the differences in gene expression along with phenotypical transformation during differentiation of human pancreatic organoids (hPOs) towards human β cells to be used in the future of cellular therapeutics in treating T1D patients.
Epithelial cells enable essential physiological functions, including absorption, morphogenesis, secretion, and transport. To execute these functions, epithelial cells often form three-dimensional shapes that include curved sheets of cells surrounding a pressurized fluid-filled lumen. These three-dimensional tissues (called domes) are essential for organ function, but when they are not working properly, developmental defects, inflammation, and cancer can ensue. Recently, it has been shown that the cells that form domes show active superelasticity on micropatterned plates.
We show here that the immortalized renal proximal tubule epithelial cell line, LLC-PK1, stereotypically forms tubules in 10 days. Tubule formation takes place in 4 stages. When cells are plated on a culture dish, they form a monolayer on the 1st day; on the 3rd day, three-dimensional structures are formed, called domes; and after the 4.5th day, these domes start fusing to begin the transition stage and transit to the tubule stage. At the end of the 10th day, differentiated, elongated, and matured tubes form (Figure 3.1). Therefore, tubule formation is a self-organized, stereotypic morphogenetic program under long-term, unperturbed tissue culture conditions.
We propose that tubulogenesis is a two-step process in proximal tubules by doming and wrapping. The process begins with dome formation, and as the cell layers come together in the transition stage at the edge of the dome, this leads to the formation of the lumen of the eventual tubule. We also found that F-actin provides the mechanical strength during the formation of these three-dimensional structures during tubule formation. To better understand this 4-step process on a molecular level, we performed proteomics of tubule formation to identify the different proteins that play a significant role in proximal tubule development. Importantly, we identified proximal tubule markers like synaptopondin, angiotensin 1-10, collectrin, polycystin 1, and polycystin 2. These proteins play an important role in renal tube formation and differentiation.
Cell division is carried out by highly conserved cyclin-CDK complexes, which phosphorylate various cellular components. Cyclin-CDKs act differently depending on the cell cycle phase and work cooperatively to create DNA replication and cytokinesis. Therefore, we identified that cyclin-B1, marker of proliferation Ki-67, the RAD51 recombinase, and proliferating cell nuclear antigen (PNCA) are upregulated in the monolayer stage, and the expression decreases as tubule formation takes place. The proximal tubule reabsorbs 60-65% of the glomerulus filtrate. Therefore, it requires a lot of energy generated by using the fatty acid oxidation (FAO) pathway. In our model, we found FAO expression is higher than that of the other metabolic pathways.
We found expression of an intricate protein network in mitochondria, which we interpret as a sign of mitochondrial homeostasis being vital for the FAO pathway to work. Furthermore, we also identified different types of transporters at each stage of proximal tubule formation, and we could recognize different cytoskeletal components playing a significant role in each stage of proximal tubule formation, for instance, at the monolayer stage, vimentin expression is high, and its expression is reduced as tubules form. Hence, this 2D system, at this step of characterization, seems suitable to use to study differential transport protein expression and how this might relate to physiological functions and syndromes.
Next, we inhibited different transporters using specific inhibitors and analyzed the effect on dome and tubule formation. We identified that Na+/K+ ATPase and vacuolar H+ ATPase play a significant role in the process of epithelial dynamics. Digoxin (a Na+/K+ ATPase inhibitor) treatment inhibits dome and tubule formation. Bafilomycin (a v-ATPase inhibitor) treatment demonstrated a delay in dome and tube formation. Therefore, this study shows that this 2D proximal tubule novel system can be used for screening of pharmacological leads in the context of specific aspects of kidney physiology.
Despite the recent success in growing kidney organoids, they are not well suited to investigate various pathophysiological conditions in vitro for several reasons: They grow in 3D and form a tissue that later needs to be dissected/cleared and stained to investigate pathophysiological changes. Moreover, organoids require complex and expensive protocols for generation and are challenging to use in screening approaches. Therefore, we set out to demonstrate feasibility for our 2D system using normal renal epithelial cells, which are the origin of various pathological conditions, to study pathophysiological conditions.
Chemical pollution is one of the main contributors to the degradation of lotic ecosystems and their biodiversity. Among chemicals driving lotic biodiversity decline are anthropogenic organic micropollutants (AOM), which affect the survival and functioning of freshwater organisms. Continuous exposure of freshwater organisms to AOM leads to adverse effects that sometimes cannot be traced with standard toxicity methods such as standard toxicity testing or biodiversity indices. Among these effects of AOM are selective or mutagenic effects that cause impaired species genetic diversity. Thus, the correlation between different levels of AOM and genetic diversity of species is still poorly understood. However, it can be explored by applying population genetics screening.
In Chapter 1 of this thesis, background information on environmental pollution, genetic screening, and the detection of evolutionary-relevant AOM effects in freshwater organisms are described and the thesis goals are identified. The main goal of the thesis is to study whether AOM exposure occurring in European rivers causes a significant evolutionary footprint in freshwater species and leads to a selection of more tolerant geno-and phenotypes. Therefore, population genetics indices together with high-resolution chemical exposure screening of a widespread indicator invertebrate species, Gammarus pulex (Linnaeus, 1758), living in polluted and pristine European rivers were investigated.
In Chapter 2, the development of a genetic screening method for G. pulex (microsatellites) is described. Due to genetic differentiation and the presence of morphologically cryptic lineages, the available sets of target loci do not enable a reliable population genetic characterization of G. pulex from central Germany. Thus, a novel set of microsatellite loci for a high-precision assessment of population genetic diversity was here applied. Eleven loci were first identified and thereafter amplified in G. pulex from three rivers. The new loci reliably amplified and indicated polymorphisms in the studied amphipods. The amplification resulted in the successful identification of genetically distinct populations of G. pulex from the analyzed rivers. Moreover, the microsatellite loci were amplified in other genetic lineages of G. pulex and another Gammarus species, G. fossarum, promising a broader applicability of the loci in related amphipod species.
In Chapter 3, the effects of AOM on species genetic differentiation and sensitivity to toxic chemicals in a typical central European river with pristine and AOM-polluted sections was investigated. The river’s site-specific concentrations of AOM were assessed by chemical analysis of G. pulex tissue and water samples. To test, whether different levels of AOM in the river select for pollution-dependent genotypes, the genetic structure of G. pulex from the river was analyzed. Finally, the toxicokinetics of and sensitivity to the commonly used insecticide imidacloprid were determined for amphipods sampled at pristine and polluted sections to assess whether various levels of AOM in the river influence sensitivity of G. pulex to imidacloprid. The results indicated that different levels of AOM did not drive genetic divergence of G. pulex within the river but led to an increased sensitivity of exposed amphipods to imidacloprid. The amphipods living in polluted river sections were more sensitive to the insecticide due to chronic exposure to toxic levels of AOM.
In Chapter 4, the relationship between site-specific pollution levels of AOM and genetic diversity parameters of G. pulex was analyzed at the regional scale within six rivers in central Germany. The genetic structure of G. pulex in the studied area was tested for relatedness to the waterway distance between sites. Gammarus pulex genetic diversity parameters, including allelic richness and inbreeding rate, were tested against environmental pollution parameters using linear mixed-effect- and structural-equation models. According to the results, G. pulex genetic diversity parameters were significantly associated with the detected AOM levels. At sites with high concentrations of AOM and toxicity potential G. pulex showed reduced genetic diversity and increased rates of inbreeding. These results suggest that AOM play a major role in shaping the genetic diversity of G. pulex in rivers.
According to the findings presented here, the applied microsatellites can be used to successfully detect changes in genetic patterns in freshwater amphipods facing increased levels of AOM. The findings indicate that levels of AOM representative for European rivers do not lead to the separation of genotypes among G. pulex as the connectivity between sites majorly contributes to species’ genetic structure. However, the chronic exposure to increased levels of toxic AOM leads to a reduction of species genetic diversity and increases the sensitivity of G. pulex to the toxic chemical effects.
Non-ribosomal peptide synthetases (NRPSs) are modular biosynthetic megaenzymes producing many important natural products and refer to a specific set of peptides in bacteria’s and fungi’s secondary metabolism. With the actual purpose of providing advantages within their respective ecological niche, the bioactivity of the structurally highly diverse products ranges from, e.g., antibiotic (e.g., vancomycin) to immunosuppressive (e.g., cyclosporin A) to cytostatic (e.g., echinomycin or thiocoralin) activity.
An NRPS module consists of at least three core domains that are essential for the incorporation of specific substrates with the 'multiple carrier thiotemplate mechanism' into a growing peptide chain: an adenylation (A) domain selects and activates a cognate amino acid; a thiolation (T) domain shuffles the activated amino acid and the growing peptide chain, which are attached at its post-translationally 4ʹ-phosphopantetheine (4'-PPant) group, between the active sites; a condensation (C) domain links the upstream and downstream substrates. NRPS synthesis is finished with the transfer of the assembled peptide to the C-terminal chain-terminating domain. Accordingly, the intermediate is either released by hydrolysis as a linear peptide chain or by an intramolecular nucleophilic attack as a cyclic peptide.
The NRPS’s modular character seems to imply straightforward engineering to take advantage of their features but appears to be more challenging. Since the pioneering NRPS engineering approaches focused on the reprogramming and replacement of A domains, several working groups developed advanced methods to perform a complete replacement of subdomains or single or multiple catalytic domains.
The first part of this work focusses parts of the publication with the title 'De novo design and engineering of non-ribosomal peptide synthetases', which follows up assembly line engineering with the development of a new guideline. Thereby, the pseudodimeric V-shaped structure of the C domain is exploited to separate the N-terminal (CDSub) and C-terminal (CASub) subdomains alongside a four-AA-long linker. This results in the creation of self-contained, catalytically active CASub-A-T-CDSub (XUC) building blocks. As an advantage over the previous XU concept, the characteristics (substrate- and stereoselectivity) assigned to the C domain subunits are likewise exchanged, and thus, no longer represent a barrier. Furthermore, with the XUC concept, no important interdomain interfaces are disrupted during the catalytic cycle of NRPS, allow to expect much higher production titers. Moreover, the XUC concept shows a more flexible application within its genus origin of building blocks to create peptide libraries. Additionally, with this concept only 80 different XUC building blocks are needed to cover the entire proteinogenic amino acid spectrum.
The second part of this work addresses the influence of the C domain on activity and specificity of A domains. In a comprehensive analysis, a clear influence of different C domains on the in vitro activation rate and the in vivo substrate spectrum could be observed. Further in situ and in silico characterizations indicate that these influences are neither the result of the respective A domains promiscuity nor the C domain’s proofreading, but due to an 'extended gatekeeping' function of the C domain. This novel term of an 'extended gatekeeping' function describes the very nature of interfaces that C domains can form with an A domain of interest. Therefore, the C-A interface is assumed to have a more significant contribution to a selectivity filter function.
The third part of this work combines the NRPS engineering with phylogenetic/evolutionary perspectives. At first, the C-A interface could be precisely defined and further identified to encode equivalent information corresponding to the complete C-A didomain. Moreover, the comparison of NRPSs topology reveals hints for a co-evolutionary relatedness of the C-A didomain and could be shown to reassemble even after separation. In this regard, based on a designed CAopt.py algorithm, the reassembling-compatibility of hybrid interfaces could be determined by scoring of the co-expressed NRPS hybrids. This algorithm also enables the randomization of the interface sequences, thus, leading to the identification of more functional interface variant, which cause significantly higher peptide production and could even be applied to other native and hybrid interfaces.
Die Vorläuferform der eukaryotischen mRNA (prä-mRNA) durchläuft, eine Reihe von Prozessierungs-Schritte, die schließlich zu der Synthese einer „reifen“ und Exportkompetenten mRNA führt. prä-mRNA Spleißen ist ein essentieller Teilschritt dieser Reifung bei der intragene Sequenzen, sogenannte Introns, von der prä-mRNA entfernt werden, während Exons legiert werden. Das prä-mRNA Spleißen wird durch das Spleißosom katalysiert. Dieser Mega-Dalton Komplex, besteht aus fünf Sub-Komplexen, die sich wiederum aus katalytisch aktiven „kleinen nukleären Ribonukleinsäuren“ (snRNAs) und einer Vielzahl von proteinogenen Faktoren zusammensetzen. Diese Subkomplexe, bezeichnet als snRNPs (small nuclear Ribonucleoprotein Particles), binden die prä-mRNA an charakteristischen Sequenzen und richten die prä-mRNA durch eine Reihe von Konformations-Änderungen so aus, dass benachbarte Exons in Kontakt treten und über eine biochemische Ligations-Reaktion verbunden werden können.
Die Exon- bzw Intronerkennung der snRNPs wird durch zahlreiche Spleißfaktoren reguliert. Eine Proteinfamilie, die essentiell für die Regulierung des Spleißens ist, sind Serin/Arginin-reiche Proteine (SR-Proteine). Diese binden vorzugsweise an das 3‘ oder 5’ Ende von Exons, rekrutieren snRNPs und stimulieren dadurch die Exon-Inklusion. Durch diese Stimulierung können Spleiß-Events reguliert und gezielt spezifische Exons ausgeschlossen oder eingeschlossen werden. Dieser Prozess, der als alternatives Spleißen (AS) bezeichnet wird, tritt in 95% des menschlichen Transkriptoms auf und erweitert die Diversität eines Organismus, da verschiedene Transkripte von demselben Gen erzeugt werden können und folglich die Translation unterschiedlicher Proteine mit distinkten Funktionen ermöglicht wird.
Darüber hinaus verfügt die Zelle durch das AS über eine weitere posttranskriptionale Genregulationsebene, die insbesondere unter zellulären Stressbedingungen zur Expression von alternativen Protein-Isoformen von der Zelle genutzt wird. Eine in medizinischer Hinsicht besonders relevante Stressbedingung ist die sogenannte Hypoxie, die eine Sauerstoff-Unterversorgung von Zellen oder Gewebebereichen beschreibt. Hypoxie bzw. hypoxische Bereiche finden sich in Krebszellen und treten in 90% aller soliden Tumoren auf. Als Teil der Hypoxie Stress-Antwort, verfügt die Zelle über einen Adaptations-Mechanismus, der durch Hypoxieinduzierbare Faktoren (HIF) vermittelt wird. Diese Faktoren induzieren die Transkription zahlreicher Gene und stimulieren die Expression von Stressfaktoren, die an der zellulären Adaption der Hypoxie beteiligt sind. Einer dieser Faktoren ist der vaskuläre endotheliale Wachstumsfaktor A (VEGFA), welcher unter hypoxischen Bedingungen sekretiert wird und dadurch die Proliferation von Endothelzellen, die Neubildung von Blutgefäßen und damit die Vaskularisation des hypoxischen Bereichs stimuliert.
Die zelluläre Anpassung ist jedoch nicht nur auf die transkriptionelle Regulation des HIF-vermittelten Hypoxie Signalwegs beschränkt, sondern wird auf multiplen Genexpressions-Ebenen reguliert. Obwohl bekannt ist, dass tausende Transkripte unter hypoxischen Bedingungen alternativ gespleißt werden, sind die Faktoren, die die zelluläre Stress-Antwort durch AS regulieren, sowie deren molekularer Mechanismus jedoch weitestgehend unbekannt.
Diese Arbeit umfasst die Identifizierung und Charakterisierung von AS Events, sowie den Einfluss und die Regulation von Spleißfaktoren auf AS unter hypoxischen Bedingungen. Hierzu führten wir globale Genexpressions- und AS-Analysen in HeLaKarzinomzelllinien unter Normoxie (21% O2) und Hypoxie (0.2% O2) durch und zeigen, dass 7962 Gene nach 24h Hypoxie unterschiedlich exprimiert werden. Über AS-Analysen konnten 4434 Transkripte identifiziert werden, die bei Hypoxie über AS reguliert sind. Dabei trat „Exon-Skipping“ als das am häufigsten auftretende AS-Events auf. Über PCR basierte Validierungs-Experimente konnten 5 regulierte Transkripte nachgewiesen werden. Dabei weisen Exon 3 und 4 in BORA, Exon 6 in MDM4 und Exon 4-5 in CSSP1 Exon-Skipping Events auf, während Exon-Inklusionen in CEP192 Exon 28 und in der 3’UTR von EIF4A2 validiert werden konnten.
Darüber hinaus wurde im Rahmen der AS-Analyse die Regulation des sogenannten „backsplicings“ bei Hypoxie untersucht. Im Gegensatz zum linearen Spleißens, wird beim backsplicing das 5’Ende und das 3’Ende von Exons verbunden, was die Bildung von sogenannten zirkulären RNAs (circRNAs) zufolge hat. Obwohl nur wenige Funktionen dieser RNA-Klasse bekannt sind, wurde die Regulation von circRNAs während der Zell-Differenzierung sowie in diversen Krebszellen beschrieben. Dabei können circRNAs als microRNA- oder Protein-Schwämme fungieren oder dienen als Protein-Interaktion Plattform und regulieren dabei die Genexpression.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene metabolische Anpassungsmechanismen des humanpathogenen Bakteriums Acinetobacter baumannii an seinen Wirt untersucht. Im ersten Teil wurde die Rolle von verschiedenen Trimethylammoniumverbindungen (Cholin, Glycinbetain und Carnitin) und den zugehörigen Aufnahmesystemen, sowie ihren Stoffwechselwegen während dieses Prozesses analysiert. Für die Analyse der Transportsysteme wurde eine markerlose Vierfachmutante (Δbcct) von A. baumannii generiert, sodass alle bekannten Transportsysteme für die genannten Verbindungen deletiert vorlagen. Wachstumsversuche mit dieser Mutante zeigten, dass es in A. baumannii keine weiteren Transporter für die Aufnahme von Cholin gibt, jedoch weitere primär aktive oder sekundär aktive Transporter für die Aufnahme von Glycinbetain. Weiterhin konnten innerhalb dieser Arbeit die KM-Werte der Transporter bestimmt werden. Verschiedene Virulenz- und Infektionsanalysen führten zu dem Schluss, dass die Transporter keine Rolle bei der Virulenz von A. baumannii spielen. In Genomanalysen konnten die Gene, die für die Enzyme des Oxidationsweges von Cholin zu Glycinbetain kodieren identifiziert werden (Cholin-Dehydrogenase (betA), GlycinbetainAldehyd-Dehydrogenase (betB) und ein potenzieller Regulator (betI)). Es wurden Deletionsmutanten innerhalb dieses Genclusters generiert, mit dessen Hilfe gezeigt werden konnte, dass Cholin unter Salzstress ausschließlich als Vorläufer für das kompatible Solut Glycinbetain fungiert und nicht als kompatibles Solut von A. baumannii genutzt werden kann. Virulenz- und Infektionsstudien mit den Deletionsmutanten zeigten, dass der Cholin-Oxidationsweg keine Rolle bei der Virulenz von A. baumannii spielt.
Die Cholin-Dehydrogenase BetA wurde zusätzlich in E. coli produziert und anschließend mittels NiNTA-Affinitätschromatographie aufgereinigt. Die biochemische Charakterisierung des Enzyms zeigte, dass BetA membranständig ist und die höchste Aktivität bei einem pH-Wert von 9,0 hat. Salze wie NaCl oder KCl hatten keinen Effekt auf die Aktivität des Enzyms, während Glutamat die Aktivität stimulierte.
Weiterhin konnte FAD als Cofaktor identifiziert werden und der KM-Wert ermittelt werden. Zudem konnte gezeigt werden, dass die Oxidation von Cholin zu Glycinbetain unter isoosmotischen Bedingungen zu einem Anstieg der ATP-Konzentration in A. baumannii-Zellsuspensionen führt und damit, dass Cholin als alternative Energiequelle genutzt wird. Das Phospholipid Phosphatidylcholin konnte als natürliche Cholinquelle identifiziert werden. Eine Rolle der Phospholipasen D bei der Abspaltung der Cholin-Kopfgruppe des Phosphatidylcholins konnte ausgeschlossen werden. Die Gene für die Oxidation von Cholin zu Glycinbetain werden ausschließlich in Anwesenheit von Cholin exprimiert, jedoch unabhängig von der extrazellulären Salzkonzentration. Diese Studien zeigten, dass der Cholin-Oxidationsweg eine Rolle in der metabolischen Adaptation von A. baumannii an den Wirt spielt. Phosphatidylcholin kann hier als natürliche Cholinquelle im Wirt genutzt werden, da die Wirtsmembranen aus bis zu 70 % Phosphatidylcholin bestehen. Transportstudien mit Carnitin führten zu dem Schluss, dass der Transporter Aci01347 aus A. baumannii neben Cholin ebenfalls Carnitin transportiert. Wachstumsversuche mit einer aci01347-Mutante bestätigen, dass Aci01347 essenziell für die Aufnahme und anschließende Verwertung von Carnitin als Kohlenstoffquelle ist. Es konnte weiterhin gezeigt werden, dass das Transportergen mit essenziellen Genen für den Carnitin-Abbau in einem Operon liegt. Für die Analyse des Abbauweges von Carnitin wurden markerlose Deletionsmutanten innerhalb des Operons generiert. In Wachstumsstudien mit diesen Mutanten konnte der Abbauweg aufgeklärt werden und der Regulator des Operons identifiziert werden. Carnitin wird hier über Trimethylamin und Malat-Semialdehyd zu D-Malat umgewandelt und anschließend über Pyruvat in den TCA-Zyklus eingespeist. Der Regulator wurde zusätzlich in E. coli produziert und mittels Ni-NTA-Affinitätschromatographie aufgereinigt. Mithilfe von EMSA-Studien konnte die Bindestelle des Regulators auf eine 634 Bp lange DNA-Sequenz stromaufwärts des CarnitinOperons eingegrenzt werden. Durch Transkriptomanalysen konnte gezeigt werden, dass bei Wachstum mit Acetylcarnitin, Carnitin und D-Malat die Expression des Carnitin-Operons induziert wurde. Darüber hinaus wurden die Gene konservierter Aromatenabbauwege wie z. B. des Homogentisatweges, des Phenylacetatweges und des Protocatechuat-Abbaus, verstärkt exprimiert. In G. mellonellaVirulenzstudien konnte eine Rolle des Abbaus von Carnitin bei der Virulenz von A. baumannii nachgewiesen werden. Zusätzlich konnte dieser Effekt dem entstehenden Trimethylamin zugesprochen werden...
The Southern Ocean (SO) is one of the most pristine regions of our Planet, characterised by high levels of biodiversity (5% of the global diversity) (David and Saucède 2015) and hosting a unique fauna (up to 90% of SO species are endemic) (De Broyer and Danis 2011; Chown et al. 2015). Yet, the knowledge on SO biodiversity is still far from being completed. In addition, the knowledge on the impact that changing environments have on SO species-richness is very little and for some groups, it is still totally unknown. For instance, most of studies generally focus on one single species such as Antarctic krill (Kawaguchi et al. 2011), Clio pyramidata Linnaeus, 1767 (Orr et al. 2005), Globigerina bulloides d'Orbigny, 1826 (Moy et al. 2009), or only on a high taxonomic level (e.g. phylum, class): Echinodermata, Crustacea, Mollusca, Porifera, Bryozoa, Brachiopoda, Hydrozoa, Ascidiacea, Holoturoidea
(Barnes 1999; Rowden et al. 2015; Post et al. 2017; Gutt et al. 2019; Vause et al. 2019; Pineda-Metz et al. 2020). Ultimately, the influence of sea-ice coverage on benthic species diversity was totally unknown prior to this study. In light of this, the objectives of the thesis are:
1. To expand the knowledge on shelf and deep-sea peracarid assemblage structure and abundance on a small regional (Weddell Sea) and on a large regional (Atlantic sector of the SO and South Atlantic Ocean) geographic scale.
2. To assess the environmental variables driving peracarid assemblage structure and abundance from the above mentioned areas.
3. To investigate SO benthic isopod species diversity from the Atlantic sector of the SO and assess the influence of environmental variables on their species-richness and composition.
4. To describe new possible peracarid species by means of integrative taxonomy, using morphological descriptions and whole genome sequencing analyses to support the species identification.
Objective outcomes: The present thesis provides new information on the abundance and assemblage structure based on 64766 peracarid crustaceans from different 28 locations within the Atlantic sector of the SO continental shelf and deep sea (Chapters I-II). These locations are characterised by different environmental conditions, for instance different sea-ice concentrations. Results from Chapters I-II confirmed the dominance of peracarid assemblages in the benthos, with amphipods being the most abundant group, followed by isopods. Sea ice was identified as the main driver shaping benthic peracarid assemblage structure (Chapter I). On a larger geographic scale and wider bathymetric range (e.g. including sampling locations from previous studies performed in the South Atlantic Ocean
and at a depth range from 160 to ~6000 m), depth was the main physical variable driving peracarid assemblage structure (Chapter III). In addition, 16157 isopod specimens from the Atlantic sector of the SO were identified to species level at a smaller scale (Chapter IV). In this case, sea ice was identified as the main physical driver affecting isopod diversity and composition among sampling locations (Chapter IV). Reduced concentration of sea ice
causes a decrease in isopod biodiversity, thus climate change was identified as a huge threat for this taxon and for SO benthos in general. During the identification process, two new isopod species were discovered (Chapter V). The two new species (Notopais sp.1 n. sp. and Notopais sp.2 n. sp.) were accurately described and identified by means of integrative taxonomy. This provided the first whole genome sequencing of benthic isopods from the SO and the first complete mitochondrial genome of the genus Notopais (Chapter V). Thanks to the collaboration with the University of Genoa (Dipartimento di Scienze della Terra dell'Ambiente e della Vita, DISTAV, Italy) and the National Antarctic Museum (MNA) in Genoa, two new SO species of the suborder Valvifera G. O. Sars, 1883 were described by means of classical taxonomy. In this case, a molecular approach could not be used because both new species were represented by a single specimen, therefore it was important to preserve the integrity of the holotypes (Chapters VI-VII).
Im Rahmen dieser Dissertation wurden unterschiedliche Aspekte der Verbreitung der Vertreter des Pseudoterranova decipiens Komplexes betrachtet und Fragestellungen zur Ökologie und Humanpathogenität der Parasiten bearbeitet. Sie basiert auf drei (ISI-) Fachartikeln, in denen die Nutzung von Fischparasitengemeinschaften als ökologische Indikatoren für entlegene Ökosysteme des Südpolarmeeres (I), die Modellierung geeigneter Verbreitungsgebiete für Arten mit geringen Vorkommensdaten am Beispiel des P. decipiens Komplexes (II) und das Vorkommen potentiell humanpathogener P. bulbosa in unterschiedlichen Mikrohabitaten in Atlantischem Kabeljau (III) thematisiert wurde.
Die Parasitengemeinschaften der in Studie I untersuchten, nahverwandten Antarktisdorsche (Nototheniinae) Nototheniops larseni (n=40), N. nudifrons (n=40) und Lepidonotothen squamifrons (n=49) unterschieden sich hauptsächlich hinsichtlich seltener Parasitenarten. Pseudoterranova decipiens E zählte zu den häufigsten Parasiten der drei betrachteten Wirtsarten. Die Analyse der Wirtsspektren der auf Artebene bestimmten Parasiten zeigte eine geringe Spezifität antarktischer Fischparasiten im Larven- (z.B. Pseudoterranova decipiens E) und Adultstadium (z.B. Elytrophalloides oatesi). Für eine Nutzung als Bioindikatoren ergibt sich die Empfehlung, nicht auf einzelne Parasitenarten, sondern die Zusammensetzung von Parasitenfaunen zurückzugreifen und Parameter wie Abundanz oder Intensität zu berücksichtigen. Vergleiche mit Literaturdaten legten nahe, dass ein Studiendesign, das den periodischen Vergleich der Parasitierungsmuster von Nototheniinae ermöglichen soll, Standorteffekte berücksichtigen sollte. Da es sich bei der Probennahme demersaler Fische um ein aufwändiges und einschneidendes Verfahren handelt, sollten alternative Samplingmethoden vorangetrieben und eine Datenbasis dafür geschaffen werden.
Um die Belastung von Speisefischen mit potentiell humanpathogenen Parasiten in bestimmten Fanggebieten abzuschätzen, kann anhand von Vorkommens- und Umweltdaten mittels statistischer Modelle die Habitateignung für den Parasiten bestimmt werden. Eine Voraussetzung für eine verlässliche Modellierung bilden die Wahl eines geeigneten Algorithmus und die Qualität der Eingangsdaten. Für die Modellierung geeigneter Verbreitungsgebiete für die sechs Arten des P. decipiens Komplexes wurde im Rahmen von Studie II erstmalig ein biotischer Deskriptor herangezogen. Dem Ansatz lag die Annahme zugrunde, dass das Vorkommen geeigneter Endwirte der entscheidende, limitierende Faktor für die Verbreitung eines Parasiten ist, da nur so der Lebenszyklus geschlossen werden kann. Als Hypothesentest dienten Vergleiche der ökologischen Nischen von Parasiten und ihren spezifischen Endwirten im Nischenraum. Anhand der Endwirtdistanz wurde eine Verbesserung der Modellierungsergebnisse mit MaxEnt, gegenüber der ausschließlich auf abiotischen Prädiktoren basierenden Modellierung, für alle Pseudoterranova Arten, insbesondere jene mit einer geringen Anzahl Fundpunkte, erzielt. Grundsätzlich ist der Ansatz auf marine Parasitenarten, deren spezifische Endwirte verlässliche Vorkommensdaten aufweisen, übertragbar. Die Methode stellt jedoch keinen Ersatz für die Erhebung von Vorkommensdaten dar, weshalb die genetische Bestimmung schwer zu identifizierender Taxa sowie die Angabe von Metadaten in jeder parasitologischen Studie obligatorisch sein sollten.
Die Verteilung potentiell humanpathogener Parasitenstadien in für den menschlichen Verzehr vorgesehenen Fischen kann ein entscheidender Faktor für die Übertragung sein. Im Rahmen von Studie III wurde mit dem Referenztranskriptom von P. bulbosa das erste Transkriptom für eine Art den P. decipiens Komplexes erstellt. Anhand einer differentiellen Genexpressionsanalyse wurde untersucht, was die Verteilung der Parasiten auf unterschiedliche Mikrohabitate beeinflusst haben könnte. Dabei wurden siebzig differentiell exprimierte Gene identifiziert, die in aus Leber (32 Gene) und Viscera (38 Gene) von Atlantischem Kabeljau (Gadus morhua) isolierten Proben von P. bulbosa hochreguliert waren. Eine Erklärung für diesen subtilen Unterschied könnte ein Dauerstadium der P. bulbosa Larven zum Zeitpunkt der Probennahmen sein. Ob sich bestimmte Mikrohabitate innerhalb des Wirtes begünstigend auf den Parasiten auswirken, muss mit Hilfe experimenteller Studien gezeigt werden. Erste in Studie III erhobene Daten zum allergenen Potential von P. bulbosa sollten in serologischen Studien getestet werden. Als Grundlage für die Bewertung des pathogenen Potentials von P. bulbosa, sowie der weiteren Arten des P. decipiens Komplexes, sollten in experimentellen Studien NGS-Daten erhoben werden.
Im Rahmen dieser Dissertation wurde in drei methodisch unterschiedlichen Studien ein Bedarf besserer Referenzdaten aufgezeigt. Bestreben diese Datenlücken zu schließen, um das Potential der Methoden besser ausschöpfen zu können, müssen zukünftig noch weiter verstärkt werden.
Until quite recently, stem cell technology mainly focused on pure populations of embryonic stem cells (ES) derived from the inner cell mass of the blastocyst and induced pluripotent stem cells (iPS). Using organoids, a newly established culture technique, it is now possible to culture also organ and patient-specific adult stem (AS) and induced pluripotent stem (IPS) cells in vitro. Furthermore, it has been shown that adult stem cells, grown as organoids, are genetically stable, proliferate and maintain their multi-potency (often a bi-potency) for months. This is possible by providing conditions that recapitulate the stem cell niche of the corresponding organ. Particularly, defined growth factors and a physiological scaffold, which is provided by an extracellular matrix (ECM). Because of increasing research activities, organoids became influential in the recent years. Wide-ranging interest also led to a clearer definition: organoids must contain multiple organ-specific cell types, must be able to recapitulate some organ specific functions, and the cells must be spatially organized in a way similar to the organ they are derived from. The excitement about organoids is based on their high potential as a model to understand wound healing, cellular behaviour and differentiation processes in organogenesis. Furthermore, high potential in the drug development and in personalized stem cell therapeutic approaches has been shown. Specifically, for personalized stem cell therapy, one potential application is for chronic autoimmune diseases such as Diabetes type 1 (T1D). T1D is characterized by the immune-mediated destruction of ß-cells in the Pancreas that leads to absolute insulin deficiency. In T1D the first-line therapeutic approach is exogenous insulin replacement therapy, which always implicates the risk of high fluctuations in blood-sugar levels and therefore the risk of hypoglycaemia. Another therapeutic approach is the xenotransplantation of islets from human donors. A successful islet transplantation allows patients a years-long insulin independence. However, the therapeutic value of islet transplantation is highly limited by the availability of organ donors and by the need for chronic administration of immune suppressive medication. The use of pancreas organoids offers a promising alternative as a personalized cell therapeutic approach to treat T1D without the hypoglycaemia risks of the established therapies. In 2013 Meritxell Huch and colleagues established for the first-time organoids from the exocrine, ductal part of the pancreas. These pancreas organoids are characterized by a monolayered, spherical cell epithelium which comprises a liquid filled lumen. In addition, they showed that after transplantation of these cells into immunodeficient mice, they differentiate into ß-cells and cure T1D. However, basic knowledge of the culture growth behaviour is still lacking: to date, no growth parameters are defined and reliable and robust investigation approaches are still missing. Furthermore, basic knowledge about the organoid development and biochemical/biophysical mechanisms that generate the phenotypic structure are not identified. For a clinical approach these parameters are fundamental and therefore must be defined pre-clinically.
The aim of this study is the preclinical characterization of the hPOs...
Coupling between epidermis and amphid morphogenesis during embryonic development of C. elegans
(2021)
Sensory organs are fundamental for survival of animal populations, since the detection of environmental stimuli is crucial for localization of nourishment, predators or mating partners. In nematodes, the amphid (AM) sensilla are the largest sensory organs for detection of chemical compounds.
This study investigates how the AM sensilla acquire their special elongated shape during lima-bean to 1.5-fold embryonic stages of C. elegans head development. The dissertation also examines events facilitating the morphogenesis of other head sensilla (IL/OL/CEP) and addresses aspects of general embryonic head morphogenesis. Using high resolution live-cell imaging techniques with different combinations of markers highlighting specific tissues, this study shows that epidermal head enclosure, migration of AM socket cells (pores) and translocation of AM dendrite tips are coupled processes, facilitating the elongation of AM dendrites. Importantly, during AM dendrite elongation the AM neural cell bodies are staying stationary. Manipulation through conducting UV-Laser ablation (epidermis close to pore/pore) and RPN-6.1 dsRNA interference resulted in compromised AM pore migration and impaired dendrite elongation. This leads to the conclusion that AM pores need to be physically attached (through C. elegans apical junctions, CeAJ) to the migrating epidermal sheet and to AM dendrite tips for successful AM morphogenesis. This study infers that RPN-6.1 plays an important role for correct AM pore morphogenesis and AM pore to AM dendrite tip attachment. Our results lead to the conclusion that head enclosure drives AM pore migration and AM dendrite elongation with AM neural cell bodies staying stationary. Thereby, CeAJ are interconnecting AM dendrite tips to AM pores and CeAJ link the sensillar ending to the migrating epidermis. Thus, migration of attached target tissue (pore), with neural cell bodies staying stationary (constituting an abutment), creates a pulling force facilitating AM dendrite elongation. This passive neurite elongation procedure is coined dendrite towing in this study.
Additionally, this study discovers that translocation of IL, OL and CEP head sensilla pores is influenced by apical constriction. This conclusion was made based on the findings that IL/OL/CEP pores migrate towards the prospective mouth anterior to the epidermal leading edge, separated from AM pores and irrespective of highly impaired AM sensilla morphogenesis after strong RPN-6.1 depletion. Also, concurrent with translocation of IL/OL/CEP pores, bottle-shaped cells occur and non-muscle-myosin and apical polarity factors are getting enriched at the anterior most part of the head, indicating de-novo manifestation of apical constriction. It is furthermore assumed that apical constriction in arcade cells might contribute to early pharynx development. All in all, this study reveals two force-generating events: Head enclosure-driven AM sensilla morphogenesis via dendrite towing and, otherwise, apical constriction-facilitated translocation of IL/OL/CEP sensilla pores. These events can get separated by graded depletion of the proteasome activator RPN-6.1.
Droughts impair plant growth, limit global net primary production and are predicted to increase in the course of climate change. Knowledge of the plant drought response on a molecular level can facilitate the selection of drought resistant genotypes and genetic engineering and thereby can help to implement strategies, such as assisted migration projects or crop improvement, in order to preserve natural and agricultural vegetation against droughts.
Studies on gene expression under drought stress were conducted in three species each of the genera Quercus and Panicum, to shed light on the molecular drought response in these species and identify drought responsive genes as a basis for technical applications.
In the genus Quercus, gene expression studies were conducted in the three major European forest trees Q. ilex, Q. pubescens and Q. robur, for which a distributional shift caused by climate change is predicted for the 21st century. RNA-Seq experiments were conducted in the three Quercus species for the first time, ortholog groups were assigned and unregulated genes, as well as drought responsive genes, were identified (Madritsch et al. 2019). For a set of the unregulated genes, a stable expression over the course of long-term drought periods was evaluated in order to enable an application as reference genes for normalizing qRT-PCR experiments (Kotrade 2019a). The reference genes were used in subsequent experiments to generate gene expression profiles over the course of a two-year drought experiment with consecutive drought periods for a set of twelve drought responsive genes and revealed a highly variable gene regulation under long-term drought stress in the Quercus species (Kotrade et al. 2019b).
In the genus Panicum, the gene expression in response to drought was examined in the two wild crop species, P. laetum and P. turgidum, and in the less drought tolerant species P. bisulcatum via RNA-Seq experiments (Kotrade et al. 2020 (in revision). The transcriptomes of the species were sequenced for the first time, ortholog groups were assigned and the gene regulation was compared across the species. The common grounds of the drought response in Panicum were determined by identifying similarities across the species, while the identification of differences between the species led to genes that might contribute to the higher drought tolerance of P. laetum and P. turgidum
A comparison across the two genera showed large differences in the gene regulation upon drought. This might be largely explained by different experimental setups that resulted in different drought conditions in the genera, such as drought intensity, drought duration and velocity of drought development.
The sequence information and the drought responsive genes identified in the Quercus and Panicum species can be used to develop marker assays for marker-assisted selection. The genes that putatively contribute to the higher drought tolerance of the two wild crop Panicum species should be considered as candidate targets in genetic engineering studies. Marker-assisted selection and genetic engineering can be applied, for example, in assisted migration projects to support natural vegetation in the course of climate change or to breed more drought tolerant crop strains to mitigate crop failure rates caused by droughts.
Thermoanaerobacter kivui ist ein thermophiles acetogenes Bakterium, das chemolithoautotroph auf CO2 unter Verwendung von molekularem H2 als Elektronendonor wächst und Acetat als Produkt über den Wood-Ljungdahl-Weg (WLP) bildet. Im WLP werden 2 Mol CO2 reduziert, um ein Mol Acetyl-CoA zu bilden. Erste Studien wurden durchgeführt, um die Physiologie von T. kivui zu verstehen. T. kivui wächst autotroph auf H2 + CO2 und nach Adaptation auch auf CO oder Syngas. T. kivui wächst ebenfalls auch in Minimalmedium ohne weitere Zugabe von Vitaminen, was es zu einem Biokatalysator mit hohem Potenzial für die Produktion von Chemikalien mit hohem Mehrwert macht. Heterotroph wächst T. kivui auf Glucose, Fructose, Mannose, Pyruvat oder Formiat. Kürzlich wurde beschrieben, dass T. kivui in der Lage ist, auf dem Zuckeralkohol Mannitol in Gegenwart und Abwesenheit von HCO3- (oder externem CO2) zu wachsen. Allerdings war das Wachstum in Abwesenheit von externem CO2 deutlich verlangsamt. Daher wurde in dieser Studie getestet, ob eine Zugabe von externem Formiat das "fehlende" CO2 kompensieren kann. In Kombination mit Formiat wurde das Wachstum auf Mannitol in CO2 und HCO3- freien definierten Medien bis zu einer maximalen OD600 von 2,34 und mit einer Verdopplungszeit von 2,0 ± 0,0 stimuliert, was dem Wachstumsverhalten auf Mannitol in Anwesenheit von CO2/HCO3- entsprach. In Abwesenheit von Formiat (oder CO2) erreichte T. kivui nur eine endgültige optische Dichte von bis zu 0,7 mit einer verlängerten Verdoppelungszeit von 5,2 ± 0,2 Stunden. Dieses Experiment zeigte die höhe metabolische Flexibilität von T. kivui durch die Nutzung von Formiat als Elektronenakzeptor, wenn kein oder nur wenig CO2 vorhanden ist.
Genomanalysen ergaben, dass T. kivui ein Trehalose- und Maltose-Transportsystem-Permeaseprotein (MalF) besitzt. Darüber hinaus verfügt T. kivui über Trehalose- und Maltosehydrolase-Gene, die als Kojibiose-Phosphorylase annotiert sind. Obwohl in der Originalveröffentlichung beschrieben wurde, dass der Organismus nicht auf Maltose oder Trehalose wachsen kann, konnte T. kivui im Laufe dieser Arbeit an das Wachstum auf Maltose und Trehalose adaptiert werden. Nach dem Transfer von einer Glukose-Vorkultur auf ein Medium mit 25 mM Maltose oder 25 mM Trehalose als alleinige C-Quelle wurde kein Wachstum erzielt. Bei Verwendung der gleichen Vorkultur in einem Medium mit höherer Konzentration (50 mM) Maltose oder Trehalose, begannen die Zellen zu wachsen. Bei Verwendung dieser adaptierten kulturen als Vorkultur wuchsen die Zellen in Gegenwart von in 25 mM Maltose oder Trehalose bis zu einer maximalen OD600 von 1,12 bzw. 0,73. Die Adaptation hing mit der Tatsache zusammen, dass der Organismus eine höhere Konzentration benötigt, um sich an diese Kohlenstoffquellen zu gewöhnen. Durch diese Daten wird das heterotrophe Potenzial von T. kivui erhöht.
Um die Bedeutung der wasserstoffabhängigen Kohlendioxidreduktase (HDCR) während des Wachstums auf Formiat oder auf H2 + CO2 im Stoffwechsel von T. kivui zu verstehen, wurden Studien auf molekularer Ebene durchgeführt. Die HDCR nutzt H2 direkt für die Reduktion von CO2 zu Formiat im ersten Schritt des Wood-Ljungdahl-Wegs (WLP). Um die Rolle der HDCR in dieser Reaktion zu untersuchen, wurde das hdcr-Gencluster mit Hilfe des kürzlich entwickelten Mutagenesytems für T. kivui deletiert. In Wachstumstudien konnte anschliessend gezeigt werden, dass die ߡhdcr-Deletionsmutante nicht mehr auf Formiat oder H2 + CO2 als alleiniger Kohlenstoffquelle wachsen konnte. Nach Komplementation der Mutante mit dem hdcr-Gene in cis wuchsen die Kulture wieder auf Formiat oder H2 + CO2. Diese Experimente zeigten, dass die HDCR für das Wachstum auf H2 + CO2 oder Formiat essentiell ist. Interessanterweise konnte in der ߡhdcr-Mutante ebenfalls ein verändertes Wachstum auf Glukose als alleiniger C-Quelle festgestellt werden. Die T. kivui ߡhdcr-Mutante wuchs nur bis zu einer OD600 von 0,2, während der Wildtyp und der hdcr-komplementierte Stamm bis zu einer OD600 von 2,64 bzw. 2,4 wuchsen. Damit wurde bewiesen, dass die HDCR auch für die vollständige Glukoseoxidation in T. kivui erforderlich ist. Durch die Zugabe von Formiat wurde das Wachstum vollständig wiederhergestellt, ähnlich wie beim Wildtyp. Dies belegt wieder die Nutzung Formiat als terminalen Elektronenakzeptor. Auch auf Mannitol oder Pyruvat konnte die Mutanten nur in Gegenwart von Formiat wachsen. Der Substratverbrauch und die Produktbildung der T. kivui ߡhdcr-Mutante wurden in einem Zellsuspensionsexperiment untersucht. Die Zellen verbrauchten Formiat nur in Gegenwart von Glukose und produzierten Acetat mit einem Acetat/Substrat-Verhältnis von etwas mehr als 3,0, während die Acetatproduktion nur 12 mM betrug, wenn Glukose als alleiniges Substrat verwendet wurde. Diese Ergebnisse zeigen eine enge Kopplung der Oxidation von Multikohlenstoffsubstraten an den WLP.
T. kivui ist eines der wenigen Acetogenen, die CO als einzige Kohlenstoff- und Energiequelle nutzen können. ...
Die Studien im Rahmen dieser Arbeit wurden am Modellorganismus Anabaena sp. PCC 7120 (Anabaena) durchgeführt, einem filamentösen Süßwasser-Cyanobakterium. Cyanobakterien sind photosynthetische, Gram-negative Organismen. Sie besitzen eine das Zytosol begrenzende Plasmamembran und eine Äußere Membran. TonB-abhängige Transporter (TBDTs) und Porine der Äußeren Membran bewerkstelligen und regulieren die Aufnahme von Nährstoffen. Typischerweise wenig abundante Substrate für den TBDT-vermittelten, aktiven Transport sind beispielsweise eisenhaltige Siderophore oder VitaminB12. Kleinere gelöste und abundante Stoffe wie Salze oder andere Ionen gelangen hingegen passiv durch Porine in das Periplasma.
In Anabaena wurden neun putative Porine identifiziert. Sieben hiervon wiesen eine porinspezifische Domänenstruktur auf (Alr0834, Alr2231, All4499, Alr4550, Alr4741, All5191 und All7614), und wurden im Rahmen dieser Arbeit näher betrachtet. Die Expression dieser sieben Gene wurde vergleichend untersucht, nachdem der Wildtyp in Standardmedium oder in Medium indem jeweils Mangan, Eisen, Kupfer oder Zink fehlte angezogen wurde. Außerdem wurde das Wachstum der einzelnen Porinmutanten im Vergleich zum Wildtyp auf Festmedium mit hohen Konzentrationen von Salzen, Antibiotika oder anderen Stoffen analysiert. Hierbei konnten den einzelnen Mutanten teilweise spezifische phänotypische Eigenschaften zugeschrieben werden. Zusammengefasst kann anhand der Analysenergebnisse vermutet werden, dass Alr4550 eine besondere Rolle in der Wahrung der Zellhüllenstabilität oder -integrität spielt, wohingegen das Fehlen von Alr5191 auf unbekannte Weise die Fixierung von Stickstoff zu erschweren scheint. Die alr2231-Mutante zeigte eine Resistenz gegenüber hohen Zinkkonzentrationen, was die Vermutung zulässt, dass Zink ein Substrat von Alr2231 darstellt. Für weitere Porine kann ebenfalls ein Zusammenhang zum Transport von Kupfer oder Mangan vermutet werden.
Neben Porinen wurden ebenfalls TonB-ähnliche Proteine in Anabaena untersucht. TonB ist ein plasmamembranständiges Protein, das in Komplex mit ExbB und ExbD die Energie für Transportprozesse über die Äußere Membran bereitstellt. Hierfür bindet TonB C-terminal an TBDTs und induziert dort Strukturänderungen, welche den Substratimport ins Periplasma ermöglichen. Als Energiequelle wird der Protonengradient genutzt, der über die Plasmamembran besteht. In Anabaena wurden vier putative TonB Proteine identifiziert, die sich jeweils in Länge und Domänenstruktur unterscheiden. Im Rahmen dieser Arbeit konnte durch Substrattransport-Experimente und Wachstumsanalysen gezeigt werden, dass TonB3 an der Aufnahme zweier Siderophore (Schizokinen und dem Xenosiderophor Ferrichrom) beteiligt ist, da die entsprechende Mutante sich als unfähig erwies diese zu als Eisenquelle nutzbar zu machen. Daneben wies TonB3 weitere Merkmale auf, die auch TonB-Proteinen anderer Organismen zugeschrieben wurden (Wachstumsdefizit der Mutante unter Eisenmangel, eisenabhängiges Expressionsprofil). Interessanterweise zeigte sich, dass das Siderophor Ferrichrom ebenfalls nicht als Eisenquelle für die tonB4-Mutante zur Verfügung stand, was zum Beispiel auf eine Beteiligung von TonB4 an dessen Transport hinweisen könnte.
TonB1, welches sich durch ein inkomplettes TBDT-Interaktionsmotiv auszeichnet, und TonB2 konnte keine Beteiligung am Siderophoretransport zugeschrieben werden, jedoch zeigten Mutanten der einzelnen Gene spezifische phänotypische Eigenschaften. Die tonB1-Mutante stach hervor durch ein vergleichsweise stark verzögertes Wachstum unter diazotrophen Bedingungen. Es konnte gezeigt werden, dass sowohl die Nitrogenaseaktivität als auch die expression vermindert war im tonB1-Mutantenstamm. Außerdem zeigten die Heterozysten dieser Mutante, die auf die Stickstoffixierung spezialisierten Zellen, eine abnormale Morphologie. Da die Expression von tonB1 jedoch nach dem Überführen von Wildypzellen in stickstoffreies Medium nicht erhöht war, kann eine direkte Beteiligung von TonB1 an der Heterozystendifferenzierung als unwahrscheinlich betrachtet werden. Die Zelleinschnürungen zwischen Heterozysten und vegetativen Zellen waren in I-tonB1 weniger ausgeprägt als im Wildtyp, was durch eine Anfärbung der Zellwand mit einem Fluoreszenzmarker gezeigt werden konnte. Ebenfalls konnte anhand des fluoreszierenden Markers Calcein gezeigt werden, dass die molekulare Diffusionsgeschwindigkeit zwischen Heterozysten und vegetativen Zellen, und auch zwischen zwei benachbarten vegetativen Zellen, in der tonB1-Mutante erhöht ist. Deswegen kann hier vermutlich vermehrt die Nitrogenase schädigender Sauerstoff in Heterozysten eindringen. Die aufgezählten Ergebnisse deuten auf eine Funktion von SjdR im Aufbau der Septumsstrukturen hin, beispielsweise durch Regulation der Peptidoglykansynthese oder -verteilung, weswegen TonB1 umbenannt wurde in SjdR (Septal junction disc regulator).
Die Untersuchung der tonB2-Mutante zeigte bei dieser eine veränderte Pigmentierung, eine vermehrte Lipopolysaccharidproduktion und Filamentaggregation sowie eine erhöhte Resistenz gegenüber bestimmten Antibiotika oder Detergenzien. Letzteres könnte auf die ebenfalls in der tonB2-Mutante beobachtete verringerte Porinexpression zurückgeführt werden. Es wurde außerdem eine vermehrte Anreicherung von Kupfer und Molybdän in der Mutante gemessen, was ein Grund für die Veränderte Pigmentierung sein könnte und ebenfalls die Porinexpression beeinflussen könnte. Insgesamt scheint sich das Fehlen von TonB2 auf die Integrität der Äußeren Membran auszuwirken. Daher kann für TonB2, eine Funktion in Anlehnung an das Tol-system vermutet werden.
Die Bildung von Blutgefäßen ist essentiell für die Entwicklung und Homöostase von Wirbeltieren und die Endothelzellspezifikation ist ein wichtiger erster Schritt in diesem Prozess. Das früheste bekannte Ereignis bei der Endothelzellspezifikation im Zebrafisch ist die Expression des bHLH-PAS-Transkriptionsfaktor-Gens npas4l. Ich habe eine transgene V5-Linie zum Nachweis des markierten Npas4l auf Proteinebene und eine Gal4-VP16-Reporterlinie zur Visualisierung und Verfolgung von npas4l exprimierenden Zellen in vivo generiert. Beide Linien können bereits in frühen Entwicklungsstadien nachgewiesen werden und komplementieren auch starke npas4l-Mutanten Allele. Um npas4l Reporter exprimierende Zellen in npas4l Mutanten zu verfolgen, habe ich anschließend eine mutierte Variante der Gal4-Reporterlinie erzeugt. Diese Mutante trägt eine Insertion in der Region, die die DNA-Bindedomäne kodiert. Dadurch stört sie die Npas4l-Funktion, aber nicht die Reporterexpression. Dieses mutierte Reporterallel komplementiert nicht die npas4l-Mutanten und zeigt einen starken Phänotyp, was darauf hindeutet, dass es sich um ein funktionelles Nullallel handelt. Phänotypische Analysen zeigten, dass npas4l-Reporter positive Zellen in npas4l-Mutanten nicht spezifizieren oder zur Mittelachse wandern. Stattdessen tragen sie zu den vom intermediären Mesoderm abgeleiteten pronephrischen Tubuli und dem vom paraxialen Mesoderm abgeleiteten Skelettmuskel bei. Ich habe diese Phänotypen durch Einzelzell-RNAseq an den npas4l-Reporter positiven Zellen in npas4l+/- und npas4l-/- Embryonen bestätigt. Zusammen erklären diese beiden alternativen Zellschicksale den Großteil der beobachteten Veränderungen zwischen den Genotypen. Npas4l ist dafür bekannt die Expression der drei Transkriptionsfaktorgene etsrp, tal1 und lmo2 zu fördern. Ich stellte die Hypothese auf, dass das Fehlen jedes dieser Transkriptionsfaktoren in npas4l-Mutanten verschiedene Aspekte des npas4l-Phänotyps verursacht. Daher habe ich Mutantenlinien für alle drei Gene generiert und sie sowohl in vaskulären Reporterlinien als auch im npas4l-Reporterhintergrund analysiert. Die Daten legen nahe, dass verschiedene Gene unterschiedliche Prozesse während der frühen Endothelentwicklung regulieren. In npas4l-/- und etsrp-/- Embryonen differenzieren npas4l-Reporter exprimierende Zellen nicht zu Endothelzellen und tragen stattdessen zur Skelettmuskelzellpopulation bei. In npas4l-/- und tal1-/- Embryonen können npas4l-Reporter exprimierende Zellen nicht migrieren und tragen stattdessen zu der Bildung der pronephrischen Tubuli bei. Um die Beziehung zwischen diesen Faktoren besser zu verstehen, habe ich getestet, ob die Injektion von etsrp-, tal1- oder lmo2-mRNA verschiedene Aspekte des npas4l-Phänotyps retten würde. npas4l-, etsrp- und tal1-Mutanten zeigen alle schwere vaskuläre Phänotypen. Einige Endothelzellen und vaskuläre Strukturen bleiben jedoch in jeder Mutante erhalten. Der Phänotyp ist am stärksten in npas4l-/- Embryonen, aber selbst in diesen Embryonen können einige fli1a-positive Endothelzellen in der Schwanzregion beobachtet werden. Es war unklar, ob sich diese Population von Endothelzellen unabhängig von der Npas4l-, Tal1- und Etsrp-Funktion entwickelt oder als Folge einer restlichen tal1- oder etsrp-Expression unabhängig von Npas4l. Um diese Frage zu untersuchen, habe ich Doppelmutanten generiert und nach dem Vorhandensein von fli1a-positiven Endothelzellen in diesen Mutanten gesucht. Während fli1a-positive Endothelzellen in npas4l-/- und npas4l-/-;tal1-/- Embryonen deutlich vorhanden sind, können keine solchen Zellen in npas4l-/-;etsrp-/- oder etsrp-/-;tal1-/- Embryonen beobachtet werden. Diese Daten deuten darauf hin, dass sich im Zebrafisch keine Endothelzellen entwickeln können, wenn zugleich npas4l und etsrp oder etsrp und tal1 gestört sind. Während der Verlust von etsrp zu stärkeren Defekten in npas4l-Mutanten führt, gibt es keinen zusätzlichen Phänotyp, der durch den Verlust von tal1verursacht wird, was darauf hindeutet, dass die Expression von etsrp, aber nicht die von tal1, unabhängig von Npas4l auftreten kann. Diese Idee wird durch die Beobachtung unterstützt, dass etsrp, aber nicht tal1-Expression in den meisten fli1a-exprimierenden Zellen in npas4l-/- Embryonen beobachtet wird. Dennoch wird der Großteil -Expression durch Npas4l reguliert. tal1-mRNA-Injektionen reichten aus, um eine Wildtyp-ähnliche vaskuläre Musterbildung im Bauchbereich der npas4l-/- Embryonen wiederherzustellen, einschließlich der Rettung sowohl der Zellmigration als auch der Differenzierung. Da Npas4l mehrere unterschiedliche transkriptionelle Effektoren hat, war eine so starke Rettung durch nur einen dieser Effektoren unerwartet. In den geretteten Mutanten wurde die bilaterale Population von npas4l-Reporter-positiven pronephrischen Tubuluszellen nicht entdeckt, aber die Anzahl der ektopischen npas4l-Reporter exprimierenden Muskelzellen war im Vergleich zu nicht injizierten npas4l-Mutanten gleichbleibend.
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Glucose homeostasis is tightly regulated by insulin production from ß-cells and glucagon production from α-cells. Changes in the balance of these hormones lead to Diabetes Mellitus (DM), which is foreseen to be the 7th leading cause of death by 2030, warranting a high demand to identify new therapeutics. DM is characterized by a reduction in ß-cell mass and reduced insulin production from ß-cells. α-cell development and fate mainly depend on the activity of the homeodomain-containing transcription factor Aristaless related homeobox (Arx). Conditional loss- of- function of Arx in α-cells leads to their conversion into functional insulin-producing ß-cells and thus an expansion of ß-cell mass. Therefore, inhibition of Arx is an interesting target for the expansion of ß-cells. The zebrafish model provides a fast, cost-effective and reliable translational platform for drug discovery in an in vivo setting. Here, we screened ~6217 small molecules on a transgenic zebrafish line (TgBAC(arxa:Luc2)) in which the arx promoter drives the expression of the luciferase gene which allows a sensitive and quantitative readout of promoter activity. Small molecule screening allowed us to identify 36 candidate repressors of arxa promoter activity. Furthermore, we started to validate these candidates in other assays. Preliminary results showed that DMAT (a potent CK2 inhibitor) and CNS-1102 (NMDA receptor inhibitor) increase functional ß-cell regeneration. By lineage tracing α-cells during ß-cell regeneration, we could show that both DMAT and CNS-1102 promote α- to ß-cell transdifferentiation. Here, we propose that Casein kinase II and NMDA receptor as potential molecular targets that could be exploited for the treatment of diabetes by generating functional beta-cells from the non-beta-cell progenitor, particularly alpha-cells in situ.
The present study approached two related but conceptually different questions of EV biology in cancer. In both approaches, tailored variants of the Cre LoxP system were utilized. First, in the context of intradermal and intracranial tumours, it was examined which cells in the tumour microenvironment (TME) take up tumour derived
EVs and what effects EV uptake has on recipient cells. Secondly, in the context of glioma, peripheral macrophages (MF) were directly traced to the brain and
separated from brain resident microglia (MG). Furthermore, EV signalling between these entities was analysed.
Regarding the first approach, multidirectional transfer of functional Cre recombinase RNA in intradermal and intracranial mouse tumour models was observed. In spite of robust recombination rates in all tumour models, the total number of EV-uptaking cells is around three times higher than the total number of recombined cells, suggesting that interactions of cells and EVs which contain CremRNA does not necessarily lead to marker gene expression. Subsequent studies can build up on this established system and isolate and characterise EV-uptaking cells to identify geno- and phenotypical changes induced by EV uptake.
The second, conceptionally different aspect that was investigated in this study is the distinction and tracing of peripheral MF to the brain and their distinction from
brain resident MG in glioma. Glioblastoma multiforme (GBM) is the most common and the most malignant brain tumour. The average patient survival of 15 months
past diagnosis did not change much during the last decades, which stresses the need for new therapies. GBM location in the immune privileged brain, its characteristically highly immune suppressive TME and its highly invasive growth
makes this disease so difficult to treat. Immune therapies, which in general show good results in other types of cancer, are not effective in GBM. To a great extent, this can be ascribed to the lack of understanding of MG and MF function in GBM and their roles in tumour progression.
Clonal hematopoiesis of indeterminate potential (CHIP) is caused by recurrent somatic mutations leading to clonal blood cell expansion. However, direct evidence of the fitness of CHIP-mutated human hematopoietic stem cells (HSCs) in blood reconstitution is lacking. Because myeloablative treatment and transplantation enforce stress on HSCs, we followed 81 patients with solid tumors or lymphoid diseases undergoing autologous stem cell transplantation (ASCT) for the development of CHIP. We found a high incidence of CHIP (22%) after ASCT with a high mean variant allele frequency (VAF) of 10.7%. Most mutations were already present in the graft, albeit at lower VAFs, demonstrating a selective reconstitution advantage of mutated HSCs after ASCT. Thus, CHIP-mutated stem and progenitor cells largely gain on clone size upon ASCT-related blood reconstitution, leading to an increased future risk of CHIP-associated complications. CHIP increase with age and is also associated with atherosclerosis and inflammation. Age and inflammation are the major risk factors for heart failure, yet the association of CHIP with chronic ischemic heart failure (CHF) in humans is unknown. Therefore, we analyzed bone marrow-derived mononuclear cells from 200 patients with CHF by NGS to detect the presence of CHIP and associated such with long-term prognosis in patients with CHF. Forty-seven mutations with a VAF of at least 2% were found in 18.5% of 200 patients with CHF. The mutations most commonly occurred in the genes DNMT3A and TET2. During a median follow-up of 4.4 years, a significantly worse clinical outcome for patients with either DNMT3A or TET2 mutations compared with non-CHIP carriers was notable. Importantly, there was a significant dose-response association between VAF and clinical outcome. Our data suggest that somatic mutations in hematopoietic cells, may be significantly associated with the progression and poor prognosis of CHF.
The central dogma of biology is based on the concatenated transfer of information from DNA, via transcribed mRNA, to the translated protein. In eukaryotes, transcription and translation are separated locally as well as temporally by cellular compartmentalization. Prior to active export factor-dependent transport from the nucleus to the cytosol, the newly formed pre-mRNA must mature. This involves 5'capping, splicing, and endonucleolytic cleavage and polyadenylation (CPA).
Transcription of a new pre-mRNA is terminated by hydrolytic cleavage in the 3'-UTR, and the newly formed 3'-end is protected from premature degradation by synthesis of a poly(A) tail. These processes are catalyzed by four multi-protein complexes (CFIm, CFIIm, CPSF, and CsTF) and poly(A) polymerase (PAP). CPA is sequence-specific and dependent on RNA-binding proteins (RBPs). APA-specific sequences include the poly(A) motif ('AAUAAA' and certain motif variants), the UGUA motif, and U/GU-rich sequences upstream and downstream of the poly(A) signal, respectively. About 70% of mammalian genes have more than one polyadenylation site (PAS) and express transcripts of different lengths by a mechanism called alternative polyadenylation (APA). This can affect the length of the 3'UTR (3'UTR-APA) or the coding sequence of the transcript (CDS-APA) if the alternative PAS is upstream of the STOP codon. The length of the 3'UTR affects the stability, export efficiency, subcellular localization, translation rate, and local translation of the nascent transcript. 3'UTR-APA is regulated in the interplay of the cis-elements (poly(A) motif, UGUA and U/GU) and trans-elements (expression of CPA factors). In this context, the functions of the individual cis and trans elements have been extensively studied, yet the regulation of alternative polyadenylation-the decision whether to use the proximal or distal PAS-is less deciphered and requires additional study.
In murine P19 cells, we were able to demonstrate for the first time a direct link between 3'UTR-APA and nuclear export of mature mRNA by the splicing factors SRSF3 and SRSF7 and decipher the mechanism. At the core here is the direct recruitment of the export factor NXF1 by SRSF3 and SRSF7 to transcripts with 3'UTRs of different lengths.
The primary goal of the thesis presented here was to decipher the function of SRSF3 and SRSF7 in the regulation of 3'UTR-APA and to determine the basic mechanism. For this purpose, various genome-wide methods, such as RNA-Seq, MACE-Seq, and iCLIP-Seq, were integrated and the findings were supported by reporter gene and mutation studies.
Initial determination of the poly(A)-tome in P19 cells by MACE-Seq yielded approximately 16,000 PAS and showed that slightly less than 50% of all genes used two or more PAS and expressed alternative 3'UTR isoforms. Further DaPARS analyses after knockdown of Srsf3 or Srsf7 confirmed that SRSF3 affected more transcripts than SRSF7 and led primarily to the expression of long 3'UTRs, whereas SRSF7 promoted the expression of short 3'UTRs. Integration of SRSF3- and SRSF7-specific iCLIP data suggested a possible competition between SRSF3 and SRSF7 at the proximal PAS (pPAS), which could thus act as a hotspot of 3'UTR regulation.
Experiments with intron-free reporter genes revealed that SRSF3- and SRSF7-dependent regulation of 3'UTR-APA is independent of splicing. With respect to SRSF7, a concentration dependence was demonstrated. Mutation experiments involving the SRSF3- and SRSF7-specific binding motifs in the 3'UTR also confirmed the hypothesis of competition between the two SR proteins.
Extensive Co-IP experiments clearly demonstrated that only SRSF7, but not SRSF3, can interact with CFIm and FIP1 (a subunit from the CPSF complex) in an RNA-independent manner. In addition, we showed that these interactions exhibited some phosphorylation dependence, such that the interaction to FIP1 arose primarily in the semi- to hypophosphorylated state of SRSF7. Whereas the interaction to CFIm was mainly detected in the hyperphosphorylated state. The differential affinity between SRSF3 and SRSF7 for polyadenylation factors could be attributed to two SRSF7-specific domains in subsequent mutation experiments: A CCHC-type Zn finger between the RRM and the RS domain, and a hydrophobic 27 amino acid long region in the middle of the RS domain. Together, this suggested that SRSF3 could block the utilization of pPAS, whereas SRSF7 could activate it by directly recruiting polyadenylation factors.
Interestingly, we showed that knockdown of Srsf3 also negatively regulates the expression of Cpsf6 (a subunit of CFIm) through alternative splicing, which subsequently leads to decreased expression of CPSF6 and of CFIm. Reduction of CFIm led to increased expression of transcripts with short 3'UTR, analogous to knockdown of Srsf3. This mirrors the results of previous studies. A direct comparison between SRSF3- and CPSF6-specific transcripts revealed that not all targets were congruent. In addition, we found preliminary evidence for CFIm-related masking of essential cis-pPAS elements by bimodal UGUA motifs at the pPAS. In summary, we present a novel mechanism of indirect 3'UTR-APA regulation through SRSF3-conditional expression of the CFIm subunit CPSF6.
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Despite constant progress in basic and translational research, cancer is still one of the leading cause of death. In particular, tumors of the central nervous system (CNS) are usually associated with dismal prognosis. Although about 100 distinct subtypes of primary CNS tumors have been classified molecularly, metastases derived from primaries outside the CNS (= brain metastases, BrM) are more frequently observed across brain tumor patients. It is estimated that approximately 20 - 40 % of all cancer patients will develop BrM during their course of disease, and basically every tumor type is able to metastasize to the brain. Nevertheless, BrM are most frequently derived from primaries of the lung, breast, and skin (melanoma). Treatment options for patients with BrM are very limited, and standard of care therapies include surgery, ionizing radiation (e.g. whole brain radio-therapy, WBRT), and some systemic and immuno-therapeutic approaches.
The brain represents a unique organ, which in part is due to the presence of the blood-brain barrier, a unit of the neuro-vascular interface ensuring tightly regulated exchange of nutrients, molecules, and cells. Furthermore, apart from microglia the brain parenchyma does not harbor other immune cells. Those cells however can be found at the borders of the CNS residing in the meninges, for instance. Based on recent insight on the immune landscape in the CNS, a paradigm shift occurred after which the brain is no longer regarded as immune-privileged but rather immune distinct. The phenomenon of immune cell infiltration has been described before in the context of neurological disorders including Multiple Sclerosis, as well as in brain tumors.
Since the development of immune-therapeutic approaches for tumors outside the CNS that aim to evoke sustainable anti-tumor effects, it became increasingly interesting to understand and harness the immune landscape (= tumor microenvironment, TME) of brain tumors, as well. Interestingly, most of the knowledge about the TME is based on studies of primary brain tumors. However, it is known that BrM compared to primary brain tumors induce a different TME like e.g. the recruitment of much more lymphocytes, which is one of the reasons primary brain tumors are considered immunologically “cold” and poorly respond to immuno-therapies. Previous insight into the functional contribution of tumor-associated cells in BrM progression revealed for example that brain-resident cell types (e.g. astrocytes or microglia) promote BrM development and outgrowth. However, until recently a comprehensive view on the cellular composition and functional role of the brain metastases-associated TME was missing and little was known how it changes during tumor progression or standard therapy.
Hence, within this thesis it was sought to describe novel aspects of the TME of preclinical BrM models, which include two xenograft and one syngeneic mouse model. BrM was induced via intra-cardiac injection of tumor cells with a high brain tropism. Both xenograft models were based on immuno-compromised nude mice (Balb/c nude) and included the melanoma-to-brain (M2B) model H1_DL2, and the lung-to-brain (L2B) model H2030. In addition the breast-to-brain model 99LN-BrM was used in wild-type mice (BL6), and therefore represented an immuno-competent, syngeneic model. First BrMs could be detected in the xenograft models at 3 weeks after injection, whereas first 99LN BrMs were detected at 5 weeks. BrM development and progression were monitored by bioluminescence imaging once per week in the xenograft models. Tumor progression in the 99LN model was examined by magnetic resonance imaging. Based on the measurement methods, and for further histologic and cytometric experiments, mice were stratified into groups with small or large BrMs, respectively. Some initial immuno-stainings confirmed previous findings, showing that brain-resident cells like astrocytes and microglia become activated in the presence of tumor cells, whereas neurons for example rather give the impression of passive bystanders. Importantly, an accumulation of IBA1+ cells was observed during BrM progression. IBA1 is a pan-macrophage marker that stains all tumor-associated macrophages (TAMs). However previous work suggested that the TAM population consists of at least two main subpopulations in BrM as well: the resident-infiltrating microglia (MG, TAM-MG), as well as the peripheral and monocytic-derived macrophages (TAM-MDM). Since both cell types within the tumor share morphological traits, and due to the lack of markers to distinguish them, an exact discrimination of both cell types was complicated in the past. Recently, an integrative lineage-tracing-based study identified the integrin CD49d as MDM-specific in the context of brain tumor-associated myeloid cells, hence enabling a reliable dissection of both TAM populations in e.g. flow cytometric experiments.
One of the main aims of this thesis was to dissect the myeloid TME in the three different BrM models during tumor progression. Using a 5-marker flow cytometry (FCM) (CD45/CD11b/Ly6C/Ly6G/CD49d) approach, the following cell populations were examined in more detail: granulocytes, inflammatory monocytes, MDM, and MG.
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A large number of chemicals are constantly introduced to surface water from anthropogenic and natural sources. Although substantial efforts have been made to identify these chemicals (e.g potentially anthropogenic contaminants) in surface waters using liquid chromatography coupled to high resolution mass spectrometry (LC-HRMS), a large number of LC-HRMS chemical signals often with high peak intensity are left unidentified. In addition to synthetic chemicals and transformation products, these signals may also represent plant secondary metabolites (PSMs) released from vegetation through various pathways such as leaching, surface run-off and rain sewers or input of litter from vegetation. While this may be considered as a confounding factor in screening of water contaminants, it could also contribute to the cumulative toxic risk of water contamination. However, it is hardly known to what extent these metabolites contribute to the chemical mixture of surface waters. Thus, reducing the number of unknowns in water samples by identifying also PSMs in significant concentrations in surface waters will help to improve monitoring and assessment of water quality potentially impacted by complex mixtures of natural and synthetic compounds. Therefore, the main focus of the present study was to identify the occurrence of PSMs in river waters and explore the link between the presence of vegetation along rivers and detection of their corresponding PSMs in river
water.
In order to achieve the goals of the present thesis, two chemical screening approaches, namely, non-target and target screening using LC-HRMS were implemented. (1) Non-target analysis involving a novel approach has been applied to associate unknown peaks of high intensity in LC-HRMS to PSMs from surrounding vegetation by focusing on peaks overlapping between river water and aqueous plant extracts (Annex A1). (2) LC–HRMS target screening in river waters were performed for about 160 PSMs, which were selected from a large phytotoxin database (Annex A2 and A3) considering their expected abundance in the vegetation, their potential mobility, persistence and toxicity in the water cycle and commercial availability of standards.
In non-target screening (Annex A1), a high number of overlapping peaks has been found in between aqueous plant extracts and water from adjacent location, suggesting a significant impact of vegetation on chemical mixtures detectable in river waters. The chemical structures were assigned for 12 pairs of peaks while several pairs of peaks
whose MS/MS spectra matched but no structure suggestion were made by the implemented software tools for retrieving possible chemical structure. Nevertheless, the pairs of peaks with matching spectra represented the same chemical structure. The identified compound belonged to different compound classes such as coumarins, flavonoids besides others. For the identified PSMs individual concentration up to 5 µg/L were measured. The concentration and the number of detected PSMs per sample were correlated with the rain event and vegetation coverage.
Target screening unraveled the occurrence of 33 out of 160 target compounds in river waters (Annex A2 and A3). The identified compounds belonged to different classes such as alkaloids, coumarins, flavonoids, and other compounds. Individual compound concentrations were up to several thousand ng/L with the toxic alkaloids narciclasine and
lycorine recording highest maximum concentrations. The neurotoxic alkaloid coniine from poison hemlock was detected at concentrations up to 0.4 µg/L while simple coumarins
esculetin and fraxidin occurred at concentrations above 1 µg/L. The occurrence of some PSMs in river water were correlated to the specific vegetation growing along the rivers while the others were linked to a wide range of vegetation. As an example, narciclasine and lycorine was emitted by the dominant plant species from Amaryllidaceae family (e.g. Galanthus nivalis (snow drop), Leucojum vernum and Anemone nemorosa) while intermedine and echimidine were from Symphytum officinale. The ubiquitous occurrence of simple coumarins fraxidin, scopoletin and aesculetin could be linked to their presence in a wide range of vegetation.
Due to lack of aquatic toxicity data for the identified PSMs (in both target and non-target) and extremely scarce exposure data, no reliable risk assessment was possible.
Alternatively, risk estimation was performed using the threshold for toxicological concern (TTC) concept developed for drinking water contaminants. Many of the identified PSMs
exceeded the TTC value (0.1 µg/L) thus caution should be taken when using such surface waters for drinking water abstraction or recreational use.
This thesis provides an overview of the occurrence of PSMs in river water impacted by the massive presence of vegetation. Concentration for many of the identified PSMs are well within the range of those of synthetic environmental contaminants. Thus, this study adds to a series of recent results suggesting that possibly toxic PSMs occur in relevant concentrations in European surface waters and should be considered in monitoring and risk assessment of water resources. Aquatic toxicity data for PSMs are extensively lacking but are required to include these compounds in the assessment of risks to aquatic organisms and for eliminating risks to human health during drinking water production.
Nature and its constituents are known to affect human well-being in positive and negative ways. Nature can be beneficial for humans by providing, for instance, food, recreation or inspiration. Natural disasters or transmitted diseases are, on the other hand, examples of nature’s detrimental or harmful contributions to human well-being. Such positive as well as negative effects have been termed Nature’s Contributions to People (NCP) by the Intergovernmental Science-Policy Platform for Biodiversity and Ecosystem Services (IPBES) and can be categorized into three different types of contributions: regulating, material and non-material NCP. While regulating and material NCP have been studied extensively, research on the non-material NCP is less common in comparison, especially regarding non-material NCP of biodiversity and wildlife. This dissertation therefore aims at shedding light on the non-material links between biodiversity, wildlife and human well-being. The thesis presents the results of three individual research studies in three separate chapters (CH1, 2 & 3).
In the first chapter (CH1) I conduct a systematic literature review on the non-material contributions of wildlife. Several previous reviews have published overviews on the non-material contributions of wildlife. However, only a few of these reviews examine both the positive and negative effects of wildlife in combination. These reviews usually cover few aspects of human well-being (e.g. recreation, health, psychological well-being) or just focus on a specific group of wildlife species (e.g. carnivores, scavengers). In addition, the pathways determining how wildlife affects human well-being are yet little understood. The aim of this review is therefore to create a holistic overview of the current knowledge on non-material contributions of wildlife (WCP), by summarising research on positive and negative effects and disentangling potential channels of human-wildlife experiences.
My results show that most studies in scientific literature report negative WCP. However, over the last decade the number of publications on positive WCP has increased, mainly in the Global North. This change in research focus, at the turn of the century, may be related to the newly emerging ideas and perspectives on nature during that time (e.g. Ecosystem Services and NCP). The results may also indicate different research interests across global regions and a focus on positive WCP (especially in the Global North). Surprisingly, the review identifies a lack of joint systematic assessments of positive and negative WCP across taxa, human well-being dimensions and ways (channels) of wildlife experiences. Studies show taxon-specific differences, with predominantly positive WCP reported for birds and predominantly negative WCP published for mammals and reptiles. Physical health was the most examined human well-being dimension, while many others, such as subjective well-being, social well-being, learning, identity or sense of place were rarely studied in comparison. The two channels of wildlife experiences that have been mainly studied or reported are Interaction and Knowing. While Interaction describes multisensory experiences in which people physically interact with wildlife. Knowing describes the metaphysical connection between humans and wildlife that arises through thinking or remembering experiences from wildlife encounters (including knowledge about wildlife).
To date, only few published studies examine the relationship between biodiversity and human well-being across larger spatial scales. For instance, little is known about how biodiversity is related to human well-being on the national or continental level. The second and third chapter (CH2 & 3) are thus comprised of two empirical case studies which examine the relationship between biodiversity and human well-being across Germany and Europe, respectively. As indicator for biodiversity, I use different species diversity measures including species richness and abundance. In the second chapter (CH2) I analyse the association between species richness and human health across Germany. The results demonstrate a significant positive relationship between plant and bird species richness and mental health while controlling for a multitude of socio-economic and demographic factors as well as other nature characteristics. In the third chapter (CH3) I conduct the first study on the relationship between species diversity and subjective well-being on the continental level. The results show that bird species richness (unlike mammal, megafauna and tree richness) is positively associated with life-satisfaction, a measure for subjective well-being across Europe. These results are robust while accounting for socio-economic and macro-economic factors. The results of both empirical studies are in correspondence with previous research, conducted on the local and national level.
Overall, my dissertation shows that wildlife and biodiversity greatly affect human well-being and provide substantial non-material NCP.
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The blood-brain barrier (BBB) protects the brain microenvironment from external damage. It is formed by endothelial cells (ECs) lining the brain vessels, expressing tight junctions and having reduced transcytosis, resulting in a very low paracellular and transcellular passage of substances, respectively (low permeability). The specific BBB phenotype is maintained by Wnt molecules secreted by astrocytes (ACs) that bind to receptors in ECs, and start a molecular cascade that leads to β-catenin translocating to the nucleus and activating the transcription of BBB genes.
An increasing number of studies report BBB dysfunction in Alzheimer’s disease (AD), although the topic is currently under debate. AD is a neurodegenerative condition characterized by brain depositions of Aβ aggregates and Tau neurofibrillary tangles. The aetiology of AD is unknown, although round 5% of all AD cases have a genetic origin. Mutations in APP or PSEN1/2 can lead to Aβ over-production and accumulation, causing familiar AD. There is no cure for AD, as all clinical trials failed during the past years. Consequently, I studied the role of the BBB in AD, aiming to investigate if a BBB dysfunction occurs in AD, and to identify by transcriptomic analysis novel gene regulations happening at the BBB in AD. The final objective was to evaluate the potential of identified BBB genes as therapeutical target.
I used transgenic mice expressing the human APP mutations Swiss, Dutch and Iowa under the control of the neuronal promoter Thy1 (Thy1-APPSwDI) as AD model. In this AD mouse model, I could detect Aβ deposits and memory loss by immunofluorescence (IF) and behavioural tests. Importantly, I identified an increase of BBB permeability to 3-4 kDa dextrans in 6 months, 9-12 months, and 18 months or older AD mice compared to age-matched control wild types (WT), indicating BBB dysfunction in AD mice.
In order to study the BBB transcriptional changes in AD, I sequenced the RNA from 6 and 18 months old AD and WT mouse brain microvessels (MBMVs), as well as of FACS-sorted ECs, mural cells (MuCs), ACs, and microglia (MG) in collaboration with GenXPro, a company specialized in 3’ RNA sequencing. Currently, no transcriptomic datasets of ECs and MuCs are publicly available, suggesting that this is the first study sequencing those cell types in the context of AD.
The analysis of sequencing data from MBMVs and ECs revealed a Wnt/β-catenin repression, and an increase of inflammatory genes like Ccl3 in ECs, that could explain the BBB dysfunction observed in AD mice. Furthermore, the sequencing data from MuCs identified a set of 11 genes strongly regulated in both 6 and 18 month AD groups. Three of those 11 genes are known to be involved in inflammatory processes, demonstrating that inflammation affects and plays an important role in MuCs and ECs during AD.
Thanks to published sequencing data, some up-regulated MG genes in AD are well known and recognized, such as Trem2 and Apoe. Those genes were found in the FACS-sorted MG data as well, validating the AD model and with it, the other novel sequenced datasets. Importantly, one of the most strongly AD-regulated genes in MBMV and MG samples was Dkk2, a member of the Dickkopf family of secreted proteins known to be involved in Wnt signalling modulation. Importantly, a dual luciferase reporter assay proved that Dkk2 is a Wnt inhibitor. A preliminary immunohistochemistry examination of DKK2 in human brain autopsy tissue from an AD patient and age-matched control revealed a stronger DKK2 immunoreactivity in the AD brain.
In order to answer the question whether a rescue of BBB function would ameliorate AD symptoms, I made use of a tamoxifen-inducible transgenic mouse line to activate the Wnt/β-catenin pathway specifically in ECs, leading to a gain of function (GOF) condition (Cdh5-CreERT2+/–/Ctnnb1(Ex3)fl/fl). This mouse line was then crossed with the AD line, creating AD/GOF and AD/control groups.
AD/GOF mice performed better in a Y-Maze memory test than AD/controls when the Wnt/β-catenin pathway was induced before AD onset, indicating a protective effect. Moreover, the finding implies that shielding BBB functioning in AD further protects the brain from AD toxic effects, suggesting an important role of brain vasculature in AD and its potential as therapeutic target.
Synaptic plasticity is the activity dependent alteration of the composition, form and strength of synapses and believed to be the underlying mechanism of learning and memory formation. While initial changes in synaptic transmission are caused by second messenger signaling pathways and rapid modifications in the cytoskeleton, to achieve stable and persistent changes at individual synapses, the expression of new mRNAs and proteins is required. The central dogma postulated that the cell body is the only source of newly synthesized proteins. For neurons, with their unique morphology, this meant that proteins would need be transported long distances, often hundreds of microns, to reach their destined locations in dendrites and at spines. To overcome this limitation, neurons have developed a strategy to regulate protein synthesis locally by distributing thousands of mRNAs into neuronal processes and use them for local protein synthesis. Ample research has demonstrated the importance of local protein synthesis to many forms of long-term synaptic plasticity. One potential regulator of mRNA localization and local translation in neurons are non-coding RNAs. Intensive work over the past decades has highlighted the importance of non-coding RNAs in many aspects of brain function. The aim of this thesis is to obtain a better understanding of the role of non-coding RNAs in synaptic function and plasticity in the murine hippocampus. For this, we focused our studies on two classes of non-coding RNAs.
In the first part of my thesis, I describe our efforts on characterizing circular RNAs, a novel and peculiar family of non-coding RNAs, in the murine hippocampus by combining high throughput RNA-Sequencing with fluorescence in situ hybridization. Furthermore, we investigated the mechanisms of circular RNA biogenesis in hippocampal neurons by temporarily inhibiting spliceosome activity and analyzing the differentially regulated circular RNAs.
As fossil resources are diminishing, environmental concerns arise and chemical synthesis often involves expensive catalysts or extensive extraction procedures, the demand for production of industrially relevant compounds from renewable resources increases. In this context, engineering microorganisms for production of specialty chemicals, such as 3-alkylphenols, presents an attractive, environmental-friendly approach. 3-alkylphenols have various applications: due to their antiseptic and stabilizing properties many 3-alkylphenols, including 3-methylphenol (3-MP), are utilized as additives in disinfectant reagents and biological products, while they can be also implemented as platform chemicals for production of lubricating oil additives or flavors. Some 3-akylphenols have potential for transmission control of the disease sleeping sickness that is transmitted by tsetse flies in sub-saharan Africa, since 3-ethylphenol (3-EP) and 3-propylphenol (3-PP) and to a lesser degree 3-MP were found to attract tsetse flies and improved catch rates in impregnated tsetse fly traps. Microbial fermentation of 3-alkylphenols would provide a simple and inexpensive way for local communities in Africa to produce these compounds and prepare their own tsetse fly traps.
Some molds synthesize 3-MP as an intermediate during biosynthesis of the mycotoxin patulin. However, the heterologous host Saccharomyces cerevisiae has advantageous traits for industrial application, since it is well characterized, robust, simple to handle and easily genetically accessible. In this thesis, genetical engineering approaches were utilized to establish the yeast S. cerevisiae for biotechnological production of 3-alkylphenols. As a proof of concept, the iterative polyketide synthase from Penicillium patulum, 6-methylsalicylic acid synthase (MSAS), and 6-methylsalicylic acid (6-MSA) decarboxylase PatG from Aspergillus clavatus were heterologously expressed in S. cerevisiae resulting in the first reported de novo biosynthesis of 3-MP via 6-MSA in yeast from sugars (Hitschler & Boles, 2019). It was shown that codon-optimization and genomic integration of heterologous genes, high initial cell densities and a balanced expression of PatG were beneficial for heterologous production of up to 589 mg/L 3-MP in S. cerevisiae. However, toxicity of 3-MP limited higher product accumulation.
Different in vivo detoxification strategies were implemented to face this bottleneck. Growth tests revealed that 3-methylanisole (3-MA) is less toxic to the yeast cells than 3-MP. Expression of an orcinol-O-methyltransferase from chinese rose hybrids (OOMT2) was combined with in situ extraction converting the toxic 3-MP product into the volatile 3-MA and accumulating up to 211 mg/L 3-MA in the dodecane phase. Alternatively, up to 533 mg/L 3-MP glucoside were synthesized by expression of a UDP-glycosyltransferase (UGT72B27) from Vitis vinifera in the 3-MP producing strain, revealing saccharose as beneficial carbon source and ethanol growth phase as essential for high 3-MP production, although 3-MP conversions were not yet complete. Both detoxification strategies allowed circumvention of the toxicity imposed limited product accumulation. This was demonstrated when both detoxification strategies were combined with redirection of the carbon flux through deletion of phosphoglucose isomerase gene PGI1 and feeding a mixture of fructose and glucose leading to majorly improved product formation, with up to 899 mg/L 3-MA/3-MP and 873 mg/L 3-MP/3-MP glucoside, compared to less than 313 mg/L product titers in the wild type controls (Hitschler & Boles, 2020).
For provision of the tsetse fly attractants 3-EP from propionyl-CoA and 3-PP from butyryl-CoA, the substrate promiscuities of MSAS and PatG were exploited. However, slower formation rates with the alternative substrates propionyl-CoA and butyryl-CoA suggested that competing formation of 6-MSA from the preferred priming unit acetyl-CoA was dominating in vivo. Indeed, 3-EP or 3-PP formation was not observed in 3-MP producing yeast strains. Assuming that intracellular levels of propionyl-CoA and butyryl-CoA were limiting 3-EP and 3-PP formation, different strategies were implemented to raise the supply of these alternative priming units and successfully compete with acetyl-CoA for MSAS priming.
Supplementation of propionate increased propionyl-CoA levels by endogenous pathways sufficiently to enable 3-EP formation in yeast mediated by MSAS and PatG. Deletion of the 2-methylcitrate synthases CIT2 and CIT3 revealed that degradation of propionyl-CoA was not limiting 3-EP formation at this stage. In order to raise propionyl-CoA levels further, a heterologous propionyl-CoA synthase (PrpE) was expressed in the 3-MP producing yeast strain leading to up to 12.5 mg/L 3-EP with propionate feeding and blockage of degradation. Moreover, PrpE enabled also 3-EP formation without propionate supplementation suggesting that an endogenous supply of propionate existed that was reactivated by PrpE. As threonine or 2-ketobutyrate feeding increased 3-EP titers in combination with PrpE, this indicated that threonine degradation via 2-ketobutyrate was responsible for the endogenous propionate supply. Moreover, expression of branched-chain ketoacid dehydrogenase complex from Pseudomonas putida combined with PrpE provided propionyl-CoA from endogenous 2-ketobutyrate and raised 3-EP titers up to 5.9 mg/L compared to 2.8 mg/L with only PrpE indicating a potential route for optimization of 3-EP titers independent of propionate or threonine feeding.
For 3-PP production from butyryl-CoA, a heterologous ‘reverse ß-oxidation’ pathway was introduced in the 3-MP producing yeast strain providing sufficient butyryl-CoA for biosynthesis of up to 2 mg/L 3-PP. Degradation of the precursor via ß-oxidation was slightly limiting, since deletion of fatty acyl-CoA oxidase POX1 increased 3-PP titers slightly to 2.6 mg/L.
As the concentrations of 3-alkylphenols are close to the concentrations implemented in tsetse fly traps, the engineered yeast strains have the potential for simple and inexpensive on-site production of 3-alkylphenols as tsetse fly attractants by local rural communities in Africa. In spite of this success, 3-MP remained the main product in the developed yeast strains. Since 3-EP and 3-PP are more efficient tsetse fly attractants, a shift in substrate specificities of MSAS and PatG is desirable for a more favorable 3-EP/3-MP and 3-PP/3-MP product ratio regarding tsetse fly attraction. During rational engineering of MSAS, the MSASQ625A/I752V mutant showed a beneficial shift of product ratios with up to 11 mg/L 3-EP/63 mg/L 3-MP and 4.5 mg/L 3-PP/116 mg/L 3-MP, compared to a higher proportion of 3-MP with up to 343 mg/L, 11 mg/L 3-EP and 1.5 mg/L 3-PP in the wild type controls. Further engineering of MSAS and PatG might majorly improve production of 3-EP and 3-PP.
In summary, this thesis successfully established the yeast S. cerevisiae as cell factory for production of different 3-alkylphenols optimizing expression of the heterologous production pathway, elucidating means to detoxify products and establishing different approaches to increase intracellular levels of acyl-CoA precursors. The engineered yeast strains can be potentially implemented for simple and inexpensive fermentation of tsetse fly attractants in Africa.
Diese Arbeit behandelt die Rolle der Proteinkinasen IKKe und TBK1 in der Progression von humanen malignene Melanomen und die Rolle von alpha-Synuclein in der Schmerzwahrnehmung von Mäusen.
This manuscript-based thesis is divided into four chapters. Chapter one is an introduction to lichens and the Antarctic. It introduces the goal of the thesis and the problems related with lichen systematics and the lack of knowledge about Antarctic lichens. The Antarctic is one of the last wildernesses, isolated from the other continents by the Antarctic Circumpolar Current, the Subantarctic Front, the Antarctic Polar Front, and the Drake Passage. Terrestrial life in Antarctica is restricted to widely separated and small ice-free areas that cover only 0.3% of the continent. Colonization of the Antarctic is a challenge for many taxa and is related to their ability for long-range dispersal and their adaptation to the harsh climate. Antarctic terrestrial ecosystems are significantly threatened by climate change, invasive species, and their interactions. Glacial retreat caused by higher than average temperatures exposes new habitats that can be easily colonized from local biota, but non-native species can also be favored by the new climatic conditions. In addition, propagule movement mediated by humans can introduce new species or change the population structure of many taxa. The terrestrial biota is comprised almost exclusively by “lower organisms” (invertebrates, bryophytes, algae, lichenized fungi, and microorganisms). Lichens are the dominant component, and the most important primary producers. Lichens are symbiotic associations consisting of a fungus (mycobiont) and one or more photosynthetic (photobiont) partners. They can disperse sexually or vegetatively. There are several problems related to the symbiotic nature of lichens that do not facilitate easy identification; although molecular data offers additional evidence, species delimitation in lichens is still not straightforward. The true number of species is underestimated due to the presence of cryptic species and species pairs. Recommended universal fungal barcode sequences (e. g. ITS) sometimes fail to delimit species pairs. Thus, it is necessary to identify fast-evolving markers that allow for the delimitation of closely related species before proceeding with the analysis of lichen populations. The goal of this thesis is to elucidate the so far unknown genetic structure among Antarctic lichen populations because of the immediate consequences for conservation strategies. The thesis focuses not only on patterns of differentiation and gene flow, but also investigates the question of human-mediated propagule transfer into Antarctica and among Antarctic sites. This project provides data on the genetic structure of Antarctic lichens that is urgently needed to develop conservation strategies in the face of global warming and increased human activities in the region. Due to the fact that it is not possible to apply all of the unspecific fingerprinting methods to lichens, microsatellites or simple sequence repeats (SSRs) are one of the best tools to investigate the genetic structure of lichen populations. SSRs offer the possibility to discriminate the lichen partners, but species-specific microsatellites have been developed for only a few species. Regarding the Antarctic, only one species has been studied with SSRs.
The second chapter describes new methods and tools to delimit closely related species of lichens and provides fast evolving markers to characterize their genetic structure. The chapter introduces the lichen species analysed in this thesis and the problems related to their correct identification by morphological methods and molecular data. Chapter two explains the sampling methods for lichen populations and the localities from small areas in which the species pairs occur together. Then the methods used to generate and validate fungal specific microsatellites that cross-amplify species pairs are described. This chapter focuses on the species pair Usnea antarctica and U. aurantiacoatra because they are the most common lichens in the Maritime Antarctic. An internal transcribed spacer (ITS) marker do not discriminate between these species, and some authors have suggested to synonymize them. Unpublished results from another Antarctic species pair, Placopsis antarctica and P. contortuplicata, are included to confirm the capability of SSRs to discriminate closely related lichen species. This thesis is the first study to generate SSRs that cross amplify species pairs, using BLAST to compare one genome against the other to obtain markers with the same length in flanking regions. The de novo developed SSRs are able to discriminate the two closely related species, and can detect variability at the population level. In the end of the chapter, ITS sequences, microsatellites, and SNPs are used to delimit the species of Usnea antarctica and U. aurantiacoatra. The chapter exposes the importance of a correct species delimitation and the ability of SSRs and SNPs to delimit the Antarctic Usnea species pair compared with the recommended universal fungal barcode sequence ITS. ...
The application of natural products (NPs) as drugs and lead compounds has greatly improved human health over the past few decades. Despite their success, we still need to find new NPs that can be used as drugs to combat increasing drug resistance via new modes of action and to develop safer treatments with less side effects.
Entomopathogenic bacteria of Xenorhabdus and Photorhabdus that live in mutualistic symbiosis with nematodes are considered as promising producers of NPs, since more than 6.5% of their genomes are assigned to biosynthetic gene clusters (BGCs) responsible for production of secondary metabolites. The investigation on NPs from Xenorhabdus and Photorhabdus can not only provide new compounds for drug discovery but also help to understand the biochemical basis involved in mutualistic and pathogenic symbiosis of bacteria, nematode host and insect prey.
Nonribosomal peptides (NRPs) are a large class of NPs that are mainly found in bacteria and fungi. They are biosynthesized by nonribosomal peptide synthetases (NRPSs) and display diverse functions, representing more than 20 clinically used drugs. Although a large number of NRPs have been identified in Xenorhabdus and Photorhabdus, the advanced genome sequencing and bioinformatic analysis indicate that these bacteria still have many unknown NRPS-encoding gene clusters for NRP production that are worth to explore. Therefore, this thesis focuses on the discovery, biosynthesis, structure identification, and biological functions of new NRPs from Xenorhabdus and Photorhabdus.
The first publication describes the isolation and structure elucidation of seven new rhabdopeptide/xenortide-like peptides (RXPs) from X. innexi, incorporating putrescine or ammonia as the C-terminal amines. Bioactivity testing of these RXPs revealed potent antiprotozoal activity against the causative agents of sleeping sickness (Trypanosoma brucei rhodesiense) and malaria (Plasmodium falciparum), making them the most active RXP derivatives known to date. Biosynthetically, the initial NRPS module InxA might act iteratively with a flexible methyltransferase activity to catalyze the incorporation of the first five or six N-methylvaline/valine to these peptides.
The second publication focuses on the structure elucidation of seven unusual methionine-containing RXPs that were found as minor products in E. coli carrying the BGC kj12ABC from Xenorhabdus KJ12.1. To confirm the proposed structures from detailed HPLC-MS analysis, a solid-phase peptide synthesis (SPPS) method was developed for the synthesis of these partially methylated RXPs. These RXPs also exhibited good effects against T. brucei rhodesiense and P. falciparum, suggesting RXPs might play a role in protecting insect cadaver from soil-living protozoa to support the symbiosis with nematodes.
The third publication presents the identification of a new peptide library, named photohexapeptide library, which occurred after the biosynthetic gene phpS was activated in P. asymbiotica PB68.1 via promoter exchange. The chemical diversity of the photohexapeptides results from unusual promiscuous specificity of five out of six adenylation (A) domains being an excellent example of how to create compound libraries in nature. Furthermore, photohexapeptides enrich the family of the rare linear D-/L-peptide NPs.
The fourth publication concentrates on the structure elucidation of a new cyclohexapeptide, termed photoditritide, which was produced by P. temperata Meg1 after the biosynthetic gene pdtS was activated via promoter exchange. Photoditritide so far is the only example of a peptide from entomopathogenic bacteria that contains the uncommon amino acid homoarginine. The potent antimicrobial activity of photoditritide against Micrococcus luteus implies that photoditritide can protect the insect cadaver from food competitor bacteria in the complex life cycle of nematode and bacteria.
The last publication reports a new family of cyclic lipopeptides (CLPs), named phototemtides, which were obtained after the BGC pttABC from P. temperata Meg1 was heterologously expressed in E. coli. The gene pttA encodes an MbtH protein that was required for the biosynthesis of phototemtides in E. coli. To determine the absolute configurations of the hydroxy fatty acids, a total synthesis of the major compound phototemtide A was performed. Although the antimalarial activity of phototemtide A is only weak, it might be a starting point towards a selective P. falciparum compound, as it shows no activity against any other tested organisms.
Das Ziel dieser Dissertation war es, die biologische Relevanz der F1Fo-ATP-Synthase für den Alterungsprozess des Ascomyceten P. anserina aufzuklären sowie die Funktion der Dimerisierungsuntereinheiten PaATPE und PaATPG genauer zu untersuchen. Folgende Ergebnisse wurden dabei erzielt:
1. Der Verlust einer Dimerisierungsuntereinheit führt in P. anserina zum Verlust der Dimerisierungsfähigkeit der F1Fo-ATP-Synthase. Dieses Ereignis resultiert in einer vorzeitigen Anhäufung von Seneszenzmerkmalen, einer starken Verkürzung der Lebensspanne und einem beschleunigten Alterungsprozess. Der Phänotyp der Stämme ∆PaAtpe und ∆PaAtpg lässt sich erfolgreich revertieren. Dadurch konnte bestätigt werden, dass der beobachtete Phänotyp der Deletionsstämme auf den Verlust der Dimerisierungsgene zurückzuführen ist.
2. Die konstitutive Überexpression des PaAtpe-Gens führt zu einer Verlängerung der Lebensspanne, die allerdings nicht abhängig von einer Erhöhung der Dimer-Menge, sondern auf eine Verlängerung der Mitochondriennetzwerke und eine erhöhte Atmung zurückzuführen ist.
3. Obwohl die Lebensspannen der untersuchten PaAtpg_OEx-Stämme voneinander abweichen, ist der auf den Organismus ausgeübte Effekt der PaAtpg-Überexpression positiv. Dabei lässt sich eine Erhöhung der Dimer-Menge auch in diesen Stämmen nicht nachweisen und eine Veränderung der Mitochondrienmorphologie tritt nur in einem der fünf untersuchten Stämme auf, was hier allerdings mit dem größten Effekt auf die Lebensspanne korreliert.
4. Die gleichzeitige Überexpression der Gene PaAtpe und PaAtpg führt interessanterweise zu einer Aufhebung der durch die PaAtpe-Überexpression hervorgerufenen positiven Effekte. Die generierte Doppelmutante weist somit wildtypische Eigenschaften auf. Eine Erhöhung der Dimer-Menge kann trotz Überexpression beider Gene nicht festgestellt werden.
5. Trotz gleicher Funktion in der Dimerbildung der F1Fo-ATP-Synthase ist das Expressionsniveau der Dimerisierungsgene in P. anserina unterschiedlich. Bereits im Wildtyp wird das PaAtpe-Gen weniger transkribiert als das PaAtpg-Gen. Letzteres wird durch die PaAtpe-Überexpression sowohl in den PaAtpe_OEx-Mutanten als auch in der Doppelmutante herunterreguliert. Auch im Wildtyp kommt es zu einer altersabhängigen Herunterregulierung des PaAtpg-Gens.
6. Im Wildtyp nimmt die Dimer-Menge im Alter ab und es kommt zu einer altersbedingten Änderung der Superkomplexe von S1 zu S0. Dies sind Hinweise auf eine altersabhängige Remodellierung der Cristae-Membran, die möglicherweise zum Seneszenzphänotyp von P. anserina beiträgt. Somit ist die Aufrechterhaltung des Dimers von großer Bedeutung für die Gewährleistung mitochondrialer Funktionen des Organismus.
Die F1Fo-ATP-Synthase spielt in ihrer dimeren Form eine bedeutende Rolle in der Aufrechterhaltung der Mitochondrienfunktion und gewährleistet den Ablauf von lebenswichtigen mitochondrialen Prozessen, die für die Erhaltung der zellulären Homöostase von essentieller Bedeutung sind.
The neocortical microcircuit, a local network of excitatory and inhibitory neurons, is a highly complex information processing unit, which can flexibly be modulated to adapt to external context and internal state such as motivation or attention. The mechanisms underlying these adaptations for flexible processing are not sufficiently understood yet. The aim of this study is to further elucidate the role of inhibitory and excitatory components of the local neocortical microcircuit for the processing of sensory information in an awake, behaving animal.
Layer 1 of the neocortex is of particular importance because it contains afferents from the thalamus and more distant cortical regions, which relay top-down information that is important for processes such as learning and attention. The dendrites of the excitatory pyramidal neurons located in deeper layers extend into layer 1, and in addition to that layer 1 contains inhibitory neurons, as well as axons from inhibitory somatostatin expressing (SOM) neurons located in lower layers. These layer 1 inhibitory neurons and SOM axons are therefore well positioned to control top-down information transfer at the pyramidal dendrites, and thus to flexibly regulate information processing in the local circuit. To further investigate this, the stimulus responses in inhibitory (SOM axons) and excitatory (layer 2/3 pyramidal neurons) components of the neocortical microcircuit were measured in primary auditory cortex during learning, when auditory stimuli gain relevance.
For this purpose, I first established a suitable learning behaviour, an auditory GO-NOGO discrimination task, which can be performed by head-fixed mice under the microscope. The task also contains a visual start cue, which signals the start of every trial, as a multimodal element. Mice learn to distinguish two auditory stimuli by being rewarded with water after the GO stimulus and receiving no reward after the NOGO stimulus. They indicate that they have identified the stimuli accordingly by licking at a water dispenser during the GO stimulus and not during the NOGO stimulus. Licking during the NOGO stimulus is punished by an aversive air puff. As the mice learn this behaviour, the stimuli gain relevance. The activity in the same neuronal structures was observed over the course of all training sessions via 2-photon imaging in awake, behaving mice, and their stimulus responses were measured throughout the learning process, acquiring a comprehensive dataset. In these data, short-term and long-term plasticity of the stimulus responses can be detected and these changes in the stimulus responses differ for SOM axons and pyramidal neurons. Already from the first training day, stimulus responses change in the course of a single session, both in SOM axons and in pyramidal cells. With time over the course of task acquisition, the stimulus representation in a group of pyramidal neurons in layer 2/3 is enhanced and distal dendrites are less inhibited over training through reduced activation of the SOM axons, so that the integration of information along the somatodendritic axis shifts, increasing the relative impact of top-down information. This shift is even stronger for the NOGO stimulus in correct trials compared to the GO stimulus. This is the first study to show that this somato-dendritic shift by SOM-axon responses occurs at different strengths for the GO and NOGO stimulus, probably due to the different learned responses (action or refraining), which require different forms of circuit control. After learning, the neuronal responses to GO and NOGO stimuli also differ in pyramidal neurons, with the GO stimulus evoking stronger responses than the NOGO stimulus. This learned distinction is reversed in passive trials during which the mice have no possibility to respond to the stimuli, in both SOM axons and pyramidal neurons, resulting in similar response sizes for both stimuli. This indicates that not only learning over the long term, but also short-term changes regarding the state (active execution of the discrimination task or no active participation during the stimulus presentations) affect the processing of the stimuli in the local circuit. In addition, on an even shorter time scale pyramidal neurons show a modulation of responses from trial to trial, probably due to anticipation of reward, which is absent from SOM axon responses. Thus, there are various levels of plasticity that develop over the course of training: long-term changes in the response size of both the excitatory and inhibitory components that facilitate stimulus recognition when engaged, and short-term modulation (possibly in anticipation of reward) in excitatory neurons that could underlie sensorimotor transformation. Both pyramidal neurons and SOM axons in the primary auditory cortex respond to multimodal and reinforcement-related stimuli, likely contributing to the optimisation of circuit dynamics for goal-directed information processing. This shows that the circuit flexibly adjusts information processing under different circumstances, depending on the relevance the stimuli carry and whether the mouse is active or inactive and can use the presented information to achieve a goal.
Hypoxia is a condition in which cells are deprived of adequate oxygen supply and represents a main feature of solid tumours. Cells under hypoxic stress activate transcriptional responses driven by hypoxia-inducible factors (HIFs), which affect multiple cellular pathways, including angiogenesis, metabolic adaptation and cell proliferation. While the transcriptional changes induced in hypoxic tumours are well characterised, it is still poorly understood how hypoxia contributes to the aberrant post-transcriptional regulation observed in tumours. In this PhD thesis, I studied the RNA response to hypoxia in cancer, to provide novel insights into its regulation.
Using deep RNA-Sequencing (RNA-Seq), I investigated transcriptome changes of three human cell lines from lung, cervical and breast cancer under hypoxia, advancing our knowledge of post-transcriptional gene regulation in hypoxic cancer. I show that hypoxia induced consistent changes in transcript abundance in the three cancer types. This was coupled to divergent splicing responses, highlighting the cell type specificity of alternative splicing programs. While the mRNA levels of RNA-binding proteins were mainly reduced, hypoxia upregulated muscleblind-like protein 2 (MBNL2) in all three cell lines. Hypoxia control was specific for MBNL2, since it did not affect its paralogs MBNL1 and MBNL3. Via knockdown experiments of MBNL2 in hypoxic cells, I could show that MBNL2 induction promotes adaptation of cancer cells to low oxygen by regulating both transcript abundance and alternative splicing of hypoxia response genes. In addition, depletion of MBNL2 reduced the proliferation and migration of cancer cells, corroborating a function of MBNL2 as cancer driver.
In the last few years, a novel class of RNAs has gained attention, namely circular RNAs (circRNAs), which are produced by a particular splicing mechanism, known as back-splicing. CircRNAs have been reported to change their abundance in cancer and their high stability makes them promising candidates as diagnostic biomarkers. In this study, I took advantage of deep rRNA-depleted RNA-Seq data to comprehensively investigate the expression of circRNAs in human cancer cells and their changes in response to hypoxia. To reliably identify circRNAs, I established a pipeline that integrates two available tools. for circRNA detection with custom approaches for quantification and statistical analysis. Using this pipeline, I identified 12006 circRNAs in the three cancer cell lines. Their molecular features suggest an involvement of complementary RNA sequences as well as trans-acting factors in circRNA biogenesis, including the splicing factor HNRNPC. Remarkably, I detected 210 circRNAs that are more abundant than their linear counterparts. Upon hypoxic stress, 64 circRNAs were differentially expressed in cancer cells, in most cases in a cell type-specific manner. In summary, in this PhD thesis, I present a comparative transcriptome profiling in human cancer cell lines. It reveals MBNL2 as an important player in hypoxic cancer progression and provides novel insights into the biogenesis and regulation of circRNAs under hypoxic stress.
In the light of emerging resistances against common drugs, new drug leads are required. In the past natural sources have been more yielding in this respect than synthetic strategies. Fungi synthesize many natural products with biological activities and pharmacological relevance. However, only a fraction of the estimated fungal diversity has been evaluated for biological activity, and much of the Fungi’s natural chemical diversity awaits discovery. Especially promising in this context are lichenized fungi. Lichens are well known for their particularly rich and characteristic secondary chemistry which allows them to withstand intense UV radiation, protects them against herbivory, and prevents them from being overgrown. The slow growth rates of lichens and difficulties and infeasibility of large scale cultivations in the laboratory render lichens inaccessible for applied purposes. These experimental challenges have led to a poor understanding of the molecular mechanisms underlying the biosynthesis of characteristic lichen secondary metabolites. The recent development of improved sequencing techniques has enabled new strategies to address multi-species assemblages directly through metagenome sequencing and survey their biosynthetic potential through genome mining. However, whole genome sequencing of entire lichen thalli to metagenomically assess the lichen-forming fungus without the need of cultivation has not been evaluated for lichens before. This approach will enable the reconstruction of fungal genomes from mixed DNA from lichen thalli and allow the exploration of biosynthetic gene content.
My thesis was conducted in two parts: a methodological evaluation of a metagenomic strategy to reconstruct genomes and gene sets of lichen-forming fungi, and the exploration of biosynthetic gene content with the help of comparative genomics and phylogenetics. For the first part, I evaluated the quality of metagenome-derived genome assemblies and gene sets by direct comparison to culture-derived reference assemblies and gene sets of the same species. I showed that metagenome-derived fungal assemblies are comparable to culture-derived references genomes and have a similar total genome size and fungal genome completeness. The quality of assemblies was affected strongly by the choice of assembler, but not by the method of taxonomic assignment or inference of non-mycobiont DNA sequences. The fungal gene space is well covered in metagenome-derived and culture-derived fungal gene sets and overlaps to 88-90 %. Finally, the metagenome-derived assemblies reliably recover gene families of secondary metabolism. This shows the suitability of metagenomically derived genomes for mining biosynthetic genes, and potentially also other gene families. Overall, the method validation showed a high similarity between metagenome- and culture-derived genome assemblies.
For the second part of my thesis, I explored the biosynthetic gene content in two different systems: Between two sister-species with different ecological requirements but similar chemical profile, and between two species which are metabolite-rich and economically relevant in the perfume industry. I compared the diversity of biosynthetic gene clusters between the species and in the broader context of other lichenized and non-lichenized fungi. Overall, the whole genome mining revealed a large number of uncharacterised secondary metabolite gene clusters in fifteen genomes of lichen-forming fungi compared to other fungal classes. Their number highly outweighs the number of known synthesized metabolites and highlights the hidden biosynthetic potential in lichen-forming fungi. Many biosynthetic gene clusters in the ecological distinct sister-species showed a high homology in accordance with the high synteny in gene content and order in both genomes. These clusters represent ideal candidates for secondary metabolites synthesized by both species, while the remaining clusters may encode for metabolites relevant for the different ecological requirements of both species. The metabolite-rich species used in the perfume industry showed a particularly high number of biosynthetic gene clusters. An in-depth characterization of architecture and gene content of homologous gene clusters together with hints from phylogenetic relatedness to functional characterized metabolites provides promising insights into the biosynthetic gene content of these lichen-forming fungi.
In conclusion, I showed that metagenome sequencing of natural lichen thalli is a feasible approach to reconstruct the fungal mycobiont genome of lichens and circumvent time-consuming and in some cases impossible cultivation of individuals. The genome mining for secondary metabolite gene clusters in lichen-forming fungi revealed a high biosynthetic potential for the discovery of new natural products. One of the focal species, Evernia prunastri, contained the highest ever reported number (80) of biosynthetic clusters in lichenized fungi. The comprehensive cluster characterizations through annotation, comparative mapping and phylogenetics provide first valuable hints for linking metabolites to genes in these lichen-forming fungi. My results pave the way for biotechnological strategies to unlock the vast richness of natural products from lichens for applied purposes.
Connectomic analysis of apical dendrite innervation in pyramidal neurons of mouse cerebral cortex
(2020)
The central goal of this study was to generate synapse-resolution maps of local and long-range innervation on apical dendrites (AD) in mouse cerebral cortex. We used three-dimensional electron microscopy (3D-EM) to first measure the cell-type specific balance in the excitatory and inhibitory input on ADs. Further, we found two inhibitory axon populations with preference for apical dendrites originating from layer 2 and 3/5. Additionally, we used a combination of large-scale volumetric light and electron microscopy to investigate the innervation preference of long-range cortical projections onto ADs. To generate such large-scale 3D-EM datasets, we also developed a software package to automate aberration adjustment.
The balance of excitation and inhibition defines the computational properties of neurons. We, therefore, generated 6 datasets and annotated 26,548 excitatory and inhibitory synapses to map the relative inhibitory strength on the AD of pyramidal neurons in layers 1 and 2 (L1 and 2) of the cortex. We found consistent and cell-type specific patterns of inhibitory strength along the apical dendrite of L2-5 pyramidal neurons in primary somatosensory (S1), secondary visual (V2), posterior parietal (PPC) and anterior cingulate (ACC) cortices. L2 and L5 pyramidal neurons had inhibitory hot-zones at their main bifurcation and distal apical dendrite tuft, respectively. In contrast, L3 neurons had a baseline (~10%) level of inhibition along their apical dendrite. As controls, we quantified the effect of synapse strength (size), dendrite diameter, AD classification and synapse identification methods on the cell-type specific synapse densities. To classify L5 pyramidal subtypes, we performed hierarchical clustering using morphological properties that were described to differentiate slender- and thick-tufted L5 neurons.
We also investigated the distance to soma as a predictor of fractional inhibition around the main bifurcation of apical dendrites. Interestingly, we found a strong exponential relationship that was absent in density of either synapse type. This suggests a distance dependent control mechanism designed specifically for the balance (in synapse numbers) of excitation and inhibition.
Next, we focused on the inhibitory innervation preference for apical dendrite of pyramidal neuron. We, therefore, annotated 5,448 output synapses of AD-targeting inhibitory axons and found two populations specific for either L2 or L3/5 apical dendrites. Together with previous findings on preferential innervation of sub-cellular structures by inhibitory axons, this suggests two distinct inhibitory circuits for control of AD activity in L2 vs. deep-layer pyramidal neurons. This innervation preference was surprisingly consistent across S1, V2, PPC and ACC cortices.
3D-EM data acquisition is a laborious process that is made easier and more popular everyday by technical progress in the laboratory and industrial settings. To make data acquisition robust using our custom-built 3D-EM microscopes, an automatic aberration software was implemented to adjust the objective lens and the stigmators of the electron microscope. This method was used in multiple month-long experiments across 2 microscopes and 10 datasets. The aberration adjustment used the reduction in image details (high-frequency elements) to estimate the level of deviation from optimal focus and stigmator parameters. However, large objects in EM micrographs such as blood vessel and nuclei cross-sections generated anomalous results. We, therefore, added image processing routines based on edge detection combined with morphological operations to exclude such large objects.
Finally, we performed a correlative three-dimensional (3D) light (LM) and electron (EM) microscopy experiment to map the long-range primary visual (V1) and secondary motor (M2) cortical input to ADs in layer 1 of PPC using the “FluoEM” approach. This method allows for identification of the long-range source of projection axons in EM volumes without the need for EM-dense label conversion or heat-induced markings. The long-range source of an axon in EM is identified based on the fluorescent protein that is expressed in its LM counterpart. In comparison to M2 input, Long-range axons from V1 had a higher tendency to target L3 pyramidal neurons in PPC according to our preliminary analysis. In combination with the difference observed in the synapse composition of L2 and L3 apical dendrites, this suggests the need for separate functional and structural analysis of L2 and 3 pyramidal neurons.