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Das Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum (HIT) stellt Protonen-, Helium- und Kohlenstoff-Ionenstrahlen unterschiedlicher Energie und Intensität für die Krebsbehandlung und Sauerstoff-Ionenstrahlen für Experimente zur Verfügung. Der hierfür verwendete Beschleuniger ist darüber hinaus in der Lage auch Ionenstrahlintensitäten unterhalb der für Therapien verwendeten bereitzustellen. Allerdings ist das derzeit installierte Strahldiagnosesystems nicht in der Lage, das Strahlprofil bei solchen geringen Intensitäten (< 10^5 Ionen/s) zu messen. Dabei existieren mögliche medizinische Anwendung für diese niederintensiven Ionen-strahlen, wie beispielsweise eine neuartige und potentiell klinisch vorteilhafte Bildgebung: die Ionenradiographie. Eine essentielle Voraussetzung für diese und andere Anwendungen ist ein System zur Überwachung von Ionenstrahlen niedriger Intensität. Ein solches System wurde im Rahmen dieser Arbeit konzipiert, realisiert, getestet und optimiert.
Das Funktionsprinzip basiert auf szintillierenden Fasern, insbesondere solchen mit erhöhter Strahlungshärte für die Möglichkeit einer dauerhaften Platzierung im Therapiestrahl. Ein diese Fasern durchlaufendes Ion regt den darin enthaltenen Szintillator durch Stoßprozesse kurzzeitig an. Die dabei deponierte Energie wird anschließend in Form von Photonen wieder emittiert. Silizium-Photomultiplier sind an den Enden der Fasern montiert und wandeln die Photonensignale in verstärkte elektrische Impulse um. Diese Impulse werden von einer neuartigen und dedizierten Ausleseelektronik aufgezeichnet und verarbeitet. Ein Prototypaufbau, bestehend aus den genannten Teilen, wurde im Strahl getestet und kann das transversale Strahlprofil erfolgreich im Intensitätsbereich von 10^7 Ionen/s bis hinunter zu 10^2 Ionen/s aufzeichnen. Darüber hinaus konnte, durch die erfolgreiche Ankunftszeitmessung von einzelnen Ionen bis zu Intensitäten von 5*10^4 Ionen/s, ein Machbarkeitsnachweis für die Messung der Spur von einzelnen Teilchen erbracht werden.
Optimierung der Synthese eines neuen photolabil geschützten Nitroxid-Spin-Labels für RNA und DNA
(2023)
Im Rahmen dieser Arbeit konnte, ausgehend von den günstigen Ausgangsverbindungen Desoxyadenosin und Phthalsäureanhydrid, ein neues photolabil geschütztes Nukleotid 1 und sein Dummypartner 2 synthetisiert werden. Positiv zu bemerken ist, dass einige Schritte im Vergleich zu ähnlichen literaturbekannten Reaktionen in Einfachheit, Reinheit oder Ausbeute verbessert wurden. So konnte die Ausbeute der wichtigen Umwandlung des Amins 46 zum Iodid 47 durch den Ersatz des vorherigen DCM/DIM Gemisches durch reines DIM von 15 % auf akzeptable 50 % erhöht werden, was nicht nur Zeit, sondern auch zukünftige Chemikalienmengen einspart. Nicht nur hierbei, sondern auch bei der Nitrierung zu 61 oder auch der Oxidierung zu 63 war es von äußerster Wichtigkeit eine korrekte Temperaturkontrolle durchzuführen, da es sonst zu hohen Ausbeuteverlusten durch ungewollte Nebenreaktionen kommen konnte. Eine sehr interessante Beobachtung war die Kontrolle der Suzuki Miyaura-Kreuzkupplung durch die Anwendung verschieden starker Basen. Während schwache Basen wie KOAc nur zur Miyaura-Borilierung führten, begünstigten starke Basen wie K3PO4 die Suzuki Miyaura-Kreuzkupplung. Die Zusammenführung des Zucker Bausteins 36 und des Isoindolin-Bausteins 37 funktionierte sehr gut, sodass das Nukleotid 1 durch die Schützung der exozyklischen Amingruppe und Phosphorylierung des 3´-OH dargestellt werden konnte.
Die Synthese der 14mer DNA bzw. RNA Sequenzen mit den neuen Nukleotiden 1 und 2 funktionierten mit zufriedenstellenden Ausbeuten, nur die Abspaltung der Pac-Gruppe benötigte etwas harschere Bedingungen von 50 °C in 32 % Ammoniak über Nacht. Die photolabile Schutzgruppe in Strang (V) mDNA-Tetramethyl konnte nun abgespalten und das Nitroxid an Luft reoxidiert werden. Anhand von EPR-Spektren und einer HPLC Analyse ergab sich jedoch eine Abspalteffizienz von nur 70 %. Dies bedeutet, dass für künftige PELDOR Messungen eine Aufreinigung des Spaltgemisches zur Isolierung des Radikal-Strangs von Nöten ist.
Anhand des Schmelzpunkts der verschiedenen Duplexe wurde anschließend die mögliche Anwendung des Nukleotids weiter analysiert. Hierbei stellte sich heraus, dass der Benzolring sowohl in 2 als auch in 1 eine erhebliche Destabilisierung des Duplex erzeugte. Somit ist das neue photolabil geschützte Nukleotid als EPR Sonde in der Mitte von Sequenzen nur bedingt geeignet. Zukünftige Experimente könnten das neue Spin Label nicht in der Mitte, sondern an den Enden der Sequenzen ähnlich anderer Arbeiten[92,94,164] einbauen, wo die Destabilisierung eine geringere Auswirkung hat, oder die Sequenz für eine bessere Stabilisierung verlängern.[164] Bei ausreichenden Duplexstabilitäten könnten hiermit dann PELDOR Messungen durchgeführt werden. Ähnlich starre, sterisch anspruchsvolle Nukleotide zeigten auch ähnliche Schmelzpunkte für ihre Duplexe[120], dennoch wurden sie für weitere Markierungsexperimente verwendet. Hierbei handelte es sich jedoch nicht um EPR Sonden, sondern um Fluoreszenzmarker. Da auch das neue Spin-Label 1 ein großes π-System besitzt, könnte eine komplett neue Herangehensweise die Anwendung als Fluoreszenzmarker sein. Genaue Absorptionsmessungen müssten noch durchgeführt werden, jedoch zeigte das Spin Label sehr stark fluoreszierende Eigenschaften unter der UV-Lampe während der Säulenchromatographie. Hierbei würde die Synthese um einiges kürzer ausfallen, da das EPR-aktive Nitroxid nicht mehr benötigt wird und geschützt werden muss, was Zeit und Chemikalien spart.
Zusammenfassend wurde über eine 22-stufige Synthese ein neues photolabil geschütztes Spin-Label synthetisiert, in ein 14mer integriert, erfolgreich entschützt und mittels EPR-Spektroskopie vermessen. Schmelzpunktmessungen zeigten jedoch eine große Destabilisierung und deuten darauf hin, dass 1 und Nukleotide mit ähnlich Benzolringen nur eingeschränkt als EPR-aktive Nukleotide geeignet sind.
Diese Arbeit hatte das Ziel, die Größe einer DVT-Aufnahme (FOV) mit der Größe der durch die Indikationsstellung definierten Region (ROI) zu vergleichen. Durch eine speziell dafür entwickelte Software sollten Messungen in den Datensätzen ermöglicht werden. Die dazu verwendeten 332 Datensätze wurden zufallsverteilt aus den mit einem Orthophos SL-3D DVT-Gerät der Firma Dentsply Sirona in der Poliklinik für zahnärztliche Chirurgie und Implantologie des ZZMK (Carolinum) in Frankfurt angefertigten Röntgenaufnahmen selektiert.
Es wurde die Auswertungssoftware ExRoi entwickelt, mit der die Werte des axialen Durchmessers, die Höhe (vertikale Dimension) sowie die Distanz der Mittelpunkte von FOV und ROI direkt in den Datensätzen bestimmt werden konnten. Zusätzlich wurde festgehalten, welche rechtfertigenden Indikationen gestellt und welche Auflösungsmodi verwendet wurden.
Die Stichprobe bestand aus Aufnahmen mit einem axialen Durchmesser von 8 cm [VOL 1] (n= 76, entsprechend 46,39%), 5 cm Durchmesser [VOL 2] (n = 102, entsprechend 30,72%) und 11 cm Durchmesser [VOL 3] (n= 154, entsprechend 22,89%). 95,18% der Aufnahmen wurden im HD-Modus mit laut Herstellerangaben vier Mal so vielen Aufnahmen im Vergleich zum SD-Modus angefertigt. Hauptindikationen waren Implantat Planung (45,1%) und Planungen komplizierter Zahn-Extraktionen (25,5%).
Die Messungen zum Vergleich des axialen Durchmessers zeigten, dass bei Verwendung des VOL 2 die ROI im Mittel den größten Anteil der FOV nutzt (78,52 %), den kleinsten Anteil nutzt durchschnittlich VOL 1 (56,04 %). Dazwischen liegt VOL 3 (69,12 %). In der Vertikalen nutzt die ROI von VOL 3 mittelwertig den größten Anteil der FOV (81,87 %), den kleinsten Mittelwert hat VOL 1 (58,76 %). VOL 2 liegt zwischen diesen Werten (64,47 %).
In allen Fällen war das FOV größer als die ROI und die ROI lag im Bereich des gewählten FOV.
Die Mittelpunkte von FOV und ROI lagen im Mittel in der axialen Ebene in Abhängigkeit vom gewählten Volumen um rund 9-13 mm auseinander, in der coronalen und sagittalen Ebene um rund 5-6mm.
Aus diesen Ergebnissen kann für das verwendete Gerät eine gute Trefferquote für die ROI abgeleitet werden. Höhe und Durchmesser des FOV hätten in den meisten Fällen kleiner gewählt werden können, liegen aber angesichts der vorhandenen Auswahl-Optionen des Röntgengeräts zur Dimensionierung der Volumina in einem akzeptablen Bereich.
How the brain evolved remains a mystery. The goal of this thesis is to understand the fundamental processes that are behind the evolutionary history of the brain. Amniotes appeared 320 million years ago with the transition from water to land. This early group bifurcated into sauropsids (reptiles and birds) and synapsids (mammals). Amniote brains evolved separately and display obvious structural and functional differences. Although those differences reflect brain diversification, all amniote brains share a common ancestor and their brains show multiple derived similarities: equivalent structures, networks, circuits and cell types have been preserved during millions of years. Finding these differences and similarities will help us understand brain historical evolution and function. Studying brain evolution can be approached from various levels, including brain structure, circuits, cell types, and genes. We propose a focus on cell types for a more comprehensive understanding of brain evolution. Neurons are the basic building blocks and the most diverse cell types in the brain. Their evolution reflects changes in the developmental processes that produce them, which in turn may shape the neural circuits they belong to. However, there is currently a lack of a unified criteria for studying the homology of connectivity and development between neurons. A neuron’s transcriptome is a molecular representation of its identity, connectivity, and developmental/evolutionary history. Hence the comparison of neuronal transcriptomes within and across species is a new and transformative development in the study of brain evolution. As an alternative, comparing neuronal transcriptomes across different species can provide insights into the evolution of the brain. We propose that comparing transcriptomes can be a way to fill this gap and unify these criteria. In previous studies, published in Science (Tosches et al., 2018) and Nature (Norimoto et al., 2020), we leveraged scRNAseq in reptiles to re-evaluate the origins and evolution of the mammalian cerebral cortex and claustrum. Motivated by the success of this approach, in this thesis we have now expanded single-cell profiling to the entire brain of a lizard species, the Australian dragon Pogona vitticeps, with a special focus in thalamus and prethalamus of. This approach allowed us to study the evolution of neuron types in amniotes. Therefore, we aimed to build a multilevel atlas of the lizard brain based on histology and transcriptomic and compare it to an equal mouse dataset (Zeisel et al., 2018).
Our atlas reveals a general structure that is consistent with that for other amniote brains, allowing us to make a direct comparison between lizard and mouse, despite their evolutionary divergence 320 million years ago. Through our analysis of the transcriptomes present in various neuron types, we have uncovered a core of conserved classes and discovered a fascinating dichotomy of new and conserved neuron types throughout the brain. This research challenges the traditional notion that certain brain regions are more conserved than others.
Our research also has uncovered the evolutionary history of the lizard thalamus and prethalamus by comparing them to homologous brain regions of the mouse. This pioneering research sheds new light on our understanding of the evolutionary history of the lizard brain. We propose a new classification of the lizard thalamic nuclei based on
transcriptomics. Our research revealed that the thalamic neuron types in lizards can be grouped into two large, conserved categories from the medial to lateral thalamus. These categories are encoded by a common set of effector genes, linking theories based on connectivity and molecular studies of these areas. In our data we have seen that there is a conservation of the medial-lateral transcriptomic axis in mouse and lizard, this conservation was most likely already present in the common ancestor. Although there is a shared medial-lateral axis, a deeper study of the thalamic cell types has allowed us to see the existence of a partial diversification of the thalamic population, specifically in the sensory-related lateral thalamus; in opposition, the medial thalamic nuclei neuron-types have been preserved.
On the other hand, the comparison with the mammalian prethalamus allowed us to confirm that the lizard ventromedial thalamic neuron types are homologous to mouse reticular thalamic neuron types (Díaz et al., 1994), even if they do not express the classical Reticular thalamic nucleus (RTn) marker PV/pvalb. We also discovered that there has been a simplification in the mammalian prethalamic neuron types in favor of an increase in the number of Interneurons (IN) types within their thalamus. We suggest that the loss of GABAergic neuronal types in the mammalian prethalamus is linked to the need for a more efficient control of the thalamo-pallial communication in mammals, while in lizards, where thalamo-pallial communication is probably simpler, the diversity prethalamus presents a higher diversity.
Biological membranes serve as physical barriers in cells and organelles, enabling the maintenance of chemical or ionic gradients that are essential for triggering various integral, peripheral, or lipid-anchored membrane proteins, necessary for their life-essential functions. The study of membrane proteins has unique challenges due to their hydrophobic nature, limited expression levels, and inherent flexibility. Single-particle analysis (SPA) enables the determination of high-resolution three-dimensional structures using minimal amounts of specimen without the need for crystallization. Additionally, cryogenic electron tomography (cryo-ET) and subtomogram averaging (StA) offer the ability to study membrane protein complexes, cellular architecture, and molecular interactions while preserving close-to-life conditions. With ongoing improvements in cryo-EM technologies, obtaining high-resolution structures of membrane proteins in vitro can allow people to understand their mechanisms and functions, and to facilitate the design and optimization of new therapeutic agents. Furthermore, there has been significant growth in the structural characterization of membrane proteins in situ, as studying biomolecules within their physiological context is an ultimate goal in structural biology for a comprehensive understanding of molecular networks in cells.
Due to the amphipathic nature of membrane proteins, their production, purification, and isolation pose significant challenges compared to soluble proteins. To maintain the membrane protein fold in an aqueous buffer after disrupting lipid membranes, the use of detergents, amphipols, lipid nanodiscs, saposin-lipoprotein (salipro), styrene-maleic acid co-polymer lipid particles (SMALPS) is common and often essential. A limitation of the membrane-mimetic systems is the absence of an actual lipid bilayer environment. To address this issue, membrane proteins can be reconstituted into liposomes, and this closed membrane environment closely mimics the physiological conditions of the proteins. The use of liposomes for structure determination is expected to significantly expand in the in vitro study of membrane proteins and membrane-associated proteins, particularly for capturing transient complexes in specific functional states.
Resolving the structures of membrane proteins in their native cellular context is considered the ideal approach for understanding their functions and associated molecular networks. While single-particle cryo-EM can achieve higher resolution than subtomogram averaging, it often requires at least partial purification of the target molecules from their native environment inside cells and tissues. By combining averaging tools on subvolumes obtained through cryo-ET, structures can currently be determined at resolutions of 10-30 Å. With ongoing advancements and refinements in cryo-ET methodologies, routine high-resolution structure determination in situ is poised to become a valuable tool for both structural and cell biologists in the long run, and the field holds great promise for further expanding our understanding of cellular structures and processes at the molecular level.
The main aim of this thesis is to further our knowledge of the structure and function of a small prokaryotic voltage-gated sodium ion channel, NaChBac in liposomes, and a large knob complex found on the surface of Plasmodium falciparum-infected human erythrocyte by cryo-ET and StA.
Chapter 2 presents the first StA map of the 120-kDa NaChBac embedded in liposomes under a resting membrane potential at a modest resolution of 16 Å. The approach presented in this study, which can be widely applied to cryo-EM analysis of membrane proteins, with a specific focus on membrane proteins with small soluble domains, lays the foundation for cryo-ET and StA of integral or peripheral membrane proteins whose functions are affected by transmembrane electrochemical gradients and/or membrane curvatures. Chapter 3 shows the first cryo-EM structure of the supramolecular knob complex in P. falciparum-infected human erythrocyte. While a previous study provided an overall architectural view of knobs using negative stain tomography, the in situ structure bridges this gap, guiding future investigations into the molecular composition and the role of these native knobs in Plasmodium infection and immunity.
This thesis opens up several promising lines for future studies of membrane proteins in vitro and in situ, where other membrane proteins can be studied in physiologically relevant environments. Already with the present generation of cryo-EM hardware and software, this thesis represents pioneering research in the field of membrane protein structural biology.
Impact of pectin dietary supplementation on experimental food allergy via gut microbiota modulation
(2023)
In recent years, dietary fibers gained focus in regard of their immune-modulatory effects and the potentially beneficial effect on allergies. The dietary fiber and prebiotic pectin is able to promote growth and activity of beneficial bacteria and thereby induce modulation of different immune responses. However, structurally different types of pectin might promote different immune-modulatory responses and to date the optimal pectin type for induction of beneficial health effects is not identified. Furthermore, it is still unclear, whether pectins provide a beneficial effect on certain allergies, such as food allergy.
Having this in consideration, this study examined the immune-modulatory effects of structurally different pectins on naive as well as peach allergic mice. Furhtermore, the impact of dietary pectin supplementation on composition and diversity of the murine gut microbiota was determined.
This study showed that dietary pectin intervention was able to suppress allergy-related Th2 responses considering humoral and cellular immune responses. Only apple-derived high-methoxyl pectin revealed an impact on total IgA levels and affected the microbial richness. Furthermore, it is not known whether the effects observed with the two pectins are caused by modulations of the bacterial composition or induced at least partly by direct interaction with the immune cells. Further studies are required to fully understand the mechanisms underlying the immune-modulatory capacities of different pectins.
Finally, the obtained results generated evidence that dietary pectin intervention can beneficially modulate the immune response in healthy mice and – at least partially – suppress allergy-related immune responses in a model of food allergy, depending on the structural characteristics of the used pectin.
Das Ziel in der vorliegenden systematischen Literaturrecherche ist es, den aktuellen Stand des Wissens über die Erfolgsfaktoren von Einzelzahnimplantaten, bei denen eine Sofortbelastung auf den provisorischen Implantatkronen zum Antagonisten erfolgt, wiederzugeben. In diesem Rahmen wurden Zusammenhänge zwischen der Implantatüberlebensrate, der Primärstabilität, der Implantatregion, des Implantatdesigns und des Implantationszeitpunktes getrennt nach okklusalem Belastungsprotokoll (mit versus ohne antagonistische Okklusionskontakte auf den provisorischen Implantatkronen) und der postoperativen Verhaltensweisen der Patienten analysiert. Der Prozess der systematischen Literaturrecherche wurde nach den PRISMA-Guidelines für den Suchzeitraum von 2012 bis 2022 durchgeführt.
Um die Forschungsfrage zu beantworten, wurde eine qualitative Analyse in deskriptiver Form durchgeführt.
In den analysierten Studien, wurde am häufigsten ein Eindrehmoment von ≥ 35 Ncm als Kriterium für eine Sofortbelastung gewählt. Die meisten Implantate wurden in der Oberkieferregion 15 bis 25 inseriert. Bei den Implantatkronen mit antagonistischen Okklusionskontakten fielen die Überlebensraten insgesamt niedriger aus als in den Studien, in denen die Implantatkronen ohne antagonistische Okklusionskontakte eingegliedert wurden. Die Überlebensraten waren weitestgehend vergleichbar mit den Ergebnissen konventioneller Belastungsprotokolle. Die Datenlage anhand dieser Recherche spricht zurzeit für die Realisierung der Sofortbelastung von provisorischen Implantatkronen ohne antagonistische Okklusionskontakte in Verbindung mit postoperativen Verhaltensmaßnahmen.
The prefrontal cortex (PFC) is considered the cognitive center of the mammalian brain. It is involved in a variety of cognitive functions such as decision making, working memory, goal-directed behavior, processing of emotions, flexible action selection, attention, and others (Fuster, 2015). In rodents, these functions are associated with the medial prefrontal cortex (mPFC). Experiments in mice and rats have shown that neurons in the mPFC are necessary for successful performance of many cognitive tasks. Moreover, measurements of neural activity in the mPFC show excitation or inhibition in different cells in relation to specific aspects of the tasks to be solved. To date, however, it is largely unknown whether prefrontal neurons are stably activated during the same behaviors within a task and whether similar aspects are represented by the same neurons in different tasks. In addition, it is unclear how specifically neurons are activated, for example, whether cells that are activated in response to reward are activated in a different task without reward in a different situation or remain inactive. To address these questions, we recorded the same neurons in the mPFC of mice over the course of several weeks while the animals performed various behaviors.
To do this, we expressed GCaMP6 in pyramidal neurons in the mPFC of mice. A small lens was implanted in the same location and a miniature microscope ("miniscope") was used to record neural activity. Later the extracted neurons got aligned based on their shape and position across multiple days and sessions. The mice performed five different behavioral tests while neural activity was measured: A spatial working memory test in a T-maze, exploration of the elevated plus maze (EPM), a novel object recognition (NO) test including free open field (OF) exploration, a social interaction (SI) test and discriminatory auditory fear conditioning (FC). Each task was repeated at least twice to check for stable task encoding across sessions. Behavioral performance and neural correlates to specific task events were similar to earlier studies across all tasks. We utilized generalized linear models (GLM) to determine which behavioral variables most strongly influence neural activity in the mPFC. The position of the mouse in the environment was found to explain most of the variance in neural activity, together with movement speed they were the strongest predictors of neural activity across all tasks. Reward time points in the working memory test, the conditioned stimulus after fear conditioning, or head direction in general were also strongly encoded in the mPFC.
Many of the recorded neurons showed a stable spatial activity profile across multiple sessions of the same task. Similarly, cells that coded for position in one task tended to code for position in other tasks. Not only did the same cells code for position across multiple tasks, but cells also coded for movement speed and head direction. This indicates that at least these general behavioral variables are each represented by the same neurons in the mPFC. Interestingly, the stability of position or speed coding did not depend on the time between two sessions, but only on whether it was within the same or across different tasks. Within the same task, stability was slightly higher than across different tasks.
To find out whether task-specific behavioral aspects were also stably encoded in the mPFC, difference scores as the difference in neural activity between two task aspects like left- and right-choice trials or exposed and enclosed locations were calculated. Many cells encoded these aspects stably across different sessions of each task. Both the left-right differences in the different phases of the working memory test, the open-closed-arm differences in the elevated plus maze, the different activity between center and corners in the open field, the social target-object differences in the social interaction test, and the differences between the two tones during fear conditioning were all stably encoded across the population of mPFC cells. Only the distinction between the novel and the familiar object during object recognition was not stably encoded, but also the preference for the novel object was not present in the second session of novel object exploration.
There was also an overlap in coding for different aspects within a task across multiple sessions. For example, cells stably encoded left-right differences in the T-maze between different sessions as a function of walking direction across different phases of working memory, an aspect that we could already show within one session (Vogel, Hahn et al., 2022). During fear conditioning, the same cells showed a discrimination between CS+ and CS- that also responded to the start of CS+.
Consistency in the neurons activity across different tasks was also found, but only between tasks with similar demands, the elevated plus-maze and free exploration of the open field. Cells that were more active in the open arms also showed more activity in the center of the open field and vice versa. This could be an indicator that the cells were coding for anxiety or exposure across those tasks, indicating that neurons in the mPFC also stably encode general task aspects independent of the specific environment. However, it remains unclear what exactly these neurons encode; in the case of a general fear signal, one would also expect activation during fear conditioning which could not be found.
Overall, we found that neurons in the mPFC of mice encoded multiple general behavioral variables across multiple tasks and task-specific variables were encoded stably within each of the tested tasks. However, we found little task-specific variables that were systematically encoded by the same neurons with the exception being the elevated plus-maze and open field exploration, two tasks with similar features.
Life and biological resilience rely on the execution of precise gene expression profiles. A key mechanism to ensure cellular homeostasis is the regulation of protein synthesis. Recent studies have unveiled an intrinsic regulatory capacity of ribosomes, previously considered mere executors of mRNA translation. Neurons in particular finely regulate protein synthesis, at both global and local levels. This sustains their complex morphology and allows them to rapidly transmit, integrate, and respond to external stimuli. In this thesis, I investigated the neuronal ribosome and how subcellular environments and physiological perturbations shape it, by profiling its molecular composition, functional interconnections, and cellular distribution.
First, I used genetic engineering, biochemical purification, and mass spectrometry, to characterize in an unbiased manner the translation machinery specifically from excitatory and inhibitory neurons of the mouse cortex. I found that neuronal ribosomes commonly interact with RNA-binding proteins, components of the cytoskeleton, and proteins associated with the endoplasmic reticulum and vesicles. In line with the requirement for local protein synthesis in the distal parts of neurons, we observed that neuronal ribosomes preferentially interact with proteins involved in cellular transport. Remarkably, I observed a strong association between ribosomes and pre-synaptic vesicles, which suggests a potential regulatory interaction between local translation and neuronal activity.
Intriguingly, I and others have observed mRNAs encoding for core ribosomal proteins (RPs) among the genes most enriched in neuronal processes. This observation challenges two historical assumptions of ribosome biology: (1) new RPs are incorporated only into newly forming ribosomes, and (2) this incorporation occurs only in the nucleus and perinuclear region. In my PhD, I aimed to directly test these two assumptions and if proven wrong ask whether and why neurons would localize RP mRNAs far from their known assembly site.
Employing a combination of metabolic labeling and highly sensitive mass spectrometry techniques, I discovered that a subset of RPs rapidly and dynamically binds on and off mature ribosomes. Strikingly, this incorporation does not depend on the supply of new ribosomes from the nucleus. Therefore, my data refuted the assumption that ribosomes are built and degraded as a unit and revealed a more dynamic view of these machines, which can actively exchange core components. In particular, I found that the association of certain exchanging RPs is influenced by location (e.g., cell body versus neurites) and cellular state (e.g., post-oxidative stress). Neurons may use this mechanism to repair and/or specialize their protein synthesis machinery in a rapid and context-dependent manner.
Finally, I asked whether some steps of ribosome biogenesis could also take place in distal processes. Although most steps of ribosome assembly occur within the nucleus, the final stages of maturation are known to occur in the cytosol. By combining several imaging and biochemical approaches, I found that cytosolic (but not nuclear) pre-ribosomal particles are present in neuronal processes. Through the incorporation of new RPs into these immature particles, neurons may be able to locally “turn on” previously incompetent ribosomes. This may enable regions near synapses to enhance and customize their translational capacity, independently of the central pool of ribosomes from the cell body. Indeed, I observed that synaptic plasticity induces a maturation of cytosolic pre-ribosomes.
In summary, this thesis shows how neuronal ribosomes can sense cellular states, respond by adjusting their core composition, and in doing so influence the local capacity for protein synthesis. By overturning long-held assumptions in ribosome biology, this work highlights new molecular mechanisms of gene expression and enriches our understanding of the rapid and dynamic strategies cells employ to operate, thrive, and adaptively respond to environmental changes.
Precise regulation of gene expression networks is required to develop and maintain a healthy organism before and after birth and throughout adulthood. Such networks are mostly comprised of regulatory proteins, but meanwhile many long non-coding transcripts (lncRNAs) are shown to participate in these regulatory processes. The functions and mechanisms of these lncRNAs vary greatly, however they are often associated with transcriptional regulation. Three lncRNAs, namely Sweetheart RNA (Swhtr), Fetal-lethal noncoding developmental regulatory RNA / Foxf1 adjacent non-Coding developmental regulatory RNA (Fendrr) and lncFsd2, were studied in this work to demonstrate the variety of cellular and biological processes that require lncRNA-mediated fine-tuning, in regard to the cardiopulmonary system.
Swhtr was found to be expressed exclusively in cardiomyocytes and became critical for regeneration after myocardial injury. Mice lacking Swhtr did not show issues under normal conditions, but failed to undergo compensatory hypertrophic remodeling after injury, leading to increased mortality. This effect was rescued by re-expressing Swhtr, demonstrating importance of the RNA. Genes dependent on Swhtr during cardiac stress were found to likely be regulated by NKX2-5 through physical interaction with Swhtr. Fendrr was found to be expressed in lung and interacted with target promoters through its RNA:dsDNA binding domain, the FendrrBox, which was partially required for Fendrr function. Fendrr, together with activated WNT signaling, regulated fibrosis related target genes via the FendrrBox in fibroblasts. LncFsd2, an ubiquitously expressed lncRNA, showed possible interaction with the striated muscle specific Fsd2, but its exact function and regulatory role remain unclear in muscle physiology. Immunoprecipitation and subcellular fractionation experiments suggest that lncFsd2 might be involved in nuclear retention of Fsd2 mRNA, thus fine-tuning FSD2 protein expression. These investigations have shed light on the roles of these lncRNAs in stress responses, fibrosis-related gene regulation, and localization processes, advancing our understanding of cardiovascular and pulmonary maintenance, reaction to injury, and diseases. The diverse and intricate roles of these three lncRNAs highlight how they influence various cellular processes and disease states, offering avenues for exploring lncRNA functions in different biological contexts.
Mitochondria perform essential energetic, metabolic and signalling functions within the cell. To fulfil these, the integrity of the mitochondrial proteome has to be preserved. Therefore, each mitochondrial subcompartment harbours its own system for protein quality control. However, if the capacity of mitochondrial chaperones and proteases is overloaded, mitochondrial misfolding stress (MMS) occurs. Upon this stress condition, mitochondria communicate with the nucleus to increase the transcription of nuclear encoded mitochondrial chaperones and proteases. This proteotoxic stress pathway was termed the mitochondrial unfolded protein response (UPRmt) aiming at restoring protein homeostasis. Despite being discovered over 25 years ago, the signalling molecules released by stressed mitochondria as well as the corresponding receptor and transcription factor remain poorly understood. With this study, we aimed at characterising the underlying signalling events and mechanisms of how mitochondria react to misfolded proteins. First, we aimed to establish different methods to induce MMS that triggers the transcriptional induction of mitochondrial chaperones and proteases detected by quantitative polymerase chain reaction. We were able to induce UPRmt signalling by overexpression of an aggregation-prone protein and by knock-down or inhibition of mitochondrial protein quality control components. To study the signalling in a time-resolved manner, we focused on the usage of the mitochondrial HSP90 inhibitor GTPP and the mitochondrial LONP1 protease inhibitor CDDO.
Early time point RNA sequencing analysis of cells stressed with GTPP or CDDO revealed upregulated genes in response to oxidative stress. Indeed, measurements of mitochondrial superoxide with the fluorescent dye MitoSOX showed increased levels of reactive oxygen species (ROS) upon MMS induction. In contrast, there was no induction of mitochondrial chaperones and proteases when combining MMS with antioxidants. Compartment-specific targeting of the hydrogen peroxide sensor HyPer7 revealed increased ROS levels in the intermembrane space and matrix of mitochondria, followed by elevated ROS levels in the cytosol at later time points. The importance of cytosolic ROS for the signalling was supported by preventing UPRmt induction with an inhibitor blocking the outer mitochondrial membrane pore. Thus, ROS were identified as an essential UPRmt signal.
To understand which cytosolic factor is modified by ROS, redox proteomics was performed. Here, reversible changes on cysteine residues of the HSP40 co-chaperone DNAJA1 were observed upon MMS. Consequently, transcriptional induction of UPRmt genes was abolished by DNAJA1 knock-down. To understand the function of DNAJA1 during UPRmt signalling, quantitative interaction proteomics upon MMS revealed an increased binding to mitochondrial proteins and its interaction partner HSP70. Immunoprecipitation confirmed a ROS-dependent interaction between HSP40 and HSP70. Increased binding to mitochondrial proteins represented a cytosolic interaction of DNAJA1 with mitochondrial precursor proteins, whose accumulation was confirmed by western blot. Moreover, a fluorescent protein targeted to mitochondria accumulated in the cytosol during GTPP treatment, confirming a reduced import efficiency upon MMS. Preventing the accumulation of precursors by a translation inhibitor or depletion of a general mitochondrial transcription factor resulted in reduced UPRmt activation. Thus, DNAJA1 is essential for UPRmt signalling, since its oxidation by mitochondrial ROS and its enhanced recruitment to mitochondrial precursors allows the integration of both MMS-induced signals.
To link these findings to an increased transcription of mitochondrial chaperones and proteases, we screened for transcription factors accumulating in the nucleus upon MMS by cellular fractionation mass spectrometry. We demonstrated that specifically HSF1 accumulates in nuclei of cells stressed with GTPP or CDDO. Depletion of HSF1 by knock-down or knock-out resulted in the abrogation of the UPRmt-specific transcriptional response. HSF1 activation was visualised by nuclear accumulation on western blot, a process inhibited by ROS and precursor suppression. Moreover, DNAJA1 depletion prevented HSF1 activation. Ultimately, we proved by immunoprecipitation that the inhibitory interaction between HSF1 and HSP70 is reduced upon MMS.
Thus, we conclude that MMS increases mitochondrial ROS that are released into the cytosol. In addition, the import efficiency is reduced upon MMS, resulting in the accumulation of non-imported mitochondrial precursor proteins in the cytosol. Both signals are recognised via DNAJA1 oxidation and substrate binding. The concurrent recruitment of HSP70 to DNAJA1 results in the loss of the inhibitory HSP70-HSF1 interaction. Thus, active HSF1 can migrate to the nucleus to initiate transcription of mitochondrial chaperones and proteases. These findings are in accordance with observations in yeast, where mistargeted mitochondrial proteins activate cellular stress responses. Our results highlight a surprising interconnection and dependence of the mitochondrial and the cytosolic proteostasis network, in which the UPRmt is activated by a combination of two mitochondria-specific proteotoxic stress signals.
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.
Diese Versuchsreihe beschäftigte sich mit der Fragestellung, ob günstige Handelsmarken- Zigaretten mehr Feinstaub als teure Markenzigaretten emittieren. Dabei wurde der Passivrauch untersucht, welcher durch das Verrauchen verschiedener Zigarettenmarken entstand. Feinstaub stellt heutzutage den wichtigsten einzelnen gesundheitsschädlichen Faktor in Innenräumen dar. Das Augenmerk liegt dabei hauptsächlich auf den feinen Partikeln (PM2,5, PM1). Tumore, chronische Atemwegserkrankungen und eine erhöhte Mortalität stellen nur einen Teil der massiven gesundheitlichen Folgen durch Feinstaub dar. Vulnerable Bevölkerungsgruppen wie Kinder und alte Personen sind besonders durch Passivrauch gefährdet. Die Ergebnisse der Versuchsreihe dienen als Grundlage, um den gesundheitsschädlichen Einfluss des Passivrauchs zu interpretieren. Günstige Handelsmarken-Zigaretten weisen, unter anderem wegen des beständig ansteigenden Zigarettenpreises als auch der anhaltenden Inflation in Deutschland, einen wachsenden Marktanteil auf. Daher müssen sie auch weiterhin in wissenschaftlichen Untersuchungen mit einbezogen werden.
Drei teure sowie drei günstige Zigarettenmarken wurden miteinander und mit der Referenzzigarette 3R4F der Universität Kentucky verglichen. Zu den teuren Marken zählten Marlboro, Camel und Nil. Die günstigeren Handelsmarken-Zigaretten waren Giants, Goldfield und Jakordia. Die Rauchpumpe „Automatic environmental tobacco smoke emitter“ (AETSE) ermöglichte in einem definierten Raum der abgeschlossenen Rauchkammer, Passivrauch zu erzeugen, ohne die menschliche Gesundheit zu gefährden. Ein standardisiertes Rauchprotokoll garantierte dabei reproduzierbare und vergleichbare Ergebnisse. Das Laser Aerosolspektrometer (LAS) Modell 1.109 der Firma Grimm wies eine Messspanne von 0,25 μm bis 32 μm auf. So konnte der Feinstaub gemessen und gruppiert werden. Obwohl der Versuchsaufbau nicht vollkommen realitätsgetreu war, entstand ein adäquater Vergleich der Feinstaubemissionen von (Handels-)Markenzigaretten.
PM10 und PM2,5 wurden erhoben, weil sie die von der EU und WHO standardisierten Messwerte für die Luftverschmutzung durch Feinstaub sind. Die Messung von PM1 rechtfertigt sich durch die stärker gesundheitsschädigende Komponente von Partikeln dieser Größenordnung. Für diese drei Größenfraktionen wurden die mittlere Konzentration Cmean sowie die Area Under The Curve (AUC) ermittelt. Die AUC stellt dabei die Höhe der Gesamtexposition durch Feinstaub dar.
Die Ergebnisse dieser Versuchsreihe zeigen, dass PM1 den größten Anteil der Feinstaubemission der getesteten Zigaretten ausmachte. Alle Zigarettenmarken haben in einem abgeschlossenen Raum Feinstaubmengen in gesundheitsgefährdender Menge produziert. Die Handelsmarke Jakordia emittierte beim Verrauchen generell weniger Feinstaub als alle anderen Zigarettenmarken. Im Allgemeinen konnte kein Unterschied zwischen den günstigen Handels- und den teuren Markenzigaretten festgestellt werden. Es ist wissenschaftlich belegt, dass sich jede Feinstaubkonzentration negativ auf die Gesundheit auswirkt. Die Ergebnisse können dementsprechend in Gänze unter dem Gesichtspunkt der Gesundheitsschädlichkeit eingestuft werden.
Aufgrund veralteter und unspezifischer, beziehungsweise fehlender Angaben zu den Inhaltsstoffen der einzelnen Zigarettensorten, konnte die Ursache der Unterschiede zwischen Jakordia und den anderen Marken nicht geklärt werden. Die Zigarettenhersteller müssen verpflichtet werden, die detaillierten Zusammensetzungen der Tabakprodukte den Behörden wie dem BMEL oder dem Bundesgesundheitsministerium zugänglich zu machen. Dies wäre ein wichtiger Bestandteil für die zukünftige Forschung und Risikobewertung der verschiedenen Inhalts- und Zusatzstoffe.
This dissertation constitutes a series of successive research papers, starting with the characterization of various optogenetic tools up to the establishment of purely optical electrophysiology in living animals.
Optogenetics has revolutionized neurobiology as it allows stimulation of excitable cells with exceptionally high spatiotemporal resolution. To cope with the increasing complexity of research issues and accompanying demands on experimental design, the broadening of the optogenetic toolbox is indispensable. Therefore, one goal was to establish a wide variety of novel rhodopsin-based actuators and characterize them, among others, with respect to their spectral properties, kinetics, and efficacy using behavioral experiments in Caenorhabditis elegans. During these studies, the applicability of highly potent de- and hyperpolarizers with adapted spectral properties, altered ion specificity, strongly slowed off-kinetics, and inverted functionality was successfully demonstrated. Inhibitory anion channelrhodopsins (ACRs) stood out, filling the gap of long-sought equivalent hyperpolarizing tools, and could be convincingly applied in a tandem configuration combined with the red-shifted depolarizer Chrimson for bidirectional stimulation (Bidirectional Pair of Opsins for Light-induced Excitation and Silencing, BiPOLES). A parallel study aimed to compare various rhodopsin-based genetically encoded voltage indicators (GEVIs) in the worm: In addition to electrochromic FRET-based GEVIs that use lower excitation intensity, QuasAr2 was particularly convincing in terms of voltage sensitivity and photostability in C. elegans. However, classical optogenetic approaches are quite static and only allow perturbation of neural activity. Therefore, QuasAr2 and BiPOLES were combined in a closed-loop feedback control system to implement the first proof-of-concept all-optical voltage clamp to date, termed the optogenetic voltage clamp (OVC). Here, an I-controller generates feedback of light wavelengths to bidirectionally stimulate BiPOLES and keep QuasAr’s fluorescence at a desired level. The OVC was established in body wall muscles and various types of neurons in C. elegans and transferred to rat hippocampal slice culture. In the worm, it allowed to assess altered cellular physiology of mutants and Ca2+-channel characteristics as well as dynamical clamping of distinct action potentials and associated behavior.
Ultimately, the optogenetic actuators and sensors implemented in the course of this cumulative work enabled to synergistically combine the advantages of imaging- and electrode-based techniques, thus providing the basis for noninvasive, optical electrophysiology in behaving animals.
Die Bande q23 auf Chromosom 11 ist in zahlreiche reziproke chromosomale Translokationen verwickelt. Diese sind dominant mit dem Krankheitsphänotyp einer AML, ALL und seltener mit malignen Lymphomen und myelodysplastischen Syndromen assoziiert. Mittlerweile sind fünfundachtzig cytogenetische Aberrationen der Bande 11q23 bekannt. Das auf 11q23 betroffene Gen wird als das Mixed Lineage Leukemia (MLL), Acute Lymphoblastic Leukemia (ALL-1), Human Homolog of trithorax (HRX) oder als Human Trithorax 1 (Htrx1) bezeichnet. Die häufigsten Partnergene des MLL sind AF4 (40 %), AF9 (27 %), sowie ENL, AF6, ELL und AF10 (4-7 %).
Die Bruchpunkte von t(11;V) Translokationen sind nicht gleichmäßig über das gesamte, 92 kb große humane MLL-Gen verteilt, sondern liegen alle in der 8,3 kb großen Bruchpunktsregion Bpr. Auch innerhalb der Bpr ist die Verteilung der Translokationsbruchpunkte nicht homogen. Die Bruchpunkte von Patienten mit de novo Leukämien und einem Alter über einem Jahr liegen mehrheitlich in der 5’-Hälfte der Bpr, dem Subcluster I. Dagegen liegen die Bruchpunkte von Patienten mit therapiebedingten Leukämien und einem Alter unter einem Jahr überwiegend in der 3’-Hälfte der Bpr, dem Subcluster II.
Neuere Forschungsergebnisse zeigten, daß DNA-Doppelstrangbrüche auf zwei verschiedenen Chromosomen eine hinreichende Voraussetzung für das Entstehen chromosomaler Translokationen sind. Aufgrund der inhomogenen Verteilung der Translokationsbruchpunkte im MLL-Gen stellte sich die Frage, ob bestimmte Regionen dieses Gens für DNA-Doppelstrangbrüche prädisponiert sind. Interessanterweise ist Subcluster II extrem sensitiv gegenüber DNA-Doppelstrangbrüchen, die durch cytotoxische Agenzien oder Apoptose-auslösende Ereignisse induziert werden können. In unserer Arbeitsgruppe konnte eine etwa 200 bp große Region lokalisiert werden, über die sich nahezu alle Etoposid-induzierten DNA-Doppelstrangbrüche verteilten.
In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, daß die Bildung von DNA-Doppelstrangbrüchen in dieser Region durch die Gabe eines Caspase-Inhibitors gehemmt werden kann. Eine Etoposid-induzierte Protein-DNA-Wechselwirkung konnte allerdings nicht nachgewiesen werden. In der Literatur fanden sich Hinweise darauf, daß Subcluster II im Gegensatz zu Subcluster I eine verstärkte Histonacetylierung aufweist. Basierend auf diesen Hinweisen sollte die Arbeitshypothese untersucht werden, ob Subcluster II einen geninternen Promotor des MLL-Gens darstellt.
Die potentielle Promotorregion wurde zunächst durch Computeranalysen eingegrenzt. Mit RT-PCR Experimenten wurde anschließend der potentielle geninterne Promotor des murinen Mll-Gens in einer murinen Fibroblastenzellinie lokalisiert, die einen Transkriptionsstop und eine Polyadenylierungssequenz in Exon 4 des Mll-Gens trug. Um die am Mausmodell gewonnenen Erkenntnisse auch im humanen System zu überprüfen, wurde die geninterne Promotorregion des humanen MLL Gens vor ein Luciferasereportergen kloniert. Durch RTPCR konnte der geninterne Transkriptionsstart im Subcluster II des humanen MLL-Gens lokalisiert werden. Damit konnte zum ersten Mal gezeigt werden, daß Transkriptionsinitiation und genetische Instabilität im Subcluster II des humanen MLL-Gens kolokalisieren.
Durch Deletionsmutanten wurde die Bedeutung der einzelnen Module dieser Promotorregion ermittelt. Dabei zeigte sich, daß die Anwesenheit von zwei retromobilen Elementen eine Enhancer-Funktion haben. Demgegenüber zeigte die homologe murine Sequenz, die in unserer Arbeitsgruppe gleichzeitig von S. Scharf untersucht wurde und für die keine erhöhte Anfälligkeit für DNA-Doppelstrangbrüche bekannt ist, nur eine schwache Promotoraktivität. Dies weist auf einen Zusammenhang zwischen der genetischen Instabilität von Subcluster II und der Rate geninterner Transkriptionsinitiationsprozesse hin.
Das Protein, für das das Transkript des geninternen murinen Promotors kodiert, wurde mittels immunhistologischer und Western Blot Experimente nachgewiesen. Dabei konnte gezeigt werden, daß dieses Protein, wie auch das MLL-Protein, proteolytisch durch Taspase1 und daß sich ein Mini-MLL-Komplex bildet.
Ziel der vorliegenden In-vitro-Untersuchung war der Vergleich drei unterschiedlicher maschineller Nickel-Titan-Wurzelkanalinstrumente bezüglich ihres Vermögens, künstliche Wurzelkanäle mit einem standardisierten Krümmungsradius von 36° nach der Crown-downMethode aufzubereiten. Die verwendeten Systeme waren Profile .04- und Profile .06-Feilen, sowie Mity -Roto-Feilen; angetrieben wurden die Instrumente mit dem ATR Tecnika Motor, einem drehmomentbegrenztem, computergesteuerten Endodontiemotor. Insgesamt wurden vom selben Behandler 60 Kanäle aufbereitet, nachdem diese zuvor in drei Gruppen aufgeteilt wurden: Gruppe 1 wurde ausschließlich mit Profile .04-Instrumenten aufbereitet, Gruppe 2 mit Mity-Roto-Feilen und Gruppe 3 in der Kombination Profile .04-, sowie Profile .06-Feilen. Die einzelnen Kanäle wurden in Hinsicht der Parameter Aufbereitungszeit, Arbeitslängenverlust, Gewichtsverlust, Instrumentenfraktur, sowie Veränderungen der Kanalanatomie miteinander verglichen. Durch Übereinanderprojektion von DiapositivAufnahmen vor und nach Aufbereitung erfolgte die Auswertung der Veränderung der Kanalanatomie.
Hinsichtlich der Aufbereitungszeit gab es zwischen den Systemen Mity-Roto und Profile .04/06 keine statistisch signifikanten Unterschiede.
Die besten Ergebnisse bezüglich Verlust von Arbeitslänge wurden mit den Mity-Roto-Feilen erzielt. Bei allen 20 Kanälen wurde nach der Aufbereitung die volle Arbeitslänge wieder erreicht. Im Gegensatz dazu ergaben sich bei der Aufbereitung mit Profile .04-Instrumenten in allen 20 Kanälen Arbeitslängenverluste, diese betrugen im Mittel 2,8 mm. Mit nur 0,3 mm mittleren Verlusts an Arbeitslänge unterscheidet sich die Profile .04/06-Gruppen nicht statistisch signifikant von der Mity-Roto-Gruppe, es gilt aber hierbei zu berücksichtigen, dass die von einer Fraktur betroffenen Kanäle nicht in die statistischen Auswertungen einbezogen wurden. Insgesamt wurde bei der Kombination der Instrumente Profile .04 und .06, d.h. in Gruppe 3, bei ca. der Hälfte der Kanäle die ursprüngliche Arbeitslänge nicht erreicht.
Die Auswertung dieses Parameters weist darauf hin, dass eine Kombination der Profile .04-Instrumente mit den stärker konischen .06-Instrumenten für die oberen Kanalanteile zu einer Verbesserung der Ergebnisse führt. Demgegenüber sind die Mity-Roto-Instrumente mit ihrem 2-prozentigem Konus in der Lage, auch ohne den zusätzlichen Einsatz eines stärker konischen Instruments für den Kanaleingang bei allen Kanälen die Ursprungsarbeitslänge zu erreichen. Bei den Werten für den Gewichtsverlust nach Aufbereitung unterschieden sich die drei Aufbereitungsmethoden statistisch nicht voneinander.
Bei sechs von 60 aufbereiteten Kanälen ergaben sich Frakturen, dies entspricht einer Frakturrate von 10 %. Absolut gesehen traten nur bei den Profile 04-Instrumenten Frakturen auf, jeweils drei bei der Profile .04- Gruppe und ebenfalls drei bei der Profile .04/06-Gruppe. Häufigste Frakturstelle war das apikale Drittel des 16 mm langen Arbeitsteils der Feile. Betroffen waren vor allem die Feilen stärkeren Durchmessers, insbesondere kam es bei der Feile # 30 in vier Fällen zu einer Fraktur. Die Mity-Roto-Feilen verfügen über eine hohe Arbeitssicherheit, in keinem der 20 Wurzelkanäle kam es zum Auftreten einer Fraktur.
Bezüglich der Veränderung der Kanalanatomie lässt sich für die Mity-Roto-Feilen ein weitgehend zentriertes Aufbereitungsverhalten feststellen. Hingegen weisen die Profile .04-Gruppe, sowie die Profile .04/06-Gruppe lediglich im apikalen Kanalanteil ein zentriertes Aufbereitungsmuster auf, im mittleren Teil kommt es zu einem stärkeren Abtrag an der Außenkurvatur und koronal ist eine Verlagerung des stärksten Abtrags nach mesial festzustellen.
Bei der Bewertung der Veränderung der Kanalanatomie muss berücksichtigt werden, dass durch die Diapositivtechnik nur eine Betrachtung in zwei-dimensionaler Weise möglich war, die dritte Ebene ist ausgespart und entzieht sich somit der Möglichkeit der Bewertung. Der Großteil von Studien, der sich mit der Aufbereitung von Wurzelkanälen beschäftigt, bereitet diese häufig nicht in dem starken Maße auf, wie in der vorliegenden Untersuchung geschehen. Statt einer Masterfeile von # 40, wie in der vorliegenden Untersuchung, wird häufig lediglich bis # 30, beziehungsweise # 35 aufbereitet.
Unter den Bedingungen der vorliegenden Studie führte die maschinelle
Wurzelkanalpräparation mit Profile .04-Instrumenten zu unbefriedigenden Ergebnissen, die sich jedoch durch den zusätzlichen Einsatz der stärker konisch geformten .06-Instrumente deutlich verbessern lassen. Aufgrund der relativ hohen Frakturhäufigkeit kann der kombinierte Einsatz von Profile .04- und Profile .06-Instrumenten für die Aufbereitung von gekrümmten Kanälen eingeschränkt empfohlen werden.
In Bezug auf alle erhobenen Parameter erzielte die Aufbereitung mit den Mity-Roto-Feilen die besten Ergebnisse und kann für die maschinelle Aufbereitung gekrümmter Wurzelkanäle empfohlen werden.
Ziel dieser Arbeit war es, eine Methode zur akustischen Konditionierung speziell für cochleaimplantierte Katzen zu entwickeln. Die Methode sollte bei den Katzen Interesse an akustischen Reizen induzieren und mit einem geringen Aufwand Hör- und Unterschiedsschwellen bestimmbar machen.
Dabei konnte auf den Erfahrungen aus der Arbeit von Manos Pramateftakis aufgebaut werden.
Bei der Katze handelt es sich um ein gutgeeignetes Tiermodell, wodurch sich die gewonnenen Ergebnisse in gewissem Maße auf den Menschen übertragen lassen. Zusammen mit den Resultaten aus den neurophysiologischen und histologischen Untersuchungen sollen sie helfen, die Implantate und deren Codierungsstrategien zu verbessern.
Es wurden insgesamt sieben Katzen für die Konditionierungsexperimente verwendet, davon vier Tiere, zwei taub geborene und zwei künstlich vertäubte, mit einem Cochleaimplantat ausgestattet. Es wurde sichergestellt, daß die Tiere vor der Implantation taub waren und keinerlei Hörerfahrung hatten. Die Tiere wurden im Alter von 2,5 bis 6,5 Monaten implantiert. Drei weitere Katzen dienten als hörende Kontrollen. Die sieben Katzen wurden zwischen 12 und 102 Tage konditioniert.
Die verwendeten Cochleaimplantate wurden in unserem Institut speziell für den Einsatz bei Katzen entwickelt. Es handelt sich dabei um fünf kugelförmige Reizelektroden, die in die Scala tympani eines Ohres inseriert wurden, und eine indifferente Elektrode. Es wurde ein rein monopolares Reizmuster verwendet. Bei der entwickelten Methode handelte es sich um eine operante Konditionierung mit positiver Verstärkung und einem konstanten Verstärkungsmuster. Die Konditionierungssitzungen fanden einmal täglich, an sieben Tagen der Woche in einer schalldichten Kammer statt, mit 15 – 20 Trials (Tests) pro Sitzung. Die Tiere wurden nicht futterdepriviert, erhielten aber für mindestens sechs Stunden vor der Konditionierung keine Nahrung.
Ziel war es, daß die Katzen ein Verhalten zur Frequenzdiskrimination erlernten. Dazu mußten die Tiere bei zwei verschiedenen Reizfrequenzen unterschiedliche Futternäpfe aufsuchen, um eine Belohnung zu erhalten. Das Hinlaufen zu dem richtigen Futternapf wurde als Treffer (Hit) gewertet und in jedem Fall verstärkt. Bei den Versuchen wurde bewußt auf eine Automatisierung verzichtet. Damit es möglich war auf das individuelle Verhalten der Katzen zu reagieren, wurde einem Versuchsleiter der Vorzug gegeben. Es waren mit dieser Methode nur durchschnittlich sieben Sitzungen oder 122,2 Trials nötig, damit die Tiere zuverlässig den Zusammenhang zwischen Reiz und Verstärker erkannten. Die Methode kann aufgrund dieser Daten als sehr effektiv bezeichnet werden, die mit wenig Zeitaufwand durchzuführen ist. Es konnte kein Unterschied zwischen normal hörenden und implantierten Tieren bezüglich des Lernerfolges festgestellt werden. Einzig die Katze, die erst im Alter von über sechs Monaten implantiert wurde, zeigte einen deutlich schlechteren Lernfortschritt als alle anderen Tiere. Möglicherweise ein Zeichen, daß bei dem Tier zum Zeitpunkt der Implantation die kritische Periode der Gehirnentwicklung bereits abgeschlossen war.
Mit dieser Methode konnte allerdings keine der Katzen ein Verhalten zur Frequenzdiskrimination erlernen. Die Tiere vermochten nicht die unterschiedlichen Reize den verschiedenen Futterstellen zuzuordnen. Das Fehlen eines Manipulandums und damit einer eindeutigen, zu verstärkenden Verhaltensweise könnten hierfür der Grund sein. Es ist zu vermuten, daß die Anforderungen an die Tiere in letzter Konsequenz zu schwierig waren. Weiterführende Untersuchungen werden nötig sein, um die Methode zu optimieren.
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...
Bioactive small molecules are used in many research areas as important tools to uncover biological pathways, interpret phenotypic changes, deconvolute protein functions and explore new therapeutic strategies in disease relevant cellular model systems. To unlock the full potential of these small molecules and to ensure reliability of results obtained in cellular assays, it is crucial to understand the properties of these small molecules. These properties encompass their activity and potency on their designated target(s), their selectivity towards unintended off-targets and their phenotypic effects in a cellular system. Approved drugs often engage with multiple targets, which can be beneficial for some applications such as treatment of cancer where several pathways need to be inhibited for treatment efficacy. However, targeting multiple key proteins in diverse pathways also increases the possibility for unspecific or unwanted side effects. For many drugs the entire target space that they modulate is not known. This makes it difficult to use these drugs for target deconvolution or functional assays with the aim to understand the underlying biological processes. In contrast to drugs, for mechanistic studies, a good alternative are chemical tool compounds so called chemical probes that are usually exclusively selective as well as chemogenomic compounds, that inhibit several targets but have narrow selectivity profiles. Because they are mechanistic tools, chemical tool compounds must meet stringent quality criteria and they are therefore well characterized in terms of their potency, selectivity and cellular on-target activity. To ensure that an observed phenotypic effect caused by a compound can be attributed to the described target(s), it is essential to study also properties of chemical tools leading to unspecific cellular effects. There are a variety of unspecific effects that can be caused by physiochemical compound properties that can interfere with phenotypic assays as well as functional compound evaluations. One of these effects is low solubility causing toxicity or intrinsic fluorescence potentially interfering with assay readouts. But unanticipated cellular responses can also arise from unspecific binding, accumulation in cellular compartments or damage caused to organelles such as mitochondria or the cytoskeleton that can result in the induction of diverse forms of cell death.
In this study, we investigated the influence of a variety of small molecules on distinct cell states, by establishing and validating high-content imaging assays, which we called Multiplex assay. This assay portfolio enabled us to detect different cellular responses using diverse fluorescent reporters, such as the influence of a compound on cell viability, induction of cell death programs and modulation of the cell cycle. Additionally, general compound properties such as precipitation and intrinsic fluorescence were simultaneously detected. The assay is adaptable to assess other cellular properties of interest, such as mitochondrial health, changes in cytoskeletal morphology or phospholipidosis. A significant advantage of the assay is that we are using live cells, so we can capture dynamic cellular changes and fluctuations that can be crucial for the understanding of cellular responses.
Der Hirntumor Glioblastom (GBM) ist aufgrund seines infiltrativen Wachstums, der hohen intra- und intertumoralen Heterogenität, der hohen Therapieresistenz als auch aufgrund der sogenannten gliomartigen Stammzellen sehr schwer zu behandeln und führt fast immer zu Rezidiven. Da es in den letzten Jahrzehnten kaum Fortschritte in der Behandlung des GBMs gab, bis auf die Therapie mit Tumortherapiefeldern, wird weiterhin nach alternativen Zelltodtherapien geforscht, wie zum Beispiel dem Autophagie-abhängigen Zelltod. Der Autophagie-abhängige Zelltod ist durch einen erhöhten autophagischen Flux gekennzeichnet und obwohl die Autophagie, als auch selektive Formen wie die Lysophagie und Mitophagie, normalerweise als überlebensfördernde Mechanismen gelten, konnten viele Studien eine duale Rolle in der Tumorentstehung, -progression und -behandlung aufzeigen, die vor allem vom Tumortyp und stadium abhängt. Um die zugrunde liegenden Mechanismen des durch Medikamente induzierten Autophagie-abhängigen Zelltods im GBM weiter zu entschlüsseln, habe ich in meiner Dissertation verschiedene Substanzen untersucht, die einen Autophagie-abhängigen Zelltod induzieren.
In einer zuvor in unserem Labor durchgeführten Studie konnte gezeigt werden, dass das Antipsychotikum Pimozid (PIMO) und der Opioidrezeptor-Antagonist Loperamid (LOP) einen Autophagie-abhängigen Zelltod in GBM Zellen induzieren können. Darauf aufbauend habe ich die Fähigkeit zur Induktion des Autophagie-abhängigen Zelltods in weiteren Zellmodellen validiert. Dies bestätigte einen erhöhten autophagischen Flux nach PIMO und LOP Behandlung, während der Zelltod als auch der autophagische Flux in Autophagie-defizienten Zellen reduziert war. In weiteren Versuchen konnte ich die Involvierung der LC3-assoziierten Phagozytose (LAP), ein Signalweg der auf die Funktion einiger autophagischer Proteine angewiesen ist, ausschließen. Weiterhin konnte ich eine massive Störung des Cholesterin- und Lipidstoffwechsels beobachten. Unter anderem akkumulierte Cholesterin in den Lysosomen gefolgt von massiven Schäden des lysosomalen Kompartiments und der Permeabiliserung der lysosomalen Membran. Dies trug einerseits zur Aktivierung überlebensfördernder Lysophagie als auch der Zell-schädigenden „Bulk“-Autophagie bei. Letztendlich konnte aber die erhöhte Lysophagie die Zellen nicht vor dem Zelltod retten und die Zellen starben einen Autophagie-abhängigen lysosomalen Zelltod. Da die Eignung von LOP als Therapie für das GBM aufgrund der fehlenden Blut-Hirn-Schranken Permeabilität und von dem Antipsychotikum PIMO aufgrund teils schwerer Nebenwirkungen eingeschränkt ist, habe ich mich im weiteren Verlauf meiner Dissertation mit einer Substanz mit einem anderen Wirkmechanismus beschäftigt.
Der Eisenchelator und oxidative Phosphorylierungs (OXPHOS) Inhibitor VLX600 wurde zuvor berichtet mitochondriale Dysfunktion und Zelltod in Kolonkarzinomzellen zu induzieren. Allerdings hat meines Wissens nach bisher noch keine Studie die therapeutische Eignung von VLX600 für das GBM untersucht. Hier zeige ich eine neuartige Autophagie-abhängige Zelltod-induzierende Fähigkeit von VLX600 für GBM Zellen, da der Zelltod signifikant in Autophagie-defizienten Zellen aber nicht durch Caspase-Inhibitoren gehemmt wurde und der autophagische Flux erhöht war. Darüber hinaus konnte ich die Hemmung der OXPHOS und die Induktion von mitochondrialem Stress in GBM Zellen bestätigen und weiterhin aufzeigen, dass VLX600 nicht nur die mitochondriale Homöostase stört, sondern auch zu einer BNIP3-BNIP3L-abhängigen Mitophagie führt, die wahrscheinlich durch HIF1A reguliert wird aber keinen erkennbaren Nettoeffekt auf den von VLX600 induzierten Zelltod hat. Demnach induziert VLX600 letale „Bulk“-Autophagie in den hier verwendeten Zellmodellen. Darüber hinaus konnte ich zeigen, dass die Eisenchelatierung durch VLX600 eine große Rolle für den von VLX600-induzierten Zelltod spielt aber auch für die Mitophagie Induktion, Histon Lysin Methylierung und den ribosomalen Stress. Letztendlich ist es wahrscheinlich ein Zusammenspiel all dieser Faktoren, die zur Zelltodinduktion durch VLX600 führen und interessanterweise werden Eisenchelatoren bereits in präklinischen und klinischen Studien für Krebstherapien untersucht. Dabei könnten gewisse metabolische Eigenschaften verschiedener Tumorzellen die Sensitivität von Wirkstoffen, die auf den Metabolismus wirken wie VLX600, beeinflussen was in zukünftigen Studien beachtet werden sollte um den bestmöglichsten Therapieerfolg zu erzielen. Zusammenfassend unterstützt meine Dissertation die duale Rolle der Autophagie, die stark vom jeweiligen Kontext abhängt und befürwortet die weitere Forschung von Substanzen, die einen Autophagie-abhängigen Zelltod induzieren, für das GBM.