@phdthesis{Neubert2019,
  author    = {Neubert, Franziska},
  title     = {Markierung postsynaptischer Proteine f{\"u}r die hochaufl{\"o}sende Fluoreszenzmikroskopie},
  doi       = {10.25972/OPUS-19239},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-192394},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2019},
  abstract  = {Das menschliche Gehirn ist ein Organ, das aufgrund seiner Komplexit{\"a}t und zellul{\"a}ren Diversit{\"a}t noch am wenigsten verstanden ist. Eine der Ursachen daf{\"u}r sind zahlreiche Herausforderungen in diversen neurobiologischen Bild-gebungsverfahren. Erst seit der Erfindung der hochaufl{\"o}senden Fluoreszenz-mikroskopie ist es m{\"o}glich, Strukturen unterhalb der Beugungsgrenze zu visua-lisieren und somit eine maximale Aufl{\"o}sung von bis zu 20 nm zu erreichen. Zus{\"a}tzlich h{\"a}ngt die F{\"a}higkeit, biologische Strukturen aufzul{\"o}sen, von der Markierungs-gr{\"o}ße und -dichte ab. Derzeit ist die h{\"a}ufigste Methode zur Proteinf{\"a}rbung die indirekte Antik{\"o}rperf{\"a}rbung, bei der ein Fluorophor-markierter Sekund{\"a}rantik{\"o}rper an einen Epitop-spezifischen Prim{\"a}rantik{\"o}rper bindet. Dabei kann der Abstand von Zielstruktur und Fluorophor bis zu 30 nm betragen, was eine Aufl{\"o}sungs-verminderung zur Folge haben kann. Aufgrund dessen wurden in dieser Arbeit alternative Markierungsmethoden getestet, um postsynaptische Proteine sicht-bar zu machen. Zun{\"a}chst wurde der postsynaptische N-Methyl-D-Aspartat (NMDA)-Rezeptor mit Hilfe konventioneller indirekter Antik{\"o}rperf{\"a}rbung markiert. Hier war die NR1-Untereinheit des NMDA-Rezeptors von besonderem Interesse, da diese in der Autoimmunerkrankung Anti-NMDA-Rezeptor-Enzephalitis invol-viert ist. Patienten dieser seltenen Krankheit bilden Autoantik{\"o}rper gegen die NR1-Untereinheit, wodurch ein schneller reversibler Verlust der NMDA-Rezeptoren auf der Postsynapse induziert wird. Wichtige Informationen k{\"o}nnen nicht mehr ausreichend weitergegeben werden, was psychiatrische und neurologi-sche St{\"o}rungen zur Folge hat. In dieser Arbeit wurden sowohl kommerzielle NR1-Antik{\"o}rper, als auch rekombinante monoklonale NR1-Antik{\"o}rper von Patien-ten mit Anti-NMDA-Rezeptor-Enzephalitis getestet. In konfokalen und in hochaufgel{\"o}sten SIM- (engl. structured illumination microscopy) und dSTORM- (engl. direct stochastic optical reconstruction microscopy) Messun-gen konnten kommerzielle NR1-Antik{\"o}rper keine erfolgreichen F{\"a}rbungen erzielen. Dagegen erwiesen sich die rekombinanten monoklonalen NR1-Patientenantik{\"o}rper als sehr spezifisch, sowohl in prim{\"a}ren Neuronen als auch im Hippocampus von murinen Gehirnschnitten und lieferten gute Kolokalisati-onen mit dem postsynaptischen Markerprotein Homer. Um die optische Aufl{\"o}sung zu verbessern, wurde eine neue Markierungs-methode mit sog. „Super-Binde-Peptiden" (SBPs) getestet. SBPs sind modifi-zierte Peptide, die erh{\"o}hte Affinit{\"a}ten und Spezifit{\"a}ten aufweisen und mit ei-ner Gr{\"o}ße von ~ 2,5 nm wesentlich kleiner als Antik{\"o}rper sind. In dieser Arbeit best{\"a}tigte sich ein kleines hochspezifisches SPB, das an den Fluoreszenzfarb-stoff Tetra- methylrhodamin (TMR) gekoppelt ist, als effektiver Marker f{\"u}r das Ankerpro-tein Gephyrin. Gephyrin ist f{\"u}r die Lokalisation und Verankerung einiger post-synaptischer Rezeptoren zust{\"a}ndig, indem es sie mit dem Cytoskelett der Zelle verbindet. SIM-Messungen in prim{\"a}ren Neuronen zeigten eine bessere Clus-terrepr{\"a}sentation bei der F{\"a}rbung von Gephyrin mit SBPs, als mit Antik{\"o}rper-f{\"a}rbung. Zus{\"a}tzlich wurden Kolokalisationsanalysen von Gephyrin zusammen mit dem inhibito-rischen pr{\"a}synaptischen vesikul{\"a}ren GABA-Transporter VGAT durchgef{\"u}hrt. Eine weitere F{\"a}rbemethode stellte die bioorthogonale Click-F{\"a}rbung durch die Erweiterung des eukaryotischen genetischen Codes (engl. genetic code ex-pansion, GCE) dar. Dabei wurde eine unnat{\"u}rliche, nicht-kanonische Amino-s{\"a}ure (engl. non-canonical amino acid, ncAA) ins Zielprotein eingebaut und in Kombination mit der Click-Chemie ortsspezifisch mit organischen Tetrazin-Farbstoff-Konjugaten angef{\"a}rbt. Organische Fluorophore haben den Vorteil, dass sie mit einer Gr{\"o}ße von 0,5 - 2 nm sehr klein sind und damit die nat{\"u}rli-chen Funktionen der Proteine in der Zelle kaum beeinflussen. In dieser Arbeit wurde zum ersten Mal gezeigt, dass der tetramere postsynaptische NMDA-Rezeptor durch die Amber-Supres-sionsmethode bioorthogonal angef{\"a}rbt werden konnte. Aus sieben verschiede-nen Amber-Mutanten der NR1-Untereinheit stellte sich die Y392TAG-NR1-Mutante als diejenige mit der besten Proteinexpression, F{\"a}rbeeffizienz und rezeptorfunktionalit{\"a}t heraus. Dies konnte durch Fluoreszenzmikroskopie- und Whole-Cell Patch-Clamp-Experimenten gezeigt werden. Die bioorthogo-nale Click-F{\"a}rbung durch GCE eignete sich f{\"u}r die F{\"a}rbung des NMDA-Rezeptors in verschiedenen Zelllinien, mit unterschiedlichen Tetrazin-Farbstoff-Konjugaten und f{\"u}r Lebendzellexperimente. In dSTORM-Messungen erwies sich das Tetrazin-Cy5-Farbstoff-Konjugat als ideal aufgrund seiner Gr{\"o}-ße, Photostabilit{\"a}t, Helligkeit und seines geeigneten Blinkverhaltens, sodass eine homogene NMDA-Rezeptorverteilung auf der Zellmembran gezeigt wer-den konnte. NR1-Antik{\"o}rperf{\"a}rbungen wiesen dagegen starke Clusterbildun-gen auf. Die Ergebnisse konnten belegen, dass kleinere Farbstoffe eine deut-lich bessere Zug{\"a}nglichkeit zu ihrem Zielprotein haben und somit besser f{\"u}r die hochaufl{\"o}sende Fluoreszenzmikroskopie geeignet sind.},
  subject      = {hochaufl{\"o}sende Fluoreszenzmikroskopie},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Griffoni2019,
  author    = {Griffoni, Chiara},
  title     = {Towards advanced immunocompetent skin wound models for in vitro drug evaluation},
  doi       = {10.25972/OPUS-19212},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-192125},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2019},
  abstract  = {Current preclinical models used to evaluate novel therapies for improved healing include both in vitro and in vivo methods. However, ethical concerns related to the use of animals as well as the poor physiological translation between animal and human skin wound healing designate in vitro models as a highly relevant and promising platforms for healing investigation. While current in vitro 3D skin models recapitulate a mature tissue with healing properties, they still represent a simplification of the in vivo conditions, where for example the inflammatory response originating after wound formation involves the contribution of immune cells. Macrophages are among the main contributors to the inflammatory response and regulate its course thanks to their plasticity. Therefore, their implementation into in vitro skin could greatly increase the physiological relevance of the models. As no full-thickness immunocompetent skin model containing macrophages has been reported so far, the parameters necessary for a successful triple co-culture of fibroblasts, keratinocytes and macrophages were here investigated. At first, cell source and culture timed but also an implementation strategy for macrophages were deter-mined. The implementation of macrophages into the skin model focused on the minimization of the culture time to preserve immune cell viability and phenotype, as the environment has a major influence on cell polarization and cytokine production. To this end, incorporation of macrophages in 3D gels prior to the combination with skin models was selected to better mimic the in vivo environment. Em-bedded in collagen hydrogels, macrophages displayed a homogeneous cell distribution within the gel, preserving cell viability, their ability to respond to stimuli and their capability to migrate through the matrix, which are all needed during the involvement of macrophages in the inflammatory response. Once established how to introduce macrophages into skin models, different culture media were evaluated for their effects on primary fibroblasts, keratinocytes and macrophages, to identify a suitable medium composition for the culture of immunocompetent skin. The present work confirmed that each cell type requires a different supplement combination for maintaining functional features and showed for the first time that media that promote and maintain a mature skin structure have negative effects on primary macrophages. Skin differentiation media negatively affected macrophages in terms of viability, morphology, ability to respond to pro- and anti-inflammatory stimuli and to migrate through a collagen gel. The combination of wounded skin equivalents and macrophage-containing gels con-firmed that culture medium inhibits macrophage participation in the inflammatory response that oc-curs after wounding. The described macrophage inclusion method for immunocompetent skin creation is a promising approach for generating more relevant skin models. Further optimization of the co-cul-ture medium will potentially allow mimicking a physiological inflammatory response, enabling to eval-uate the effects novel drugs designed for improved healing on improved in vitro models.},
  subject      = {Haut},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Njovu2019,
  author    = {Njovu, Henry Kenneth},
  title     = {Patterns and drivers of herbivore diversity and invertebrate herbivory along elevational and land use gradients at Mt. Kilimanjaro, Tanzania},
  doi       = {10.25972/OPUS-17254},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-172544},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2019},
  abstract  = {This thesis elucidates patterns and drivers of invertebrate herbivory, herbivore diversity, and community-level biomass along elevational and land use gradients at Mt. Kilimanjaro, Tanzania. Chapter I provides background information on the response and predictor variables, study system, and the study design. First, I give an overview of the elevational patterns of species diversity/richness and herbivory published in the literature. The overview illuminates existing debates on elevational patterns of species diversity/richness and herbivory. In connection to these patterns, I also introduce several hypotheses and mechanisms put forward to explain macroecological patterns of species richness. Furthermore, I explain the main variables used to test hypotheses. Finally, I describe the study system and the study design used. Chapter II explores the patterns of invertebrate herbivory and their underlying drivers along extensive elevational and land use gradients on the southern slopes of Mt. Kilimanjaro. I recorded standing leaf herbivory from leaf chewers, leaf miners and gall-inducing insects on 55 study sites located in natural and anthropogenic habitats distributed from 866 to 3060 meters above sea level (m asl) on Mt. Kilimanjaro. Standing leaf herbivory was related to climatic variables [mean annual temperature - (MAT) and mean annual precipitation - (MAP)], net primary productivity (NPP) and plant functional traits (leaf traits) [specific leaf area (SLA), carbon to nitrogen ratio (CN), and nitrogen to phosphorous ratio (NP)]. Results revealed an unimodal pattern of total leaf herbivory along the elevation gradient in natural habitats. Findings also revealed differences in the levels and patterns of herbivory among feeding guilds and between anthropogenic and natural habitats. Changes in NP and CN ratios which were closely linked to NPP were the strongest predictors of leaf herbivory. Our study uncovers the role of leaf nutrient stoichiometry and its linkages to climate in explaining the variation in leaf herbivory along climatic gradients. Chapter III presents patterns and unravels direct and indirect effects of resource (food) abundance (NPP), resource (food) diversity [Functional Dispersion (FDis)], resource quality (SLA, NP, and CN rations), and climate variables (MAT and MAP) on species diversity of phytophagous beetles. Data were collected from 65 study sites located in natural and anthropogenic habitats distributed from 866 to 4550 m asl on the southern slopes of Mt. Kilimanjaro. Sweep net and beating methods were used to collect a total of 3,186 phytophagous beetles representing 21 families and 304 morphospecies. Two groups, weevils (Curculionidae) and leaf beetles (Chrysomelidae) were the largest and most diverse families represented with 898 and 1566 individuals, respectively. Results revealed complex (bimodal) and dissimilar patterns of Chao1-estimated species richness (hereafter referred to as species diversity) along elevation and land use gradients. Results from path analysis showed that temperature and climate-mediated changes in NPP had a significant positive direct and indirect effect on species diversity of phytophagous beetles, respectively. The results also revealed that the effect of NPP (via beetles abundance and diversity of food resources) on species diversity is stronger than that of temperature. Since we found that factors affecting species diversity were intimately linked to climate, I concluded that predicted climatic changes over the coming decades will likely alter the species diversity patterns which we observe today. Chapter IV presents patterns and unravels the direct and indirect effects of climate, NPP and anthropogenic disturbances on species richness and community-level biomass of wild large mammals which represent endothermic organisms and the most important group of vertebrate herbivores. Data were collected from 66 study sites located in natural and anthropogenic habitats distributed from 870 to 4550 m asl on the southern slopes of Mt. Kilimanjaro. Mammals were collected using camera traps and used path analysis to disentangle the direct and indirect effects of climatic variables, NPP, land use, land area, levels of habitat protection and occurrence of domesticated mammals on the patterns of richness and community-level biomass of wild mammals, respectively. Results showed unimodal patterns for species richness and community-level biomass of wild mammals along elevation gradients and that the patterns differed depending on the type of feeding guild. Findings from path analysis showed that net primary productivity and levels of habitat protection had a strong direct effect on species richness and community-level biomass of wild mammals whereas temperature had an insignificant direct effect. Findings show the importance of climate-mediated food resources in determining patterns of species richness of large mammals. While temperature is among key predictors of species richness in several ectotherms, its direct influence in determining species richness of wild mammals was insignificant. Findings show the sensitivity of wild mammals to anthropogenic influences and underscore the importance of protected areas in conserving biodiversity. In conclusion, despite a multitude of data sets on species diversity and ecosystem functions along broad climatic gradients, there is little mechanistic understanding of the underlying causes. Findings obtained in the three studies illustrate their contribution to the scientific debates on the mechanisms underlying patterns of herbivory and diversity along elevation gradients. Results present strong evidence that plant functional traits play a key role in determining invertebrate herbivory and species diversity along elevation gradients and that, their strong interdependence with climate and anthropogenic activities will shape these patterns in future. Additionally, findings from path analysis demonstrated that herbivore diversity, community-level biomass, and herbivory are strongly influenced by climate (either directly or indirectly). Therefore, the predicted climatic changes are expected to dictate ecological patterns, biotic interactions, and energy and nutrient fluxes in terrestrial ecosystems in the coming decades with stronger impacts probably occurring in natural ecosystems. Furthermore, findings demonstrated the significance of land use effects in shaping ecological patterns. As anthropogenic pressure is advancing towards more pristine higher elevations, I advocate conservation measures which are responsive to and incorporate human dimensions to curb the situation. Although our findings emanate from observational studies which have to take several confounding factors into account, we have managed to demonstrate global change responses in real ecosystems and fully established organisms with a wide range of interactions which are unlikely to be captured in artificial experiments. Nonetheless, I recommend additional experimental studies addressing the effect of top-down control by natural enemies on herbivore diversity and invertebrate herbivory in order to deepen our understanding of the mechanisms driving macroecological patterns along elevation gradients.  },
  subject      = {Species richness},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Franke2019,
  author    = {Franke, Christian},
  title     = {Advancing Single-Molecule Localization Microscopy: Quantitative Analyses and Photometric Three-Dimensional Imaging},
  doi       = {10.25972/OPUS-15635},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-156355},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2019},
  abstract  = {Since its first experimental implementation in 2005, single-molecule localization microscopy (SMLM) emerged as a versatile and powerful imaging tool for biological structures with nanometer resolution. By now, SMLM has compiled an extensive track-record of novel insights in sub- and inter- cellular organization.\\ Moreover, since all SMLM techniques rely on the analysis of emission patterns from isolated fluorophores, they inherently allocate molecular information \$per\$ \$definitionem\$.\\ Consequently, SMLM transitioned from its origin as pure high-resolution imaging instrument towards quantitative microscopy, where the key information medium is no longer the highly resolved image itself, but the raw localization data set.\\ The work presented in this thesis is part of the ongoing effort to translate those \$per\$ \$se\$ molecular information gained by SMLM imaging to insights into the structural organization of the targeted protein or even beyond. Although largely consistent in their objectives, the general distinction between global or segmentation clustering approaches on one side and particle averaging or meta-analyses techniques on the other is usually made.\\ During the course of my thesis, I designed, implemented and employed numerous quantitative approaches with varying degrees of complexity and fields of application.\\ \\ In my first major project, I analyzed the localization distribution of the integral protein gp210 of the nuclear pore complex (NPC) with an iterative \textit{k}-means algorithm. Relating the distinct localization statistics of separated gp210 domains to isolated fluorescent signals led, among others, to the conclusion that the anchoring ring of the NPC consists of 8 homo-dimers of gp210.\\ This is of particular significance, both because it answered a decades long standing question about the nature of the gp210 ring and it showcased the possibility to gain structural information well beyond the resolution capabilities of SMLM by crafty quantification approaches.\\ \\ The second major project reported comprises an extensive study of the synaptonemal complex (SNC) and linked cohesin complexes. Here, I employed a multi-level meta-analysis of the localization sets of various SNC proteins to facilitate the compilation of a novel model of the molecular organization of the major SNC components with so far unmatched extend and detail with isotropic three-dimensional resolution.\\ In a second venture, the two murine cohesin components SMC3 and STAG3 connected to the SNC were analyzed. Applying an adapted algorithm, considering the disperse nature of cohesins, led to the realization that there is an apparent polarization of those cohesin complexes in the SNC, as well as a possible sub-structure of STAG3 beyond the resolution capabilities of SMLM.\\ \\ Other minor projects connected to localization quantification included the study of plasma membrane glycans regarding their overall localization distribution and particular homogeneity as well as the investigation of two flotillin proteins in the membrane of bacteria, forming clusters of distinct shapes and sizes.\\ \\ Finally, a novel approach to three-dimensional SMLM is presented, employing the precise quantification of single molecule emitter intensities. This method, named TRABI, relies on the principles of aperture photometry which were improved for SMLM.\\ With TRABI it was shown, that widely used Gaussian fitting based localization software underestimates photon counts significantly. This mismatch was utilized as a \$z\$-dependent parameter, enabling the conversion of 2D SMLM data to a virtual 3D space. Furthermore it was demonstrated, that TRABI can be combined beneficially with a multi-plane detection scheme, resulting in superior performance regarding axial localization precision and resolution.\\ Additionally, TRABI has been subsequently employed to photometrically characterize a novel dye for SMLM, revealing superior photo-physical properties at the single-molecule level.\\ Following the conclusion of this thesis, the TRABI method and its applications remains subject of diverse ongoing research.},
  subject      = {Einzelmolek{\"u}lmikroskopie},
  language  = {en}
}
@phdthesis{KaltdorfgebSchuch2019,
  author    = {Kaltdorf [geb. Schuch], Kristin Verena},
  title     = {Mikroskopie, Bildverarbeitung und Automatisierung der Analyse von Vesikeln in \(C.\) \(elegans\) und anderen biologischen Strukturen},
  doi       = {10.25972/OPUS-16062},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-160621},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2019},
  abstract  = {Thema dieser Thesis ist die Analyse sekretorischer Vesikelpools auf Ultrastrukturebene in unterschiedlichen biologischen Systemen. Der erste und zweite Teil dieser Arbeit fokussiert sich auf die Analyse synaptischer Vesikelpools in neuromuskul{\"a}ren Endplatten (NME) im Modellorganismus Caenorhabditis elegans. Dazu wurde Hochdruckgefrierung und Gefriersubstitution angewandt, um eine unverz{\"u}gliche Immobilisation der Nematoden und somit eine Fixierung im nahezu nativen Zustand zu gew{\"a}hrleisten. Anschließend wurden dreidimensionale Aufnahmen der NME mittels Elektronentomographie erstellt. Im ersten Teil dieser Arbeit wurden junge adulte, wildtypische C. elegans Hermaphroditen mit Septin-Mutanten verglichen. Um eine umfassende Analyse mit hoher Stichprobenzahl zu erm{\"o}glichen und eine automatisierte L{\"o}sung f{\"u}r {\"a}hnliche Untersuchungen von Vesikelpools bereit zu stellen wurde eine Software namens 3D ART VeSElecT zur automatisierten Vesikelpoolanalyse entwickelt. Die Software besteht aus zwei Makros f{\"u}r ImageJ, eines f{\"u}r die Registrierung der Vesikel und eines zur Charakterisierung. Diese Trennung in zwei separate Schritte erm{\"o}glicht einen manuellen Verbesserungsschritt zum Entfernen falsch positiver Vesikel. Durch einen Vergleich mit manuell ausgewerteten Daten neuromuskul{\"a}rer Endplatten von larvalen Stadien des Modellorganismus Zebrafisch (Danio rerio) konnte erfolgreich die Funktionalit{\"a}t der Software bewiesen werden. Die Analyse der neuromuskul{\"a}ren Endplatten in C. elegans ergab kleinere synaptische Vesikel und dichtere Vesikelpools in den Septin-Mutanten verglichen mit Wildtypen. Im zweiten Teil der Arbeit wurden neuromuskul{\"a}rer Endplatten junger adulter C. elegans Hermaphroditen mit Dauerlarven verglichen. Das Dauerlarvenstadium ist ein spezielles Stadium, welches durch widrige Umweltbedingungen induziert wird und in dem C. elegans {\"u}ber mehrere Monate ohne Nahrungsaufnahme {\"u}berleben kann. Da hier der Vergleich der Abundanz zweier Vesikelarten, der „clear-core"-Vesikel (CCV) und der „dense-core"-Vesikel (DCV), im Fokus stand wurde eine Erweiterung von 3D ART VeSElecT entwickelt, die einen „Machine-Learning"-Algorithmus zur automatisierten Klassifikation der Vesikel integriert. Durch die Analyse konnten kleinere Vesikel, eine erh{\"o}hte Anzahl von „dense-core"-Vesikeln, sowie eine ver{\"a}nderte Lokalisation der DCV in Dauerlarven festgestellt werden. Im dritten Teil dieser Arbeit wurde untersucht ob die f{\"u}r synaptische Vesikelpools konzipierte Software auch zur Analyse sekretorischer Vesikel in Thrombozyten geeignet ist. Dazu wurden zweidimensionale und dreidimensionale Aufnahmen am Transmissionselektronenmikroskop erstellt und verglichen. Die Untersuchung ergab, dass hierf{\"u}r eine neue Methodik entwickelt werden muss, die zwar auf den vorherigen Arbeiten prinzipiell aufbauen kann, aber den besonderen Herausforderungen der Bilderkennung sekretorischer Vesikel aus Thrombozyten gerecht werden muss.},
  subject      = {Mikroskopie},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Pahlavan2019,
  author    = {Pahlavan, Pirasteh},
  title     = {Integrated Systems Biology Analysis; Exemplified on Potyvirus and Geminivirus interaction with \(Nicotiana\) \(benthamiana\)},
  doi       = {10.25972/OPUS-15341},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-153412},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2019},
  abstract  = {Viral infections induce a significant impact on various functional categories of biological processes in the host. The understanding of this complex modification of the infected host immune system requires a global and detailed overview on the infection process. Therefore it is essential to apply a powerful approach which identifies the involved components conferring the capacity to recognize and respond to specific pathogens, which in general are defeated in so-called compatible virus-plant infections. Comparative and integrated systems biology of plant-virus interaction progression may open a novel framework for a systemic picture on the modulation of plant immunity during different infections and understanding pathogenesis mechanisms. In this thesis these approaches were applied to study plant-virus infections during two main viral pathogens of cassava: Cassava brown streak virus and African cassava mosaic virus. Here, the infection process was reconstructed by a combination of omics data-based analyses and metabolic network modelling, to understand the major metabolic pathways and elements underlying viral infection responses in different time series, as well as the flux activity distribution to gain more insights into the metabolic flow and mechanism of regulation; this resulted in simultaneous investigations on a broad spectrum of changes in several levels including the gene expression, primary metabolites, and enzymatic flux associated with the characteristic disease development process induced in Nicotiana benthamiana plants due to infection with CBSV or ACMV. Firstly, the transcriptome dynamics of the infected plant was analysed by using mRNA-sequencing, in order to investigate the differential expression profile according the symptom developmental stage. The spreading pattern and different levels of biological functions of these genes were analysed associated with the infection stage and virus entity. A next step was the Real-Time expression modification of selected key pathway genes followed by their linear regression model. Subsequently, the functional loss of regulatory genes which trigger R-mediated resistance was observed. Substantial differences were observed between infected mutants/transgenic lines and wild-types and characterized in detail. In addition, we detected a massive localized accumulation of ROS and quantified the scavenging genes expression in the infected wild-type plants relative to mock infected controls. Moreover, we found coordinated regulated metabolites in response to viral infection measured by using LC-MS/MS and HPLC-UV-MS. This includes the profile of the phytohormones, carbohydrates, amino acids, and phenolics at different time points of infection with the RNA and DNA viruses. This was influenced by differentially regulated enzymatic activities along the salicylate, jasmonate, and chorismate biosynthesis, glycolysis, tricarboxylic acid cycle, and pentose phosphate pathways, as well as photosynthesis, photorespiration, transporting, amino acid and fatty acid biosynthesis. We calculated the flux redistribution considering a gradient of modulation for enzymes along different infection stages, ranging from pre-symptoms towards infection stability. Collectively, our reverse-engineering study consisting of the generation of experimental data and modelling supports the general insight with comparative and integrated systems biology into a model plant-virus interaction system. We refine the cross talk between transcriptome modification, metabolites modulation and enzymatic flux redistribution during compatible infection progression. The results highlight the global alteration in a susceptible host, correlation between symptoms severity and the alteration level. In addition we identify the detailed corresponding general and specific responses to RNA and DNA viruses at different stages of infection. To sum up, all the findings in this study strengthen the necessity of considering the timing of treatment, which greatly affects plant defence against viral infection, and might result in more efficient or combined targeting of a wider range of plant pathogens.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Romanov2019,
  author    = {Romanov, Natalie},
  title     = {Characterizing Variation of Protein Complexes and Functional Modules on a Temporal Scale and across Individuals},
  doi       = {10.25972/OPUS-16813},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-168139},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2019},
  abstract  = {A fundamental question in current biology concerns the translational mechanisms leading from genetic variability to phenotypes. Technologies have evolved to the extent that they can efficiently and economically determine an individual's genomic composition, while at the same time big data on clinical profiles and diagnostics have substantially accumulated. Genome-wide association studies linking genomic loci to certain traits, however, remain limited in their capacity to explain the cellular mechanisms that underlie the given association. For most associations, gene expression has been blamed; yet given that transcript and protein abundance oftentimes do not correlate, that finding does not necessarily decrypt the underlying mechanism. Thus, the integration of further information is crucial to establish a model that could prove more accurate in predicting genotypic effects on the human organism. In this work we describe the so-called proteotype as a feature of the cell that could provide a substantial link between genotype and phenotype. Rather than looking at the proteome as a set of independent molecules, we demonstrate a consistent modular architecture of the proteome that is driven by molecular cooperativity. Functional modules, especially protein complexes, can be further interrogated for differences between individuals and tackled as imprints of genetic and environmental variability. We also show that subtle stoichiometric changes of protein modules could have broader effects on the cellular system, such as the transport of specific molecular cargos. The presented work also delineates to what extent temporal events and processes influence the stoichiometry of protein complexes and functional modules. The re-wiring of the glycolytic pathway for example is illustrated as a potential cause for an increased Warburg effect during the ageing of the human bone marrow. On top of analyzing protein abundances we also interrogate proteome dynamics in terms of stability and solubility transitions during the short temporal progression of the cell cycle. One of our main observations in the thesis encompass the delineation of protein complexes into respective sub-complexes according to distinct stability patterns during the cell cycle. This has never been demonstrated before, and is functionally relevant for our understanding of the dis- and assembly of large protein modules. The insights presented in this work imply that the proteome is more than the sum of its parts, and primarily driven by variability in entire protein ensembles and their cooperative nature. Analyzing protein complexes and functional modules as molecular reflections of genetic and environmental variations could indeed prove to be a stepping stone in closing the gap between genotype and phenotype and customizing clinical treatments in the future.},
  subject      = {Proteotype},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Dirks2019,
  author    = {Dirks, Johannes},
  title     = {Charakterisierung der Wechselwirkung zwischen N-Myc und Aurora-A im MYCN-amplifizierten Neuroblastom},
  doi       = {10.25972/OPUS-18660},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-186600},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2019},
  abstract  = {Im Neuroblastom ist die Amplifikation des MYCN-Gens, eines Mitglieds der MYC-Onkogenfamilie, mit einer ung{\"u}nstigen Prognose assoziiert. Der von dem Gen kodierte Transkriptionsfaktor N-Myc ist f{\"u}r die Proliferation der MYCN-amplifizierten Neuroblastomzelllinien notwendig und seine Depletion oder Destabilisierung f{\"u}hren zum Proliferationsarrest (Otto et al., 2009). Da N-Myc auf Proteinebene durch die Interaktion mit der mitotischen Kinase Aurora-A stabilisiert wird, bewirkt deren Depletion oder die Hemmung der Interaktion der beiden Proteine mittels spezieller Aurora- A-Inhibitoren (z.B. MLN8054 und MLN8237) ebenso eine Hemmung der Proliferation - in vitro und in vivo (Brockmann et al., 2013). Bisher ist jedoch unklar, {\"u}ber welchen Mechanismus Aurora-A die Stabilisierung von N-Myc erreicht, die Kinaseaktivit{\"a}t spielt hierbei jedoch keine Rolle (Otto et al., 2009). Eine M{\"o}glichkeit stellt die Rekrutierung von Usps dar, die das angeh{\"a}ngte Ubiquitinsignal so modifizieren, dass die Erkennung und der Abbau des Proteins durch das Proteasom verringert werden. In der vorliegenden Arbeit wurde die Wirkung von Usp7 und Usp11 auf die Stabilit{\"a}t von N-Myc untersucht. F{\"u}r beide konnte in Immunpr{\"a}zipitationen die Interaktion mit N-Myc gezeigt werden. Ebenso erh{\"o}hten beide Proteasen in {\"U}berexpressionsexperimenten die vorhandene Menge an NMyc. Die Depletion von Usp7 mittels shRNAs f{\"u}hrte in IMR-32 zu einem Arrest in der G1-Phase und zur Differenzierung der Zellen. Gleichzeitig wurden stark erniedrigte mRNA- und Proteinmengen von N-Myc und Aurora-A nachgewiesen. Es konnte jedoch nicht eindeutig gezeigt werden, ob die beobachteten zellul{\"a}ren Effekte durch eine vermehrte proteasomale Degradation von N-Myc begr{\"u}ndet sind oder ob dabei die ver{\"a}nderte Regulation weiterer Zielproteine von Usp7 eine Rolle spielt. Die Depletion von Usp11 mit shRNAs bewirkte eine Abnahme der N-Myc-Mengen auf posttranslationaler Ebene. Somit stellen beide Usps vielversprechende Angriffspunkte einer gezielten Therapie in MYCN-amplifizierten Neuroblastomen dar und sollten deshalb Gegenstand weiterf{\"u}hrender Untersuchungen sein. {\"U}ber welche Proteindom{\"a}ne in N-Myc die Interaktion mit Aurora-A stattfindet ist nicht bekannt. Eine m{\"o}gliche Pseudosubstratbindungssequenz in Myc-Box I (Idee Richard Bayliss, University of Leicester) wurde in der vorliegenden Arbeit untersucht. Durch Mutation dieser Sequenz sollte die Bindung von Aurora-A unm{\"o}glich gemacht werden. Allerdings wurde die erwartete Abnahme der St{\"a}rke der Interaktion von Aurora-A und N-Myc durch die Mutation ebensowenig beobachtet wie eine verringerte Stabilit{\"a}t. Die Regulation der Phosphorylierung von N-Myc im Verlauf des Zellzyklus wurde durch die Mutation beeintr{\"a}chtigt. Wie diese Ver{\"a}nderung exakt zu begr{\"u}nden ist bedarf weiterer Experimente},
  subject      = {Neuroblastom},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Memmel2019,
  author    = {Memmel, Simon},
  title     = {Automatisierte Algorithmen zur Analyse der Migration und der strahleninduzierten DNA-Sch{\"a}den humaner Glioblastomzellen nach kombinierter PI3K/mTOR/Hsp90-Inhibierung},
  doi       = {10.25972/OPUS-18571},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-185710},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2019},
  abstract  = {Das hohe invasive Potential und die starke Resistenz gegen Radio-/Chemotherapie von Glioblastoma multiforme (GBM) Zellen machen sie zu dem t{\"o}dlichsten Tumor ihrer Art. Es ist deshalb von großem Interesse die Grundlagen, welche der Migrationsf{\"a}higkeit und DNA Reparatur zu Grunde liegen, besser zu verstehen. Im ersten Teil dieser Arbeit wurden zwei Algorithmen zur automatischen Analyse der Migration in der Einzelzellverfolgung und im Wundheilungsassay modifiziert. Die Auswertung der Daten konnte automatisch und somit schnell, effektiv und mit geringerem Arbeitsaufwand durchgef{\"u}hrt werden. Mit Hilfe dieser automatischen Algorithmen wurde die Migrationsf{\"a}higkeit von zwei GBM-Zelllinien (DK-MG und SNB19) untersucht. Zus{\"a}tzlich wurde die konfokale Laserscanning- sowie die hochaufl{\"o}sende dSTORM-Fluoreszenzmikroskopie verwendet um die, der Zellbewegung zu Grunde liegende, Struktur des F Aktin und der fokalen Adh{\"a}sionskinase (FAK) aufzul{\"o}sen und darzustellen. Unter Anwendung dieser genannten Methoden sind die Effekte des dualen PI3K/mTOR Inhibitors PI-103 alleine und in Kombination mit dem Hsp90 Inhibitor NVP AUY922 mit und ohne Bestrahlung auf die Bewegung untersucht worden. Es konnte festgestellt werden, dass sich beide Zelllinien deutlich in ihrem migratorischem Potential in vitro unterscheiden und zudem auch markante Unterschiede in ihrer Morphologie aufweisen. Die weniger invasiven DK MG-Zellen besitzen eine polarisierte Zellstruktur, wohingegen SNB19-Zellen sich durch multipolare ungerichtete Bewegung auszeichneten. Zudem wurde die Migration, durch PI3K/mTOR Inhibition mit PI-103 bei den DK-MG-Zellen (p53 wt, PTEN wt), sehr effektiv unterdr{\"u}ckt. Wohingegen sich die SNB19-Zellen (p53 mut, PTEN mut) resistent gegen diesen Inhibitor zeigten. Hsp90 Inhibition offenbarte in beiden Zelllinien einen starken inhibitorischen Effekt auf die Migration der Zellen sowie die Reorganisierung des F Aktinskelettes. In der zweiten H{\"a}lfte dieser Arbeit wurde ein Augenmerk auf die DNA-DSB-Reparatur der GBM Zellen nach ionisierender Strahlung gelegt. Zun{\"a}chst wurde eine automatische Analysesoftware „FocAn-3D" entwickelt, mit dessen Hilfe die DNA Doppelstrangbruchreparaturkinetik untersucht werden sollte. Diese Software erm{\"o}glicht es die gesamten Zellkerne mit ihren γH2AX-Foci in 3D-cLSM-Aufnahmen zu untersuchen. Es konnte somit eine Verbesserung der Genauigkeit in der Ausz{\"a}hlung der γH2AX-Foci erreicht werden, welche 2D beschr{\"a}nkter Software verwehrt bleibt. Mit FocAn-3D konnte der gesamte Verlauf der Induktions- und Abbauphase der γH2AX-Foci in DK MG- und SNB19-Zellen mit einem mathematischen Modell ausgewertet und dargestellt werden. Des Weiteren wurde die Nanometerstruktur von γH2AX- und pDNA-PKcs-Foci mittels hochaufl{\"o}sender dSTORM-Mikroskopie untersucht. Konventionelle Mikroskopiemethoden, begrenzt durch das Beugungslimit und einer Aufl{\"o}sung von ~200 nm, konnten die Nanometerstruktur (<100 nm) der Reparaturfoci bisher nicht darstellen. Mit Hilfe der beugungsunbegrenzten dSTORM-Mikroskopie war es m{\"o}glich in DK MG- und SNB19-Zellen die Nanometerstruktur genannten Reparaturproteine in den Foci mit einer Aufl{\"o}sung von bis zu ~20 nm darzustellen. γH2AX-Foci zeigten sich als eine Verteilung aus einzelnen Untereinheiten („Nanofoci") mit einem Durchmesser von ~45 nm. Dies l{\"a}sst die Vermutung zu, dass es sich hier um die elementare Substruktur der Foci und somit der γH2AX enthaltenen Nukleosome handelt. DNA-PK-Foci wiesen hingegen eine diffusere Verteilung auf. Die in dieser Arbeit ermittelten Unterschiede im Migrationsverhalten der Zellen rechtfertigen eine weitere pr{\"a}klinische Untersuchung der verwendeten Inhibitoren als potentielle Zelltherapeutika f{\"u}r die Behandlung von GBM. Zudem konnte sich dSTORM als machtvolles Hilfsmittel, sowohl zur Analyse der Migration zugrundeliegenden Zytoskelettstruktur und der Effekte der Hsp90 Inhibierung, als auch, der Nanostruktur der DNA-DSB-Reparaturfoci herausstellen. Es ist anzunehmen, dass beugungsunbegrenzte Mikroskopiemethoden sich als bedeutende Werkzeuge in der medizinischen und biologischen Erforschung der DNA-Reparaturmechanismen herausstellen werden. Das in dieser Arbeit entwickelte ImageJ Plugin „FocAn-3D" bewies sich ebenfalls als ein vielversprechendes Werkzeug f{\"u}r die Analyse der Reparaturkinetik. Mit Hilfe von „FocAn-3D" sollte es somit m{\"o}glich sein u.a. den Einfluss gezielter Inhibition auf den zeitlichen Verlauf der Induktion und des Abbaus der DNA-Reparaturmaschinerie genauer zu studieren.},
  subject      = {Glioblastom},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Sauer2019,
  author    = {Sauer, Mark},
  title     = {Die microRNA-26 Familie kontrolliert {\"u}ber den REST-Komplex ein f{\"u}r die Neurogenese essentielles regulatorisches RNA Netzwerk},
  doi       = {10.25972/OPUS-18400},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-184008},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2019},
  abstract  = {In einem sich entwickelnden multizellul{\"a}ren Organismus ist die r{\"a}umlich-zeitliche Regulation der Genexpression von entscheidender Bedeutung f{\"u}r die Bildung, Identit{\"a}t und Funktion von Zellen. Der REST (repressor element silencing transcription factor) Komplex spielt bei der neuronalen Differenzierung und bei der Aufrechterhaltung des neuronalen Status eine essentielle Rolle, indem er in nicht neuronalen Zellen und neuralen Vorl{\"a}ufern die Expression neuronaler Gene unterdr{\"u}ckt, in deren Promotorregion eine RE1 (repressor element 1) Erkennungssequenz vorhanden ist. W{\"a}hrend der neuronalen Differenzierung wird der REST-Komplex schrittweise inaktiviert, was zur Einleitung eines neuronalen Genexpression-Programms f{\"u}hrt. Es wird daher angenommen, dass die Inhibierung des REST-Komplexes ein essentieller Vorgang der Neurogenese ist. Wichtige Bestandteile f{\"u}r die transkriptionell repressive Funktion des REST-Komplexes sind kleine Phosphatasen (CTDSP = C-terminal domain small phosphatases), welche die Polymerase-II-Aktivit{\"a}t an Zielgenen inhibieren. Im Zebrafisch wurde gezeigt, dass ctdsp2 durch die miR-26b negativ reguliert wird. Alle miR-26 Familienmitglieder sind in Vertebraten evolution{\"a}r konserviert und in Introns von Ctdsp Genen kodiert. Sie sind in der Lage, die Expression ihres eigenen Wirtsgens mittels einer autoregulatorischen R{\"u}ckkopplungsschleife zu regulieren. Im Rahmen dieser Dissertation wurde als Modellsystem f{\"u}r die Neurogenese ein neurales Differenzierungssystem, welches auf murinen, embryonalen Stammzellen (ESCs) aufbaut, eingesetzt. Zur funktionellen Analyse der miR-26 Familie wurden mit Hilfe der CRISPR/Cas9-Methode verschiedene miR-26 Knockout (KO) ESC-Linien hergestellt. Hierbei wurden die Sequenzen der einzelnen Familienmitglieder und der gesamten miR-26 Familie im Genom von Wildtyp (Wt) ESCs deletiert. Diese miR-26-defizienten ESCLinien behielten ihre Pluripotenz und zeigten keinen Ph{\"a}notyp hinsichtlich Proliferation, Morphologie und Identit{\"a}t der Zellen w{\"a}hrend der Differenzierung bis zum neuralen Vorl{\"a}uferzellstadium (NPCs, engl.: neural progenitor cells). Jedoch f{\"u}hrte die Deletion sowohl der gesamten miR-26 Familie als auch einzelner Mitglieder bei der terminalen Differenzierung zu einem spezifischen Entwicklungsstillstand im NPC Stadium und infolgedessen zu einer starken Reduktion der Anzahl von Neuronen und Astroglia. Die Transkriptom-Analyse der differenzierten miR-26-KO ESCs mittels RNA-Seq zeigte, dass die Expression von Genen die mit der Neurogenese und der neuronalen Differenzierung, aber auch der Gliogenese assoziert sind, herunterreguliert war. Die Abwesenheit der miR-26 Familie f{\"u}hrte außerdem zu einer selektiven Reduzierung bestimmter miRNAs (REST-miRs), die einerseits die Expression von REST-Komplex Komponenten unterdr{\"u}cken k{\"o}nnen, und andererseits selbst unter dessen transkriptioneller Kontrolle stehen. Zu diesem REST-miR Netzwerk geh{\"o}ren einige miRNAs (miR-9, miR-124, miR-132 und miR-218), die wichtige Funktionen bei verschiedenen Prozessen der neuronalen Entwicklung haben. Weiterhin f{\"u}hrte der miR-26-KO zu einer Derepression der Proteinlevel von REST und CTDSP2 w{\"a}hrend der terminalen Differenzierung. Funktionelle Analysen mit miRNA mimics zeigten, dass erh{\"o}hte miR-26 Level zu einer Hochregulation von REST-miRs f{\"u}hren. Weitere Experimente, die darauf zielten, die Hierarchie des REST-miR Netwerks aufzukl{\"a}ren zeigten, dass die miR-26 Familie stromaufw{\"a}rts die REST-miR Expression reguliert. Zusammengefasst weisen die in dieser Arbeit gezeigten Daten darauf hin, dass die miR-26 Familie als Initiator der schrittweisen Inaktivierung des REST-Komplexes eine zentrale Rolle bei der Differenzierung von neuralen Vorl{\"a}uferzellen zu postmitotischen Neuronen spielt.},
  language  = {de}
}