TY  - THES
A1  - Zwettler, Fabian Ulrich
T1  - Expansionsmikroskopie kombiniert mit hochauflösender Fluoreszenzmikroskopie
T1  - Expansion Microscopy combined with Super-Resolution Fluorescence Microscopy
N2  - Fluorescence microscopy is a form of light microscopy that has developed during the 20th century and is nowadays a standard tool in Molecular and Cell biology for studying the structure and function of biological molecules. High-resolution fluorescence microscopy techniques, such as dSTORM (direct Stochastic Optical Reconstruction Microscopy) allow the visualization of cellular structures at the nanometre scale (10−9 m). This has already made it possible to decipher the composition and function of various biopolymers, such as proteins, lipids and nucleic acids, up to the three-dimensional (3D) structure of entire organelles. In practice, however, it has been shown that these imaging methods and their further developments still face great challenges in order to achieve an effective resolution below ∼ 10 nm. This is mainly due to the nature of labelling biomolecules. For the detection of molecular structures, immunostaining is often performed as a standard method. Antibodies to which fluorescent molecules are coupled, recognize and bind specifcally and with high affnity to the molecular section of the target structure, also called epitope or antigen. The fluorescent molecules serve as reporter molecules which are imaged with the use of a fluorescence microscope. However, the size of these labels with a length of about 10-15 nm in the case of immunoglobulin G (IgG) antibodies, cause a detection of the fluorescent molecules shifted to the real position of the studied antigen. In dense regions where epitopes are located close to each other, steric hindrance between antibodies can also occur and leads to an insuffcient label density. Together with the shifted detection of fluorescent molecules, these factors can limit the achievable resolution of a microscopy technique. Expansion microscopy (ExM) is a recently developed technique that achieves a resolution improvement by physical expansion of an investigated object. Therefore, biological samples such as cultured cells, tissue sections, whole organs or isolated organelles are chemically anchored into a swellable polymer. By absorbing water, this so-called superabsorber increases its own volume and pulls the covalently bound biomolecules isotropically apart. Routinely, this method achieves a magnifcation of the sample by about four times its volume. But protocol variants have already been developed that result in higher expansion factors of up to 50-fold. Since the ExM technique includes in the frst instance only the sample treatment for anchoring and magnifcation of the sample, it can be combined with various standard methods of fluorescence microscopy. In theory, the resolution of the used imaging technique improves linearly with the expansion factor of the ExM treated sample. However, an insuffcient label density and the size of the antibodies can here again impair the effective achievable resolution. The combination of ExM with high-resolution fluorescence microscopy methods represents a promising strategy to increase the resolution of light microscopy. In this thesis, I will present several ExM variants I developed which show the combination of ExM with confocal microscopy, SIM (Structured Illumination Microscopy), STED (STimulated Emission Depletion) and dSTORM. I optimized existing ExM protocols and developed different expansion strategies, which allow the combination with the respective imaging technique. Thereby, I gained new structural insights of isolated centrioles from the green algae Chlamydomonas reinhardtii by combining ExM with STED and confocal microscopy. In another project, I combined 3D-SIM imaging with ExM and investigated the molecular structure of the so-called synaptonemal complex. This structure is formed during meiosis in eukaryotic cells and contributes to the exchange of genetic material between homologous chromosomes. Especially in combination with dSTORM, the ExM method showed its high potential to overcome the limitations of modern fluorescence microscopy techniques. In this project, I expanded microtubules in mammalian cells, a polymer of the cytoskeleton as well as isolated centrioles from C. reinhardtii. By labelling after expansion of the samples, I was able to signifcantly reduce the linkage error of the label and achieve an improved label density. In future, these advantages together with the single molecule sensitivity and high resolution obtained by the dSTORM method could pave the way for achieving molecular resolution in fluorescence microscopy
N2  - Die Fluoreszenzmikroskopie ist eine Form der Lichtmikroskopie, die sich im Laufe des 20. Jahrhunderts entwickelt hat und heutzutage standardmäßig in der Molekular-und Zellbiologie zur Erforschung von Aufbau und Funktion biologischer Moleküle eingesetzt wird. Hochauflösende Verfahren der Fluoreszenzmikroskopie, wie die dSTORM (direct Stochastic Optical Reconstruction Microscopy) Technik, ermöglichen die Visualisierung zellulärer Strukturen im Nanometer-Größenbereich (10−9 m). Dadurch konnte bereits die Zusammensetzung und Funktion unterschiedlicher Biopolymere, wie die von Proteinen, Lipiden und Nukleinsäuren, bis hin zum dreidimensionalen (3D) Aufbau ganzer Organellen entschlüsselt werden.
In der Praxis zeigt sich jedoch, dass diese Bildgebungsverfahren und ihre Weiterentwicklungen immer noch vor großen Herausforderungen stehen, bevor eine effektive Auflösung von unter ∼10 nm erreicht werden kann. Die größte Hürde stellt die Art und Weise der Markierung von Biomolekülen dar. Bei dieser wird zum Nachweis molekularer Strukturen häufig die sogenannte Immunfärbung als Standardmethode eingesetzt. Antikörper, welche mit Fluoreszenzmolekülen gekoppelt werden, erkennen und binden hierbei spezifisch und mit hoher Affinität den Molekülabschnitt der Zielstruktur, auch Epitop oder Antigen genannt. Die Fluoreszenzmoleküle dienen als Reportermoleküle, welche mit Hilfe eines Fluoreszenzmikroskops abgebildet werden. Die Größe der Antikörper, mit einer Länge von etwa 10-15 nm im Falle von Immunglobulin G (IgG) Antikörpern, bewirkt jedoch eine Detektion der fluoreszierenden Moleküle verschoben zur eigentlichen Lage des untersuchten Antigens. In Regionen mit räumlich dicht nebeneinander liegenden Epitopen kann es zusätzlich zur sterischen Hinderung zwischen den Antikörpern kommen. Dies führt zu einer unzureichenden Markierungsdichte und stellt - zusammen mit der verschobenen Detektion der Fluoreszenzmoleküle - eine Limitierung der zu erreichenden Auflösung dar.
Die Expansionsmikroskopie (ExM) ist ein neu entwickeltes Verfahren, welches eine Auflösungsverbesserung durch die physikalische Expansion eines untersuchten Objekts erreicht. Hierbei werden biologische Proben, wie beispielsweise kultivierte Zellen, Gewebeschnitte, ganze Organe oder isolierte Organellen, chemisch in ein quellbares Polymer verankert. Durch Absorption von Wasser vergrößert dieser sogenannte Superabsorber sein eigenes Volumen und zieht während der räumlichen Expansion die kovalent gebundenen Biomoleküle isotrop auseinander. Standardmäßig wird durch dieses Verfahren eine Vergrößerung der Proben um etwa das vierfache Volumen erreicht, wobei bereits Protokollvarianten entwickelt wurden, die eine bis zu 50-fache Expansion erzielt haben.
Da die ExM-Technik zunächst nur die Probenbehandlung zur Verankerung und Vergrößerung der Probe selbst beinhaltet, kann sie mit unterschiedlichen Standardmethoden der Fluoreszenzmikroskopie kombiniert werden. Dadurch verbessert sich die Auflösung des verwendeten Bildgebungsverfahrens theoretisch linear um den Faktor der Volumenvergrößerung der ExM behandelten Probe. Eine unzureichende Markierungsdichte und die Größe der verwendeten Antikörper können auch hier die effektiv erreichbare Auflösung beeinträchtigen. Die Kombination der ExM mit hochauflösenden Verfahren der Fluoreszenzmikroskopie stellt eine vielversprechende Strategie zur Erhöhung der bisher erreichbaren Auflösung in der Lichtmikroskopie dar.
In dieser Arbeit werde ich mehrere von mir entwickelte ExM Varianten vorstellen, welche die Kombination von ExM mit konfokaler Mikroskopie, SIM (Structured Illumination Microscopy), STED (STimulated Emission Depletion) und dSTORM zeigen. Um die Verbindung mit dem jeweiligen Bildgebungsverfahren zu ermöglichen, optimierte ich bestehende ExM-Protokolle und entwickelte unterschiedliche Expansionsstrategien. Dadurch konnte ich neue strukturelle Erkenntnisse von isolierten Zentriolen aus der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii durch die Verbindung von ExM mit STED und konfokaler Mikroskopie gewinnen. In einem weiteren Projekt kombinierte ich 3D-SIM mit ExM und untersuchte den molekularen Aufbau des sogenannten synaptonemalen Komplexes. Diese Struktur bildet sich in eukaryotischen Zellen während der Reifeteilung (Meiose) aus und trägt zum Austausch des genetischen Materials zwischen homologen Chromosomen bei.
Vor allem in Verbindung mit dSTORM zeigte sich das hohe Potential der ExM-Methode, die bisherigen Limitierungen moderner Techniken der Fluoreszenzmikroskopie zu überwinden. In diesem Projekt expandierte ich Mikrotubuli in Säugetierzellen, ein Polymer des Zytoskeletts, sowie isolierte Zentriolen aus C. reinhardtii. Dadurch, dass die Markierung erst nach dem Expandieren der Proben erfolgte, gelang es, den Abstandsfehler der Markierung deutlich zu verringern und eine verbesserte Markierungsdichte zu erreichen. Diese Vorteile könnten in Verbindung mit der Einzelmolekülsensititvität und hohen Auflösung der dSTORM Methode Wegbereiter zur Erreichung einer molekularen Auflösung sein
KW  - Fluoreszenzmikroskopie
KW  - Expansionsmikroskopie
KW  - Einzelmolekül-Lokalisationsmikroskopie
KW  - Zentriolen
KW  - Synaptonemaler Komplex
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-212362
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TY  - THES
A1  - Zunker, Katrin
T1  - Untersuchungen zur Rolle der Mikrosatelliteninstabilität in hereditären Melanomen von Xiphophorus sowie zur Integrität von Elementen der Zellzykluskontrolle/DNA-Reparatur
T1  - Genomic stability in hereditary malignant melanoma of Xiphophorus
N2  - Die Bedeutung der genomischen Instabilität in humanen melanocytischen Läsionen ist Gegenstand vieler dermatologischer Studien und bis heute ungeklärt. Ist die Mikrosatelliteninstabilität bloße Begleiterscheinung der unkontrolliert proliferierenden Tumorzellen oder wird ihr ein pathogenetischer Mechanismus zuteil? In Fischen der Gattung Xiphophorus können durch klassische Kreuzungsexperimente melanocytische Läsionen verschiedener Malignitätsgrade induziert werden. Diese Läsionen sind auf Grund ihres genetisch kontrollierten Hintergrundes eindeutig definiert und reproduzierbar - und damit im Vorteil gegenüber der unsicheren Klassifikation humaner Hautläsionen. In der vorliegenden Arbeit wurde hauptsächlich der Frage nachgegangen, ob MIN+ ein obligates molekulares Ereignis für die Progression von Melanomen bis zum terminalen Stadium darstellt. Dieser Fragestellung wurde unter Verwendung PCR-basierter Mikrosatellitenanalysen sowie Multilocus DNA-Fingerprint Analysen nachgegangen. 23 Tumoren unterschiedlicher Malignität wurden im Vergleich zum tumorfreien Normalgewebe desselben Fisches an 12 Genloci unbekannter chromosomaler Lokalisation auf Mikrosatelliteninstabilität untersucht. Es wurde insgesamt eine Zahl von 263 informativen Loci erzielt, von denen sich nur 20 ( = 7.6%) als instabil erwiesen. Mittels der Multilocus-Fingerprint Analysen wurden 8 Melanome und deren korrespondiere Normalgewebe mit drei Sonden hybridisiert. Nur einer von 12 analysierbaren MLFPs zeigte eine genetische Aberration in Form einer Deletion einer einzelnen Bande im Tumorgewebe. Mit diesem Ergebnis wurde das in der Mikrosatellitenanalyse erhaltene Resultat einer nicht signifikanten Mikrosatelliteninstabilität im Xiphophorus-Melanom-Modell System bestätigt. Zusammenfassend kann gesagt werden, daß die Abwesenheit eines MIN+-Phänotypen in den Melanomen von Xiphophorus darauf hinweist, daß der Erwerb von MIN weder ein notwendiges Kriterium für die Initiation eines Tumors noch für seine Progression darstellt. Ein anderer Pfad der Tumorinitiation ist die direkte Schädigung oder der Verlust von Tumorsuppressorgenen, von in Mismatch Repair involvierten Genen oder durch die Transformation von Proto-Onkogenen zu Onkogenen. In dieser Arbeit wurde die Expression von drei Genen, die in der Regulation des Zellzyklus Schlüsselrollen spielen (rb, p53, cdkn2a), sowie einer Komponente des MMR-Systems (MSH2) auf RNA-Ebene untersucht. Ihre Expressionsstärke wurde in folgenden Geweben miteinander verglichen: Maligne Melanome, benigne Läsionen, tumorfreie Kontrollgewebe und die Xiphophorus-Melanomzellinie (PSM). MSH2 und p53 wurden in allen untersuchten Geweben auf gleichem Niveau exprimiert. Die vergleichende Expressionsanalyse des vermeintlichen "melanoma susceptibility gene" cdkn2a im Melanom-Modell und der PSM-Zellinie bestätigte die bereits vorbeschriebene Überexpression des Zellzyklusinhibitors in malignen Melanomen von Xiphophorus-Hybriden. Die Untersuchung des Expressionsmusters von Rb in den oben genannten Geweben ergab eine verminderte Transkription dieses Gens in malignen Melanomen. Eine mögliche Interpretation dieses Ergebnisses wäre, einen Defekt in Rb oder pRB zu Grunde zu legen und die Hochregulation von cdkn2a entsprechend einer negativen Rückkopplungsschleife als physiologische Konsequenz anzusehen.
N2  - Microsatellite instability is a feature of many tumours and is indicative of a generalized genomic instability of cancer cells. Whether this phenomenon is essential for tumorigenesis and whether it is an early or late step is still a matter of debate. In the Xiphophorus melanoma model, the primary steps leading to tumour formation are known and include overexpression of a mutationally altered epidermal growth factor receptor and the resulting defects in signalling. We have analysed the late stages of melanoma progression for microsatellite instability. Although several types of microsatellite allele alteration in DNA from tumours relative to DNA from non-tumour tissue were found, the frequency was rather low (7.6%). Thus, although the tumours show a wide range of malignancy and agressiveness, genomic instability that becomes apparent as microsatellite instability does not appear to be an obligatory step for melanoma progression.
KW  - Mikrosatellit
KW  - Melanom
KW  - Fisch
KW  - genetischer Fingerabdruck
KW  - Zellzykluskontrolle
KW  - Microsatellite
KW  - genomic stability
KW  - fish
KW  - hereditary melanoma
KW  - cell cycle control
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-21736
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TY  - THES
A1  - Zube, Christina
T1  - Neuronal representation and processing of chemosensory communication signals in the ant brain
N2  - Ants heavily rely on olfaction for communication and orientation and ant societies are characterized by caste- and sex-specific division of labor. Olfaction plays a key role in mediating caste-specific behaviours. I investigated whether caste- and sex-specific differences in odor driven behavior are reflected in specific differences and/or adaptations in the ant olfactory system. In particular, I asked the question whether in the carpenter ant, Camponotus floridanus, the olfactory pathway exhibits structural and/or functional adaptations to processing of pheromonal and general odors. To analyze neuroanatomical specializations, the central olfactory pathway in the brain of large (major) workers, small (minor) workers, virgin queens, and males of the carpenter ant C. floridanus was investigated using fluorescent tracing, immunocytochemistry, confocal microscopy and 3D-analyzes. For physiological analyzes of processing of pheromonal and non-pheromonal odors in the first odor processing neuropil , the antennal lobe (AL), calcium imaging of olfactory projection neurons (PNs) was applied. Although different in total glomerular volumes, the numbers of olfactory glomeruli in the ALs were similar across the female worker caste and in virgin queens. Here the AL contains up to ~460 olfactory glomeruli organized in 7 distinct clusters innervated via 7 antennal sensory tracts. The AL is divided into two hemispheres regarding innervations of glomeruli by PNs with axons leaving via a dual output pathway. This pathway consists of the medial (m) and lateral (l) antenno-cerebral tract (ACT) and connects the AL with the higher integration areas in the mushroom bodies (MB) and the lateral horn (LH). M- and l-ACT PNs differ in their target areas in the MB calyx and the LH. Three additional ACTs (mediolateral - ml) project to the lateral protocerebrum only. Males had ~45% fewer glomeruli compared to females and one of the seven sensory tracts was absent. Despite a substantially smaller number of glomeruli, males possess a dual PN output pathway to the MBs. In contrast to females, however, only a small number of glomeruli were innervated by projection neurons of the m-ACT. Whereas all glomeruli in males were densely innervated by serotonergic processes, glomeruli innervated by sensory tract six lacked serotonergic innervations in the female castes. It appears that differences in general glomerular organization are subtle among the female castes, but sex-specific differences in the number, connectivity and neuromodulatory innervations of glomeruli are substantial and likely to promote differences in olfactory behavior. Calcium imaging experiments to monitor pheromonal and non-pheromonal processing in the ant AL revealed that odor responses were reproducible and comparable across individuals. Calcium responses to both odor groups were very sensitive (10-11 dilution), and patterns from both groups were partly overlapping indicating that processing of both odor classes is not spatially segregated within the AL. Intensity response patterns to the pheromone components tested (trail pheromone: nerolic acid; alarm pheromone: n-undecane), in most cases, remained invariant over a wide range of intensities (7-8 log units), whereas patterns in response to general odors (heptanal, octanol) varied across intensities. Durations of calcium responses to stimulation with the trail pheromone component nerolic acid increased with increasing odor concentration indicating that odor quality is maintained by a stable pattern (concentration invariance) and intensity is mainly encoded in the response durations of calcium activities. For n-undecane and both general odors increasing response dynamics were only monitored in very few cases. In summary, this is the first detailed structure-function analyses within the ant’s central olfactory system. The results contribute to a better understanding of important aspects of odor processing and olfactory adaptations in an insect’s central olfactory system. Furthermore, this study serves as an excellent basis for future anatomical and/or physiological experiments.
N2  - Für Ameisen spielt die olfaktorische Kommunikation und Orientierung eine zentrale Rolle hinsichtlich der Organisation des Ameisenstaates. Ob sich kasten- und geschlechtsspezifische Verhaltensunterschiede auf neuronaler Ebene und besonders im olfaktorischen System der Ameise widerspiegeln ist die zentrale Frage meiner Arbeit. Im Speziellen stellte ich die Frage, ob sich in der olfaktorischen Bahn der Rossameise Camponotus floridanus strukturelle oder funktionelle Anpassungen an die Verarbeitung von Pheromonen und generellen Düften aufzeigen lassen. Zur Analyse hinsichtlich neuroanatomischer Spezialisierungen wurde die olfaktorische Bahn im Gehirn von großen und kleinen Arbeiterinnen, Jungköniginnen und Männchen der Rossameise C. floridanus mittels Fluoreszenzmassenfärbungen, Immunzytochemie, konfokaler Laserscanningmikroskopie und 3D-Auswertung untersucht. Um die Verarbeitung von Pheromonen und generellen Düften im primären olfaktorischen Neuropil, dem Antennallobus (AL), auf physiologischer Ebene zu charakterisieren wurden olfaktorische Projektionsneurone mittels Calcium Imaging untersucht. Obwohl sich das glomeruläre Gesamtvolumen der ALs zwischen Arbeiterinnenkasten und Jungköniginnen unterscheidet, lag die Gesamtzahl der Glomeruli im AL in einem ähnlichen Bereich. Der AL besteht in allen drei weiblichen Kasten aus bis zu 460 Glomeruli, die in sieben Clustern angeordnet sind und von sieben sensorischen Eingangstrakten innerviert werden. Der AL unterteilt sich in zwei Hemispheren, deren entsprechende Glomeruli von Projektionsneuronen innverviert werden, die vom AL über die Nervenbahn des “dual output pathway” in höhere Hirnregionen projizieren. Diese Nervenbahn besteht aus dem medialen (m) und lateralen (l) Antennocerebraltrakt (ACT) und verbindet den AL mit höheren Integrationszentren wie den Pilzkörpern (MB) und dem lateralen Horn (LH). M- und l-ACT unterscheiden sich in ihren Zielregionen im MB Calyx und dem LH. Drei weitere ACTs (mediolateral – ml) projizieren ausschließlich ins laterale Protocerebrum. Männchen besitzen ca. 45% weniger Glomeruli im Vergleich zur Weibchenkaste. Ihnen fehlt weiterhin einer der sieben sensorischen Eingangstrakte vollständig. Trotz der wesentlich geringeren Anzahl an Glomeruli, besitzen auch Männchen den “dual output pathway”. Im Gegensatz zu den Weibchen ist allerdings nur eine geringe Anzahl an Glomeruli durch m-ACT Projektionsneurone innerviert. Ein weiterer Unterschied im AL von Männchen und Weibchen findet sich in den Glomeruli des sensorische Trakts Nummer sechs, die bei Weibchen keinerlei serotonerge Innervierung aufweisen während beim Männchen der gesamte AL dichte serotonerge Verzweigungen besitzt. Es zeigt sich somit, dass die kastenspezifischen Unterschiede in der allgmeinen glomerulären Organisation des AL innerhalb der Weibchenkaste nur sehr fein sind. Im Gegensatz dazu sind die geschlechtsspezifischen Unterschiede in Anzahl, Konnektivität und neuromodulatorischer Innervierung von Glomeruli zwischen Weibchen- und Männchen wesentlich ausgeprägter was Unterschiede in olfaktorisch geprägten Verhaltensweisen begünstigen könnte. Die Calcium Imaging Experimente zur Untersuchung der Verarbeitung von Pheromonen und generellen Düften im AL der Ameise zeigten, dass Duftantworten reproduzierbar und zwischen Individuen vergleichbar waren. Die Sensitivität des Calcium Signals lag für beide Duftgruppen in einem sehr niedrigen Bereich (Verdünnung 10-11). Die Antortmuster beider Duftgruppen überlappten zum Teil, was die Annahme zuläßt, dass die Verarbeitung von Pheromonen und generellen Düften keiner räumlichen Trennung innerhalb des AL unterliegt. Die Intensität der Antwortmuster auf die Pheromonkomponenten (Spurpheromon: Nerolsäure; Alarmpheromon: n-Undecan) blieben in den meisten Fällen über einen weiten Konzentrationsbereich konstant (7-8 log Einheiten). Die Dauer der Calciumantwort nach Stimulation mit Nerolsäure verlängerte sich mit steigender Duftkonzentration. Dies läßt für das Spurpheromon den Schluß zu, dass die Duftqualität in einem konstanten Duftmuster (Konzentrationsinvarianz) repräsentiert und die Duftintensität über die Dauer des Calciumsignals abgebildet wird. Da die Antwortmuster auf generelle Düfte (Heptanal, Octanol) dagegen sehr viel stärker innerhalb des getesteten Konzentrationsbereichs varrieren ließ sich für n-Undecan und die beiden generellen Düfte eine solche Dynamik nur in einigen wenigen Fällen beobachtet. Zusammenfassend ist diese Studie die erste strukturelle und funktionelle Studie des olfaktorischen Systems der Ameise. Die Ergebnisse tragen zu einem besseren Verständnis der neuronalen Adaptationen und Mechanismen hinsichtlich Duftverarbeitung im zentralen Nervensystem von Insekten bei. Außerdem liefert diese Studie eine wichtige Grundlage für zukünftige neuroanatomische und –physiologische Untersuchungen auf dem Gebiet der Neurobiologie der Insekten.
KW  - Gehirn
KW  - Neuroethologie
KW  - Neuroanatomie
KW  - Geruchswahrnehmung
KW  - Neuronale Plastizität
KW  - Insekten
KW  - Antennallobus
KW  - Glomeruli
KW  - olfaktorische Bahn
KW  - Camponotus floridanus
KW  - Dufverarbeitung
KW  - antennal lobe
KW  - glomeruli
KW  - olfactory pathway
KW  - Campontous floridanus
KW  - odor processing
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-30383
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TY  - THES
A1  - Zovko, Josip
T1  - Die E3-Ubiquitinligase HectD1 reguliert die Stabilität des antiapoptotischen Bcl-2-Familienmitglieds A1
T1  - The E3-Ubiquitinligase HectD1 regulates the stabiliy of the anti-apoptotic Bcl-2-protein A1
N2  - Die Bcl-2-Familienmitglieder A1 und sein humanes Homolog Bfl-1 gewährleisten das Überleben der Zelle. Gleichzeitig trägt eine Dysregulation der Expression von A1/ Bfl-1 zur Krebsentstehung bei. Die Stabilität von A1/ Bfl-1 wird durch deren Ubiquitinylierung sowie die anschließende proteosomale Degradation gesteuert. Mit Hilfe eines Yeast-Two-Hybrid-Screens wurde die E3-Ubiquitinligase HectD1 als potentieller Interaktionspartner von A1/ Bfl-1 identifiziert. Die Interaktion von A1 und HectD1 des Yeast-Two-Hybrid-Screens konnte in Säugerzellen bestätigt werden. Desweiteren konnte gezeigt werden, dass lediglich 87 Aminosäuren für eine Interaktion von HectD1 und A1 nötig sind. Da membrangebundenes HectD1 zu einer Translokation von zytosolischem A1 an die Zellmembran führt, kann man davon ausgehen, dass beide Proteine auch in vivo miteinander interagieren. Eine dominant negative HectD1-Mutante schließlich beeinflusst die Ubiqutinylierung von A1 und führt somit zu dessen Stabilisierung. Diese Daten legen nahe, dass HectD1 ein wichtiger negativer Regulator von A1/ Bfl-1 ist und dass HectD1 für die Regulierung der A1/ Bfl-1-Proteinmenge in (Krebs)zellen sehr wichtig ist.
N2  - The Bcl-2 family members A1 and its human orthologue Bfl-1 support survival of cells. Dysregulation of their expression contributes to cancer. Stability of A1/ Bfl-1 is controlled by ubiquitination followed by degradation via the proteasome. Using a yeast two-hybrid screen we identified the E3 ubiquitin-ligase HectD1 as potential A1/ Bfl-1-interacting partner. We confirmed interaction of these two proteins in mammalian cells. Only 87 amino acids of HectD1 are necessary for the interaction of the protein with A1. Membrane-bound HectD1 recruits A1 to the membranes further supporting the notion that the two proteins interact in vivo. Importantly, dominant negative versions of HectD1 interfered with ubiquitination of A1 stabilizing the protein. These findings indicate that HectD1 maybe an important negative regulator of the A1/ Bfl-1 anti-apoptotic protein, providing an important target for interfering with dysregulation of A1/ Bfl-1 in cancer.
KW  - Zelltod
KW  - Ubiquitinierung
KW  - Bcl-2 Familie
KW  - Bcl-2 family
KW  - Regeneration
KW  - Bcl-2-Proteinfamilie
KW  - Ubiquitination
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-87922
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TY  - THES
A1  - Zirn, Birgit
T1  - Expressions- und Mutationsanalysen in kindlichen Wilms Tumoren
T1  - Expression and mutation analysis in pediatric Wilms Tumors
N2  - kumulative Dissertation, vgl. Abstracts der angehängten Publikationen
N2  - cumulative dissertation, see abstracts of original papers
KW  - Nephroblastom
KW  - Genexpression
KW  - Genmutation
KW  - Wilms Tumor
KW  - Nephroblastom
KW  - Expressionsanalyse
KW  - Wilms tumor
KW  - nephroblastoma
KW  - expression analysis
Y1  - 2006
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-20338
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TY  - THES
A1  - Zirkel, Janina
T1  - Malaria in Burkina Faso – Chancen für eine neue Strategie mit Hilfe von Methylenblau
T1  - Malaria in Burkina Faso - Evaluation of new strategies with methylene blue
N2  - Trotz beträchtlicher Anstrengung Malaria zu kontrollieren bzw. zu eradizieren, stellt die Krankheit weiterhin eines der gravierendsten Gesundheitsprobleme unseres Jahrtausends dar. Malaria fordert jährlich zwischen 0,7 und 2,7 Millionen Menschenleben, beeinträchtigt schulische und soziale Entwicklung und hemmt erheblich das Wirtschaftswachstum der betroffenen Länder. In Burkina Faso, einem der ärmsten Länder der Welt, ist Malaria eines der größten Gesundheitsprobleme und ca. ein Drittel aller Todesfälle werden hier Malaria angelastet. Die sich weiter ausbreiteten Resistenzen gegen die gängigen Malariamedikamente machen die Bekämpfung der Malaria zunehmend schwierig. Artemisinin basierende Kombinationstherapien sind aktuell, trotz relativ hoher Therapiekosten und erster Resistenzen, die Erstlinien Behandlung. Effektive und billige neue Kombinationstherapien werden dringend benötigt. In dieser Doktorarbeit wurde das Resistenzpotential von Artemisinin modelliert. Die Homologiemodellierungen unterstützen die These von Krishna und Kollegen von SERCA als einzige Zielstruktur von Artemisinin. Des Weiteren wurde Methylenblau als neues altes Malariamittel evaluiert. Methylenblau ist das erste gegen Malaria eingesetzte Medikament, agiert als ein prooxidatives Agens und inhibiert selektiv und nicht-kompetitiv die P. falciparum Glutathion Reduktase. Die additiven und multiplen Zielprotein Effekte von Methylenblau wurden experimentell untersucht und hier in einem bioinformatischem Modell getestet. Unter dem Einfluss von Methylenblau werden einige Schlüsselenzyme des Redoxstoffwechsels in ihrer Aktivität beeinträchtigt und der Parasit wird verstärkt oxidativem Stress ausgesetzt. Des Weiteren konnte in dieser Dr. Arbeit eine starke Kooperationsbereitschaft der urbanen und ländlichen Bevölkerung an zukünftigen Malaria Projekten gezeigt werden.
N2  - Dispite numerous global efforts malaria remains one of the biggest challenges of our millennium. Between 0,7-2,7 million people die from malaria each year. The disease is estimated to be responsible for an annual reduction of economic growth and hampers social und mental development. In Burkina Faso, one of the poorest countries in the world, malaria is the main health challenge and malaria is estimated to be responsible for one third of all death there. The fight against malaria has to cope with more and more resistance. Artemisinin-based combination therapies remain the first line treatment against malaria even when therapy is expensive and resistances are starting to appear. Effective and cheap combination therapies are needed. In this thesis resistance potential of the standard drug Artemisinin was modelled. The structure model data support the results by Krishna and co-workers that this is a principal target for Artemisinins. Furthermore the complementary aspects in order to introduce methylene blue (MB) combination therapies were examined. Methylene blue, the first synthetic drug ever used against malaria, is a subversive substrate and specific inhibitor of P. falciparum glutathione reductase. The additive and multi-target effects of MB are here both modelled and tested regarding redox network attack in the malaria parasite. Under the influence of MB enzyme participating in redox protection are switched of and the parasite is exposed to oxidative stress. Furthermore it could be shown a convincing commitment of rural and urban populations in Burkina Faso to eradicate malaria using a MB combination drug.
KW  - Methylenblau
KW  - Malaria
KW  - Burkina Faso
KW  - Malaria
KW  - Burkina Faso
KW  - methylene blue
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-72583
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TY  - THES
A1  - Zimnol, Anna
T1  - Relevance of angiotensin II type 1a receptor and NADPH oxidase for the formation of angiotensin II-mediated DNA damage
T1  - Relevanz des Angiotensin II Typ 1a-Rezeptors und der NADPH-Oxidase für die Entstehung Angiotensin II-vermittelter DNA-Schäden
N2  - Das Renin-Angiotensin-Aldosteron-System (RAAS) reguliert den Blutdruck sowie den Elektrolyt- und Wasserhaushalt. Das aktive Peptid, Angiotensin II (AngII), führt dabei zur Vasokonstriktion und in höheren Konzentrationen zu Bluthochdruck. Hypertensive Patienten haben ein erhöhtes Risiko an Krebs zu erkranken, vor allem an Nierenkrebs. Wir konnten bereits in vivo zeigen, dass AngII in der Lage ist, den Blutdruck zu steigern und dosisabhängig zu DNA-Schäden über den Angiotensin II Typ 1-Rezeptor (AT1R) führt. Ein stimuliertes RAAS kann ferner über die Aktivierung der NADPH-Oxidase, einer Hauptquelle der Generierung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) in der Zelle, zu oxidativem Stress führen. Zielsetzung dieser Arbeit war es zum einen, mit Hilfe von AT1a-Rezeptor-defizienten Mäusen in vivo zu prüfen, ob die Bildung von ROS, sowie die Bildung von DNA-Schäden in der Niere und im Herzen unabhängig von einem erhöhten Blutdruck auftreten. Zum anderen sollte, ebenfalls in vivo, untersucht werden, ob eine oder beide von zwei untersuchten Isoformen der NADPH-Oxidase (Nox) für die Auslösung oxidativen Stresses in der Niere verantwortlich ist. 
Zunächst wurden für den Versuch zur Überprüfung der Abhängigkeit AngII-induzierter DNA-Schäden vom Blutdruck männliche C57BL/6-Mäuse und AT1a-Knockout (KO)-Mäuse mit osmotischen Minipumpen ausgestattet, die AngII in einer Konzentrationen von 600 ng/kg min über einen Zeitraum von 28 Tagen abgaben. Zusätzlich wurde eine Gruppe von AngII-behandelten Wildtyp (WT)-Mäusen mit dem AT1-Rezeptor-Blocker Candesartan (Cand) behandelt. Während des Versuchszeitraumes fanden regelmäßige, nicht-invasive Blutdruckmessungen an den wachen Mäusen statt. In WT-Mäusen induzierte AngII Bluthochdruck, verursachte erhöhte Albumin-Level im Urin und führte zur Bildung von ROS in Niere und im Herzen. Außerdem traten in dieser Gruppe DNA-Schäden in Form von Einzel- und Doppelstrangbrüchen auf. All diese Reaktionen auf AngII konnten jedoch durch gleichzeitige Behandlung mit Cand verhindert werden. AT1a-KO-Mäuse hatten, verglichen mit WT-Kontrollmäusen, einen signifikant niedrigeren Blutdruck und normale Albumin-Level im Urin. In AT1a-KO-Mäusen, die mit AngII behandelt wurden, konnte kein Anstieg des systolischen Blutdrucks sowie kein Einfluss auf die Nierenfunktion gefunden werden. Jedoch führte AngII in dieser Gruppe zu einer Steigerung von ROS in der Niere und im Herzen. Zusätzlich wurden genomische Schäden, vor allem in Form von Doppelstrangbrüchen signifikant in dieser Gruppe induziert. Auch wenn AT1a-KO-Tiere, unabhängig von einer AngII-Infusion, keine eingeschränkte Nierenfunktion zeigten, so wiesen sie erhebliche histopathologische Schäden im Hinblick auf die Glomeruli und das Tubulussystem auf. Diese Art von Schäden deuten auf eine besondere Bedeutung des AT1aR im Hinblick auf die embryonale Entwicklung der Niere hin. Zusammenfassend beweisen die Ergebnisse dieses Experiments eindeutig, dass eine AngII-induzierte ROS-Produktion und die Induktion von DNA-Schäden unabhängig von einem erhöhten Blutdruck auftreten. Da in der AngII-behandelten AT1a-KO-Gruppe eine signifikant höhere Expression des AT1b-Rezeptors zu finden war und die Blockade von beiden Rezeptorsubtypen mit Cand zu einer Verhinderung der schädlichen Effekte durch AngII führte, scheint der AT1bR im Falle einer AT1aR-Defizienz für die Entstehung der Schäden zuständig zu sein. 
Ziel des zweiten Experimentes war es, den Beitrag der Nox2 und Nox4 zum oxidativen DNA-Schaden in vivo zu untersuchen. Hierfür wurden männliche C57BL/6-Mäuse und Nox2- oder Nox4-defiziente Mäuse mit osmotischen Minipumpen ausgestattet, die AngII in einer Konzentration von 600 ng/kg min über einen Zeitraum von 28 Tagen abgaben. Im WT-Stamm und in beiden Nox-defizienten Stämmen induzierte AngII Bluthochdruck, verursachte erhöhte Albumin-Level im Urin und führte zur Bildung von ROS in der Niere. Außerdem waren in allen AngII-behandelten Gruppen genomische Schäden, vor allem in Form von Doppelstrangbrüchen, erhöht. Auch in Abwesenheit von AngII wiesen Nox2- und Nox4-defiziente Mäuse mehr Doppelstrangbrüche im Vergleich zu WT-Kontrollmäusen auf. Interessanterweise kompensieren allerdings weder Nox2 noch Nox4 das Fehlen der jeweils anderen Isoform auf RNA-Basis. Aufgrund dieser Ergebnisse schließen wir, dass bislang keine Isoform alleine für die Generierung von oxidativen DNA-Schäden in der Niere verantwortlich gemacht werden kann und dass eine Beteiligung einer weiteren Nox-Isoform sehr wahrscheinlich ist. Möglicherweise könnten aber auch andere ROS-generierende Enzyme, wie Xanthinoxidase oder Stickoxidsynthase involviert sein. Da genomische Schäden in Nieren von Nox2- und Nox4-defizienten Mäusen in Abwesenheit von AngII gegenüber den Schäden in WT-Kontrollmäusen erhöht waren, könnten die beiden Isoformen auch eine schützende Funktion im Bereich von Nierenkrankheiten übernehmen. Da dies aber bislang nur für Nox4 beschrieben ist, ist es wahrscheinlicher, dass das Fehlen von einer der beiden Isoformen eher einen Einfluss auf die Embryonalentwicklung hat. Um dies jedoch abschließend zu klären wäre es sinnvoll mit induzierbaren Knockout-Modellen zu arbeiten, bei denen mögliche entwicklungsbedingte Effekte minimiert werden können.
N2  - The renin-angiotensin-aldosterone system (RAAS) regulates blood pressure, electrolyte metabolism and water balance. The reactive peptide, Angiotensin II (AngII), of the RAAS causes vasoconstriction and, in higher concentrations, increased blood pressure. Hypertensive patients have an increased risk to develop cancer, especially kidney cancer. We have shown in vivo, that AngII is capable to cause an elevation of blood pressure, as well as DNA damage dose-dependently via the AngII type 1 receptor (AT1R). A stimulated RAAS can further lead to oxidative stress by activating NADPH oxidases which are major enzymatic sources of reactive oxygen species (ROS) in the cell. On the one hand the aim of this work was to examine in vivo with the help of AT1aR-deficient mice whether the formation of ROS and DNA damage in the kidney and the heart occur independently of an increased blood pressure. On the other hand we wanted to investigate whether one or both of the two examined isoforms of the NADPH oxidase (Nox) is responsible for the triggering of oxidative stress in the kidney. 
For the purpose of the first experiment which examined the dependency of AngII-induced DNA damage on blood pressure, male C57BL/6-mice and AT1a-knockout (KO)-mice were equipped with osmotic minipumps, delivering AngII in a concentration of 600 ng/kg x min during 28 days. Additionally, wild-type (WT) mice were treated with the AT1R antagonist candesartan (cand). Over the whole time period, frequent non-invasive blood pressure measurements were taken. In WT mice, AngII induced hypertension, an elevated urinary albumin level and formation of ROS in kidney and heart. Furthermore, genomic damage, in form of single- and double strand breaks, was augmented in this group. All these responses to AngII could be attenuated by concurrent administration of candesartan. AT1a-deficient mice had lower basal systolic pressures than WT mice and comparable urinary albumin levels. In AT1a-deficient mice treated with AngII, systolic pressure was not increased, and no effect on renal function could be detected. However, AngII led to an increase of ROS in kidney and heart in this group. In addition, genomic damage, especially in form of double strand breaks was significantly induced. Although AT1a-KO-mice, independent of an AngII-infusion, showed no renal impairment they had significant histopathological changes in glomeruli and tubules. This points to a special importance of AT1aR with regard to the embryonic development of the kidney. In summary our results clearly demonstrate that AngII-induced ROS production and DNA damage is independent of blood pressure. Since we found a significantly higher expression of the AT1bR in the AngII-treated AT1aR-KO-group and since blocking of both subtypes with cand resulted in a complete prevention of adverse AngII effects, the receptor responsible for the mediation of these effects seems to be AT1bR. 
The aim of the second experiment was to examine the contribution of Nox2 and Nox4 to oxidative DNA damage in vivo. Therefore male C57BL/6-mice and Nox2- or Nox4-deficient mice were equipped with osmotic minipumps, delivering AngII in a concentration of 600 ng/kg × min during 28 days. In WT and in both strains of Nox-deficient mice, AngII induced hypertension, elevated urinary albumin levels and formation of ROS in the kidney. Furthermore, genomic damage, especially in form of double strand breaks were augmented in all of the AngII-treated groups. Also in the absence of AngII, Nox2- and Nox4-deficient mice exhibited a higher background of double strand breaks. Interestingly neither Nox2 nor Nox4 do not compensate for the deficiency of the other isoform on mRNA level. Due to these results we conclude that there is no isoform so far which is solely responsible for the generation of ROS in the kidney under AngII-treatment. Potentially there might also be a contribution of other enzymes like xanthine oxidase or nitric oxide synthase to the formation of ROS. Since genomic damage in kidneys of Nox2- and Nox4-deficient mice in the absence of AngII was higher as compared to the damages in WT control mice it might be that both isoforms could have a protective role in renal disease. But, since this is so far only described for Nox4 it is likely that the absence of one of the two isoforms rather has an influence on the embryonic development. To finally clarify this hypothesis it would be suggestive to work with inducible knockout mouse models where possible developmental effects can be minimized.
KW  - Angiotensin II
KW  - NADPH-Oxidase
KW  - DNS-Schädigung
KW  - Oxidativer Stress
KW  - Angiotensin II
KW  - NADPH oxidase
KW  - angiotensin II type 1a receptor
KW  - DNA damage
KW  - oxidative stress
KW  - Angiotensin II Typ 1a-Rezeptor
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-137469
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zimmermann, Henriette
T1  - Antigenic variation and stumpy development in \(Trypanosoma\)  \(brucei\)
T1  - Antigene Variation und Stumpy Entwicklung in \(Trypanosoma\)  \(brucei\)
N2  - The eukaryotic parasite Trypanosoma brucei has evolved sophisticated strategies to persist within its mammalian host. Trypanosomes evade the hosts' immune system by antigenic variation of their surface coat, consisting of variant surface glycoproteins (VSGs). Out of a repertoire of thousands of VSG genes, only one is expressed at any given time from one of the 15 telomeric expression sites (ES). The VSG is stochastically exchanged either by a transcriptional switch of the active ES (in situ switch) or by a recombinational exchange of the VSG within the active ES. However, for infections to persist, the parasite burden has to be limited. The slender (sl) bloodstream form secretes the stumpy induction factor (SIF), which accumulates with rising parasitemia. SIF induces the irreversible developmental transition from the proliferative sl to the cell cycle-arrested but fly-infective stumpy (st) stage once a concentration threshold is reached. Thus, antigenic variation and st development ensure persistent infections and transmissibility. A previous study in monomorphic cells indicated that the attenuation of the active ES could be relevant for the development of trypanosomes. The present thesis investigated this hypothesis using the inducible overexpression of an ectopic VSG in pleomorphic trypanosomes, which possess full developmental competence. These studies revealed a surprising phenotypic plasticity: while the endogenous VSG was always down-regulated upon induction, the ESactivity determined whether the VSG overexpressors arrested in growth or kept proliferating. Full ES-attenuation induced the differentiation of bona fide st parasites independent of the cell density and thus represents the sole natural SIF-independent differentiation trigger to date. A milder decrease of the ES-activity did not induce phenotypic changes, but appeared to prime the parasites for SIF-induced differentiation. These results demonstrate that antigenic variation and development are linked and indicated that the ES and the VSG are independently regulated. Therefore, I investigated in the second part of my thesis how ES-attenuation and VSG-silencing can be mediated. Integration of reporters with a functional or defective VSG 3'UTR into different genomic loci showed that the maintenance of the active state of the ES depends on a conserved motif within the VSG 3'UTR. In situ switching was only triggered when the telomere-proximal motif was partially deleted, suggesting that it serves as a DNA-binding motif for a telomere-associated protein. The VSG levels seem to be additionally regulated in trans based on the VSG 3'UTR independent of the genomic context, which was reinforced by the regulation of a constitutively expressed reporter with VSG 3' UTR upon ectopic VSG overexpression.
N2  - Der eukaryotische Parasit Trypanosoma brucei hat komplexe Strategien entwickelt, um in seinem Säugetierwirt zu überleben. Die Grundlage der Immunevasion ist die antigene Variation des Oberflächenmantels, der aus dem variablen Oberflächenglykoprotein (VSG) besteht. Von mehreren tausend VSG-Genen wird zu jedem Zeitpunkt nur ein einziges aus einer der 15 telomerischen Expressionsstellen (ES) exprimiert. Das VSG kann entweder durch einen transkriptionellen Wechsel der aktiven ES (in situ Wechsel) oder durch einen rekombinatorischen Wechsel des VSG-Gens innerhalb der aktiven ES stochastisch ausgetauscht werden. Damit jedoch eine langanhaltende Infektion des Wirts möglich wird, muss gleichzeitig der Parasitenbefall begrenzt werden. Mit ansteigender Parasitämie akkumuliert der 'stumpy induction factor' (SIF), welcher von der 'slender' (sl) Blutstromform sekretiert wird. Sobald ein Schwellenwert in der SIF-Konzentration erreicht ist, wird die irreversible Differenzierung der proliferativen sl in die zellzyklusarretierte 'stumpy'(st) Form eingeleitet, welche infektiös für den Fliegenvektor ist. Somit stellen antigene Variation und st- Differenzierung das Persistieren der Infektion und die Übertragung des Parasiten sicher. Eine frühere Arbeit mit monomorphen Zellen deutete darauf hin, dass die Attenuierung der aktiven ES eine Rolle für die Differenzierung der Trypanosomen spielen könnte. Diese Hypothese wurde in der vorliegenden Dissertation untersucht, indem in pleomorphen Zellen mit vollständiger Entwicklungskompetenz ein ektopisches VSG induzierbar überexprimiert wurde. Diese Studien offenbarten eine erstaunliche phänotypische Plastizität: während das endogene VSG nach Induktion runter reguliert wurde, arretierten die VSG-Überexpressoren in Abhängigkeit von der ES-Aktivität entweder im Wachstum oder teilten sich weiter. Die vollständige ES-Attenuierung löste die Differenzierung zu echten st Zellen unabhängig von der Zelldichte aus und ist somit der bisher einzige natürliche SIF-unabhängige Differenzierungsauslöser. Eine mildere Abnahme der ES-Aktivität verursachte keinen Phänotyp, scheint aber die Zellen auf die SIF-induzierte Differenzierung vorzubereiten. Diese Ergebnisse zeigen, dass antigene Variation und Differenzierung verbunden sind und deuteten an, dass die ES und das VSG unabhängig voneinander reguliert werden. Daher habe ich im zweiten Teil meiner Dissertation untersucht, wie ES-Attenuierung und VSG-Stilllegung vermittelt werden können. Die Integration eines Reporters mit funktioneller oder defekter VSG 3'UTR an verschiedenen Orten im Genom zeigte, dass die Aufrechterhaltung der ES-Aktivität von einem konservierten Motiv in der VSG 3'UTR abhängig ist. Ein in situ Wechsel wurde nur ausgelöst, wenn Teile des Telomer-proximalen Motiv deletiert wurden, was nahelegt, dass das Motiv auf DNA-Ebene von einem Telomerbindeprotein erkannt wird. Die VSG-Level scheinen unabhängig vom genomischen Kontext zusätzlich in trans basierend auf der VSG 3'UTR reguliert zu werden, was durch die Regulation eines konstitutiv exprimierten Reporters mit VSG 3'UTR nach VSG-Überexpression bekräftigt wurde.
KW  - Trypanosoma brucei
KW  - Genexpression
KW  - Entwicklung
KW  - Parasit
KW  - VSG
KW  - antigenic variation
KW  - monoallelic expression
KW  - stumpy development
KW  - differentiation
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-146902
ER  - 
TY  - THES
A1  - Ziegler, Christian G.
T1  - Die B-Chromosomen der Ukelei (Alburnus alburnus)
T1  - The B chromosomes of the Ukelei (Alburnus alburnus). Cytogenetic and molecular analyses
N2  - Im Karpfenfisch Alburnus alburnus wurden die bisher größten überzähligen Chromosomen bei Wirbeltieren entdeckt. Dies ermöglichte eine umfangreiche zytogenetische und molekulare Studie dieser außergewöhnlichen Genomelemente. Aus Populationsstudien, die mehrere Fundorte in Deutschland einschlossen, konnten Informationen über die Verteilung der B Chromosomen in Fischen verschiedener Herkunftsorte ermittelt werden. Eine derartige Studie könnte zukünftig auch auf andere Länder ausgedehnt werden. Eine detaillierte, zytogenetische Analyse mit allen konventionellen Hellfeld- und Fluoreszenzbänderungen sowie Fluoreszenz in situ Hybridisierungen mit den ribosomalen 5S, 18S/28S rDNA-Proben und der Telomerprobe (TTAGGG)n, zeigte, dass die außergewöhnlich großen B Chromosomen von A. alburnus heterochromatisch, GC-reich und spät replizierend sind. Es wurden bei Alburnus alburnus keinerlei Hinweise auf heteromorphe Geschlechtschromosomen gefunden. Die molekularen Untersuchungen basierten hauptsächlich auf AFLP-Analysen, mit denen eine B Chromosomen-spezifische Bande entdeckt und isoliert werden konnte. Nach Klonierung und Sequenzierung sowie dem Durchsuchen einer Fischspezifischen Datenbank konnte eine retrotransposable Sequenz (Gypsy/Ty3 LTRRetrotranpson) gefunden werden. Ferner konnte eine deutliche Homologie zu dem Nterminalen Teil der reversen Transkriptase von Medaka, Oryzias latipes, dokumentiert werden. Die Southern blot-Untersuchungen und der PCR-Test zeigten, dass es sich bei der entdeckten 203 bp-Sequenz um eine B Chromosomen- und Alburnus alburnus-spezifische Sequenz handelt, welche hochrepetitiv über die beiden Arme der überzähligen Chromosomen verteilt ist. Der Ursprung und die Funktion der massiven überzähligen Chromosomen blieb offen. Da es aber nach wie vor wenig Information über B Chromosomensequenzen und DNA-Organisation im Allgemeinen und besonders bei Fischen gibt (Mestriner et al., 2000), sind die Ergebnisse dieser Studie für die Aufdeckung des Ursprungs und der Evolution überzähliger Chromosomen von allgemeiner Bedeutung, da sie wohl den Hauptanteil der DNA-Zusammensetzung des größten, bisher unter den Wirbeltieren entdeckten überzähligen Chromosoms darstellen. Die Analyse meiotischer Chromosomen zeigte, dass das B Chromosom in der Diakinese als selbstpaarendes Ringchromosom vorliegt. Zusammenfassung und Ausblick 101 Mittels durchflußzytophotometrischer DNA-Messungen konnte der Beitrag des außerordentlich großen B Chromosoms zum Gesamt-DNA-Gehalt von A. alburnus bestimmt werden und Fische auf das Vorhandensein des überzähligen Chromosoms, allerdings unter Tötung, analysiert werden. Dies kann in Zukunft durch Ausnutzung von Sequenzinformation über das B Chromosom und der damit einhergehenden Konstruktion spezifischer PCR-Primer („minimal-invasiver Flossentest“) vermieden werden. Fische aus unterschiedlichen Populationen, eventuell auch europaweit, können so schnell und zuverlässig auf das Vorhandensein des überzähligen Chromosoms hin untersucht werden, mit dem Zweck, durch künftige Verpaarung der Tiere mit 0, 1 oder 2 B Chromosomen den Vererbungs- bzw. Weitergabemechanismus der überzähligen Chromosomen auf die nächste Generation zu studieren.
N2  - In the cyprinid fish Alburnus alburnus the largest supernumerary chromosomes in vertebrates were found. This enables a detailed cytogenetic and molecular study of these extraordinary genome elements. From Population studies, including different locations in Germany, information about the distribution of the B chromosome polymorphism was gained. Such a study could in the future be extended on other European countries. A detailed cytogenetic analysis with all conventional bright field and fluorescence bandings as well as in situ hybridisation using the 5S, 18S/28S rDNA-probe and the telomere probe shows that the unusually large B chromosomes of A. alburnus are heterochromatic, rich in GC-base pairs and late replicating. No hints to heteromorphic sex chromosomes were found in A. alburnus. The molecular studies were predominately based on AFLP-analyses, with which a B chromosome-specific band was found and isolated. After cloning and sequencing as well as screening a fishspecific database a retrotransposable sequence (Gypsy/Ty3 LTR-retrotransposon) was found. Additionally, a strong homology to the N-terminal part of a reverse transcriptase of medaka, Oryzias latipes, could be documented. Southern blot analyses and a PCR-test demonstrated that the found 203 bp-sequence is B chromosome- and Alburnus alburnus-specific and distributed in a highly repetitive manner on both of the arms of the supernumeray chromosomes. The origin and function of the massive supernumerary chromosomes remains open. Since there is not much information about B chromosome sequences and DNA organisation in general and especially in fishes (Mestriner et al., 2000), the results of this study are of general interest for the detection of the origin and evolution of supernumerary chromosomes, since the results obviously present the major part of the DNA-composition of the largest supernumerary chromosomes, so far found in vertebrates. Analyses of meiotic chromosomes show that the B chromosome behaves as autopaired ring chromosome in diakineses. Using DNA-flow measurements, the contribution of the especially large B chromosome to the DNA content of A. alburnus could be determined and fishes could be analysed on the presence of the supernumerary chromosome, by sacrificing them. This could in future be circumvented by the use of sequence information about the B chromosome and the possibility of constructing special PCR-primers (minimal-invasive fin-test).
KW  - Ukelei
KW  - B-Chromosom
KW  - Cytogenetik
KW  - B Chromosomen
KW  - Alburnus alburnus
KW  - Zytogenetik
KW  - Duchflußzytophotometrie
KW  - B chromosomes
KW  - Alburnus alburnus
KW  - cytogenetics
KW  - flow-cytometry
Y1  - 2003
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-4702
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zhu, Ana Cheng
T1  - Metagenomic analysis of genetic variation in human gut microbial species
T1  - Metagenomische Analysen der genetischen Variationen in menschlichen Darmbakterien
N2  - Microbial species (bacteria and archaea) in the gut are important for human health in various ways. Not only does the species composition vary considerably within the human population, but each individual also appears to have its own strains of a given species. While it is known from studies of bacterial pan-genomes, that genetic variation between strains can differ considerably, such as in Escherichia coli, the extent of genetic variation of strains for abundant gut species has not been surveyed in a natural habitat. This is mainly due to the fact that most of these species cannot be cultured in the laboratory. Genetic variation can range from microscale genomic rearrangements such as small nucleotide polymorphism (SNP) to macroscale large genomic rearrangements like structural variations. Metagenomics offers an alternative solution to study genetic variation in prokaryotes, as it involves DNA sequencing of the whole community directly from the environment. However, most metagenomic studies to date only focus on variation in gene abundance and hence are not able to characterize genetic variation (in terms of presence or absence of SNPs and genes) of gut microbial strains of individuals.
The aim of my doctorate studies was therefore to study the extent of genetic variation in the genomic sequence of gut prokaryotic species and its phenotypic effects based on: (1) the impact of SNP variation in gut bacterial species, by focusing on genes under selective pressure and (2) the gene content variation (as a proxy for structural variation) and their effect on microbial species and the phenotypic traits of their human host.
In the first part of my doctorate studies, I was involved in a project in which we created a catalogue of 10.3 million SNPs in gut prokaryotic species, based on metagenomes. I used this to perform the first SNP-based comparative study of prokaryotic species evolution in a natural habitat. Here, I found that strains of gut microbial species in different individuals evolve at more similar rates than the strains within an individual. In addition, I found that gene evolution can be uncoupled from the evolution of its originating species, and that this could be related to selective pressure such as diet, exemplified by galactokinase gene (galK). Despite the individuality (i.e. uniqueness of each individual within the studied metagenomic dataset) in the SNP profile of the gut microbiota that we found, for most cases it is not possible to link SNPs with phenotypic differences. For this reason I also used gene content as a proxy to study structural variation in metagenomes.
In the second part of my doctorate studies, I developed a methodology to characterize the variability of gene content in gut bacterial species, using metagenomes. My approach is based on gene deletions, and was applied to abundant species (demonstrated using a set of 11 species). The method is sufficiently robust as it captures a similar range of gene content variability as has been detected in completely sequenced genomes. Using this procedure I found individuals differ by an average of 13% in their gene content of gut bacterial strains within the same species. Interestingly no two individuals shared the same gene content across bacterial species. However, this variation corresponds to a lower limit, as it is only accounts for gene deletion and not insertions. This large variation in the gene content of gut strain was found to affect important functions, such as polysaccharide utilization loci (PULs) and capsular polysaccharide synthesis (CPS), which are related with digestion of dietary fibers.
In summary, I have shown that metagenomics based approaches can be robust in characterizing genetic variation in gut bacterial species. I also illustrated, using examples both for SNPs and gene content (galK, PULs and CPS), that this genetic variation can be used to predict the phenotypic characteristics of the microbial species, as well as predicting the phenotype of their human host (for example, their capacity to digest different food components). Overall, the results of my thesis highlight the importance of characterizing the strains in the gut microbiome analogous to the emerging variability and importance of human genomics.
N2  - Mikrobielle Arten (Bakterien und Archaeen) im menschlichen Darm sind wichtige Begleiter für unsere Gesundheit. Jedoch gibt es nicht nur starke Unterschiede zwischen individuellen Wirten in der Artenzusammensetzung des Darmmikrobioms, sondern es scheint sogar Individuen-spezifische Bakterienstämme zu geben. Analysen von Bakterien wie z.B.  Escherichia coli haben schon früh gezeigt, dass die Genome von Bakterienstämmen derselben Art große Unterschiede aufzeigen können; jedoch wurden diese Unterschiede bisher noch nicht in einer natürlichen Umgebung gezeigt. Genetische Variation kann viele Ausprägungen haben und reicht von kleinen Veränderungen wie „small nucleotide polymorphism“ (SNP) zu makroskopischen Veränderung, wie z.B. chromosomalen Restrukturierungen. All diese genetischen Variationen wurden bis jetzt nicht in der natürlichen Umgebung der Bakterien studiert, vorallem bedingt durch fehlende Methoden um die meisten dieser Bakterien um Labor zu kultivieren. Metagenomische Studien können hier helfen, da sie unabhängig von Kultivierungen jegliche DNS aus einer natürlichen Bakteriengemeinschaft untersuchen. Jedoch wurde dies in den meisten bisher veröffentlichten metagenomischen Studien nicht ausgenutzt da diese hauptsächlich auf die Anzahl der gefunden Gene ausgerichtet waren.
Das Ziel meiner Doktorarbeit war es, die genetische Variation in Darmbakterien zu beschreiben und phenotypische Veränderungen zu untersuchen. Dies habe ich umgesetzt durch die Erforschung (1) der SNP-Varianz in Darmbakterien, mit besonderem Augenmerk auf Gene, die unter einem selektivem Druck stehen und (2) der Variationen in der  Genzusammensetzung eines Genomes (als eine Annäherung an strukturelle Variationen) und welchen Effekt dies auf Mikrobenarten und Wirtsphenotypen hat.
Im ersten Kapitel meiner Doktorarbeit beschreibe ich meine Arbeit in einem Projekt unserer Gruppe, in dem wir basierend auf metagenomischen Daten 10 Millionen SNPs in menschlichen Darmbakterien beschrieben haben. Diesen Datensatz habe ich verwendet um die erste SNP-basierte, vergleichende Studie der Bakterienevolution in einem natürlichen Habitat zu realisieren. Ich entdeckte, dass Bakterienstämme unabhängig vom Wirt ähnliche evolutionäre Raten haben. Genauer gesagt, die evolutionäre Rate für eine Art ist stabiler zwischen Wirten, als die von verschiedenen Spezies innerhalb eines Wirtes. Ausserdem fand ich heraus, dass die Evolution von einzelnen Genen unabhängig vom restlichen Genom einer Spezies ist. Dies könnte durch einen Selektionsdruck wie z.B. die Ernährung des Wirtes ausgelöst werden, was ich am Beispiel des Galactokinasegenes (galK) gezeigt habe. Obwohl wir zeigen konnten, dass das SNP-Profil der Darmbakterien spezifisch für den jeweiligen Wirt ist, konnten wir keine Assoziation zwischen SNPs und Wirtsphänotypen finden. Auch aus diesem Grund habe ich mich in meiner weiteren Arbeit verstärkt auf makroskopische Genomvariationen konzentriert.
Im zweiten Teil meiner Doktoarbeit entwickelte ich eine neue Methode, um Variationen in der genomische Zusammensetzung von einzelnen Bakterienarten zu beschreiben, wieder basierend auf metagenomischen Daten. Hierbei fokussiere ich mich insbesondere auf Gene, die in unseren metagenomischen Daten im Verglich zum Referengenom fehlen und wende dies auf die 11 dominantesten Bakterienspezies an. Diese neue Methode ist robust, da die gefundene Genomvarianz in unseren metagenomischen Daten übereinstimmt mit Daten aus komplett sequenzierten Genomen. So konnte ich herausfinden, dass im Durchschnitt 13% der Gene einer Bakterienart zwischen einzelen Wirten varieren. Besonders interessant ist hier, dass wir keine zwei Wirte gefunden haben, die für eine Bakterienart genau diesselben Gene haben. Jedoch ist die erwarte Varianz aller Wahrscheinlichkeit nach noch größer, da ich mit dieser Methode nur fehlende Gene beschreiben kann, aber nicht neu hinzugekommende. Diese Varianz kann auch wichtige bakterielle Funktionen betreffen, z.B. Gene für „polysaccharide utilization loci“ (PULs) und „capsular polysaccharide synthesis“ (CPS), welche wichtig sind um Ballaststoffe in der Nahrung zu verwerten.
Zusammenfassend konnte ich in dieser Arbeit zeigen, dass metagenomische Methoden robust genug sind um die genetische Varianz von Darmbakterien zu beschreiben. Ausserdem konnte ich zeigen, dass die beschriebene Varianz benutzt werden kann, um phenotypische Veränderungen von Bakterien vorherzusagen (demonstriert für die galK, PULs and CPS-Gene). Dies wiederrum könnte benutzt werden um Vorhersagen für den Wirt über z.B. seine Ernährung zu machen. Meine Doktorarbeit zeigt wie wichtig es ist, einzelne Bakterienstämme zu charakterisieren, ganz analog zu der Bedeutsamkeit der genetischen Varianz des menschlichen Genomes.
KW  - metagenomic
KW  - Darmflora
KW  - Metagenom
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-113890
ER  -