TY  - THES
A1  - Kraich, Michael
T1  - Strukturelle und funktionelle Untersuchungen der Interaktion zwischen Ligand und Rezeptor im Interleukin-4- und Interleukin-13-System
T1  - Structural and functional studies of the interaction between ligand and receptor in the interleukin-4 and interleukin-13 system
N2  - Interleukin-4 (IL-4) und Interleukin-13 (IL-13) sind bedeutende Regulatorproteine des Immunsystems. Sie spielen eine entscheidende Rolle bei der Entstehung und dem Verlauf von allergischen Erkrankungen, wie z.B. Asthma. Um ihre Signale in die Zielzelle zu transduzieren, kann von beiden Zytokinen der gleiche Zelloberflächenrezeptor verwendet werden, wodurch sich die überlappenden, biologischen Funktionen erklären lassen. Dieser gemeinsam genutzte Rezeptor ist aus den beiden Untereinheiten IL-4Ralpha; und IL-13Ralpha1 aufgebaut. Da IL-4 und IL-13 auf Aminosäureebene nur etwa 25% Sequenzidentität besitzen und stark unterschiedliche Affinitäten zu den beiden Rezeptorketten besitzen, stellt sich die Frage, durch welchen molekularen Erkennungsmechanismus, die Affinität und die Spezifität der Ligand-Rezeptor-Interaktion unabhängig voneinander reguliert werden kann. In dieser Arbeit gelang es, rekombinante Expressions- und Aufreinigungsstrategien für IL-13 und die extrazellulären Domänen der Rezeptorketten IL-13Ralpha1 und IL-13Ralpha2 zu entwickeln. Dadurch war es mögliche, eine breite Mutations-/Interaktionsanalyse der IL-13Ralpha1-Kette durchzuführen.Es konnte gezeigt werden, dass die N-terminale FnIII-ähnliche Domäne von IL-13Ralpha1 sowohl an der Bindung von IL-13 als auch an der Interaktion mit IL-4 beteiligt ist. Im funktionellen Bindeepitop der IL-13Ralpha1-Kette wurden die Aminosäurereste Arg84, Phe253 und Tyr321 als Hauptbindungsdeterminanten für die Interaktion mit IL-13 identifiziert. Durch die Interaktionsstudien der IL-13Ralpha1-Varianten mit IL-4 wurde gezeigt, dass diese Hauptbindungsdeterminanten auch für die niederaffine Bindung von IL-4 von größter Bedeutung sind. Die funktionellen Bindeepitope für IL-4 und IL-13 auf der IL-13Ralpha1-Kette sind nahezu identisch und überlappen in einem großen Bereich. Aufgrund der Ergebnisse aus der Mutagenesestudie war es möglich, ein Strukturmodell der extrazellulären Domäne der IL-13Ralpha1-Kette zu erstellen. Darin wird eine neuartige Orientierung der N-terminalen FnIII-Domäne und deren Beteiligung an der Ligandeninteraktion dargestellt. Mit Hilfe des Strukturmodells gelang es, neue Aminosäurerest auf der Oberfläche von IL-13 zu identifizieren, die an der Bindung zu IL-13Ralpha1 beteiligt sind, was die Relevanz des Strukturmodells weiter unterstreicht. In einem weiteren Teil dieser Arbeit wurde versucht, den molekularen Mechanismus aufzuklären, durch den es den superagonistischen IL-4-Varianten T13D und F82D gelingt, mit dreifach höherer Affinität an die IL-4Ralpha-Kette zu binden, als wildtypischer Ligand. Durch strukturelle und funktionelle Untersuchungen wurde gezeigt, dass der Affinitätssteigerung ein indirekter Mechanismus zugrunde liegt, bei dem eine Konformationsänderung und die Fixierung der Arg85-Seitenkette von IL-4 zur Ausbildung von zusätzlichen Ligand-Rezeptor-Interaktionen führt. Das Bindeepitop zwischen IL-4 und der IL-4Ralpha-Kette besitzt eine modulare Architektur aus drei unabhängig voneinander agierenden Interaktionsclustern. Bei der Interaktion von wildtypischem IL-4 mit IL-4Ralpha tragen nur zwei dieser Cluster in signifikanter Weise zur freien Bindeenergie bei. Im Falle der superagonistischen IL-4-Varianten ist jedoch auch das dritte Cluster an der Generierung von zusätzlicher, freier Bindeenergie beteiligt, wodurch die Affinität zwischen Ligand und Rezeptor erhöht wird. Damit stellt der modulare Aufbau der Interaktionsfläche zwischen IL-4 und der IL-4Ralpha-Kette möglicherweise einen Mechanismus dar, über den Proteine die Affinität von Wechselwirkungen über einen großen Bereicht variieren können, ohne dabei Spezifität einzubüssen. Da IL-4 und IL-13 als interessante Zielmoleküle für die Therapie von allergischen und asthmatischen Erkrankungen erkannt worden sind, können die in der vorliegenden Arbeit gewonnenen Informationen über den Bindemechanismus und die Einblicke in den molekularen Charakter der Interaktion zwischen den beiden Zytokinen und ihren spezifischen Rezeptorketten dabei helfen, neuartige und hoch spezifische, inhibitorische Moleküle zu entwickeln.
N2  - Interleukin-4 (IL-4) and Interleukin-13 (IL-13) are important regulatory proteins of the immune system. They play a key role in the development and the progression of allergic diseases like asthma. For signal transduction into the target cell, both cytokines can use an identical cell surface receptor, which is an explanation for many overlapping biological functions of IL-4 and IL-13. This common receptor consists of the two subunits IL-4Ralpha and IL-13Ralpha1. Because IL-4 and IL-13 share only 25% sequence identity on the amino acid sequence level and because they show very different affinities to the two receptor chains, the question has to be raised, by which molecular recognition mechanism it is possible to regulate affinity and specificity of the ligand-receptor-interaction independently. In the course of this work recombinant expression and purification strategies for IL-13 and the extracellular domains of IL-13Ralpha1 and IL-13Ralpha2 were established. Therefore it was possible to perform a broad mutagenesis and interaction analysis of the IL-13Ralpha1 chain. It was shown, that the N-terminal FnIII-like domain of IL-13Ralpha1 participates in the binding of IL-13 as well as in the interaction with IL-4. As part of the functional epitope the amino acid residues Arg84, Phe253 and Tyr321 were identified to be main binding determinants for the interaction with IL-13. By carrying out interaction studies with IL-4 it could be demonstrated, that the same residues are also from great importance for the low affinity binding of IL-4. The functional epitopes for the binding of IL-4 and IL-13 are almost identical and are overlapping in a large area. Due to the results of the mutagenesis study it was possible to generate a structural model of the extracellular domain of the IL-13Ralpha1 chain. A key feature of this model is the novel orientation of the N-terminal FnIII-like domain and its involvement in ligand binding. According to the modelled structure new residues in IL-13 could be identified, that participate in the interaction with the IL-13Ralpha1. This further underlines the relevance of the shown structural model of the extracellulardomain of the IL-13Ralpha1 chain. In a different part of this work it was tried to elucidate the molecular mechanism, which enables the super-agonistic IL-4 variants T13D and F82D bind IL-4Ralpha with three times higher affinity than wildtype IL-4. With the help of structural und functional analysis it could be shown, that an indirect mechanism leads to the gain of affinity. A conformational change in and the fixation of the Arg85 side chain in IL-4 result in the formation of additional interactions between ligand and receptor. The binding interface between IL-4 and IL-4Ralpha exhibits a modular architecture consisting of three independently acting interaction clusters. For the binding of wild-type IL-4 to the IL-4Ralpha chain only two of the three clusters contribute a significant amount to the overall free binding energy. In the case of the super-agonistic IL-4 variants all three interaction clusters are used to generate additional free binding energy and to increase the affinity between ligand and receptor. Therefore the modular design of the IL-4/IL-4Ralpha interaction interface probably represents a mechanism, which enables proteins to alter the affinity of interactions over a broad range without loosing specificity. Because IL-4 and IL-13 were discovered as promising targets for the therapy of allergic and asthmatic diseases, the acquired information about the binding mechanism and the molecular characteristics of the interaction between the cytokines IL-4 and IL-13 and their specific receptor chains may help to design novel and highly specific inhibitory molecules.
KW  - Renaturierung <Biochemie>
KW  - Ligand <Biochemie>
KW  - Biochemie
KW  - Interleukin 4
KW  - Interleukin 13
KW  - Interaktion
KW  - Rezeptor
KW  - Immunologie
KW  - Allergie
KW  - Allerg
KW  - Proteinbiochemie
KW  - BIAcore
KW  - Oberflächenplasmonresonanz (SPR)
KW  - Strukturbiologie
KW  - interleukin-4
KW  - interleukin-13
KW  - protein interaction
KW  - BIAcore
KW  - structural biology
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-27655
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schwarz, Roland
T1  - Modellierung von Metabolismus, Transkriptom und Zellentwicklung bei Arabidopsis, Listerien und anderen Organismen
T1  - Modeling of metabolism, transcriptome and cell development in Arabidopsis, Listeria and other organisms
N2  - Im gleichen Maße wie informatisches Wissen mehr und mehr in den wissenschaftlichen Alltag aller Lebenswissenschaften Einzug gehalten hat, hat sich der Schwerpunkt bioinformatischer Forschung in stärker mathematisch und informatisch-orientierte Themengebiete verschoben. Bioinformatik heute ist mehr als die computergestützte Verarbeitung großer Mengen an biologischen Daten, sondern hat einen entscheidenden Fokus auf der Modellierung komplexer biologischer Systeme. Zur Anwendung kommen hierbei insbesondere Theorien aus dem Bereich der Stochastik und Statistik, des maschinellen Lernens und der theoretischen Informatik. In der vorliegenden Dissertation beschreibe ich in Fallstudien die systematische Modellierung biologischer Systeme aus einem informatisch - mathematischen Standpunkt unter Anwendung von Verfahren aus den genannten Teilbereichen und auf unterschiedlichen Ebenen biologischer Abstraktion. Ausgehend von der Sequenzinformation über Transkriptom, Metabolom und deren regulatorischer Interaktion hin zur Modellierung von Populationseffekten werden hierbei aktuelle biologische Fragestellungen mit mathematisch - informatischen Modellen und einer Vielzahl experimenteller Daten kombiniert. Ein besonderer Augenmerk liegt dabei auf dem Vorgang der Modellierung und des Modellbegriffs als solchem im Rahmen moderner bioinformatischer Forschung. Im Detail umfassen die Projekte (mehrere Publikationen) die Entwicklung eines neuen Ansatzes zur Einbettung und Visualisierung von Multiplen Sequenz- und Sequenz-Strukturalignments, illustriert am Beispiel eines Hemagglutininalignments unterschiedlicher H5N1 Varianten, sowie die Modellierung des Transkriptoms von A. thaliana, bei welchem mit Hilfe einer kernelisierten nicht-parametrischen Metaanalyse neue, an der Infektionsabwehr beteiligten, Gene ausfindig gemacht werden konnten. Desweiteren ist uns mit Hilfe unserer Software YANAsquare eine detaillierte Untersuchung des Metabolismus von L. monocytogenes unter Aktivierung des Transkriptionsfaktors prfA gelungen, dessen Vorhersagen durch experimentelle 13C Isotopologstudien belegt werden konnten. In einem Anschlußprojekt war der Zusammenhang zwischen Regulation des Metabolismus durch Regulation der Genexpression und der Fluxverteilung des metabolischen Steady- State-Netzwerks das Ziel. Die Modellierung eines komplexen organismischen Phänotyps, der Zellgrößenentwicklung der Diatomee Pseudo-nitzschia delicatissima, schließt die Untersuchungen ab.
N2  - In the same way that informatical knowledge has made its way into almost all areas of research in the Life Sciences, the focus of bioinformatical research has shifted towards topics originating more in the fields of mathematics and theoretical computer science. Bioinformatics today is more than the computer-driven processing of huge amounts of biological data, but it has a special focus on the emphmodelling of complex biological systems. Of special importance hereby are theories from stochastics and statistics, from the field of machine learning and theoretical computer science. In the following dissertation, I describe the systematic modelling of biological systems from an informatical-mathematical point of view in a case studies approach, applying methods from the aforementioned areas of research and on different levels of biological abstraction. Beginning with the sequence information itself, followed by the transcriptome, metabolome and the interaction of both and finally population effects I show how current biological questions can be tackled with mathematical models and combined with a variety of different experimental datasets. A special focus lies hereby on the procedure of modelling and the concept and notion of a model as such in the framework of bioinformatical research. In more detail, the projects contained the development of a new approach for embedding and visualizing Multiple Sequence and Structure Alignments, which was illustrated using a hemagglutinin alignment from different H5N1 variants as an example. Furthermore we investigated the A. thaliana transcriptome by means of a kernelized non-parametric meta-analysis, thus being able to annotate several new genes as pathogen-defense related. Another major part of this work was the modelling of the metabolic network of L. monocytogenes under activation of the transcription factor prfA, establishing predictions which were later verified by experimental 13C isotopologue studies. Following this project we investigated the relationship between the regulation of metabolism by changes in the cellular genexpression patterns and the flux distributions of the metabolic steady-state network. Modelling of a complex organismal property, the cell size development of the planktonic diatom Pseudo-nitzschia delicatissima concludes this work.
KW  - Bioinformatik
KW  - Würzburg / Universität / Lehrstuhl für Bioinformatik
KW  - Modellierung
KW  - Metabolismus
KW  - Stoffwechsel
KW  - Transkriptom
KW  - Transkriptomanalyse
KW  - bioinformatics
KW  - metabolome
KW  - transcriptome
KW  - modeling
KW  - steady-state
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-27622
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TY  - THES
A1  - Bollazzi Sosa, Leonardo Martin
T1  - Building behaviour and the control of nest climate in Acromyrmex leaf-cutting ants
T1  - Bauverhalten und die Kontrolle des Nestklimas in der Blattschneiderameisen Acromyrmex
N2  - This work was aimed at experimentally studying whether climatic variables act as environmental cues for workers’ building behaviour in leaf-cutting ants of the genus Acromyrmex, and to what extent building responses account for the maintenance of nest climate in a proper range for the inhabiting colony. Specifically, this work presents independent analysis in different Acromyrmex species with disparate ecology and nesting habits, aimed at understanding to what extent: i) temperature and humidity act as cues for workers’ building behaviour, ii) inter- and intraspecific differences in the nesting habits observed in South American Acromyrmex are based on distinct building behaviours and on the variation in regional climate across continent, iii) differences in nest architecture account for the maintenance of nest climate in a proper range for colony members and, iv) climatic variables trigger building responses aimed at controlling short-term changes in nest climate. It is first experimentally shown that soil temperature acts as a cue for workers’ digging behaviour. Acromyrmex lundi workers were observed to respond to both soil temperature as well as its changes, and to decide accordingly where to start or whether to stop digging. The soil temperature range preferred by workers to dig, between 20°C and maximally 30.6°C, matches the range at which colony growth is expected to be maximized. Temperature-sensitive digging might therefore lead to the establishment of the fungus chambers in soil layers with a proper range of temperatures for colony growth. Based on that, it was hypothesized that nest depth in Acromyrmex largely depends on the depth at which this temperature range is located across the soil profile, i.e., the higher the temperature in the superficial soil layers, the deeper the nest location, since soil temperature decreases with increasing depth. A bibliographic survey on nesting habits of 21 South American Acromyrmex species confirmed that the warmer the soil temperature at 50 cm depth throughout the South American continent, the higher the number of species presenting subterranean nests, compared with those inhabiting superficial nests. Temperature-sensitive digging in Acromyrmex would therefore explain the geographical distribution of nesting habits observed for this genus in the South American continent, i.e., subterranean in the northern tropical regions, and superficial in the southern temperate ones. In addition, results showed that Acromyrmex colonies from temperate regions indeed achieve thermoregulatory benefits through the determination of nest depth based on thermoregulatory needs. In sympatrically-occurring colonies of the grass-cutting ant A. heyeri, temperature inside superficial thatched nests was higher, and more suitable for colony growth, than that inside subterranean nests. This temperature surplus was even higher in spring, at the time of production of sexual brood, than in winter or summer. It was demonstrated that such temperature surplus was brought about by the low thermal diffusivity of the nest thatch, which prevents diurnal nest overheating by the incoming solar radiation, and avoids losses of the accumulated daily heat into the cold air during night, thus leading to high average nest temperatures. Although highly advantageous for colonies in terms of nest temperature, the determination of nest depth based on thermoregulatory needs may differentially affect nest ventilation and humidity depending on how nest exposition influences the exchange of nest air with the outside air. For instance, colonies with a superficial nesting habit might benefit from improved nest ventilation, but be at risk of desiccation due to their exposition and the consequent humidity losses into the dry outside air. Results demonstrated that in two Acromyrmex species, short-term regulatory building responses triggered and spatially organized by climatic variables occur, and may counteract undesired changes in internal nest humidity. Workers of the thatching grass-cutting ant A. heyeri, for instance, closed a number of nest-thatch openings as a response to desiccation of the outside air, even at a nest temperature that otherwise triggered the response of opening them so as to reduce nest temperature. In the leaf-cutting ant A. ambiguus, the direction of the airflow inside nest tunnels was shown to act as a cue for spatially guiding the building behaviour of plugging nest entrances. However, workers only responded if the humidity content of the circulating air was low, trading therefore nest ventilation for humidity maintenance.
N2  - Die vorliegende Arbeit untersucht, inwiefern das Bauverhalten von Blattschneiderameisen der Gattung Acromyrmex durch klimatische Variablen beeinflusst wird und dem Erhalt für die Ameisen geeigneter klimatischer Bedingungen dient. Betrachtet werden verschiedene Acromyrmex-Arten, die sich in ihrer Ökologie und ihren Nistgewohnheiten unterscheiden. Ziel ist es zu verstehen, in wie fern: i) Temperatur und Feuchtigkeit als Reize das Bauverhalten der Arbeiterinnen beeinflussen, ii) Unterschiede im Bauverhalten und die regionale Variation des Klimas über den südamerikanischen Kontinent die beobachteten, inter- und intraspezifischen Unterschiede zwischen den Nesttypen südamerikanischer Acromyrmex-Arten erklären, iii) unterschiedliche Nestarchitekturen für die Aufrechterhaltung für die Ameisen geeigneter klimatischer Bedingungen im Nest sorgen, iv) klimatische Variablen Verhaltensweisen auslösen, die der Kontrolle kurzfristiger Änderungen des Nestklimas dienen. Zunächst wird experimentell gezeigt, dass die Bodentemperatur ein Reiz ist, der das Bauverhalten von Ameisen beeinflusst. Es wurde beobachtet, dass Acromyrmex lundi-Arbeiterinnen sowohl auf Temperaturen als auch auf Temperaturänderungen reagieren, und, abhängig von diesen Variablen, über die Aufnahme oder den Abbruch des Grabeverhaltens entscheiden. Der Temperaturbereich im Boden, in dem die Arbeiterinnen zu Graben bevorzugen, also zwischen 20°C und maximal 30.6°C, entspricht dem Temperaturbereich, bei dem ein maximales Koloniewachstum erwartet werden sollte. Zudem legen die Ergebnisse nahe, dass die Orientierung des kollektiven Grabenverhaltens an der Bodentemperatur den Ameisen ermöglicht, Nestkammern in Bodenschichten zu etablieren die geeignete Temperaturbedingungen bieten. Es wird angenommen, dass die Nesttiefe bei Acromyrmex stark davon abhängt, wie tief im Boden geeignete Temperaturbedingungen anzutreffen sind. Je höher die Temperatur in den obersten Bodenschichten, desto tiefer das Nest, denn die Bodentemperatur sinkt mit zunehmender Tiefe. Literaturdaten zu den Nistgewohnheiten von 21 südamerikanischen Acromyrmex-Arten wurden verglichen. Hierbei bestätigte sich, dass über den südamerikanischen Kontinent mit zunehmender, mittlerer Bodentemperatur in einer Tiefe von 50 cm auch der Anteil der Arten zunimmt, die ausschließlich unterirdische Nester bauen im Verhältnis zu den Arten mit Oberflächennestern zunimmt. Temperaturabhängiges Graben würde die geographische Verteilung der Nistgewohnheiten von Acromyrmex in Südamerika erklären: Unterirdische Nester überwiegen in den nördlichen, tropischen Regionen und Oberflächennester in den gemäßigten Regionen im Süden. Zudem konnte gezeigt werden, dass Acromyrmex-Kolonien der gemäßigten Regionen tatsächlich ihre Nesttemperatur durch Anpassung der Nesttiefe an klimatische Bedingungen regulieren. Bei der Grassschneiderameise A. heyeri, bei der Kolonien mit unterirdischen Nestern und solche mit oberflächlichen Hügelnestern sympatrisch vorkommen, war die Temperatur in den Oberflächennestern höher, und für das Koloniewachstum günstiger, als in unterirdischen Nestern. Dieser Temperaturvorteil war im Frühling, der Zeit, in der die Geschlechtstierbrut herangezogen wird, größer als in Winter oder Sommer. Es wurde gezeigt, dass dieser Vorteil durch die niedrige Wärmeleitfähigkeit der Nesthügels bedingt ist. Tagsüber verhindert der Nesthügel zunächst die Überhitzung durch Sonneneinstrahlung, und minimiert dann während der Nacht den Wärmeverlust an die kalte Umgebungsluft. Dies führt zu hohen Durchschnittstemperaturen innerhalb solcher Nester. Neben dem Vorteil, den eine geringe Nesttiefe in diesem Fall für die Temperatur in der Nestkammer bietet, spielen auch weitere Aspekte eine Rolle. Kolonien mit oberflächlichen Nestern profitieren zwar von der vergleichsweise guten Nestventilation, setzen sich dabei aber einem Erhöhten Risiko aus, durch den Verlust von Feuchtigkeit an die Außenluft auszutrocknen. Bei zwei Acromyrmex-Arten zeigen die Ergebnisse das Auftreten regulatorischer Bauaktivität, die, ausgelöst und räumlich organisiert durch klimatische Variablen, einem unerwünschten Feuchtigkeitsverlust innerhalb des Nestes entgegenwirkt. Arbeiterinnen der hügelbauenden Grassschneiderameise A. heyeri verschlossen Öffnungen im Nesthügel als Antwort auf die Austrocknung der Aussenluft, und das selbst bei einer Nesttemperatur, auf die unter anderen Umständen mit der Öffnung derselben zur Reduzierung der Nesttemperatur reagiert worden wäre. Bei der Blattschneiderameise A. ambiguus, die unter bestimmten Bedingungen ihre Tunnel mit Pflanzenmaterial verschließt, wurde gezeigt, dass die Richtung der Luftbewegung in den Nestgängen das Verschließen der Eingänge räumlich beeinflusst. Dennoch reagierten Arbeiteinnen nur, wenn der Feuchtigkeitsgehalt der zirkulierenden Luft niedrig war, sie beschränkten somit die Nestventilation um die Feuchtigkeit aufrecht zu erhalten.
KW  - Verhaltensökologie
KW  - Bauverhalten
KW  - Nestklimas
KW  - Acromyrmex
KW  - Blattschneiderameisen
KW  - Building behaviour
KW  - nest climate
KW  - Acromyrmex
KW  - leaf-cutting ants
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-27610
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TY  - THES
A1  - Berg, Daniela
T1  - Entwicklung von TRAIL-Fusionsproteinen und ihre Wirkung auf Myelomzellen
N2  - 1. Zusammenfassung Lösliche humane TRAIL-Varianten (hTRAIL), die nur die “TNF homology domain” (THD) beinhalten, binden sowohl den TRAILR1 aus auch den TRAILR2, stimulieren jedoch nur den TRAILR1. Nach sekundärem Quervernetzen des Liganden wird dann aber auch der TRAILR2 effektiv aktiviert. Entsprechende murine TRAIL-Varianten (mTRAIL) dagegen zeigen nur eine schwache Rezeptorbindung und sind selbst nach sekundärem Quervernetzen nur wenig aktiv. Interessanterweise kann ein Fusionsprotein aus der THD von mTRAIL und der Trimerisierungsdomäne von Tenascin-C (TNC), das wie mTRAIL selbst auch als Trimer vorligt, effizient an TRAIL-Rezeptoren binden und nach sekundärem Quervernetzen den TRAILR2 gut stimulieren. Weiterhin kann eine mTRAIL-Variante, die neben der THD auch die Stammregion des Moleküls enthält, die die THD von der Transmembrandomäne trennt, nach sekundärem Quervernetzen Apoptose induzieren, jedoch nicht so effektiv wie das TNC-mTRAILFusionsprotein. Die spezifische Bioaktivität der humanen TRAIL-Varianten wird gleichfalls, wenn auch weniger stark, durch Fusion mit der Tenascin-C-Trimerisierungsdomäne gesteigert. Die Fixierung des N-Terminus der THD, die hier durch die TNCDomäne sonst jedoch durch die Stamm- oder Transmembrandomäne gewährleistet wird, könnte demnach für mTRAIL für eine gute Rezeptorbindung und effektive Apoptoseinduktion nötig sein. Dies deutet auf eine bisher nicht erkannte Rolle der Stammregion für die Aktivität dieser Liganden hin und bietet die Möglichkeit, rekombinante lösliche Liganden der TNF-Familie mit erhöhter Aktivität zu generieren. Die TRAIL-induzierte Apoptose kann für die Behandlung von Tumorzellen nützlich sein. Es wurde jedoch kürzlich gezeigt, dass TRAIL neben Apoptose auch proinflammatorische, d. h. potentiell tumorfördernde Signalwege, insbesondere in apoptoseresistenten Zellen induzieren kann. Im Folgenden sollte untersucht werden, inwiefern TRAIL solche Signalwege in Myelomzellen stimuliert. Oligomerisiertes TRAIL kann bei allen analysierten Zelllinien Caspasen aktivieren und Apoptose induzieren. Werden die Zelllinien mit dem pan-Caspaseinhibitor ZVAD behandelt, kann die Caspase- Aktivierung bei allen Zellen blockiert werden, die Apoptoseinduktion jedoch nur bei zwei Zelllinien. Im Gegensatz dazu schützt ZVAD drei andere Myelomzelllinien nur partiell vor der TRAIL-induzierten Apoptose. Dies zeigt, dass TRAIL in Myelomzellen auch caspaseunabhängigen Zelltod induzieren kann. TRAIL induziert in den Myelomzellen auch proinflammatorische Signalwege wie den NF&#1082;B-, den JNK-, den p38- und den p42/44-Signalweg. Die Stimulation des JNK- und des p38-Signalwegs erwies sich hierbei in zelltypspezifischer Weise caspaseabhängig, die Aktivierung des NF&#1082;B- und p42/44-Signalwegs immer als caspaseunabhängig. Zusammenfassend geht aus diesen Ergebnissen hervor, dass zur Behandlung des multiplen Myeloms, TRAIL in Kombination mit anti-inflammatorisch wirkenden Mitteln eingesetzt werden sollte, insbesondere um mögliche proinflammatorische Nebenwirkungen durch TRAIL zu minimieren.
N2  - 2. Summary Variants of soluble human TRAIL (hTRAIL), encompassing solely the TNF-homology domain (THD), interact with TRAILR1 and TRAILR2, but they only stimulate TRAILR1 robustly. After crosslinking however, these ligands are also able to activate TRAILR2. Contrarily, the corresponding murine TRAIL variants poorly bind and activate their receptors even after crosslinking. Interestingly, a fusion protein consisting of the THD of mTRAIL and the trimerization domain of Tenascin-C (TNC) shows an effictive receptor binding and TRAILR2 activation after crosslinking. A variant of mTRAIL that not only contains the THD, but also the the stalk region, which seperates the transmembranedomain from the THD, does also induce apoptosis after crosslinking, but not as effective as the TNC-mTRAIL fusionprotein. The activity of soluble human TRAIL variants is also enhanced after fusion with TNC. It seems that especially for mTRAIL the spatial fixation of the THD by TNC is necessary for proper receptor binding and activation. This spatial fixiation is otherwise ensured by the stalk region or the transmembrane-domain. So the stalk region has unanticipated functions for the activity of the TNF ligands. Moreover, there is now an option to generate soluble ligands of the TNF-family with improved activity. TRAIL-induced apoptosis could be applied in the treatment of tumor cells. However, it was shown that TRAIL cannot only induce apoptosis, but also activates proinflammatory potentially tumor promoting pathways, especially in apoptosis resistant cells. Therefore, the ability of TRAIL to activate such pathways in myeloma cells was analyzed. Oligomerized TRAIL induces apoptosis and caspase activation in all analyzed myeloma cells. In experiments with the pan-caspase inhibitor ZVAD caspase acitvation could be blocked in all cell lines, but apoptosis could be blocked only in two cell lines. Three other myeloma cell lines were only marginally rescued from apoptosis. Therefore, TRAIL can also induce caspase independent cell death in myeloma cells. Beside apoptosis TRAIL also stimulates proinflammatory pathways like the NF&#1082;B-, the JNK, the p38- and the p42/44- pathway. Thereby, the activation of the NF&#1082;B- and p42/44-pathways is always caspase-dependent, but the induction of the p38- and JNKpathways is cell type specifically caspase-dependent. Thus, taken together for myeloma therapy TRAIL should be used in combination with anti-proinflammatory drugs to avoid potential side effects related to the proinflammatory properties of TRAIL.
KW  - TRAIL
KW  - Myelom
KW  - Apoptose
KW  - TRAIL
KW  - multiple myeloma
KW  - apoptosis
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-27430
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TY  - THES
A1  - Froese, Alexander
T1  - The Popeye domain containing gene 2 (Popdc2): Generation and functional characterization of a null mutant in mice and promoter analysis
T1  - Das Popeye domain containing 2 (Popdc2) Gen : Herstellung und  funktionelle Charakterisierung einer Nullmutante in Mäusen und die Analyse des Promoters
N2  - In the present study a knockout mouse model of the Popeye domain containing gene 2 (Popdc2) was generated and functionally characterized. The Popdc2 null mutants were viable with an apparent normal life span. ß-galactosidase staining to visualize the expression of the Popdc2-LacZ transgene revealed the presence of the Popdc2 in heart, bladder, smooth and skeletal muscles. In the heart LacZ was found to be present in cardiac myocytes with elevated levels in the myocytes of the cardiac conduction system. Holter ECGs records of the heart function of the 8 months (but not in 3 and 6 months) old mutant and WT littermates revealed a pronounced sinus bradycardia in the mutant mice in response to three different stress regimens: isoproterenol infusion, mental stress and a physical exercise. Histological examination of the Popdc2 null mutants SAN revealed structural alterations as was detected by HCN4 staining. Moreover, volume measurements using 3-D reconstructions of serial sections stained with HCN4 antibody revealed a volume reduction of about 30% in the mutant SAN. Taken together data presented in this study suggest that the Popdc2 KO mouse line may serve as an animal model of human sick sinus syndrome. In the second part of this thesis the Popdc2 gene promoter was analyzed. Three transcription factors binding sites were predicted in the promoter region and characterized.
N2  - Im Vordergrund dieser Arbeit stand die Generierung und Analyse der Popdc2 Knockout Maus. Die Expression des Popdc2-LacZ Konstruktes war vorwiegend im Herz, der Blase, sowie in der glatten und Skelett Muskulatur detektierbar/sichtbar. Der Herzrhythmus 8 Monate alter Popdc2 Mutanten und WT Nachkommen wurde anhand von Elektrokardiogrammen (EKGs) untersucht. Bei dieser Analyse wurden die Mäuse verschiedenen Stresssituationen ausgesetzt, d.h. Injektion von Isoproterenol, mentaler bzw. physikal. Stress. Die Aufzeichnung der EKG-Kurve erfolgte direkt nach der Stressinduktion über eine Zeitspanne von 6 Minuten. Es konnte gezeigt werden, dass die Mäuse eine ausgeprägte Sinus Bradykardie entwickelten. Anhand histologischer Schnitte 8 Monate alter Popdc2 KO SAN Mäuse konnten strukturelle Veränderungen im Vergleich zum WT aufgedeckt werden. Auf der Grundlage serieller Schnitte, gefärbt mit HCN4 Antikörper, wurden 3D-Rekonstruktionen erzeugt. Dabei stellte sich heraus, dass das Volumen des SAN in Popdc2 Mutante um 30% gegenüber dem Wildtyp verringert ist. Auf Grund der hier vorgestellten Daten scheint die Popdc2 KO Maus ein nützliches Tiermodell im Hinblick auf menschl. Sinus-Erkrankungen zu sein. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Popdc2 Promotor Analyse. In Promotorregion konnten drei Bindungsstellen für Transkriptionsfaktoren charakterisiert werden. Um weitere Faktoren, die eine Rolle bei der Popdc2 Genregulation spielen könnten, zu identifizieren sind weiterführende Studien unerlässlich.
KW  - Herz
KW  - Herzrhythmusstörung
KW  - Transgene Tiere
KW  - Popdc2
KW  - KO Mäuse
KW  - Bradikardia
KW  - Popdc2
KW  - KO mice
KW  - Heart
KW  - Bradycardia
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-26473
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TY  - THES
A1  - Drechsler, Patrick Hans
T1  - Mechanics of adhesion and friction in stick insects and tree frogs
T1  - Mechanik der Adhäsion und Reibung von Stabheuschrecken und Baumfröschen
N2  - Many arthropods and vertebrates can cling to surfaces using adhesive pads on their legs. These pads are either smooth and characterised by a specialised, soft cuticle or they are hairy, i.e. densely covered with flexible adhesive setae. Animals climbing with adhesive organs are able to control attachment and detachment dynamically while running. The detailed mechanisms of how tarsal pads generate adhesive and frictional forces and how forces are controlled during locomotion are still largely unclear. The aim of this study was to clarify the attachment mechanism of smooth adhesive pads as present in many insects and tree frogs. To understand the function of these fluid-based adhesive systems, I characterized their performance under standardized conditions. To this end, experiments were conducted by simultaneously measuring adhesion, friction, and contact area in single adhesive pads. The first result of this study showed that friction in stick insect attachment pads is anisotropic: Attachment pads regularly detached when slid away from the body. Further analyses of "immobilized" arolia revealed that this anisotropy is not caused by an increased shear stress in the proximal direction, but by the instability of the tarsus when pushed distally. In the second part of this study, I analysed the role of the pad secretion present in insects and tree frogs. In stick insects, shear stress was largely independent of normal force and increased with velocity, seemingly consistent with the viscosity effect of a continuous fluid film. However, measurements of the remaining force two minutes after a sliding movement showed that adhesive pads could sustain considerable static friction in insects and tree frogs. Repeated sliding movements and multiple consecutive pull-offs of stick insect single legs to deplete adhesive secretion showed that on a smooth surface, friction and adhesion strongly increased with decreasing amount of fluid in insects. In contrast, stick insect pull-off forces significantly decreased on a rough substrate. Thus, the secretion does not generally increase attachment but does so only on rough substrates, where it helps to maximize contact area. When slides with stick insect arolia were repeated at one position so that secretion could accumulate, sliding shear stress decreased but static friction remained clearly present. This suggests that static friction in stick insects, which is biologically important to prevent sliding, is based on non-Newtonian properties of the adhesive emulsion rather than on a direct contact between the cuticle and the substrate. % Analogous measurements in toe pads of tree frogs showed that they are also able to generate static friction, even though their pads are wetted by mucus. In contrast to the mechanism proposed for insects, static friction in tree frogs apparently results from the very close contact of toe pads to the substrate and boundary lubrication. In the last section of this study, I investigated adhesive forces and the mode of detachment by performing pull-off measurements at different velocities and preloads. These experiments showed that preload has only an increasing effect on adhesion for faster pull-offs. This can be explained by the viscoelastic material properties of the stick insect arolium, which introduce a strong rate-dependence of detachment. During fast pull-offs, forces can spread over the complete area of contact, leading to forces scaling with area. In contrast, the pad material has sufficient time to withdraw elastically and peel during slow detachments. Under these conditions the adhesive force will concentrate on the circumference of the contact area, therefore scaling with a length, supporting models such as the peeling theory. The scaling of single-pad forces supported these conclusions, but large variation between pads of different stick insects did not allow statistically significant conclusions. In contrast, when detachment forces were quantified for whole insects using a centrifuge, forces scaled with pad contact area and not with length.
N2  - Viele Arthropoden und Vertebraten können sich mit Hilfe tarsaler Haftorgane an Oberflächen festhalten. Diese Organe sind entweder glatt, mit einer spezialisierten, weichen Cuticula oder haarig, d.h. dicht besetzt mit mikroskopisch kleinen, biegsamen Hafthaaren. Mit Haftorganen kletternde Tiere können während des Laufens Haftkräfte dynamisch kontrollieren. Die genaueren Mechanismen, mit denen Adhäsions- und Reibungskräfte erzeugt werden und mit denen die Kräfte während des Laufens schnell kontrolliert werden können, sind allerdings noch immer weitgehend unklar. Das Ziel dieser Arbeit war es, den Haftmechanismus von glatten Haftorganen bei Insekten und Baumfröschen näher aufzuklären. Um die Funktion dieser flüssigkeitsbasierten Haftsysteme zu verstehen, charakterisierte ich ihr Adhäsions- und Reibungsverhalten unter standardisierten Bedingungen. Dazu führte ich Experimente an einzelnen Haftorganen durch, bei denen ich gleichzeitig Adhäsion, Reibung, und Kontaktfläche erfasste. Das erste Ergebnis dieser Arbeit war, dass die Reibung von Insektenhaftorganen von der Bewegungsrichtung abhängt. Ein Haftorgan, das vom Körper weg bewegt wird (distale Richtung), löst sich meist von der Oberfläche ab. Weitere Untersuchungen an Haftorganen bei fixiertem Tarsus zeigten, dass die Richtungsabhängigkeit nicht durch eine erhöhte Scherspannung in der proximalen Richtung hervorgerufen wird, sondern durch die Instabilität des Tarsus, wenn der Fuß vom Körper weg bewegt wird. Im zweiten Teil der Arbeit untersuchte ich die Rolle des Haftsekrets bei Stabheuschrecken und Baumfröschen. Bei Stabheuschrecken war die Scherspannung unabhängig von der Normalkraft und nahm mit der Bewegungsgeschwindigkeit zu, scheinbar in Einklang mit der viskosen Reibung eines durchgehenden Flüssigkeitsfilms. Jedoch ergaben Scherspannungsmessungen bei Stabheuschrecken und Fröschen selbst zwei Minuten nach einer Gleitbewegung ein beträchtliches Maß an statischer "Rest"-Reibung. Um den Einfluss geringer werdender Haftflüssigkeit zu untersuchen, wurden wiederholte Gleitversuche sowie aufeinanderfolgende Ablöseversuche auf glatten Oberflächen durchgeführt. Diese Experimente zeigten, dass sowohl die Reibungs- als auch die Adhäsionskraft mit abnehmender Flüssigkeitsmenge anstieg. Im Gegensatz hierzu nahm die Adhäsionskraft auf rauen Oberflächen mit abnehmender Haftflüssigkeitsmenge ab. Demzufolge führte die Haftflüssigkeit nur auf rauen Oberflächen zu einer Vergrößerung der Kontaktfläche und zu einer Erhöhung der Adhäsionskraft. Reibungskräfte auf glatten Oberflächen wurden bei Stabheuschrecken umso geringer, je häufiger Reibungsversuche an ein und der selben Stelle durchgeführt wurden (um die Menge an Haftflüssigkeit zu erhöhen). Dennoch blieb immer eine statische Reibung vorhanden. Das Vorhandensein von statischer Reibung ist biologisch wichtig um das unfreiwillige Ausrutschen zu verhindern. Meine Ergebnisse weisen darauf hin, dass die Haftreibung bei Insekten nicht auf direkte Kontakte zwischen Cuticula und Untergrund zurückzuführen ist, sondern auf die (scherverdünnende) nicht-Newtonschen Eigenschaften des zweiphasigen Haftsekrets. Analoge Messungen an Haftzehen von Baumfröschen zeigten, dass auch diese statische Reibungskräfte erzeugen können, obwohl sie von einem flüssigen Schleim benetzt sind. Im Gegensatz zu dem bei Insekten gefundenen Mechanismus, entsteht bei Fröschen die statische Reibung wahrscheinlich durch Trockenreibung und den sehr nahen Kontakt zur Oberfläche. Im letzten Teil dieser Arbeit untersuchte ich Adhäsionskräfte und den Ablösevorgang durch Haftkraftmessungen bei verschiedenen Geschwindigkeiten und Normalkräften. Diese Experimente zeigten, dass die Normalkraft nur bei schnellem Ablösen zu höheren Adhäsionskräften führt. Dies ist durch die viskoelastischen Materialeigenschaften der Stabheuschrecken-Arolien erklärbar, die zu einer starken Geschwindigkeitsabhängigkeit des Ablösevorgangs führen. Bei schnellem Ablösen breiten sich die Kräfte über die gesamte Kontaktzone aus, was zu einer Flächenskalierung der Adhäsion führt. Im Gegensatz dazu hat das Haftorgan bei einem langsamen Ablöseprozess genügend Zeit, sich elastisch zurückzuziehen und abzuschälen. Unter diesen Bedingungen konzentriert sich die Kraft am Rand der Kontaktzone, wodurch die Adhäsionskräfte mit einer Länge skalieren, wie z.B. von der "peeling" Theorie vorhergesagt. Die Skalierung von Einzelbein-Haftkräften bestätigte diese Schlußfolgerungen, aber die starke Variation zwischen verschiedenen Stabheuschrecken erlaubte es nicht, diese statistisch abzusichern. Im Gegensatz dazu zeigten die Haftkräfte ganzer Insekten, welche mit Hilfe einer Zentrifuge gemessen wurden, eine deutliche Flächenskalierung.
KW  - Biomechanik
KW  - Adhäsion
KW  - Flüssigkeitsreibung
KW  - Reibung
KW  - Frosch
KW  - Insekten
KW  - Carausius morosus
KW  - Haftung
KW  - Schubspannung
KW  - Emulsion
KW  - Schälen
KW  - Haftmechanismen
KW  - Haftorgane
KW  - Haftflüssigkeit
KW  - Litoria caerulea
KW  - Scherspannung
KW  - Wet adhesion model
KW  - biomechanics
KW  - adhesion
KW  - friction
KW  - attachment structure
KW  - adhesive fluid
KW  - wet adhesion
KW  - shear stress
KW  - emulsion
KW  - attachment devices
KW  - peeling
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-26836
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kleinhenz, Marco
T1  - Wärmeübertragung im Brutbereich der Honigbiene (Apis mellifera)
T1  - Heat transfer in the brood area of honeybees (Apis mellifera)
N2  - In dieser Arbeit untersuche ich das Verhalten von Arbeiterbienen beim Brutwärmen, die Wärmeübertragung von den Bienen auf die gedeckelte Brut, die thermophysikalischen Eigenschaften des Brutnests und spezielle Aspekte des Brutnestaufbaus, die für dieses Thema relevant sind und bisher nicht untersucht wurden. Meine Arbeit umfasst Verhaltensbeobachtungen und thermografische Messungen an individuellen Bienen, die Simulation des Heizverhaltens von Arbeiterinnen und das Messen der Temperaturänderungen in der Wabe, die Messung der thermophysikalischen Eigenschaften der Brutwabe und der Zellwände (Wärmeleitfähigkeit und Durchlässigkeit für Wärmestrahlung), die Auswertung von Brutzelltemperaturen als Ergebnis des Verhaltens von Arbeiterbienen, die Analyse der Anzahl und der räumlichen Verteilung von Brutlücken (Auswertung in 2-D und 3-D bezüglich beider Wabenseiten) und die Entwicklung spezifischer Computersoftware, die zur Erarbeitung dieser Ergebnisse unverzichtbar ist. Ein wichtiges Ergebnis dieser Arbeit ist die Entdeckung und Beschreibung eines bemerkenswerten, bislang unbekannten Verhaltens der Honigbiene: Die Aufrechterhaltung hoher Thoraxtemperaturen (TTh) bei Langzeitbesuchen in offenen Zellen („Lücken“) die verstreut in der gedeckelten Brutfläche vorkommen. Hier zeige ich, dass die Aufrechterhaltung der hohen TTh nicht auf den Zellinhalt (z. B. offene Brut) bezogen ist - in den meisten Fällen waren die besuchten Zellen ohnehin leer - sondern auf die direkt benachbarte gedeckelte Brut, mit der diese Zellen über gemeinsame Zellwände in Kontakt stehen. Dieses Verhalten liefert eine Erklärung für Langzeitzellbesuche von sehr langer Dauer ohne erkennbare Aktivität, die in früheren Arbeiten beschrieben aber nicht völlig verstanden wurden, und es rehabilitiert die scheinbar „faulen“ Bienen im Zellinnern. Diesem Verhalten kommt eine große Bedeutung für das Brutwärmen zu, da sich der aufgeheizte Thorax tief in der Wabe (fast an der Mittelwand) befindet wo der Wärmeverlust an die Luft minimiert ist und von wo bis zu 6 umliegende Puppenzellen gleichzeitig gewärmt werden können. Im Vergleich zum Brutwärmeverhalten an der Wabenoberfläche (Andrücken des Thorax an die Brutdeckel), wo nur 1 oder Teile von 3 Brutdeckeln mit dem Thorax in Berührung stehen, ist das Wärmen im Zellinnern mit derselben TTh bis zu 2,6-fach effizienter. Die Messung der thermophysikalischen Eigenschaften der Brutwabe und die Simulation des Brutwärmeverhaltens unter kontrollierten Bedingungen zeigen, dass sich die Wabe langsam aufwärmt und eher ein lokal begrenztes Wärmen als eine rasche Wärmeausbreitung über eine große Fläche begünstigt. Der Einflussbereich eines einzelnen Zellbesuchers hängt von seiner TTh und der Dauer des Zellbesuchs ab. Anstiege der Bruttemperatur in bis zu 3 Zellen Abstand zum Zellbesucher sind nachweisbar. Das hier beschriebene Brutwärmeverhalten im Innern von Lücken (offenen Zellen) bietet nicht nur neue Einsichten in das Bienenverhalten. Es ermöglicht auch eine Neubewertung der Lücken und ihrer Nützlichkeit für die Bienen. Eine von mir entwickelte Computersoftware („CombUse 2.0“) ermöglicht es, das Vorkommen und die räumliche Verteilung von Lücken mit hoher Genauigkeit auf der Ebene einzelner Zellen zu erfassen und auszuwerten. Die räumliche Verteilung der Lücken in der gedeckelten Brutfläche zeigt, dass schon bei geringen Lückenhäufigkeiten von ca. 4 bis 10 %, die in gesunden Kolonien normal sind, eine überraschend große Zahl gedeckelter Brutzellen (88 % bis 99 %, wenn die dreidimensionale Verteilung berücksichtigt wird) im Einflussbereich von Brut wärmenden Zellbesuchern sind. Obwohl das Brutwärmeverhalten im Zellinnern schwer zu entdecken und zu beobachten ist, führen die in dieser Arbeit präsentierten Daten zu dem Schluss, dass es sich dabei um einen wichtigen Bestandteil der Nestklimatisierung bei Honigbienen handelt.
N2  - In this thesis I investigate the behaviour of worker bees while incubating brood, heat transfer from bees to the sealed brood, the thermophysical properties of the brood nest and special aspects of brood nest architecture that are relevant for this topic but have not been investigated so far. My work comprises behavioural observations and thermographic measurements of individual bees, simulation of worker bees’ heating behaviour and measurement of temperature changes within the brood comb, the measurement of thermophysical properties of the brood comb and cell walls (thermal conductivity and transmission of thermal radiation), the analysis of brood cell temperatures as a result of the behaviour of worker bees, the analysis of the number and spatial distribution of brood gaps (analysis in 2-D and 3-D with regard to both sides of a comb) and the engineering of specific computer software which was indispensable to achieve these results. One major result of this work is the discovery and description of a very remarkable, hitherto unknown behaviour of the honeybee: the maintenance of high thorax temperatures (TTh) during long-time visits to open cells (“gaps”) which are scattered at low rates among the sealed brood. Here I show that the maintenance of high TTh is not related to the contents of the visited cells (anyway, they were empty in most cases) but to the presence of sealed brood which is directly adjacent to and sharing common cell walls with the visited cell. The discovery of this behaviour casts a positive light on apparently “lazy” bees and provides an explanation for long-time cell-visits with durations of several ten minutes which were described but not fully understood in earlier works by other authors. Moreover, this behaviour is of high relevance for brood incubation itself because the heated thorax is deep in the comb (almost down to the middle wall) where heat loss to the air is minimized and where up to 6 surrounding pupa cells can be warmed simultaneously. In comparison to specific brood incubation behaviour on the comb surface (pressing the thorax onto the brood caps), where only one or parts of three brood caps may be in touch with a heated thorax, heating inside cells with the same TTh is up to 2,6 times more efficient. The measurement of thermophysical properties of the brood comb and the simulation of worker heating under controlled conditions show that the comb warms up slowly and supports local heating rather than a rapid spread of heat all over the area. The radius-of-influence of a single cell visitor depends on its TTh and on the duration of the cell visit. Increases of brood temperature as far as three cells away from the cell visitor may be detected. The brood incubation behaviour via gaps (i.e. open cells) which I describe in this work does not only give new insights into bee behaviour. It also allows a reconsideration of the gaps them¬selves and their usefulness to the bees. A specific computer software (“CombUse 2.0”) which I developed for this work allowed me to register and analyze the spatial distribution of gaps with high precision on the level of cells, in contrast to rough estimations of brood areas and gap numbers which are commonly used in bee-breeding and population assessments. The analysis of the spatial distribution of gaps in the sealed brood area shows that even at small proportions of gaps (ca. 4 to 10 %, common to healthy colonies), a surprisingly large number (88 % to 99 %, if the three-dimensional distribution of gaps is considered) of sealed brood cells is within the reach of brood incubating worker bees visiting these gaps. Although brood incubation behaviour inside cells is very difficult to detect and observe, the data presented in this work strongly suggest that heating inside cells is an important part of nest climate control and other aspects of social life in honeybee colonies.
KW  - Biene <Gattung>
KW  - Bienenzelle
KW  - Carnica-Biene
KW  - Biene
KW  - Bienenbrut
KW  - Thermoregulation
KW  - Wabe
KW  - Verhalten
KW  - honeybee
KW  - behaviour
KW  - thermoregulation
KW  - brood
KW  - comb
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-26866
ER  - 
TY  - THES
A1  - Rister, Jens
T1  - Genetic dissection of peripheral pathways in the visual system of Drosophila
T1  - Genetische Zerlegung peripherer Pfade im visuellen System von Drosophila
N2  - Die visuellen Systeme von Vertebraten und Invertebraten weisen Ähnlichkeiten in den ersten Schritten visueller Informationsverarbeitung auf. Im menschlichen Gehirn werden zum Beispiel die Modalitäten Farbe, Form und Bewegung separat in parallelen neuronalen Pfaden verarbeitet. Dieses grundlegende Merkmal findet sich auch bei der Fliege Drosophila melanogaster, welche eine ähnliche Trennung in farbsensitive und (farbenblinde) bewegungssensitive Pfade aufweist, die durch zwei verschiedene Gruppen von Photorezeptoren (dem R1-6 und dem R7/8 System) determiniert werden. Fliegen haben ein hoch organisiertes visuelles System, welches durch die repetitive, retinotope Organisation von vier Neuropilen charakterisiert ist: Dies sind die Lamina, die Medulla, die Lobula und die Lobulaplatte. Jedes einzelne besteht aus Kolumnen, die denselben Satz von Nervenzellen enthalten. In der Lamina formen Axonbündel von sechs Photorezeptoren R1-6, die auf denselben Bildpunkt blicken, Säulen, die als Cartridges bezeichnet werden. Diese sind die funktionellen visuellen „sampling units“ und sind mit vier Typen von Interneuronen erster Ordnung assoziiert, die von R1-6 den gleichen Input erhalten: L1, L2, L3 und die Amakrinzellen (amc, mit ihrem postsynaptischen Partner T1). Diese stellen parallele Pfade dar, die auf anatomischer Ebene im Detail untersucht wurden; jedoch ist wenig über ihre funktionelle Rolle bei der Verarbeitung für das Verhalten relevanter Information bekannt, z.B. hinsichtlich der Blickstabilisierung, der visuellen Kurskontrolle oder der Fixation von Objekten. Die Verfügbarkeit einer Vielfalt von neurogenetischen Werkzeugen für die Struktur-Funktionsanalyse bei Drosophila ermöglicht es, erste Schritte in Richtung einer genetischen Zerlegung des visuellen Netzwerks zu unternehmen, das Bewegungs- und Positionssehen vermittelt. In diesem Zusammenhang erwies sich die Wahl des Effektors als entscheidend. Überraschenderweise wurde festgestellt, dass das clostridiale Tetanus-Neurotoxin die Photorezeptorsynapsen adulter Drosophila Fliegen nicht blockiert, hingegen irreversible Schäden bei Expression während deren Entwicklung verursacht. Aus diesem Grund wurde das dominant-negative shibire Allel shits1, welches sich als geeigneter erwies, zur Blockierung der Lamina Interneurone verwendet, um die Notwendigkeit der jeweiligen Pfade zu analysieren. Um festzustellen, ob letztere auch hinreichend für das gleiche Verhalten waren, wurde für die umgekehrte Strategie die Tatsache ausgenutzt, daß die Lamina Interneurone Histaminrezeptoren exprimieren, die vom ort Gen kodiert werden. Die spezifische Rettung der ort Funktion in definierten Pfaden im mutanten Hintergrund ermöglichte festzustellen, ob sie für eine bestimmte Funktion hinreichend waren. Diese neurogenetischen Methoden wurden mit der optomotorischen Reaktion und dem objektinduzierten Orientierungsverhalten als Verhaltensmaß kombiniert, um folgende Fragen innerhalb dieser Doktorarbeit zu beantworten: (a) Welche Pfade stellen einen Eingang in elementare Bewegungsdetektoren dar und sind notwendig und/oder hinreichend für die Detektion gerichteter Bewegung? (b) Gibt es Pfade, die spezifisch Reaktionen auf unidirektionale Bewegung vermitteln? (c) Welche Pfade sind notwendig und/oder hinreichend für das objektinduzierte Orientierungsverhalten? Einige grundlegende Eigenschaften des visuellen Netzwerks konnten dabei aufgedeckt werden: Die zwei zentralen Cartridge Pfade, die von den großen Monopolarzellen L1 und L2 repräsentiert werden, haben eine Schlüsselfunktion bei der Bewegungsdetektion. Über ein breites Spektrum von Reizbedingungen hinweg sind die beiden Subsysteme redundant und können Bewegung unabhängig voneinander verarbeiten. Um eine Beeinträchtigung des Systems festzustellen, wenn nur einer der beiden Pfade intakt ist, muß dieses an die Grenzen seiner Leistungsfähigkeit gebracht werden. Bei niedrigem Signal/Rauschverhältnis, d.h. bei geringem Musterkontrast oder geringer Hintergrundbeleuchtung, hat der L2 Pfad eine höhere Sensitivität. Bei mittlerem Musterkontrast sind beide Pfade auf die Verarbeitung unidirektionaler Bewegung in entgegengesetzten Reizrichtungen spezialisiert. Im Gegensatz dazu sind weder der L3, noch der amc/T1 Pfad notwendig oder hinreichend für die Detektion von Bewegungen. Während der erstere Positionsinformation für Orientierungsverhalten zu verarbeiten scheint, nimmt der letztere eine modulatorische Rolle bei mittlerem Kontrast ein. Es stellte sich heraus, daß das Orientierungsverhalten noch robuster als das Bewegungssehen ist und möglicherweise auf einem weniger komplizierten Mechanismus beruht, da dieser keinen nichtlinearen Vergleich der Signale benachbarter visueller „sampling units“ benötigt. Die Fixation von Objekten setzt nicht grundsätzlich das Bewegungssehen voraus, allerdings verbessert die Detektion von Bewegung die Fixation von Landmarken, im besonderen, wenn diese schmal sind oder einen geringen Kontrast aufweisen.
N2  - Vertebrate and invertebrate visual systems exhibit similarities in early stages of visual processing. For instance, in the human brain, the modalities of color, form and motion are separately processed in parallel neuronal pathways. This basic property is also found in the fly Drosophila melanogaster which has a similar division in color- sensitive and (color blind) motion-sensitive pathways that are determined by two distinct subsets of photoreceptors (the R1-6 and the R7/8 system, respectively). Flies have a highly organized visual system that is characterized by its repetitive, retinotopic organization of four neuropils: the lamina, the medulla, the lobula and the lobula plate. Each of these consists of columns which contain the same set of neurons. In the lamina, axon bundles of six photoreceptors R1-6 that are directed towards the same point in space form columnar structures called cartridges. These are the visual sampling units and are associated with four types of first-order interneuron that receive common input from R1-6: L1, L2, L3 and the amacrine cells (amc, together with their postsynaptic partner T1). They constitute parallel pathways that have been studied in detail at the anatomical level. Little is known, however, about their functional role in processing behaviorally relevant information, e.g. for gaze stabilization, visual course control or the fixation of objects. The availability of a variety of neurogenetic tools for structure-function analysis in Drosophila allowed first steps into the genetic dissection of the neuronal circuitry mediating motion and position detection. In this respect, the choice of the effector turned out to be crucial. Surprisingly, it was found that the clostridial tetanus neurotoxin failed to block mature Drosophila photoreceptor synapses, but caused irreversible damage when expressed during their development. Therefore, the dominant-negative shibire allele shits1 which turned out to be better suited was used for blocking lamina interneurons and thereby analyzing the necessity of the respective pathways. To determine whether the latter were also sufficient for the same behavioral task, the inverse strategy was developed, based on the fact that lamina interneurons express histamine receptors encoded by the ort gene. The specific rescue of ort function in defined channels in an otherwise mutant background allowed studying their sufficiency in a given task. Combining these neurogenetic methods with the optomotor response and object induced orientation behavior as behavioral measures, the aim of the present thesis was to answer the following questions: (a) Which pathways feed into elementary motion detectors and which ones are necessary and/or sufficient for the detection of directional motion? (b) Do pathways exist which specifically mediate responses to unidirectional motion? (c) Which pathways are necessary and/or sufficient for object induced orientation behavior? Some basic properties of the visual circuitry were revealed: The two central cartridge pathways, represented by the large monopolar cells L1 and L2, are key players in motion detection. Under a broad range of stimulatory conditions, the two subsystems are redundant and are able to process motion independently of each other. To detect an impairment when only one of the pathways is intact, one has to drive the system to its operational limits. At low signal to noise ratios, i.e. at low pattern contrast or low background illumination, the L2 pathway has a higher sensitivity. At intermediate pattern contrast, both pathways are specialized in mediating responses to unidirectional motion of opposite stimulus direction. In contrast, neither the L3, nor the amc/T1 pathway is necessary or sufficient for motion detection. While the former may provide position information for orientation, the latter has a modulatory role at intermediate pattern contrast. Orientation behavior turned out to be even more robust than motion vision and may utilize a less sophisticated mechanism, as it does not require a nonlinear comparison of signals from neighboring visual sampling units. The position of objects is processed in several redundant pathways, involving both receptor subsystems. The fixation of objects does not generally require motion vision. However, motion detection improves the fixation of landmarks, especially when these are narrow or have a reduced contrast.
KW  - Genetik
KW  - Neurogenetik
KW  - Visuelles System
KW  - Bewegungssehen
KW  - Taufliege
KW  - Lamina
KW  - visual system
KW  - peripheral pathways
KW  - motion vision
KW  - elementary motion detector
KW  - optomotor response
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-25980
ER  -