TY  - JOUR
A1  - Vergho, Daniel
A1  - Kneitz, Susanne
A1  - Rosenwald, Andreas
A1  - Scherer, Charlotte
A1  - Spahn, Martin
A1  - Burger, Maximilian
A1  - Riedmiller, Hubertus
A1  - Kneitz, Burkhard
T1  - Combination of expression levels of miR-21 and miR-126 is associated with cancer-specific survival in clear-cell renal cell carcinoma
N2  - Background

Renal cell carcinoma (RCC) is marked by high mortality rate. To date, no robust risk stratification by clinical or molecular prognosticators of cancer-specific survival (CSS) has been established for early stages. Transcriptional profiling of small non-coding RNA gene products (miRNAs) seems promising for prognostic stratification. The expression of miR-21 and miR-126 was analysed in a large cohort of RCC patients; a combined risk score (CRS)-model was constructed based on expression levels of both miRNAs.

Methods

Expression of miR-21 and miR-126 was evaluated by qRT-PCR in tumour and adjacent non-neoplastic tissue in n = 139 clear cell RCC patients. Relation of miR-21 and miR-126 expression with various clinical parameters was assessed. Parameters were analysed by uni- and multivariate COX regression. A factor derived from the z-score resulting from the COX model was determined for both miRs separately and a combined risk score (CRS) was calculated multiplying the relative expression of miR-21 and miR-126 by this factor. The best fitting COX model was selected by relative goodness-of-fit with the Akaike information criterion (AIC).

Results

RCC with and without miR-21 up- and miR-126 downregulation differed significantly in synchronous metastatic status and CSS. Upregulation of miR-21 and downregulation of miR-126 were independently prognostic. A combined risk score (CRS) based on the expression of both miRs showed high sensitivity and specificity in predicting CSS and prediction was independent from any other clinico-pathological parameter. Association of CRS with CSS was successfully validated in a testing cohort containing patients with high and low risk for progressive disease.

Conclusions

A combined expression level of miR-21 and miR-126 accurately predicted CSS in two independent RCC cohorts and seems feasible for clinical application in assessing prognosis.
KW  - Renal cell carcinoma
KW  - RCC
KW  - Kidney cancer
KW  - miRNA
KW  - miR-21
KW  - miR-126
KW  - Prognosis
KW  - Profiling
KW  - Biomarker
KW  - Tumour markers
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-110061
ER  - 
TY  - THES
A1  - Huber, Annette
T1  - Chlamydial deubiquitinase ChlaDUB1 as regulator of host cell apoptosis and new target for anti-chlamydial therapy
T1  - Die chlamydiale Deubiquitinase ChlaDUB1 als Regulator der Wirtszellapoptose und neue Zielstruktur in der anti-chlamydialen Therapie
N2  - Chlamydia trachomatis is an obligate intracellular pathogen that replicates inside a vacuole, the         so-called inclusion. During replication by a biphasic life-cycle Chlamydia secrete via their type 3 secretion system various effector proteins into the inclusion lumen, the inclusion membrane or the host cell cytosol to form their favored replication niche. Chlamydia-infected cells are highly resistant against apoptosis since the replicative form of Chlamydia is non-infectious and premature cell death would cause complete loss of one Chlamydia generation. The bacteria block apoptosis by preventing mitochondrial outer membrane permeabilization. Various proteins with anti-apoptotic function are enriched in Chlamydia-infected cells such as Mcl-1, cIAP2, Survivin or HIF1α. The accumulation of these proteins is a result of increased gene expression and direct protein stabilization. However, the molecular mechanisms and involved bacterial effector proteins are mostly unknown. 
With this work the molecular mechanisms of Mcl-1 stabilization and the participation of chlamydial factors were investigated. Mcl-1 is a member of the Bcl-2 protein family and has an extremely short half-life causing its permanent ubiquitination and subsequent degradation by the    26S proteasome under normal homeostasis whilst Mcl-1 accumulation results in apoptosis inhibition. It was shown that during C. trachomatis infection Mcl-1 ubiquitination is reduced causing its stabilization albeit no cellular ubiquitin-proteasome-system components are involved in this process. However, C. trachomatis express the two deubiquitinases ChlaDUB1 and ChlaDUB2 which are mostly uncharacterized. With this work the expression profile, subcellular localization, substrates and function of the deubiquitinases were investigated. It was shown that ChlaDUB1 is secreted to the surface of the inclusion where it interacts with Mcl-1 which is accumulated in the proximity of this compartment. By utilization of infection experiments, heterologous expression systems and in vitro experiments a direct interaction of ChlaDUB1 and Mcl-1 was demonstrated. Furthermore, it was shown that Mcl-1 is deubiquitinated by ChlaDUB1 causing its stabilization. During replicative phase of infection, ChlaDUB2 seems to be accumulated in the chlamydial particles. However, ChlaDUB2 substrates could not be identified which would give an indication for the physiological role of ChlaDUB2. 
	Since 2011, a protocol to transform C. trachomatis with artificial plasmid DNA is available. As part of this work the transformation of C. trachomatis with plasmid DNA suitable for the permanent or inducible protein overexpression on a routinely basis was established. In addition, the first targeted homologous recombination into the chlamydial genome to replace the ChlaDUB1 gene by a modified one was performed and validated. The targeted homologous recombination was also used to create a ChlaDUB1 knock-out mutant; however deletion of ChlaDUB1 seems to be lethal for C. trachomatis. Due to the fact that ChlaDUB1-lacking Chlamydia could not be obtained an inhibitor screen was performed and identified CYN312 as a potential ChlaDUB1 inhibitor. Application of CYN312 during infection interfered with chlamydial growth and reduced Mcl-1 quantity in infected cells. Furthermore, CYN312 treated Ctr-infected cells were significantly sensitized for apoptosis. 
Taken together, C. trachomatis secretes the deubiquitinase ChlaDUB1 to the surface of the inclusion where it deubiquitinates Mcl-1 causing its accumulation in infected cells resulting in apoptosis resistance. Application of the ChlaDUB1 inhibitor CYN312 interferes with Mcl-1 stabilization sensitizing infected cells for apoptosis.
N2  - Chlamydia trachomatis ist ein obligat intrazelluläres Bakterium, welches sich in einer Vakuole, der sogenannten Inclusion vermehrt. Chlamydien durchlaufen einen zweiphasigen Entwicklungszyklus während welchem sie zu bestimmten Zeitpunkten der Infektion Effektorproteine mittels ihres Typ 3 Sekretionssystems in das Inclusionslumen, die Inclusionsmembran oder das Wirtszellzytoplasma sekretieren. Durch die Aktivität der Effektorproteine schaffen die Chlamydien die für sie favorisierten Bedingungen. Zusätzlich zeigen infizierte Zellen eine hohe Resistenz gegenüber Apoptose. Ein vorzeitiger Zelltod der Wirtszelle würde zum Verlust einer vollständigen Generation an Chlamydien führen, da die replizierende Form der Chlamydien nicht infektiös ist. Chlamydien hemmen die Wirtszellapoptose indem sie die Permeabilisierung der äußeren Mitochondrienmembran verhindern. Es ist bekannt, dass mehrere anti-apoptotische Proteine wie Mcl-1, cIAP2, Survivin oder HIF1α während der Infektion mit Chlamydien zu bestimmten Zeitpunkten angereichert werden und für die Apoptoseinhibition wichtig sind. Allerdings sind die molekularen Mechanismen sowie die beteiligten bakteriellen Proteine weitestgehend unbekannt. 
Mit dieser Arbeit wurden die molekularen Mechanismen der Mcl-1 Stabilisierung sowie die darin involvierten chlamydialen Proteine untersucht. Mcl-1, ein Mitglied der Bcl-2 Proteinfamilie, ist ein extrem instabiles Protein welches unter normalen Bedingungen permanent ubiquitiniert und vom    26S Proteasom abgebaut wird; eine Anreicherung von Mcl-1 hingegen führt zur Apoptoseinhibierung. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass während der Chlamydieninfektion Mcl-1 weniger ubiquitiniert wird was dessen Stabilisierung zur Folge hat. Es konnte jedoch keine Beteiligung von Komponenten des zellulären Ubiquitin-Proteasom-Systems festgestellt werden. C. trachomatis exprimiert zwei Deubiquitinasen welche weitestgehend uncharakterisiert sind. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war es das Expressionsprofil, die Lokalisierung, Substrate und die Funktion der Deubiquitinasen zu untersuchen. Es konnte gezeigt werden, dass ChlaDUB1 zur Oberfläche der Inclusion sekretiert wird und dort mit Mcl-1 interagiert, welches in diesem Kompartiment angereichert vorliegt. Unter Verwendung von Infektionsmodellen, heterologen Expressionssystemen sowie in vitro Experimenten konnte eine direkte Bindung beider Proteine sowie die spezifische Deubiquitinierung von Mcl-1 durch ChlaDUB1 gezeigt werden. Durch die permanente Deubiquitinierung mittels ChlaDUB1 wird Mcl-1 stabilisiert und im Bereich der Inclusionsoberfläche angereichert. Im Gegensatz zu ChlaDUB1 konnte ChlaDUB2 während der replikativen Phase der Infektion nicht im Zytoplasma sondern lediglich innerhalb der Bakterien detektiert werden. Außerdem konnten bislang keine Substrate für ChlaDUB2 identifiziert werden, welche auf die physiologische Funktion dieses Effektors schließen lassen könnten. 

Seit 2011 ist ein Protokoll für die Transformation von Chlamydien mit artifizieller Plasmid-DNA verfügbar. Als Teil dieser Arbeit wurde die routinemäßige Transformation von Chlamydien mit  Plasmid-DNA zur permanenten und induzierbaren Proteinüberexpression etabliert. Außerdem konnte die erste gezielte homologe Rekombination ins chlamydiale Genom durchgeführt werden. Hierbei wurde das ChlaDUB1-Gen durch eine modifizierte Form ersetzt. Die Herstellung einer ChlaDUB1-Deletionsmutante mittels homologer Rekombination war jedoch nicht erfolgreich, da ChlaDUB1 vermutlich essentiell für C. trachomatis ist. Da ChlaDUB1-defiziente Chlamydien nicht generiert werden konnten, wurde ein Inhibitorscreen durchgeführt und CYN312 als ChlaDUB1-Inhibitor identifiziert. Die Anwendung von CYN312 während Infektionsversuchen zeigte eine deutliche Reduktion des Chlamydienwachstums sowie eine verminderte Mcl-1 Stabilisierung. Als Folge dessen waren Chlamydien-infizierte und mit CYN312 behandelte Zellen signifikant für die Apoptoseinduktion sensibilisiert. 
Mit der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass C. trachomatis die Deubiquitinase ChlaDUB1 während der Infektion an die Oberfläche der Inclusion sekretiert. Dort katalysiert ChlaDUB1 die Deubiquitinierung von Mcl-1 was dessen Anreicherung in infizierten Zellen und somit eine erhöhte Apoptoseresistenz zur Folge hat. Die Verwendung des ChlaDUB1-Inhibitors CYN312 verhindert die  Mcl-1 Stabilisierung und sensibilisiert somit infizierte Zellen für Apoptose.
KW  - Chlamydia trachomatis
KW  - Apoptosis
KW  - Chlamydia trachomatis
KW  - Apoptosis
KW  - secreted effector protein
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-110013
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TY  - THES
A1  - Hondke, Sylvia
T1  - Elucidation of WISP3 function in human mesenchymal stem cells and chondrocytes
T1  - Aufklärung der WISP3 Funktion in humanen mesenchymalen Stammzellen und Chondrozyten
N2  - WISP3 is a member of the CCN family which comprises six members found in the 1990’s: Cysteine-rich,angiogenic inducer 61 (CYR61, CCN1), Connective tissue growth factor (CTGF, CCN2), Nephroblastoma overexpressed (NOV, CNN3) and the Wnt1 inducible signalling pathway protein 1-3 (WISP1-3, CCN4-6).They are involved in the adhesion, migration, mitogenesis, chemotaxis, proliferation, cell survival, angiogenesis, tumorigenesis, and wound healing by the interaction with different integrins and heparan sulfate proteoglycans. Until now the only member correlated to the musculoskeletal autosomal disease Progressive Pseudorheumatoid Dysplasia (PPD) is WISP3. PPD is characterised by normal embryonic development followed by cartilage degradation over time starting around the age of three to eight years. Animal studies in mice exhibited no differences between knock out or overexpression compared to wild type litter mates, thus were not able to reproduce the symptoms observed in PPD patients. Studies in vitro and in vivo revealed a role for WISP3 in antagonising BMP, IGF and Wnt signalling pathways. Since most of the knowledge of WISP3 was gained in epithelial cells, cancer cells or chondrocyte cell lines, we investigated the roll of WISP3 in primary human mesenchymal stem cells (hMSCs) as well as primary chondrocytes.
WISP3 knock down was efficiently established with three short hairpin RNAs in both cell types, displaying a change of morphology followed by a reduction in cell number. Simultaneous treatment with recombinant WISP3 was not enough to rescue the observed phenotype nor increase the endogenous expression of WISP3. We concluded that WISP3 acts as an essential survival factor, where the loss resulted in the passing of cell cycle control points followed by apoptosis. Nevertheless, Annexin V-Cy3 staining and detection of active caspases by Western blot and immunofluorescence staining detected no clear evidence for apoptosis. Furthermore, the gene expression of the death receptors TRAILR1 and TRAILR2,important for the extrinsic activation of apoptosis, remained unchanged during WISP3 mRNA reduction. Autophagy as cause of cell death was also excluded, given that the autophagy marker LC3 A/B demonstrated to be uncleaved in WISP3-deficient hMSCs. To reveal correlated signalling pathways to WISP3 a whole genome expression analyses of WISP3-deficient hMSCs compared to a control (scramble) was performed. Microarray analyses exhibited differentially regulated genes involved in cell cycle control, adhesion, cytoskeleton and cell death. Cell death observed by WISP3 knock down in hMSCs and chondrocytes might be explained by the induction of necroptosis through the BMP/TAK1/RIPK1 signalling axis. Loss of WISP3 allows BMP to bind its receptor activating the Smad 2/3/4 complex which in turn can activate TAK1 as previously demonstrated in epithelial cells. TAK1 is able to block
caspase-dependent apoptosis thereby triggering the assembly of the necrosome resulting in cell death by necroptosis.
Together with its role in cell cycle control and extracellular matrix adhesion, as demonstrated in human mammary epithelial cells, the data supports the role of WISP3 as tumor suppressor and survival factor in cells of the musculoskeletal system as well as epithelial cells.
N2  - WISP3 ist ein Mitglied der CCN-Familie, die aus sechs Familienmitgliedern besteht und in den 1990er Jahren endeckt wurde: Cysteine-rich, angiogenic inducer 61 (CYR61, CCN1), Connective tissue growth factor (CTGF, CCN2), Nephroblastoma overexpressed (NOV, CNN3) und den Wnt1 inducible signalling pathway protein 1-3 (WISP1-3, CCN4-6). Die CCN-Proteine sind durch ihre Interaktion mit verschiede- nen Integrinen und Heparansulfaten involviert in die Regulation der Adhäsion, der Migration, der Mi- togenese, der Chemotaxis, der Proliferation, des Zellüberlebens, der Angiogenese, der Tumorgenese und der Wundheilung. WISP3 ist momentan das einzige Mitglied, das direkt mit einer muskuloskelettalen Erkrankung, der Progressiven Pseudorheumatoiden Dysplasie (PPD), assoziiert wird. PPD ist charakter- isiert durch eine normale embryonale Entwicklung mit fortschreitender Knorpeldegeneration beginnend im Alter von drei bis acht Jahren.
Tierversuche mit knock out oder Überexpression von WISP3 in Mäusen waren nicht in der Lage die Symptome der Erkrankung nachzustellen, da keine Unterschiede im Vergleich zu den Wurfgeschwistern beobachtbar waren.  In vitro  und in vivo  Studien offenbarten eine antagonisierende Rolle für WISP3 im BMP, IGF und Wnt Signalweg.  Da die meisten Informationen über WISP3 jedoch in Epithel- und Krebszellen sowie immortalisierten Chondrozytenzelllinien generiert wurden, untersuchten wir die Rolle von WISP3 in primären humanen mesenchymalen Stammzellen (hMSZs) und primären Chondrozyten. Der WISP3 knock down wurde mit drei short hairpin RNAs in beiden Zelltypen etabliert und wies eine veränderte Zellmorphologie sowie eine reduzierte Zellzahl auf. Knock down mit gleichzeitiger rekombi- nanter WISP3-Behandlung konnte den beobachteten Phänotyp sowie den Zellverlust nicht retten und auch eine Änderung der endogenen Genexpression von WISP3 war nicht zu detektieren. Schlussfolgernd muss WISP3 ein wichtiger Überlebensfaktor sein, dessen Verlust zur Überschreitung von Zellzyklus- Kontrollpunkten führt, was in Apoptose mündet.  Apoptosenachweise wie Annexin V-Cy3 Färbung, Immunfluoreszenzfärbung und Western blot für aktive Caspasen lieferten keine positiven Beweise für diese Form des Zelltodes.	Auch die Genexpression der Todesrezeptoren TRAILR1 und TRAILR2, wichtig für die extrinsische Aktivierung der Apoptose, zeigte kein verändertes Expressionsmuster in WISP3-defizienten hMSZs. Autophagie als Zelltod wurde ebenfalls ausgeschlossen, nachdem im West- ern Blot kein gespaltene Form des Autophagiemarkers LC3 A/B zu detektieren war. Um die Rolle von WISP3 beim Zelltod weiter zu entschlüsseln, wurden Genom-Expressionsanalysen von WISP3-defizienten hMSZs im Vergleich zu Kontroll-hMSZs angefertigt.  Die Analysen ergaben unterschiedlich regulierte Gene vor allem in den Bereichen Zellzyklus-Regulation, Adhäsion, Zytoskelett und Zelltod. Der durch WISP3-Verlust ausgelöste Zelltod kann möglicherweise durch die Aktivierung der Nektroptose über den BMP/TAK1/RIPK1 Signalweg erklärt werden. Es ist bekannt, dass WISP3 BMP4 bindet und so dessen Bindung an den Rezeptor verhindert. Bei WISP3 Verlust bindet BMP4 an seinen Rezeptor und aktiviert den Smad 2/3/4 Komplex der wiederum TAK1 phosphoryliert, wie zuvor in Epithelzellen demonstriert. TAK1 ist in der Lage die Caspase-induzierte Apoptose zu blockieren und auf diese Weise die Bildung des Nekrosomes auszulösen, welches zum Zelluntergang durch Nekroptose führt.
Zusammen mit seiner Rolle in der Zellzyklus-Kontrolle und der extrazellulären Matrixadhäsion, die in humanen Brustepithelialzellen nachgewiesen wurden, unterstützen diese Daten eine Rolle für WISP3 als Tumorsuppressor und Überlebensfaktor in Zellen des Epithel und des muskuloskelettalen Systems.
KW  - Knorpelzelle
KW  - PPD
KW  - mesenchymal stem cells
KW  - cell death
KW  - chondrocytes
KW  - Mesenchymzelle
KW  - Dysplasie
KW  - Genexpression
KW  - Werk
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-109641
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TY  - THES
A1  - Römer, Daniela
T1  - Where and how to build? Influence of social and environmental cues on nest building behavior in leaf-cutting ants
T1  - Wo und wie Bauen? Der Einfluss von sozialen und Umwelt-Hinweisen auf das Nestbauverhalten von Blattschneiderameisen
N2  - This thesis explores the influence of social and environmental cues on the nest building behavior of leaf-cutting ants. Especially, the investigations are aimed at evaluating the mechanisms of nest building and how the nest environment can spatially guide building responses that lead to an adaptive nest architecture.	 The emergence of nest chambers in the nest of the leaf-cutting ant Acromyrmex lundi were evaluated. Rather than excavating nest chambers in advance, at places where workers encounter suitable environmental conditions for brood and fungus rearing, these items have to be present at a site. When presented in the laboratory with a choice between two otherwise identical digging sites, offering suitable environmental conditions, but one containing brood, the workers displayed a higher excavation activity at the site where they encountered the putative content of a chamber. The shape of the excavated cavity was also more round and chamber-like. It is concluded that leaf-cutting ants respond to social cues during nest building. Excavation is a costly process and colonies have to spend a part of their energy stores on nest building, so that regulatory responses for the control of nest excavation are expected to occur. Worker density at the beginning of the digging process influenced digging activity while the presence of in-nest stores did not. Stored brood and fungus did however influence the architecture of the excavated nest, leading to the excavation of larger chambers and smaller tunnels. While self-organized mechanisms appear to be involved in the nest building process, the social cues of the ants’ environment during building clearly influence the nest architecture and lead to an adjustment of the nest size to the current space needs of the colony. Workers secondarily regulated nest size by the opportunistic refilling of unused space with excavated soil pellets. As the ants should provide suitable conditions for brood and fungus rearing, they should show a behavioral response to CO2 concentrations, as the gas is known to hinder fungus respiration. Workers of A. lundi did indeed avoid high CO2-levels for fungus rearing but actually preferred CO2-values in the range encountered close to the soil surface, where this species excavates their nests. However, different CO2-levels did not affect their excavation behavior. While fungus chambers make up part of a leaf-cutting ant nest, most leaf-cutting ants of the genus Atta also spent part of the colony’s energy on excavating large, voluminous chambers for waste disposal, rather than scattering the material aboveground. It is expected that leaf-cutting ants also show environmental preferences for waste management. In experiments Atta laevigata workers preferred deposition in a warm and dry environment and showed no preference for specific CO2-levels. The continued accumulation of waste particles in a waste chamber seems to be based on the use of volatiles. These originate from the waste itself, and seem to be used as an orientation cue by workers relocating the material. The ensuing large accumulation of waste at one site should result in the emergence of more voluminous chambers for waste disposal.
N2  - Diese Arbeit erforscht den Einfluss von sozialen und Umwelt-Hinweisen auf das Nestbauverhalten von Blattschneider-Ameisen. Die Untersuchungen sind besonders darauf gerichtet, die Mechanismen des Nestbaus zu erforschen, und wie die Umgebung des Nestes Bau-Antworten räumlich beeinflussen kann, wodurch eine adaptierte Nestarchitektur entsteht. Die Entstehung von Nestkammern in Nestern der Blattschneiderameise Acromyrmex lundi wurde untersucht. Anstatt Nestkammern im Voraus zu graben, an Orten an denen Arbeiterinnen geeignete Umweltbedingungen für Brut- und Pilzwachstum vorfinden, müssen diese Elemente an dieser Stelle anwesend sein. Wenn Arbeiter im Labor die Wahl hatten, an identischen Grabeorten zu graben, aber ein Grabeort ebenfalls Brut anbot, kam es zu einer höheren Grabeaktivität an dem Ort, an dem der voraussichtliche Inhalt einer Kammer, Brut und Pilz, anwesend war. Die Form des gegrabenen Hohlraumes war außerdem runder und entsprach mehr der einer Kammer. Es wurde geschlussfolgert, dass Blattschneiderameisen auf die Anwesenheit dieser sozialen Hinweise während des Nestbaus reagieren. Graben ist ein kostspieliger Prozess und Kolonien müssen einen Teil ihrer Energiereserven für den Nestbau aufwenden. Daher werden regulatorische Prozesse für die Kontrolle des Nestgrabens erwartet. Die Dichte der Arbeiter zu Beginn des Grabeprozesses beeinflusste die Grabeaktivität, während die Anwesenheit von Brut und Pilz dies nicht taten. Anwesende Brut und Pilz beeinflussten hingegen die Architektur des gegrabenen Nestes und führten zum Graben von größeren Kammern und kleineren Tunneln. Während Mechanismen der Selbst-Organisation am Nestbau-Prozess beteiligt sind, beeinflussen die sozialen Hinweise während des Nest-Baus anscheinend die Nest-Architektur und führen zu einer Anpassung der Nestgröße an die momentanen Ansprüche der Kolonie. Arbeiterinnen regulierten sekundär die Nestgröße, indem sie opportunistisch ungenutzten Platz mit ausgegrabenen Pellets auffüllen. Da die Ameisen Brut und Pilz unter geeigneten Umweltbedingungen entwickeln sollten, sollten sie Verhaltensantworten auf verschiedene CO2 Konzentrationen zeigen, da es bekannt ist, dass das Gas die Atmung des symbiontischen Pilzes negativ beeinflussen kann. Arbeiter vermieden in der Tat 4% CO2, zogen aber Konzentrationen von 1% CO2 vor, wie sie auch in den oberflächennahen Erdschichten vorzufinden sind, in denen die untersuchte Art, Acromyrmex lundi, ihre Nester gräbt. Allerdings beeinflussten höhere CO2 Konzentrationen nicht die Grabeaktivität der Arbeiterinnen. Während die Pilzkammern einen Teil eines Blattschneider-Nestes bilden, so verwenden die meisten Arten der Gattung Atta auch einen Teil der Energie der Kolonie auf das Graben von großen, voluminösen Abfallkammern, anstatt das Material an der Erdoberfläche zu verstreuen. Es wird daher erwartet, dass Blattschneiderameisen während der Abfallentsorgung bestimmte Präferenzen für ihre Umwelt zeigen. In Experimenten präferierten Arbeiterinnen von Atta laevigata eine warme und trockene Umgebung, zeigten jedoch keinerlei Präferenz für die CO2 Konzentration ihrer Umgebung. Die kontinuierliche Anhäufung von Abfallpartikeln in einer Abfallkammer scheint auf der Wahrnehmung von Volatilen zu basieren. Diese scheinen vom Abfall selbst auszugehen und zur Orientierung der abfalltragenden Arbeiterinnen zu dienen. Die darauf erfolgende Anhäufung von Abfall an einem Ort sollte zur Entstehung von großvolumigen Kammern zur Abfallentsorgung führen.
KW  - Nestbau
KW  - nest building
KW  - self-organization
KW  - leaf-cutting ant
KW  - environmental cues
KW  - symbiotic fungus
KW  - Blattschneiderameisen
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-109409
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TY  - THES
A1  - Wolter, Steve
T1  - Single-molecule localization algorithms in super-resolution microscopy
T1  - Einzelmoleküllokalisierungsalgorithmen in der superauflösenden Mikroskopie
N2  - Lokalisationsmikroskopie ist eine Methodenklasse der superauflösenden Fluoreszenzmikroskopie, deren Methoden sich durch stochastische zeitliche Isolation der
Fluoreszenzemission auszeichnen. Das Blinkverhalten von Fluorophoren wird so verändert, dass gleichzeitige Aktivierung von einander nahen Fluorophoren unwahrscheinlich ist. Bekannte okalisationsmikroskopische Methoden umfassen dSTORM, STORM, PALM, FPALM, oder GSDIM.
Lokalisationsmikroskopie ist von hohem biologischem Interesse, weil sie die Auflösung des Fluoreszenzmikroskops bei minimalem technischem Aufwand um eine Größenordnung verbessert.
Der verbundene Rechenaufwand ist allerdings erheblich, da Millionen von Fluoreszenzemissionen einzeln mit Nanometergenauigkeit lokalisiert werden müssen.
Der Rechen- und Implementationsaufwand dieser Auswertung hat die Verbreitung der superauflösenden Mikroskopie lange verzögert.

Diese Arbeit beschreibt meine algorithmische Grundstruktur für die Auswertung lokalisationsmikroskopischer Daten. Die Echtzeitfähigkeit, d.h. eine Auswertegeschwindigkeit oberhalb der Datenaufnahmegeschwindigkeit an normalen Messaufbauten, meines neuartigen und quelloffenen Programms wird demonstriert.
Die Geschwindigkeit wird auf verbrauchermarktgängigen Prozessoren erreicht und dadurch spezialisierte Rechenzentren oder der Einsatz von Grafikkarten vermieden.
Die Berechnung wird mit dem allgemein anerkannten Gaussschen Punktantwortmodell und einem
Rauschmodell auf Basis der größten Poissonschen Wahrscheinlichkeit durchgeführt.

Die algorithmische Grundstruktur wird erweitert, um robuste und optimale Zweifarbenauswertung zu realisieren
und damit korrelative Mikroskopie zwischen verschiedenen Proteinen und Strukturen zu ermöglichen.
Durch den Einsatz von kubischen Basissplines wird die Auswertung von dreidimensionalen Proben vereinfacht und stabilisiert, um präzisem Abbilden von mikrometerdicken Proben näher zu kommen. Das Grenzverhalten von Lokalisationsalgorithmen bei hohen Emissionsdichten wird untersucht.

Abschließend werden Algorithmen für die Anwendung der Lokalisationsmikroskopie auf verbreitete Probleme der Biologie aufgezeigt. Zelluläre Bewegung und Motilität werden anhand der in vitro Bewegung von Myosin-Aktin-Filamenten studiert. Lebendzellbildgebung mit hellen und stabilen organischen Fluorophoren wird mittels SNAP-tag-Fusionsproteinen realisiert. Die Analyse des Aufbaus von Proteinklumpen zeigt, wie Lokalisationsmikroskopie neue quantitative Ansätze jenseits reiner Bildgebung bietet.
N2  - Localization microscopy is a class of super-resolution fluorescence microscopy techniques. Localization microscopy methods are characterized by stochastic temporal isolation of fluorophore emission, i.e., making the fluorophores blink so rapidly that no two are
likely to be photoactive at the same time close to each other. Well-known localization microscopy methods include dSTORM}, STORM, PALM, FPALM, or GSDIM. The biological community has taken great interest in localization microscopy, since it can enhance the resolution of common fluorescence microscopy by an order of magnitude at little experimental cost.
However, localization microscopy has considerable computational cost since millions of individual stochastic emissions must be located with nanometer precision. The computational cost of this evaluation, and the organizational cost of implementing the complex algorithms, has impeded adoption of super-resolution microscopy for a long time.

In this work, I describe my algorithmic framework for evaluating localization microscopy data.
I demonstrate how my novel open-source software achieves real-time data evaluation, i.e., can evaluate data faster than the common experimental setups can capture them.
I show how this speed is attained on standard consumer-grade CPUs, removing the need for computing on expensive clusters or deploying graphics processing units.
The evaluation is performed with the widely accepted Gaussian PSF model and a Poissonian maximum-likelihood noise model.

I extend the computational model to show how robust, optimal two-color evaluation is realized, allowing correlative microscopy between multiple proteins or structures. By employing cubic B-splines, I show how the evaluation of three-dimensional samples can be made simple and robust, taking an important step towards precise imaging of micrometer-thick samples.
I uncover the behavior and limits of localization algorithms in the face of increasing emission densities.

Finally, I show up algorithms to extend localization microscopy to common biological problems.
I investigate cellular movement and motility by considering the in vitro movement of myosin-actin filaments. I show how SNAP-tag fusion proteins enable imaging with bright and stable organic fluorophores in live cells. By analyzing the internal structure of protein clusters, I show how localization microscopy can provide new quantitative approaches beyond pure imaging.
KW  - super-resolution microscopy
KW  - fluorescence
KW  - scientific computing
KW  - dSTORM
KW  - localization microscopy
KW  - PALM
KW  - 3D microscopy
KW  - two-color microscopy
KW  - Fluoreszenzmikroskopie
KW  - Bildauflösung
KW  - Bioinformatik
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-109370
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TY  - THES
A1  - Boyanova, Desislava Veselinova
T1  - Systems biological analysis of the platelet proteome and applications of functional module search in proteome networks
T1  - Systembiologische Analyse des Blutplättchenproteoms und funktionelle Modulsuche in Proteinnetzwerken
N2  - Recent development of proteomic approaches and generation of large-scale proteomic datasets calls for new methods for biological interpretation of the obtained results. Systems biological approaches such as integrated network analysis and functional module search have become an essential part of proteomic investigation. Proteomics is especially applied in anucleate cells such as platelets. The underlying molecular mechanisms of platelet activation and their pharmacological modulation are of immense importance for clinical research. Advances in platelet proteomics have provided a large amount of proteomic data, which has not yet been comprehensively investigated in a systems biological perspective. To this end, I assembled platelet specific data from proteomic and transcriptomic studies by detailed manual curation and worked on the generation of a comprehensive human platelet repository for systems biological analysis of platelets in the functional context of integrated networks (PlateletWeb) (http:/PlateletWeb.bioapps.biozentrum.uni-wuerzburg.de). I also added platelet-specific experimentally validated phosphorylation data and generated kinase predictions for 80% of the newly identified platelet phosphosites. The combination of drug, disease and pathway information with phosphorylation and interaction data makes this database the first integrative platelet platform available for platelet research. PlateletWeb contains more than 5000 platelet proteins, which can also be analyzed and visualized in a network context, allowing identification of all major signaling modules involved in platelet activation and inhibition. Using the wealth of integrated data I performed a series of platelet-specific analyses regarding the platelet proteome, pathways, drug targets and novel platelet phosphorylation events involved in crucial signaling events. I analyzed the statistical enrichment of known pathways for platelet proteins and identified endocytosis as a highly represented pathway in platelets. Further results revealed that highly connected platelet proteins are more often targeted by drugs. Using integrated network analysis offered by PlateletWeb, I analyzed the crucial activation signaling pathway of adenosine diphosphate (ADP), visualizing how the signal flow from receptors to effectors is maintained. My work on integrin inside-out signaling was also based on the integrated network approach and examined new platelet-specific phosphorylation sites and their regulation using kinase predictions. I generated hypothesis on integrin signaling, by investigating the regulation of Ser269 phosphorylation site on the docking protein 1 (DOK1). This phosphorylation site may influence the inhibiting effect of DOK1 on integrin a2bb3. Extending the integrated network approach to further cell lines, I used the assembled human interactome information for the analysis of functional modules in cellular networks. The investigation was performed with a previously developed module detection algorithm, which finds maximum-scoring subgraphs in transcriptomic datasets by using assigned values to the network nodes. We extended the algorithm to qualitative proteomic datasets and enhanced the module search by adding functional information to the network edges to concentrate the solution onto modules with high functional similarity. I performed a series of analyses to validate its performance in small-sized (virus-infected gastric cells) and medium-sized networks (human lymphocytes). In both cases the algorithm extracted characteristic modules of sample proteins with high functional similarity. The functional module search is especially useful in site-specific phosphoproteomic datasets, where kinase regulation of the detected sites is often sparse or lacking. Therefore, I used the module detection algorithm in quantitative phosphoproteomic datasets. In a platelet phosphorylation dataset, I presented a pipeline for network analysis of detected phosphorylation sites. In a second approach, the functional module detecting algorithm was used on a phosphoproteome network of human embryonic stem cells, in which nodes represented the maximally changing phosphorylation sites in the experiment. Additional kinases from the human phosphoproteome in PlateletWeb were included to the network to investigate the regulation of the signal flow. Results indicated important phosphorylation sites and their upstream kinases and explained changes observed in embryonic stem cells during differentiation. This work presents novel approaches for integrated network analysis in cells and introduces for the first time a systematic biological investigation of the human platelet proteome based on the platelet-specific knowledge base PlateletWeb. The extended methods for optimized functional module detection offer an invaluable tool for exploring proteomic datasets and covering gaps in complex large-scale data analysis. By combining exact module detection approaches with functional information data between interacting proteins, characteristic functional modules with high functional resemblance can be extracted from complex datasets, thereby focusing on important changes in the observed networks.
N2  - Jüngste Entwicklungen der Proteomik und die damit einhergehende Erzeugung großer Datensätze erfordern neue Methoden zur biologischen Interpretation der gewonnenen Ergebnisse. Systembiologische Ansätze wie die integrierte Netzwerkanalyse sowie die funktionelle Modulsuche sind zu einem wesentlichen Bestandteil bei der Untersuchung von Proteinen geworden. Die Proteomik wird vor allem in kernlosen Zellen wie den Blutplättchen angewandt. Die zu Grunde liegenden molekularen Mechanismen bei der Aktivierung von Thrombozyten und deren pharmakologische Modulation sind von immenser Bedeutung für die klinische Forschung. Aktuelle Studien in der Proteomforschung haben insbesondere bei Thrombozyten große Mengen an Daten erzeugt, die bisher noch nicht umfassend systembiologisch untersucht wurden. Zu diesem Zweck stellte ich manuell thrombozyten-spezifische Daten aus Proteom- und Transkriptomstudien zusammen und arbeitete an der Entwicklung einer umfassenden menschlichen Thrombozytendatenbank für die systembiologische Analyse der Funktion von Blutplättchen mittels integrierter Netzwerkanalyse (PlateletWeb) (http:/PlateletWeb.bioapps.biozentrum.uni-wuerzburg.de). Zusätzlich habe ich plättchen-spezifische, experimentell validierte Phosphorylierungsinformationen hinzugefügt und generierte Kinasenvorhersagen für 80% der neu identifizierten Phosphorylierungsstellen. Die Kombination aus Medikamenten, assoziierten Krankheiten und Signalweginformation zusammen mit Phosphorylierungs- und Interaktionsdaten macht diese Datenbank zu einer ersten und umfassenden Anlaufstelle für Thrombozytenforschung. PlateletWeb enthält mehr als 5000 Plättchenproteine, die in einem Netzwerk analysiert und dargestellt werden können. Dabei ist die Identifizierung aller wichtigen Signalmodule zur Plättchenaktivierung und -inhibierung möglich. Mit der Fülle an verfügbaren Daten führte ich eine Reihe thrombozyten-spezifischer Analysen am Plättchenproteom, an Signalwegen, pharmakologischen Wirkstoffzielen und Phosphorylierungsreaktionen in grundlegenden Signalprozessen durch. Ich analysierte die statistische Anreicherung bekannter Signalwege für Plättchenproteine und identifizierte Endozytose als einen sehr repräsentativen Signalweg in Thrombozyten. Weitere Ergebnisse zeigten, dass stark vernetzte Plättchenproteine häufiger Ziel von Medikamenten sind. Mittels der Netzwerkanalyse von PlateletWeb untersuchte ich den grundlegenden Signalaktivierungspfad von Adenosindiphosphat (ADP), und veranschaulichte den Signalfluss von Rezeptor zu Effektor. Meine Arbeit an der Integrin-Inside-Out-Signalisierung beinhaltete zudem die Untersuchung neuer thrombozyten-spezifischer Phosphorylierungsstellen und ihre Regulation durch Kinasenvorhersagen mit Hilfe des integrierten Netzwerkanalyseansatzes. Durch die Untersuchung der Regulation bei der Phosphorylierungsstelle Ser269 im Docking-Protein (DOK1) stellte ich eine neue Hypothese zur Integrinsignalisierung auf. Diese Phosphorylierungsstelle könnte den inhibitorischen Effekt von DOK1 auf integrin a2bb3 beeinflussen. Ich erweiterte den integrierten Netzwerkanalyseansatz für andere Zelllinien, indem ich die gesammelten Informationen aus dem menschlichen Interaktom für die Analyse von funktionellen Modulen in zellulären Netzen nutzte. Die Untersuchung wurde mit einem zuvor entwickelten Algorithmus zur Modulerkennung durchgeführt, der maximal bewertete Teilgraphen in Transkriptomdatensätzen anhand zugewiesener Werte für Netzwerkknoten findet. Wir erweiterten den Algorithmus zur Anwendung auf qualitative Proteomdatensätze und optimierten die Modulsuche durch Integration funktioneller Informationen in die Netzwerkkanten. Dies fokussierte die Optimierung auf Proteinmodule mit hoher funktioneller Ähnlichkeit. Ich führte eine Reihe von Analysen durch, um die Effizienz des Algorithmus in kleinen (durch Viren infizierte Magenzellen) und mittelgroßen Netzwerken (menschliche Lymphozyten) zu überprüfen. In beiden Fällen extrahierte der Algorithmus charakteristische Module der untersuchten Proteine mit hohen funktionellen Ähnlichkeiten. Die funktionelle Modulsuche ist besonders bei positionsspezifischen Phosphoproteomikdatensätzen nützlich, in denen die Kinasenregulation der detektierten Phosphorylierungsstellen nur spärlich oder gar nicht vorhanden ist. Daher habe ich den Algorithmus der Moduldetektion auf quantitative Phosphoproteomikdatensätze angewandt. Anhand eines Datensatzes bestehend aus phosphorylierten Plättchenproteinen habe ich eine Vorgehensweise zur Netzwerkanalyse von Phosphorylierungsstellen entwickelt. In einer zweiten Studie wurde der Algorithmus der Moduldetektion auf ein phosphoproteomisches Netzwerk menschlich embryonaler Stammzellen angewandt, in dem Phosphorylierungsstellen mit maximaler Veränderung durch Netzwerkknoten repräsentiert wurden. Um die Regulation des Signalflusses zu untersuchen wurden weitere Kinasen aus dem menschlichen Phosphoproteom beziehungsweise PlateletWeb integriert. Ergebnisse wiesen auf wichtige Phosphorylierungsstellen und ihre Upstream-Kinasen hin und verdeutlichten Vorgänge, die während der Differenzierung in den embryonalen Stammzellen stattgefunden haben. Diese Arbeit bietet neue Vorgehensweisen der integrierten Netzwerkanalyse in Zellen und präsentiert zum ersten Mal eine systembiologische Untersuchung des menschlichen Proteoms mit Hilfe der Trombozytendatenbank PlateletWeb. Die erweiterten Methoden zur verbesserten Erkennung funktioneller Module bieten ein wertvolles Werkzeug für die Erforschung proteomischer Datensätze und vervollständigen die komplexe und umfangreiche Datenanalyse. Charakteristische Module, die große Ähnlichkeit auf funktioneller Ebene aufweisen, können durch die Kombination von exakten Modulerkennungsansätzen mit funktionellen Daten extrahiert werden. Dabei werden wichtige Änderungen besonders bei der Analyse komplexer Netzwerke hervorgehoben.
KW  - Netzwerkanalyse
KW  - Thrombozyt
KW  - Proteomanalyse
KW  - Systembiologie
KW  - Funktionelle Modulsuche
KW  - Plättchenphosphoproteom
KW  - Netzwerkalgorithmen
KW  - Systems Biology
KW  - Integrated network analysis
KW  - Plättchennetzwerk
KW  - Proteome
KW  - Phosphoproteomic analysis
KW  - Functional module search
KW  - Functional interaction
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-72165
ER  - 
TY  - THES
A1  - Varagnolo, Linda
T1  - PRC2 inhibition counteracts the culture-associated loss of engraftment potential of human cord blood-derived hematopoietic stem/progenitor cells
T1  - Die Inhibition des PRC2 wirkt dem Kultur-bedingten Verlust des Repopulationspotenzials in humanen hämatopoetischen Stammzellen/Vorläuferzellen aus Nabelschnurblut entgegen
N2  - Cord blood hematopoietic stem cells (CB-HSCs) are an outstanding source for the treatment of a variety of malignant and non-malignant disorders. However, the low amount of cells collected per donor is often insufficient for treatment of adult patients. In order to make sufficient numbers of CB-HSCs available for adults, expansion is required. Different approaches were described for HSC expansion, however these approaches are impeded by the loss of engrafting potential during ex vivo culture. Little is known about the underlying molecular mechanisms. Epigenetic mechanisms play essential roles in controlling stem cell potential and fate decisions and epigenetic strategies are considered for HSC expansion. Therefore, this study aimed to characterize global and local epigenotypes during the expansion of human CB-CD34+, a well established CB progenitor cell type, to better understand the molecular mechanisms leading to the culture-associated loss of engrafting potential. Human CB-CD34+ cells were cultured using 2 different cytokine cocktails: the STF cocktail containing SCF, TPO, FGF-1 and the STFIA cocktail, which combines STF with Angiopoietin-like 5 (Angptl5) and Insulin-like growth factor-binding protein 2 (IGFBP2). The latter expands CB-HSCs ex vivo. Subsequently, the NOD-scid gamma (NSG) mouse model was used to study the engraftment potential of expanded cells. Engraftment potential achieved by fresh CB-CD34+ cells was maintained when CB-CD34+ cells were expanded under STFIA but not under STF conditions. To explore global chromatin changes in freshly isolated and expanded CB-CD34+ cells, levels of the activating H3K4me3 and the repressive H3K27me3 histone marks were determined by chromatin flow cytometry and Western blot analyses. For analysis of genome-wide chromatin changes following ex vivo expansion, transcriptome profiling by microarray and chromatin immunoprecipitation combined with deep sequencing (ChIP-seq) were performed. Additionally, local chromatin transitions were monitored by ChIP analyses on promoter regions of developmental and self-renewal factors. On a global level, freshly isolated CD34+ and CD34- cells differed in H3K4me3 and H3K27me3 levels. After 7 days of expansion, CD34+ and CD34- cells adopted similar levels of active and repressive marks. Expanding the cells without IGFBP2 and Angptl5 led to a higher global H3K27me3 level. ChIP-seq analyses revealed a cytokine cocktail-dependent redistribution of H3K27me3 profiles. Chemical inhibition of the H3K27 methyltransferase EZH2 counteracted the culture-associated loss of NSG engraftment potential. Collectively, the data presented in this study revealed that by adding epigeneticly active compounds in the culture media we observed changes on a chromatin level which counteracted the loss of engraftment potential. H3K27me3 rather than H3K4me3 may be critical to establish a specific engraftment supporting transcriptional program. Furthermore, I identified a critical function for the Polycomb repressive complex 2-component EZH2 in the loss of engraftment potential during the in vitro expansion of HPSCs. Taken together this thesis provides a better molecular understanding of chromatin changes upon expansion of CB-HSPCs and opens up new perspectives for epigenetic ex vivo expansion strategies.
N2  - Hämatopoetische Stammzellen aus Nabelschnurblut (CB-HSCs) sind eine bedeutende Quelle für die Behandlung einer Vielzahl maligner und nicht-maligner Erkrankungen. Allerdings ist die geringe Anzahl an Stammzellen, die von einem Spender gewonnen werden kann, meist nicht ausreichend für die Rekonstitution des hämatopoetischen Systems erwachsener Patienten. Um eine ausreichende Menge an CB-HSCs zu gewinnen, ist eine Expansion der Zellen erforderlich. Verschiedene Ansätze zur ex vivo Expansion von HSCs wurden beschrieben, allerdings waren diese Ansätze durch den Verlust des Repopulationspotentials während der ex vivo Kultivierung nicht umsetzbar. Über die zugrundeliegenden Mechanismen ist wenig bekannt. Epigenetische Mechanismen spielen eine entscheidende Rolle in der Kontrolle von Selbsterneuerung und Differenzierung von Stammzellen.  Aus diesem Grund werden epigenetische Strategien zur HSC-Expansion in Betracht gezogen. Das Ziel dieser Studie war, globale und lokale Epigenotypen während der Expansion humaner CB-CD34+-Zellen (CB-Vorläuferzellen) zu charakterisieren. Diese Studien sollten zu einem besseren Verständnis der molekularen Mechanismen, welche zum Kultivierungs-assoziierten Verlust des Repopulationspotentials führen. Humane CB-CD34+-Zellen wurden in zwei verschiedene Zytokin-Cocktails kultiviert: Der sogenannte STF-Cocktail, welcher SCF, TPO und FGF-1 enthält und der STFIA-Cocktail, welcher STF mit Angptl5 und IGFBP2 kombiniert. Aus der Literatur war zu Beginn dieser Doktorarbeit war bekannt, dass CB-HSCs ex vivo in STFIA, nicht aber in STF expandiert werden können. In Übereinstimmung mit diesem Befund zeigen die hier vorgestellten heterologen Transplantationsexperimente, dass das Repopulationspotential frischer CB-CD34+-Zellen nur erhalten blieb, wenn die Zellen unter STFIA, jedoch nicht, wenn sie unter STF-Bedingungen expandiert waren. Um die globalen Chromatinveränderungen frisch isolierter und expandierter Zellen zu untersuchen, wurden die Level der aktivierenden Histonmodifikation H3K4me3 und der repressiven H3K27me3-Modifikation durch Chromatin-Durchflusszytometrie und Western Blot Analyse bestimmt. Zur Analyse der genomweiten Chromatinveränderungen nach ex vivo Expansion wurden Transkriptomprofile durch Mikroarray und Chromatin-Immunpräzipitation, in Kombination mit Deep-Sequencing (ChiP-Seq) durchgeführt.
Zusätzlich wurden lokale Chromatinveränderungen durch ChiP-Analysen an Promotorregionen von Entwicklungs- und Selbsterneuerungs-Faktoren analysiert. Auf globaler Ebene unterschieden sich frisch isolierte CD34+ und CD34- Zellen in ihren H3K4me3 und H3K27me3 Leveln. Nach siebentägiger Expansion nahmen CD34+ und CD34- Zellen ähnliche Level aktiver und repressiver Markierungen an. Die Expansion der Zellen ohne IGFBP2 und Angptl5 führte zu höheren globalen H3K27me3 Leveln. ChiP-seq Analysen zeigten eine Zytokin-Cocktail-abhängige Neuverteilung von H3K27me3 Mustern. Die chemische Inhibition der H3K27me-Transferase EZH2 wirkte dem Kultivierungs-assoziierten Verlust des NSG Repopulationspotentials entgegen. Zusammenfassend zeigen diese Daten, dass durch die Zugabe von spezifischen Zytokinen in das Kulturmedium Veränderungen auf Chromatinebene verbunden sind, die dem kultivierungs-assoziierten Verlust des Repopulationspotentials entgegen wirken. Diese Daten zeigen weiterhin, dass die durch die PRC2 Komponente EZH2 vermittelte H3K27me3, nicht jedoch die H3K4me3 Histonmodifikation ein kritischer Faktor für die Etablierung eines die Repopulation fördernden Transkriptionsprogrammes ist. Somit dient diese Arbeit einem besseren molekularen Verständnis der Chromatinveränderungen während der Expansion von CB-HSPCs und eröffnet eine Perspektive für neue epigenetische ex vivo Expansionsstrategien.
KW  - Epigenetik
KW  - Hämatopoese
KW  - PRC2
KW  - Cord blood-derived hematopoietic stem and progenitor cells
KW  - Hematopoietic stem cell ex-vivo expansion
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-108073
ER  - 
TY  - THES
A1  - Hofstetter, Christine
T1  - Inhibition of H3K27me-Specific Demethylase Activity During Murine ES cell Differentiation Induces DNA Damage Response
T1  - Inhibierung der H3K27me-Spezifischen Demethylase Aktivität in Murin Differenzierenden ES Zellen Induziert die DNA Schadensantwort
N2  - Stem cells are defined by their capacity to self-renew and their potential to differentiate into multiple cell lineages. Pluripotent embryonic stem (ES) cells can renew indefinitely while keeping the potential to differentiate into any of the three germ layers (ectoderm, endoderm or mesoderm). For decades, ES cells are in the focus of research because of these unique features. When ES cells differentiate they form spheroid aggregates termed “embryoid bodies” (EBs). These EBs mimic post- implantation embryonic development and therefore facilitate the understanding of developmented mechanisms.
During ES cell differentiation, de-repression or repression of genes accompanies the changes in chromatin structure. In ES cells, several mechanisms are involved in the regulation of the chromatin architecture, including post-translational modifications of histones. Post-translational histone methylation marks became one of the best- investigated epigenetic modifications, and they are essential for maintaining pluripotency. Until the first histone demethylase KDM1A was discovered in 2004 histone modifications were considered to be irreversible. Since then, a great number of histone demethylases have been identified. Their activity is linked to gene regulation as well as to stem cell self-renewal and differentiation.
KDM6A and KDM6B are H3K27me3/2-specific histone demethylases, which are known to play a central role in the regulation of posterior development by regulating HOX gene expression. So far less is known about the molecular function of KDM6A or KDM6B in undifferentiated and differentiating ES cells. In order to completely abrogate KDM6A and KDM6B demethylase activity in undifferentiated and differentiating ES cells, a specific inhibitor (GSK-J4) was employed. Treatment with GSK-J4 had no effect on the viability or proliferation on ES cells. However, in the presence of GSK-J4 ES cell differentiation was completely abrogated with cells arrested in G1-phase and an increased rate of apoptosis. Global transcriptome analyses in early-differentiating ES cells revealed that only a limited set of genes were differentially regulated in response to GSK-J4 treatment with more genes up- regulated than down-regulated. Many of the up-regulated genes are linked to DNA damage response (DDR). In agreement with this, DNA damage was found in EBs incubated with GSK-J4. A co-localization of H3K27me3 or KDM6B with γH2AX foci, marking DNA breaks, could be excluded. However, differentiating Eed knockout (KO) ES cells, which are devoid of the H3K27me3 mark, showed an attenuated GSK-J4- induced DDR. Finally, hematopoietic differentiation in the presence of GSK-J4 resulted in a reduced colony-forming potential. This leads to the conclusion that differentiation in the presence of GSK-J4 is also restricted to hematopoietic differentiation.
In conclusion, my results show that the enzymatic activity of KDM6A and KDM6B is not essential for maintaining the pluripotent state of ES cells. In contrast, the enzymatic activity of both proteins is indispensable for ES cell and hematopoietic differentiation. Additionally KDM6A and KDM6B enzymatic inhibition in differentiating ES cells leads to increased DNA damage with an activated DDR. Therefore, KDM6A and KDM6B are associated with DNA damage and in DDR in differentiating ES cells.
N2  - Stammzellen sind definiert durch ihre Fähigkeit zur Selbsterneuerung und dem Potential in multiple Zellinien zu differenzieren. Pluripotente embryonale Stammzellen (ES Zellen) können sich fortlaufend erneuern und besitzen zudem das Potential, in alle drei Keimblätter (Ektoderm, Endoderm oder Mesoderm) zu differenzieren. Auf Grund dieser einzigartigen Eigenschaften sind ES Zellen seit Jahrzehnten im Focus der Wissenschaft. Wenn ES Zellen differenzieren, sind sie in der Lage, sphäroid-förmige Aggregate zu bilden, welche als embryoide Körperchen (EBs) bezeichnet werden. In EBs finden sich Zellen aller 3 Keimblätter und daher dienen sie als in vitro Modell für frühe embryonale Entwicklung.
Während der ES Zell Differenzierung verändert die De-repression oder Repression von Genen die Struktur des Chromatins. ES Zellen besitzen eine Vielzahl von Mechanismen, die mit der Regulation des Chromatins assoziiert sind, einschließlich post-translationale Modifikationen an Histonen. Post-translationale Histon- methylierung gehören zu den am häufigsten untersuchten epigenetischen Modifikationen und spielen z.B. ein wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung der Pluripotenz. Bis zur Entdeckung der ersten Histon-Demethylase KDM1A im Jahre 2004 glaubte man, dass Modifikationen an Histonen irreversible sind. Bislang wurden jedoch eine Vielzahl an Histon-Demethylasen identifiziert, welche mit der Genregulation, sowie der Selbsterneuerung und Differenzierung von Stammzelle in Verbindung gebracht werden konnten.
KDM6A und KDM6B sind H3K27me3/2-spezifische Histon-Demethylasen, welche bei der posterioren Entwicklung durch Regulation der Hox Gene eine wichtige Rolle spielen. Bislang ist über die molekulare Funktion von KDM6A und KDM6B in nicht differenzierten und differenzierenden ES Zellen wenig bekannt. Um die KDM6A und KDM6B Demethylase Aktivität in nicht differenzierten und differenzierenden ES Zellen außer Kraft zu setzten kam ein spezifischer Inhibitor (GSK-J4) zum Einsatz. Die Behandlung mit GSK-J4 zeigte keine Auswirkungen auf die Viabilität oder Proliferation von nicht differenzierten ES Zellen. Jedoch war die Differenzierung von
ES Zellen in Gegenwart von GSK-J4 inhibiert und zeigte einen erhöhten G1-Phase Arrest sowie eine erhöhte Rate an apoptotischen Zellen. Eine globale Transkriptionsanalyse in frühen differenzierenden ES Zellen, in Gegenwart von GSK- J4 zeigte, dass lediglich eine relativ geringe Zahl von Genen differenziell reguliert war. Dabei waren mehr Gene hochreguliert als herunterreguliert. Viele der hochregulierten Gene konnten mit der DNA Schadensantwort in Verbindung gebracht werden. In Übereinstimmung damit konnte in Gegenwart von GSK-J4 in differenzierenden ES Zellen DNA Schaden nachgewiesen werden. Eine Kolokalisation von H3K27me3 oder KDM6B mit γH2AX markierten Foci, welche DNA Schaden markieren, konnte nicht nachgewiesen werden. Nichts desto trotz zeigten GSK-J4 behandelte, differenzierende Eed KO ES Zellen, welche keine H3K27me3 Modifikation besitzen, eine abgemilderte DNA Schadensantwort. In Anwesenheit von GSK-J4 konnte während der hämatopoetischen Differenzierung eine reduzierte Kolonie-Bildung beobachtet werden. Daraus lässt sich schließen, dass in Anwesenheit von GSK-J4 ebenfalls auch die hämatopoetische Differenzierung inhibiert wird.
Zusammenfassend zeigen meine Ergebnisse, dass die enzymatische Aktivität von KDM6A und KDM6B für die Aufrechterhaltung des pluripotenten Zustands nicht essenziell ist. Im Gegensatz dazu ist die enzymatische Aktivität von beiden Proteinen unabdingbar für die ES Zell sowie die hämatopoetische Differenzierung. Die enzymatische Inhibierung von KDM6A und KDM6B führt während der Differenzierung zu einem erhöhten DNA Schaden, wodurch die DNA Schadensantwort aktiviert wird. Somit sind KDM6A und KDM6B mit DNA Schaden und der DNA Schadensantwort assoziiert.
KW  - Embryonale Stammzelle
KW  - Epigenetic
KW  - Maus
KW  - Histone
KW  - Demethylierung
KW  - DNS-Schädigung
KW  - Epigenetik
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-107023
ER  - 
TY  - THES
A1  - Haydn, Johannes
T1  - Regulation of ERK1/2 signaling in melanoma
T1  - Regulation des ERK1/2 Signalwegs im Melanom
N2  - Die Mechanismen in einer Zelle, die die Genexpression und somit den Stoffwechsel, das Wachstum und das gesamte Zellverhalten steuern, sind ebenso bedeutsam für das Verständnis der grundlegenden Biologie einer lebenden Zelle wie für die Vorgänge der Krebsentstehung. Dabei bilden hochvernetzte, und strikt regulierte Signaltransduktionswege die Basis für ein belastbares und zugleich hochflexibles regulatorisches Netzwerk. Die Störung solcher Signalkaskaden kann zum einen ursächlich aber auch modifizierend auf die Bildung von Tumoren wirken. Die von Rezeptortyrosinkinasen (RTK) und RAS abhängigen Signalwege, die zur Aktivierung von AKT und ERK1/2 führen, sind hierbei von besonderem Interesse für die Entstehung des malignen Melanoms. Mutationen in Komponenten dieser Wege (z.B. NRAS, BRAF oder PTEN), die die Signalstärke erhöhen kommen in Melanomen sehr häufig vor. Im ersten Teil dieser Arbeit wurden die unterschiedlichen und vielfältigen Funktionen von MKP2, einem Feedbackregulator des ERK1/2-Weges, unter verschiedenen zellulären Rahmenbedingungen, untersucht. Des Weiteren wird eine Funktion des zum AP1-Komplex gehörenden FOSL1, einem unter transkriptioneller Kontrolle des ERK1/2-Weges stehendem Transkriptionsfaktors, hinsichtlich der Steuerung der Zell-Proliferation gezeigt. Weiterhin habe ich Aspekte der direkten pharmakologischen Inhibition des ERK1/2-Weges hinsichtlich ihres Effekts auf die Auslösung von Apoptose untersucht. Aufgrund der Häufigkeit von Mutationen in Genen, die für Proteine des ERK1/2-Weges kodieren (z.B. NRASQ61K, BRAFV600E), gilt die Inhibition dieses Signalwegs als vielversprechende Strategie zur Behandlung des Melanoms. Auch wenn klinische Studien, die Inhibitoren für MEK oder RAF als Einzelmedikamente verwenden, bei mehrmonatiger Behandlung sehr erfolgreich sind, konnten so keine langfristigen Erfolge erzielt werden. Aus diesem Grund werden nun Kombinationstherapien, die einen Inhibitor des ERK1/2-Weges und eine weitere Form der Therapie kombinieren, untersucht. Der zweite Teil dieser Arbeit beschreibt, dass der spezifische MEK Inhibitor PD184352 Melanomzellen vor der Apoptosewirkung von Cisplatin schützen kann. Einzelbehandlung mit Cisplatin führt hierbei zur Akkumulation von DNA Schäden, die wiederum Caspase-abhängig Apoptose induzieren. Zusätzliche Anwendung des MEK Inhibitors verringerte jedoch in einigen Zelllinien das Potential von Cisplatin, Apoptose auszulösen. Diese Zellen zeigten eine verstärkte Aktivierung der Serin/Threonin-KInase AKT nach MEK Inhibition. Diese AKT Aktivierung führte zur Inaktivierung der FOXO Transkriptionsfaktoren, was wiederum die Expression des pro-apoptotischen BH3-only Proteins PUMA verringerte. PUMA selbst ist ein wichtiger Bestandteil der Apoptose Maschinerie, die durch Cisplatin aktiviert wird. Die im Rahmen dieser Arbeit erhaltenen Befunde deuten darauf hin, dass RTKs, im besonderen EGFR, bei diesem Crosstalk eine Rolle spielen. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Inhibition des RAS/RAF/MEK/ERK Signalweges im Melanom nicht zwangsläufig von Vorteil sein muss, falls die Zellen gleichzeitig mit einem genotoxischen Medikament behandelt werden. Hier kann sie sogar die Überlebensfähigkeit von Melanomzellen unter Apoptose induzierenden Bedingungen verbessern.
N2  - The mechanisms that enable cells to regulate their gene expression and thus their metabolism, proliferation or cellular behaviour are not only important to understand the basic biology of a living cell, but are also of crucial interest in cancerogenesis. Highly interwoven and tightly regulated pathways are the basis of a robust but also flexible regulatory network. Interference with these pathways can be either causative for tumorigenesis or can modify its outcome. The receptor tyrosine kinase (RTK) and RAS dependent pathways leading to AKT or ERK1/2 activation are of particular interest in melanoma. These signaling modules are commonly activated by different mutations that can be found in various pathway components like NRAS, BRAF or PTEN. The first part of this work deals with the diverse and versatile functions of the ERK1/2 pathway feedbackregulator MKP2 in different cellular, melanoma relevant settings. In addition, a functional role of the AP1-complex member FOSL1, an ERK1/2 transcriptional target being implicated in the regulation of proliferation, is demonstrated. Secondly, aspects of direct pharmacological inhibition of the ERK1/2 pathway with regard to the induction of apoptosis have been analysed. Due to the high frequency of melanoma related mutations occurring in the RAS/RAF/MEK/ERK pathway (e.g. NRASQ61K, BRAFV600E), inhibition of this signaling cascade is deemed to be a promising therapeutic strategy for the treatment of malignant melanoma. However, although in clinical trials mono-therapeutic treatment with MEK- or RAF inhibitors was successful in the short run, it failed to show satisfactory long-lasting effects. Hence, combination therapies using a MAPK pathway inhibitor and an additional therapy are currently under investigation. I was able to demonstrate that inhibition of MEK using the highly specific inhibitor PD184352 can have a protective effect on melanoma cells with regard to their susceptibility towards the apoptosis inducing agent cisplatin. Single application of cisplatin led to strong DNA damage and the induction of caspase-dependent apoptosis. Additional administration of the MEK inhibitor, however, strongly reduced the apoptosis inducing effect of cisplatin in several melanoma cell lines, These cells displayed an increased activation of the serine/threonine kinase AKT after MEK inhibition. This AKT activation concomitantly led to the phosphorylation of FOXO transcription factors, attenuating the cisplatin induced expression of the BH3-only protein PUMA. PUMA in turn was important to mediate the apoptosis machinery after cisplatin treatment. My results also indicate a participation of RTKs, in particular EGFR, in mediating MEK inhibitor induced activation of AKT. These results demonstrate that inhibition of the RAS/RAF/MEK/ERK signaling pathway in melanoma cell lines does not necessilary have favourable effects in a cytotoxic co-treatment situation. Instead, it can even enhance melanoma survival under pro-apoptotic conditions.
KW  - Melanom
KW  - MAP-Kinase
KW  - melanoma
KW  - MAP-Kinase
KW  - ERK signaling
KW  - Signalkette
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-85727
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zeeshan [geb. Majeed], Saman
T1  - Implementation of Bioinformatics Methods for miRNA and Metabolic Modelling
T1  - Die Umsetzung der Bioinformatik-Methoden für miRNA-und der Metabolischen Modellierung
N2  - Dynamic interactions and their changes are at the forefront of current research in bioinformatics and systems biology. This thesis focusses on two particular dynamic aspects of cellular adaptation: miRNA and metabolites.
miRNAs have an established role in hematopoiesis and megakaryocytopoiesis, and platelet miRNAs have potential as tools for understanding basic mechanisms of platelet function. The thesis highlights the possible role of miRNAs in regulating protein translation in platelet lifespan with relevance to platelet apoptosis and identifying involved pathways and potential key regulatory molecules. Furthermore, corresponding miRNA/target mRNAs in murine platelets are identified. Moreover, key miRNAs involved in aortic aneurysm are predicted by similar techniques. The clinical relevance of miRNAs as biomarkers, targets, resulting later translational therapeutics, and tissue specific restrictors of genes expression in cardiovascular diseases is also discussed.
In a second part of thesis we highlight the importance of scientific software solution development in metabolic modelling and how it can be helpful in bioinformatics tool development along with software feature analysis such as performed on metabolic flux analysis applications. We proposed the “Butterfly” approach to implement efficiently scientific software programming. Using this approach, software applications were developed for quantitative Metabolic Flux Analysis and efficient Mass Isotopomer Distribution Analysis (MIDA) in metabolic modelling as well as for data management. “LS-MIDA” allows easy and efficient MIDA analysis and, with a more powerful algorithm and database, the software “Isotopo” allows efficient analysis of metabolic flows, for instance in pathogenic bacteria (Salmonella, Listeria). All three approaches have been published (see Appendices).
N2  - Dynamische Wechselwirkungen und deren Veränderungen sind wichtige Themen der aktuellen Forschung in Bioinformatik und Systembiologie. Diese Promotionsarbeit konzentriert sich auf zwei besonders dynamische Aspekte der zellulären Anpassung: miRNA und Metabolite.
miRNAs spielen eine wichtige Rolle in der Hämatopoese und Megakaryozytopoese, und die Thrombozyten miRNAs helfen uns, grundlegende Mechanismen der Thrombozytenfunktion besser zu verstehen. 
Die Arbeit analysiert die potentielle Rolle von miRNAs bei der Proteintranslation, der Thrombozytenlebensdauer sowie der Apoptose von Thrombozyten und ermöglichte die Identifizierung von beteiligten Signalwegen und möglicher regulatorischer Schlüsselmoleküle. Darüber hinaus wurden entsprechende miRNA / Ziel-mRNAs in murinen Thrombozyten systematisch gesammelt. Zudem wurden wichtige miRNAs, die am Aortenaneurysma beteiligt sein könnten, durch ähnliche Techniken vorhergesagt. Die klinische Relevanz von miRNAs als Biomarker, und resultierende potentielle Therapeutika, etwa über eine gewebsspezifische Beeinflussung der Genexpression bei Herz-Kreislauf Erkrankungen wird ebenfalls diskutiert. 
In einem zweiten Teil der Dissertation wird die Bedeutung der Entwicklung wissenschaftlicher Softwarelösungen für die Stoffwechselmodellierung aufgezeigt, mit einer Software-Feature-Analyse wurden verschiedene Softwarelösungen in der Bioinformatik verglichen. Wir vorgeschlagen dann den "Butterfly"-Ansatz, um effiziente wissenschaftliche Software-Programmierung zu implementieren. Mit diesem Ansatz wurden für die quantitative Stoffflussanalyse mit Isotopomeren effiziente Software-Anwendungen und ihre Datenverwaltung entwickelt: LS-MIDA ermöglicht eine einfache und effiziente Analyse, die Software "Isotopo" ermöglicht mit einem leistungsfähigeren Algorithmus und einer Datenbank, eine noch effizientere Analyse von Stoffwechselflüssen, zum Beispiel in pathogenen Bakterien (Salmonellen, Listerien). Alle drei Ansätze wurden bereits veröffentlicht (siehe Appendix).
KW  - miRNS
KW  - Bioinformatics
KW  - miRNA
KW  - Metabolic Modelling
KW  - Spectral Data Analysis
KW  - Butterfly
KW  - Thrombozyt
KW  - Bioinformatik
KW  - Stoffwechsel
KW  - Modellierung
KW  - Metabolischen Modellierung
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-102900
ER  -