TY  - THES
A1  - Drescher, Jochen
T1  - The Ecology and Population structure of the invasive Yelllow Crazy Ant Anoplolepis gracilipes
T1  - Die Ökologie und Populationsstruktur der invasiven Ameisenart Anoplolepis gracilipes
N2  - The invasive Yellow Crazy Ant Anoplolepis gracilipes is a widespread tropical ant species which is particularly common in anthropogenically disturbed habitats in South-East Asia and the Indopacific region. Its native range is unknown, and there is little information concerning its social structure as a potential mechanism facilitating invasion as well as its ecology in one of the putative native ranges, South-East Asia. Using mitochondrial DNA sequences, I demonstrated that the majority of the current Indopacific colonies were likely introduced from South-East Asian populations, which in turn may have been introduced much earlier from a yet unidentified native range. By conducting behavioral, genetic and chemical analyses, I found that A. gracilipes supercolonies contain closely related individuals, thus resembling enlarged versions of monogynous, polydomous colonies of other ant species. Furthermore, mutually aggressive A. gracilipes supercolonies were highly differentiated both genetically and chemically, suggesting limited or even absent gene flow between supercolonies. Intranidal mating and colony-budding are most likely the predominant, if not the exclusive mode of reproduction and dispersal strategy of A. gracilipes. Consequently, a positive feedback between genetic, chemical and behavioral traits may further enhance supercolony differentiation though genetic drift and neutral evolution. This potential scenario led to the hypothesis that absent gene flow between different A. gracilipes supercolonies may drive them towards different evolutionary pathways, possibly including speciation. Thus, I examined one potential way by which gene flow between supercolonies of an ant species without nuptial flights may be maintained, i.e. the immigration of sexuals into foreign supercolonies. The results suggest that this option of maintaining gene flow between different supercolonies is likely impaired by severe aggression of workers towards allocolonial sexuals. Moreover, breeding experiments involving males and queens from different supercolonies suggest that A. gracilipes supercolonies may already be on the verge of reproductive isolation, which might lead to the diversification of A. gracilipes into different species. Regarding the ecological consequences of its potential introduction to NE-Borneo, I could show that A. gracilipes supercolonies may affect the local ant fauna. The ant community within supercolonies was less diverse and differed in species composition from areas outside supercolonies. My data suggest that the ecological dominance of A. gracilipes within local ant communities was facilitated by monopolization of food sources within its supercolony territory, achieved by a combination of rapid recruitment, numerical dominance and pronounced interspecific aggression. A. gracilipes’ distribution is almost exclusively limited to anthropogenically altered habitat, such as residential and agricultural areas. The rate at which habitat conversion takes place in NE-Borneo will provide A. gracilipes with a rapidly increasing abundance of suitable habitats, thus potentially entailing significant population growth. An potentially increasing population size and ecological dominance, however, are not features that are limited to invasive alien species, but may also occur in native species that become ‘pests’ in an increasing abundance of anthropogenically altered habitat. Lastly, I detected several ant guests in supercolonies of A. gracilipes. I subsequently describe the relationship between one of them (the cricket Myrmecophilus pallidithorax) and its ant host. By conducting behavioral bioassays and analyses of cuticular hydrocarbon (CHC) profiles, I revealed that although M. pallidithorax is attacked and consumed by A. gracilipes whenever possible, it may evade aggression from its host by a combination of supreme agility and, possibly, chemical deception. This thesis adds to our general understanding of biological invasions by contributing species-specific data on a previously understudied invasive organism, the Yellow Crazy Ant Anoplolepis gracilipes. Introductions which may have occurred a long time ago may make it difficult to determine whether a given species is an introduced invader or a native pest species, as both may have pronounced ecological effects in native species communities. Furthermore, this thesis suggests that supercolonialism in invasive ants may not be an evolutionary dead end, but that it may possibly give rise to new species due to reproductive boundaries between supercolonies evoked by peculiar mating and dispersal strategies.
N2  - Anoplolepis gracilipes ist eine in den Tropen weit verbreitete invasive Ameisenart, die in gestörten Habitaten Südostasiens und des indopazifischen Raumes häufig vorzufinden ist. Während detaillierte Informationen bezüglich ihres derzeitigen Verbreitungsgebietes vorliegen, ist ihre geographische Herkunft immer noch unbekannt. Weiterhin ist unklar, in welchem Maße die Sozialstruktur von A. gracilipes zu ihrer ökologischen Dominanz beiträgt und wie sich diese wiederum in einem potentiellen Herkunftsgebiet (Südostasien) darstellt. Mitochondriale DNA-Sequenzen legen nahe, dass die Mehrheit der im indopazifischen Raum vorkommenden Kolonien von südostasiatischen Populationen eingeführt wurde. Die südostasiatischen Kolonien entstammen möglicherweise einem bislang unbekannten Ursprungsgebiet. Verhaltenstests und genetische Analysen ergaben, dass Superkolonien von A. gracilipes aus sehr nah verwandten Individuen bestehen, womit sie monogynen, polydomen Kolonien anderer Ameisenarten ähneln. Ausserdem wiesen sowohl genetische Daten sowie Profile epikutikulärer Kohlenwasserstoffe auf eine erhebliche Differenzierung zwischen verschiedenen Superkolonien hin. Das Ausmaß der genetischen und chemischen Differenzierung deutet darauf hin, dass Genfluss zwischen Superkolonien stark reduziert oder sogar unterbrochen ist. Da die Paarung bei A. gracilipes wahrscheinlich nur im eigenen Nest stattfindet (Hochzeitsflüge wurden noch nicht beobachtet), könnte eine positive Rückkopplung zwischen Aggression, Verwandtschaftsgrad und epikutikulärer Chemie dazu führen, dass die Differenzierung zwischen Superkolonien durch eine Kombination aus genetischer Drift und neutraler Evolution weiter verstärkt wird. Superkolonien, die nicht durch Genfluss miteinander im Austausch stehen, könnten sich also konsequenterweise in unterschiedliche evolutive Richtungen entwickeln. Eine der Möglichkeiten, durch die Genfluss zwischen verschiedenen Superkolonien aufrecht erhalten werden könnte, wäre deshalb die Einwanderung reproduktiver Individuen in fremde Superkolonien. Meine Untersuchungen ergaben, dass die Migration von Männchen und Königinnen zwischen verschiedenen Superkolonien jedoch durch die Arbeiterinnen unterbunden wird, welche in erhöhtem Maße aggressiv gegenüber Geschlechtstieren anderer Superkolonien waren. Weiterhin deuteten Kreuzungsexperimente zwischen koloniefremden Männchen und Königinnen darauf hin, dass Superkolonien von A. gracilipes unter Umständen schon reproduktiv isoliert sind, welches konsequenterweise zur Diversifizierung von A. gracilipes in verschiedene Arten führen sollte. Bezüglich ihrer ökologischen Dominanz in Nordost-Borneo konnte gezeigt werden, dass A. gracilipes die lokale Ameisenfauna erheblich beeinflusst. Innerhalb der Superkolonien von A. gracilipes fanden sich sowohl weniger Ameisenarten als auch eine andere Artzusammensetzung als außerhalb. Die Ergebnisse deuteten darauf hin, dass die ökologische Dominanz von A. gracilipes maßgeblich auf der Monopolisierung von Nahrungsquellen beruht. Diese wird ermöglicht durch eine Kombination aus schneller Rekrutierung von Nestgenossinnen, zahlenmäßiger Überlegenheit und ausgeprägter interspezifischer Aggression. A. gracilipes kommt fast ausschließlich in anthropogen gestörten Habitaten wie Wohngebieten oder landwirtschaftlich genutzten Flächen vor. Die zunehmende Habitatkonversion in Nordost-Borneo führt zu einem enormen Anstieg der von A. gracilipes besiedelbaren Habitate, so dass mit einem signifikanten Populationswachstum von A. gracilipes zu rechnen sein wird. Ein schnelles Populationswachstum sowie ökologische Dominanz sind jedoch nicht allein auf invasive Arten geprägte Charakteristika, sondern können auch bei nativen Arten zu beobachten sein, welche durch zunehmende Verfügbarkeit anthropogen veränderten Habitats zu Schädlingen werden können. Abschließend wurden mehrere Arten potentieller Sozialparasiten in Nestern von A. gracilipes aufgefunden (mehrheitlich neue, unbeschriebene Arten), von denen die Grille Myrmecophilus pallidithorax eingehender untersucht wurde. Verhaltenstests und die Analyse kutikulärer Kohlenwasserstoffe zeigten, dass M. pallidithorax von ihrem Wirt angegriffen und sogar verzehrt wird. Jedoch kann sie den Aggressionen ihres Wirtes weitestgehend ausweichen dank schneller Fluchtreflexe sowie, möglicherweise, chemischer Tarnung. Die vorliegende Dissertation zeigt, dass lang zurückliegende Invasionen die Unterscheidung zwischen eingeführten oder nativen Schädlingen erschweren, da beide tiefgreifende ökologische Einflüsse auf native Artengemeinschaften haben können. Es wurde weiterhin deutlich, dass die außergewöhnliche Sozialstruktur von invasiven Ameisen wie A. gracilipes ihre ökologische Dominanz begründet. Die Bildung von Superkolonien bei invasiven Ameisen stellt zudem nicht eine evolutive Sackgasse dar, sondern kann im Gegenzug sogar zur Artbildung führen, begünstigt durch ungewöhnliche Paarungs- und Verbreitungsstrategien.
KW  - Demökologie
KW  - Ameisen
KW  - Invasive Art
KW  - Invasionsbiologie
KW  - Populationsstruktur
KW  - Anoplolepis gracilipes
KW  - Yellow Crazy Ant
KW  - Evolution
KW  - Fortpflanzung
KW  - Ameisengäste
KW  - Biological Invasions
KW  - Population structure
KW  - Anoplolepis gracilipes
KW  - Yellow Crazy Ant
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-57332
ER  - 
TY  - THES
A1  - Shityakov, Sergey
T1  - Molecular modelling and simulation of retroviral proteins and nanobiocomposites
T1  - Simulationen und Interaktionen viraler Proteine sowie von   Kohlenstoffenanoröhren mit Membranen und Proteinen
N2  - Molecular modelling and simulation are powerful methods in providing important in-formation on different biological systems to elucidate their structural and functional proper-ties, which cannot be determined in experiment. These methods are applied to analyse versa-tile biological systems: lipid membrane bilayers stabilized by an intercalated single wall carbon nanotube and retroviral proteins such as HIV protease and integrase. HIV-1 integrase has nuclear localization signals (NLS) which play a crucial role in nuclear import of viral preintegration complex (PIC). However, the detailed mechanisms of PIC formation and its nuclear transport are not known. Previously it was shown that NLSs bind to the cell transport machinery e.g. proteins of nuclear pore complex such as transportins. I investigated the interaction of this viral protein HIV-1 integrase with proteins of the nuclear pore complex such as transportin-SR2 (Shityakov et al., 2010). I showed that the transportin-SR2 in nuclear import is required due to its interaction with the HIV-1 integrase. I analyzed key domain interaction, and hydrogen bond formation in transportin-SR2. These results were discussed in comparison to other retroviral species such as foamy viruses to better understand this specific and efficient retroviral trafficking route. The retroviral nuclear import was next analyzed in experiments regarding the retroviral ability to infect nondividing cells. To accomplish the gene transfer task successfully, ret-roviruses must efficiently transduce different cell cultures at different phases of cell cycle. However, promising and safe foamy viral vectors used for gene transfer are unable to effi-ciently infect quiescent cells. This drawback was due to their inability to create a preintegra-tion complex (PIC) for nuclear import of retroviral DNA. On the contrary, the lentiviral vec-tors are not dependant on cell cycle. In the course of reverse transcription the polypurine tract (PPT) is believed to be crucial for PIC formation. In this thesis, I compared the transduction frequencies of PPT modified FV vectors with lentiviral vectors in nondividing and dividing alveolar basal epithelial cells from human adenocarcinoma (A549) by using molecular cloning, transfection and transduction techniques and several other methods. In contrast to lentiviral vectors, FV vectors were not able to effi-ciently transduce nondividing cell (Shityakov and Rethwilm, unpublished data). Despite the findings, which support the use of FV vectors as a safe and efficient alternative to lentiviral vectors, major limitation in terms of foamy-based retroviral vector gene transfer in quiescent cells still remains. Many attempts have been made recently to search for the potential molecules as pos-sible drug candidates to treat HIV infection for over decades now. These molecules can be retrieved from chemical libraries or can be designed on a computer screen and then synthe-sized in a laboratory. Most notably, one could use the computerized structure as a reference to determine the types of molecules that might block the enzyme. Such structure-based drug design strategies have the potential to save off years and millions of dollars compared to a more traditional trial-and-error drug development process. After the crystal structure of the HIV-encoded protease enzyme had been elucidated, computer-aided drug design played a pivotal role in the development of new compounds that inhibit this enzyme which is responsible for HIV maturation and infectivity. Promising repre-sentatives of these compounds have recently found their way to patients. Protease inhibitors show a powerful sustained suppression of HIV-1 replication, especially when used in combi-nation therapy regimens. However, these drugs are becoming less effective to more resistant HIV strains due to multiple mutations in the retroviral proteases. In computational drug design I used molecular modelling methods such as lead ex-pansion algorithm (Tripos®) to create a virtual library of compounds with different binding affinities to protease binding site. In addition, I heavily applied computer assisted combinato-rial chemistry approaches to design and optimize virtual libraries of protease inhibitors and performed in silico screening and pharmacophore-similarity scoring of these drug candidates. Further computational analyses revealed one unique compound with different protease bind-ing ability from the initial hit and its role for possible new class of protease inhibitors is dis-cussed (Shityakov and Dandekar, 2009). A number of atomistic models were developed to elucidate the nanotube behaviour in lipid bilayers. However, none of them provided useful information for CNT effect upon the lipid membrane bilayer for implementing all-atom models that will allow us to calculate the deviations of lipid molecules from CNT with atomistic precision. Unfortunately, the direct experimental investigation of nanotube behaviour in lipid bilayer remains quite a tricky prob-lem opening the door before the molecular simulation techniques. In this regard, more de-tailed multi-scale simulations are needed to clearly understand the stabilization characteristics of CNTs in hydrophobic environment. The phenomenon of an intercalated single-wall carbon nanotube in the center of lipid membrane was extensively studied and analyzed. The root mean square deviation and root mean square fluctuation functions were calculated in order to measure stability of lipid mem-branes. The results indicated that an intercalated carbon nanotube restrains the conformational freedom of adjacent lipids and hence has an impact on the membrane stabilization dynamics (Shityakov and Dandekar, 2011). On the other hand, different lipid membranes may have dissimilarities due to the differing abilities to create a bridge formation between the adherent lipid molecules. The results derived from this thesis will help to develop stable nanobiocom-posites for construction of novel biomaterials and delivery of various biomolecules for medi-cine and biology.
N2  - Molekulare Modellierung und Simulationen sind leistungsstarke Methoden, um wich-tige Informationen von verschiedenen biologischen Systemen, welche nicht durch Experi-mente erschlossen werden können, darzustellen, und deren strukturelle und funktionelle Ei-genschaften aufzuklären. Diese Arbeit untersucht in Simulationen Interaktionen viraler Proteinen sowie von Kohlenstoffenanoröhren mit Membranen und Proteinen. Die HIV-1 Integrase besitzt Kernlokalisierungssignale („nuclear localization signals [NLS]“), welche eine entscheidende Rolle beim Import des viralen Präintegrationskomplexes („preintegration complex [PIC]“) in den Zellkern spielen. Die Ausbildung des PIC und sein Import in den Zellkern sind im Detail noch nicht bekannt. Es wurde bereits gezeigt, dass die NLS an Moleküle des Zelltransportsystems binden, wie z.B. an Transportinkernporen. Im Rahmen meiner Arbeit untersuchte ich die Interaktionen der viralen HIV-1 Integrase mit Proteinen der Kernporen wie dem Transportin-SR2 Protein (Shityakov et al., 2010). Hierbei wurden die möglichen Interaktionen des Transportin-SR2 Protein mit der HIV-1-Integrase und die Bedeutung dieser Interaktionen mit dem Import in den Kern aufgezeigt. Zudem wur-den die Interaktionen der Schlüsseldomänen und die Ausbildung von Wasserstoffbrücken-bindungen im dem Transportin-SR2 Protein untersucht. Die Ergebnisse wurden mit Protein-komplexen andere retroviralen Spezies, wie z.B. dem humanen Spumaretrovirus („human foamy virus [HFV]“), verglichen, um diesen spezifischen und sehr effizienten retroviralen Transportweg in die Wirtszelle zu entschlüsseln. Der experimentelle Teil dieser Arbeit beschäftigte sich damit, den retroviralen Kern-import zu untersuchen, um die Fähigkeit des Retrovirus, nicht teilende Zellen zu infizieren, besser zu verstehen verstanden wird. Um dies zu bewerkstelligen, müssen Retroviren Zellkul-turen in verschiedenen Stadien des Zellzyklus effizient transduzieren. Vielversprechende und sichere- HFV- Vektoren, welche in der Gentherapie eingesetzt werden könnten, sind nicht in der Lage, diese Effizienz bei ruhenden Zellen zu gewährleisten. Dies rührte daher, dass diese nicht in der Lage waren, einen PIC für den Transport der retroviralen DNA auszubilden. Lentivirale Vektoren sind dagegen nicht auf einen bestimmten Zellzyklus angewiesen. Für die reverse Transkription ist der Polypurinteil („polypurine tract [PPT]“) essentiell für die Ausbildung der PIC. In dieser Doktorarbeit vergleiche ich die Transduktionsfrequenz von PPT-modifizierten HFV-Vektoren mit denen von lentiviralen Vektoren in nichtteilenden und tei-lenden Lungenkarzinomepithelzellen. Hierbei wurden Methoden wie Klonierung, Transfektion, und Transduktion (wie auch weitere Methoden) angewendet. Im Gegensatz zu lentiviralen Vektoren konnten HFV-Vektoren sich nicht teilende Zellen in meinen Versuchen nicht effizient transduzieren (Shityakov und Rethwiln, unveröffentlicht). Trotz der Befunde, dass HFV-Vektoren sichere und effiziente Alternativen zu lentiviralen Vektoren darstellen, bestehen immer noch große Einschränkungen, diese HFV-basierten, retroviralen Vektoren für Gentherapien bei ruhenden Zellen einzusetzen. Viele Versuche wurden unternommen, um mögliche, vielversprechende Moleküle, welche als Wirkstoffe für eine HIV-Therapie eingesetzt werden könnten, zu finden. Diese Moleküle können aus chemischen Substanzbibliotheken bezogen werden oder am Computer in silico entworfen und dann synthetisiert werden. Digitalisierte Strukturen können als Refe-renzen benutzt werden, um besser herauszufinden, wie diese Moleküle Typen diverse Enzy-me blokieren könnten. Strukturbasiertes Wirkstoffdesign hat das Potential, viele Jahre und Geld an Entwicklungskosten einzusparen. Nachdem die Kristallstruktur der HIV-kodierten Proteasen aufgeklärt war, spielte das computergestützte Wirkstoffdesign eine zentrale Rolle bei der Entwicklung neuer Wirkstoffe gegen die Protease. Vielversprechende Vertreter dieser Wirkstoffklasse werden seit kurzem nun auch für die Behandlung von Patienten eingesetzt. Proteaseinhibitoren zeigen eine wir-kungsvolle und langanhaltende Inhibition der HIV-1-Replikation; besonders dann, wenn sie in Kombinationstherapien eingesetzt werden. Aber diese Wirkstoffe werden immer weniger effektiv, je resistenter die HIV-Stämme durch Mutationen in den retroviralen Proteasen wer-den. Im Rahmen meiner Arbeit mit computergestütztem Wirkstoffdesign nutzte ich Model-lierungsmethoden wie den „lead expansion algorithm“ (Tripos®) um virtuelle Wirkstoffbibli-otheken mit verschiedenen Affinitäten zur Proteasebindungsstelle zu erstellen. Zusätzlich wandte ich Verfahren der computergestützten, kombinatorischen Chemie an, um virtuelle Bibliotheken von Proteaseinhibitoren zu designen, und zu verbessern. Parallel dazu wurde eine in silico Selektion sowie eine Einteilung nach Pharmakophorähnlichkeiten für diese Kandidaten vorgenommen. Weiterführende computergestützte Analysen förderten einen ein-zigartigen Wirkstoff zu Tage, welcher neuartige Proteasebindungseigenschaften aufweist, und dessen Rolle für eine potentiell neuartige Klasse von Proteaseinhibitoren schon beschrieben wurde (Shityakov und Dandekar, 2009). Eine Reihe von Modellen mit atomarer Auflösung wurden bereits entwickelt, um das Verhalten von Nanoröhren in Lipid-Doppelschichten aufzuklären. Die Auswirkungen auf die molekular Dynamik einer einschichtigen Karbonnanoröhre, welche in das Zentrum einer Lipid-Doppelschicht eingefügt wurde, wurden intensiv studiert und analysiert. Die Normalabweichung und Fluktuationen wurden berechnet, um eine Aussage über die Stabilität der Lipid-Doppelschichten treffen zu können. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass eine eingefügte Karbonnanoröhre die Freiheit für Konformationsänderungen bei nahegelegenen Lipiden einschränkt und dadurch einen Einfluss auf die Membranstabilität hat (Shityakov und Dandekar, 2011). Es kann aber außer-dem sein, dass verschiedene Lipid-Doppelschichten Unterschiede in ihrer Fähigkeit, Brücken zwischen benachbarten Lipiden auszubilden, aufweisen. Viren und Karbonnanoröhren werden damit in verschiedenen dynamischen Simulati-onen untersucht, um mehr über ihre Interaktionen mit Proteinen und Membranen zu erfahren.
KW  - Kohlenstoff
KW  - Nanoröhre
KW  - Retroviren
KW  - Proteine
KW  - virale Proteine
KW  - retroviral proteins
KW  - nanobiocomposites
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-56960
ER  - 
TY  - THES
A1  - Geissinger, Ulrike
T1  - Vaccinia Virus-mediated MR Imaging of Tumors in Mice: Overexpression of Iron-binding Proteins in Colonized Xenografts
T1  - Vaccinia Virus-vermittelte MR Bildgebung von Tumoren in Maeusen: Ueberexpression von Eisen-bindenden Proteinen in kolonisierten Heterotransplantaten
N2  - Vaccinia virus plays an important role in human medicine and molecular biology ever since the 18th century after E. Jenner discovered its value as a vaccination virus against smallpox. After the successful eradication of smallpox, vaccinia virus, apart from its use as a vaccine carrier, is today mainly used as a viral vector in molecular biology and increasingly in cancer therapy. The capability to specifically target and destroy cancer cells makes it a perfect agent for oncolytic virotherapy. Furthermore, the virus can easily be modified by inserting genes encoding therapeutic or diagnostic proteins to be expressed within the tumor. The emphasis in this study was the diagnosis of tumors using different vaccinia virus strains. Viruses with metal-accumulating capabilities for tumor detection via MRI technology were generated and tested for their usefulness in cell culture and in vivo. The virus strains GLV-1h131, GLV-1h132, and GLV-1h133 carry the gene encoding the two subunits of the iron storage protein ferritin under the control of three different promoters. GLV-1h110, GLV-1h111, and GLV-1h112 encode the bacterial iron storage protein bacterioferritin, whereas GLV-1h113 encodes the codon-optimized version of bacterioferritin for more efficient expression in human cells. GLV-1h22 contains the transferrin receptor gene, which plays an important role in iron uptake, and GLV-1h114 and GLV-1h115 contain the murine transferrin receptor gene. For possibly better iron uptake the virus strains GLV-1h154, GLV-1h155, GLV-1h156, and GLV-1h157 were generated, each with a version of a ferritin gene and a transferrin receptor gene. GLV-1h154 carries the genes that encode bacterioferritin and human transferrin receptor, GLV-1h155 the human ferritin H-chain gene and the human transferrin receptor gene. GLV-1h156 and GLV-1h157 infected cells both express the mouse transferrin receptor and bacterioferritin or human ferritin H-chain, respectively. The virus strains GLV-1h186 and GLV-1h187 were generated to contain a mutated form of the ferritin light chain, which was shown to result in iron overload and the wildtype light chain gene, respectively. The gene encoding the Divalent Metal Transporter 1, which is a major protein in the uptake of iron, was inserted in the virus strain GLV-1h102. The virus strain GLV-1h184 contains the magA gene of the magnetotactic bacterium Magnetospirillum magnetotacticum, which produces magnetic nanoparticles for orientation in the earth’s magnetic field. Initially the infection and replication capability of all the virus strains were analyzed and compared to that of the parental virus strain GLV-1h68, revealing that all the viruses were able to infect cells of the human cancer cell lines A549 and GI-101A. All constructs exhibited a course of infection comparable to that of GLV-1h68. Next, to investigate the expression of the foreign proteins in GI-101A and A549 cells with protein analytical methods, SDS-gelelectrophoresis, Western blots and ELISAs were performed. The proteins, which were expressed under the control of the strong promoters, could be detected using these methods. To be able to successfully detect the protein expression of MagA and DMT1, which were expressed under the control of the weak promoter, the more sensitive method RT-PCR was used to at least confirm the transcription of the inserted genes. The determination of the iron content in infected GI-101A and A549 cells showed that infection with all used virus strains led to iron accumulation in comparison to uninfected cells, even infection with the parental virus strain GLV-1h68. The synthetic phytochelatin EC20 was also shown to enhance the accumulation of different heavy metals in bacterial cultures. In vivo experiments with A549 tumor-bearing athymic nude mice revealed that 24 days post infection virus particles were found mainly in the tumor. The virus-mediated expression of recombinant proteins in the tumors was detected successfully by Western blot. Iron accumulation in tumor lysates was investigated by using the ferrozine assay and led to the result that GLV-1h68-infected tumors had the highest iron content. Histological stainings confirmed the finding that iron accumulation was not a direct result of the insertion of genes encoding iron-accumulating proteins in the virus genome. Furthermore virus-injected tumorous mice were analyzed using MRI technology. Two different measurements were performed, the first scan being done with a seven Tesla small animal scanner seven days post infection whereas the second scan was performed using a three Tesla human scanner 21 days after virus injection. Tumors of mice injected with the virus strains GLV-1h113 and GLV-1h184 were shown to exhibit shortened T2 and T2* relaxation times, which indicates enhanced iron accumulation. In conclusion, the experiments in this study suggest that the bacterioferritin-encoding virus strain GLV-1h113 and the magA-encoding virus strain GLV-1h184 are promising candidates to be used for cancer imaging after further analyzation and optimization.
N2  - Das Vaccinia Virus spielt in der Humanmedizin und Molekularbiologie eine wichtige Rolle seit E. Jenner im 18. Jahrhundert seinen Nutzen als Impfvirus entdeckt hat. Nach der erfolgreichen Ausrottung der Pocken, wird das Vaccinia Virus heutzutage neben der Anwendung als Impfstoffträger hauptsächlich als viraler Vektor in der Molekularbiologie und in zunehmendem Maße in der Krebstherapie verwendet. Die Fähigkeit Krebszellen gezielt zu zerstören, macht es zu einem perfekten Wirkstoff für die onkolytische Virotherapie. Des Weiteren kann das Virus durch das Inserieren von Genen, die für therapeutische oder diagnostische Proteine kodieren, und im Tumor exprimiert werden, modifiziert werden. Der Schwerpunkt dieser Arbeit war die Tumordiagnose mit Hilfe verschiedener Vaccinia Virusstämme. Viren mit der Fähigkeit, Metalle anzureichern wurden zur Tumordetektion mittels Kernspintomographie hergestellt und auf ihre Nutzbarkeit in Zellkultur und in vivo getestet. Die Virusstämme GLV-1h132, GLV-1h132 und GLV-1h133 tragen das Gen, welches für die zwei Untereinheiten des Eisenspeicherproteins Ferritin kodieren unter der Kontrolle von drei verschiedenen Promotoren. GLV-1h110, GLV-1h111, und GLV-1h112 tragen das Gen, welches für das bakterielle Eisenspeicherprotein Bacterioferritin kodiert, wohingegen das inserierte Gen in GLV-1h113 für die codon-optimierte Version dieses Proteins kodiert, die eine effizientere Expression in humanen Zellen ermöglichen soll. GLV-1h22 beinhaltet das Transferrin-Rezeptor-Gen, welches eine wichtige Rolle in der Eisenaufnahme spielt, und GLV-1h114 und GLV-1h115 beinhalten das murine Transferrin-Rezeptor-Gen. Für eine möglicherweise bessere Eisenaufnahme wurden die Virusstämme GLV-1h154, GLV-1h155, GLV-1h156 und GLV-1h157 mit je einer Version eines Ferritin-Gens und eines Transferrin-Rezeptor-Gens generiert. GLV-1h154 trägt die Gene, die für Bacterioferritin und den humanen Transferrin Rezeptor kodieren, GLV-1h155 trägt die Gene für die humane Ferritin H-Untereinheit und den humanen Transferrin Rezeptor. Zellen, die mit GLV-1h156 und GLV-1h157 infiziert wurden, exprimierten den Maus-Transferrin-Rezeptor und Bacterioferritin beziehungsweise die humane Ferritin-H-Untereinheit. Die Virusstämme GLV-1h186 und GLV-1h187 wurden mit einer mutierten Form der leichten Untereinheit von Ferritin, für die eine Überladung mit Eisen gezeigt wurde, beziehungsweise mit der leichten Untereinheit des wildtypischen Gens ausgestattet. Das Gen, das für den Divalenten Metal Transporter 1 kodiert, welches ein bedeutendes Protein für die Aufnahme von Eisen darstellt, wurde in den Virusstamm GLV-1h102 inseriert. Der Virusstamm GLV-1h184 trägt das magA Gen des magnetotaktischen Bakteriums Magnetospirillum magnetotacticum, welches magnetische Nanopartikel zur Orientierung im Erdmagnetfeld produziert. Zunächst wurde die Infektions- und Replikationsfähigkeit aller Viren analysiert und mit der des Ausgangsstammes GLV-1h68 verglichen, was zeigte, dass alle Viren in der Lage waren humane Krebszellen der Zelllinien GI-101A und A549 zu infizieren. Alle Konstrukte zeigten einen vergleichbaren Infektionsverlauf zu GLV-1h68. Als nächstes, um die Expression der fremden Proteine in GI-101A und A549 Zellen zu untersuchen, wurden SDS-Gelelektrophorese, Western Blots und ELISAs durchgeführt. Die Proteine, welche unter der Kontrolle von starken Promotoren exprimiert wurden, konnten mit diesen Methoden detektiert werden. Um die Expression von MagA und DMT1 zu detektieren, welche unter der Kontrolle des schwachen Promotors exprimiert wurden, wurde die sensitivere Methode RT-PCR angewendet, mit der zumindest die Transkription der Gene nachgewiesen werden konnte. Die Bestimmung des Eisengehaltes in infizierten GI-101A und A549 Zellen zeigte, dass die Infektion mit allen Viren im Vergleich zu uninfizierten Zellen zu einer Eisenanreicherung führte, sogar die Infektion mit dem Ausgangsstamm GLV-1h68. Für das synthetische Phytochelatin EC20 wurde auch eine Anhäufung von verschiedenen Schwermetallen in Bakterienkulturen gezeigt. In vivo Experimente mit A549 tumor-tragenden athymischen Nacktmäusen ergaben, dass Viruspartikel 24 Tage nach der Infektion hauptsächlich im Tumor gefunden wurden. Die von den Viren vermittelte Expression der rekombinanten Proteine in den Tumoren wurde erfolgreich mit Hilfe von Western Blots detektiert. Die Eisenansammlung in Tumorlysaten wurde mit dem Ferrozine Assay untersucht und führte zu dem Ergebnis, dass Tumore, die mit GLV-1h68 infiziert wurden, den höchsten Eisengehalt vorwiesen. Histologische Färbungen bestätigten die Erkenntnis, dass die Eisenansammlung nicht ein direktes Resultat der Insertion von eisenansammelnden Genen in das Virusgenom war. Darüberhinaus wurden tumortragende Mäuse, denen Virus injiziert wurde, mittels Kernspintomographie analysiert. Zwei verschiedene Messungen wurden durchgeführt, wobei die erste Messung sieben Tage nach Virusinjektion mit einem sieben Tesla Kleintier-Scanner durchgeführt wurde und die zweite Messung mit einem humanen drei Tesla Scanner 21 Tage nach Virusinjektion. Tumore von Mäusen, die mit den Virusstämmen GLV-1h113 und GLV-1h184 injiziert wurden, zeigten verkürzte T2- und T2*-Relaxationszeiten, was auf eine verbesserte Eisenakkumulation hinweist. Zusammenfassend deuten die Experimente dieser Studie darauf hin, dass der Virusstamm GLV-1h113, welcher für Bacterioferritin kodiert, und der Virusstamm GLV-1h184, welcher für MagA kodiert, nach weiterer Untersuchung und Optimierung vielversprechende Kandidaten für die Krebs Bildgebung sind.
KW  - Vaccinia-Virus
KW  - NMR-Tomographie
KW  - Tumor
KW  - Krebsbildgebung
KW  - Tumordetektion
KW  - Vaccinia Virus
KW  - Tumor detection
KW  - MRI
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-48099
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TY  - THES
A1  - Heisig, Martin
T1  - Development of novel Listeria monocytogenes strains as therapeutic agents for targeted tumor therapy
T1  - Entwicklung von neuen Listeria monocytogenes Stämmen zur Anwendung in der Tumortherapie
N2  - Despite marked progress in development and improvement of cancer therapies the rate of cancer related death remained stable over the last years. Especially in treating metastases alternative approaches supporting current therapies are required. Bacterial and viral vectors have been advanced from crude tools into highly sophisticated therapeutic agents detecting and treating neoplastic leasions. They might be potent enough to fill in this therapeutic demand. In this thesis Listeria monocytogenes was investigated as carrier for targeted bacterial cancer therapy. One part of the study focussed on modification of a functional bacterial mRNA delivery system. Genomic integration of T7 RNA polymerase driving mRNA production allowed reduction to an one-plasmid-system and thereby partially relieved the growth retardation exerted by mRNA delivery. Importantly the integration allowed metabolic attenuation of the mRNA delivery mutant potentially enabling in vivo applications. Further expansion of the bacterial RNA delivery system for transfer of shRNAs was examined. Bacterial mutants producing high amounts of RNA containing shRNA sequences were constructed, however a functional proof of gene silencing on delivery in eukaryotic cell lines was not achieved. The second part of this thesis focussed on increasing tumor colonization by Listeria monocytogenes in vivo. Coating bacteria with antibodies against receptors overexpressed on distinct tumor cell lines enabled specific bacterial internalization into these cells in vitro. Optimization of the bacterial antibody coating process resulted in an up to 104-fold increase of intracellular bacteria. Combination of this antibody-mediated targeting with the delivery of prodrug-converting enzymes showed a cytotoxic effect in cell lines treated with the corresponding prodrug. Since incubation in murine serum completely abrogated antibodymediated bacterial internalization the antibodies were covalently linked to the bacteria for application in xenografted tumor mice. Bacteria coated and crosslinked in this manner showed enhanced tumor targeting in a murine tumor model demonstrating antibodymediated bacterial tumor targeting in vivo. Independent of antibody-mediated tumor targeting the intrinsic tumor colonization of different Listeria monocytogenes mutants was examined. Listeria monocytogenes ΔaroA ΔinlGHE colonized murine melanoma xenografts highly efficient, reaching up to 108 CFU per gram of tumor mass 7 days post infection. Taken together the presented data shows highly promising aspects for potential bacterial application in future tumor therapies. Combination of the delivery systems with antibodymediated- and intrinsic bacterial tumor targeting might open novel dimensions utilizing Listeria monocytogenes as therapeutic vector in targeted tumor therapy.
N2  - Die Weiterentwicklung der Therapiemöglichkeiten bei Krebserkrankungen hat trotz deutlicher Fortschritte nicht zu einer grundsätzlichen Verringerung der krebsbedingten Sterberate geführt. Besonders in der Behandlung von Metastasen werden alternative Therapieansätze zur Unterstützung der etablierten Standardmethoden benötigt. Insbesondere bakterielle und virale Vektoren wurden von groben Werkzeugen zu hochtechnischen therapeutischen Instrumenten verfeinert und könnten in der Zukunft diese therapeutische Lücke schliessen. In dieser Arbeit wurden verschiedene Aspekte der Anwendung von Listeria monocytogenes in der bakteriellen Tumortherapie untersucht. Im ersten Teil der Arbeit wurde das bereits publizierte System zur bakteriellen Übertragung von mRNAs modifiziert. Die genomische Integration der T7 RNA Polymerase, welche die mRNA herstellt, erlaubte die Reduktion der Plasmidzahl und verringerte die Stoffwechselbelastung auf die RNA-übertragenden Bakterien. Diese Integration erlaubte zum ersten Mal die metabolische Attenuation von RNAübertragenden Listerien und ermöglicht damit den in vivo Einsatz dieser Stämme. Als Erweiterung zur bakteriellen mRNA Übertragung wurde die Übetragung von shRNAs untersucht. Obwohl große Mengen an bakteriellen RNAs nachgewiesen wurden, die die shRNA Sequenz enthielten, konnte nach Infektion eukaryotischer Zellen mit diesen Bakterienmutanten keine funktionale Genregulation nachgewiesen werden. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde mit verschiedenen Methoden die Kolonisierung von Tumoren durch Listeria monocytoges verbessert. Durch Beladung der Bakterien mit Antikörpern gegen Rezeptoren, die auf bestimmten Tumorzellen überexprimiert werden, wurde die bakterielle Internalisierung in diese Zelllinien ermöglicht. Durch Optimierung des Antikörper-Beladungsprozesses konnte die Antikörper-vermittelte bakterielle Internalisierung auf das 104 fache der Kontrollen gesteigert werden. In Verbindung mit der Übertragung von Enzymen, die Medikamentenvorstufen in cytotoxische Medikamente umwandeln, konnten in Zellen, die mit der Medikamentenvorstufe inkubiert wurden, zytotoxische Effekte beobachtet werden. Da aber die Behandlung Antikörper-beladener Bakterien mit murinem Serum die spezifische Internalisierung vollständig verhindert, wurden die Antikörper für die Anwendung in Xenograft Tumormäusen kovalent an die Bakterien gebunden. Auf diese Weise behandelte Bakterien zeigten eine verbesserte Tumorzielsteuerung bei Beladung mit tumorbindenden Antikörpern. Unabhängig von der Antikörper-vermittelten Tumorzielsteuerung wurde die Tumorkolonisation verschiedener Listeria monocytogenes Mutanten untersucht. Insbesondere Listeria monocytogenes ΔaroA ΔinlGHE kolonisierte Melanom-Xenograft Tumoren sehr effizient und erreicht bis zu 108 CFU pro Gramm Tumormasse. Zusammengefasst zeigt diese Arbeit verschiedene vielversprechende Aspekte der bakteriellen Tumortherapie, die möglicherweise in Zukunft angewandt werden können. Durch Verbindung der RNA-Transfersysteme mit Antikörper-vermittelter- und intrinsischer Tumorzielsteuerung können neue Möglichkeiten für den Einsatz von Listeria monocytogenes als therapeutischer Vektor geschaffen werden.
KW  - Krebs <Medizin>
KW  - Therapie
KW  - Angewandte Mikrobiologie
KW  - bacterial cancer therapy
KW  - bacterial tumor targeting
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-48628
ER  - 
TY  - THES
A1  - Brandstaetter, Andreas Simon
T1  - Neuronal correlates of nestmate recognition in the carpenter ant, Camponotus floridanus
T1  - Neuronale Korrelate der Nestgenossen-Erkennung bei der Rossameise, Camponotus floridanus
N2  - Cooperation is beneficial for social groups and is exemplified in its most sophisticated form in social insects. In particular, eusocial Hymenoptera, like ants and honey bees, exhibit a level of cooperation only rarely matched by other animals. To assure effective defense of group members, foes need to be recognized reliably. Ants use low-volatile, colony-specific profiles of cuticular hydrocarbons (colony odor) to discriminate colony members (nestmates) from foreign workers (non-nestmates). For colony recognition, it is assumed that multi-component colony odors are compared to a neuronal template, located in a so far unidentified part of the nervous system, where a mismatch results in aggression. Alternatively, a sensory filter in the periphery of the nervous system has been suggested to act as a template, causing specific anosmia to nestmate colony odor due to sensory adaptation and effectively blocking perception of nestmates. Colony odors are not stable, but change over time due to environmental influences. To adjust for this, the recognition system has to be constantly updated (template reformation). In this thesis, I provide evidence that template reformation can be induced artificially, by modifying the sensory experience of carpenter ants (Camponotus floridanus; Chapter 1). The results of the experiments showed that template reformation is a relatively slow process taking several hours and this contradicts the adaptation-based sensory filter hypothesis. This finding is supported by first in-vivo measurements describing the neuronal processes underlying template reformation (Chapter 5). Neurophysiological measurements were impeded at the beginning of this study by the lack of adequate technical means to present colony odors. In a behavioral assay, I showed that tactile interaction is not necessary for colony recognition, although colony odors are of very low volatility (Chapter 2). I developed a novel stimulation technique (dummy-delivered stimulation) and tested its suitability for neurophysiological experiments (Chapter 3). My experiments showed that dummy-delivered stimulation is especially advantageous for presentation of low-volatile odors. Colony odor concentration in headspace was further increased by moderately heating the dummies, and this allowed me to measure neuronal correlates of colony odors in the peripheral and the central nervous system using electroantennography and calcium imaging, respectively (Chapter 4). Nestmate and non-nestmate colony odor elicited strong neuronal responses in olfactory receptor neurons of the antenna and in the functional units of the first olfactory neuropile of the ant brain, the glomeruli of the antennal lobe (AL). My results show that ants are not anosmic to nestmate colony odor and this clearly invalidates the previously suggested sensory filter hypothesis. Advanced two-photon microscopy allowed me to investigate the neuronal representation of colony odors in different neuroanatomical compartments of the AL (Chapter 5). Although neuronal activity was distributed inhomogeneously, I did not find exclusive representation restricted to a single AL compartment. This result indicates that information about colony odors is processed in parallel, using the computational power of the whole AL network. In the AL, the patterns of glomerular activity (spatial activity patterns) were variable, even in response to repeated stimulation with the same colony odor (Chapter 4&5). This finding is surprising, as earlier studies indicated that spatial activity patterns in the AL reflect how an odor is perceived by an animal (odor quality). Under natural conditions, multi-component odors constitute varying and fluctuating stimuli, and most probably animals are generally faced with the problem that these elicit variable neuronal responses. Two-photon microscopy revealed that variability was higher in response to nestmate than to non-nestmate colony odor (Chapter 5), possibly reflecting plasticity of the AL network, which allows template reformation. Due to their high variability, spatial activity patterns in response to different colony odors were not sufficiently distinct to allow attribution of odor qualities like ‘friend’ or ‘foe’. This finding challenges our current notion of how odor quality of complex, multi-component odors is coded. Additional neuronal parameters, e.g. precise timing of neuronal activity, are most likely necessary to allow discrimination. The lower variability of activity patterns elicited by non-nestmate compared to nestmate colony odor might facilitate recognition of non-nestmates at the next level of the olfactory pathway. My research efforts made the colony recognition system accessible for direct neurophysiological investigations. My results show that ants can perceive their own nestmates. The neuronal representation of colony odors is distributed across AL compartments, indicating parallel processing. Surprisingly, the spatial activity patterns in response to colony are highly variable, raising the question how odor quality is coded in this system. The experimental advance presented in this thesis will be useful to gain further insights into how social insects discriminate friends and foes. Furthermore, my work will be beneficial for the research field of insect olfaction as colony recognition in social insects is an excellent model system to study the coding of odor quality and long-term memory mechanisms underlying recognition of complex, multi-component odors.
N2  - Kooperation innerhalb sozialer Gruppen ist vorteilhaft und zeigt sich bei sozialen Insekten in seiner am höchsten entwickelten Form. Besonders eusoziale Hymenopteren, wie Ameisen und Honigbienen, zeigen ein Maß an Kooperation, das nur selten von anderen Tierarten erreicht wird. Um eine effektive Verteidigung der Gruppenmitglieder sicher zu stellen, ist die zuverlässige Erkennung von Feinden unerlässlich. Ameisen verwenden schwerflüchtige, koloniespezifische Profile kutikulärer Kohlenwasserstoffe (Kolonieduft) zur Unterscheidung zwischen Gruppenmitgliedern (Nestgenossen) und fremden Arbeiterinnen (Nestfremdlinge). Man geht davon aus, dass die aus einer Vielzahl von Komponenten bestehenden Koloniedüfte zum Zweck der Kolonieerkennung mit einer neuronalen Schablone, welche sich an bisher unbestimmter Stelle im Nerven-system befindet, abgeglichen werden. Dabei führt eine Diskrepanz zwischen Schablone und Kolonieduft zu Aggression. Eine alternative Hypothese besagt, dass ein sensorischer Filter in der Peripherie des Nervensystems die Aufgabe einer neuronalen Schablone übernimmt. Dies würde mittels sensorischer Adaptation zu spezifischer Anosmie gegenüber Nestgenossen-Kolonieduft führen, so dass die Wahrnehmung von Nestgenossen effektiv verhindert wäre. Allerdings sind Koloniedüfte nicht stabil, sondern verändern sich im Lauf der Zeit aufgrund von Umwelteinflüssen. Um dies zu kompensieren, muss das Erkennungssystem fortwährend aktualisiert werden (Schablonenerneuerung). In dieser Arbeit erbringe ich den Nachweis, dass bei Rossameisen (Camponotus floridanus) die Schablonenerneuerung artifiziell durch Modifizierung der sensorischen Erfahrung induziert werden kann (Kapitel 1). Die Ergebnisse der in Kapitel 1 beschriebenen Experimente zeigen, dass die Schablonenerneuerung ein relativ langsamer Prozess ist, der mehrere Stunden in Anspruch nimmt. Dies widerspricht der Hypothese eines sensorischen Filters, welcher auf sensorischer Adaptation beruht. Dieser Befund konnte mittels erster in-vivo Messungen bestätigt werden, mit Hilfe derer die der Schablonenerneuerung zugrunde liegenden neuronalen Prozesse beschrieben wurden (Kapitel 5). Die neurophysiologischen Messungen wurden zu Beginn dieser Studie durch das Fehlen eines adäquaten Mittels zur Präsentation von Koloniedüften erschwert. In einem Verhaltensversuch konnte ich zeigen, dass taktile Interaktionen für die Kolonieerkennung nicht notwendig sind (Kapitel 2). Ich entwickelte eine neuartige Stimulierungsmethode (Dummy-vermittelte Stimulierung) und testete deren Eignung für neurophysiologische Experimente (Kapitel 3). Meine Experimente zeigten, dass die Dummy-vermittelte Stimulierung besonders für die Präsentation von schwerflüchtigen Düften geeignet ist. Die Konzentration von Koloniedüften im Gasraum konnte durch moderates Aufheizen der Dummys weiter gesteigert werden. Dies erlaubte mir, die neuronalen Korrelate von Koloniedüften im peripheren und im zentralen Nervensystem mittels Elektroantennographie bzw. funktionaler Bildgebung (Calcium Imaging) zu messen (Kapitel 4). Nestgenossen- und Nestfremdlings-Koloniedüfte riefen starke neuronale Antworten in den olfaktorischen Rezeptorneuronen der Antenne und in den funktionalen Einheiten des ersten olfaktorischen Neuropils des Ameisengehirns, den Glomeruli des Antennallobus (AL), hervor. Meine Ergebnisse zeigen, dass Ameisen nicht anosmisch gegenüber Nestgenossen-Koloniedüften sind, womit die vorgeschlagene Hypothese eines sensorischen Filters eindeutig für ungültig erklärt werden kann. Mittels fortschrittlicher Zwei-Photonen-Mikroskopie konnte ich die neuronale Repräsentation von Koloniedüften in verschiedenen neuroanatomischen Kompartimenten des AL messen (Kapitel 5). Obgleich die neuronale Aktivität inhomogen verteilt war, konnte ich keine exklusive Repräsentation finden, die auf ein einzelnes AL-Kompartiment beschränkt gewesen wäre. Dieses Ergebnis weist darauf hin, dass Informationen über Koloniedüfte parallel verarbeitet werden und dies erlaubt die Nutzung der Rechenleistung des kompletten AL-Netzwerkes. Im AL waren die Muster glomerulärer Aktivität (räumliche Aktivitätsmuster) variabel, selbst wenn sie durch wiederholte Stimulierung mit dem gleichen Kolonieduft hervorgerufen wurden (Kapitel 4&5). Dieser Befund ist insofern überraschend, als frühere Studien darauf hinwiesen, dass die räumlichen Aktivitätsmuster im AL widerspiegeln, wie ein Duft von einem Tier wahrge¬nommen wird (Duftqualität). Unter natürlichen Bedingungen stellen Düfte, die aus einer Vielzahl von Komponenten bestehen, variable und fluktuierende Stimuli dar. Höchstwahrscheinlich sind Tiere generell mit dem Problem konfrontiert, dass solche Düfte variable neuronale Antworten hervorrufen. Mittels Zwei-Photonen-Mikroskopie konnte ich zeigen, dass die Variabilität in Antwort auf Nestgenossen-Kolonieduft höher war als in Antwort auf Nestfremdlings-Kolonieduft (Kapitel 5). Möglicherweise spiegelt dies jene Plastizität im AL-Netzwerk wider, welche die Schablonenerneuerung ermöglicht. Aufgrund ihrer hohen Variabilität waren die von verschiedenen Koloniedüften hervorgerufenen räumlichen Aktivierungsmuster nicht hinreichend unterschiedlich, um eine Zuordnung von Duft-qualitäten wie ‚Freund‘ oder ‚Feind‘ zu erlauben. Dieser Befund stellt unsere momentane Auffassung in Frage, wie die Duftqualität komplexer, aus vielen Komponenten bestehender Düfte kodiert wird. Höchstwahrscheinlich sind zusätzliche neuronale Parameter, wie z.B. die präzise, zeitliche Koordinierung neuronaler Aktivität, zur Diskriminierung notwendig. Die geringere Variabilität der von Nestfremdlings-Kolonieduft hervorgerufenen Aktivitätsmuster könnte die Erkennung von Nestfremdlingen auf der nächsten Ebene der olfaktorischen Bahn begünstigen. Meine Forschungsarbeit hat das Kolonieerkennungssystem für direkte neurophysiologische Untersuchungen zugänglich gemacht. Meine Ergebnisse zeigen, dass Ameisen ihre eigenen Nest-genossen wahrnehmen können. Die neuronale Repräsentation von Koloniedüften ist über die AL-Kompartimente verteilt, was auf eine parallele Verarbeitung hinweist. Desweiteren könnte die geringere Variabilität der von Nestfremdlings-Kolonieduft hervorgerufenen Aktivitätsmuster die Erkennung von Nestfremdlingen auf der nächsten Ebene der olfaktorischen Bahn begünstigen. Erstaunlicherweise sind die räumlichen Aktivitätsmuster in Antwort auf Koloniedüfte hochvariabel. Die wirft die Frage auf, wie in diesem System die Duftqualität kodiert wird. Der experimentelle Fortschritt, den ich in dieser Doktorarbeit vorstelle, wird nützlich sein, um weitere Erkenntnisse zu gewinnen, wie soziale Insekten Freunde von Feinden unterscheiden. Desweiteren wird meine Arbeit dem Forschungsbereich Insektenolfaktion zuträglich sein, da die Kolonieerkennung bei sozialen Insekten ein hervorragendes Modelsystem darstellt, um die Kodierung von Duftqualität zu erforschen, sowie Langzeitmechanismen, die der Erkennung komplexer, aus vielen Komponenten bestehender Düfte zugrunde liegen.
KW  - Neuroethologie
KW  - Camponotus floridanus
KW  - Ameisenstaat
KW  - Kutikula
KW  - Kohlenwasserstoffe
KW  - Kolonieerkennung
KW  - kutikuläre Kohlenwasserstoffe
KW  - funktionale Bildgebung
KW  - Verhalten
KW  - Neurophysiologie
KW  - Soziobiologie
KW  - Erkennung
KW  - Geruch
KW  - neuroethology
KW  - colony recognition
KW  - cuticular hydrocarbons
KW  - social insects
KW  - aggressive behavior
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-55963
ER  - 
TY  - THES
A1  - Keller, Alexander
T1  - Secondary (and tertiary) structure of the ITS2 and its application for phylogenetic tree reconstructions and species identification
T1  - Sekundär- und Tertiärstruktur der ITS2 und Anwendung für phylogenetische Baumberechnungen und Arteerkennung
N2  - Biodiversity may be investigated and explored by the means of genetic sequence information and molecular phylogenetics. Yet, with ribosomal genes, information for phylogenetic studies may not only be retained from the primary sequence, but also from the secondary structure. Software that is able to cope with two dimensional data and designed to answer taxonomic questions has been recently developed and published as a new scientific pipeline. This thesis is concerned with expanding this pipeline by a tool that facialiates the annotation of a ribosomal region, namely the ITS2. We were also able to show that this states a crucial step for secondary structure phylogenetics and for data allocation of the ITS2-database. This resulting freely available tool determines high quality annotations. In a further study, the complete phylogenetic pipeline has been evaluated on a theoretical basis in a comprehensive simulation study. We were able to show that both, the accuracy and the robustness of phylogenetic trees are largely improved by the approach. The second major part of this thesis concentrates on case studies that applied this pipeline to resolve questions in taxonomy and ecology. We were able to determine several independent phylogenies within the green algae that further corroborate the idea that secondary structures improve the obtainable phylogenetic signal, but now from a biological perspective. This approach was applicable in studies on the species and genus level, but due to the conservation of the secondary structure also for investigations on the deeper level of taxonomy. An additional case study with blue butterflies indicates that this approach is not restricted to plants, but may also be used for metazoan phylogenies. The importance of high quality phylogenetic trees is indicated by two ecological studies that have been conducted. By integrating secondary structure phylogenetics, we were able to answer questions about the evolution of ant-plant interactions and of communities of bacteria residing on different plant tissues. Finally, we speculate how phylogenetic methods with RNA may be further enhanced by integration of the third dimension. This has been a speculative idea that was supplemented with a small phylogenetic example, however it shows that the great potential of structural phylogenetics has not been fully exploited yet. Altogether, this thesis comprises aspects of several different biological disciplines, which are evolutionary biology and biodiversity research, community and invasion ecology as well as molecular and structural biology. Further, it is complemented by statistical approaches and development of informatical software. All these different research areas are combined by the means of bioinformatics as the central connective link into one comprehensive thesis.
N2  - Biologische Diversität kann mit Hilfe molekularer Sequenzinformation und phylogenetischen Methoden erforscht und erfasst werden. Bei ribosomalen Genen kann man jedoch wertvolle Information nicht nur aus der Primärsequenz beziehen, sondern auch aus der Sekundärstruktur. In den letzen Jahren wurde Software entwickelt, die solche Daten für taxonomische Fragestellung verwerten kann. Diese Arbeit beschäftigt sich mit einer Erweiterung dieser Methodik durch eine Software-Anwendung, die die Annotation des ribosomalen Genes ITS2 deutlich vereinfacht. Mit dieser Studie konnten wir zeigen, dass dies einen entscheidenden Schritt der Sequenz-Struktur-Phylogenie und der Datenerfassung der ITS2-Datenbank darstellt. Die daraus resultierende und frei verfügbare Anwendung ermöglicht Annotationen von hoher Güte. In einer weiteren Studie wurde mittels Simulationen der gesamte Arbeitsfluß der Sequenz-Struktur Phylogenie auf theoretischer Ebene evaluiert. Dabei zeigte sich, dass sich sowohl die Genauigkeit, als auch die Robustheit von phylogenetischen Stammbäumen durch diesen Ansatz deutlich verbessern. Der zweite große Teil der Arbeit befasst sich mit Fallbeispielen, in denen dieser Arbeitsfluß zur Aufklärung von taxomonischen and ökologischen Fragestellungen Anwendung fand. In diesem Rahmen konnten wir mehrere und voneinander unabhängige Phylogenien ermitteln, welche die theoretischen Ergebnisse einer Verbesserung phylogenetischer Bäume auch von biologischer Seite aus bekräftigen. Der Ansatz war anwendbar in sehr feinskaligen Studien auf Art bzw. Gattungsniveau, aber durch die starke Konservierung der Sekundärstruktur auch an sehr weit von einander entfernten taxonomischen Gruppen. Eine weitere Studie, die sich mit der Phylogenie von Bläulingen befasst, zeigt deutlich, dass dieser Ansatz nicht nur für Fragestellungen bei Pflanzen, sondern auch im Tierreich angewandt werden kann. Die Bedeutung von qualitativ hochwertigen Stammbäumen auch für andere Fachbereiche wird an zwei unserer ökologischen Studien deutlich: Mit Hinzunahme von Sekundärstruktur war es uns möglich Fragestellungen über die Evolution von Ameisen-Pflanzen Interaktionen sowie über ökologische Gemeinschaften von Bakterien auf verschiedenen Pflanzenteilen zu beantworten. Zuletzt gehen wir spekulativ auf die Frage ein, wie Strukturphylogenie um die dritte Dimension erweitert werden kann. Dies bleibt zwar spekulativ und wurde nur um ein kleines Fallbeispiel ergänzt, jedoch zeigt sich deutlich, dass das Potential von Strukturphylogenie noch nicht erschöpft ist. Insgesamt befasst sich diese Arbeit mit Aspekten aus verschiedenen biologischen Disziplinen: Evolutionsbiologie und Biodiversitätsforschung, sowie Gemeinschafts- und Invasionsökologie, aber auch Molekular- und Strukturbiologie. Dies wurde ergänzt durch statistische Ansätze und Entwicklung von informatischer Software. Diese verschiedenen Forschungsrichtungen wurden mit Hilfe der Bioinformatik als zentrales Bindeglied vereint.
KW  - Phylogenie
KW  - Evolution
KW  - Sekundärstruktur
KW  - DNS-Sequenz
KW  - Algen
KW  - Ribosomale RNS
KW  - rRNA
KW  - secondary structure
KW  - phylogeny evolution
KW  - sequence
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-56151
ER  - 
TY  - THES
A1  - Arumugam, Manimozhiyan
T1  - Comparative metagenomic analysis of the human intestinal microbiota
T1  - Vergleichende metagenomische Analyse des menschlichen Darmflora
N2  - The human gut is home for thousands of microbes that are important for human life. As most of these cannot be cultivated, metagenomics is an important means to understand this important community. To perform comparative metagenomic analysis of the human gut microbiome, I have developed SMASH (Simple metagenomic analysis shell), a computational pipeline. SMASH can also be used to assemble and analyze single genomes, and has been successfully applied to the bacterium Mycoplasma pneumoniae and the fungus Chaetomium thermophilum. In the context of the MetaHIT (Metagenomics of the human intestinal tract) consortium our group is participating in, I used SMASH to validate the assembly and to estimate the assembly error rate of 576.7 Gb metagenome sequence obtained using Illumina Solexa technology from fecal DNA of 124 European individuals. I also estimated the completeness of the gene catalogue containing 3.3 million open reading frames obtained from these metagenomes. Finally, I used SMASH to analyze human gut metagenomes of 39 individuals from 6 countries encompassing a wide range of host properties such as age, body mass index and disease states. We find that the variation in the gut microbiome is not continuous but stratified into enterotypes. Enterotypes are complex host-microbial symbiotic states that are not explained by host properties, nutritional habits or possible technical biases. The concept of enterotypes might have far reaching implications, for example, to explain different responses to diet or drug intake. We also find several functional markers in the human gut microbiome that correlate with a number of host properties such as body mass index, highlighting the need for functional analysis and raising hopes for the application of microbial markers as diagnostic or even prognostic tools for microbiota-associated human disorders.
N2  - Der menschliche Darm beheimatet tausende Mikroben, die für das menschliche Leben wichtig sind. Da die meisten dieser Mikroben nicht kultivierbar sind, ist „Metagenomics“ ein wichtiges Werkzeug zum Verständnis dieser wichtigen mikrobiellen Gemeinschaft. Um vergleichende Metagenomanalysen durchführen zu können, habe ich das Computerprogramm SMASH (Simple metagenomic analysis shell) entwickelt. SMASH kann auch zur Assemblierung und Analyse von Einzelgenomen benutzt werden und wurde erfolgreich auch das Bakterium Mycoplasma pneumoniae und den Pilz Chaetomium thermophilum angewandt. Im Zusammenhang mit der Beteiligung unserer Arbeitsgruppe am MetaHIT (Metagenomics of the human intestinal tract) Konsortium, habe ich SMASH benutzt um die Assemblierung zu validieren und die Fehlerrate der Assemblierung von 576.7 Gb Metagenomsequenzen, die mit der Illumina Solexa Technologie aus der fäkalen DNS von 124 europäischen Personen gewonnen wurde, zu bestimmen. Des Weiteren habe ich die Vollständigkeit des Genkatalogs dieser Metagenome, der 3.3 Millionen offene Leserahmen enthält, geschätzt. Zuletzt habe ich SMASH benutzt um die Darmmetagenome von 39 Personen aus 6 Ländern zu analysieren. Hauptergebnis dieser Analyse war, dass die Variation der Darmmikrobiota nicht kontinuierlich ist. Anstatt dessen fanden wir so genannte Enterotypen. Enterotypen sind komplexe Zustände der Symbiose zwischen Wirt und Mikroben, die sich nicht durch Wirteigenschaften, wie Alter, Body-Mass-Index, Erkrankungen und Ernährungseigenschaften oder ein mögliches technisches Bias erklären lassen. Das Konzept der Enterotypen könnte weitgehende Folgen haben. Diese könnten zum Beispiel die unterschiedlichen Reaktionen auf Diäten oder Medikamenteneinahmen erklären. Weiterhin konnten wir eine Anzahl an Markern im menschlichen Darmmikrobiome finden, die mit unterschiedlichen Wirtseigenschaften wie dem Body-Mass-Index korrelieren. Dies hebt die Wichtigkeit dieser Analysemethode hervor und erweckt Hoffnungen auf Anwendung mikrobieller Marker als diagnostisches oder sogar prognostisches Werkzeug für menschliche Erkrankungen in denen das Mikrobiom eine Rolle spielt.
KW  - Darmflora
KW  - Metagenom
KW  - Bioinformatik
KW  - human gut microbiome
KW  - metagenomics
KW  - comparative metagenomics
KW  - computational analysis
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-55903
ER  - 
TY  - THES
A1  - Aso, Yoshinori
T1  - Dissecting the neuronal circuit for olfactory learning in Drosophila
T1  - Die neuronale Schaltung für olfaktorisches Lernen in Drosophila
N2  - This thesis consists of three major chapters, each of which has been separately published or under the process for publication. The first chapter is about anatomical characterization of the mushroom body of adult Drosophila melanogaster. The mushroom body is the center for olfactory learning and many other functions in the insect brains. The functions of the mushroom body have been studied by utilizing the GAL4/UAS gene expression system. The present study characterized the expression patterns of the commonly used GAL4 drivers for the mushroom body intrinsic neurons, Kenyon cells. Thereby, we revealed the numerical composition of the different types of Kenyon cells and found one subtype of the Kenyon cells that have not been described. The second and third chapters together demonstrate that the multiple types of dopaminergic neurons mediate the aversive reinforcement signals to the mushroom body. They induce the parallel memory traces that constitute the different temporal domains of the aversive odor memory. In prior to these chapters, “General introduction and discussion” section reviews and discuss about the current understanding of neuronal circuit for olfactory learning in Drosophila.
N2  - Diese Dissertation umfasst drei Kapitel. Das erste Kapitel handelt von der anatomischen Charakterisierung des Pilzkörpers in adulten Drosophila melanogaster. Der Pilzkörper ist das Zentrum für olfaktorisches Lernen und viele andere Funktionen im Insektengehirn. Diese wurden mit Hilfe des GAL4/UAS Genexpressionssystems untersucht. Die vorliegende Arbeit charakterisiert die Expressionsmuster der gewöhnlich verwendeten GAL4 Treiberlinien für die Pilzkörperintrinsischen Neurone, den Kenyonzellen. Dabei zeigten ich die zahlenmäßige Zusammensetzung der unterschiedlichen Kenyonzelltypen und fanden einen Kenyonzellsubtyp, welcher bisher noch nicht beschrieben wurde. Das zweite und dritte Kapitel zeigen, dass verschiedene Typen dopaminerger Neurone aversive Verstärkungssignale (Unkonditionierte Stimuli) zum Pilzkörper übermitteln. Sie induzieren parallele Gedächtnisspuren, welche den unterschiedlichen zeitlichen Komponenten von aversivem Duftgedächtnis zugrunde liegen. Vor diesen Kapiteln enthält der Abschnitt „General introduction and discussion” einen Überblick und eine Diskussion über das derzeitige Verständnis des neuronalen Netzwerks, welches olfaktorischem Lernen in Drosophila zugrunde liegt.
KW  - Taufliege
KW  - Geruchswahrnehmung
KW  - Lernverhalten
KW  - Pilzkörper
KW  - olfaktorisches Lernen
KW  - Drosophila
KW  - olfactory learning
KW  - Drosophila
KW  - mushroom body
KW  - Dopamine
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-55483
ER  - 
TY  - CHAP
A1  - Fiala, Brigitte
A1  - Rabenstein, R.
A1  - Maschwitz, Ulrich
T1  - Ant-attracting plant-structures: Food bodies of SE Asian Vitaceae
N2  - No abstract available
KW  - Pflanzen
Y1  - 1994
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-55177
ER  - 
TY  - CHAP
A1  - Fiala, Brigitte
A1  - Federle, W.
A1  - Maschwitz, U.
A1  - Azarae, Idris
T1  - The first myrmecophytic 2-partner-system in the genus Macaranga: The association between Macaranga puncticulata and a Componotus (Colobopsis) in Malaysia
N2  - No abstract available
KW  - Biologie
Y1  - 1994
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-55144
ER  -