TY - THES A1 - Bemm, Felix Mathias T1 - Genetic foundation of unrivaled survival strategies - Of water bears and carnivorous plants - T1 - Genetische Grundlagen einzigartiger Überlebensstrategien - Über Bärtierchen und fleischfressende Pflanzen - N2 - All living organisms leverage mechanisms and response systems to optimize reproduction, defense, survival, and competitiveness within their natural habitat. Evolutionary theories such as the universal adaptive strategy theory (UAST) developed by John Philip Grime (1979) attempt to describe how these systems are limited by the trade-off between growth, maintenance and regeneration; known as the universal three-way trade-off. Grime introduced three adaptive strategies that enable organisms to coop with either high or low intensities of stress (e.g., nutrient deficiency) and environmental disturbance (e.g., seasons). The competitor is able to outcompete other organisms by efficiently tapping available resources in environments of low intensity stress and disturbance (e.g., rapid growers). A ruderal specism is able to rapidly complete the life cycle especially during high intensity disturbance and low intensity stress (e.g., annual colonizers). The stress tolerator is able to respond to high intensity stress with physiological variability but is limited to low intensity disturbance environments. Carnivorous plants like D. muscipula and tardigrades like M. tardigradum are two extreme examples for such stress tolerators. D. muscipula traps insects in its native habitat (green swamps in North and South Carolina) with specialized leaves and thereby is able to tolerate nutrient deficient soils. M. tardigradum on the other side, is able to escape desiccation of its terrestrial habitat like mosses and lichens which are usually covered by a water film but regularly fall completely dry. The stress tolerance of the two species is the central study object of this thesis. In both cases, high througput sequencing data and methods were used to test for transcriptomic (D. muscipula) or genomic adaptations (M. tardigradum) which underly the stress tolerance. A new hardware resource including computing cluster and high availability storage system was implemented in the first months of the thesis work to effectively analyze the vast amounts of data generated for both projects. Side-by-side, the data management resource TBro [14] was established together with students to intuitively approach complex biological questions and enhance collaboration between researchers of several different disciplines. Thereafter, the unique trapping abilities of D. muscipula were studied using a whole transcriptome approach. Prey-dependent changes of the transcriptional landscape as well as individual tissue-specific aspects of the whole plant were studied. The analysis revealed that non-stimulated traps of D. muscipula exhibit the expected hallmarks of any typical leaf but operates evolutionary conserved stress-related pathways including defense-associated responses when digesting prey. An integrative approach, combining proteome and transcriptome data further enabled the detailed description of the digestive cocktail and the potential nutrient uptake machinery of the plant. The published work [25] as well as a accompanying video material (https://www.eurekalert.org/pub_releases/ 2016-05/cshl-fgr042816.php; Video credit: Sönke Scherzer) gained global press coverage and successfully underlined the advantages of D. muscipula as experimental system to understand the carnivorous syndrome. The analysis of the peculiar stress tolerance of M. tardigradum during cryptobiosis was carried out using a genomic approach. First, the genome size of M. tardigradum was estimated, the genome sequenced, assembled and annotated. The first draft of M. tardigradum and the workflow used to established its genome draft helped scrutinizing the first ever released tardigrade genome (Hypsibius dujardini) and demonstrated how (bacterial) contamination can influence whole genome analysis efforts [27]. Finally, the M. tardigradum genome was compared to two other tardigrades and all species present in the current release of the Ensembl Metazoa database. The analysis revealed that tardigrade genomes are not that different from those of other Ecdysozoa. The availability of the three genomes allowed the delineation of their phylogenetic position within the Ecdysozoa and placed them as sister taxa to the nematodes. Thereby, the comparative analysis helped to identify evolutionary trends within this metazoan lineage. Surprisingly, the analysis did not reveal general mechanisms (shared by all available tardigrade genomes) behind the arguably most peculiar feature of tardigrades; their enormous stress tolerance. The lack of molecular evidence for individual tardigrade species (e.g., gene expression data for M. tardigradum) and the non-existence of a universal experimental framework which enables hypothesis testing withing the whole phylum Tardigrada, made it nearly impossible to link footprints of genomic adaptations to the unusual physiological capabilities. Nevertheless, the (comparative) genomic framework established during this project will help to understand how evolution tinkered, rewired and modified existing molecular systems to shape the remarkable phenotypic features of tardigrades. N2 - Alle lebenden Organismen verwenden Mechanismen und Rückkopplungssysteme um Reproduktion, Überlebenswahrscheinlichkeit, Abwehreffizienz und Konkurrenzfähigkeit in ihrem natürlichen Habitat zu optimieren. Evolutionäre Theorien, wie die von John Philip Grime (1979) entwickelte „universal adaptive strategy theory“ (UAST), versuchen zu beschreiben wie diese Systeme durch eine Balance zwischen Wachstum, Erhaltung und Regeneration, auch gemeinhin bekannt als universeller Dreiwege-Ausgleich, des jeweiligen Organismus limitiert sind. Grime führte dazu drei adaptive Strategien ein, die es Organismen ermöglicht sich an hohe oder niedrige Stress-Intensitäten (z.B. Nahrungsknappheit) oder umweltbedingte Beeinträchtigung (z.B. Jahreszeiten) anzupassen. Der Wettkämpfer ist in der Lage seine Konkurrenz durch eine effiziente Ressourcengewinnung zu überflügeln und ist vor allem bei niedrigem Stresslevel und minimalen umweltbedingten Beeinträchtigungen effizient (z. B. schnelles Wachstum). Ruderale Organismen hingegen durchlaufen den Leben- szyklus in kurzer Zeit und sind damit perfekt an starke umweltbedingte Beeinträchtigungen, wie zum Beispiel Jahreszeiten, angepasst. Allerdings können auch sie nur bei niedrigen Stresslevel effizient wachsen. Die letzte Gruppe von Organismen, die Stresstoleranten sind in der Lage sich an hohen Stressintensitäten mithilfe extremer physiologischer Variabilität anzupassen, können das allerdings nur in Umgebungen mit niedrigen umweltbedingten Beeinträchtigungen. Fleischfressende Pflanzen wie die Venusfliegenfalle (D. muscipula) oder Bärtierchen (M. tardigradum) sind zwei herausragende Beispiele für stresstolerante Organismen. Die Venusfliegenfalle ist in der Lage Insekten mit spezialisierten Blätter, welche eine einzigartige Falle bilden, zu fangen. Die Pflanze kompensiert so die stark verminderte Mengen an wichtigen Makronährstoffen (z.B. Stickstoff) in den Sümpfen von Nord- und Süd-Carolina. Bärtierchen dagegen sind in der Lage in schnell austrocknenden Habitaten wie Moosen oder Flechten, die normalerweise mit einem Wasserfilm überzogen sind, durch eine gesteuerte Entwässerung ihres Körpers zu überleben. Die Stresstoleranz beider Spezies ist zentraler Forschungsschwerpunkt dieser Dissertation. In beiden Fällen wer- den Hochdurchsatz-Methoden zur Sequenzierung verwendet um genomische (Bärtierchen) sowie transkriptomische (Venusfliegenfalle) Anpassungen zu identifizieren, die der enorem Stresstoleranz zugrunde liegen. Um den erhöhten technischen Anforderungen der Datenanal- ysen beider Projekte Rechnung zu tragen wurde in den ersten Monaten der Dissertation eine neue zentrale Rechenumgebung und ein dazugehöriges Speichersystem etabliert. Parallel wurde die Datenmanagementplattform TBro [14] zusammen mit Studenten aufgesetzt, um komplexe biologische Fragestellung mit einem fachübergreifendem Kollegium zu bearbeiten. Danach wurden die einzigartigen Fangfähigkeiten der Venusfliegenfalle mittels einem tran- skriptomischen Ansatz untersucht. Vor allem wurden transkriptionelle Änderungen infolge eines Beutefangs sowie gewebespezifische Aspekte der ruhenden Pflanzen untersucht. Die Analyse zeigte deutlich, dass die Fallen der fleischfressenden Pflanze immer noch Merkmale von typischen „grünen“ Blättern aufweisen. Während des Beutefangs und -verdauens jedoch wird eine Vielzahl an evolutionär konservierten Systemen aktiviert, die bisher nur mit Stres- santworten und zellulärer Verteidigung in Verbindung gebracht worden sind. Die Integration von proteomischen und transkriptomischen Hochdurchsatzdaten ermöglichte es zudem den Verdauungssaft der Venusfliegenfalle genaustens zu beschreiben und wichtige Komponenten der Aufnahmemaschinerie zu identifizieren. Die wissenschaftliche Arbeit [25] und das beglei- tende Videomaterial (https://www.eurekalert.org/pub_releases/2016-05/cshl-fgr042816.php; Video credit: Sönke Scherzer) erfreute sich einer breiten Berichterstattung in den Medien und unterstreicht die Vorteile der Venusfliegenfalle als experimentelles System um fleis- chfressende Pflanzen besser zu verstehen. Die genomische Analyse des Bärtierchen (M. tardigradum) zielte auf die außerordentliche Stresstoleranz, vor allem auf die Kryptobiose, einen Zustand in dem Stoffwechselvorgänge extrem reduziert sind, ab. Dazu wurden das komplette genetische Erbgut (Genom) entschlüsselt. Die Größe des Genomes wurde bes- timmt und das Erbgut mittels Sequenzierung entschlüsselt. Die gewonnenen Daten wurden zu einer kontinuierlichen Sequenz zusammengesetzt und Gene identifiziert. Der dabei etablierte Arbeitsablauf wurde verwendet um ein weiteres Bärtierchengenom genau zu überprüfen. Im Rahmen dieser Analyse stellte sich heraus, dass eine große Anzahl an Kontaminationen im Genom von H. dujardini vorhanden sind [27]. Das neu etablierte Genom von M. tardigradum wurde im folgenden verwendet um einen speziesübergreifenden Vergleich dreier Bärtierchen und aller Spezies aus der Metazoadatenbank von Ensembl durchzuführen. Die Analyse zeigte, dass Bärtierchengenome sehr viel Ähnlichkeit zu den bereits veröffentlichten Genomen aus dem Überstamm der Urmünder (Protostomia) aufweisen. Die erstmalige Verfügbarkeit aller Bärtierchengenome ermöglichte es zudem, das Phylum der Bärtierchen als Schwester der Nematoden mittels einer phylogenomische Analyse zu platzieren. Die vergleichende Anal- yse identifizierte außerdem zentrale evolutionäre Trends, vor allem einen enormen Verlust an Genen in dieser Linie der Metazoa. Die Analyse ermöglichte es aber nicht, generelle Mechanismen, die zur enormen Stresstoleranz in Bärtierchen führen, artübergreifend zu identifizieren. Vor allem das Fehlen von weiteren molekularen Daten für einzelne Bärtierchen- spezies (z.B. transkriptionelle Daten für M. tardigradum) machten es unmöglich die wenigen genomische Adaptionen mit den physiologischen Besonderheiten der Bärtierchen in Deckung zu bringen. Nichtsdestotrotz konnten die vergleichenden Analysen zeigen, dass Evolution auch innerhalb der Bärtierchen verschiedenste Systeme neu zusammensetzt, neue Funktionen erschafft oder bestehenden Systeme modifiziert und damit die außerordentliche phänotypis- che Variabilität ermöglicht. KW - transcriptome KW - venus KW - flytrap KW - defense KW - secretion KW - jasmonate KW - Bärtierchen KW - Genom KW - Stressresistenz KW - Venusfliegenfalle KW - Proteom KW - Transkriptom Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-157109 ER - TY - JOUR A1 - Bemm, Felix A1 - Becker, Dirk A1 - Larisch, Christina A1 - Kreuzer, Ines A1 - Escalante-Perez, Maria A1 - Schulze, Waltraud X. A1 - Ankenbrand, Markus A1 - Van de Weyer, Anna-Lena A1 - Krol, Elzbieta A1 - Al-Rasheid, Khaled A. A1 - Mithöfer, Axel A1 - Weber, Andreas P. A1 - Schultz, Jörg A1 - Hedrich, Rainer T1 - Venus flytrap carnivorous lifestyle builds on herbivore defense strategies JF - Genome Research N2 - Although the concept of botanical carnivory has been known since Darwin's time, the molecular mechanisms that allow animal feeding remain unknown, primarily due to a complete lack of genomic information. Here, we show that the transcriptomic landscape of the Dionaea trap is dramatically shifted toward signal transduction and nutrient transport upon insect feeding, with touch hormone signaling and protein secretion prevailing. At the same time, a massive induction of general defense responses is accompanied by the repression of cell death-related genes/processes. We hypothesize that the carnivory syndrome of Dionaea evolved by exaptation of ancient defense pathways, replacing cell death with nutrient acquisition. KW - Dionaea-muscipula ellis KW - Plant utricularia-gibba KW - Programmed cell-death KW - Genomics data sets KW - RNA-SEQ data KW - Arabidopsis-thaliana KW - Jasmonate perception KW - Action potentials KW - Stress responses KW - Wonderful plants Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-188799 VL - 26 IS - 6 ER - TY - JOUR A1 - Bell, Peter A1 - Dabauvalle, Marie-Christine A1 - Scheer, Ulrich T1 - In vitro assembly of prenucleolar bodies in Xenopus egg extract N2 - Nuclei assembled in Xenopus egg extract from purified DNA or chromatin resemble their natural counterparts in a number of structural and functional features. However, the most obvious structural element of normal interphase nuclei, the nucleolus, is absent from the in vitro reconstituted nuclei. By EM, cytological silver staining, and immunofluorescence microscopy employing antibodies directed against various nucleolar components we show that nuclei assembled in vitro contain numerous distinct aggregates that resemble prenucleolar bodies (PNBs) by several criteria. Formation of these PNB-like structures requires pore complex-mediated nuclear transport of proteins but is independent of the genetic content of the in vitro nuclei as well as transcriptional and translational events. Our data indicate that nuclei assembled in vitro are capable of initiating early steps of nucleologenesis but that the resulting PNBs are unable to fuse with each other, probably due to the absence of a functional nucleolus organizer. With appropriate modifications, this experimental system should be useful to define and analyze conditions promoting the site-specific assembly of PNBs into a coherent nucleolar body. Y1 - 1992 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-34233 ER - TY - THES A1 - Beliu, Gerti T1 - Bioorthogonale Tetrazin-Farbstoffe für die Lebendzell-Markierung und hochaufgelöste Fluoreszenzmikroskopie T1 - Bioorthogonal tetrazine-dyes for live-cell labeling and super-resolution fluorescence microscopy N2 - Der genetische Code beschreibt die Ver- und Entschlüsselung der Erb-information für das universelle Prinzip der Proteinbiosynthese aus einzelnen Aminosäuren. Durch Erweiterung des genetischen Codes lassen sich unna-türliche Aminosäuren (uAA) mit einzigartigen biophysikalischen Eigenschaf-ten ortsspezifisch in Proteine einführen und ermöglichen die spezifische Ma-nipulation von Proteinen. Die Click-Reaktion zwischen der unnatürlichen Aminosäure TCO*-Lysin und Tetrazin besitzt eine außergewöhnliche Reaktionskinetik (≥800 M-1s-1) und ermöglicht eine spezifische und bioorthogonale Markierung von Bio- ¬molekülen unter physiologischen Bedingungen. Im Fokus dieser Arbeit stand zunächst die Markierung von Membran- ¬rezeptoren durch Click-Chemie in lebenden Zellen sowie die Untersuchung der Wechselwirkung 22 bekannter und neuartiger Tetrazin-Farbstoff- Konjugate. Darüber hinaus wurde die Anwendbarkeit von bioorthogonalen Click-Reaktionen für die hochauflösende Fluoreszenzmikroskopie untersucht. Durch Erweiterung des genetischen Codes in Proteine aus der Klasse der ionotropen Glutamatrezeptoren (iGluR), TNF-Rezeptoren oder Mikrotubu-li-assoziierten Proteinen (MAP) wurde ortspezifisch die unnatürliche Amino-säure TCO*-Lysin eingeführt und dadurch die Fluoreszenzmarkierung durch Tetrazin-Farbstoffe ermöglicht. Die direkte chemische Kopplung von TCO an Liganden wie Phalloidin und Docetaxel, welche spezifisch das Aktin-Zytoskelett bzw. Mikrotubuli-Filamente binden können, ermöglichte zudem die Click-Färbungen von fixierten und lebenden Zellen ohne genetische Ver-änderungen der Zielproteine. Des Weiteren wurden die spektroskopischen Eigenschaften von 22 Tetrazin-Farbstoffen, verteilt über den gesamten sichtbaren Wellenlängenbereich, untersucht. Ein charakteristisches Kennzeichen der Click-Reaktion mit Tet-razin-Farbstoffen ist dabei ihre Fluorogenität. Das Tetrazin fungiert nicht nur als reaktive Gruppe während der Click-Reaktion mit Alkenen, sondern führt in vielen Tetrazin-Farbstoff-Konjugaten zur Fluoreszenzlöschung. Während bei grün-absorbierenden Farbstoffe vor allem FRET-basierte Löschprozesse dominieren, konnte photoinduzierter Elektronentransfer (PET) vom angeregten Farbstoff zum Tetrazin als Hauptlöschmechanismus bei rot-absorbierenden Oxazin- und Rhodamin-Derivaten identifiziert werden. Die effiziente und spezifische Markierung aller untersuchten Tetrazin- Farbstoffe ermöglichte die Visualisierung von Aktin-Filamenten, Mikrotubuli und Membranrezeptoren sowohl durch konventionelle Fluoreszenzmikrosko-pie als auch durch hochauflösende Verfahren, wie z.B. dSTORM, auf Ein-zelmolekülebene. Die unterschiedliche Zellpermeabilität von Tetrazin-Farbstoffen kann dabei vorteilhaft für die spezifische intra- und extrazelluläre Markierung von Proteinen in fixierten und lebenden Zellen genutzt werden. N2 - The genetic code describes the encoding and decoding of genetic infor-mation for the universal principle of protein biosynthesis from individual amino acids. By expanding the genetic code, unnatural amino acids (uAA) with unique biophysical properties can be introduced site-specifically into pro-teins and enable the selective manipulation of proteins. The click reaction of the unnatural amino acid TCO*-lysine and tetrazine has an extraordinary reaction kinetic (≥800 M-1s-1) enabling the specific and bioorthogonal labeling of biomolecules under physiological conditions. The main focus of this work was the labeling of membrane receptors by click chemistry in living cells and the investigation of the interaction of 22 known and novel tetrazine dye conjugates. In addition, the applicability of bioorthogonal click reactions for high-resolution fluorescence microscopy was investigated. For this purpose, the unnatural amino acid TCO*-lysine was introduced site-specifically via genetic code expansion into proteins from the class of iono-tropic glutamate receptors (iGluR), TNF receptors or microtubule- associated proteins (MAP), thereby enabling fluorescence labeling with tetrazine dyes. The direct chemical coupling of TCO to ligands such as phalloidin and docetaxel, which can specifically bind the actin cytoskeleton or microtubule filaments, allowed click staining of fixed and living cells without genetic modifications of the target proteins. Furthermore, the spectroscopic properties of 22 tetrazine dyes spanning the entire visible wavelength range were investigated. A hallmark of the click reaction using tetrazine dyes is their fluorogenicity. Thus, the tetrazine not only functions as a reactive group during the click reaction with alkenes, but also leads to fluorescence quenching in many tetrazine-dye conjugates. While FRET-based quenching processes dominate in green-absorbing dyes, photoinduced electron transfer (PET) from excited dye to tetrazine has been identified as the main quenching mechanism in red-absorbing oxazine and rhodamine derivatives. The efficient and specific labeling of all investigated tetrazine dyes facilitates the visualization of actin filaments, microtubules and membrane receptors by conventional fluorescence microscopy as well as by super-resolution microscopy techniques, e.g. dSTORM, also at single molecule level. The different cell permeability of tetrazine dyes can be used advantageously for the specific intra- and extracellular labeling of proteins in fixed and living cells. KW - Hochaufgelöste Fluoreszenzmikroskopie KW - Tetrazin Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-189628 ER - TY - JOUR A1 - Beisser, Daniela A1 - Grohme, Markus A. A1 - Kopka, Joachim A1 - Frohme, Marcus A1 - Schill, Ralph O. A1 - Hengherr, Steffen A1 - Dandekar, Thomas A1 - Klau, Gunnar W. A1 - Dittrich, Marcus A1 - Müller, Tobias T1 - Integrated pathway modules using time-course metabolic profiles and EST data from Milnesium tardigradum N2 - Background: Tardigrades are multicellular organisms, resistant to extreme environmental changes such as heat, drought, radiation and freezing. They outlast these conditions in an inactive form (tun) to escape damage to cellular structures and cell death. Tardigrades are apparently able to prevent or repair such damage and are therefore a crucial model organism for stress tolerance. Cultures of the tardigrade Milnesium tardigradum were dehydrated by removing the surrounding water to induce tun formation. During this process and the subsequent rehydration, metabolites were measured in a time series by GC-MS. Additionally expressed sequence tags are available, especially libraries generated from the active and inactive state. The aim of this integrated analysis is to trace changes in tardigrade metabolism and identify pathways responsible for their extreme resistance against physical stress. Results: In this study we propose a novel integrative approach for the analysis of metabolic networks to identify modules of joint shifts on the transcriptomic and metabolic levels. We derive a tardigrade-specific metabolic network represented as an undirected graph with 3,658 nodes (metabolites) and 4,378 edges (reactions). Time course metabolite profiles are used to score the network nodes showing a significant change over time. The edges are scored according to information on enzymes from the EST data. Using this combined information, we identify a key subnetwork (functional module) of concerted changes in metabolic pathways, specific for de- and rehydration. The module is enriched in reactions showing significant changes in metabolite levels and enzyme abundance during the transition. It resembles the cessation of a measurablemetabolism (e.g. glycolysis and amino acid anabolism) during the tun formation, the production of storage metabolites and bioprotectants, such as DNA stabilizers, and the generation of amino acids and cellular components from monosaccharides as carbon and energy source during rehydration. Conclusions: The functional module identifies relationships among changed metabolites (e.g. spermidine) and reactions and provides first insights into important altered metabolic pathways. With sparse and diverse data available, the presented integrated metabolite network approach is suitable to integrate all existing data and analyse it in a combined manner. KW - Milnesium tardigradum KW - Integrated network analysis KW - Functional modules KW - Metabolic profiles KW - Metabolic pathways KW - Trend test Y1 - 2012 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-75241 ER - TY - THES A1 - Beisser, Daniela T1 - Integrated functional analysis of biological networks T1 - Integrierte funktionelle Analyse biologischer Netzwerke N2 - In recent years high-throughput experiments provided a vast amount of data from all areas of molecular biology, including genomics, transcriptomics, proteomics and metabolomics. Its analysis using bioinformatics methods has developed accordingly, towards a systematic approach to understand how genes and their resulting proteins give rise to biological form and function. They interact with each other and with other molecules in highly complex structures, which are explored in network biology. The in-depth knowledge of genes and proteins obtained from high-throughput experiments can be complemented by the architecture of molecular networks to gain a deeper understanding of biological processes. This thesis provides methods and statistical analyses for the integration of molecular data into biological networks and the identification of functional modules, as well as its application to distinct biological data. The integrated network approach is implemented as a software package, termed BioNet, for the statistical language R. The package includes the statistics for the integration of transcriptomic and functional data with biological networks, the scoring of nodes and edges of these networks as well as methods for subnetwork search and visualisation. The exact algorithm is extensively tested in a simulation study and outperforms existing heuristic methods for the calculation of this NP-hard problem in accuracy and robustness. The variability of the resulting solutions is assessed on perturbed data, mimicking random or biased factors that obscure the biological signal, generated for the integrated data and the network. An optimal, robust module can be calculated using a consensus approach, based on a resampling method. It summarizes optimally an ensemble of solutions in a robust consensus module with the estimated variability indicated by confidence values for the nodes and edges. The approach is subsequently applied to two gene expression data sets. The first application analyses gene expression data for acute lymphoblastic leukaemia (ALL) and differences between the subgroups with and without an oncogenic BCR/ABL gene fusion. In a second application gene expression and survival data from diffuse large B-cell lymphomas are examined. The identified modules include and extend already existing gene lists and signatures by further significant genes and their interactions. The most important novelty is that these genes are determined and visualised in the context of their interactions as a functional module and not as a list of independent and unrelated transcripts. In a third application the integrative network approach is used to trace changes in tardigrade metabolism to identify pathways responsible for their extreme resistance to environmental changes and endurance in an inactive tun state. For the first time a metabolic network approach is proposed to detect shifts in metabolic pathways, integrating transcriptome and metabolite data. Concluding, the presented integrated network approach is an adequate technique to unite high-throughput experimental data for single molecules and their intermolecular dependencies. It is flexible to apply on diverse data, ranging from gene expression changes over metabolite abundances to protein modifications in a combination with a suitable molecular network. The exact algorithm is accurate and robust in comparison to heuristic approaches and delivers an optimal, robust solution in form of a consensus module with confidence values. By the integration of diverse sources of information and a simultaneous inspection of a molecular event from different points of view, new and exhaustive insights into biological processes can be acquired. N2 - In den letzten Jahren haben Hochdurchsatz-Experimente gewaltige Mengen an molekularbiologischen Daten geliefert, angefangen mit dem ersten sequenzierten Genom von Haemophilus influenzae im Jahr 1995 und dem menschlichen Genom im Jahr 2001. Mittlerweile umfassen die resultierenden Daten neben der Genomik die Bereiche der Transkriptomik, Proteomik und Metabolomik. Die Analyse der Daten mithilfe von bioinformatischen Methoden hat sich entsprechend mit verändert und weiterentwickelt. Durch neuartige, systembiologische Ansätze versucht man zu verstehen, wie Gene und die aus ihnen resultierenden Proteine, biologische Formen und Funktionen entstehen lassen. Dabei interagieren sie miteinander und mit anderen Molekülen in hoch komplexen Strukturen, welche durch neue Ansätze der Netzwerkbiologie untersucht werden. Das tiefgreifende Wissen über einzelne Moleküle, verfügbar durch Hochdurchsatz-Technologien, kann komplementiert werden durch die Architektur und dynamischen Interaktionen molekularer Netzwerke und somit ein umfassenderes Verständnis biologischer Prozesse ermöglichen. Die vorliegende Dissertation stellt Methoden und statistische Analysen zur Integration molekularer Daten in biologische Netzwerke, Identifikation robuster, funktionaler Subnetzwerke sowie die Anwendung auf verschiedenste biologische Daten vor. Der integrative Netzwerkansatz wurde als ein Softwarepaket, BioNet, in der statistischen Programmiersprache R implementiert. Das Paket beinhaltet statistische Verfahren zur Integration transkriptomischer und funktionaler Daten, die Gewichtung von Knoten und Kanten in biologischen Netzwerken sowie Methoden zur Suche signifikanter Bereiche, Module, und deren Visualisierung. Der exakte Algorithmus wird ausführlich in einer Simulationsstudie getestet und übertrifft heuristische Methoden zur Lösung dieses NP-vollständigen Problems in Genauigkeit und Robustheit. Die Variabilität der resultierenden Lösungen wird bestimmt anhand von gestörten integrierten Daten und gestörten Netzwerken, welche zufällige und verzerrende Einflüsse darstellen, die die Daten verrauschen. Ein optimales, robustes Modul kann durch einen Konsensusansatz bestimmt werden. Basierend auf einer wiederholten Stichprobennahme der integrierten Daten, wird ein Ensemble von Lösungen erstellt, aus welchem sich das robuste und optimale Konsensusmodul berechnen lässt. Zusätzlich erlaubt dieser Ansatz eine Schätzung der Variabilität des Konsensusmoduls und die Berechnung von Konfidenzwerte für Knoten und Kanten. Der Ansatz wird anschließend auf zwei Genexpressionsdatensätze angewandt. Die erste Anwendung untersucht Genexpressionsdaten für akute lymphoblastische Leukämie (ALL) und analysiert Unterschiede in Subgruppen mit und ohne BRC/ABL Genfusion. Die zweite Anwendung wertet Genexpressions- und Lebenszeitdaten für diffuse großzellige B-Zell Lymphome (DLBCL) aus, beruhend auf molekularen Unterschieden zwischen zwei DLBCL Subtypen mit unterschiedlicher Malignität. In einer dritten Anwendung wird der integrierte Netzwerkansatz benutzt, um Veränderungen im Metabolismus von Tardigraden aufzuspüren und Signalwege zu identifizieren, welche für die extreme Anpassungsfähigkeit an wechselnde Umweltbedingungen und Überdauerung in einem inaktiven Tönnchenstadium verantwortlich sind. Zum ersten Mal wird dafür ein metabolischer Netzwerkansatz vorgeschlagen, der metabolische Veränderungen durch die Integration von metabolischen und transkriptomischen Daten bestimmt. Abschließend ist zu bemerken, dass die präsentierte integrierte Netzwerkanalyse eine adäquate Technik ist, um experimentelle Daten aus Hochdurchsatz-Methoden, die spezialisiert auf eine Molekülart sind, mit ihren intermolekularen Wechselwirkungen und Abhängigkeiten in Verbindung zu bringen. Sie ist flexibel in der Anwendung auf verschiedenste Daten, von der Analyse von Genexpressionsveränderungen, über Metabolitvorkommen bis zu Proteinmodifikationen, in Kombination mit einem geeigneten molekularen Netzwerk. Der exakte Algorithmus ist akkurat und robust in Vergleich zu heuristischen Methoden und liefert eine optimale, robuste Lösung in Form eines Konsensusmoduls mit zugewiesenen Konfidenzwerten. Durch die Integration verschiedenster Informationsquellen und gleichzeitige Betrachtung eines biologischen Ereignisses von diversen Blickwinkeln aus, können neue und vollständigere Erkenntnisse physiologischer Prozesse gewonnen werden. KW - Bioinformatik KW - differenzielle Genexpression KW - Bioinformatik KW - Netzwerkanalyse KW - differenzielle Genexpression KW - funktionelle Module KW - bioinformatics KW - networkanalysis KW - differential geneexpression KW - functional modules Y1 - 2011 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-70150 ER - TY - JOUR A1 - Beier, Hildburg A1 - Gätschenberger, Heike A1 - Azzami, Klara A1 - Tautz, Jürgen T1 - Antibacterial Immune Competence of Honey Bees (Apis mellifera) Is Adapted to Different Life Stages and Environmental Risks JF - PLoS ONE N2 - The development of all honey bee castes proceeds through three different life stages all of which encounter microbial infections to a various extent. We have examined the immune strength of honey bees across all developmental stages with emphasis on the temporal expression of cellular and humoral immune responses upon artificial challenge with viable Escherichia coli bacteria. We employed a broad array of methods to investigate defence strategies of infected individuals: (a) fate of bacteria in the haemocoel; (b) nodule formation and (c) induction of antimicrobial peptides (AMPs). Newly emerged adult worker bees and drones were able to activate efficiently all examined immune reactions. The number of viable bacteria circulating in the haemocoel of infected bees declined rapidly by more than two orders of magnitude within the first 4–6 h post-injection (p.i.), coinciding with the occurrence of melanised nodules. Antimicrobial activity, on the other hand, became detectable only after the initial bacterial clearance. These two temporal patterns of defence reactions very likely represent the constitutive cellular and the induced humoral immune response. A unique feature of honey bees is that a fraction of worker bees survives the winter season in a cluster mostly engaged in thermoregulation. We show here that the overall immune strength of winter bees matches that of young summer bees although nodulation reactions are not initiated at all. As expected, high doses of injected viable E.coli bacteria caused no mortality in larvae or adults of each age. However, drone and worker pupae succumbed to challenge with E.coli even at low doses, accompanied by a premature darkening of the pupal body. In contrast to larvae and adults, we observed no fast clearance of viable bacteria and no induction of AMPs but a rapid proliferation of E.coli bacteria in the haemocoel of bee pupae ultimately leading to their death. KW - escherichia coli infections KW - honey bees KW - bees KW - antimicrobials KW - bacterial pathogens KW - larvae KW - pupae KW - winter Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-96895 ER - TY - JOUR A1 - Beetz, M. Jerome A1 - Kraus, Christian A1 - el Jundi, Basil T1 - Neural representation of goal direction in the monarch butterfly brain JF - Nature Communications N2 - Neural processing of a desired moving direction requires the continuous comparison between the current heading and the goal direction. While the neural basis underlying the current heading is well-studied, the coding of the goal direction remains unclear in insects. Here, we used tetrode recordings in tethered flying monarch butterflies to unravel how a goal direction is represented in the insect brain. While recording, the butterflies maintained robust goal directions relative to a virtual sun. By resetting their goal directions, we found neurons whose spatial tuning was tightly linked to the goal directions. Importantly, their tuning was unaffected when the butterflies changed their heading after compass perturbations, showing that these neurons specifically encode the goal direction. Overall, we here discovered invertebrate goal-direction neurons that share functional similarities to goal-direction cells reported in mammals. Our results give insights into the evolutionarily conserved principles of goal-directed spatial orientation in animals. KW - animal behaviour KW - navigation KW - neuroscience Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-358073 VL - 14 ER - TY - JOUR A1 - Beetz, M. Jerome A1 - Hechavarría, Julio C. T1 - Neural processing of naturalistic echolocation signals in bats JF - Frontiers in Neural Circuits N2 - Echolocation behavior, a navigation strategy based on acoustic signals, allows scientists to explore neural processing of behaviorally relevant stimuli. For the purpose of orientation, bats broadcast echolocation calls and extract spatial information from the echoes. Because bats control call emission and thus the availability of spatial information, the behavioral relevance of these signals is undiscussable. While most neurophysiological studies, conducted in the past, used synthesized acoustic stimuli that mimic portions of the echolocation signals, recent progress has been made to understand how naturalistic echolocation signals are encoded in the bat brain. Here, we review how does stimulus history affect neural processing, how spatial information from multiple objects and how echolocation signals embedded in a naturalistic, noisy environment are processed in the bat brain. We end our review by discussing the huge potential that state-of-the-art recording techniques provide to gain a more complete picture on the neuroethology of echolocation behavior. KW - biosonar KW - neural coding KW - naturalistic stimuli KW - bats KW - acoustic stream KW - neuroethology Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-274605 SN - 1662-5110 VL - 16 ER - TY - JOUR A1 - Beer, Katharina A1 - Steffan-Dewenter, Ingolf A1 - Härtel, Stephan A1 - Helfrich-Förster, Charlotte T1 - A new device for monitoring individual activity rhythms of honey bees reveals critical effects of the social environment on behavior JF - Journal of Comparative Physiology A N2 - Chronobiological studies of individual activity rhythms in social insects can be constrained by the artificial isolation of individuals from their social context. We present a new experimental set-up that simultaneously measures the temperature rhythm in a queen-less but brood raising mini colony and the walking activity rhythms of singly kept honey bees that have indirect social contact with it. Our approach enables monitoring of individual bees in the social context of a mini colony under controlled laboratory conditions. In a pilot experiment, we show that social contact with the mini colony improves the survival of monitored young individuals and affects locomotor activity patterns of young and old bees. When exposed to conflicting Zeitgebers consisting of a light-dark (LD) cycle that is phase-delayed with respect to the mini colony rhythm, rhythms of young and old bees are socially synchronized with the mini colony rhythm, whereas isolated bees synchronize to the LD cycle. We conclude that the social environment is a stronger Zeitgeber than the LD cycle and that our new experimental set-up is well suited for studying the mechanisms of social entrainment in honey bees. KW - Social entrainment KW - Foragers KW - Nurses KW - Locomotor activity KW - Temperature rhythms Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-188030 VL - 202 IS - 8 ER -