TY  - THES
A1  - Friedrich, Torben
T1  - New statistical Methods of Genome-Scale Data Analysis in Life Science - Applications to enterobacterial Diagnostics, Meta-Analysis of Arabidopsis thaliana Gene Expression and functional Sequence Annotation
T1  - Neue statistische Methoden für genomweite Datenanalysen in den Biowissenschaften - Anwendungen in der Enterobakteriendiagnostik, Meta-Analyse von Arabidopsis thaliana Genexpression und funktionsbezogenen Sequenzannotation
N2  - Recent progresses and developments in molecular biology provide a wealth of new but insufficiently characterised data. This fund comprises amongst others biological data of genomic DNA, protein sequences, 3-dimensional protein structures as well as profiles of gene expression. In the present work, this information is used to develop new methods for the characterisation and classification of organisms and whole groups of organisms as well as to enhance the automated gain and transfer of information. The first two presented approaches (chapters 4 und 5) focus on the medically and scientifically important enterobacteria. Its impact in medicine and molecular biology is founded in versatile mechanisms of infection, their fundamental function as a commensal inhabitant of the intestinal tract and their use as model organisms as they are easy to cultivate. Despite many studies on single pathogroups with clinical distinguishable pathologies, the genotypic factors that contribute to their diversity are still partially unknown. The comprehensive genome comparison described in Chapter 4 was conducted with numerous enterobacterial strains, which cover nearly the whole range of clinically relevant diversity. The genome comparison constitutes the basis of a characterisation of the enterobacterial gene pool, of a reconstruction of evolutionary processes and of comprehensive analysis of specific protein families in enterobacterial subgroups. Correspondence analysis, which is applied for the first time in this context, yields qualitative statements to bacterial subgroups and the respective, exclusively present protein families. Specific protein families were identified for the three major subgroups of enterobacteria namely the genera Yersinia and Salmonella as well as to the group of Shigella and E. coli by applying statistical tests. In conclusion, the genome comparison-based methods provide new starting points to infer specific genotypic traits of bacterial groups from the transfer of functional annotation. Due to the high medical importance of enterobacterial isolates their classification according to pathogenicity has been in focus of many studies. The microarray technology offers a fast, reproducible and standardisable means of bacterial typing and has been proved in bacterial diagnostics, risk assessment and surveillance. The design of the diagnostic microarray of enterobacteria described in chapter 5 is based on the availability of numerous enterobacterial genome sequences. A novel probe selection strategy based on the highly efficient algorithm of string search, which considers both coding and non-coding regions of genomic DNA, enhances pathogroup detection. This principle reduces the risk of incorrect typing due to restrictions to virulence-associated capture probes. Additional capture probes extend the spectrum of applications of the microarray to simultaneous diagnostic or surveillance of antimicrobial resistance. Comprehensive test hybridisations largely confirm the reliability of the selected capture probes and its ability to robustly classify enterobacterial strains according to pathogenicity. Moreover, the tests constitute the basis of the training of a regression model for the classification of pathogroups and hybridised amounts of DNA. The regression model features a continuous learning capacity leading to an enhancement of the prediction accuracy in the process of its application. A fraction of the capture probes represents intergenic DNA and hence confirms the relevance of the underlying strategy. Interestingly, a large part of the capture probes represents poorly annotated genes suggesting the existence of yet unconsidered factors with importance to the formation of respective virulence phenotypes. Another major field of microarray applications is gene expression analysis. The size of gene expression databases rapidly increased in recent years. Although they provide a wealth of expression data, it remains challenging to integrate results from different studies. In chapter 6 the methodology of an unsupervised meta-analysis of genome-wide A. thaliana gene expression data sets is presented, which yields novel insights in function and regulation of genes. The application of kernel-based principal component analysis in combination with hierarchical clustering identified three major groups of contrasts each sharing overlapping expression profiles. Genes associated with two groups are known to play important roles in Indol-3 acetic acid (IAA) mediated plant growth and development as well as in pathogen defence. Yet uncharacterised serine-threonine kinases could be assigned to novel functions in pathogen defence by meta-analysis. In general, hidden interrelation between genes regulated under different conditions could be unravelled by the described approach. HMMs are applied to the functional characterisation of proteins or the detection of genes in genome sequences. Although HMMs are technically mature and widely applied in computational biology, I demonstrate the methodical optimisation with respect to the modelling accuracy on biological data with various distributions of sequence lengths. The subunits of these models, the states, are associated with a certain holding time being the link to length distributions of represented sequences. An adaptation of simple HMM topologies to bell-shaped length distributions described in chapter 7 was achieved by serial chain-linking of single states, while residing in the class of conventional HMMs. The impact of an optimisation of HMM topologies was underlined by performance evaluations with differently adjusted HMM topologies. In summary, a general methodology was introduced to improve the modelling behaviour of HMMs by topological optimisation with maximum likelihood and a fast and easily implementable moment estimator. Chapter 8 describes the application of HMMs to the prediction of interaction sites in protein domains. As previously demonstrated, these sites are not trivial to predict because of varying degree in conservation of their location and type within the domain family. The prediction of interaction sites in protein domains is achieved by a newly defined HMM topology, which incorporates both sequence and structure information. Posterior decoding is applied to the prediction of interaction sites providing additional information of the probability of an interaction for all sequence positions. The implementation of interaction profile HMMs (ipHMMs) is based on the well established profile HMMs and inherits its known efficiency and sensitivity. The large-scale prediction of interaction sites by ipHMMs explained protein dysfunctions caused by mutations that are associated to inheritable diseases like different types of cancer or muscular dystrophy. As already demonstrated by profile HMMs, the ipHMMs are suitable for large-scale applications. Overall, the HMM-based method enhances the prediction quality of interaction sites and improves the understanding of the molecular background of inheritable diseases. With respect to current and future requirements I provide large-scale solutions for the characterisation of biological data in this work. All described methods feature a highly portable character, which allows for the transfer to related topics or organisms, respectively. Special emphasis was put on the knowledge transfer facilitated by a steadily increasing wealth of biological information. The applied and developed statistical methods largely provide learning capacities and hence benefit from the gain of knowledge resulting in increased prediction accuracies and reliability.
N2  - Die aktuellen Fortschritte und Entwicklungen in der Molekularbiologie stellen eine Fülle neuer, bisher kaum analysierter Daten bereit. Dieser Fundus umfasst unter Anderem biologische Daten zu genomischer DNA, zu Proteinsequenzen, zu dreidimensionalen Proteinstrukturen sowie zu Genexpressionsprofilen. In der vorliegenden Arbeit werden diese Informationen genutzt, um neue Methoden der Charakterisierung und Klassifizierung von Organismen bzw. Organismengruppen zu entwickeln und einen automatisierten Informationsgewinn sowie eine Informationsübertragung zu ermöglichen. Die ersten beiden vorgestellten Ansätze (Kapitel 4 und 5) konzentrieren sich auf die medizinisch und wissenschaftlich bedeutsame Gruppe der Enterobakterien. Deren Bedeutung für Medizin und Mikrobiologie geht auf ihre Funktion als kommensale Bewohner des Darmtraktes, ihre Nutzung als leicht kultivierbare Modellorganismen und auf die vielseitigen Infektionsmechanismen zurück. Obwohl bereits viele Studien über einzelne Pathogruppen mit klinisch unterscheidbaren Symptomen existieren, sind die genotypischen Faktoren, die für diese Unterschiedlichkeit verantwortlich zeichnen, teilweise noch nicht bekannt. Der in Kapitel 4 beschriebene umfassende Genomvergleich wurde anhand einer Vielzahl von Enterobakterien durchgeführt, die nahezu die gesamte Bandbreite klinisch relevanter Diversität darstellen. Dieser Genomvergleich bildet die Basis für eine Charakterisierung des enterobakteriellen Genpools, für eine Rekonstruktion evolutionärer Prozesse und Einflüsse und für eine umfassende Untersuchung spezifischer Proteinfamilien in enterobakteriellen Untergruppen. Die in diesem Kontext vorher noch nicht angewandte Korrespondenzanalyse liefert qualitative Aussagen zu bakteriellen Untergruppen und den ausschließlich in ihnen vorkommenden Proteinfamilien. In drei Hauptuntergruppen der Enterobakterien, die den Gattungen Yersinia und Salmonella sowie der Gruppe aus Shigella und E. coli entsprechen, wurden die jeweils spezifischen Proteinfamilien mit Hilfe statistischer Tests identifiziert. Zusammenfassend bilden die auf Genomvergleichen aufbauenden Methoden neue Ansatzpunkte, um aus der Übertragung der bekannten Funktionalität einzelner Proteine auf spezifische, genotypische Besonderheiten bakterieller Gruppen zu schließen. Aufgrund ihrer hohen medizinischen Relevanz war die Typisierung enterobakterieller Isolate entsprechend ihrer Pathogenität Ziel zahlreicher Studien. Die Microarray-Technologie bietet ein schnelles, reproduzierbares und standardisierbares Hilfsmittel für bakterielle Typisierung und hat sich in der Bakteriendiagnostik, Risikobewertung und Überwachung bewährt. Das in Kapitel 5 beschriebene Design eines diagnostischen Microarray beruht auf einer großen Anzahl verfügbarer Genomsequenzen von Enterobakterien. Ein hocheffizienter String-Matching-Algorithmus ist die Grundlage einer neuartigen Strategie der Sondenauswahl, die sowohl kodierende als auch nicht-kodierende Bereiche genomischer DNA berücksichtigt. Im Vergleich zu Diagnostika, die ausschließlich auf Virulenz-assoziierten Sonden beruhen, verringert dieses Prinzip das Risiko einer inkorrekten Typisierung. Zusätzliche Sonden erweitern das Anwendungsspektrum auf eine simultane Diagnostik der Antibiotikaresistenz bzw. eine Überwachung der Resistenzausbreitung. Umfangreiche Testhybridisierungen belegen eine überwiegende Zuverlässigkeit der Sonden und vor allem eine robuste Klassifizierung enterobakterieller Stämme entsprechend der Pathogruppen. Die Tests bilden zudem die Grundlage für das Training eines Regressionsmodells zur Klassifizierung der Pathogruppe und zur Vorhersage der Menge hybridisierter DNA. Das Regressionsmodell zeichnet sich durch kontinuierliche Lernfähigkeit und damit durch eine Verbesserung der Vorhersagequalität im Prozess der Anwendung aus. Ein Teil der Sonden repräsentiert intergenische DNA und bestätigt infolgedessen die Relevanz der zugrunde liegenden Strategie. Die Tatsache, dass ein großer Teil der von den Sonden repräsentierten Gene noch nicht annotiert ist, legt die Existenz bisher unentdeckter Faktoren mit Bedeutung für die Ausbildung entsprechender Virulenz-Phänotypen nahe. Ein weiteres Haupteinsatzgebiet von Microarrays ist die Genexpressionsanalyse. Die Größe von Genexpressionsdatenbanken ist in den vergangenen Jahren stark gewachsen. Obwohl sie eine Fülle von Expressionsdaten bieten, sind Ergebnisse aus unterschiedlichen Studien weiterhin schwer in einen übergreifenden Zusammenhang zu bringen. In Kapitel 6 wird die Methodik einer ausschließlich datenbasierten Meta-Analyse für genomweite A. thaliana Genexpressionsdatensätze dargestellt, die neue Erkenntnisse über Funktion und Regulation von Genen verspricht. Die Anwendung von Kernel-basierter Hauptkomponentenanalyse in Kombination mit hierarchischem Clustering identifizierte drei Hauptgruppen von Kontrastexperimenten mit jeweils überlappenden Expressionsmustern. In zwei Gruppen konnten deregulierte Gene wichtigen Funktionen bei Indol-3-Essigsäure (IAA) vermitteltem Pflanzenwachstum und -entwicklung sowie pflanzlicher Pathogenabwehr zugeordnet werden. Bisher funktionell nicht näher charakterisierte Serin-Threonin-Kinasen wurden über die Meta-Analyse mit der Pathogenabwehr assoziiert. Grundsätzlich kann dieser Ansatz versteckte Wechselbeziehungen zwischen Genen aufdecken, die unter verschiedenen Bedingungen reguliert werden. Bei der funktionellen Charakterisierung von Proteinen oder der Vorhersage von Genen in Genomsequenzen werden Hidden-Markov-Modelle (HMMs) eingesetzt. HMMs sind technisch ausgereift und in der computergestützten Biologie vielfach eingesetzt worden. Trotzdem birgt die Methodik das Potential zur Optimierung bezüglich der Modellierung biologischer Daten, die hinsichtlich der Längenverteilung ihrer Sequenzen variieren. Untereinheiten dieser Modelle, die Zustände, repräsentieren über ihre individuelle Verweildauer zugrunde liegende Verteilungen von Sequenzlängen. Kapitel 7 stellt eine Methode zur Anpassung einfacher HMM-Topologien an biologische Daten, die glockenkurvenartige Längenverteilungen zeigen, vor. Die Modellierung solcher Verteilungen wird dabei durch eine serielle Verkettung vervielfältigter Zustände gewährleistet, ohne dass die Klasse herkömmlicher HMMs verlassen wird. Auswertungen der Modellierungsleistung bei unterschiedlich stark optimierten HMM-Topologien unterstreichen die Bedeutung der entwickelten Topologieoptimierung. Zusammenfassend wird hier eine generelle Methodik beschrieben, die die Modelleigenschaften von HMMs über Topologieoptimierungen verbessert. Die Parameter dieser Optimierung werden mit Hilfe von Maximum-Likelihood und einem leicht einzubindenden Momentschätzer bestimmt. In Kapitel 8 wird die Anwendung von HMMs zur Vorhersage von Interaktionsstellen in Proteindomänen beschrieben. Wie bereits gezeigt wurde, sind solche Stellen aufgrund einer variablen Konserviertheit ihrer Position und ihres Typs schwer zu bestimmen. Eine Vorhersage von Interaktionstellen in Proteindomänen wird über die Definition einer neuen HMM-Topologie erreicht, die sowohl Sequenz- als auch Strukturdaten einbindet. Interaktionsstellen werden mit einem Posterior-Decoding-Algorithmus vorhergesagt, der zusätzliche Informationen über die Wahrscheinlichkeit einer Interaktion für alle Sequenzpositionen bereitstellt. Die Implementierung der Interaktionsprofil-HMMs (ipHMMs) basiert auf den etablierten Profil-HMMs und erbt deren Effizienz und Sensitivität. Eine groß angelegte Vorhersage von Interaktionsstellen mit ipHMMs konnte mutationsbedingte Fehlfunktionen in Proteinen erklären, die mit vererbbaren Krankheiten wie unterschiedlichen Tumortypen oder Muskeldystrophie assoziiert sind. Wie Profile-HMMs sind auch ipHMMs für groß angelegte Anwendungen geeignet. Insgesamt verbessert die HMM-gestützte Methode sowohl die Vorhersagequalität für Interaktionsstellen als auch das Verständnis molekularer Hintergründe bei vererbbaren Krankheiten. Im Hinblick auf aktuelle und zukünftige Anforderungen stelle ich in dieser Arbeit Lösungsansätze für eine umfassende Charakterisierung großer Mengen biologischer Daten vor. Alle beschriebenen Methoden zeichnen sich durch gute Übertragbarkeit auf verwandte Probleme aus. Besonderes Augenmerk wurde dabei auf den Wissenstransfer gelegt, der durch einen stetig wachsenden Fundus biologischer Information ermöglicht wird. Die angewandten und entwickelten statistischen Methoden sind lernfähig und profitieren von diesem Wissenszuwachs, Vorhersagequalität und Zuverlässigkeit der Ergebnisse verbessern sich.
KW  - Genomik
KW  - Hidden-Markov-Modell
KW  - Enterobacteriaceae
KW  - Genexpression
KW  - Microarray
KW  - Sequenzanalyse
KW  - diagnostischer Microarray
KW  - Sequence Analysis
KW  - diagnostic Microarray
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-39858
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zheng, Peilin
T1  - Ptpn22 silencing in the NOD model of type 1 diabetes indicates the human susceptibility allele of PTPN22 is a gain-of-function variant
T1  - Ptpn22 knockdown im NOD Modell für Diabetes Typ 1 belegt einen Aktivitätsgewinn der humanen Krankheitsvariante
N2  - PTPN22 encodes the lymphoid tyrosine phosphatase Lyp that can dephosphorylate Lck, ZAP-70 and Fyn to attenuate TCR signaling. A single-nucleotide polymorphism (C1858T) causes a substitution from arginine (R) to tryptophan (W) at 620 residue (R620W). Lyp-620W has been confirmed as a susceptible allele in multiple autoimmune diseases, including type 1 diabetes (T1D). Several independent studies proposed that the disease-associated allele is a gain-of-function variant. However, a recent report found that in human cells and a knockin mouse containing the R620W homolog that Ptpn22 protein degradation is accelerated, indicating Lyp-620W is a loss-of-function variant. Whether Lyp R620W is a gain- or loss-of-function variant remains controversial. To resolve this issue, we generated two lines (P2 and P4) of nonobese diabetic (NOD) mice in which Ptpn22 can be inducibly silenced by RNAi. We found long term silencing of Ptpn22 increased spleen cellularity and regulatory T (Treg) cell numbers, replicating the effect of gene deletion reported in the knockout (KO) B6 mice. Notably, Ptpn22 silencing also increased the reactivity and apoptotic behavior of B lymphocytes, which is consistent with the reduced reactivity and apoptosis of human B cells carrying the alleged gain-of-function PTPN22 allele. Furthermore, loss of Ptpn22 protected P2 KD mice from spontaneous and Cyclophosphamide (CY) induced diabetes. Our data support the notion that Lyp-620W is a gain-of-function variant. Moreover, Lyp may be a valuable target for the treatment of autoimmune diseases.
N2  - PTPN22 kodiert die lymphoid tyrosine phosphatase Lyp, die Lck, ZAP-70 und Fyn dephosphorilieren kann, um T Zell Rezeptor Signale zu vermindern. Ein Polymorphismus (C1858T) verursacht einen Aminosäurenaustausch auf Position 620 von Arginin zu Tryptophan (R620W). Lyp-620W erhöht das Risiko einer Vielfalt von Autoimmunerkrankungen, darunter auch Diabetes Typ 1 (T1D). Mehrere Studien haben belegt, dass dieses Krankheitsallel die Funktion von Lyp verstärkt. Eine neuere Studie hat andererseits gezeigt, dass die R620W Variante schneller degradiert wird, was bedeuten würde, dass das C1858T Allel einen Funktionsverlust verursachen könnte. Ob Lyp R620W die Funktion dieser Phosphatase erhöht oder mindert bleibt demnach bis jetzt ungewiss. Um diese Frage zu klären haben wir zwei transgene Mauslinien (P2 und P4) im diabetischen Hintergrund der NOD Maus generiert, in denen Ptpn22 auf induzierbare Weise durch RNAi gehemmt werden kann. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die langfristige Hemmung von Ptpn22 zu einer Zunahme der Milzzellularität und der Anzahl regulatorischer T Zellen führt, was dem Phänotyp des Ptpn22 knockout im B6 Hintergrund entspricht. Bemerkenswert ist, dass die Hemmung von Ptpn22 auch zu einer Zunahme der Reaktivität und des apoptotischen Verhaltens von B Lymphozyten führt, also dem entgegengesetzten Phänotypen, der in menschlichen B Zellen beobachtet wurde, die das Krankheitsallel exprimierten. Zusätzlich konnte die Ptpn22 Inhibierung NOD Mäuse vor spontanem und Cyclophosphamid-induziertem Diabetes schützen. Unsere Daten unterstützen also die Hypothese, dass Lyp-620W eine stärkere Aktivität vorweist. Dies würde auch bedeuten, dass Ptpn22 möglicherweise zu therapeutischen Zwecken inhibiert werden könnte, um Autoimmunerkrankungen zu bekämpfen.
KW  - Diabetes mellitus
KW  - Typ 1
KW  - Genexpression
KW  - Ptpn22
KW  - Diabetes Typ 1
KW  - Type 1 diabetes
KW  - PTPN22
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-73869
ER  - 
TY  - THES
A1  - Seo, Ean Jeong
T1  - Construction of recombinant E. coli Nissle 1917 (EcN) strains for the expression and secretion of defensins
T1  - Konstruktion von rekombinanten E. coli Nissle 1917 (EcN) Stämmen, die Defensine exprimieren bzw. sekretieren
N2  - Der probiotische Escherichia coli Stamm Nissle 1917 (EcN) ist eines der wenigen Probiotika, die als aktive Komponente eines Medikaments in mehreren Ländern zugelassen sind. Am besten ist die Wirksamkeit des EcN für die Remissionserhaltung von an Colitis Ulcerosa leidenden Patienten dokumentiert. Diese Fähigkeit ist vermutlich darauf zurückzuführen, dass EcN in der Lage ist die Produktion des humanen beta-Defensins 2 (HBD2) mittels seiner Flagelle zu Induzieren. In dieser Studie wurden rekombinante EcN Stämme konstruiert, die ein Defensin zu produzieren vermögen. Zu diesem Zweck wurden Kodon-optimierte Defensingene in Expressionsplasmidvektoren kloniert, die entweder die Proform mit der Signalsequenz oder die reife Defensinform des humanen -Defensins 5 (HD5) oder des humanen -Defensins 2 (HBD2) unter der Kontrolle des T7-Promotors kodieren. Die Synthese dieser Defensine wurde mittels Western-Blot nach der Induktion der Expression und der Lyse der rekombinanten EcN Stämme demonstriert. Das rekombinante reife HBD2 mit einem N-terminalen His-Tag konnte mittels Ni-Säulen-Chromatographie aufgereinigt werden. Das so gewonnene HBD2 zeigte antimikrobielle Aktivität gegen E. coli, Salmonella enterica Serovar Typhimurium und Listeria monocytogenes. In einem zweiten Ansatz wurde der Teil des HBD2-Gens mit dem yebF-Gen fusioniert, der das reife HBD2 kodiert. Das resultierende Fusionsprotein YebFMHBD2 wurde von dem entsprechenden EcN Stamm nach Induktion der Expression sekretiert. Die Präsenz von YebFMHBD2 im Medium war nicht das Ergebnis von Zellyse wie Western-Blots spezifisch für die -Galaktosidase und das Maltose-Bindeprotein mit dem Kulturüberstand zeigten. Dieser Kulturüberstand inhibierte das Wachstum von E. coli, Salmonella enterica Serovar Typhimurium und Listeria monocytogenes nach Dialyse und Aufkonzentration sowohl in Agardiffusionsassays als auch in Flüssigcokultur. Damit konnte gezeigt werden, dass EcN ein für die Produktion von bestimmten humanen Defensinen geeignetes Probiotikum darstellt. EcN ist bei der Behandlung von Morbus Crohn Patienten nicht aktiv. Dies ist vermutlich in der genetisch bedingten Unfähigkeit zur ausreichenden Defensinproduktion solcher Individuen begründet. Als ein erster Schritt in der Entwicklung von alternativen Ansätzen zur Behandlung Morbus Crohn Patienten wurden in dieser Arbeit EcN Stämme konstruiert, die in der Lage sind HD5 oder HBD2 zu produzieren.
N2  - The probiotic Escherichia coli strain Nissle 1917 (EcN) is one of the few probiotics licensed as a medication in several countries. Best documented is its effectiveness in keeping patients suffering from ulcerative colitis (UC) in remission. This might be due to its ability to induce the production of human beta defensin 2 (HBD2) in a flagellin-dependent way in intestinal epithelial cells. In contrast to ulcerative colitis, for Crohn´s disease (CD) convincing evidence is lacking that EcN might be clinically effective, most likely due to the genetically based inability of sufficient defensin production in CD patients. As a first step in the development of an alternative approach for the treatment of CD patients, EcN strains were constructed which were able to produce human alpha-defensin 5 (HD5) or beta-defensin 2 (HBD2). For that purpose codon-optimized defensin genes encoding either the proform with the signal sequence or the mature form of human alpha defensin 5 (HD5) or the gene encoding HBD2 with or without the signal sequence were cloned in an expression vector plasmid under the control of the T7 promoter. Synthesis of the encoded defensins was shown by Western blots after induction of expression and lysis of the recombinant EcN strains. Recombinant mature HBD2 with an N-terminal His-tag could be purified by Ni-column chromatography and showed antimicrobial activity against E. coli, Salmonella enterica serovar Typhimurium and Listeria monocytogenes. In a second approach, that part of the HBD2-gene which encodes mature HBD2 was fused with yebF gene. The resulting fusion protein YebFMHBD2 was secreted from the encoding EcN mutant strain after induction of expression. Presence of YebFMHBD2 in the medium was not the result of leakage from the bacterial cells, as demonstrated in the spent culture supernatant by Western blots specific for ß-galactosidase and maltose-binding protein. The dialyzed and concentrated culture supernatant inhibited the growth of E. coli, Salmonella enterica serovar Typhimurium and Listeria monocytogenes in radial diffusion assays as well as in liquid coculture. This demonstrates EcN to be a suitable probiotic E. coli strain for the production of certain defensins.
KW  - Escherichia coli
KW  - Probiotikum
KW  - Rekombinante DNS
KW  - Genexpression
KW  - Defensine
KW  - Probiotic
KW  - Recombinant defensins
KW  - E. coli Nissle 1917
KW  - HBD2
KW  - HD5
KW  - Antimicrobial activity
KW  - Secretion
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-72005
ER  - 
TY  - THES
A1  - Hofmann, Sebastian
T1  - Studies on the function and regulation of CD84, GPVI and Orai2 in genetically modified mice
T1  - Untersuchungen zur Funktion und Regulation von CD84, GPVI und Orai2 in genetisch veränderten Mäusen
N2  - Platelet activation and aggregation at sites of vascular injury are essential processes to limit blood loss but they also contribute to arterial thrombosis, which can lead to myocardial infarction and stroke. Stable thrombus formation requires a series of events involving platelet receptors which contribute to adhesion, activation and aggregation of platelets. Regulation of receptor expression by (metallo-)proteinases has been described for several platelet receptors, but the molecular mechanisms are ill-defined. The signaling lymphocyte activation molecule (SLAM) family member CD84 is expressed in immune cells and platelets, however its role in platelet physiology was unclear. In this thesis, CD84 deficient mice were generated and analyzed. In well established in vitro and in vivo assays testing platelet function and thrombus formation, CD84 deficient mice displayed phenotypes indistinguishable from wild-type controls. It was concluded that CD84 in platelets does not function as modulator of thrombus formation, but rather has other functions. In line with this, in the second part of this thesis, a novel regulation mechanism for platelet CD84 was discovered and elucidated. Upon platelet activation, the N-terminus of CD84 was found to be cleaved exclusively by the a disintegrin and metalloproteinase 10 (ADAM10), whereas the intracellular part was cleaved by calpain. In addition, regulation of the platelet activating collagen receptor glycoprotein VI (GPVI) was studied and it was shown that GPVI is in contrast to CD84 differentially regulated by ADAM10 and ADAM17. A novel role of CD84 under pathophysiological conditions was revealed as CD84 deficient mice were protected from ischemic stroke in the model of transient middle cerebral artery occlusion and this protection was based on the lack of CD84 in T cells. Ca2+ is an essential second messenger that facilitates activation of platelets and diverse functions in different eukaryotic cell types. Store-operated Ca2+ entry (SOCE) represents the major mechanism leading to rise in intracellular Ca2+ concentration in non-excitable cells. The Ca2+ sensor STIM1 (stromal interaction molecule 1) and the SOC channel subunit protein Orai1 are established mediators of SOCE in platelets. STIM2 is the major STIM isoform in neurons, but the role of the SOC channel subunit protein Orai2 in platelets and neurons has remained elusive. In the third part of this thesis, Orai2 deficient mice were generated and analyzed. Orai2 was dispensable for platelet function, however, Orai2 deficient mice were protected from ischemic neurodegeneration and this phenotype was attributed to defective SOCE in neurons.
N2  - Die Aktivierung und Aggregation von Blutplättchen sind wichtige Prozesse um Blutverlust nach Gefäßverletzungen zu vermeiden. Diese Prozesse spielen aber auch eine Rolle in der arteriellen Thrombose, die zu Herzinfarkt und Schlaganfall führen kann. Die Bildung stabiler Thromben setzt eine Reihe von Vorgängen voraus, an denen Blutplättchenrezeptoren beteiligt sind, welche zur Adhäsion, Aktivierung und Aggregation der Blutplättchen beitragen. Für einige Blutplättchenrezeptoren wurde eine Regulation der Expression durch (Metallo )Proteinasen beschrieben, jedoch sind die molekularen Mechanismen weitgehend unbekannt. CD84, ein Protein das zur signaling lymphocyte activation molecule (SLAM) Familie gehört, wird sowohl in Immunzellen als auch in Blutplättchen exprimiert. Jedoch war die Rolle von CD84 in der Physiologie der Blutplättchen unklar. In der vorliegenden Arbeit wurden CD84 defiziente Mäuse generiert und analysiert. In etablierten in vitro und in vivo Test, welche die Blutplättchenfunktion und Thrombusbildung untersuchen, war der Phänotyp von CD84 defizienten Mäusen unverändert gegenüber Wildtyp-Kontrollen. Es wurde die Schlussfolgerung gezogen, dass CD84 in Blutplättchen nicht als Modulator der Thrombusbildung fungiert, sondern eher andere Funktionen hat. Im Einklang damit wurde im zweiten Teil dieser Arbeit ein neuer Regulationsmechanismus entdeckt und aufgeklärt. Infolge von Blutplättchenaktivierung wurde der N-terminale Teil von CD84 ausschließlich von a disintegrin and metalloproteinase 10 (ADAM10) geschnitten, während der intrazelluläre Anteil durch Calpain prozessiert wurde. Weiterhin wurde die Regulation des Blutplättchen-aktivierenden Kollagenrezeptors Glykoprotein VI (GPVI) untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass GPVI, im Gegensatz zu CD84, einer differenziellen Regulation durch ADAM10 und ADAM17 unterliegt. Unter pathophysiologischen Bedingungen wurde eine neue Rolle von CD84 aufgedeckt, da CD84 defiziente Mäuse vor ischämischem Schlaganfall im transient middle cerebral artery occlusion Modell geschützt waren. Dieser Schutz beruhte auf dem Fehlen von CD84 auf T Zellen. Ca2+ ist ein wichtiger sekundärer Botenstoff, der die Aktivierung von Blutplättchen ermöglicht sowie diverse Funktionen in verschiedenen eukaryotischen Zellen erfüllt. Store-operated Ca2+ entry (SOCE) stellt den Hauptmechanismus dar, der zum Anstieg der intrazellulären Ca2+ Konzentration in nicht-erregbaren Zellen führt. Der Ca2+ Sensor STIM1 (stromal interaction molecule 1) und das SOC-Kanal Protein Orai1 sind als Vermittler des SOCE in Blutplättchen bekannt. STIM2 stellt die Hauptisoform der STIM Moleküle in Neuronen dar, jedoch war die Rolle des SOC-Kanal Proteins Orai2 in Blutplättchen und Neuronen weitgehend unbekannt. Im dritten Teil dieser Arbeit wurden Orai2 defiziente Mäuse generiert und analysiert. Orai2 war nicht essentiell für die Funktion von Blutplättchen, jedoch waren Orai2 defiziente Mäuse vor ischämischer Neurodegeneration geschützt. Dieser Phänotyp wurde auf einen defekten SOCE in Neuronen zurückgeführt.
KW  - Thrombozyt
KW  - Maus
KW  - Genexpression
KW  - Metalloproteinasen
KW  - platelets
KW  - CD84
KW  - Metalloproteinase
KW  - GPVI
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-87949
ER  - 
TY  - THES
A1  - Brede, Christian
T1  - Peripheral alloantigen expression directs the organ specific T cell infiltration after hematopoietic cell transplantation
T1  - Die Expression von Alloantigenen im peripheren Gewebe beeinflusst die selektive Organinfiltration durch T Zellen nach hämatopoetischer Stammzelltransplantation
N2  - In acute graft-versus-host disease (GVHD) alloreactive donor T cells selectively damage skin, liver, and the gastrointestinal tract while other organs are rarely affected. The mechanism of this selective target tissue infiltration is not well understood. We investigated the importance of alloantigen expression for the selective organ manifestation by examining spatiotemporal changes of cellular and molecular events after allogeneic hematopoietic cell transplantation (allo-HCT). To accomplish this we established a novel multicolor light sheet fluorescence microscopy (LSFM) approach for deciphering immune processes in large tissue specimens on a single-cell level in 3 dimensions. We combined and optimized protocols for antibody penetration, tissue clearing, and triple-color illumination to create a method for analyzing intact mouse and human tissues. This approach allowed us to successfully quantify changes in expression patterns of mucosal vascular addressin cell adhesion molecule–1 (MAdCAM-1) and T cell responses in Peyer’s patches following allo-HCT. In addition, we proofed that LSFM is suitable to map individual T cell subsets after HCT and detected rare cellular events. We employed this versatile technique to study the role of alloantigen expression for the selective organ manifestation after allo-HCT. Therefore, we used a T cell receptor (TCR) transgenic mouse model of GVHD that targets a single peptide antigen and thereby mimics a major histocompatibility complex (MHC)-matched single antigen mismatched (miHAg-mismatched) HCT. We transplanted TCR transgenic (OT-I) T cells into myeloablatively conditioned hosts that either express the peptide antigen ovalbumin ubiquitously (βa-Ova) or selectively in the pancreas (RIP-mOva), an organ that is normally not affected by acute GVHD. Of note, at day+6 after HCT we observed that OT-I T cell infiltration occurred in an alloantigen dependent manner. In βa-Ova recipients, where antigen was ubiquitously expressed, OT-I T cells infiltrated all organs and were not restricted to gastrointestinal tract, liver, and skin. In RIP-mOva recipients, where cognate antigen was only expressed in the pancreas, OT-I T cells selectively infiltrated this organ that is usually spared in acute GVHD. In conditioned RIP-mOva the transfer of 100 OT-I T cells sufficed to effectively infiltrate and destroy pancreatic islets resulting in 100% mortality. By employing intact tissue LSFM in RIP-mOva recipients, we identified very low numbers of initial islet infiltrating T cells on day+4 after HCT followed by a massive T cell migration to the pancreas within the following 24 hours. This suggested an effective mechanism of effector T cell recruitment to the tissue of alloantigen expression after initial antigen specific T cell encounter. In chimeras that either expressed the model antigen ovalbumin selectively in hematopoietic or in parenchymal cells only, transplanted OT-I T cells infiltrated target tissues irrespective of which compartment expressed the alloantigen. As IFN-γ could be detected in the serum of transplanted ovalbumin expressing recipients (βa-Ova, βa-Ova-chimeras and RIP-mOva) at day+6 after HCT, we hypothesized that this cytokine may be functionally involved in antigen specific OT-I T cell mediated pathology. In vitro activated OT-I T cells responded with the production of IFN-γ upon antigen re-encounter suggesting that IFN-γ might be relevant in the alloantigen dependent organ infiltration of antigen specific CD8+ T cell infiltration after HCT. Based on these data we propose that alloantigen expression plays an important role in organ specific T cell infiltration during acute GVHD and that initial alloreactive T cells recognizing the cognate antigen propagate a vicious cycle of enhanced T cell recruitment that subsequently culminates in the exacerbation of tissue restricted GVHD.
N2  - In der akuten Graft-Versus-Host Disease (GVHD) infiltrieren allogene Spender T Zellen Haut, Leber und den Magen-Darm-Trakt des Empfängers und attackieren das Gewebe. Andere Organe sind dagegen interessanterweise nur selten betroffen. Die Mechanismen dieser selektiven Organinfliltration sind bisher weitestgehend unbekannt. In meiner Dissertationsarbeit untersuchte ich den Einfluss der Alloantigenexpression auf die selektive Organmanifestation während der GVHD. Um komplexe Immunprozesse die nach allogener Stammzelltransplantation auftreten, besser zu verstehen, entwickelten wir eine Lichtblattmikroskopietechnik (LSFM) die zelluläre und molekulare Veränderungen im intakten Gewebe detektieren kann. Wir etablierten eine neuartigen mehrfarben LSFM-Methodik, die es ermöglicht, Immunprozesse in großen Gewebsstücken von Maus und Mensch in Einzelzellauflösung dreidimensional darzustellen. Dazu kombinierten und optimierten wir Protokolle, um eine Penetration von Antikörpern tief in das Gewebe sowie die Aufklärung und die dreifache Beleuchtung des Gewebes zu ermöglichen. Diese Methode erlaubte uns die erfolgreiche Quantifizierung der Proteinexpression des Adressins mucosal vascular addressin cell adhesion molecule–1 (MAdCAM-1) als auch die Quantifizierung der T Zell Antwort im intakten Peyer’s Plaque nach allogener hämatopoetischer Transplantation (HCT). Weiterhin konnten wir die Methode zur Untersuchung der Migration unterschiedlicher T Zell-Subpopulationen nach HCT erfolgreich einsetzen und konnten einzelne, organinfiltrierende Zellen detektierten und quantifizieren. Wir benutzten die LSFM Methode um den Einfluss der Alloantigenexpression auf die selektive Organmanifestation zu studieren. Dazu verwendeten wir ein Transplantationsmodell, in dem der Haupthistokompatibilitätskomplex übereinstimmt (MHC-matched) und eine Diskrepanz nur in einem einzelnen Peptid Antigen (miHAG-mismatch) zwischen Spender und Empfänger bestand. Wir transplantierten T Zell Rezeptor (TCR) transgene (OT-I) T Zellen in myeloablativ bestrahlte Empfänger, die das Peptidantigen Ovalbumin entweder in allen Geweben (βa-Ova) oder selektiv in der Bauchspeicheldrüse (RIP-mOva) exprimieren. Die Bauchspeicheldrüse ist ein Organ, das normalerweise nicht von der akuten GVHD betroffen ist. An Tag 6 nach allogener HCT waren alle Organe die das Alloantigen exprimieren auch von Spender T Zellen infiltriert. In myeloablativ bestrahlten RIP-mOva Empfängern reichten bereits 100 transferierte OT-I T Zellen aus, um Alloantigen-exprimierende pankreatische Inselzellen zu zerstören. Dies führte zu einer Mortalität von 100% der Empfänger und spricht für eine sehr effiziente Alloantigendetektion und Gewebsinfiltration durch die Spender T Zellen. Um die Kinetik der Organinfiltration der Spender T Zellen detailliert zu untersuchen, verwendeten wir die neue Lichtblattmikroskopietechnik, welche die Analyse intakter Organe ermöglicht. In RIP-mOva Empfängern identifizierten wir erste wenige Spender T Zellen im Pankreas an Tag 4 nach Transplantation, gefolgt von einer massiven Pankreasinfiltration durch Spender T Zellen innerhalb von 24 Stunden. Dies deutet auf eine gezielte Rekrutierung der Spender T Zellen nach erstem Antigenkontakt in das Gewebe mit Alloantigenexpression. Um zu untersuchen, ob die Alloantigenexpression vom parenchymalen Gewebe oder aber durch hämatopoetische Zellen zur spezifischen Organinfiltration führt, transplantierten wir OT-I T Zellen in chimäre Empfänger, in denen das Alloantigen entweder nur im Gewebsparenchym oder ausschließlich von hämatopoetischen Zellen exprimiert wird. An Tag 6 nach der allogenen HCT fanden wir Spender T Zellen in allen Geweben, unabhängig davon welches Empfängerzellkompartment das Alloantigen präsentierte. Wir detektierten hohe IFN-γ-Werte im Serum von Ovalbumin exprimierenden Empfänger (βa-Ova, βa- Ova-Chimären und RIP-mOva). Weiterhin fanden wir, dass nach erneutem Kontakt mit dem spezifischen Alloantigen, OT-I T Zellen die in vitro aktiviert wurden, IFN-γ produzierten. Wir schließen aus diesen Beobachtungen, dass für die antigenabhängige Gewebeinfiltration IFN-γ wichtig ist. Zusammenfassend postulieren wir, dass die Alloantigenexpression im Gewebe eine wichtige Rolle in der organspezifischen Infiltration durch Spender T Zellen spielt, und dass T Zellen die Alloantigen spezifisch erkennen, dafür verantwortlich sind, dass weitere Effektor-T Zellen in das Gewebe rekrutiert werden.
KW  - Alloantigen
KW  - Transplantat-Wirt-Reaktion
KW  - Genexpression
KW  - Blutstammzelle
KW  - Graft versus Host Disease
KW  - Hematopoietic Cell Transplantation
KW  - Alloantigen Expression
KW  - Light Sheet Fluorescence Microscopy
KW  - Fluoreszenzmikroskopie
KW  - Hämatopoetische Stammzelltransplantation
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-85365
ER  - 
TY  - THES
A1  - Post, Antonia
T1  - Snap25 heterozygous knockout mice as a potential model for attention deficit/hyperactivity disorder (ADHD)
T1  - Heterozygote Snap25 Knockout-Mäuse als Modell für Aufmerksamkeitsdefizit- / Hyperaktivitätssyndrom (ADHS)
N2  - SNAP25 (Synaptosomal-Associated Protein of 25 kDa; part of the SNARE complex) is involved in the docking and fusion of synaptic vesicles in presynaptic neurons necessary for the regulation of neurotransmitter release, as well as in axonal growth and synaptic plasticity. In humans, different single nucleotide polymorphisms of SNAP25 have repeatedly been associated with attention deficit/hyperactivity disorder (ADHD). Thus, in this study heterozygous Snap25 knockout mice were investigated as a model of ADHD.
Heterozygous (+/-) Snap25 knockout mice as well as their wild-type (+/+) littermates were reared under control conditions or underwent a Maternal Separation (MS) procedure. Starting at the age of 2 months, mice were tested for locomotor activity in a repeated long-term Open Field (OF) task, for attention deficits and impulsive behavior in the 5 Choice Serial Reaction Time Task (5CSRTT), for anxiety-like behavior in the Light-Dark Box (LDB) and for depression-like behavior in the Porsolt Forced Swim Test (FST). The brains of these mice were subsequently tested for the expression of several ADHD related genes in a quantitative Real-Time PCR (qRT-PCR) study. Another group of female mice (+/+; +/-) underwent a one hour OF test after oral administration of 45 mg/kg Methylphenidate (MPH) or placebo.
To find an optimized dosage for this MPH challenge, a pilot study was performed. Wild-type C57BL/6 mice were tested in a long-term OF with several dosages of MPH both intraperitoneally (i.p.) and orally. The brains of these animals were afterwards investigated for neurotransmitter concentrations. In this pilot study the dosages of MPH that were similarly behaviorally effective without causing symptoms of overdosing were 7.5-15 mg/kg intraperitoneally and 30-60 mg/kg orally. However, even though it was possible to find intraperitoneal and oral doses that correlate behaviorally, the neurochemistry was mostly different.
In the study on Snap25-deficient mice, unstressed controls showed a hyperactive phenotype in the second of two long-term OF sessions (60 min) spaced three weeks apart. Considering all groups, there was a significant interaction of stress and genotype in the second session, with animals subjected to MS being overall hyperactive with no genotype differences. In the training phase of the 5CSRTT only effects of stress were found, with MS animals finding and consuming fewer rewards. In the single test trial, several genotype effects became apparent, with tendencies for the number of correct nose pokes and the number of rewards eaten, and a significant effect for the number of rewards eaten directly after the correct response. In all of these variables +/- mice performed worse than their wild-type littermates. In the LDB +/- mice entered the lit compartment of the arena earlier than the controls, thus showing attenuated anxiety-like behavior. Regarding depressive-like behavior in the FST, male +/- mice spent significantly less time struggling than male +/+ mice. In the gene expression study, +/- mice had lower expression levels of Maoa and Comt, and higher expression levels of Nos1 than wild-types. Finally, the locomotor activity response to MPH was exaggerated in +/- mice as compared to controls.
Heterozygous Snap25 knockout mice show some of the behavioral characteristics of ADHD, as for example a mild hyperactivity in a familiar environment, difficulties in the correct execution of a given task and even some behavior that can be interpreted as delay aversion. Additionally, expression levels of three ADHD related genes were changed in these animals. Although the exaggerated locomotor activity response to MPH is not to be expected of an ADHD model, the difference in the response between +/+ and +/- mice nonetheless implicates a potential dysfunction of the brain dopaminergic system.
N2  - SNAP25 (Synaptosomal assoziiertes Protein, 25 kDa; Teil des SNARE Komplexes) ist an der Fusion von synaptischen Vesikeln mit der präsynaptischen Zellmembran beteiligt, und somit notwendig für die Regulation der Neurotransmitter-Ausschüttung. Außerdem wird eine wichtige Funktion bei dem Wachstum von Axonen und synaptischer Plastizität diskutiert. In Humanstudien wurden wiederholt verschiedene Einzelnukleotid-polymorphismen von SNAP25 mit Aufmerksamkeitsdefizit- / Hyperaktivitätssyndrom (ADHS) assoziiert. In der vorliegenden Studie wurden heterozygote Snap25 knockout Mäuse als Modell für ADHS untersucht.
Heterozygote (+/-) Snap25 knockout Mäuse und ihre wildtypischen Wurfgeschwister wurden unter Kontrollbedingungen großgezogen oder einer maternalen Separation (MS) unterzogen. Beginnend im Alter von etwa 2 Monaten wurden diese Mäuse verschiedenen Verhaltenstests unterzogen: in einem wiederholten Langzeit-Open-Field (OF) Test wurde Aktivität untersucht, Aufmerksamkeitsdefizite und Impulsivität mit dem 5 Choice Serial Reaction Time Task (5CSRTT), angst-ähnliches Verhalten in der Light-Dark Box (LDB) und depressions-ähnliches Verhalten im Porsolt Forced Swim Test (FST). Die Gehirne dieser Mäuse wurden anschließend auf die Expression verschiedener ADHS bezogener Gene in einer quantitativen Real-Time-PCR (qRT-PCR) untersucht. Eine zusätzliche Gruppe weiblicher Mäuse (+/+; +/-) durchlief einen einstündigen OF Test nach oraler Gabe von 45 mg/kg Methylphenidat (MPH) oder Placebo.
Um eine optimale Dosierung für MPH in diesem Experiment zu finden, wurde eine Pilotstudie durchgeführt. Hierbei wurden wildtypische C57/BL6 Mäuse in einem Langzeit OF Test mit Gabe unterschiedlicher Dosierungen von MPH, sowohl oral als auch intraperitoneal (i.p.), untersucht. Im Anschluss wurden die Gehirne dieser Tiere auf Neurotransmitter-konzentration geprüft. Diese Pilotstudie ergab als optimale Dosierungen von MPH auf Verhaltensebene 7.5-15 mg/kg i.p. und 30-60 mg/kg oral. Allerdings waren die neurochemischen Effekte der beiden unterschiedlichen Applikationsarten größtenteils verschieden.
In der Snap25 Studie zeigten ungestresste Kontroll-Tiere einen leicht hyperaktiven Phänotyp in dem zweiten von zwei Langzeit-Open-Field Tests (60 min) im Abstand von 3 Wochen. Bei Betrachtung aller Gruppen ergab sich auch eine signifikante Interaktion von Stress und Genotyp in der zweiten Testung, und zwar dahingehend, dass MS Tiere grundsätzlich aktiveres Verhalten zeigten, ohne Genotypen-Unterschiede. In der Anfangsphase des 5CSRTT lagen nur signifikante Haupteffekte für Stress vor, gestresste Tiere hatten größere Probleme im Meistern der Aufgabe als Wildtypen. Erst im sogenannten Test-Trial am Ende der Versuchsreihe ergaben sich signifikante Haupteffekte für den Genotyp. Heterozygote Snap25 knockout Mäuse zeigten beispielsweise weniger korrekte Reaktionen und konsumierten auch weniger Belohnungspellets direkt im Anschluss an eine korrekte Reaktion als Wildtypen. In der LDB brauchten +/- Mäuse wiederum weniger Zeit als Wildtypen, um den erleuchteten Teil der Arena zu betreten, und zeigten dadurch ein reduziertes Angst-ähnliches Verhalten. Im Gegensatz dazu ergab sich ein erhöht Depressions-ähnliches Verhalten für männliche heterozygote Snap25 knockout Mäuse im FST. Auf der Genexpressions-Ebene hatten +/- Mäuse niedrigere Expressionslevels von Maoa und Comt und höhere Expressionslevels von Nos1 als Wildtypen. Abschließend zeigte sich eine erhöhte Reaktion auf MPH bei heterozygoten Mäusen.
Zusammenfassend zeigen heterozygote Snap25 knockout Mäuse einige Charakteristika von ADHS auf Verhaltensebene, wie zum Beispiel eine leichte Hyperaktivität in bekannter Umgebung, Schwierigkeiten im Erlernen einer gestellten Aufgabe und sogar Verhaltensweisen, die auf eine Abneigung gegenüber Verzögerungen hindeuten. Zusätzlich kommt es aufgrund des Knockouts zu veränderten Expressionslevels verschiedener ADHS assoziierter Gene. Auch wenn die erhöhte Verhaltensreaktion von +/- Mäusen auf MPH nicht die erwartete Reaktion eines ADHS Modells darstellt, deutet sie dennoch auf ein Ungleichgewicht des dopaminergen Systems im Gehirn hin, das bei ADHS eine wichtige Rolle spielt.
KW  - Aufmerksamkeitsdefizit-Syndrom
KW  - SNAP-Rezeptor
KW  - Tiermodell
KW  - Verhalten
KW  - Genexpression
KW  - Animal model
KW  - Snap25
KW  - Attention deficit / hyperactivity disorder
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-122899
ER  - 
TY  - THES
A1  - Merker, Sören
T1  - Genome-wide screenings in attention-deficit/hyperactivity disorder (ADHD): investigation of novel candidate genes SLC2A3 and LPHN3
T1  - Genomweite Untersuchungen des Aufmerksamkeitsdefizit/ Hyperaktivitätssyndroms (ADHS): Analyse der neuen Kandidatengene SLC2A3 und LPHN3
N2  - Attention-deficit/hyperactivity disorder (ADHD) is a highly prevalent childhood-onset neurodevelopmental disorder that involves a substantial risk of persisting into adolescence and adulthood. A number of genome-wide screening studies in ADHD have been conducted in recent years, giving rise to the discovery of several variants at distinct chromosomal loci, thus emphasising the genetically complex and polygenic nature of this disorder. Accordingly, promising novel candidate genes have emerged, such as the gene encoding the glucose transporter isoform 3 (SLC2A3) and the gene encoding the latrophilin isoform 3 (LPHN3). 
In this thesis, both genes were investigated in form of two separated projects. The first focused on SLC2A3 polymorphisms associated with ADHD and their potential physiological impact. For this purpose, gene expression analyses in peripheral cell models were performed as well as functional EEG measurements in humans. The second project concerned the murine gene Lphn3 including the goal of developing a mouse line containing a genetically modified Lphn3 with conditional knockout potential. In this respect, a specific DNA vector was applied to target the Lphn3 gene locus in murine embryonic stem (ES) cells as a prerequisite for the generation of appropriate chimeric mice.
The results of the first project showed that SLC2A3 duplication carriers displayed increased SLC2A3 mRNA expression in peripheral blood cells and significantly altered event-related potentials (ERPs) during tests of cognitive response control and working memory, possibly involving changes in prefrontal brain activity and memory processing. Interestingly, ADHD patients with the rs12842 T-allele, located within and tagging the SLC2A3 gene, also exhibited remarkable effects during these EEG measurements. However, such effects reflected a reversed pattern to the aforementioned SLC2A3 duplication carriers with ADHD, thus indicative of an opposed molecular mechanism. Besides, it emerged that the impact of the aforementioned SLC2A3 variants on different EEG parameters was generally much more pronounced in the group of ADHD patients than the healthy control group, implying a considerable interaction effect. Concerning the second project, preliminary results were gathered including the successful targeting of Lphn3 in murine ES cells as well as the production of highly chimeric, phenotypically unremarkable and 
mostly fertile mouse chimeras. While germline transmission of the modified Lphn3 allele has not yet occurred, there are still several newborn chimeric mice that will be tested in the near future. 
In conclusion, the findings suggest that SLC2A3 variants associated with ADHD are accompanied by transcriptional and functional changes in humans. Future research will help to elucidate the molecular network and neurobiological basis involved in these effects and apparently contributing to the complex clinical picture of ADHD. Moreover, given the increasing number of publications concerning latrophilins in recent years and the multitude of research opportunities provided by a conditional knockout of Lphn3 in mice, the establishment of a respective mouse line, which currently is in progress, constitutes a promising approach for the investigation of this gene and its role in ADHD.
N2  - Das Aufmerksamkeitsdefizit/Hyperaktivitätssyndrom (ADHS) ist eine hoch prävalente und bereits in der Kindheit beginnende Neuroentwicklungsstörung, die eine erhebliche Persistenz ins Jugend- und Erwachsenenalter aufweist. In den vergangenen Jahren wurde eine Vielzahl von genomweiten Studien zu ADHS durchgeführt, welche zur Identifizierung zahlreicher genetischer Varianten an unterschiedlichen chromosomalen Loci geführt und somit die genetisch komplexe polygene Natur dieser Störung zur Geltung gebracht haben. Auf diese Weise traten auch neue Kandidatengene zutage, wie zum Beispiel das Gen für die Glukosetransporter-Isoform-3 (SLC2A3) und das Gen, welches Latrophilin-3 kodiert (LPHN3). 
Innerhalb dieser Thesis wurden beide Gene in Form von zwei voneinander getrennten Projekten untersucht. Das erste Projekt beschäftigte sich mit humanen ADHS-assoziierten SLC2A3-Polymorphismen und ihrer potentiellen physiologischen Bedeutung. Für diesen Zweck wurden Genexpressionsanalysen in peripheren Zellmodellen sowie funktionelle EEG-Messungen im Menschen durchgeführt. Im zweiten Projekt ging es um das murine Gen Lphn3 mit dem Ziel, eine Mauslinie zu entwickeln, die ein genetisch verändertes Lphn3 mit konditionalem Knockout-Potenzial aufweist. In diesem Zusammenhang wurde ein spezifischer DNA-Vektor
 
verwendet, der auf den Lphn3-Genlocus in murinen embryonalen Stammzellen (ES-Zellen) abzielte, was eine Voraussetzung für die Erzeugung von geeigneten chimären Mäusen darstellt. 
Die Ergebnisse des ersten Projektes legten nahe, dass SLC2A3-Duplikationsträger erhöhte SLC2A3-mRNA-Expression in peripheren Blutzellen aufweisen sowie signifikant veränderte ereigniskorrelierte Potentiale während eines Tests kognitiver Reaktionskontrolle sowie eines Arbeitsgedächtnis-Tests, was möglicherweise von veränderter präfrontaler Hirnaktiviät bzw. Gedächtnis-Prozessierung begleitet wird. Interessanterweise zeigten ADHS-Patienten mit T-Allel des im SLC2A3-Gen liegenden SNPs rs12842 ebenfalls deutliche Effekte während dieser EEG-Messungen, allerdings in entgegengesetzter Form zu den zuvor genannten SLC2A3-Duplikationsträgern mit ADHS, was auf einen gegensätzlichen molekularen Mechanismus hindeutet. Zudem stellte sich heraus, dass der Einfluss der zuvor genannten SLC2A3-Varianten auf verschiedene EEG-Parameter innerhalb der ADHS-Gruppe generell deutlich stärker ausgeprägt war als in der gesunden Kontrollgruppe, also einen beachtlichen Interaktionseffekt impliziert. Bezüglich des zweiten Projektes konnten bisher Zwischenergebnisse erzielt werden: das erfolgreiche Targeting des Lphn3-Gens in murinen ES-Zellen sowie die Produktion hochchimärer, phänotypisch unauffälliger und größtenteils fertiler Maus-Chimären. Obgleich die Keimbahntransmission des modifizierten Lphn3-Allels bislang noch nicht eingetreten ist, gibt es noch eine Reihe an neugeborenen chimären Mäusen, die in nächster Zeit erst noch getestet werden müssen.  
Zusammenfassend deuten die Ergebnisse darauf hin, dass Variationen des SLC2A3-Gens, die mit ADHS assoziiert sind, mit transkriptionellen und funktionellen Veränderungen im Menschen einhergehen. Zukünftige Forschungsarbeiten werden dabei helfen, die molekularen Netzwerke und neurobiologischen Grundlagen zu verdeutlichen, die an diesen Effekten beteiligt sind und offenbar zu dem komplexen klinischen Bild von ADHS beitragen. Angesichts der steigenden Zahl an Publikationen über Latrophiline in den letzten Jahren und der unzähligen Forschungsmöglichkeiten, die ein konditionaler Knockout von Lphn3 in Mäusen bietet, stellt die derzeit laufende Etablierung einer entsprechenden Mauslinie einen vielversprechenden Ansatz dar, dieses Gen und seine Rolle für ADHS zu untersuchen.
KW  - Genexpression
KW  - Glucosetransportproteine
KW  - Aufmerksamkeits-Defizit-Syndrom
KW  - Latrophilin receptor
KW  - Knockout-Maus
KW  - ADHD
KW  - Genetics
KW  - Glucosetransporter
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-100129
ER  - 
TY  - THES
A1  - Simann, Meike
T1  - Aufklärung der Effekte von Fibroblasten-Wachstumsfaktor 1 und 2 auf die Adipogenese und Osteogenese von primären humanen Knochenmark-Stroma-Zellen
T1  - Elucidation of fibroblast growth factor 1 and 2 effects on the adipogenesis and osteogenesis of primary human bone marrow stromal cells
N2  - Regulating and reverting the adipo-osteogenic lineage decision of trabecular human bone marrow stromal cells (hBMSCs) represents a promising approach for osteoporosis therapy and prevention. Fibroblast growth factor 1 (FGF1) and its subfamily member FGF2 were scored as lead candidates to exercise control over lineage switching processes (conversion) in favor of osteogenesis previously. However, their impact on differentiation events is controversially discussed in literature. Hence, the present study aimed to investigate the effects of these FGFs on the adipogenic and osteogenic differentiation and conversion of primary hBMSCs. Moreover, involved downstream signaling mechanisms should be elucidated and, finally, the results should be evaluated with regard to the possible therapeutic approach.

This study clearly revealed that culture in the presence of FGF1 strongly prevented the adipogenic differentiation of hBMSCs as well as the adipogenic conversion of pre-differentiated osteoblastic cells. Lipid droplet formation was completely inhibited by a concentration of 25 ng/µL. Meanwhile, the expression of genetic markers for adipogenic initiation, peroxisome proliferator-activated receptor gamma 2 (PPARg2) and CCAAT/enhancer binding protein alpha (C/EBPa), as well as subsequent adipocyte maturation, fatty acid binding protein 4 (FABP4) and lipoprotein lipase (LPL), were significantly downregulated. Yet, the genetic markers of osteogenic commitment and differentiation were not upregulated during adipogenic differentiation and conversion under FGF supplementation, not supporting an event of osteogenic lineage switching. 

Moreover, when examining the effects on the osteogenic differentiation of hBMSCs and the osteogenic conversion of pre-differentiated adipocytic cells, culture in the presence of FGF1 markedly decreased extracellular matrix (ECM) mineralization. Additionally, the gene expression of the osteogenic marker alkaline phosphatase (ALP) was significantly reduced and ALP enzyme activity was decreased. Furthermore, genetic markers of osteogenic commitment, like the master regulator runt-related transcription factor 2 (RUNX2) and bone morphogenetic protein 4 (BMP4), as well as markers of osteogenic differentiation and ECM formation, like collagen 1 A1 (COL1A1) and integrin-binding sialoprotein (IBSP), were downregulated. In contrast, genes known to inhibit ECM mineralization, like ANKH inorganic pyrophosphate transport regulator (ANKH) and osteopontin (OPN), were upregulated. ANKH inhibition revealed that its transcriptional elevation was not crucial for the reduced matrix mineralization, perhaps due to decreased expression of ectonucleotide pyrophosphatase/phosphodiesterase 1 (ENPP1) that likely annulled ANKH upregulation. Like FGF1, also the culture in the presence of FGF2 displayed a marked anti-adipogenic and anti-osteogenic effect.

The FGF receptor 1 (FGFR1) was found to be crucial for mediating the described FGF effects in adipogenic and osteogenic differentiation and conversion. Yet, adipogenic conversion displayed a lower involvement of the FGFR1. For adipogenic differentiation and osteogenic differentiation/conversion, downstream signal transduction involved the extracellular signal-regulated kinases 1 and 2 (ERK1/2) and the mitogen-activated protein kinase (MAPK)/ERK kinases 1 and 2 (MEK1/2), probably via the phosphorylation of FGFR docking protein FGFR substrate 2a (FRS2a) and its effector Ras/MAPK. The c-Jun N-terminal kinase (JNK), p38-MAPK, and protein kinase C (PKC) were not crucial for the signal transduction, yet were in part responsible for the rate of adipogenic and/or osteogenic differentiation itself, in line with current literature.

Taken together, to the best of our knowledge, our study was the first to describe the strong impact of FGF1 and FGF2 on both the adipogenic and osteogenic differentiation and conversion processes of primary hBMSCs in parallel. It clearly revealed that although both FGFs were not able to promote the differentiation and lineage switching towards the osteogenic fate, they strongly prevented adipogenic differentiation and lineage switching, which seem to be elevated during osteoporosis. Our findings indicate that FGF1 and FGF2 entrapped hBMSCs in a pre-committed state. In conclusion, these agents could be applied to potently prevent unwanted adipogenesis in vitro. Moreover, our results might aid in unraveling a pharmacological control point to eliminate the increased adipogenic differentiation and conversion as potential cause of adipose tissue accumulation and decreased osteoblastogenesis in bone marrow during aging and especially in osteoporosis.
N2  - Die Regulation und Umkehr des adipogenen und osteogenen Commitments von trabekulären humanen Knochenmarks-Stroma Zellen (hBMSCs) stellt einen vielversprechenden Ansatz für die Prävention und Therapie der Knochenerkrankung Osteoporose dar. Der Fibroblasten-Wachstumsfaktor 1 (FGF1) und sein Proteinfamilien-Mitglied FGF2 wurden in einer vorhergehenden Studie als Hauptkandidaten bezüglich der Kontrolle einer Konversion (Schicksalsänderung) von hBMSCs in die osteogene Richtung bewertet. Der Effekt von FGF1 und FGF2 auf die Differenzierung von hBMSCs wird jedoch in der Literatur kontrovers diskutiert. Folglich zielte die aktuelle Studie darauf ab, die Effekte dieser Faktoren auf die adipogene und osteogene Differenzierung und Konversion von primären hBMSCs zu untersuchen. Außerdem sollten die nachgeschalteten Signalmechanismen aufgeklärt und die Ergebnisse abschließend bezüglich des angestrebten Therapieansatzes bewertet werden.
Die vorliegende Studie zeigte eindeutig, dass die adipogene Differenzierung von hBMSCs sowie die adipogene Konversion von vordifferenzierten osteoblastischen Zellen durch die Kultur in Gegenwart von FGF1 stark inhibiert wurden. Die typische Bildung von intrazellulären Fetttropfen war bei einer Konzentration von 25 ng/µL vollständig inhibiert, während die Genexpression von frühen und späten adipogenen Markern signifikant herunterreguliert war. Die osteogenen Marker waren jedoch während der adipogenen Differenzierung und Konversion unter FGF-Zugabe nicht hochreguliert, was eine etwaige Schicksalsänderung zugunsten der osteogenen Richtung nicht unterstützte.
Bei der Untersuchung der osteogenen Differenzierung von hBMSCs und der osteogenen Konversion von vordifferenzierten adipozytischen Zellen bewirkte die Zugabe von FGF1 zum Differenzierungsmedium eine deutliche Verminderung der Mineralisierung der extrazellulären Matrix (ECM). Darüber hinaus war die Genexpression der alkalischen Phosphatase (ALP) signifikant reduziert; außerdem wurde die ALP Enzymaktivität erniedrigt. Sowohl Marker des osteogenen Commitments einschließlich des osteogenen Master-Transkriptionsfaktors RUNX2 (Runt-related transcription factor 2), als auch Marker der weiterführenden osteogenen Differenzierung waren herunterreguliert. Im Kontrast dazu waren Inhibitoren der ECM-Mineralisierung hochreguliert. Die Hochregulation von ANKH (ANKH inorganic pyrophosphate transport regulator) schien hierbei jedoch keine direkte Auswirkung auf die Reduzierung der Mineralisierung zu haben; seine Wirkung wurde wahrscheinlich durch die Herunterregulation von ENPP1 (Ectonucleotide pyrophosphatase/ phosphodiesterase 1) aufgehoben. Wie FGF1 zeigte auch FGF2 eine anti-adipogene und anti-osteogene Wirkung.
Der FGF Rezeptor 1 (FGFR1) war für die Weiterleitung der beschriebenen FGF-Effekte entscheidend, wobei die adipogene Konversion eine erniedrigte Beteiligung dieses Rezeptors zeigte. Bei der adipogenen Differenzierung und der osteogenen Differenzierung und Konversion waren die nachgeschalteten Signalwege ERK1/2 (Extracellular signal-regulated kinases 1 and 2) bzw. MEK1/2 (Mitogenactivated protein kinase (MAPK)/ ERK kinases 1 and 2) involviert, vermutlich über eine Phosphorylierung des FGFR Substrats FRS2a (FGFR substrate 2a) und der Ras/MAP Kinase. Im Gegensatz dazu waren die c-Jun N-terminale Kinase (JNK), die p38-MAP Kinase und die Proteinkinase C (PKC) nicht an der Weiterleitung des FGF-Signals beteiligt. Sie zeigten sich jedoch, in Übereinstimmung mit der aktuellen Literatur, verantwortlich für das Ausmaß der adipogenen bzw. osteogenen Differenzierung selbst.
Zusammenfassend war die vorliegende Studie nach unserem besten Wissen die erste, die den starken Einfluss von FGF1 und FGF2 parallel sowohl auf die adipogene als auch die osteogene Differenzierung und Konversion von primären hBMSCs untersucht hat. Sie zeigte deutlich, dass, obwohl beide FGFs nicht die Differenzierung und Konversion zum osteogenen Zellschicksal hin unterstützen konnten, sie dennoch wirkungsvoll die adipogene Differenzierung und Konversion verhinderten, die während der Osteoporose erhöht zu sein scheinen. Unsere Ergebnisse lassen den Schluss zu, dass hBMSCs durch FGF1 und FGF2 in einem Stadium vor dem Schicksals-Commitment festgehalten werden. Folglich könnten diese Proteine verwendet werden, um eine ungewollte Adipogenese in vitro zu verhindern. Außerdem könnten unsere Ergebnisse helfen, einen pharmakologischen Kontrollpunkt zur Eliminierung der gesteigerten adipogenen Differenzierung und Konversion aufzudecken, welche potentielle Gründe für die Fettakkumulation und die reduzierte Osteoblastogenese im Knochenmark während des Alterns und besonders in der Osteoporose sind.
KW  - Mesenchymzelle
KW  - Genexpression
KW  - Fibroblastenwachstumsfaktor
KW  - Osteoporose
KW  - Fettzelle
KW  - Bone marrow stromal cell (BMSC)
KW  - Osteogenesis
KW  - Adipogenesis
KW  - Differentiation
KW  - adipocytes
KW  - Mesenchymale Stammzelle
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-119322
ER  - 
TY  - THES
A1  - Sommerlandt, Frank M. J.
T1  - Mechanisms of visual memory formation in bees: About immediate early genes and synaptic plasticity
T1  - Mechanismen der visuellen Gedächtnisbildung bei Bienen: Über unmittelbar früh exprimierte Gene und synaptische Plastizität
N2  - Animals form perceptual associations through processes of learning, and retain that information through mechanisms of memory. Honeybees and bumblebees are classic models for insect perception and learning, and despite their small brains with about one million neurons, they are organized in highly social colonies and possess an astonishing rich behavioral repertoire including navigation, communication and cognition. Honeybees are able to harvest hundreds of morphologically divergent flower types in a quick and efficient manner to gain nutrition and, back in the hive, communicate discovered food sources to nest mates. To accomplish such complex tasks, bees must be equipped with diverse sensory organs receptive to stimuli of different modalities and must be able to associatively learn and memorize the acquired information. Particularly color vision plays a prominent role, e.g. in navigation along landmarks and when bees identify inflorescences by their color signals. Once acquired, bees are known to retain visual information for days or even months. Numerous studies on visual perception and color vision have been conducted in the past decades and largely revealed the information processing pathways in the brain. In contrast, there are no data available on how the brain may change in the course of color learning experience and whether pathways differ for coarse and fine color learning. Although long-term memory (LTM) storage is assumed to generally include reorganization of the neuronal network, to date it is unclear where in the bee brain such changes occur in the course of color learning and whether visual memories are stored in one particular site or decentrally distributed over different brain domains. The present dissertation research aimed to dissect the visual memory trace in bees that is beyond mere stimulus processing and therefore two different approaches were elaborated: first, the application of immediate early genes (IEG) as genetic markers for neuronal activation to localize early processes underlying the formation of a stable LTM. Second, the analysis of late consequences of memory formation, including synaptic reorganization in central brain areas and dependencies of color discrimination complexity. 
Immediate early genes (IEG) are a group of rapidly and transiently expressed genes that are induced by various types of cellular stimulation. A great number of different IEGs are routinely used as markers for the localization of neuronal activation in vertebrate brains. The present dissertation research was dedicated to establish this approach for application in bees, with focus on the candidate genes Amjra and Amegr, which are orthologous to the two common vertebrate IEGs c-jun and egr-1. First the general requirement of gene transcription for visual LTM formation was proved. Bumblebees were trained in associative proboscis extension response (PER) conditioning to monochromatic light and subsequently injected with an inhibitor of gene transcription. Memory retention tests at different intervals revealed that gene transcription is not required for the formation of a mid-term memory, but for stable LTM. Next, the appliance of the candidate genes was validated. Honeybees were exposed to stimulation with either alarm pheromone or a light pulse, followed by qPCR analysis of gene expression. Both genes differed in their expression response to sensory exposure: Amjra was upregulated in all analyzed brain parts (antennal lobes, optic lobes and mushroom bodies, MB), independent from stimulus modality, suggesting the gene as a genetic marker for unspecific general arousal. In contrast, Amegr was not significantly affected by mere sensory exposure. Therefore, the relevance of associative learning on Amegr expression was assessed. Honeybees were trained in visual PER conditioning followed by a qPCR-based analysis of the expression of all three Amegr isoforms at different intervals after conditioning. No learning-dependent alteration of gene expression was observed. However, the presence of AmEgr protein in virtually all cerebral cell nuclei was validated by immunofluorescence staining. The most prominent immune-reactivity was detected in MB calyx neurons.
Analysis of task-dependent neuronal correlates underlying visual long-term memory was conducted in free-flying honeybees confronted with either absolute conditioning to one of two perceptually similar colors or differential conditioning with both colors. Subsequent presentation of the two colors in non-rewarded discrimination tests revealed that only bees trained with differential conditioning preferred the previously learned color. In contrast, bees of the absolute conditioning group chose randomly among color stimuli. To investigate whether the observed difference in memory acquisition is also reflected at the level of synaptic microcircuits, so called microglomeruli (MG), within the visual domains of the MB calyces, MG distribution was quantified by whole-mount immunostaining three days following conditioning. Although learning-dependent differences in neuroarchitecture were absent, a significant correlation between learning performance and MG density was observed.
Taken together, this dissertation research provides fundamental work on the potential use of IEGs as markers for neuronal activation and promotes future research approaches combining behaviorally relevant color learning tests in bees with examination of the neuroarchitecture to pave the way for unraveling the visual memory trace.
N2  - Tiere erlangen Informationen über die Umwelt durch Lernprozesse und speichern diese Informationen durch Mechanismen der Gedächtnisbildung. Honigbienen und Hummeln stellen klassische Modellorganismen zur Untersuchung von sensorischer Perzeption und Lernvorgängen dar. Trotz ihres kleinen, lediglich etwa eine Millionen Nervenzellen umfassenden Gehirns sind diese hoch sozialen Bienen zu erstaunlichen Verhaltensleistungen fähig, welche komplexe Navigation, Kommunikation und Kognition einschließen. Auf der Suche nach Futterquellen navigieren Honigbienen über große Distanzen, ohne dabei die Lage ihres Nestes aus dem Gedächtnis zu verlieren. Außerdem sammeln sie hoch effizient Futter an zahlreichen morphologisch divergenten Blütentypen und kommunizieren neu erschlossene Futterstellen anderen Sammelbienen im Nest. Zur Bewältigung solch komplexer Aufgaben stehen Bienen diverse sensorische Organe zur Verfügung, womit sie Reize unterschiedlicher Modalitäten wahrnehmen und verarbeiten können. Außerdem sind sie zu assoziativem Lernen und dem Speichern und Abrufen von Informationen in der Lage. Insbesondere der Sehsinn spielt für Bienen eine große Rolle, wenn sie sich beispielsweise anhand von Landmarken orientieren oder farbige Blütensignale wahrnehmen. Einmal erlernte visuelle Informationen können mitunter über Tage und Monate hinweg gespeichert werden. Während die Aufnahme und Verarbeitung von Farbinformationen im Bienengehirn bereits gut untersucht wurde, ist über räumliche und zeitliche Abläufe der Speicherung solcher Informationen wenig bekannt. Mit der vorliegenden Arbeit wurde versucht, experimentellen Zugang zur visuellen Gedächtnisspur in Bienen zu bekommen. Die Bildung eines Langzeitgedächtnisses (LZG) geht im Allgemeinen mit Umstrukturierungsprozessen im neuronalen Netzwerk einher. Bislang ist es jedoch unklar, wo im Gehirn diese Veränderungen im Laufe des Farbenlernens stattfinden und ob Informationen in einem zentralen Bereich gespeichert oder dezentral über verschiedene Gehirndomänen verteilt werden. Unterschiedliche Verarbeitungsbahnen werden für das Erlernen grober und feiner Farbunterschiede vermutet. Mit der vorliegenden Arbeit wurden zwei Versuchsansätze gewählt, womit die Lage des visuellen Gedächtnisses untersucht werden sollte: Zum einen wurde die Eignung unmittelbar exprimierter Gene (immediate early genes, IEG) als genetische Marker für neuronale Aktivität untersucht, um damit frühe Prozesse der Bildung eines LZG lokalisieren zu können. Zum anderen wurden Spätfolgen der Bildung eines LZG auf die Organisation synaptischer Netzwerke im zentralen Gehirn untersucht und der Einfluss der Komplexität einer Aufgabenstellung auf diese Organisation betrachtet.
IEGs sind eine Gruppe von Genen, die in Antwort auf zelluläre Stimulierung schnell und vorübergehend exprimiert werden. Zahlreiche IEGs werden bereits routinemäßig als Marker für neuronale Aktivierung im Gehirn von Vertebraten eingesetzt und mit der vorliegenden Arbeit sollten die Möglichkeiten evaluiert werden, diesen Ansatz auch in Bienen nutzbar zu machen. Hierzu wurde zunächst ermittelt, ob die Transkription von Genen überhaupt für die Ausbildung eines visuellen LZG von Nöten ist. Hummeln wurden mit Hilfe der Proboscis-Streckreaktion (PER) trainiert, monochromatisches Licht mit Zuckerbelohnung zu assoziieren. Nach erfolgtem Training wurde die Gentranskription pharmazeutisch gehemmt und die Gedächtnisleistung der Hummeln zu zwei Zeitpunkten ermittelt, die das Mittelzeitgedächtnis (MZG) bzw. LZG repräsentieren. Es zeigte sich, dass Gentranskription nicht für die Ausbildung des MZG, jedoch für die des LZG unabdingbar ist. Als nächstes wurden mögliche Kandidatengene validiert. Honigbienen wurden entweder mit Alarmpheromon oder einem Lichtimpuls stimuliert. Die Bienengehirne wurden anschließend seziert und mittels qPCR die Expression von Amjra und Amegr untersucht, zweier Gene, deren orthologe Vertreter c-jun bzw. egr-1 gebräuchliche IEGs in Vertebraten darstellen. Während durch beide Reize die Expression von Amjra in allen Gehirnbereichen (Antenalloben, optische Loben und Pilzkörper) induziert wurde, konnten keine Veränderungen in der Expression von Amegr festgestellt werden. Daraufhin wurde überprüft, ob die Induktion von Amegr möglicherweise abhängig von assoziativen Lernvorgängen ist. Honigbienen wurden mittels PER visuell konditioniert, bevor die Pilzkörper zu verschiedenen Zeiten nach dem Training isoliert und mittels qPCR auf die Expression von Amegr Isoformen untersucht wurden. Hierbei konnte kein Lerneffekt auf die Amegr-Expression nachgewiesen werden.
Die Analyse Aufgaben-abhängiger neuronaler Korrelate, die der Bildung des visuellen LZG zugrunde liegen, wurde anhand frei-fliegender Honigbienen durchgeführt. Diese wurden entweder absolut konditioniert auf eine von zwei ähnlichen Farben, oder differentiell auf die Diskriminierung beider Farben. Bei der anschließenden unbelohnten Präsentation beider Farben bevorzugte nur die differentiell trainierte Gruppe die zuvor gelernte Farbe, während absolut konditionierte Bienen zufällig wählten. Um zu ermitteln, ob die beobachteten Unterschiede im Verhalten auch auf neuroanatomischer Ebene repräsentiert werden, wurden alle Bienen nach drei Tagen seziert und mittels Immunfärbung synaptische Komplexe, so genannte Microglomeruli, im visuelle Informationen verarbeitenden Bereich der Pilzkörper quantifiziert. Der Vergleich zwischen den Versuchsgruppen legte keine signifikanten Unterschiede in der neuronalen Architektur offen, jedoch wurden mögliche Zusammenhänge zwischen Lernleistung und Microglomeruli-Dichte gefunden.
Die vorliegende Arbeit bietet grundlegende Ergebnisse zum Potential von IEGs als Marker neuronaler Aktivität und unterstreicht die Bedeutung integrativer Versuchsansätze, welche Verhaltensuntersuchungen mit der molekularen und histologischen Analyse des Nervensystems verbinden, um letztlich das visuelle Gedächtnis im Bienengehirn lokalisieren zu können.
KW  - Biene
KW  - Langzeitgedächtnis
KW  - Bestäubung
KW  - Farbensehen
KW  - insect visual learning
KW  - long-term memory formation
KW  - mushroom body calyx microglomeruli
KW  - neuronal activation
KW  - IEG
KW  - Bienen Dressur Lernen
KW  - Pilzkörper
KW  - visuelles Langzeitgedächtnis
KW  - Genexpression
KW  - Bestäubung Pollination Honigbiene Hummel
KW  - Soziale Insekten
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-136997
ER  - 
TY  - THES
A1  - Wedel, Carolin
T1  - The impact of DNA sequence and chromatin on transcription in \(Trypanosoma\) \(brucei\)
T1  - Der Einfluss der DNA-Sequenz und der Chromatinstruktur auf die Transkription in \(Trypanosoma\) \(brucei\)
N2  - For cellular viability, transcription is a fundamental process. Hereby, the DNA plays the most elemental and highly versatile role. It has long been known that promoters contain conserved and often well-defined motifs, which dictate the site of transcription initiation by providing binding sites for regulatory proteins. However, research within the last decade revealed that it is promoters lacking conserved promoter motifs and transcribing constitutively expressed genes that constitute the majority of promoters in eukaryotes. While the process of transcription initiation is well studied, whether defined DNA sequence motifs are required for the transcription of constitutively expressed genes in eukaryotes remains unknown. In the highly divergent protozoan parasite Trypanosoma brucei, most of the proteincoding genes are organized in large polycistronic transcription units. The genes within one polycistronic transcription unit are generally unrelated and transcribed by a common transcription start site for which no RNA polymerase II promoter motifs have been identified so far. Thus, it is assumed that transcription initiation is not regulated but how transcription is initiated in T. brucei is not known. This study aimed to investigate the requirement of DNA sequence motifs and chromatin structures for transcription initiation in an organism lacking transcriptional regulation. To this end, I performed a systematic analysis to investigate the dependence of transcription initiation on the DNA sequence. I was able to identify GT-rich promoter elements required for directional transcription initiation and targeted deposition of the histone variant H2A.Z, a conserved component during transcription initiation. Furthermore, nucleosome positioning data in this work provide evidence that sites of transcription initiation are rather characterized by broad regions of open and more accessible chromatin than narrow nucleosome depleted regions as it is the case in other eukaryotes. These findings highlight the importance of chromatin during transcription initiation. Polycistronic RNA in T. brucei is separated by adding an independently transcribed miniexon during trans-splicing. The data in this work suggest that nucleosome occupancy plays an important role during RNA maturation by slowing down the progressing polymerase and thereby facilitating the choice of the proper splice site during trans-splicing. Overall, this work investigated the role of the DNA sequence during transcription initiation and nucleosome positioning in a highly divergent eukaryote. Furthermore, the findings shed light on the conservation of the requirement of DNA motifs during transcription initiation and the regulatory potential of chromatin during RNA maturation. The findings improve the understanding of gene expression regulation in T. brucei, a eukaryotic parasite lacking transcriptional Regulation.
N2  - Die Transkription ist ein entscheidender Prozess in der Zelle und die DNA-Sequenz nimmt hierbei eine elementare Rolle ein. Promotoren beinhalten spezifische und konservierte DNASequenzen und vermitteln den Start der Transkription durch die Rekrutierung spezifischer Proteine. Jedoch haben Forschungen im vergangenen Jahrzehnt gezeigt, dass die Mehrzahl der Promotoren in eukaryotischen Genomen keine konservierten Promotormotive aufweisen und häufig konstitutiv exprimierte Gene transkribieren. Obgleich der Prozess der Transkriptionsinitiation im Allgemeinen gut erforscht ist, konnte bisher nicht nachgewiesen werden, ob ein definiertes DNA-Motiv während der Transkription von konstitutiv exprimierten Genes erforderlich ist. In dem eukaryotischen und einzelligen Parasiten Trypanosoma brucei ist die Mehrzahl der proteinkodierenden Gene in lange polycistronische Transkriptionseinheiten arrangiert. Diese werden von einem gemeinsamen Transkriptionsstart durch die RNA Polymerase II transkribiert, allerdings konnten hier bisher keine Promotormotive identifiziert werden. Aus diesem Grund besteht die Annahme, dass Transkription keiner Regulation unterliegt. Allgemein ist der Prozess der Transkriptionsinitiation in T. brucei bisher nur wenig verstanden. Um den Zusammenhang zwischen DNA-Motiven und konstitutiver Genexpression näher zu untersuchen und Schlussfolgerungen über die DNA-Sequenz-Abhängigkeit der Transkriptionsinitiation zu ziehen, habe ich eine systematische Analyse in T. brucei durchgeführt. Ich konnte GT-reiche Promotorelemente innerhalb dieser Regionen identifizieren, die sowohl eine gerichtete Transkriptionsinitiation, als auch den gezielten Einbau der Histonvariante H2A.Z in Nukleosomen nahe der Transkriptionsstartstelle vermittelt haben. Des Weiteren zeigten Nukleosomenpositionierungsdaten, dass in Trypanosomen die Transkripitonsstartstellen nicht die charakteristische, nukleosomendepletierte Region, wie für andere Organismen beschrieben, sondern eine offene Chromatinstruktur enthalten. Zusätzlich konnte ich zeigen, dass die Chromatinstruktur eine wichtige Rolle während der mRNAProzessierung spielt. In T. brucei wird die polycistronische pre-mRNA durch das Anfügen eines Miniexons während des sogenannten trans-Splicens in individuelle mRNAs aufgetrennt. Die Daten dieser Arbeit belegen, dass die Anreicherung von Nukleosomen eine Verlangsamung der transkribierenden Polymerase bewirken und sie somit die richtige Wahl der Splicestelle gewährleisten. Zusammenfassend wurde in dieser Arbeit die Rolle der DNA Sequenz während der Transkriptionsinitiation und Nukleosomenpositionierung in einem divergenten Eukaryoten untersucht. Die Erkenntnisse bringen mehr Licht in die Konservierung der Notwendigkeit eines DNA-Motivs während der Transkriptionsinitiation und das regulatorische Potential der Chromatinstruktur während der RNA-Reifung. Zudem verbessern sie das Verständnis der Genexpressionsregulation in T. brucei, einem eukaryotischen Parasiten, der ohne transkriptionelle Regulation überlebt.
KW  - Transkription
KW  - Chromatin
KW  - Trypanosoma brucei
KW  - Genexpression
KW  - Epigenetik
KW  - RNA polymerase II
KW  - splicing
KW  - nuclesosome positioning
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-173438
ER  -