TY  - THES
A1  - Shkumatov, Alexander V.
T1  - Methods for hybrid modeling of solution scattering data and their application
T1  - Methoden zur Hybriden Modellierung von SAXS Daten (Röntgenkleinwinkelstreuung) und deren Anwendung
N2  - Small-angle X-ray scattering (SAXS) is a universal low-resolution method to study proteins in solution and to analyze structural changes in response to variations of conditions (pH, temperature, ionic strength etc). SAXS is hardly limited by the particle size, being applicable to the smallest proteins and to huge macromolecular machines like ribosomes and viruses. SAXS experiments are usually fast and require a moderate amount of purified material. Traditionally, SAXS is employed to study the size and shape of globular proteins, but recent developments have made it possible to quantitatively characterize the structure and structural transitions of metastable systems, e.g. partially or completely unfolded proteins. In the absence of complementary information, low-resolution macromolecular shapes can be reconstructed ab initio and overall characteristics of the systems can be extracted. If a high or low-resolution structure or a predicted model is available, it can be validated against the experimental SAXS data. If the measured sample is polydisperse, the oligomeric state and/or oligomeric composition in solution can be determined. One of the most important approaches for macromolecular complexes is a combined ab initio/rigid body modeling, when the structures (either complete or partial) of individual subunits are available and SAXS data is employed to build the entire complex. Moreover, this method can be effectively combined with information from other structural, computational and biochemical methods. All the above approaches are covered in a comprehensive program suite ATSAS for SAXS data analysis, which has been developed at the EMBL-Hamburg. In order to meet the growing demands of the structural biology community, methods for SAXS data analysis must be further developed. This thesis describes the development of two new modules, RANLOGS and EM2DAM, which became part of ATSAS suite. The former program can be employed for constructing libraries of linkers and loops de novo and became a part of a combined ab initio/rigid body modeling program CORAL. EM2DAM can be employed to convert electron microscopy maps to bead models, which can be used for modeling or structure validation. Moreover, the programs CRYSOL and CRYSON, for computing X-ray and neutron scattering patterns from atomic models, respectively, were refurbished to work faster and new options were added to them. Two programs, to be contributed to future releases of the ATSAS package, were also developed. The first program generates a large pool of possible models using rigid body modeling program SASREF, selects and refines models with lowest discrepancy to experimental SAXS data using a docking program HADDOCK. The second program refines binary protein-protein complexes using the SAXS data and the high-resolution models of unbound subunits. Some results and conclusions from this work are presented here. The developed approaches detailed in this thesis, together with existing ATSAS modules were additionally employed in a number of collaborative projects. New insights into the “structural memory” of natively unfolded tau protein were gained and supramodular structure of RhoA-specific guanidine nucleotide exchange factor was reconstructed. Moreover, high resolution structures of several hematopoietic cytokine-receptor complexes were validated and re-modeled using the SAXS data. Important information about the oligomeric state of yeast frataxin in solution was derived from the scattering patterns recorded under different conditions and its flexibility was quantitatively characterized using the Ensemble Optimization Method (EOM).
N2  - Röntgenkleinwinkelstreuung (small angle X-ray scattering, SAXS) ist eine fundamentale niedrigauflösende Methode zur Untersuchung von Proteinen in Lösung und Analyse von Strukturänderungen unter verschiedenen Bedingungen (pH, Temperatur, Ionenstärke, usw.). SAXS ist nicht durch die Teilchengröße begrenzt und die Anwendbarkeit reicht von kleinsten Proteinen bis hin zu großen makromolekularen Maschinen, wie Ribosomen und Viren. SAXS-Experimente sind normalerweise schnell durchzuführen und erfordern eine relativ geringe Menge gereinigten Materials. SAXS wird hauptsächlich eingesetzt, um Größe und Form der globulärer Proteine zu studieren. Die neuesten Entwicklungen ermöglichen jedoch auch die Untersuchung und quantitative Charakterisierung metastabiler Systeme, wie teilweise oder vollständig ungefaltete Proteine. Für die SAXS-Datenanalyse existiert das umfassende Programmpaket ATSAS, welches am EMBL-Hamburg entwickelt wurde. Es ermöglicht die de novo Modellierung der Proteinform mit niedriger Auflösung, wenn keine ergänzende Information über die dreidimensionale Struktur vorhanden ist. Des weiteren können diverse Gesamteigenschaften des untersuchten Systems berechnet werden. Wenn ein hoch oder niedrig aufgelöstes strukturell bestimmtes oder vorgesagtes Modell vorhanden ist, kann es gegen experimentellen SAXS Daten validiert werden. Wenn die Probe polydispers ist, kann der oligomere Zustand und/oder der oligomere Zusammensetzung in Lösung bestimmt werden. Einer der wichtigsten Ansätze für SAXS Untersuchungen an makromolekularen Komplexen ist die kombinierte ab initio/Starrkörper-Modellierung, wenn entweder komplette oder partielle Strukturen der einzelnen Untereinheiten zusammen mit SAXS Daten benutzt werden, um daraus den gesamten Komplex zu konstruieren. Außerdem kann diese Methode mit Informationen von anderen strukturellen, rechnerischen und biochemischen Methoden effektiv kombiniert werden. Um den Anwendungsbereich von SAXS in der Strukturbiologie zu erweitern, müssen Methoden für die SAXS-Datenanalyse weiter entwickelt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei neue Module, RANLOGS und EM2DAM, entwickelt und zur ATSAS Programmsuite hinzugefügt. Ersteres kann eingesetzt werden, um eine Bibliothek verknüpfender Polypeptidketten (linkers) und -schleifen (loops) de novo aufzubauen und ist bereits ein Teil des Programms CORAL zur kombinierten ab initio/Starrkörper-Modellierung. EM2DAM kann eingesetzt werden, um Elektronenmikroskopie-Dichtekarten in Kugelmodelle umzuwandeln, welche für die Modellierung oder Struktur-Validierung benutzt werden können. Außerdem wurden die Programme CRYSOL und CRYSON zur Berechnung von Röntgenstrahl- beziehungsweise Neutronenstreumuster aus Atommodellen erweitert, um die Berechnung zu beschleunigen und neue Optionen einzubauen. Zwei weitere Programme, die noch nicht Teil des ATSAS Pakets sind, wurden entwickelt. Das erste ist ein Programm, das mögliche Proteinmodelle von Komplexen unter Verwendung des SAXS Starrkörper-Modellierung-Programms SASREF erstellt. Dann werden Modelle zu experimentellen SAXS-Daten angepasst, ausgewählt und verfeinert unter Verwendung des Protein-Protein-Docking-Programms HADDOCK. Das zweite Programm verfeinert binäre Protein-Protein-Komplexe unter Verwendung von SAXS-Daten sowie hochaufgelöster Modelle der ungebundenen Untereinheiten. Im Folgenden werden die einige Ergebnisse dargestellt und diskutiert. Die entwickelten Methoden wurden zusammen mit den vorhandenen ATSAS-Modulen im Rahmen von Kollaborationsprojekte eingesetzt. So war es möglich, neue Einblicke in das „strukturelle Gedächtnis“ des natürlicherweise ungefalteten Protein tau zu bekommen und die supramodulare Struktur eines RhoA-spezifischen Guanidinnukleotid-Austauschfaktors zu rekonstruieren. Außerdem wurden hoch aufgelöste Strukturen einiger blutbildender Cytokin-Empfänger-Komplexe unter Verwendung von SAXS Daten validiert und verfeinert. Wichtige Informationen über den oligomeren Zustand von Hefe-Frataxin in Lösung wurden aus den unter verschiedenen experimentelle Bedingungen gemessenen Streumustern abgeleitet, und seine Flexibilität wurde quantitativ unter Verwendung der Ensemble-Optimierungs-Methode (EOM) ermittelt.
KW  - Röntgen-Kleinwinkelstreuung
KW  - Tau-Protein
KW  - Datenanalyse
KW  - teilweise oder vollständig ungefaltete Proteine
KW  - Proteinstruktur
KW  - Alzheimer-Krankheit
KW  - SAXS
KW  - IDPs
KW  - protein structure
KW  - Alzheimer disease
KW  - tau protein
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-65044
ER  - 
TY  - THES
A1  - Plochmann, Kathrin
T1  - Bioassays zur Untersuchung der biologischen Aktivität von Flavonoiden und Ermittlung eines zellulären Rezeptormoleküls von foamyviralen Vektoren
T1  - Bioassay to investigate the biological activity of flavonoids and research to discover the foamyviral receptor
N2  - Aufgrund ihrer gut dokumentierten, umfangreichen gesundheitsfördernden biologischen Aktivitäten wird den Flavonoiden eine große Bedeutung zugeordnet. Die Ergebnisse von in vitro- und Tierstudien deuten zudem darauf hin, dass diese Verbindungen bei der Prävention und Therapie von Erkrankungen wie Krebs oder Alzheimer Krankheit (AD) positive Effekte zeigen. Zur besseren Charakterisierung der Interaktion von Flavonoiden mit Krebszellen wurden von uns die Cytotoxizität verschiedener Flavonoide auf T-Lymphoblastomzellen untersucht und Strukturelemente identifiziert, welche für einen Flavonoid-induzierten Zelltod relevant sind. Weitere Studien waren der potentiell neuroprotektiven Wirkung von Flavonoiden gewidmet. Die sowohl in neuronalen Zellkulturen als auch in transgenen Alzheimer-Mäusen (TgAPPsw) festgestellte Erhöhung der sAPPα Produktion und Reduktion von Aβ-Bildung wurden mit Aktivitäts- und Expressionssteigerung der α-Sekretase ADAM-10 assoziiert. Um herauszufinden, ob Flavonoide eine neuroprotektive Wirkung zeigen, wurden erste Vorbereitungen für ein Flavonoid-Screening mit einer sowohl hAPP alsauch ADAM-10 stabil transfizierten HT1080 Zellen getroffen. Dies beinhaltete die Suche nach einer potenten siRNA/shRNA und einem effektiven Flavonoid. Im zweiten Teil der Arbeit wurden Experimente durchgeführt, um die Rolle von Heparansulfat (HS) bei der foamyviralen Anbindung an die Wirtszelle zu untersuchen. Foamyviren (FV) sind Spumaviren und gehören zur Familie der Retroviren. Bei unseren Studien wurde die Bindung von FV an Heparin, die Korrelation der Suszeptibilität verschiedener Zellen mit zellulärem HS und die Reduktion der Infektion durch lösliches Heparin sowie durch enzymatischen HS-Abbau festgestellt.
N2  - Flavonoids have well-documented, beneficial biological effects. Furthermore different in vitro- and animal-experiments indicate that these compounds demonstrate positive effects in prevention and therapy of diseases, like cancer or neurodegenerative diseases. In order to characterize the interactionsbetween flavonoids and cancer cells, we examined the cytotoxicity of different flavonoids on a human leukemia cell line and identified structure elements that could be associated to flavonoid-induced cell death. Our further studies were dedicated to the potentially neuroprotective activity of flavonoids. It has been described that in neuronal cells as well as in transgenic AD mice EGCG increases levels of sAPPα- and reduces Aβ-production. This influence of EGCG was associated with enhanced activity and expression of the α-secretase, ADAM-10. To find out, if flavonoids showed neuroprotective activity, preliminary work for a later flavonoid screening on hAPP and ADAM-10 wit stably-transfected HT1080 cells was done. This includes the determination of flavonoid candidates and research of effective siRNAs towards ADAM-10. Furtherrmore we investigated the role of heparansulfat (HS) in attachment of FV to host cell. Foamyviruses (FV) are retroviruses and belong to the subfamily of spumaretroviruses. In our studies we discovered the binding of FV on heparin, the correlation between susceptibility of different cells and cellular HS and the reduction of infectivity through soluble heparin and through enzymatic HS-degradation.
KW  - Flavonoide
KW  - Biologische Aktivität
KW  - Bioassay
KW  - Virusrezeptor
KW  - Spumaviren
KW  - T-Lymphoblastomzellen
KW  - ADAM-10
KW  - alpha-Sekretase
KW  - Cytotoxizität
KW  - T-Zell-Leukämie
KW  - Alzheimer-Krankheit
KW  - Spumaviren
KW  - Virusrezeptor
KW  - Heparansulfat
KW  - flavonoids
KW  - cytotoxicity
KW  - alzheimer's disease
KW  - foamy virus
KW  - receptor
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-65183
ER  - 
TY  - THES
A1  - Altides, Anastasia Elisabeth
T1  - BDNF Plasma Level als Marker für Alzheimer in der VITA Studie
T1  - BDNF plasma levels as a marker for Alzheimer Disease in the VITA study
N2  - HINTERGRUND: Der brain-derived neurotrophic factor (BDNF) reguliert die synaptische Plastizität und spielt somit eine wichtige Rolle in der Gedächtnisbildung und -erhaltung. Deswegen gibt es eingehende Untersuchungen dieses neurotrophischen Faktors in Bezug auf Demenzerkrankungen, vor allem der Alzheimer Demenz. In dieser Studie wurde nach einem Zusammenhang zwischen BDNF Blutplasmawerten und der Alzheimer Demenz in einer longitudinalen Kohortenstudie, der Vienna-Transdanube-Aging(VITA)-Studie gesucht. METHODEN: Die VITA-Studie ist eine kommunale Kohortenstudie aller 75jährigen Einwohner einer geographischen Region Wiens. Es wurden die BDNF Plasmawerte der Basisuntersuchung und der ersten Folgeuntersuchung 30 Monate später als mögliche Biomarker für die Alzheimer Demenz untersucht. Assoziationen zwischen BDNF Plasmawerten und anderen epidemiologischen Eckdaten wurden ebenfalls analysiert. ERGEBNISSE: Wir konnten keine Assoziation zwischen BDNF Plasmawerten und der Entwicklung oder einer bereits bestehenden Alzheimer Demenz finden. Geschlecht, Body-Maß-Index und Depression stellten sich als Komorbiditäts-Faktoren von Demenz-erkrankungen dar. SCHLUSSFOLGERUNG: BDNF Plasmawerte sind diesen Ergebnissen nach kein so viel versprechender molekularer Marker für Alzheimer Demenz wie erhofft. BDNF wird jedoch weiterhin in vielen interessanten Studienprotokollen untersucht, da es sowohl im Blutserum als auch im Hirngewebe nachgewiesen werden kann und somit viele diagnostische und therapeutische Ansätze inspiriert.
N2  - BACKGROUND: Brain-derived neurotrophic factor (BDNF) regulates the plasticity of synapses and plays an important role in developing and sustaining memory. Therefore it is intensely researched with regard to dementia, especially Alzheimer’s disease. In this study, we searched for a relationship between BDNF plasma levels and Alzheimer’s disease in a longitudinal cohort, the Vienna-Transdanube-Aging (VITA)-study. METHODS: The VITA is a prospective community-based cohort study of all 75 years old inhabitants of a geographical region of Vienna. We have investigated the BDNF plasma levels of the baseline and the first follow-up 30 months later as a possible biomarker for Alzheimer’s disease. Associations between BDNF plasma levels and other epidemiologic data were also analyzed. RESULTS: We found no association between BDNF plasma levels and the development or existence of Alzheimer’s disease. Gender, body-mass-index and depression were shown to be co-morbid to dementia. CONCLUSION: According to these results, BDNF plasma levels are not as promising as a molecular marker for Alzheimer’s disease as hoped for. BDNF, though, is still subject to many interesting study protocols, as it can be detected also in blood serum and brain tissue and therefore invites many diagnostic and therapeutic scenarios.
KW  - Alzheimer-Krankheit
KW  - Brain-derived neurotrophic factor
KW  - Depression
KW  - Biomarker
KW  - VITA Studie
KW  - Plasma Level
KW  - Alzheimer disease
KW  - BDNF
KW  - depression
KW  - VITA study
KW  - plasma levels
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-57274
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zeller, Julia
T1  - Funktionelle Aktivierungen im Verlauf eines Jahres bei Patienten mit Alzheimer-Erkrankung und gesunden Kontrollen
T1  - Functional Brain Activation in Patients suffering from Alzheimer's disease and healthy Controls over a one-year Interval
N2  - Hintergrund: Die Alzheimer-Erkrankung ist die häufigste neurodegenerative Erkrankung. Da es zurzeit für sie noch keine Heilung gibt, richtet sich das Hauptaugenmerk auf eine möglichst frühe Diagnose und die Behandlung mit krankheitsverzögernden Medikamenten. Vor allem die funktionelle Bildgebung gilt im Bereich der Frühdiagnose als vielversprechend. Neben dem Gedächtnis werden die visuell-räumliche Informationsverarbeitung, exekutive Funktionen und Aufmerksamkeitsprozesse untersucht. Hierbei zeigen sich zentralnervöse Aktivierungsauffälligkeiten in kortikalen Zielregionen etwa im präfrontalen und im parietalen Kortex. Verlaufsuntersuchungen konzentrieren sich vor allem darauf aus der Gehirnaktivierung Vorhersagen über kognitive Veränderungen bei älteren Personen mit und ohne Gedächtnisstörung treffen zu können. Nur wenige Studien erfassen dabei jedoch die Gehirnaktivierung zu mehreren Messzeitpunkten. Gerade für große Stichproben und wiederholte Messungen könnte die funktionelle Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS) sich als Alternative zur Magnetresonanztomographie anbieten. Ziel: Ziel der Studie war es, mit fNIRS und ereigniskorrelierten Potentialen funktionelle Unterschiede zwischen Alzheimer-Patienten und gleichaltrigen Kontrollen in mehreren Funktionsbereichen darzustellen und ihre Veränderung über den Zeitraum eines Jahres zu verfolgen. Zum ersten Mal sollte im Rahmen einer prospektiven Untersuchung mit fNIRS geprüft werden ob kortikale Aktivierungen zur Vorhersage von neuropsychologischen Testwerten genutzt werden können. Zusätzlich stellte sich die Frage, ob fNIRS für Verlaufsuntersuchungen an älteren Stichproben geeignet ist. Methoden: Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden zum ersten Messzeitpunkt (T1) 73 Patienten und 71 Kontrollen mit vier Paradigmen in den drei Funktionsbereichen visuell-räumliche Informationsverarbeitung, exekutive Funktionen und zentralnervöse Filtermechanismen mit fNIRS und ereigniskorrelierten Potentialen gemessen. Die Probanden durchliefen eine Line Orientation Aufgabe, zwei Versionen einer Wortflüssigkeitsaufgabe (phonologisch und semantisch) und das P50-Doppelklickparadigma. Zielparameter waren dabei die aufgabenbezogene Aktivierung im parietalen Kortex, im dorsolateralen Präfrontalkortex (DLPFC) und das sensorische Gating, gemessen durch die P50-Supression nach wiederholter Reizdarbietung. Zusätzlich wurden zwei typische Tests zur Demenzdiagnostik (MMST und DemTect) erhoben. Die zweite Messung (T2) fand nach 12 Monaten statt und lief identisch zur ersten Untersuchung ab. Zu T2 konnten 14 Patienten und 51 Kontrollen erneut rekrutiert werden. Ergebnisse: Zu T1 konnte mit fNIRS ein Aktivierungsdefizit für Patienten im DLPFC während der phonologischen Wortflüssigkeitsaufgabe und im rechten Parietalkortex während der Line Orientation Aufgabe festgestellt werden. Für die semantische Wortflüssigkeitsaufgabe und das sensorische Gating zeigten sich keine zentralnervösen Unterschiede. Über das Jahr hinweg nahm die aufgabenbezogene Aktivierung der Patienten im linken DLPFC für beide Versionen der Wortflüssigkeitsaufgabe deutlich ab, während gleichaltrige Kontrollpersonen keine kortikalen Veränderungen zeigten. Zu T2 war das sensorische Gating der Patienten außerdem deutlich schlechter im Vergleich zu gesunden Kontrollen. Die Veränderungen der Oxygenierung während der Wortflüssigkeitsaufgabe konnten für gesunde Kontrollen Verschlechterungen im MMST und im DemTect vorhersagen. Vor allem ein Verlust der Lateralisierung ging mit einem Abfall in den kognitiven Tests einher. Schlussfolgerung: Spezifische Defizite in der kortikalen Aktivierung konnten bei Alzheimer-Patienten mit fNIRS beobachtet und genauer beschrieben werden. Auch die Veränderung im Verlauf eines Jahres ließ sich mit dieser Methode verfolgen. Für Längsschnittuntersuchungen, die sich mit der kortikalen Aktivierung als Prädiktor für dementielle Entwicklungen beschäftigen, bietet sich fNIRS somit als praktische Alternative zur fMRT an, zumal die gemessenen Veränderungen in der Oxygenierung auch prognostischen Wert für ältere Kontrollpersonen besaßen. Vor allem die funktionelle Lateralisierung in frontalen Kortexbereichen scheint als Prädiktor kognitiver Leistungen im Alter von Bedeutung zu sein.
N2  - Background: Alzheimer’s disease is the most common form of neurodegenerative disorder. Since as of yet no cure exists, one important aim is the development of methods for the early detection of cerebral changes. Functional imaging is an especially promising approach as functional changes might occur even before neural atrophy in certain brain areas. While episodic memory is the main objective of research, other studies focus visual-spatial processing, executive function and attention. Patients suffering from Alzheimer’s disease display deviant cortical activation in prefrontal and parietal areas during tasks targeting these domains. Prospective studies try to predict cognitive decline using brain activations as predictors for future test scores. Only a few studies record functional activations repeatedly however. Functional near infrared spectroscopy (fNIRS) might be a good alternative to functional magnet resonance imaging (fMRI) when it comes to monitoring large populations in longitudinal studies. Objective: The aim of the present study was to detect and describe functional differences between patients suffering from Alzheimer’s disease and healthy elderly controls via fNIRS and event-related potentials and track them over an interval of 12 months. This is the first prospective study using fNIRS: Functional changes in oxygenated and deoxygenated haemoglobin during the first measurement will be employed to predict neuropsychological decline after one year. Methods: During the first measurement (T1) 73 AD patients and 71 age-matched controls without cognitive complaints or other neurological or psychiatric disorders completed four tasks in three cognitive domains: A line orientation task (visual-spatial processing), a phonological and a semantic verbal fluency task (executive functions) and a dual-click paradigm resulting in auditory sensory gating (attention and filter mechanisms). Regions of interest were the parietal and the dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) as well as the gating ratio measured via the P50 suppression in paired click stimuli. Additionally subjects underwent two common tests for cognitive functioning of dementia patients (MMSE and DemTect). The second measurement (T2) was conducted 12 months after the first and followed exactly the same protocol. At T2 14 AD-patients and 51 controls could be tested again. Results: At T1, patients suffering from Alzheimer’s disease displayed deficient activations in the right parietal cortex during Line Orientation and in the DLPFC during the phonological version of the verbal fluency task. No group differences could be found in the semantic verbal fluency paradigm and in sensory gating. Over the course of one year, patients’ activation in the left DLPFC significantly declined during both versions of the verbal fluency task whereas controls showed no cortical changes. After 12 months, the sensory gating differed between the groups with patients displaying worse values. Changes of oxygenation during the verbal fluency tasks predicted the decline in neuropsychological tests in elderly controls. The prefrontal lateralization held the best prognostic value with a positive prognosis for stronger left-sided activation. Conclusion: The present study succeeded in describing specific deficits in cortical activation concerning patients suffering from Alzheimer’s disease and healthy age-matched controls using fNIRS. Changes over the course of 12 months could also be observed. The results indicate that fNIRS is well suited as an alternative to fMRI in longitudinal studies targeting cortical changes as predictors of cognitive decline. This is underlined by the fact that cortical activations during the verbal fluency task could be used to predict neuropsychological changes in elderly controls. Therefore the functional lateralization of prefrontal activations should become a new focus in prospective studies.
KW  - Alzheimer-Krankheit
KW  - Prognose
KW  - Nahinfrarotspektroskopie
KW  - Bildgebendes Verfahren
KW  - Längsschnittuntersuchung
KW  - Alzheimer's disease
KW  - functional imaging
KW  - follow-up study
KW  - near-infrared spectroscopy
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-67408
ER  -