TY - JOUR A1 - Heisswolf, Annette A1 - Poethke, Hans-Joachim A1 - Obermaier, Elisabeth T1 - Multitrophic influences on oviposition site selection in a specialized leaf beetle at multiple spatial scales N2 - Egg distribution in herbivorous beetles can be affected by bottom-up (host plant), and by top-down factors (parasitoids and predators), as well as by other habitat parameters. The importance of bottom-up and top-down effects may change with spatial scale. In this study, we investigated the influence of host plant factors and habitat structure on egg distribution in the leaf beetle Cassida canaliculata Laich. (Coleoptera: Chrysomelidae), a monophagous herbivore on Salvia pratensis L. (Lamiales: Lamiaceae), on four spatial scales: individual host plant, microhabitat, macrohabitat, and landscape. At the individual host plant scale we studied the correlation between egg clutch incidence and plant size and quality. On all other scales we analyzed the relationship between the egg clutch incidence of C. canaliculata and host plant percentage cover, host plant density, and the surrounding vegetation structure. Vegetation structure was examined as herbivores might escape egg parasitism by depositing their eggs on sites with vegetation factors unfavorable for host searching parasitoids. The probability that egg clutches of C. canaliculata were present increased with an increasing size, percentage cover, and density of the host plant on three of the four spatial scales: individual host plant, microhabitat, and macrohabitat. There was no correlation between vegetation structure and egg clutch occurrence or parasitism on any spatial scale. A high percentage of egg clutches (38–56%) was parasitized by Foersterella reptans Nees (Hymenoptera: Tetracampidae), the only egg parasitoid, but there was no relationship between egg parasitism and the spatial distribution of egg clutches of C. canaliculata on any of the spatial scales investigated. However, we also discuss results from a further study, which revealed top-down effects on the larval stage. N2 - Die Gelegeverteilung herbivorer Insekten kann sowohl durch bottom-up (Wirtspflanzen) und top-down Faktoren (Parasitoide und Prdatoren), als auch durch weitere Habitatparameter beeinflusst werden. Die Bedeutung der bottom-up und top-down Einflüsse kann zusätzlich von der räumlichen Skala abhängen. In dieser Studie untersuchen wir den Einfluss von Wirtspflanzenfaktoren und der Vegetationsstruktur auf die Gelegeverteilung des Blattkäfers Cassida canaliculata Laich. (Coleoptera: Chrysomelidae), einem auf Salvia pratensis L. (Lamiales: Lamiaceae) monophagen Herbivoren, auf vier räumlichen Skalen: dem Wirtspflanzenindividuum, Mikro- und Makrohabitat, sowie der Landschaft. Auf der Skala des Wirtspflanzenindividuums wurde der Zusammenhang zwischen der Gelegeinzidenz und der Größe und Qualität der Wirtspflanze untersucht. Auf allen anderen Skalen wurde die Korrelation zwischen der Gelegeinzidenz von C. canaliculata und der prozentualen Wirtspflanzendeckung und Wirtspflanzendichte, sowie der umgebenden Vegetationsstruktur analysiert. Die Vegetationsstruktur wurde untersucht, da die Herbivoren ihren Eiparasitoiden entkommen knönten, indem sie ihre Eigelege an Plätzen ablegen, deren Vegetationsstrukturparameter den Eiparasitoiden die Suche erschweren. Die Wahrscheinlichkeit, dass Eigelege von C. canaliculata vorhanden waren, nahm mit zunehmender Größe, prozentualer Deckung und Dichte der Wirtspflanze auf drei der vier untersuchten Skalen zu: Wirtspflanzenindividuum, Mikrohabitat und Makrohabitat. Die Vegetationsstruktur stand jedoch auf keiner räumlichen Skala in einem Zusammenhang mit der Gelegeinzidenz bzw. der Parasitierung der Eigelege. Ein hoher Anteil der Eigelege (38-56%) war durch den einzigen Eiparasitoiden Foersterella reptans Nees (Hymenoptera: Tetracampidae) parasitiert. Es konnte jedoch auf keiner der untersuchten räumlichen Skalen eine Korrelation zwischen der Parasitierung und der räumlichen Gelegeverteilung von C. canaliculata gefunden werden. Wir diskutieren aber auch Ergebnisse einer weiterführenden Studie, in der sich top-down Effekte auf das Larvalstadium zeigten. KW - Eiablage KW - Pflanzenfressende Insekten KW - Eiparasitismus KW - Käfer KW - Chrysomelidae KW - egg parasitism KW - herbivore KW - hostparasitoid interactions KW - plant quality Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-47738 ER - TY - THES A1 - Mitesser, Oliver T1 - The evolution of insect life history strategies in a social context T1 - Die Evolution von Lebenslaufstrategien bei Insekten in sozialem Kontext N2 - This thesis extends the classical theoretical work of Macevicz and Oster (1976, expanded by Oster and Wilson, 1978) on adaptive life history strategies in social insects. It focuses on the evolution of dynamic behavioural patterns (reproduction and activity) as a consequence of optimal allocation of energy and time resources. Mathematical modelling is based on detailed empirical observations in the model species Lasioglossum malachurum (Halictidae; Hymenoptera). The main topics are field observations, optimisation models for eusocial life histories, temporal variation in life history decisions, and annual colony cycles of eusocial insects. N2 - Diese Dissertation entwickelt die klassische theoretische Arbeit von Macevicz und Oster (1976, erweitert von Oster und Wilson, 1978) zu adaptiven Lebenslaufstrategien bei sozialen Insekten fort. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Evolution von dynamischen Verhaltensmustern (Reproduktion und Aktivität) als Resultat optimaler Allokation von Energie- und Zeitressourcen. Die mathematische Modellierung erfolgt auf Basis detaillierter Beobachtungsdaten zum Koloniezyklus der Furchenbiene Lasioglossum malachurum (Halictidae; Hymenoptera). Zentrale Themenbereiche sind Freilandbeobachtungen, Optimierungsmodelle für eusoziale Lebenslaufstrategien, zeitliche Variabilität bei Lebenslaufentscheidungen und der jährliche Koloniezyklus eusozialer Insekten. KW - Schmalbienen KW - Insektenstaat KW - Lebensdauer KW - Evolution KW - Mathematisches Modell KW - Evolution KW - Lebenslaufstrategien KW - soziale Insekten KW - mathematische Modellierung KW - Halictidae KW - evolution KW - life history strategy KW - social insects KW - mathematical model KW - Halictidae Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-22576 ER - TY - THES A1 - Brüning, Tanja T1 - Biomechanik des Wachslaufens bei Crematogaster (Decacrema)-Partnerameisen von Macaranga-Bäumen T1 - Biomechanics of waxrunning in Crematogaster (Decacrema) ant-partners of Macaranga-trees N2 - Durch die vorliegende Arbeit konnte die große Bedeutung biomechanischer Faktoren für die Ökologie und Evolution von Insekten-Pflanzen-Interaktionen, am Beispiel des Ameisenpflanzen-Mutualismus’ Crematogaster (Decacrema)-Macaranga aufgezeigt werden. Viele Macaranga-Ameisenpflanzen besitzen Sproßachsen mit einem Überzug epikutikulärer Wachskristalle. Nur die Ameisenpartner wachsbereifter Pflanzen können sich problemlos auf den Oberflächen ihrer Wirtspflanzen fortbewegen. Durch die rutschigen, wachsbereiften Sproßachsen werden generalistische Ameisenarten ferngehalten und damit die wachslaufenden Ameisenpartner vor Fraßfeinden und Konkurrenz geschützt. Die Wachsbarrieren fördern zudem die Wirtsspezifität innerhalb dieser Ameisen-Pflanzen-Symbiose und funktionieren so als ökologischer Isolationsmechanismus. Die mechanische Barrierefunktion der Wachsbereifung birgt eine Vielzahl ökologischer Konsequenzen für beide Mutualismuspartner. Ziel dieser Arbeit war es, die proximaten Einzelmechanismen dieser ökologisch wichtigen Barriere aufzuklären, d. h. die Ursache der Rutschigkeit wachsbereifter Macaranga-Oberflächen und den Mechanismus der Wachslauffähigkeit der spezialangepaßten Crematogaster (Decacrema)-Ameisen. Im Rahmen dieser Arbeit konnten mehrere Mechanismen der Rutschigkeit wachsbereifter Macaranga-Sproßoberflächen für Insekten aufgezeigt werden. Durch die Fortbewegung von Insekten auf epikutikulären Wachskristallen werden Kristalle aus ihrem Verbund herausgebrochen und kontaminieren die Insektentarsen. Auf der Oberfläche der Haftorgane (Arolien) werden die Wachskristalle durch die Haftflüssigkeit partiell angelöst. Hierdurch entsteht ein amorpher Schmierfilm, der wahrscheinlich zu einer Verschlechterung der Haftleistung führt. In dieser Arbeit wurde gezeigt, daß unabhängig vom Abbrechen der Kristalle und der Kontamination der Tarsen auch die Mikrorauhigkeit der Macaranga-Oberflächen zu einer Rutschigkeit der Sproßachse führen kann. Sie besitzt einen entscheidenden Einfluß auf die Haft- und Lokomotionsfähigkeit von Insekten. Die Rauhigkeit von Oberflächen führt zu einer Reduzierung der effektiven Kontaktfläche des Aroliums und verringert dadurch die Haftkräfte von Insekten. Die genannten Mechanismen der Rutschigkeit schließen sich nicht gegenseitig aus, sondern können einen synergistischen, bzw. additiven Effekt haben. Bei der Untersuchung der Wachslauffähigkeit der spezialisierten Macaranga-Partnerameisen zeigte sich, daß der unterschiedliche Lauferfolg verschiedener Crematogaster (Decacrema)-Morphospezies nicht auf einer größeren Haftung beruht, sondern vor allem auf einer günstigeren Laufkinematik der Wachsläufer. Durch morphometrische Untersuchungen an acht Crematogaster (Decacrema)-Arten konnte im Rahmen dieser Arbeit gezeigt werden, daß Wachsläufer längere Beine haben als Nichtwachsläufer. Diese längeren Beine können zu einem mechanischen Vorteil beim Klettern auf senkrechten Oberflächen führen, da sie zum einen ein weiteres Herumgreifen um den Ast ermöglichen und zum anderen aufgrund des längeren Hebelarms die auf die Vorderbeine wirkenden Zugkräfte reduzieren. Amputationsexperimente zeigten eindeutig, daß die prätarsalen Krallen entscheidend für das Laufen auf wachsbereiften Macaranga-Oberflächen sind, die prätarsalen Haftorgane (Arolien) hingegen nicht. Es ist zu vermuten, daß die Krallen durch das Eintauchen der Krallenspitzen in die Wachskristallschicht Halt finden, wodurch sie theoretisch auf senkrechten Oberflächen jeden Durchmessers Halt finden können. Obwohl quantitative Unterschiede in der Krallenmorphologie (Höhe, Länge und Krümmungsdurchmesser) zwischen Crematogaster (Decacrema)-Wachsläufern und -Nichtwachsläufern nachgewiesen werden konnten, bleibt unklar, ob diese überhaupt eine Rolle für die unterschiedliche Wachslauffähigkeit spielen oder ob eher das Bewegungsmuster während des Einsatzes der Krallen entscheidend ist. Auch bei Crematogaster (Decacrema)-Wachsläufern kommt es zu einem Abbrechen von Wachskristallen und einer Kontamination der Tarsen. Crematogaster (Decacrema)-Wachsläufer zeigen im Vergleich zu -Nichtwachsläufern ein bisher nicht in der Literatur beschriebenes, Putzverhalten der Vorderbeine. Dieses Putzverhalten ist zeitsparend und effektiv in die Lokomotion der Tiere eingebunden und schließt selektiv nur die Reinigung der laufoberflächenkontaktierenden Tarsussegmente ein. Die hier beschriebenen Unterschiede in Morphologie, Kinematik und Verhalten zwischen Crematogaster (Decacrema)-Wachsläufern und -Nichtwachsläufern bringen funktionelle Vorteile der Wachsläufer auf den von ihnen besiedelten, wachsbereiften Macaranga-Pflanzenoberflächen mit sich. Die epikutikuläre Wachsbereifung kann als biomechanischer Schlüsselmechanismus angesehen werden, der im Rahmen der Evolution zu diesen vielschichtigen Veränderungen geführt hat. Die vorliegende Arbeit konnte zugrundeliegende biomechanische Faktoren, die auf beiden Seiten des Mutualismus’ eine Rolle spielen, aufklären. N2 - The present study illustrates the significance of biomechanical factors in the ecology and evolution of insect-plant interactions on the example of the ant-plant mutualism between Crematogaster (Decacrema) ants and -Macaranga trees. Many Macaranga ant-plants possess stems which are covered by epicuticular wax crystals. Only ant partners of waxy plants can move without any difficulty on the surfaces of their host plants. The slippery stems keep away generalist ant species and protect the waxrunning ants from predators and competitors and functions as an ecological isolation mechanism. The mechanical barrier function of the epicuticular wax crystal layer has several ecological consequences for both mutualistic partners. The goal of this study was to clarify the proximate mechanisms underlying this ecologically important barrier. In particular, I investigated why waxy Macaranga surfaces are slippery and how specially adapted Crematogaster (Decacrema) ants are capable of climbing the slippery waxy stems. In this study, several mechanisms underlying the slipperiness of waxy Macaranga stem surfaces were discovered. When moving on waxy stems, insects detach crystals from the compound structure and contaminate their tarsi. The adhesive secretion leads to a partial dissolution of the crystals on the surface of the adhesive pad (arolium). The resulting amorphous substance presumably results in reduced attachment. I showed that independent of detaching wax crystals and tarsal contamination, the slipperiness of the stem surface can also be caused by the microscopic surface roughness of waxy Macaranga surfaces. Microroughness has a major influence on adhesive and locomotive abilities of insects, because it reduces the adhesive pads’ effective contact area and their attachment forces. These mechanisms of slipperiness listed above do not exclude each other, but may have a synergistic or additive effect. The investigation of the waxrunning behaviour suggests that the difference in waxrunning capacity between Crematogaster (Decacrema) morphospecies does not rely on superior adhesion but on morphological and kinematic adaptations. Morphometric analysis of eight Crematogaster (Decacrema) species showed that waxrunners have longer legs than non-waxrunners. Longer legs may be a mechanically advantageous for vertical climbing, because on the one hand a branch can be encompassed further as well as the detachment forces acting on front legs can be reduced by having a larger lever arm. Kinematic analysis of climbing ants demonstrated that this effect is enhanced by the fact that waxrunners spread their legs more out during climbing. Furthermore, during vertical climbing of waxy surfaces the experimentally proved increased distance between front and hind legs of waxrunners can enhance the ant’s stability on these surfaces. Amputation experiments clearly showed that the pretarsal claws are crucial for running on waxy Macaranga surfaces. In contrast, adhesive pads were seldom in contact with the surface, and if so, with only little contact area. In addition, no effect of attachment enhancement could be demonstrated for adhesive pads. It can be assumed that claws attach by inserting their tips into the wax crystal layer, so that the ants are theoretically capable of attaching to any vertical surface, no matter which diameter the object has. Although I found quantitative differences in claw morphology (height, length and radius of curvature) between Crematogaster (Decacrema) waxrunners and non-waxrunners, it is still unclear if these parameters play a role for waxrunning ability or whether the movement pattern during claw usage is the decisive factor. Even Crematogaster (Decacrema) waxrunners break off wax crystals and have contaminated tarsi. I found that only the Crematogaster (Decacrema) waxrunners show a yet undocumented front leg grooming behaviour. This grooming behaviour is time saving and integrated effectively into the running pattern. The described differences in morphology, kinematics and behaviour between waxrunning und non-waxrunning Crematogaster (Decacrema) ants result in a functional advantage of waxrunners on their waxy host plants. The epicuticular wax layer represents a biomechanical key mechanism which has lead to complex changes during evolution. The presented study was able to clarify underlying biomechanical factors on both sides of this ant-plant mutualism. KW - Crematogaster KW - Macaranga KW - Mutualismus KW - Kutikularwachs KW - Crematogaster KW - Macaranga KW - Wachslaufen KW - Mutualismus KW - Crematogaster KW - Macaranga KW - waxrunning KW - mutualism Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-21772 ER - TY - THES A1 - Zirn, Birgit T1 - Expressions- und Mutationsanalysen in kindlichen Wilms Tumoren T1 - Expression and mutation analysis in pediatric Wilms Tumors N2 - kumulative Dissertation, vgl. Abstracts der angehängten Publikationen N2 - cumulative dissertation, see abstracts of original papers KW - Nephroblastom KW - Genexpression KW - Genmutation KW - Wilms Tumor KW - Nephroblastom KW - Expressionsanalyse KW - Wilms tumor KW - nephroblastoma KW - expression analysis Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-20338 ER - TY - JOUR A1 - Obermaier, Elisabeth A1 - Heisswolf, Annette A1 - Randlkofer, B. A1 - Meiners, T. T1 - Enemies in low places - insects avoid winter mortality and egg parasitism by modulating oviposition height N2 - Oviposition site selection in insects is essential in terms of low egg mortality, high offspring survival and therefore a high reproductive output. Although oviposition height could be a crucial factor for the fitness of overwintering eggs, it has rarely been investigated. In this study the oviposition height of a polyphagous leaf beetle, Galeruca tanaceti Linnaeus in different habitats and at different times of the season was examined and its effect on egg clutch mortality was recorded. The leaf beetle occurs as an occasional pest on several agricultural plants. It deposits its eggs within herbaceous vegetation in autumn. Eggs are exposed to numerous biotic and abiotic mortality factors summarized as egg parasitism and winter mortality. Oviposition height of the leaf beetle was not uniform, but changed significantly with the structure of the habitat and during the season. Mean oviposition height per site (70.2±4.9 cm) was significantly higher than mean vegetation height (28.4±2.4 cm). Height of plants with egg clutches attached and oviposition height were significantly positively correlated. The results suggest that females try to oviposit as high as possible in the vegetation and on the plants selected. In accordance with this, the probability of egg parasitism and of winter egg clutch mortality significantly declined with increasing oviposition height. A preference of G. tanaceti for oviposition sites high up in the vegetation might therefore have evolved due to selection pressures by parasitoids and winter mortality. KW - abiotic factors KW - Chrysomelidae KW - enemy free space KW - Galeruca tanaceti KW - oviposition site KW - plant-animal interactions KW - Oomyzus galerucivorus Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-48200 ER - TY - JOUR A1 - Gros, Andreas A1 - Hovestadt, Thomas A1 - Poethke, Hans Joachim T1 - Evolution of local adaptions in dispersal strategies N2 - The optimal probability and distance of dispersal largely depend on the risk to end up in unsuitable habitat. This risk is highest close to the habitat’s edge and consequently, optimal dispersal probability and distance should decline towards the habitat’s border. This selection should lead to the emergence of spatial gradients in dispersal strategies. However, gene flow caused by dispersal itself is counteracting local adaptation. Using an individual based model we investigate the evolution of local adaptations of dispersal probability and distance within a single, circular, habitat patch. We compare evolved dispersal probabilities and distances for six different dispersal kernels (two negative exponential kernels, two skewed kernels, nearest neighbour dispersal and global dispersal) in patches of different size. For all kernels a positive correlation between patch size and dispersal probability emerges. However, a minimum patch size is necessary to allow for local adaptation of dispersal strategies within patches. Beyond this minimum patch area the difference in mean dispersal distance between center and edge increases linearly with patch radius, but the intensity of local adaptation depends on the dispersal kernel. Except for global and nearest neighbour dispersal, the evolved spatial pattern are qualitatively similar for both, mean dispersal probability and distance. We conclude, that inspite of the gene-flow originating from dispersal local adaptation of dispersal strategies is possible if a habitat is of sufficient size. This presumably holds for any realistic type of dispersal kernel. KW - Ausbreitung KW - Evolution KW - Computersimulation KW - Ökologie KW - nearest-neighbour dispersal KW - global dispersal KW - evolution KW - individual based simulation Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-45406 ER - TY - JOUR A1 - Mitesser, Oliver A1 - Weissel, Norbert A1 - Strohm, Erhard A1 - Poethke, Hans J. T1 - The evolution of activity breaks in the nest cycle of annual eusocial bees: A simple model of delayed exponential growth N2 - Abstract: Background Social insects show considerable variability not only in social organisation but also in the temporal pattern of nest cycles. In annual eusocial sweat bees, nest cycles typically consist of a sequence of distinct phases of activity (queen or workers collect food, construct, and provision brood cells) and inactivity (nest is closed). Since the flight season is limited to the time of the year with sufficiently high temperatures and resource availability, every break reduces the potential for foraging and, thus, the productivity of a colony. This apparent waste of time has not gained much attention. Results We present a model that explains the evolution of activity breaks by assuming differential mortality during active and inactive phases and a limited rate of development of larvae, both reasonable assumptions. The model predicts a systematic temporal structure of breaks at certain times in the season which increase the fitness of a colony. The predicted pattern of these breaks is in excellent accordance with field data on the nest cycle of the halictid Lasioglossum malachurum. Conclusion Activity breaks are a counter-intuitive outcome of varying mortality rates that maximise the reproductive output of primitively eusocial nests. Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-48196 ER - TY - THES A1 - Endler, Annett T1 - Regulation of reproductive division of labor in the ant Camponotus floridanus : behavioral mechanisms and pheromonal effects T1 - Regulation der reproduktiven Arbeitsteilung bei der Ameise Camponotus floridanus: Verhaltensmechanismen und Einfluss von Pheromonen N2 - A hitherto unresolved problem is how workers are prevented from reproducing in large insect societies. The queen informs about her fertility and health which ensures sufficient indirect fitness benefits for workers. In the ant Camponotus floridanus, I found such a signal located on eggs of highly fertile queens. Groups of workers were regularly provided with different sets of brood. Only in groups with queen eggs workers refrain from reproducing. Thus, the eggs seem to inform the workers about queen presence. The signal on queen eggs is presumably the same that enables workers to distinguish between queen and worker-laid eggs, latter are destroyed by workers. Queen and worker-laid eggs differ in their surface hydrocarbons in a similar way as fertile queens differ from workers in the composition of their cuticular hydrocarbons. When I transferred hydrocarbons from the queen cuticle to worker eggs the eggs were no longer destroyed, indicating that they now carry the signal. These hydrocarbons thus represent a queen signal that regulates worker reproduction in this species. But the signal is not present in all fertile queens. Founding queens with low egg-laying rates differ in the composition of cuticular hydrocarbons from queens with high productivity. Similar differences in the composition of surface hydrocarbons were present on their eggs. The queen signal develops along with an increasing fertility and age of the queen, and this is perceived by the workers. Eggs from founding queens were destroyed like worker eggs. This result shows that founding queens lack the appropriate signal. In these little colony foundations chemical communication of queen status may not be necessary to prevent workers from reproducing, since workers may benefit more from investing in colony growth and increased productivity of large colonies rather than from producing male eggs in incipient colonies. If the queen is missing or the productivity of the queen decreases, workers start laying eggs. There is some evidence from correlative studies that, under queenless conditions, worker police each other because of differences in individual odors as a sign of social status. It can be expressed as either aggressive inhibition of ovarian activity, workers with developed ovaries are attacked by nest-mates, or destruction by worker-laid eggs. I found that in C. floridanus workers, in contrast to known studies, police only by egg eating since they are able to discriminate queen- and worker-laid eggs. Workers with developed ovaries will never attacked by nest-mates. This is further supported by qualitative and quantitative differences in the cuticular hydrocarbon profile of queens and workers, whereas profiles of workers with and without developed ovaries show a high similarity. I conclude that workers discriminate worker eggs on the basis of their hydrocarbon profile, but they are not able to recognize egg-laying nest-mates. Improving our knowledge of the proximate mechanisms of the reproductive division of labor in evolutionary derived species like C. floridanus will help to understand the evolution of extreme reproductive altruism involving sterility as a characteristic feature of advanced eusocial systems. N2 - Es ist eine bisher ungelöste Frage, wie Arbeiterinnen in großen Insektenkolonien von der Reproduktion abgehalten werden. Arbeiterinnen würden einen erheblichen Fitnessvorteil erlangen, falls die Königin über ihre Fertilität und ihren Gesundheitszustand informiert. Bei der Ameise Camponotus floridanus konnte auf den Eiern hochfertiler Königinnen so ein Signal gefunden werden. Gruppen von Arbeiterinnen wurden regelmäßig mit verschiedenen Brutansätzen versorgt. Aber nur in Gruppen, welche Eier der Königin erhielten, wurden die Arbeiterinnen von der Reproduktion abgehalten. Die Eier informieren demnach über die Anwesenheit der Königin. Das Signal der Königineier ermöglicht Arbeiterinnen offensichtlich auch zwischen Eiern von Königin und Arbeiterinnen zu unterscheiden, wobei letztere zerstört werden. Königin- und Arbeiterinneneier unterscheiden sich in ihren Oberflächenkohlenwasserstoffen auf ähnliche Weise wie sich die kutikulären Kohlenwasserstoffprofile von fertilen Königinnen und Arbeiterinnen unterscheiden. Wurden Kohlenwasserstoffe von der Kutikula der Königin auf Eier von Arbeiterinnen übertragen, schützten sie diese vor der Zerstörung. Dies zeigt, dass die Eier das Signal transportieren. Die Kohlenwasserstoffe stellen ein Königinsignal dar, welches die Reproduktion der Arbeiterinnen bei C. floridanus regelt. Allerdings kommt das Signal nicht bei allen fertilen Königinnen vor. Gründungsköniginnen mit einer geringen Eiablagerate unterscheiden sich in der Zusammensetzung der Kohlenwasserstoffe von Königinnen mit einer höheren Produktivität. Ähnliche Unterschiede in der Zusammensetzung der Oberflächenkohlenwasserstoffe finden sich ebenfalls auf den jeweiligen Eiern. Das Königinsignal gewinnt an Stärke mit zunehmender Fertilität und Alter der Königin, was von den Arbeiterinnen erkannt wird. Eier von Gründungsköniginnen werden wie die Eier von Arbeiterinnen zerstört. Das Ergebnis zeigt, dass Gründungsköniginnen das betreffende Signal nicht besitzen. Um Arbeiterinnen von der Reproduktion abzuhalten, scheint es in kleinen Gründungskolonien nicht notwendig über den Zustand der Königin zu informieren. Arbeiterinnen in diesen Kolonien profitieren mehr von der Investition in das Koloniewachstum als von der Produktion von Männchen. Fehlt die Königin oder nimmt ihre Produktivität ab, dann beginnen Arbeiterinnen mit der Eiablage. Es gibt Belege aus anderen Studien, dass unter königinlosen Bedingungen Arbeiterinnen sich gegenseitig von der erfolgreichen Reproduktion abhalten (worker policing). Dabei orientieren sie sich am individuellen Geruch der Tiere je nach sozialem Status. Die Inhibierung der Ovarienaktivität erfolgt über Aggression, indem fertile Arbeiterinnen von ihren Nestgenossinnen attackiert werden, oder über die Zerstörung von Eiern. Arbeiterinnen von C. floridanus policen, im Gegensatz zu den bekannten Studien, nur durch Eifrass, da sie in der Lage sind Eier von Königin und Arbeiterinnen zu unterscheiden. Fertile Arbeiterinnen werden dagegen nie von Nestgenossinnen angegriffen. Dies wird unterstützt durch qualitative und quantitative Unterschiede im kutikulären Kohlenwasserstoffprofil zwischen Königin und Arbeiterinnen, während sich das Profil fertiler und infertiler Arbeiterinnen dagegen nicht unterscheidet. Arbeiterinnen nutzen demnach das Kohlenwasserstoffprofil um Eier zu unterscheiden, sind aber nicht in der Lage fertile Nestgenossinnen zu erkennen. Die Aufklärung der Regulationsmechanismen der reproduktiven Arbeitsteilung bei stark abgeleiteten Arten wie C. floridanus liefert einen Beitrag zum Verständnis, wieso es im Laufe der Evolution zur reproduktiven Degeneration von Arbeiterinnen gekommen ist, einem Charakteristikum hoch entwickelter eusozialer Systeme. KW - Camponotus floridanus KW - Fortpflanzung KW - Pheromon KW - soziale Insekten KW - Ameisen KW - Fertilitätssignal KW - kutikuläre Kohlenwasserstoffe KW - worker policing KW - social insects KW - ants KW - fertility signal KW - cuticular hydrocarbons KW - worker policing Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-18872 ER - TY - THES A1 - Hartung, Anke T1 - Localization of BMP receptors in distinct plasma membrane domains and its impact on BMP signaling T1 - Lokalisierung von BMP Rezeptoren in speziellen Plasmamembrandomänen und deren Auswirkung auf den BMP Signalweg N2 - Endocytosis of growth factor receptors plays an important role in the activation and propagation as well as the attenuation of signaling pathways. Its malfunctioning can cause several pathologies, e.g. by controlling the level of receptors at the cell surface. BMPs are members of the TGF-ß superfamily and are involved in the regulation of proliferation, differentiation, chemotaxis and apoptosis. BMP signaling is initiated at two types of transmembrane serine/threonine kinases, BRI and BRII. BMP receptor activation occurs upon ligand binding to preformed complexes (PFCs) or BMP2-induced signaling complexes (BISCs) composed of BRI and BRII. Binding of BMP2 to PFCs results in activation of the Smad pathway, whereas BISCs initiate the activation of Smad-independent pathways via p38 resulting in the induction of Alkaline phosphatase (ALP). BMP receptor endocytosis has not been extensively studied and the potential role of localization to different regions of the plasma membrane in determining the signaling pathways activated by PFCs and BISCs was not explored so far. In the present work, the localization of BMP receptors in distinct membrane domains and the consequential impact on BMP signaling were investigated. By separating detergent-resistant membranes (DRMs) from cell lysates and subsequent gradient ultracentrifugation, it could be demonstrated that BRI and BRII cofractionate with cav-1, the marker protein of caveolae. Moreover, both receptor types interacted with cav-1 and showed a partially colocalization with cav-1 at the plasma membrane. Although these results point to a caveolar localization, BMP receptors cofractionated also with DRMs in cells exhibiting no caveolae, suggesting an additional non-caveolar raft localization. Beyond that, BRII could also be localized to clathrin-coated pits (CCPs) by means of immuno-electronmicroscopy studies. The second part of this thesis demonstrated that both membrane regions influence BMP signaling in distinct ways. Smad1/5 was shown to be phosphorylated independently of endocytic events at the cell surface. On the one hand, disruption of DRM regions by cholesterol depletion inhibited specifically BMP2-mediated ALP production, while Smad signaling was unaffected. On the other hand, inhibition of clathrin-mediated endocytosis by specific inhibitors affected BMP2-induced Smad signaling as well as the induction of ALP, suggesting that both Smad-dependent and Smad-independent signaling pathways are required for BMP2 induced ALP production. These findings propose an important regulatory impact of different endocytic routes and membrane regions on BMP signaling as well as that a distinct membrane localization of BMP receptors account for specific signaling properties initiated at PFCs or BISCs. N2 - Endozytose von Wachstumsfaktor-Rezeptoren spielt eine entscheidende Rolle bei Aktivierung und Übertragung wie auch bei der Schwächung von Signalen. Störungen der Endozytose können schwere Krankheitsbilder hervorrufen, z.B. durch ihren Einfluss auf die Regulation der Rezeptormenge an der Zelloberfläche. BMPs sind Mitglieder der TGF-ß Superfamilie und sind involviert in die Regulation von Proliferation, Differenzierung, Chemotaxis und Apoptose. Zwei Arten von Transmembranproteinen, die Serin/Threonin-Kinase Aktivität besitzen, sind bedeutend für den BMP Signalweg – die BMP Rezeptoren BRI und BRII. Die Aktivierung von BRI und BRII erfolgt durch Ligandenbindung an präformierte Komplexe (PFCs) oder BMP2-induzierte Signalkomplexe (BISCs), die aus beiden Rezeptorarten bestehen. Wenn BMP2 an PFCs bindet, wird die Smad-Signalkaskade initiiert, wohingegen BISCs Smad-unabhängige Signale über p38 weiterleiten, was schließlich zur Produktion von alkalischer Phosphatase (ALP) führt. Das Feld der BMP Rezeptor Endozytose wurde noch nicht sehr ausführlich untersucht, genauso wenig wie die potentielle Rolle, die unterschiedliche Rezeptorlokalisierungen in verschiedenen Plasmamembran-Regionen bei der Initiierung der Signalwege, die durch PFCs bzw. BISCs aktiviert werden, spielen könnten. In der vorliegenden Arbeit wurden die Lokalisierung von BMP Rezeptoren in speziellen Membrandomänen sowie deren Einfluss auf die BMP Signalkaskade untersucht. Mittels Reinigung von Detergenz-resistenten Membranen (DRMs) aus Zelllysaten und anschließender Gradientenultrazentrifugation konnte gezeigt werden, dass BRI und BRII mit dem caveolären Markerprotein cav-1 kofraktionieren. Darüber hinaus interagieren beide Rezeptorarten mit cav-1 und kolokalisieren auch teilweise mit cav-1 an der Plasmamembran. Obwohl diese Ergebnisse auf ein eindeutiges Vorkommen der Rezeptoren in Caveolae schließen lassen, kofraktionieren sie auch mit DRMs in Zellen, die von Natur aus keine Caveolae ausbilden, woraus man eine zusätzliche nichtcaveoläre Raft-Lokalisierung schlussfolgern kann. Des Weiteren konnte BRII mittels Immun- Elektronenmikroskopie in „clathrin-coated pits“ (CCPs) lokalisiert werden. Im zweiten Teil der Arbeit wurde gezeigt, dass beide untersuchten Membranregionen die BMP Signalkaskade auf unterschiedliche Art und Weise beeinflussen. Es wurde bewiesen, dass Smad1/5 unabhängig von endozytotischen Vorgängen an der Plasmamembran phosphoryliert wird. Einerseits führte die Zerstörung von DRM-Regionen durch Cholesterindepletion zur spezifischen Inhibierung der BMP2-vermittelten ALP Produktion, ohne gleichzeitig die BMP Signalkaskade über Smads zu beeinflussen. Andererseits bewirkte eine spezifische Blockierung der Clathrin-vermittelten Endozytose eine Inhibition des BMP2-induzierten Smad-Signalwegs und auch der ALP Produktion, was auf ein Zusammenspiel von Smad-unabhängigen und Smad-abhängigen Signalwegen bei der ALP-Induzierung schließen lässt. Die Ergebnisse der vorliegenden Studie lassen die Schlussfolgerung zu, dass verschiedene endozytotische Wege und Membranregionen einen bedeutenden, regulatorischen Einfluss auf die BMP Signalkaskade ausüben. Weiterhin wurde festgestellt, dass die Membranlokalisierung von BMP Rezeptoren für das Einschlagen verschiedener Signalwege ausgehend von PFCs und BISCs verantwortlich ist. KW - Knochen-Morphogenese-Proteine KW - Rezeptor KW - Endocytose KW - BMP KW - Rezeptoren KW - Endozytose KW - Lipid Raft KW - Caveolae KW - BMP KW - receptors KW - endocytosis KW - lipid raft KW - caveolae Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-18360 ER - TY - THES A1 - Cruz, Alexandre Bettencourt da T1 - Molecular and functional characterization of the swiss-cheese and olk mutants in Drosophila melanogaster : two approaches to killing neurons T1 - Molekulare und funktionelle Untersuchung der swiss-cheese und olk Mutanten in Drosophila melanogaster N2 - In this thesis two genes involved in causing neurodegenerative phenotypes in Drosophila are described. olk (omb-like), a futsch allele, is a micotubule associated protein (MAP) which is homologous to MAP1B and sws (swiss cheese) a serine esterase of yet unknown function within the nervous system. The lack of either one of these genes causes progressive neurodegeneration in two different ways. The sws mutant is characterized by general degeneration of the adult nervous system, glial hyperwrapping and neuronal apoptosis. Deletion of NTE (neuropathy target esterase), the SWS homolog in vertebrates, has been shown to cause a similar pattern of progressive neural degeneration in mice. NTE reacts with organophosphates causing axonal degeneration in humans. Inhibition of vertebrate NTE is insufficient to induce paralyzing axonal degeneration, a reaction called "aging reaction" is necessary for the disease to set in. It is hypothesized that a second "non-esterase" function of NTE is responsible for this phenomenon. The biological function of SWS within the nervous system is still unknown. To characterize the function of this protein several transgenic fly lines expressing different mutated forms of SWS were established. The controlled expression of altered SWS protein with the GAL4/UAS system allowed the analysis of isolated parts of the protein that were altered in the respective constructs. The characterization of a possible non-esterase function was of particular interest in these experiments. One previously described aberrant SWS construct lacking the first 80 amino acids (SWSΔ1-80) showed a deleterious, dominant effect when overexpressed and was used as a model for organophosphate (OP) intoxication. This construct retains part of its detrimental effect even without catalytically active serine esterase function. This strongly suggests that there is another characteristic to SWS that is not defined solely by its serine esterase activity. Experiments analyzing the lipid contents of sws mutant, wildtype (wt) and SWS overexpressing flies gave valuable insights into a possible biological function of SWS. Phosphatidylcholine, a major component of cell membranes, accumulates in sws mutants whereas it is depleted in SWS overexpressing flies. This suggests that SWS is involved in phosphatidylcholine regulation. The produced α-SWS antibody made it possible to study the intracellular localization of SWS. Images of double stainings with ER (endoplasmic reticulum) markers show that SWS is in great part localized to the ER. This is consistent with findings of SWS/ NTE localization in yeast and mouse cells. The olk mutant also shows progressive neurodegeneration but it is more localized to the olfactory system and mushroom bodies. Regarding specific cell types it seemed that specifically the projection neurons (PNs) are affected. A behavioral phenotype consisting of poor olfactory memory compared to wt is also observed even before histologically visible neurodegeneration sets in. Considering that the projection neurons connect the antennal lobes to the mushroom bodies, widely regarded as the "learning center", this impairment was expected. Three mutants where identified (olk1-3) by complementation analysis with the previously known futschN94 allele and sequencing of the coding sequence of olk1 revealed a nonsense mutation early in the protein. Consistent with the predicted function of Futsch as a microtubule associated protein (MAP), abnormalities are most likely due to a defective microtubule network and defects in axonal transport. In histological sections a modified cytoskeletal network is observed and western blots confirm a difference in the amount of tubulin present in the olk1 mutant versus the wt. The elaboration of neuronal axons and dendrites is dependent on a functional cytoskeleton. Observation of transport processes in primary neural cultures derived from olk1 mutant flies also showed a reduction of mitochondrial transport. Interaction with the fragile X mental retardation gene (dfmr1) was observed with the olk mutant. A dfmr1/ olk1 double mutant shows an ameliorated phenotype compared to the olk1 single mutant. tau, another MAP gene, was also shown to be able to partially rescue the olk1 mutant. N2 - In dieser Arbeit werden zwei neurodegenerative Mutanten in Drosophila beschrieben. Zum einen drei Allele des futsch Gens namens olk (omb-like). futsch wurde bereits als Mikrotubuli assoziertes Protein (MAP) beschrieben und ist als MAP1B Ortholog identifiziert worden. Zum anderen sws (swiss cheese), eine Serinesterase, deren Funktion im Nervensystem noch unbekannt ist. In sws mutanten Fliegen ist Vakuolisierung im gesamten Gehirn sichtbar, es handelt sich um einen generellen, progressiven, neurodegenerativen Phänotyp. Neuronale Apoptose wie auch multiple Membranhüllen um Gliazellen sind für die sws Mutanten charakteristisch. Die biologische Funktion von SWS innerhalb des Nervensystems ist bisher noch nicht geklärt. Vertebraten, die für das sws Ortholog NTE (neuropathy target esterase) mutant sind, zeigen einen ähnlichen Phänotyp wie sws mutante Fliegen. Auch Vergiftung von NTE mit Organophosphaten kann zu axonaler Degeneration führen. Dabei ist jedoch die Inhibition von NTE nicht ausreichend um die Axondegeneration hervorzurufen. Eine weitere Reaktion, die sogenannte "Aging reaction" is notwendig um die paralysierende Wirkung auszulösen. Eine These besagt, dass NTE eine zweite, von der Esterasefunktion unabhängige Funktion ("Nicht-Esterase" Funktion) besitzt, die diese Wirkung auslöst. Zur Aufklärung der physiologischen Funktion von SWS wurden verschiedene transgene Fliegenlinien etabliert. Diese produzieren verschiedene, mutierte Formen des SWS Proteins, dessen Expression mit Hilfe des GAL4/ UAS Systems genau gesteuert werden kann. Diese Methode erlaubt eine eingehende Untersuchung einzelner Proteindomänen, die in den jeweiligen Konstrukten verändert waren. Insbesondere die Charakterisierung der möglichen "Nicht-Esterase" Funktion war von Interesse. Eine bereits beschriebene mutante Form des SWS Proteins, dem die ersten 80 Aminosäuren fehlen (SWSΔ1-80), zeigte einen dominanten degenerativen Effekt. Die Überexpression von SWSΔ1-80 führt, wie auch die Vergiftung mit bestimmten Organophosphaten, zur Degeneration der betroffenen Zellen und wurde deshalb als Modell für Organophosphatvergiftung herangezogen. Es konnte gezeigt werden, dass dieses Konstrukt auch dann einen schädlichen Effekt zeigt, wenn die katalytische Serinesterasefähigkeit durch Mutation entfernt wurde. Dies deutet die Möglichkeit an, dass SWS eine, von der Esteraseaktivität unhabhängige, Funktion ausüben kann. Ein Vergleich des Lipidgehalts von sws Mutanten mit wt und SWS überexprimierenden Fliegen gab wertvolle Hinweise auf eine mögliche biologische Funktion von SWS. Der Gehalt an Phosphatidylcholin, ein Hauptbestandteil von Zellmembranen, scheint in sws Mutanten erhöht zu sein, während es in SWS überexprimierenden Fliegen in geringeren Mengen zu finden ist. Dies weist darauf hin, dass SWS an der Phosphatidylcholinregulation beteiligt sein könnte. Der in dieser Arbeit hergestellte α-SWS Antikörper ermöglichte eine genauere intrazelluläre Lokalisation des SWS Proteins. Doppelfärbungen mit einem ER (Endoplasmatisches Retikulum) Marker zeigen, dass ein grosser Anteil von SWS im ER zu finden ist. Dies stimmt mit den kürzlich veröffentlichten Ergebnisse zur Lokalisation von SWS/ NTE in Hefe- und Mauszellen überein. Die olk Mutante zeigt ebenfalls progressive Neurodegeneration, die Effekte sind jedoch lokaler, insbesondere das olfaktorische System und die Pilzkörper sind betroffen. Die Projektionsneurone (PN) degenerieren in dieser Mutante innerhalb von etwa 20 Tagen. Noch vor der histologisch sichtbaren Degeneration ist bereits ein Verhaltensphänotyp erkennbar, der sich in schlechter, olfaktorischen Lernleistung äussert. Projektionsneurone verbinden die Antennalloben und die Pilzkörper, die als "Lernzentren" gelten, daher entspricht ein Lerndefekt den Erwartungen. Die drei olk Mutanten (olk1-3) wurden durch Komplementationstests mit dem publizierten futschN94 Allel als weitere futsch Allele identifiziert. In olk1 zeigte die Sequenzierung der kodierenden Sequenz eine Mutation, die frühzeitig zu einem Stopcodon im Protein führt. Die Degenerationserscheinungen in der Mutanten sind vermutlich auf Defekte im Mikrotubulinetzwek und axonalen Transport zurück zu führen. In histologischen Gehirnschnitten sind Veränderungen im Zytoskelett zu beobachten und Western Blots deuten auf einen erhöhten Tubulingehalt in der olk1 Mutante hin. Für die Entwicklung von Axonen und Dendriten ist ein intaktes Zytoskelett unentbehrlich. Transportprozesse sind in olk1 Mutanten ebenso betroffen, insbesondere ist der mitochondriale Transport reduziert. Das fragile X mental retardation Gen (dfmr1) interagiert mit der olk Mutante, so dass eine dfmr1/ olk1 Doppelmutante einen weniger starken Phänotyp zeigt als die olk1 Mutante. tau, ein weiteres MAP Gen, besitzt ebenso die Fähigkeit den olk1 Phänotyp partiell zu suprimieren. KW - Taufliege KW - Nervendegeneration KW - Molekulargenetik KW - Drosophila KW - Neurodegeneration KW - futsch KW - MAP KW - swiss-cheese KW - Drosophila KW - neurodegeneration KW - futsch KW - MAP KW - swiss-cheese Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-17734 ER - TY - THES A1 - Riemensperger, Thomas T1 - Untersuchung prädiktiver Eigenschaften des dopaminergen Systems von Drosophila melanogaster mittels genetisch kodierter Calcium Sensoren T1 - Analysis of predictive features in the dopaminergic System of Drosophila melanogaster using genetically encoded Calcium Sensors N2 - Die Technik des optischen Imaging unter Verwendung DNA-codierter Sensoren ermöglicht es, Messungen neuraler Aktivitäten in genetisch definierten Populationen von Neuronen durchzuführen. In der Vielzahl der verschiedenen entwickelten Sensoren konnten die Calciumsensoren bisher das beste Verhältnis zwischen Signal und Rauschen und die beste zeitliche Auflösung aufzeigen. Hierbei handelt es sich in erster Linie um zwei Typen von Sensoren, zum einen ratiometrische Sensoren, deren Signal auf einem Fluoreszenz Resonanz Energie Transfer (FRET) basiert, und zum anderen um zirkulär permutierte Sensoren, die auf einem modifizierten GFP-Molekül basieren, wobei das Signal auf einer veränderten Protonierung des Chromophors beruht. Beide Arten dieser Sensoren wurden schon erfolgreich zum Messen neuraler Aktivitäten in Nervensystemen verschiedener Tierarten verwendet. Ein Teil dieser Arbeit bestand darin, zu untersuchen, welche Sensoren sich für die Messung an einem lebenden Organismus am besten eignen. Hierfür wurden die Eigenschaften von vier verschiedenen FRET basierten Sensoren und zwei der zyklisch permutierten Sensoren nach Expression im zentralen Nervensystem von Drosophila charakterisiert. Die Sensoren wurden in Neuronen zweiter und dritter Ordnung des olfaktorischen Signalwegs exprimiert und ihre Antworten auf physiologische Duftstimulation oder artifiziell induzierte Depolarisation des Gehirns untersucht. Während die calciumabhängigen Signale der zyklisch permutierten Sensoren in der Regel größer waren als die der FRET basierten Sensoren, zeichneten sich letztere durch ein besseres Signal zu Rausch-Verhältnis aus, wenn Bewegungen der fluoreszierenden Strukturen nicht zu vermeiden waren. Dies war auch der ausschlaggebende Grund für die Verwendung eines FRET basierten Sensors im anschließenden Teil der Arbeit. Im zweiten Teil der Arbeit wurde der Effekt untersucht, den die Paarung eines neutralen Stimulus mit einem bestrafenden Stimulus auf dopaminerge Neurone hat. Eine solche Paarung kann zu einer klassischen Konditionierung führen, einer einfachen Form des Lernens, in welcher das Tier einem ursprünglich neutralen Stimulus einen Wert zuordnet, und dadurch sein Verhalten dem Stimulus gegenüber ändert. Die olfaktorische klassische Konditionierung in Drosophila wird seit vielen Jahren intensiv untersucht, um die molekularen und neuronalen Grundlagen von Lernen und Gedächtnis zu charakterisieren. Dabei hat sich gezeigt, dass besonders die Pilzkörper von essentieller Bedeutung für die Ausbildung eines olfaktorischen Gedächtnisses sind. Während das olfactorische System bei Insekten bereits detailiert analysiert wurde, ist über die Neurone, die den bestrafenden Stimulus vermitteln, nur sehr wenig bekannt. Unter Anwendung des funktionellen optischen Calcium Imaging konnte im Rahmen der Arbeit gezeigt werden, dass die Projektionen von dopaminergen Neuronen im Bereich der Loben der Pilzkörper schwach auf die Präsentation eines Duftes, jedoch sehr stark auf eine Stimulation durch einen Elektroschock antworten. Nach mehrmaliger Paarung eines Duftes mit einem Elektroschock während eines Trainings, verlängert sich die Aktivität dieser dopaminergen Neurone auf den bestraften Duft hin im Test ohne Elektroschock drastisch, während die Antwort auf den Kontrollduft keine signifikanten Veränderungen aufweist. Während bei Säugetieren belohnende Reize bei appetitiven Lernvorgängen über dopaminerge Neurone vermittelt werden, spielen bei Drosophila diese Neurone offensichtlich eine Rolle bei der aversiven Konditionierung. Jedoch blieb, auch wenn sich die Rolle des Dopamins im Laufe der Evolution geändert zu haben scheint, die Fähigkeit dieses Neuronentyps, nicht nur auf einen eintreffenden verstärkenden Stimulus zu reagieren, sondern diesen auch vorhersagen zu können, zwischen Säugern und Drosophila erhalten. N2 - The technique of optical in vivo imaging using genetically encoded fluorescent sensors in transgenic animals has paved the way for real-time monitoring of spatio-temporal activity in the brain. Among the different fluorescent probes, the calcium sensors produce signals with the highest signal to noise ratio and the best temporal resolution. Basically these sensors can be split into two groups, those based on a FRET-effect between two modified green fluorescent proteins (GFPs) and those which make use of on a circular permutation of GFP. Both types have successfully been used for measuring neuronal activity in various species. One part of the present work was to test which of these different sensor types are best suited for an in vivo situation. For this, two members of the class of circularly permutated sensors and four members of the class of FRET based sensors were tested and compaired in Drosophila. Each sensor was expressed in second and third order neurons of the olfactory pathway and the calcium activity evoked by artificial depolarisation or physiological odour stimuli was recorded. Whereas the Calcium dependent change in signal intensity is substantially higher for the circularly permutated sensors, the FRET based sensors tested in this work showed a better signal to noise ratio when movement of the brain structures under investigation could not be prevented. For this reason a FRET based sensor was chosen to measure the activity of dopaminergic neuronsin a classical conditioning paradigm. In the second part of this work the effect of pairing a neutral stimulus with a negative reinforcer (in this case an electric shock) on the activity of dopaminergic neurons was investigated. The pairing of these two stimuli can lead to classical conditioning, a simple form of learning in which the animal assigns a value (positive or negative) to the formerly neutral stimulus. Olfactory classical conditioning in Drosophila melanogaster is a prime model for the analysis of the molecular and neuronal substrate of this type of learning and memory. In particular the mushroom bodies have been shown to be essential for olfactory memory formation. While the olfactory system of insects has been extensively characterized little is known about the neurons that mediate the reinforcing stimulus. Using the technique of optical calcium imaging it was possible to show that dopaminergic projections in the region of the mushroom body lobes responded weakly to odour presentations, but strongly to the stimulation by an electric shock. After pairing for several times one of two odours presented to the fly with an electric shock (training), the activity of the dopaminergic neurons to the punished odour is significantly prolonged in a test after the training. No change is observed after the training for the control odour that was not paired with the electric shock. Whereas in mammals rewarding stimuli are mediated by dopaminergic neurons, in Drosophila this catecholamine apparently plays a role in mediating aversive reinforcement. Even though the role of dopamine seems to have changed during evolution the capability of dopaminergic neurons to predict a reinforcing stimulus appears to be conserved between Drosophila and mammals. KW - Taufliege KW - Dopaminerge Nervenzelle KW - Calcium KW - Calcium imaging KW - Sensoren KW - Dopamin KW - Drosophila melanogaster KW - prädiktive Eigenschaften KW - Calcium imaging KW - Sensors KW - Dopamine KW - Drosophila melanogaster KW - predictive features Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-19041 ER - TY - THES A1 - Ernst, Raffael T1 - Anuran communities on the cutting edge : Analysing patterns and processes in anthropogenically altered tropical forests - Studies from the Guiana Shield and West Africa T1 - Anurengemeinschaften auf Messers Schneide: Muster und Prozesse in anthropogen veränderten tropischen Wäldern - Studien vom Guiana Schild und Westafrika N2 - Summary Timber harvesting is currently the most common commercial utilisation activity in tropical forests. Assessing the effects of logging on different aspects of biodiversity and general ecosystem properties is hence of prime importance if the few remaining areas of intact tropical forest are to be protected effectively and efficiently. Tropical amphibian communities are an appropriate model system for studies on the impacts of human-induced environmental changes on the dynamics of complex biological systems. This thesis elaborates on patterns of diversity changes in tropical forest amphibian communities facing habitat alterations associated with selective logging in two globally important eco-regions (Côte d’Ivoire, Upper Guinea, West Africa and Guyana, the Guiana Shield, northern South America). The thesis is organised along two main themes. After a general introduction, a section on general methodology and an introduction to the model systems studied, the first theme moves from general patterns to underlying processes. A second theme running through both chapters carries from undisturbed systems to disturbed systems. A final section integrates findings and addresses implications for conservation management of anthropogenically altered tropical forests. Several case studies at the species- population and community level are being presented and data on the direct and indirect impacts of anthropogenic habitat alteration on respective organizational levels are provided. A key statement that is stressed on throughout the studies is the fact that common measures of diversity, such as species richness and species-diversity only inadequately reflect processes of diversity change following anthropogenic disturbance. They also fail to describe actual impacts on the dynamics of complex biological systems. It is argued that commonly used measures produce an incoherent and insufficient picture of diversity patterns and the underlying processes that shape these patterns. Thus, an understanding of higher levels of diversity, such as β-diversity and functional diversity (and hence compositional patterns) appears to be the key to effectively mitigating the impacts of human-induced disturbance on amphibian communities. It is shown that the predictability of amphibian community composition depends on the respective level of anthropogenic disturbance imposed on a particular habitat. Hence, human activities that lead to changes in the structure of a forest, such as logging, not only alter simple system descriptors, such as the number of species in a given community, but rather alter the dynamics of the entire system. In this context, functional diversity is shown to be an important aspect underlying the actual mechanism that leads to the observed change of predictability patterns. Functional differences between species, rather than number of species per se appear to be the decisive factor in sustaining desirable ecosystem states and thus in maintaining important ecosystem services. Because biological diversity appears to play a substantial role in ecosystem resilience required to safeguard essential ecosystem functions in the face of environmental change, the thesis calls for a critical revision of common diversity assessments approaches. The studies advocate the reconsideration of the uncritical use of widespread measures and descriptors of biodiversity on grounds of inconsistent patterns found throughout numerous studies, including those presented herein. N2 - Zusammenfassung Forst- und Holzwirtschaft gehört derzeit zu einer der wichtigsten kommerziellen Nutzungsformen tropischer Wälder. Der Analyse und Untersuchung von direkten und indirekten Auswirkungen von Holzeinschlag auf verschiedene Aspekte biologischer Vielfalt und genereller Ökosystemeigenschaften muß daher eine zentrale Bedeutung eingeräumt werden. Dies trifft im besonderen Maße zu, wenn die verbleibenden noch intakten Regenwaldflächen effizient und auch langfristig effektiv geschützt werden sollen. Tropische Amphibiengemeinschaften haben sich bei der Untersuchung von Auswirkungen anthropogen induzierter Habitatveränderungen auf die Dynamik komplexer biologischer Systeme als geeignetes Modellsystem erwiesen. Die hier vorliegende Arbeit befasst sich mit den Mustern der Diversität und deren Änderung in tropischen Waldamphibiengemeinschaften unter dem Einfluss anthropogener Habitatveränderungen (selektiver Holzeinschlag) in zwei geographisch distinkten Ökoregionen von globaler Bedeutung (Côte d’Ivoire, Oberguinea, West Afrika und Guyana, Guiana Schild, nördliches Südamerika). Die thematische Gliederung der Arbeit folgt zwei unterschiedlichen Organisationssträngen. Der erste Strang leitet, nach einer allgemeinen Einführung und einem Abschnitt zur Methodik und Einführung in die untersuchten Modellsysteme, über, von den generellen Mustern zu den zugrunde liegenden Prozessen. Ein zweiter führt von ungestörten Systemen zu Systemen unter Störungseinfluss. Ein abschließender Abschnitt befasst sich mit den Implikationen für Naturschutzmanagement von anthropogen veränderten tropischen Wäldern. In einer Reihe von Fallstudien auf Art-, Populations- und Gemeinschaftsniveau werden die direkten und indirekten Einflüsse anthropogener Habitatänderungen auf die jeweilige Organisationsebene erörtert. Grundtenor aller vorgestellten Untersuchungen ist die Tatsache, dass herkömmliche Diversitätsmaße, wie etwa Artenreichtum und Artendiversität die in Zusammenhang mit anthropogenen Störungen auftretenden Veränderungen von Diversitätsmustern nur unzureichend erklären. Diese Maße erscheinen ebenfalls ungeeignet für die Beschreibung des Einflusses auf die Dynamik komplexer biologischer Systeme. Herkömmlich verwendete Diversitätsindizes generieren ein inkohärentes und unzureichendes Bild tatsächlicher Diversitätsmuster und der zugrunde liegenden Prozesse, die diese Muster formen. Das Verständnis höherer Ebenen der Diversität, wie etwa β-Diversität oder funktionale Diversität (und somit Muster der Artzusammensetzung) erscheint essentiell für die Minimierung des Einflusses von anthropogen induzierten Störungen auf Amphibiengemeinschaften und könnte somit zu einer effektiven Schadensbegrenzung beitragen. In den vorgestellten Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass die Vorhersagbarkeit der Zusammensetzung einer gegebenen Amphibiengemeinschaft unmittelbar vom Störungsgrad des jeweiligen Systems abhängt. Menschliche Aktivitäten, die zu strukturellen Änderungen von Waldssystemen führen, wie etwa kommerzieller Holzeinschlag, führen nicht nur zu Änderungen einfacher Systemdeskriptoren, wie der Anzahl der Arten innerhalb einer Gemeinschaft, vielmehr beeinflussen sie die Dynamik des Gesamtsystems. In diesem Zusammenhang erwiesen sich funktionale Diversitätskomponenten als äußerst wichtige determinierende Faktoren für die beobachteten Vorhersagbarkeitsmuster und deren Veränderung. Funktionale Unterschiede und nicht Artenzahl per se scheinen demnach für den Erhalt zu bevorzugender Ökossystemzustände ausschlaggebend zu sein. Der Erhalt dieser funktionalen Merkmalsdiversität trägt unmittelbar zum Erhalt wichtiger ökosystemarer Leistungen bei. Da anzunehmen ist, dass biologischer Diversität eine maßgebliche Rolle in Bezug auf die Belastbarkeit und Elastizität von Ökosystemen zukommt (essentielle Eigenschaften, die das langfristige Funktionieren von Ökosystemen unter Störungseinfluss gewährleisten), unterstreichen die Ergebnisse der hier vorliegenden Arbeit die Notwendigkeit einer kritischen Revision traditioneller Ansätze der Diversitätserfassung. KW - Tropischer Regenwald KW - Westafrika KW - Lurche KW - Ökologie KW - anthropogene Störungen KW - Amphibiengemeinschaften KW - Vorhersagbarkeitsmuster KW - Naturschutz KW - Afro- Neotropen KW - anthropogenic disturbance KW - amphibian communities KW - predictabilitiy patterns KW - conservation KW - Afro- Neotropics Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-18373 ER - TY - THES A1 - Polleichtner, Johann Georg T1 - Studies of structure-function relationship of components of multidrug efflux pumps and type I secretion systems T1 - Untersuchungen des Zusammenhangs zwischen Struktur und Funktion von Multidrug Efflux Pumpen und Typ I Sekretionssystemen N2 - This work deals with channel-tunnel dependent multidrug efflux pumps and type I secretion systems, more concrete with the improved classification of the adaptor protein family, the characterization of the TolC-homologue protein HI1462 of Haemophilus influenzae, and the molecular characterization of the interaction between TolC and AcrA of Escherichia coli. N2 - Diese Arbeit beschäftigt sich mit Channel-Tunnel-abhängigen Multidrug Efflux Pumpen und Typ I Sekretionssystemen, genauer gesagt mit der verbesserten Klassifikation der Familie der Adapter-Proteine, der Charakterisierung des TolC-homologen Proteins HI1462 aus Haemophilus influenzae, und der molekularen Charakterisierung der Interaktion zwischen TolC und AcrA aus Escherichia coli. KW - Gram-negative Bakterien KW - Resistenz KW - Membrantransport KW - Multidrug Efflux Pumpen KW - Typ I Sekretion KW - Channel-Tunnel KW - Adapter-Protein KW - multidrug efflux pumps KW - type I secretion KW - channel-tunnel KW - adaptor protein Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-18671 ER - TY - THES A1 - Löffler, Daniela Inge Martina T1 - Untersuchungen virulenzattenuierter Listeria monocytogenes Stämme als Impfstoffträger im Mausmodell T1 - Virulence-attenuated Listeria monocytogenes strains as vaccine carrier in vivo N2 - Virulenzattenuierte Stämme des Gram-positiven Pathogens Listeria monocytogenes (Lm) stellen optimale Kandidaten als Träger für heterologe Proteinantigene in die Maus dar. Lm repliziert nach Befreiung aus dem primären phagosomalen Kompartiment sehr effizient und schnell im Zytosol sehr vieler nicht-phagozytischer Wirtszellen als auch in professionellen antigenpräsentierenden Zellen (APC). Diese Fähigkeit in relevante immunologische APCs einzudringen und zu replizieren, erlaubt die zielgerichtete Übertragung heterologer Antigene in die MHC-Klasse-I- und MHC-Klasse-II-Präsentationswege, um so eine effektive zelluläre Immunität zu etablieren. In der vorliegenden Arbeit wurden die in vivo Effizienzen der Aktivierung von antigen-spezifischen CD8+ and CD4+ T-Zellen miteinander verglichen, sobald das plasmidkodierte Proteinantigen Ovalbumin (OVA) in Form von bakteriell exprimierten und exportierten Proteinen, von cDNA oder mRNA durch die jeweiligen virulenzattenuierten Lm trpS Stämme in das Zytosol von antigenpräsentierenden Zellen freigesetzt wurde. Die Freisetzung wurde durch ein Listeria-spezifisches Phagenlysin, welches von den Bakterien vorwiegend im Zytosol der Wirtszelle exprimiert wird, unterstützt. Die Übertragung dieser unterschiedlichen biologisch-aktiven Moleküle durch die autolysierenden Listerien führte im Falle des Proteins und der mRNA erfolgreich zu einer MHC-Klasse-I-Präsentation eines Ovalbumin-Peptides (SIINFEKL), welche letztendlich eine adaptive zelluläre Immunität unter Beteiligung von T-Gedächtniszellen induzierte. Dabei stellte sich die Übertragung des Proteins durch Lm als die effizienteste Strategie im Induzieren einer zellulären adaptiven Immunantwort mit gegen Ovalbumin gerichteten CD8 und CD4 T-Gedächtniszellen heraus. Autolysierende Listerien, welche die plasmidkodierende OVA-DNA übertrugen, lösten dagegen keine OVA-spezifische T-Zellantwort aus. Da sich der Trägerstamm Lm trpS aufgrund der Autolysiskassette zwar als virulenzattenuiert herausgestellt hatte, jedoch bei höher Applikationsdosis dieses Stammes es nur zu einer unvollständigen Lysis kam, wurden die jeweiligen Effizienzen weiterer noch stärker attenuierter autolysierender Lm Stämme als Überträger des Ovalbumins (Lm Mutanten trpS hlyW491A und (trpS aroA aroB)) bestimmt. Beide ermöglichten die OVA-Präsentation über MHC-Klasse-I-Moleküle mit nachfolgender klonaler Expansion spezifischer CD8+ T-Zellen in vergleichbaren signifikanten Werten zum WT Stamm trpS. Ferner wurde zum ersten Mal eine signifikante Präsentation des OVAs über MHC-Klasse-I-Moleküle durch die autolysierende Mutante trpS hlyW491A, welche die plasmidkodierende DNA freisetzte, nachgewiesen. Die autolysierende Lm (trpS aroA aroB) Mutante in hoher CFU (5107) stellte sich dabei als ein sehr vielversprechender Träger des heterologen Proteinantigens heraus, da sie im Gegensatz zum autolysierenden Stamm Lm trpS eine sehr geringe Leberschädigung hervorrief. In diesem Zusammenhang wurde festgestellt, das durch Freisetzung von OVA Antigenen in das Zytosol oder ins Phagosom von APCs, welche von den jeweiligen Lm (trpS aroA aroB) Stämmen als exportiertes, zellwandverankertes oder intrazellulär verbleibendes Protein exprimiert wurden, vergleichbare Häufigkeiten an proliferierten OVA-spezifischen CD8+ T-Zellen induzierten werden konnten. Es zeigten sich jedoch deutliche Unterschiede in der Aktivierung antigen-spezifischer CD4+ T-Zellen durch diese Lm (trpS aroA aroB) OVA-Trägerstämme. Die Strategie der Übertragung exportierter Proteine ins Phagosom oder ins Zytosol antigenpräsentierender Zellen war die wirkungsvollste, um gleichzeitig effiziente MHC-Klasse-I- und MHC-Klasse-II-restringierte Antigenpräsentationen in vivo zu induzieren. Es wurden alternative plasmidkodierende Lysiskassetten für die Freisetzung von DNA-Vakzinen (Baktofektion) aus den Bakterien konstruiert, die alle aus Lyseproteinen eines Listeria-spezifischen Phagens und einem vorangestellten zytosolischen listeriellen Promotor bestehen. Diese wurden in ihrer Effizienz mit der ursprünglich eingesetzten Lysiskassette PactA-ply118 verglichen. Dabei wurde beobachtet, dass zwei von den vier neukonstruierten Lysiskassetten in einige Zellinien vergleichbare Baktofektionsraten erzielten. Jedoch ist die ursprüngliche Phagenlysin-Kassette PactA-ply118 für die Übertragung von Plasmid-DNA in das Zytosol von Wirtszellen die wirksamste, da diese in vivo zu einer besonders hohen Attenuation der Bakterien führte. N2 - Virulence-attenuated strains of the Gram positive pathogen Listeria monocytogenes (Lm) are optimal candidates for the delivery of heterologous antigens into mammalian hosts. Lm escapes the phagosome, replicates efficiently within the cytosol of many host cells including appropriate cells of the immune system like macrophages and dendritic cells (antigen presenting cells, APCs). These natural biological properties of Lm to enter and replicate in relevant immunological APCs allow the targeted delivery of heterologous antigens into the antigen-processing pathway of MHC class I and MHC class II molecules leading to a strong cellular immunity. In this work, the in vivo efficiences of activation of antigen-specific CD8 and CD4 T cells were compared when the plasmid-encoded protein antigen ovalbumin was secreted by the bacteria as a protein or delivered as cDNA or as mRNA. Delivery was supported also by a specific endolysin produced by the bacteria. Listeriae harbouring this transcriptional unit undergo lysis when they reach the cytosol. In the case of OVA as protein or as mRNA, delivery of these different biological active molecules by autolysing Listeria resulted in significant OVA peptide (SIINFEKL) presentation in the context of MHC class I molecules, which also induced an adaptive cellular immunity with memory T cells. Secretion of OVA by the carrier bacteria yielded the strongest immune response involving OVA-specific memory CD8 and CD4 T cells. In contrast, infection with autolysing Listeria delivering OVA-encoded DNA failed to generate OVA-specific T cells. Due to its harbouring of the autolysing cassette, carrier strain Lm trpS was virulence-attenuated, but infection with 5107 bacteria of this strain resulted in a partial lysis. Therefore investigation of other attenuated and also autolysing strains (Lm mutants trpS hlyW491A and (trpS aroA aroB)) was necessary. Both these strains facilitated OVA presentation via MHC-class-I molecules resulting in clonal expansion of specific CD8+ T cells in comparable frequencies as the wild-type strain. Furthermore, autolysing Lm trpS hlyW491A delivering OVA-encoded DNA led to specific presentation of OVA in the context of MHC class I molecules. Additionally, autolysing Lm (trpS aroA aroB) strain with high infection dose (5107) is a promising carrier for heterologous protein antigens because this mutant exhibited only marginal liver toxicity in contrast to the strain Lm trpS. In this regard, comparable frequencies of proliferated OVA-specific CD8+ T cells were induced through the delivery of OVA antigens into phagosome or cytosol of APCs that were expressed as secreted proteins, as anchored-proteins or as intracellular proteins by the respective carrier Lm strains (trpS aroA aroB). Activation of antigen-specific CD4+ T cells by these OVA-carrier Lm (trpS aroA aroB) was different compared to activation of antigen-specific CD8+ T cells. Secretion of OVA by the carrier bacteria yielded the strongest activation of both MHC-class I and II restricted antigen presentation in vivo. Different lysis cassettes were tested consisting of Listeria-specific phage lysis proteins and an intracellular promoter of Listeria for the delivery of DNA vaccines (bactofection). The efficiency of these cassettes was compared to the original cassette (PactA-ply118). Two of the four new cassettes achieved comparable bactofection rates in some cell lines as the originally used cassette. However, the Lm strain containing the cassette PactA-ply118 was found to be the most effective due to high attenuation in mice. KW - Listeria monocytogenes KW - Attenuierung KW - Impfstoff KW - Maus KW - Listeria monocytogenes KW - Impfstoffe KW - Mausmodell KW - Listeria monocytogenes KW - vaccines KW - in vivo Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-18728 ER - TY - THES A1 - Heisswolf, Annette T1 - The distribution of leaf beetles on multiple spatial scales : causes and consequences T1 - Die Verteilung von Blattkäfern auf verschiedenen räumlichen Skalen: Ursachen und Konsequenzen N2 - Herbivorous insects are the major link between primary producers and a multitude of animals at higher trophic levels. Elucidating the causes and consequences of their distribution patterns in the "green world" is thus essential for our understanding of numerous ecological processes on multiple spatial scales. We can ask where and why a certain herbivore can be found in the landscape, within the habitat, on which plant within the habitat and finally, where on that plant. Depending on spatial scale the distribution of herbivores is shaped by different processes (fitness considerations, physiological abilities, population dynamics, dispersal behavior, history of the landscape etc.). Scaling down from fragmented landscapes to individual host plants this thesis analyzes the distribution patterns of the strictly monophagous herbivore Cassida canaliculata Laich. (Coleoptera: Chrysomelidae), which feeds and oviposits exclusively on meadow sage, Salvia pratensis L. (Lamiales: Lamiaceae), and compares it to those of the polyphagous tansy leaf beetle Galeruca tanaceti L. (Coleoptera: Chrysomelidae), which does not oviposit on its host plants, but on dry non-host structures. The specialist Cassida canaliculata depended on all spatial scales (fragmented landscape, microhabitat and host plant individual) mainly on the distribution and quality of its single host plant species Salvia pratensis, whereas enemy-free-space - i.e. avoidance of parasitism and predation of egg clutches, larvae, and pupae - seemed to influence oviposition site choice only on the scale of the host plant individual. On this spatial scale, offspring of Cassida canaliculata had a higher chance of survival on large host plant individuals, which were also preferred for oviposition by the females. In contrast, the distribution patterns of the generalist Galeruca tanaceti was shaped by the interaction with its parasitoid regarding both microhabitat choice and egg distribution within individual host plants. On the microhabitat scale, beetles could escape from their parasitoids by ovipositing into high and dense vegetation. Regarding oviposition site choice within a host plant individual, females oviposited as high as possible in the vegetation and could thus reduce both the risk of parasitism and the probability of winter mortality. The results of my thesis show that the degree of specificity of a herbivore is of central importance for the resulting egg distribution pattern on all spatial scales. N2 - Herbivore Insekten sind das zentrale Bindeglied zwischen den Primärproduzenten und einer Vielzahl von Tieren höherer trophischer Ebenen. Daher ist es für unser Verständnis von unzähligen ökologischen Prozessen auf multiplen räumlichen Skalen essentiell, die Ursachen und Folgen ihrer Verteilungsmuster in der "grünen Welt" aufzuklären. Wir können fragen, wo und warum ein bestimmter Herbivor in der Landschaft, im Habitat, auf welcher Pflanze im Habitat und schließlich wo auf dieser Pflanze zu finden ist. In Abhängigkeit von der räumlichen Skala wird die Verteilung der Herbivoren von unterschiedlichen Prozessen (Fitness-Überlegungen, physiologische Fähigkeiten, Populationsdynamik, Dispersalverhalten, Geschichte der Landschaft etc.) geformt. Herunterskalierend von fragmentierten Landschaften zu individuellen Wirtspflanzen, habe ich in meiner Doktorarbeit die Verteilungsmuster des streng monophagen Blattkäfers Cassida canaliculata Laich. (Coleoptera: Chrysomelidae) untersucht, der ausschließlich auf Wiesensalbei, Salvia pratensis L. (Lamiales: Lamiaceae), frisst und Eier ablegt, und sie mit denen des polyphagen Rainfarnblattkäfers Galeruca tanaceti L. (Coleoptera: Chrysomelidae) verglichen, der seine Eier nicht auf Wirtspflanzen, sondern auf trockenen nicht-Wirtsstrukturen ablegt. Der Spezialist Cassida canaliculata war auf allen räumlichen Skalen (fragmentierte Landschaft, Mikrohabitat und Wirtspflanze) hauptsächlich von der Verteilung und Qualität seiner einzelnen Wirtspflanzenart Salvia pratensis abhängig, während Feind-freier Raum – d.h. die Vermeidung von Parasitierung und Prädation der Eigelege, Larven und Puppen – die Wahl des Eiablageplatzes nur bezüglich der Larvalentwicklung auf der Skala des Wirtspflanzenindividuums zu beeinflussen schien. Auf dieser räumlichen Skala hatten die Nachkommen von Cassida canaliculata eine höhere Überlebenschance auf großen Wirtspflanzenindividuen, die auch von den Weibchen zur Eiablage bevorzugt wurden. Im Gegensatz dazu wurde das Verteilungsmuster des Generalisten Galeruca tanaceti sowohl bezüglich der Wahl des Mikrohabitats als auch der Verteilung der Eigelege innerhalb individueller Pflanzen durch die Interaktionen mit seinem Eiparasitoiden geformt. Auf der Mikrohabitatebene konnten die Käfer ihren Parasitoiden dadurch entkommen, dass sie ihre Eigelege in hoher und dichter Vegetation ablegten. Bezüglich der Wahl des Eiablageplatzes innerhalb der Pflanze legten die Weibchen möglichst hoch in der Vegetation ab und konnten dadurch sowohl das Parasitierungsrisiko als auch die Wahrscheinlichkeit der Wintermortalität reduzieren. Die Ergebnisse meiner Doktorarbeit zeigen, dass der Spezifizierungsgrad eines Herbivoren für das resultierende Verteilungsmuster seiner Eigelege auf allen räumlichen Skalen von zentraler Bedeutung ist. KW - Blattkäfer KW - Wirtspflanzen KW - Eiablage KW - Demökologie KW - Blattkäfer KW - räumliche Skala KW - Tier-Pflanze-Interaktion KW - Wirtspflanzenfindung KW - Eiablage KW - leaf beetle KW - spatial scale KW - plant animal interaction KW - host plant finding KW - oviposition Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-18945 ER - TY - THES A1 - Denker, Katrin T1 - Isolation and characterization of channel-forming proteins in the outer membrane of E. coli and Borrelia species T1 - Isolierung und Charakterisierung porenformender Proteine in der Aussenmembran von E. coli und Borrelien N2 - In this study pore forming proteins of the gram-negative bacteria B. burgdorferi, B. duttonii and E.coli were investigated. Therefore the study is subdivided into three parts. In the first part outer membrane preparation of three relapsing fever Borrelia were investigated. In the second part the putative TolC homologue BB0124 of B. burgdorferi, the Lyme borreliosis agent, was studied. In the last part the influence of point mutants within the greasy slide of the maltose specific porin (LamB) of E. coli were shown. In the first part of this study outer membrane preparations of three Borrelia relapsing fever strains have been studied for pore-forming activity in the black lipid bilayer assay. Histograms of conductance fluctuations were obtained from single-channel experiments with outer membrane preparations of B. hermsii, B. recurentis and B. duttonii. All strains had a different conductance fluctuation pattern with a broad range of single-channel conductance values varying from 0.5 nS – 11 nS. Common for all three strains was a high pore-forming activity at around 0.5 nS. Furthermore the proteins of the outer membrane of B. duttonii were separated by chromatographic methods. Some eluate fractions contained a channel-forming protein, which was forming stable channels with a single-channel conductance of 80 pS in 1 M KCl. Characterization of this channel showed that it is slightly anionic selective and voltage independent. The small single-channel conductance suggests that it is a specific pore. However, a substrate specificity could not be determined. In the second part, for the B. burgdorferi HB19 and p66 knock out strain HB19/K02, their outer membrane preparations were characterized in the black lipid bilayer assay. Comparing the histograms of single-channel conductions fluctuations of both strains showed no single-channel activity at 11.5 nS for the p66 knock out strain. This verifies earlier studies that P66 is a pore-forming protein in B. burgdorferi. Furthermore, one fraction obtained by anion exchange chromatography of the p66 knock out outer membrane protein preparation showed a uniform channel-forming activity with a single channel conductance of 300 pS. The electrophysically characterization of the 300 pS channel showed that it is not ionselective or voltage dependent. By mass spectrometry using peptide mass finger prints, BB0142 could be identified as the sole channel forming candidate in the active fraction. A BLAST search and a conserved domain search showed that BB0142 is a putative TolC homologue in B. burgdorferi. Furthermore the location of the bb0142 gene within the chromosome is in an operon encoding a multidrug efflux pump. In this study the expression of an outer membrane component of a putative drug efflux system of B. burgdorferi was shown for the first time. In the third part functional studies of the maltooligosaccharide-specific LamB channel were performed. The 3D-structure of LamB suggests that a number of aromatic residues (Y6, Y41, W74, F229, W358 and W420) within the channel lumen is involved in carbohydrate and ion transport. All aromatic residues were replaced by alanine (A) scanning mutagenesis. Furthermore, LamB mutants were created in which one, two, three, four and five aromatic residues were replaced to study their effects on ion and maltopentaose transport through LamB. The purified mutant proteins were reconstituted into lipid bilayer membranes and the single-channel conductance was studied. The results suggest that all aromatic residues provide some steric hindrance for ion transport through LamB. Highest impact is provided by Y6 and Y41, which are localized opposite to Y118, which forms the central constriction of the LamB channel. Stability constants for binding of maltopentaose to the mutant channels were measured using titration experiments with the carbohydrate. The mutation of one or several aromatic amino acids led to a substantial decrease of the stability constant of binding. The highest effect was observed when all aromatic amino acids were replaced by alanine because no binding of maltopentaose could be detected in this case. However, binding was again possible when Y118 was replaced by tryptophane (W). The carbohydrate-induced block of the channel function could also be used for the study of current noise through the different mutant LamB-channels. The analysis of the power density spectra of some of the mutants allowed the evaluation of the on- and off-rate constants (k1 and k-1) of carbohydrate binding to the binding-site inside the channels. The results suggest that both on- and off-rate constants were affected by the mutations. For most mutants k1 decreased and k-1 increased. N2 - In dieser Studie wurden porenformende Proteine der gram-negativen Bakterien B. burgdorferi, B. duttonii und E. coli untersucht. Daher wurde die Arbeit in drei Teile untergliedert. Im ersten Teil wurden zuerst die Außenmembranpräparationen von drei Rückfallfieber auslösenden Borrelien Stämmen untersucht. Der zweite Teil der Arbeit behandelt das TolC homologe Protein BB0142 des Erreger der Lyme Borreliose, B. burgdorferi. Im letzten Teil wurde der Einfluss von Punktmutationen innerhalb der „greasy slide“ auf die zuckerspezifische Pore (LamB) von E. coli untersucht. Die Außenmembranpräparationen der drei Rückfallfieber Borrelien wurden auf porenformende Aktivität im Black Lipid Bilayer untersucht. Leitfähigkeitshistograme wurden nach Einzelkanalmessungen der Außenmembranepräparation von B. hermsii, B. recurrentis und B. duttonii erstellt. Alle Stämme zeigten ein anderes Leitfähigkeitsfluktuationsmuster, wobei die Werte der Einzelleitfähigkeit von 0,5 nS bis 11 nS variierten. Auffällig war das alle drei Stämme eine hohe Aktivität um 0,5 nS gemeinsan hatten. Darauffolgend wurden die Proteine der Außenmembran von B. duttonii durch verschiedene chromatographische Methoden aufgetrennt. Einige Eluatfraktionen enthielten ein kanalformendes Protein, das stabile Kanäle mit einer Einzelleitfähigkeit von 80 pS in 1 M KCl formt. Die Bestimmung der Kanaleigenschaften zeigte, dass er leicht anionenselektive und spannungsunabhängig ist. Die geringe Einzelleitfähigkeit suggeriert, dass der Kanal zudem eine spezifische Pore sein könnte. Bisher konnte aber keine Substratespezifität festgestellt werden. Im zweiten Abschnitt erfolgte die Untersuchung von Außenmembranpräparationen von B. burgdorferi HB19 und dem p66 knock-out Stamm HB19/K02 mit Hilfe des Black Lipid Bilayers. Im Vergleich der beiden erhalten Einzelleitfähigkeitshistogramme konnte gezeigt werden, dass die Einzelleitfähigkeit von 11,5 nS nicht mehr im p66 knock out Stamm vorkam. Dies belegt frühere Studien, dass P66 ein poreformendes Protein von B. burgdorferi ist. Durch Anionenaustauscher-Chromatographie der Außenmembranpräparation des p66 knock out Stammes wurde zudem eine Proteinfraktion mit einer einheitlichen porenformenden Aktivität von 300 pS in 1 M KCl erhalten. Die elektrophysikalische Charakterisierung der 300 pS Pore zeigte, dass der Kanal nicht ionenselektiv oder spannungsabhängig ist. Mit Hilfe von Massenspektrometrie und Peptidemassenbestimmung, konnte BB0142 als einziger möglicher kanalformender Kandidat identifiziert werde. Eine BLAST Suche sowie eine „conserved domain“ Suche zeigten, dass BB0142 ein putatives TolC homologes Protein von B. burgdorferi ist. Darüber hinaus ist das bb0142 Gen in einem Operon lokalisiert, das eine putative Efflux Pumpe codiert. In der vorliegenden Arbeit konnte das erste Mal gezeigt weden, dass in B. burgdorferi die Außenmembrankomponente einer Efflux Pumpe expremiert wird. Im dritten Teil wurden Funktionsstudien an dem zuckerspezifischen Kanal LamB durchgeführt. Die 3D Struktur zeigte, dass einige aromatische Aminosäuren (Y6, Y41, W74, F229, W358 und W420) innerhalb des Kanallumen in den Kohlenhydrat- und Ionentransport involviert sind. Alle aromatischen Reste wurden bei Punktmutation durch Alanin ersetzt. Zudem wurden LamB Mutanten erzeugt in denen ein, zwei, drei, vier oder fünf aromatische Reste durch Alanin ersetzt. Die aufgereinigten LamB Mutanten wurden im Black Lipid Bilayer untersucht und ihre Einzelleitfähigkeit bestimmt. Die Ergebnisse zeigen, dass alle aromatischen Reste eine gewisse sterische Hinderung beim Ionentransport durch LamB bewirken. Den größten Einfluss haben die Reste Y6 und Y41, die gegenüber dem Rest Y188 liegen, der die zentrale Verengung des LamB Kanal darstellt. Stabilitätskonstanten der Zuckerbindung in den Mutanten wurde durch Titrationsexperimente mit Maltopentaose und -heptaose bestimmt. Mutation an einem oder mehreren aromatischen Resten führt zu einer deutlichen Abnahme der Bindungsstabilitätskonstanten. Den stärksten Effekt zeigte die Mutante, in der alle aromatischen Reste durch Alanin ersetzt wurden. Es konnte dort keine Zuckerbindung mehr festgestellt werden. Die Bindung wurde wieder hergestellt nachdem Y118 durch ein Tryptophan ersetzt wurde. Durch das zuckerinduzierte Öffnen und Schließen des Kanals ergiebt sich ein Stromrauschen. Die Analyse des Rausch Spektrum von einigen Mutanten erlaubte die Bestimmung der Dissoziations- (k-1) und der Assoziationskonstaten (k1) der Zuckerbindung an der Bindestelle innerhalb des Kanals. Die Ergebnisse zeigten, dass die Geschwindigkeitskonstanten durch die Mutationen beeinflusst wurden. Für die meisten Mutanten sank der k1 Wert während der k-1 Wert anstieg. KW - Escherichia coli KW - Kanalbildner KW - Zellwand KW - Borrelia KW - Borrelia burgdorferi KW - BB0142 KW - porenformende Proteine KW - Maltoporin KW - black lipid bilayer KW - Borrelia burgdorferi KW - BB0142 KW - channel forming proteins KW - Maltoporin KW - black lipid bilayer Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-16955 ER - TY - THES A1 - Schauß, Astrid Claudia T1 - Charakterisierung des mitochondrialen Teilungsproteins Dnm1p mittels quantitativer hochauflösender Lichtmikroskopie T1 - Characterization of the mitochondrial fission protein Dnm1p using quantitative high resolution light microscopy N2 - Mitochondrien verändern dynamisch durch ein balanciertes Verhältnis von Teilung und Fusion die Gestalt ihrer Netzwerke und reagieren so auf interne und externe Signale. Ein Schlülsselprotein der mitochondrialen Teilung ist die Dynamin-verwandte GTPase Dnm1p, die in dieser Arbeit charakterisiert wurde. Da Mitochondrien aufgrund ihres endosymbiontischen Ursprungs zwei Membranen besitzen, erfordert deren Teilung eine besondere Koordination. Unter Verwendung von photokonvertierbarem GFP wird in dieser Arbeit gezeigt, dass in S. cerevisiae die Teilung der inneren und äußeren Membran zeitlich eng gekoppelt verläuft. Dieser Prozess wird durch die GTPase Dnm1p, aber auch durch die Adaptor-Proteine Mdv1p und Caf4p sowie dem integralen Membrananker Fis1p v ermittelt. Dnm1p lagert sich zu Spiralen um den tubulären Strang an und trennt GTP-abhängig die Mitochondrien voneinander. Eine Voraussetzung für die Anlagerung dieser Spiralen stellen Matrix-Konstriktionen dar. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass Dnm1p und auch Fis1p für die Ausbildung dieser mitochondrialen Einschnürungen nicht essentiell sind. Die Untersuchung der Verteilung, Orientierung und Größe der Epitop-markierten Dnm1p-Cluster bildet den Schwerpunkt der Arbeit. Weiterhin wird der Einfluss der Teilungsproteine Fis1p, Mdv1p und Caf4p auf diese Dnm1p-Charakteristika ermittelt. Die Analyse basiert auf quantitativen Konfokalmikroskopie-Aufnahmen, zusätzlich werden auch neue hochauflösende Lichtmikroskope (4Pi und STED) zur genauen Lokalisation und Größenbestimmung eingesetzt. Die Ergebnisse zeigen, dass im Wildtyp und in Mdv1p-Deletionsstämmen die Mehrheit der Cluster mit den Mitochondrien assoziiert ist, während in Fis1p- und Caf4p-Deletionszellen die Rekrutierung der Cluster zu den Mitochondrien gestört erscheint. Nur wenige Cluster bilden Spiralen um Matrix-Konstriktionen aus, die überwiegende Mehrheit der nicht an aktuellen Teilungsprozessen beteiligten Dnm1p-Aggregate weist dagegen im Wildtyp und in Mdv1p-Deletionszellen eine polare Orientierung Richtung Zellcortex auf. Die in dieser Arbeit zum ersten Mal beschriebene Polarität ist in Fis1p- und Caf4p-Deletionsstämmen aufgehoben, bleibt jedoch auch nach der Zerstörung des Aktin-Gerüstes aufrechterhalten. Die Ergebnisse der Arbeit deuten darauf hin, dass Dnm1p in einem Komplex mit Fis1p und Caf4p zusätzlich zu seiner Funktion als Teilungsprotein an der Anheftung der Mitochondrien an den Zellcortex beteiligt ist. Zudem scheinen die Adaptorproteine Mdv1p und Caf4p trotz molekularer Ähnlichkeit unterschiedliche Aufgaben in der Zelle zu erfüllen. N2 - Mitochondrial networks dynamically change their shape by balanced fission and fusion in response to internal and external signals. The key protein in mitochondrial fission, the dynamin-related GTPase Dnm1p, is characterised in this study. Because of their endosymbiotic origin mitochondria possess two membranes, whose separations must be coordinated. Using photoconvertable GFP, it is shown that the division of outer and inner membranes are tightly coupled in S. cerevisiae. This separation is due to the GTPase Dnm1p, but the adaptor proteins Mdv1p and Caf4p, as well as the membrane anchor Fis1p, are also involved in mitochondrial division in yeast. Dnm1p forms spirals around the mitochondrial tubes and separates them in a GTPase-dependant manner. Matrix constrictions are presumably one precondition for the formation of spirals. In this work it is shown that Dnm1p as well as Fis1p are not essential for the formation for this mitochondrial narrowing. The main focus of the work is the analysis of the distribution, orientation and size of the epitope-tagged Dnm1p clusters in yeast cells. Additionally, the influence of the other division proteins, Fis1p, Mdv1p and Caf4p, on these Dnm1p characteristics is determined. The analysis is based on both quantitative confocal images and high resolution 4Pi and STED microscopy, for better localization and determination of the cluster sizes. The results demonstrate that in wild type and Mdv1p deletion cells, the majority of clusters are associated with mitochondria, whereas the recruitment of Dnm1p-clusters is disturbed in Fis1p and Caf4p deletion cells. While just a few clusters form spirals around matrix constrictions, the overwhelming majority of clusters, which are not involved in an actual fission process, show a polar orientation towards the cell cortex in wild type and Mdv1p deletion cells. This polarity, described for the first time in this work, is abolished in Fis1 and Caf4p deletion cells, but is maintained after the destruction of the actin cytoskeleton. The results of this work point to an additional role of Dnm1p, together with Fis1p and Caf4p, in the attachment of mitochondria to the cell cortex. Furthermore it is shown that the adaptor proteins Mdv1p and Caf4p have different roles within the cell despite of their molecular similarity. KW - Hefeartige Pilze KW - Mitochondrium KW - Mikroskopie KW - Mitochondrien KW - Dynamik KW - Hefe KW - STED KW - 4Pi KW - mitochondria KW - dynamic KW - yeast KW - STED KW - 4Pi Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-17566 ER - TY - THES A1 - Glos, Julian T1 - Amphibian communities of the dry forest of Western Madagascar : taxonomy, ecology and conservation T1 - Amphibiengemeinschaften im westmadagassischen Trockenwald: Taxonomie, Ökologie und Naturschutz N2 - In meiner Arbeit habe ich taxonomische, gemeinschaftsökologische und autökologische Aspekte im westmadagassischen Trockenwald untersucht. Ziel dieser Arbeit war es Antworten auf die Fragen zu geben wie die einzelnen Arten die Habitate in Raum und Zeit nutzen, welchen Einfluss abiotische Parameter, Austrocknungsrisiko der Laichgewässer und Mikrohabitat haben und wie Prädatoren die Gemeinschaft und das Verhalten einzelner Arten beeinflussen. Somit trägt diese Arbeit dazu bei die grundlegenden Mechanismen zu verstehen, die die Zusammensetzung einer Lebensgemeinschaft bestimmen. Im Einzelnen untersuchte ich hierzu folgende Fragestellungen: Aus welchen Arten bestehen die Anurengemeinschaften des westmadagassischen Trockenwaldes, und wie lassen sich diese Arten morphologisch voneinander abgrenzen? Welche Unterschiede finden sich zwischen den Arten bezüglich ihres Paarungssystems, ihrer life-history und ihrer Habitatwahl bzw. den Anpassungen an ihr Habitat? Gibt es spezifische Kaulquappengemeinschaften, die sich anhand biotischer und abiotischer Umweltvariablen vorhersagen lassen? Unterscheiden sich die Muster der Vorhersagbarkeit von Gemeinschaften zwischen unterschiedlichen Habitattypen innerhalb eines lokalen räumlichen Skalenniveaus? Wie beeinflusst das Vorkommen von Raubfeinden die Verteilung von Kaulquappen und deren Verhalten auf der räumlichen Skalenebene einzelner Laichgewässer? Anhand welcher Umweltvariablen lässt sich die Laichplatzwahl von Anuren in diesem Habitat vorhersagen? Wie lassen sich die Ergebnisse nutzen, um Empfehlungen zum Schutz bedrohter Arten auszusprechen? In dieser Arbeit beschreibe ich eine Froschart wissenschaftlich neu. Diese Art, Scaphiophryne menabensis, ist die seltenste Froschart in ihrem Verbreitungsgebiet, und aus meiner Arbeit resultiert die dringende Empfehlung, sie in ein bestehendes Schutzkonzept für den Kirindy-Wald und seine Umgebung mit einzubeziehen. Weiterhin beschreibe ich wissenschaftlich erstmalig in dieser Arbeit fünf Kaulquappenarten und präsentiere Daten zu Ökologie, life-history und Verhalten dieser Arten. Die wissenschaftliche Beschreibung weiterer Frosch- und Kaulquappenarten ist Gegenstand noch andauernder Studien (Scaphiophryne sp., Heterixalus carbonei und H. tricolor; Revision der Kaulquappen von Scaphiophryne). Die Ergebnisse dieser Arbeit stellen damit die Basis für alle weiteren ökologischen Studien an Fröschen und Kaulquappen dieses Ökosystems dar. FAZIT Die Amphibienfauna Madagaskars ist einzigartig, und sie stellt ein aufregendes Feld für ökologische Fragestellungen dar, sowohl als eigenständiges System betrachtet als auch als Modell für andere Systeme. Umso mehr verwundert es, dass bislang kaum detaillierte ökologische Studien an diesem System durchgeführt wurden. Die vorliegende Arbeit schafft zunächst mit der taxonomischen Beschreibung der vorkommenden Arten die Basis für ökologische Fragestellungen und zeigt dann auf den Ebenen sowohl der Gemeinschaft als auch einzelner Arten, wie verschiedene Umweltfaktoren die Verteilung von Anuren in Raum und Zeit beeinflussen. Es zeigt sich, dass sowohl statische Eigenschaften der Gewässer als auch dynamische Faktoren wie Raubfeinde oder das Vorhandensein anderer Kaulquappen die Verteilung der Arten auf verschiedenen räumlichen Skalenebenen sowie deren Verhalten beeinflussen. Somit tragen die Ergebnisse dieser Arbeit dazu bei, die grundlegenden Mechanismen zu verstehen, die die Zusammensetzung der Lebensgemeinschaften in diesem Ökosystem bestimmen. Nicht zuletzt ermöglichen diese Erkenntnisse, geeignete, artenorientierte Schutzkonzepte für diese in ihrer Existenz stark bedrohte Anurengemeinschaft zu entwickeln und die Effekte von Habitatzerstörung auf diese Gemeinschaft aufzuzeigen. N2 - The amphibian fauna of the Kirindy dry forest in western Madagascar Abstracts of chapter 5 and 6 Living apart together – patterns of tadpole communities in a western Madagascan dry forest Whether communities are established in a deterministic or in a stochastic manner depends to a large degree on the spatial scale considered. In this study we use a tadpole community in the dry forest of western Madagascar to show that when within-site habitat diversity is considered, communities may also differ in two community parameters (species composition and species richness) within one geographic scale. Forest ponds and riverbed ponds are two types of breeding habitat that are both used by anurans but that differ generally in their temporal availability, predation pressure, and environmental characteristics. In forest ponds, tadpole communities were very predictable by the physical properties of the ponds and by their vegetation characteristics. In contrast, the riverbed communities were not predictable. We offer two hypotheses to explain this phenomenon. This study clearly demonstrates differing patterns in community organization in two natural habitats within one site, and therefore, highlights the importance of considering local conditions and within-site habitat diversity in community studies. Modeling the habitat use of an endangered dry-forest frog from Western Madagascar A crucial factor for the successful reproduction and thus conservation of an amphibian species is the availability of suitable waters as breeding sites. In this chapter, we examine the use of breeding sites of an endangered, local endemic frog of Western Madagascar, Aglyptodactylus laticeps, over a three year period. Logistic regression was used to model the relationship between the species’ breeding habitat use and environmental variables. This model was aimed to be predictive, rather than explanatory, and only environmental variables were included that are assessable in a time and cost effective manner, and that can therefore be used as an easy-to-use management tool in applied conservation. On the local scale of the Kirindy concession, A. laticeps is restricted to forest with a relatively low degree of disturbance and closed canopy cover. The model identified three environmental variables that suffice to satisfactorily predict the use of respective breeding sites, namely leaf litter, vegetation coverage and surface water plants. Based on these results, we present recommendations for the conservation management of this frog. Furthermore, the presence or absence of this species within its natural range indicates the relative degree of environmental integrity of its habitat, and we therefore consider this species as a suitable indicator species of temporary aquatic habitats within the dry forest that are characterized by a low water permanency and high leaf litter coverage. This study demonstrates that models constructed from basic ecological knowledge of relevant species may serve as valuable management tools in applied conservation. KW - Lurche KW - Tiergesellschaft KW - Ökologie KW - Madagaskar KW - Kaulquappen KW - Gemeinschaftsökologie KW - Räuber-Beute Interaktionen KW - Habitatmodel KW - tadpoles KW - community ecology KW - predator-prey interactions KW - habitat model Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-18146 ER - TY - THES A1 - Stegmeier, Johannes Friedrich T1 - Study of Omp85 Family Proteins YaeT and YtfM and Multidrug Export Machineries in Escherichia coli T1 - Charakterisierung von YaeT und YtfM sowie Multidrugefflux Systemen in Escherichia coli N2 - In this study the Omp85 family proteins YaeT and YtfM of Escherichia coli were investigated by using biochemical and electrophysiological methods as well as bioinformatical and structural analysis. In addition, knock-out strains were constructed to further study the relevance of these proteins in vivo. The prediction that Omp85 proteins are composed of two domains, a periplasmic amino-terminal POTRA (polypeptide translocation associated) domain and a carboxy-terminal domain anchoring these proteins in the outer membrane, was confirmed by the construction of mutants. It could be shown that the carboxy-terminal part of the proteins is able to insert into the outer bacterial membrane, even if the POTRA domain is removed. Furthermore, pore-forming activity in the black-lipid bilayer was observed for both full-length proteins as well as their carboxy-terminal membrane located parts. The channels formed by both proteins in the black lipid bilayer showed variable single channel conductance states rather than a defined value for conductance. In 1M KCl, e.g. YaeT forms pores with a channel conductance of 100 to 600 pS containing a most abundant value at 400 pS. This variability is at least reasonable for YaeT due to a prerequisite flexibility of its channel for OMP insertion. YaeT was identified to form a cation selective, YtfM an anion selective channel, which is less pH dependent than YaeT. Another feature of the YaeT channel is that its selectivity and conductance is influenced by charged detergent molecules indicating an accumulation of these molecules in hydrophobic pockets inside the compact channel. YaeT revealed heat-modifiable mobility in SDS-PAGE which is characteristic for β-barrel OMPs, whereas YtfM did not show this behaviour. This result could be explained by sequence alignment and structural comparison of YaeT and YtfM via CD and FTIR spectra displaying much higher β-strand content for the carboxy-terminal part of YaeT compared to YtfM. Since the carboxy-terminal parts were shown to have pore forming ability and are inserted in the OM in vivo, the substitution of the essential protein YaeT by its carboxy-terminal mutant was attempted in a yaeT knock-out strain. The carboxy-terminal half of YaeT was not sufficient to compensate depletion of the full-length protein indicating an important role of the amino-terminus for cell viability. In contrary, YtfM is shown to be a non-essential protein and lack of YtfM had no effects on the composition and integrity of the OM. However, chromosomal deletion of ytfM remarkably reduced the growth rate of cells. This study provides the first detailed investigation of the structure of YaeT and describes its electrophysiological behaviour, which could be a basis for further studies of YaeT and its substrate proteins. Furthermore, YtfM was characterised and its in vivo function was investigated revealing YtfM as the second Omp85 family protein of importance in E. coli. In a second part of this study assembly and function of multidrug efflux pumps were investigated. Drug efflux pumps are tripartite export machineries in the cell envelope of Gram-negative bacteria conferring multidrug resistance and therefore causing severe problems for medical treatment of diseases. Protein structures of all three efflux pump components are solved, but the exact interaction sites are still unknown. Assembly of a hybrid exporter system composed of the Pseudomonas aeruginosa channel tunnel OprM, the E. coli adaptor protein AcrA and its associated transporter AcrB could be shown by chemical cross-linking, even though this efflux pump is not functional. Exchange of the hairpin domain of AcrA by the corresponding hairpin from the adaptor protein MexA of P. aeruginosa restored functionality tested by antibiotic sensitivity assays. This shows the importance of the MexA hairpin domain for functional interaction with the OprM channel tunnel. Interestingly, the hybrid protein was also able to assemble with TolC as outer membrane component to form a functional efflux pump indicating a higher flexibility of TolC compared to OprM concerning interaction partners. Based on these results, an interaction model of the hairpin domain and the channel tunnel on molecular level for AcrA and TolC as well as MexA and OprM, respectively, is presented. This model provides a basis for directed mutagenesis to reveal the exact contact sites of the hairpin of the adapter protein and the outer membrane component N2 - In dieser Arbeit wurden die Omp85 Familienproteine YaeT und YtfM aus E. coli biochemisch und elektrophysiologisch charakterisiert, sowie bioinformatisch und strukturell analysiert. Des Weiteren wurden Bakterienstämme mit chromosomalen Deletionen der beiden zugehörigen Gene hergestellt, um die Relevanz der beiden Proteine in vivo zu untersuchen. Für Omp85 aus N. meningitdis wurde vorhergesagt, dass das Protein aus zwei strukturellen Untereinheiten besteht, einer periplasmatischen amino-terminalen Domäne, der POTRA – („polypeptide-transport-associated“ -) Domäne und einer carboxy-terminalen Domäne, die das Protein in der Außenmembran verankert. Diese Vorhersagen wurden für die Omp85 Homologen YaeT und YtfM mit Hilfe von geeigneten Mutanten bestätigt. Es konnte gezeigt werden, dass der carboxy-terminale Teil beider Proteine, YaeT und YtfM, auch bei Fehlen der amino-terminalen Domäne noch in der äußeren Membran zu finden ist. Bestätigt wurde dieses Ergebnis durch „Black Lipid Bilayer“ Experimente. Für beide nativen Proteine, sowie deren carboxy-terminale Mutanten, konnte der Einbau in eine künstliche Membran und Porenbildung gezeigt werden. Anders als bei herkömmlichen Porinen, die normalerweise eine sehr gut definierte Leitfähigkeit haben, musste man den beiden untersuchten Proteinen eher eine Leitfähigkeitsspanne zuordnen. Bei Messungen in 1M KCl wurden für YaeT beispielsweise Poren mit einer Leitfähigkeit von 100 bis 600 pS aufgezeichnet, wobei 400 pS der am häufigsten vorkommende Wert ist. Diese Variabilität ist bei YaeT zumindest dadurch begründbar, dass für den Einbau anderer Proteine in die äußere Membran ein flexibler Kanal mit einer möglichen lateralen Öffnung notwendig ist. Die YaeT Poren sind kationenselektiv, für YtfM wurde ein anionenselektiver Kanal nachgewiesen, welcher zusätzlich im Vergleich zu YaeT weniger pH anfällig ist. Weiterhin haben die elektrophysiologischen Experimente gezeigt, dass die Ionenselektivität und Leitfähigkeit von YaeT durch Detergenzmoleküle beeinflussbar ist. Dies lässt hydrophobe Bereiche im Kanalinnern vermuten, an denen sich die Moleküle mit ihrem unpolaren Teil anlagern und dann durch ihre polaren Köpfe die Nettoladungen im Kanalinnern verändern. Mittels Gelelektrophorese konnte für YaeT das typische Laufverhalten von Außenmembranproteinen gezeigt werden. Wenn YaeT ungekocht auf ein SDS-Gel aufgetragen wurde, wanderte es schneller, als wenn man es vorher auf 100°C erhitzte, was für eine kompakte Struktur spricht. Für YtfM wurde dieses Verhalten nicht festgestellt. Die Erklärung für diesen Unterschied lieferten ein Sequenzvergleich beider Proteine, sowie die strukturelle Untersuchung mittels CD- und FTIR-Spektroskopie, welche im Vergleich zu YtfM einen deutlich höheren β-Faltblatt-Anteil für den carboxy-terminalen Teil von YaeT ergaben. Da der carboxy-terminale Teil der Proteine in der Außenmembran zu finden ist und porenformende Aktivität besitzt, wurde versucht, YaeT durch seine carboxy-terminale Mutante in einem Knock-out Stamm zu ersetzen. Dies schlug jedoch fehl, was auf eine bestimmte Funktion der amino-terminalen Hälfte in vivo hindeutet. Im Vergleich zu YaeT ist YtfM kein essentielles Protein und sein Fehlen beeinflusst die Zusammensetzung und die Funktion der äußeren Membran nicht. Die chromosomale Deletion von ytfM führte jedoch zu einer deutlichen Reduktion der Wachstumsrate. Bei den Multidrug Efflux Pumpen AcrAB/TolC und MexAB/OprM sind mittlerweile Strukturen aller drei Pumpenkomponenten bekannt, ihre Interaktionsstellen sind allerdings noch nicht bekannt. Mit einem chemischen „Cross-linker“ konnte der Zusammenbau eines hybriden Exportsystems bestehend aus der Außenmembrankomponente OprM aus Pseudomonas aeruginosa, dem Adapterprotein AcrA aus E. coli, sowie dessen zugehörigem Innenmembrantransporter AcrB, nachgewiesen werden. Der Zusammenbau ist insofern erstaunlich, da diese hybride Effluxpumpe nicht funktionell ist. Die Funktionalität dieser Effluxpumpe, nachgewiesen durch Antibiotikasensitivitätstests, konnte jedoch durch den Austausch der „Hairpin“-Domäne von AcrA durch den „Hairpin“ von MexA wieder hergestellt werden. Dieses Ergebnis zeigt deutlich die Wichtigkeit dieser Haarnadelstruktur für die funktionelle Interaktion mit der Außenmembrankomponente OprM. Interessanterweise konnte das hybride Adapterprotein eine funktionelle Effluxpumpe mit TolC als Außenmembrankomponente bilden, was für eine höhere Flexibilität von TolC im Gegensatz zu OprM bezüglich der Interaktionspartner spricht. Aufgrund der oben genannten Ergebnisse wurde ein Interaktionsmodell der „Hairpin“-Domäne von AcrA bzw. MexA mit den Außenmembranproteinen TolC und OprM auf molekularer Ebene erstellt. Dieses Modell kann nun als Vorlage für zielgerichtete Mutationen dienen, um die Interaktionsstellen des Adapterproteins mit der zugehörigen Außenmembrankomponente genau zu beschreiben. KW - Escherichia coli KW - Porin KW - Omp85 KW - YaeT KW - YtfM KW - Multidrug Efflux KW - Omp85 KW - YaeT KW - YtfM KW - Multidrug Efflux Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-18171 ER - TY - THES A1 - Thum, Andreas Stephan T1 - Sugar reward learning in Drosophila : neuronal circuits in Drosophila associative olfactory learning T1 - Zucker-Belohnungslernen von Drosophila N2 - Genetic intervention in the fly Drosophila melanogaster has provided strong evidence that the mushroom bodies of the insect brain act as the seat of memory traces for aversive and appetitive olfactory learning (reviewed in Heisenberg, 2003). In flies, electroshock is mainly used as negative reinforcer. Unfortunately this fact complicates a comparative consideration with other inscets as most studies use sugar as positive reinforcer. For example, several lines of evidence from honeybee and moth have suggested another site, the antennal lobe, to house neuronal plasticity underlying appetitive olfactory memory (reviewed in Menzel, 2001; Daly et al., 2004). Because of this I focused my work mainly on appetitive olfactory learning. In the first part of my thesis, I used a novel genetic tool, the TARGET system (McGuire et al., 2003), which allows the temporally controlled expression of a given effector gene in a defined set of cells. Comparing effector genes which either block neurotransmission or ablate cells showed important differences, revealing that selection of the appropriate effector gene is critical for evaluating the function of neural circuits. In the second part, a new engram of olfactory memory in the Drosophila projection neurons is described by restoring Rutabaga adenlylate cyclase (rut-AC) activity specifically in these cells. Expression of wild-type rutabaga in the projection neurons fully rescued the defect in sugar reward memory, but not in aversive electric shock memory. No difference was found in the stability of the appetitive memories rescued either in projection neurons or Kenyon cells. In the third part of the thesis I tried to understand how the reinforcing signals for sugar reward are internally represented. In the bee Hammer (1993) described a single octopaminergic neuron – called VUMmx1 – that mediates the sugar stimulus in associative olfactory reward learning. Analysis of single VUM neurons in the fly (Selcho, 2006) identified a neuron with a similar morphology as the VUMmx1 neuron. As there is a mutant in Drosophila lacking the last enzymatic step in octopamine synthesis (Monastirioti et al., 1996), Tyramine beta Hydroxylase, I was able to show that local Tyramine beta Hydroxylase expression successfully rescued sugar reward learning. This allows to conclude that about 250 cells including the VUM cluster are sufficient for mediating the sugar reinforcement signal in the fly. The description of a VUMmx1 similar neuron and the involvement of the VUM cluster in mediating the octopaminergic sugar stimulus are the first steps in establishing a neuronal map for US processing in Drosophila. Based on this work several experiments are contrivable to reach this ultimate goal in the fly. Taken together, the described similiarities between Drosophila and honeybee regarding the memory organisation in MBs and PNs and the proposed internal representation of the sugar reward suggest an evolutionarily conserved mechanism for appetitive olfactory learning in insects. N2 - Arbeiten über das assoziative olfaktorische Lernen bei Drosophila, bei denen definierte Gruppen von Nerven genetisch verändert wurden, haben gezeigt, dass die Pilzkörper des Insektengehirns Gedächtnisspuren für aversives und appetitives Geruchslernen besitzen (Heisenberg, 2003). Hierzu wird bei der Fliege meistens Elektroschock als negativer Reiz bei der Pavlovschen Konditionierung benutzt. Leider erschwert dies einen Vergleich mit anderen Insekten, da in den meisten Studien Zucker als positiver Stimulus verwendet wird. Interessanterweise schlagen mehrere Arbeiten bei der Biene und der Motte zusätzlich zu den Pilzkörpern einen weiteren Bereich im Insektengehirn vor, der eine Gedächtnisspur des appetitiven Geruchslernens besitzt, die Antennalloben (Menzel, 2001; Daly et al., 2004). Aus diesen Gründen habe ich mich in meiner Arbeit intensiv mit dem appetitiven Geruchslernen beschäftigt. Im ersten Teil meiner Arbeit habe ich das TARGET System verwendet (McGuire et al., 2003), welches die zeitlich kontrollierte Expression eines beliebigen Reportergens in definierten Zellen erlaubt. Ein Vergleich verschiedener Effektoren zeigte, dass Proteine, die die Neurotransmission blocken (Shits; TNT, Kir2.1), besser geeignet sind, um die Funktion neuronaler Schaltkreise in Drosophila zu untersuchen. Effektoren, die Zellen abtöten, entfalten lediglich während der Entwicklung ihre volle Aktivität und eignen sich daher, z.B. um das larvale Verhalten zu analysieren. Im zweiten Teil beschreibe ich eine neue Gedächtnisspur für das Geruchslernen in den Projektionsneuronen. Die Expression des wildtypischen rutabaga Gens ausschließlich in diesen Zellen, rettete den Defekt im Zuckerlernen, nicht aber im Elektroschocklernen. Ferner scheinen die Gedächtnisspuren des appetitven Geruchslernens im Pilzkörper und den Projektionsneuronen gleich stabil zu sein. Im dritten Teil dieser Arbeit wurde die Frage gestellt, wie das Belohnungssignal des Zuckers im Fliegengehirn verarbeitet wird. Hammer (1993) beschrieb in der Biene ein einzelnes octopaminerges Neuron, das VUMmx1 Neuron, welches den Zuckerreiz beim assoziativen Geruchslernen vermittelt. Eine Einzelzellanalyse des VUM clusters von Drosophila zeigte ein ähnliches VUMmx1 Neuron erstmals bei der Fliege (M. Selcho, Diplomarbeit). Durch die lokale Expression der Tyramin beta Hydroxylase, das Oktopamin synthetisierende Enzym, im T-beta-H Mutanten Hintergrund, konnte gezeigt werden, dass ca. 250 Zellen (inklusive des VUM Clusters) ausreichen, das Belohnungssignal des Zuckers zu vermitteln. Beides, die Identifizierung eines VUMmx1 ähnlichen Neurons in der Fliege und die Eingrenzung der Neuronen, die das Belohnungssignal vermitteln, bilden die Basis für weitergehende Versuche. Diese erlauben es, neuronale Schaltkreise der US (Zucker)-Verarbeitung beim assoziativen olfaktorischen Lernen detailliert zu beschreiben. Insgesamt legen die übereinstimmenden Gedächtnisspuren im Pilzkörper und den Projektionsneuronen von Drosophila und der Honigbiene nahe, dass das olfaktorische Belohnungslernen einem in der Evolution konservierten Mechanismus entstammt. KW - Taufliege KW - Geruchswahrnehmung KW - Lernen KW - Neurologie KW - Zucker KW - Lernen KW - Gedächtnis KW - Dropsophila KW - sugar KW - learning KW - memory KW - drosophila Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-17930 ER - TY - THES A1 - Großmann, Claudia T1 - Interaktion zwischen der Signaltransduktion von Aldosteron, Mineralocorticoidrezeptor und epidermalem Wachstumsfaktorrezeptor T1 - Cross-talk between Aldosterone / Mineralocorticoid Receptor and EGFR Signaling N2 - Klassischerweise ist der Aldosteron-gebundene MR an der Regulation des Blutdruckes und des Wasser-Elektrolyt-Haushaltes beteiligt. Neuere klinische Studien zeigen allerdings, dass Aldosteron auch an pathophysiologischen Remodelingprozessen im kardiovaskulären und renalen System mitwirkt. Die zugrundeliegenden Mechanismen sind noch weitgehend unbekannt. Der EGFR ist ein Wachstumsfaktor und heterologer Signaltransduktor für G-Protein-gekoppelte Rezeptoren von beispielsweise Angiotensin II, Phenylephrin und Endothelin-1. In der Literatur gibt es Hinweise für eine Interaktion zwischen den Signaltransduktionswegen von Aldosteron/MR und EGFR. So können Mineralocorticoide nach zerebraler Ischämie zu einem vermehrten vaskulären Remodeling und einem Anstieg der EGFR-mRNA-Konzentration führen und außerdem eine EGF-induzierte Vasokonstriktion verstärken. Daher wäre eine mögliche Erklärung für die pathophysiologische Wirkung von Aldosteron eine Induktion der EGFR-Expression mit vermehrter Wirksamkeit von vasoaktiven Peptiden. Um diese Hypothese zu überprüfen untersuchten wir in verschiedenen Modellsystemen, ob Aldosteron die EGFR-Proteinexpression erhöht. Dies war sowohl im heterologen CHO-Expressionsystem also auch in MR-exprimierenden Zelllinien und Primärkulturen der Fall. Auch in adrenalektomierten Ratten mit osmotischen Minipumpen bestätigte sich die Aldosteron-induzierte EGFR-Expression in der Aorta, im linken Herzen und der Niere. Über den eng verwandten Glucocorticoidrezeptor ließ sich keine EGFR-Expressionssteigerung auslösen, so dass es sich um einen MR-spezifischen Effekt handelt. Zur Charakterisierung des zugrundeliegenden molekularen Mechanismus, der besonders für therapeutische Interventionen von Interesse ist, wurde die Promotoraktivität des EGFR untersucht. Es zeigte sich bei Aldosteroninkubation eine gesteigerte EGFR-Promotoraktivität im Reporter-Gen-Assay. Die beteiligten Promotoranteile konnten mit Deletionskonstrukten auf zwei DNA-Fragmente eingegrenzt werden. Von Seiten des MR ist die A/B-Domäne für die Interaktion bedeutend, denn ein trunkierter MR mit den Domänen C, D, E und F genügt nicht, um den EGFR-Promoter vollständig zu aktivieren. Um Hinweise für die physiologische und pathophysiologische Bedeutung der Interaktion zwischen MR und EGFR zu erhalten, untersuchten wir sowohl den Einfluß auf die Bildung von Extrazellulärmatrix in glatten Gefäßmuskelzellen als auch auf die Natriumresorption im Sammelrohr der Niere. Als Anhaltspunkt für die vermehrte Bildung von extrazellulärer Matrix wie sie bei Remodelingprozessen vorkommt, quantifizierten wir die Fibronektinsekretion in glatten Muskelzellen der humanen Aorta (HAoSMC). Nach Aldosteroninkubation und besonders bei Koinkubation mit EGF zeigte sich eine vermehrte Fibronektinsekretion ins Medium, die sich durch Hemmer der EGFR-Kaskade normalisieren ließ. Dies unterstützt die Hypothese, dass die Aldosteron-EGFR-Interaktion an der Entstehung von Remodelingprozessen im kardiovaskulären und renalen System beteiligt ist. Neben einem Einfluss auf die Entstehung pathophysiologischer Prozesse im kardiovaskulären und renalen System kommt es über eine Aldosteron-induzierte EGFR-Expression im Sammelrohr der Niere auch zu physiologischen Effekten, nämlich einer Hemmung der Natriumresorption. Diese wirkt der klassischerweise durch Aldosteron vermittelten vermehrten Natriumresoprtion über den epithelialen Natriumkanal (ENaC) entgegen und könnte daher als negative Feedbackschleife Dauer und Ausmaß der Aldosteron-induzierten Natriumresorption limitieren. Zusätzlich zu den klassischen genomischen Wirkungen zeigen Steroide nicht-genotrope Effekte. Beim Aldosteron führen diese MR- und EGFR-vermittelt zu einer Aktivierung der ERK1/2- und JNK-1/2-Kinasen. Die nicht-genotrope Aldosteron-induzierte ERK-Aktivierung ist ferner durch c-Src-Inhibitoren hemmbar und führt zu einer Stimulation der Kerntranslokation des MR. Nicht-genotrope Effekte können folglich unter Beteiligung der EGFR-Signalkaskade die genomischen modulieren. Aldosteron führt ebenfalls zu einem Anstieg der zytosolischen Calciumkonzentration, allerdings ist dieser Effekt unabhängig vom MR. Hieraus folgt, dass die nicht-genotropen Effekte teilweise MR-vermittelt und teilweise MR-unabhängig sind. Insgesamt konnte also auf verschiedenen Ebenen eine Interaktion zwischen Aldosteron/MR und der EGFR-Signalkaskade gezeigt werden, mit Hinweisen für eine Bedeutung bei sowohl physiologischen als auch pathophysiologische Vorgängen. N2 - Classically, aldosterone-bound MR regulates blood pressure as well as salt and water homeostasis. Recent clinical studies have shown that aldosterone can additionally lead to cardiovascular and renal remodeling; however, the underlying mechanisms are still unclear. The EGFR is a growth factor and heterologous signal transducer for G-protein-coupled receptors of for example angiotensin II, phenylephrine and endothelin-1. There are indications in literature that there is cross-talk between aldosterone/MR and EGFR signaling. For example, mineralocorticoids can lead to both enhanced vascular remodeling and an increase in EGFR-mRNA after cerebral injury and they can also augment EGF-induced vasoconstriction. Therefore, one attractive hypothesis to explain the pathophysiological effects of aldosterone is an aldosterone-induced EGFR expression with consequently increased signaling of vasoactive and profibrotic peptides. To evaluate this hypothesis, we tested EGFR expression after aldosterone incubation in different model systems. We found an aldosterone-induced EGFR expression in a heterologous expression system of CHO cells, in endogenously MR-expression cell lines as well as in primary culture. This was also true in the kidney, aorta and the heart of adrenalectomized rats equipped with osmotic minipumps. The closely related glucocorticoid receptor did not lead to enhanced EGFR expression, making this phenomenon MR specific. Because of its possible therapeutical relevance for remodeling processes, the underlying molecular mechanism of the MR/EGFR cross-talk is of special interest. To characterize it we looked at the promoter activity of the EGFR which was enhanced after incubation with aldosterone. Furthermore, we could narrow down the EGFR promoter regions involved in this interaction down to two DNA fragments. Concerning the MR, the n-terminal A/B-domain is necessary to elicit full activation of the promoter while the domains C, D, E and F by themselves are not enough. To gain evidence for the physiological and pathophysiological relevance of the interaction between the MR and the EGFR, we looked at formation of extracellular matrix and sodium reabsorption in the renal collecting duct. As an indicator for enhanced formation of extracellular matrix and remodeling, we measured fibronectin secretion of human aortal smooth muscle cells. After incubation with aldosterone and especially in the presence of EGF, an increase in fibronectin secretion could be measured that was antagonized by inhibitors of the EGFR cascade. This supports the hypothesis that the aldosterone-EGFR cross-talk is involved in cardiovascular and renal remodeling processes. Besides this pathophysiological effect, aldosterone-induced EGFR expression in the renal collecting duct can also lead to a reduction in sodium reabsoption. This counteracts the increase in sodium reabsorption classically induced by aldosterone and can therefore function as a negative feedback loop limiting long-term aldosterone-induced sodium reabsorption. In addition to traditional genomic effects, steroids can also elicit non-genotropic actions. Aldosterone, for example, can lead to MR- and EGFR-mediated activation of ERK1/2 and JNK1/2. The non-genotropic aldosterone-induced ERK activation is also reduced by c-Src-inhibitors and leads to an increase in the cytosolic-nuclear shuttling of the MR. Therefore, the non-genotropic effects can modulate genomic effects via the EGFR pathway. Furthermore, aldosterone can induce a rise in the concentration of cytosolic calcium which is independent on the MR. Consequently, non-genotropic actions are partially mediated by the MR and partially MR-independent. Overall, there is a cross-talk between aldosterone/MR and EGFR signaling on different levels with evidence for relevance for physiological and pathophysiological processes. KW - Aldosteron KW - Corticosteroide KW - Rezeptor KW - Signaltransduktion KW - Epidermaler Wachstumsfaktor KW - Mineralocorticoidrezeptor KW - Aldosteron KW - EGFR KW - kardiovaskuläres Remodeling KW - nicht-genotrope Steroidwirkungen KW - mineralocorticoid receptor KW - aldosterone KW - EGFR KW - cardiovascular remodeling KW - nongenotropic steroid effects Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-22260 ER - TY - THES A1 - Schütz, Wolfgang T1 - Postmeiotische Expression und funktionelle Charakterisierung von Lamin B3 in der Spermatogenese der Maus T1 - Postmeiotic expression and functional characterisation of lamin B3 in mouse spermatogenesis N2 - Die Lamine gehören zu einer Familie von Proteinen, die als strukturelle Hauptelemente die Kernlamina ausbilden, einen wesentlichen Bestandteil der Kernhülle eukaryontischer Zellen. In Säugern exprimieren differenzierte somatische Zellen die Lamine A, C, B1 und B2. Die Kernhülle in Keimzellen unterscheidet sich in Bezug auf Struktur und Proteinzusammensetzung deutlich von der einer somatischen Zelle. So exprimieren Keimzellen Lamin B1 als einziges der somatischen Lamine und zwei kurze keimbahnspezifische Spleißvarianten, die Lamine C2 und B3. Die vorliegende Arbeit enthält eine detaillierte Analyse des Expressionsmusters und der zellulären Verteilung von Lamin B3 im Verlauf der Spermatogenese der Maus. Die Daten aus RT-PCR, Western Blot und Immunfluoreszenz belegen eindeutig, dass Lamin B3 ausschließlich in postmeiotischen Stadien während der Spermiogenese exprimiert wird. In runden Spermatiden konnte das Protein an der Kernhülle und überraschenderweise auch im Nukleoplasma nachgewiesen werden. Im weiteren Verlauf der Spermiogenese kommt es zu einer Umverteilung des Proteins, es konzentriert sich zunehmend am posterioren Pol des Spermatidenkerns. Damit ist die Lamina während der Säuger-Spermiogenese nur aus B-Typ-Laminen aufgebaut und Lamin B3 ist in Säugern das erste Beispiel für ein Lamin, das selektiv nur in postmeiotischen Stadien der Spermatogenese exprimiert wird. Die ektopische Expression von Lamin B3 in Kulturzellen führt zu einer Deformation der Zellkerne, die eine hakenförmige Gestalt annehmen. Mit Hilfe von Transfektionsexperimenten in COS-7-Zellen konnte eindeutig gezeigt werden, dass die auftretenden morphologischen Veränderungen der Kerne transfizierter Zellen auf die trunkierte zentrale Stäbchendomäne in Lamin B3 zurückzuführen ist. Darüber hinaus zeigte das Protein eine stark erhöhte Löslichkeit im Vergleich zu Lamin B2 und die Analyse transfizierter Kulturzellen mit „fluorescence recovery after photobleaching“ (FRAP) und „fluorescence loss in photobleaching“ (FLIP) ergab, dass ein erheblicher Anteil der Lamin-B3-Moleküle eine hohe Mobilität aufweist, die ebenfalls ausschließlich durch die kurze Stäbchendomäne begründet ist. Die Ergebnisse führen zu dem Schluss, dass Lamin B3 die Kernhülle in Keimzellen flexibler macht, was eine Voraussetzung für einige Vorgänge in der Spermiogenese sein könnte. Mit einem Fusionsprotein aus GST und dem 84 Aminosäuren umfassenden N-Terminus von Lamin B3 wurde über einen „Pull-Down-Assay“ nach möglichen Interaktionspartnern in Keimzellen gesucht. Mit MSY2, MSY2a und MSY4 wurden drei hoch interessante Kandidaten identifiziert. Sie gehören zu den Y-Box-Proteinen, DNA- und RNA-bindende Proteine, die bei der Speicherung und späteren Translation von mRNAs beteiligt sind, u.a. die mRNA von Protamin 1 (diese Form der Regulation von Genexpression hat in der Spermatogenese große Bedeutung). Die Interaktion von Lamin B3 mit diesen Proteinen muss noch überprüft werden, würde aber einen weiteren Bezug zwischen Kernhülle und Chromatinreorganisation in der Spermiogenese herstellen, wie es für die Kernhüllenproteine GCL und LBR bereits gezeigt werden konnte. Außerdem wäre es ein erster Hinweis auf eine funktionelle Bedeutung der N-terminalen Domäne von Lamin B3. N2 - Lamins are members of a protein family that are the main structural elements of the nuclear envelope in eukaryotic cells. Differentiated mammalian somatic cells express lamins A, C, B1 and B2. The composition and structural organisation of the nuclear lamina in spermatogenic cells differ significantly from that of somatic cells: among the somatic lamins they only express lamin B1 but, additionally, two germ line-specific isoforms could be found, namely lamins C2 and B3. This study contains a detailed investigation of the expression pattern and localisation of lamin B3 during mouse spermatogenesis. By combining RT-PCR, immunoblotting, and immunofluorescence microscopy, it turned out, that lamin B3 is selectively expressed in postmeiotic stages during spermiogenesis. In round spermatids, lamin B3 is distributed in the nuclear periphery and, notably, also in the nucleoplasm. In the course of spermiogenesis, lamin B3 becomes redistributed as it concentrates progressively to the posterior pole of spermatid nuclei. The results show that during mammalian spermiogenesis the nuclear lamina is composed of B-type isoforms only, namely lamin B1 and the germ line-specific lamin B3. Lamin B3 is the first example of a mammalian lamin that is selectively expressed during postmeiotic stages of spermatogenesis. When ectopically expressed in culture cells, lamin B3 causes severe deformation of nuclei which adopt a hook-like configuration. Transfection experiments in COS-7 cells could prove that the observed nuclear deformations are due to the shortened rod domain of lamin B3. Cell fractionation experiments revealed that lamin B3 can be solubilised more easily than lamin B2. In addition, fluorescence recovery after photobleaching (FRAP) and fluorescence loss in photobleaching (FLIP) analyses of transfected COS-7 cells showed that considerable amounts of lamin B3 molecules exhibit a significantly increased mobility compared to lamin B2. The increased solubility of lamin B3 compared to lamin B2 as well as the mobility of that protein is only determined by its shortened rod domain. Taken together, these data lead to the conclusion that lamin B3 reduces the stability of the nuclear periphery, what might be an important prerequisite for some reorganisation processes during spermiogenesis to occur. Via a pull-down assay using a fusion protein containing GST and the 84 amino acid long N-terminal domain of lamin B3 a screen for interaction partners of lamin B3 was performed. With MSY2, MSY2a and MSY4 three interesting candidates were found. These proteins belong to the large family of Y-box containing proteins, which are DNA and RNA binding proteins. They are involved in storage and subsequent translation of various mRNAs, e.g. the mRNA of protamine 1 (this mechanism for regulation of gene expression is a major principle in spermatogenesis). The interaction between lamin B3 and the Y-box proteins has to be verified but it would provide an additional link between reorganisation of chromatin and the nuclear envelope as it has already been reported for other proteins of the nuclear envelope like GCL or LBR. Besides that it could be a first evidence for a specific function of the lamin B3 N-terminal domain. KW - Maus KW - Spermatogenese KW - Kernhülle KW - Lamin B KW - Genexpression KW - Spermatogenese KW - Kernlamina KW - Kernhülle KW - Lamina KW - Lamin B3 KW - Spermiogenese KW - spermatogenesis KW - nuclear lamina KW - nuclear envelope KW - lamina KW - lamin B3 KW - spermiogenesis Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-17110 ER - TY - THES A1 - Thakar, Juilee T1 - Computational models for the study of responses to infections T1 - Bioinformatische Modelle zur Analyse der Immunantwort auf Infektionen N2 - In diesem Jahrhundert haben neue experimentelle Techniken und Computer-Verfahren enorme Mengen an Information erzeugt, die bereits viele biologische Rätsel enthüllt haben. Doch die Komplexität biologischer Systeme wirft immer weitere neue Fragen auf. Um ein System zu verstehen, bestand der Hauptansatz bis jetzt darin, es in Komponenten zu zerlegen, die untersucht werden können. Ein neues Paradigma verknüpft die einzelnen Informationsteile, um sie auf globaler Ebene verstehen zu können. In der vorgelegten Doktorarbeit habe ich deshalb versucht, infektiöse Krankheiten mit globalen Methoden („Systembiologie“) bioinformatisch zu untersuchen. Im ersten Teil wird der Apoptose-Signalweg analysiert. Apoptose (Programmierter Zelltod) wird bei verschiedenen Infektionen, zum Beispiel bei Viruserkrankungen, als Abwehrmaßnahme eingesetzt. Die Interaktionen zwischen Proteinen, die ‚death’ Domänen beinhalten, wurden untersucht, um folgende Fragen zu klären: i) wie wird die Spezifität der Interaktionen erzielt? –sie wird durch Adapter erreicht, ii) wie werden Proliferation/ Überlebenssignale während der Aktivierung der Apoptose eingeleitet? – wir fanden Hinweise für eine entscheidende Rolle des RIP Proteins (Rezeptor-Interagierende Serine/Threonine-Proteinkinase 1). Das Modell erlaubte uns, die Interaktions-Oberflächen von RIP vorherzusagen. Der Signalweg wurde anschließend auf globaler Ebene mit Simulationen für verschiedene Zeitpunkte analysiert, um die Evolution der Aktivatoren und Inhibitoren des Signalwegs und seine Struktur besser zu verstehen. Weiterhin wird die Signalverarbeitung für Apoptosis-Signalwege in der Maus detailliert modelliert, um den Konzentrationsverlauf der Effektor-Kaspasen vorherzusagen. Weitere experimentelle Messungen von Kaspase-3 und die Überlebenskurven von Zellen bestätigen das Modell. Der zweite Teil der Resultate konzentriert sich auf das Phagosom, eine Organelle, die eine entscheidende Rolle bei der Eliminierung von Krankheitserregern spielt. Dies wird am Beispiel von M. tuberculosis veranschaulicht. Die Fragestellung wird wiederum in zwei Aspekten behandelt: i) Um die Prozesse, die durch M. tuberculosis inhibiert werden zu verstehen, haben wir uns auf das Phospholipid-Netzwerk konzentriert, das bei der Unterdrückung oder Aktivierung der Aktin-Polymerisation eine große Rolle spielt. Wir haben für diese Netzwerkanalyse eine Simulation für verschiedene Zeitpunkte ähnlich wie in Teil eins angewandt. ii) Es wird vermutet, dass Aktin-Polymere bei der Fusion des Phagosoms mit dem Lysosom eine Rolle spielen. Um diese Hypothese zu untersuchen, wurde ein in silico Modell von uns entwickelt. Wir fanden heraus, dass in der Anwesenheit von Aktin-Polymeren die Suchzeit für das Lysosom um das Fünffache reduziert wurde. Weiterhin wurden die Effekte der Länge der Aktin-Polymere, die Größe der Lysosomen sowie der Phagosomen und etliche andere Modellparameter analysiert. Nach der Untersuchung eines Signalwegs und einer Organelle führte der nächste Schritt zur Untersuchung eines komplexen biologischen Systems der Infektabwehr. Dies wurde am Beispiel der Wirt-Pathogen Interaktion bei Bordetella pertussis und Bordetella bronchiseptica dargestellt. Die geringe Menge verfügbarer quantitativer Daten war der ausschlaggebende Faktor bei unserer Modellwahl. Für die dynamische Simulation wurde ein selbst entwickeltes Bool’sches Modell verwendet. Die Ergebnisse sagen wichtige Faktoren bei der Pathologie von Bordetellen hervor, besonders die Bedeutung der Th1 assoziierten Antworten und dagegen nicht der Th2 assoziierten Antworten für die Eliminierung des Pathogens. Einige der quantitativen Vorhersagen wurden durch Experimente wie die Untersuchung des Verlaufs einer Infektion in verschiedenen Mutanten und Wildtyp-Mäusen überprüft. Die begrenzte Verfügbarkeit kinetischer Daten war der kritische Faktor bei der Auswahl der computer-gestützten Modelle. Der Erfolg unserer Modelle konnte durch den Vergleich mit experimentellen Beobachtungen belegt werden. Die vergleichenden Modelle in Kapitel 6 und 9 können zur Untersuchung neuer Wirt-Pathogen Interaktionen verwendet werden. Beispielsweise führt in Kapitel 6 die Analyse von Inhibitoren und inhibitorischer Signalwege aus drei Organismen zur Identifikation wichtiger regulatorischer Zentren in komplexen Organismen und in Kapitel 9 ermöglicht die Identifikation von drei Phasen in B. bronchiseptica und der Inhibition von IFN-γ durch den Faktor TTSS die Untersuchung ähnlicher Phasen und die Inhibition von IFN-γ in B. pertussis. Eine weitere wichtige Bedeutung bekommen diese Modelle durch die mögliche Identifikation neuer, essentieller Komponenten in Wirt-Pathogen Interaktionen. In silico Modelle der Effekte von Deletionen zeigen solche Komponenten auf, die anschließend durch experimentelle Mutationen weiter untersucht werden können. N2 - In this century new experimental and computational techniques are adding an enormous amount of information, revealing many biological mysteries. The complexities of biological systems still broach new questions. Till now the main approach to understand a system has been to divide it in components that can be studied. The upcoming new paradigm is to combine the pieces of information in order to understand it at a global level. In the present thesis we have tried to study infectious diseases with such a global ‘Systems Biology’ approach. In the first part the apoptosis pathway is analyzed. Apoptosis (Programmed cell death) is used as a counter measure in different infections, for example viral infections. The interactions between death domain containing proteins are studied to address the following questions: i) How specificity is maintained - showing that it is induced through adaptors, ii) how proliferation/ survival signals are induced during activation of apoptosis – suggesting the pivotal role of RIP. The model also allowed us to detect new possible interacting surfaces. The pathway is then studied at a global level in a time step simulation to understand the evolution of the topology of activators and inhibitors of the pathway. Signal processing is further modeled in detail for the apoptosis pathway in M. musculus to predict the concentration time course of effector caspases. Further, experimental measurements of caspase-3 and viability of cells validate the model. The second part focuses on the phagosome, an organelle which plays an essential role in removal of pathogens as exemplified by M. tuberculosis. Again the problem is addressed in two main sections: i) To understanding the processes that are inhibited by M. tuberculosis; we focused on the phospholipid network applying a time step simulation in section one, which plays an important role in inhibition or activation of actin polymerization on the phagosome membrane. ii) Furthermore, actin polymers are suggested to play a role in the fusion of the phagosome with lysosome. To check this hypothesis an in silico model was developed; we find that the search time is reduced by 5 fold in the presence of actin polymers. Further the effect of length of actin polymers, dimensions of lysosome, phagosome and other model parameter is analyzed. After studying a pathway and then an organelle, the next step was to move to the system. This was exemplified by the host pathogen interactions between Bordetella pertussis and Bordetella bronchiseptica. The limited availability of quantitative information was the crucial factor behind the choice of the model type. A Boolean model was developed which was used for a dynamic simulation. The results predict important factors playing a role in Bordetella pathology especially the importance of Th1 related responses and not Th2 related responses in the clearance of the pathogen. Some of the quantitative predictions have been counterchecked by experimental results such as the time course of infection in different mutants and wild type mice. All these computational models have been developed in presence of limited kinetic data. The success of these models has been validated by comparison with experimental observations. Comparative models studied in chapters 6 and 9 can be used to explore new host pathogen interactions. For example in chapter 6, the analysis of inhibitors and inhibitory paths in three organism leads to the identification of regulatory hotspots in complex organisms and in chapter 9 the identification of three phases in B. bronchiseptica and inhibition of IFN-γ by TTSS lead us to explore similar phases and inhibition of IFN-γ in B. pertussis. Further an important significance of these models is to identify new components playing an essential role in host-pathogen interactions. In silico deletions can point out such components which can be further analyzed by experimental mutations. KW - Bordetella pertussis KW - Infektion KW - Apoptosis KW - Signaltransduktion KW - Bioinformatik KW - Tuberkelbakterium KW - Biologische Kaskaden KW - Bordetellae KW - M. tuberculosis KW - Apoptose KW - Biological cascades KW - Bordetellae KW - M. tuberculosis KW - Apoptosis Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-17266 ER - TY - THES A1 - Stahl, Sonja T1 - Molekulare Mechanismen der Neurodegeneration in der Grosshirnrinde von Kathepsin B und L-Doppelknockoutmäusen T1 - Molecular mechanisms of neurodegeneration in cathepsin B- and L- deficient brains N2 - Kathepsin B und L sind lysosomale Cysteinproteasen, die mit einer Reihe von pathologischen Prozessen, wie z. B. Cancerogenese, Tumorangiogenese und Neurodegeneration in Verbindung gebracht werden. Dennoch sind bis jetzt nur wenige Proteinsubstrate beschrieben. Ausserdem sind die Mechanismen der Regulation von Zellproliferation, -invasion und -apoptose durch Kathepsin B und L weitgehend unverstanden. Ein kombinierter Mangel beider Kathepsine führt zu einer frühzeitigen Neurodegeneration in Mäusen, die an neuronale Lipofuszinosen beim Menschen erinnert. In der vorliegenden Studie wurden Unterschiede in der Proteinzusammensetzung von wildtypischen und doppelt-defizienten Gehirnlysosomen quantifiziert. Eine Kombination von subzellulärer Fraktionierung und LC-MS/MS unter Verwendung einer isobarischen Markierung (iTraqTM) erlaubte uns die gleichzeitige Untersuchung von zerebralen Lysosomen aus Wildtyp und Kathepsin B-/-L-/- Mäusen. Ingesamt waren 19 Proteine signifikant erhöht in Kathepsin B-/-L-/- Lysosomen. Die meisten erhöhten Proteine wurden der neuronalen Biosynthese, regenerierenden bzw. endozytotischen oder lysosomalen Kompartimenten zugeordnet. Der Anstieg von Calcyon, dem Delta/Notch- verwandten epidermalen Wachstumsfaktor-Rezeptor (DNER), Neurochondrin, Phospholipase D3, Rab14, Cathepsin D und Apolipoprotein E lässt eine potentielle Rolle von Kathepsin B und L im Axonwachstum und der Synapsenbildung während der postnatalen Entwicklung des Zentralnervensystems vermuten. N2 - Cathepsins B and L are lysosomal cysteine proteases which have been implicated in a variety of pathological processes such as cancer, tumor angiogenesis, and neurodegeneration. However, only a few protein substrates have thus far been described and the mechanisms by which cathepsins B and L regulate cell proliferation, invasion, and apoptosis are poorly understood. Combined deficiency of both cathepsins results in early-onset neurodegeneration in mice reminiscent of neuronal ceroid lipofuscinoses in humans. Therefore, we intended to quantify protein changes in brain lysosomes of double deficient mice. A combination of subcellular fractionation and LC-MS/MS using isobaric tagging for relative and absolute quantitation (iTRAQTM) allowed us to simultaneously assess wildtype and cathepsin B-/-L-/- cerebral lysosomes. Altogether, 19 different proteins were significantly increased in cathepsin B-/-L-/- lysosomes. Most elevated proteins had previously been localized to neuronal biosynthetic, recycling/endocytic or lysosomal compartments. The increase of calcyon, the Delta/Notch-like epidermal growth factor-related receptor, neurochondrin, phospholipase D3, Rab14, cathepsin D, and apolipoprotein E suggests a potential role for cathepsins B and L in axon outgrowth and synapse formation during postnatal development of the central nervous system. KW - Kathepsin B KW - Kathepsin L KW - Nervendegeneration KW - Kathepsin KW - Neurodegeneration KW - DNER KW - Rab14 KW - Calcyon KW - Cathepsin KW - neurodegeneration KW - DNER KW - Rab14 KW - Calcyon Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-21606 ER - TY - THES A1 - Kusnezow, Wlad T1 - Entwicklung von Antikörper-Mikroarray : von Biophysik der Mikrospot-Reaktion bis zur Hochdurchsatzanalyse der Proteine T1 - Development of antibody microarray: from biophysics of microspot reaction to high throughput analysis of proteins N2 - Obwohl Protein-Mikroarrays ursprünglich aus dem gut entwickelten und fest etablierten DNA-Pendant entstanden sind, repräsentierte jedoch die Umstellung der Mikroarray-Technik von der DNA- auf die Proteinanalyse aufgrund der enormen physikalisch-chemischen Variabilität der Proteine, deren relativ niedrigen Stabilität und der komplexen Mikrospot-Kinetik eine große technologische Herausforderung. Deshalb setzt das Vorhaben, die Technik der Antikörper–Mikroarrays von ihrem konzeptuellen Zustand ausgehend zu einem robusten, real funktionierenden Werkzeug zu etablieren, nicht nur eine Vielzahl an technologischen Lösungen, sondern auch eine systematische und physikalisch begründete Herangehensweise in dieser technologischen Entwicklung voraus. Das waren im Wesentlichen die zwei wichtigsten, der eigentlichen Entwicklung der Antikörper-Mikroarrays untergeordneten Ziele der Arbeit. Mit dem Ziel, Antikörper-Mikroarrays prinzipiell zu etablieren und eine optimale Immobilisierungschemie für deren Herstellung zu finden, wurden im ersten Teil dieser Arbeit mehrere chemische Beschichtungen von Glasslides optimiert, unterschiedliche Spotting-Bedingungen von Antikörpern für verschiedene Oberflächen getestet und verschiedene Blockierungsverfahren und Strategien zur Aufbewahrung von Slides analysiert. Anschließend wurde eine Reihe von kommerziellen und selbst hergestellten chemisch beschichteten Slides unter den optimierten Bedingungen miteinander verglichen. Als Hauptergebnis dieser Untersuchung wurde die Herstellung der Antikörper-Microarrays etabliert. Unter anderem konnte im Zuge dieser systematischen Analyse gezeigt werden, dass Epoxysilan-modifizierte Oberflächen am besten geeignet sind. Diese Oberfläche ist heutzutage auf dem Gebiet der Protein-Microarrays am weitesten verbreitet und wurde für alle weiteren Studien innerhalb dieser Dissertation verwendet. Die Entwicklung der Antikörper-Mikroarrays in den letzten Jahren demonstrierte erhebliche Schwierigkeiten im Erreichen der nötigen Sensitivität und Reproduzierbarkeit. Um dieser Problematik auf den Grund zu gehen, und die Mikrospot-Kinetik experimentell untersuchen zu können, wurde im Rahmen dieser Arbeit eine modifizierte und für den Fall der Mikrorrays angepasste Variante des Two-Compartment Modells (TCM) entwickelt. TCM ermöglicht auf eine phänomenologische Weise, d.h., dass Diffusionskoeffizienten, Mischintensität oder Dichte der Bindungsstellen nicht bekannt sein müssen, eine quantitative experimentelle Analyse der Mikrospot-Kinetik unter Berücksichtigung von Effekten des Massentransports. Um die phänomenologischen TCM-Werte interpretieren zu können und um den Mechanismus der Mikrospot-Reaktion zu untersuchen, wurden auch andere, für die Mikrospot-Kinetik relevante, klassische Theorien an die Bedingungen der Mikrospot-Reaktion angepasst und mit dem modifizierten TCM mathematisch verbunden. Als das erste in der Mikroarray-Technologie mathematisch-physikalische Werkzeug dieser Art hat die hier entwickelte Theorie ein großes Potential, auch in den anderen verwandten Techniken wie DNA- oder Peptid-Mikroarrays Verwendung zu finden. Außerdem wurde innerhalb dieser Arbeit ein anderes einheitliches theoretisches Modell entwickelt, das eine kinetische Simulation von verschiedenen Reaktionsphasen sowohl für konventionelle als auch für Mikrospot-Immunoassays ermöglicht. Im Rahmen dieser Arbeit konnte für einen typischen Standard-Antikörper-Mikroarray theoretisch und experimentell eine lang andauernde, stark massentransportabhängige Mikrospot-Kinetik beschrieben werden. Es konnte gezeigt werden, dass das Erreichen eines thermodynamischen Gleichgewichts in Mikroarrays wegen eines relativ langsamen Ligandentransports zum Spot eine lange Zeit dauert, je nach Bindungskonstante, Diffusionsgeschwindigkeit und Ligandenkonzentration mehrere Stunden bis hin zu Wochen. In dieser Arbeit wurde ein neues physikalisches Konzept, das dem heutzutage dominierenden Blickwinkel, der sogenannten ambient analyte Theorie, opponierend gegenübersteht, formuliert. Auch konnten viele Konsequenzen fürs Design und die zukünftige Entwicklung dieser relativ neuen Technologie gezogen werden. Als eine logische Folge der massentransportlimitierten Reaktionen ist das Design eines Antikörper-Mikroarray ein kritischer Punkt für die Leistung des Verfahrens. Im Laufe der experimentellen und/oder theoretischen Betrachtungen konnte gezeigt werden, dass eine Reihe allgemeiner Parameter wie Größe eines Spots, Spotting-Muster, Inkubationsgeometrie, Volumen und Konzentration einer Probe, Viskosität des Inkubationspuffers und Mischintensität die Reaktionsraten auf den Spots insgesamt um mehrere Größenordnungen beeinflusst. Ist die maximale Rate des Massentransports in einem Mikroarray-Verfahren gewährleistet, kann dann auch die maximale Bindungsleistung der Spots, die durch die Dichte der Bindungsstellen, Bindungsaffinität, Inkubationszeit und andere relevante Parameter eingestellt wird, erreicht werden. Aber nicht nur in der Inkubationsphase, sondern auch bei den Wasch- und Detektionsschritten sollte die gleiche Liste der Parameter berücksichtigt werden. Durch die Optimierung all dieser Parametern konnte eine deutliche Verbesserung der Sensitivität von Antikörper-Mikroarrays in der Protein-Expressionsanalyse von klinischen Blutproben erzielt werden In einer weiteren Studie zur Analyse von unterschiedlichen Detektionsverfahren konnte die Sensitivität und Reproduzierbarkeit der etablierten Antikörper-Mikroarrays weiter verbessert werden. Eine Reihe unterschiedlicher Markierungssubstanzen mit NHS (N-hydroxysuccinimide) und ULS (universal linkage system) reaktiven Gruppen wurden innerhalb drei Detektionsverfahren untersucht: 1) eine direkte Probenmarkierung mit Fluoreszenzfarbstoffen, 2) Markierung der Probe mit Biotin-Substanzen und nachfolgender Detektion mittels fluoreszenzmarkierten Extravidin und 3) Markierung der Probe mit Fluorescein-Substanzen mit Anti-Fluorescein-Detektion. Aus den Erfahrungen der vorherigen kinetischen Untersuchungen wurde hier vorerst das kinetische Verhalten des Testsystems analysiert und optimale Inkubationsbedingungen festgelegt. Anschließend wurden optimale Konzentrationen all dieser Substanzen für die Markierung von Blutplasma bestimmt. Im Vergleich zur direkten Fluoreszenzmarkierung resultierten sich die indirekten Detektionsverfahren mit Biotin- und Fluorescein-Substanzen in wesentlich besseren Signal-zu-Hintergrund-Verhältnissen. In einer anschließenden Vergleichsanalyse zeigten sich einige Substanzen wie Biotin-ULS oder Fluoresceine-NHS als am besten geeignet für eine Protein-Expressionsanalyse von Blutplasma. Sensitivitäten im femtomolaren Bereich konnten mittels der etablierten Antikörper-Mikroarrays sowohl für eine markierte Antigenmischung als auch für komplexe klinische Proben innerhalb dieser Dissertation erzielt werden. Viele niedrig konzentrierte Proteine wie beispielsweise Zytokine, die normalerweise in einer piko-oder femtomolaren Konzentration im Blut vorliegen, wurden in dieser Arbeit mit sehr hohen Signal-zu-Hintergrund-Verhältnissen detektiert. Das hier beschriebene Verfahren öffnet zusätzliche Möglichkeiten für schnelle, kostengünstige und unbeschränkt erweiterungsfähige Mikrospot-Immunoassays. N2 - Although protein microarrays are superficially similar to DNA microarrays, the conversion of microarray technology to the protein world still represents a big technological challenge because of the enormous physicochemical variability and relatively low stability of proteins as well as complex microspot kinetics. Therefore, the intention of developing the concept of antibody microarray into a really functioning tool requires a multiplicity of technological solutions as well as a systematic and physically justified approach in this technological development. These were essentially the two most important goals while developing antibody microarrays. Aiming to establish antibody microarrays in principle und to find optimal antibody immobilization chemistry, several chemical coatings of glass slides, antibody spotting conditions for different surfaces, different blocking procedures and strategies for slides storage were analysed and optimised in the first part of this dissertation. Subsequently, a set of commercial and home-made chemically coated slides was compared under these optimized conditions. As a main result, manufacturing of antibody microarrays was established. Among other things, the epoxysilan surface was found to be best suitable for fabrication of antibody microarrays in course of this systematic analysis. This kind of chemical coating is nowadays one of the most popular in the protein microarray field and it was also used in all other studies presented here. The development of antibody microarray technology in the last years demonstrated substantial difficulties trying to achieve the required sensitivity and reproducibility. In order to get the bottom of this issue and to be able to examine microspot kinetics experimentally, the so-called two-compartment model (TCM) was modified and adapted for the case of microrrays in this work. TCM enables a quantitative experimental analysis of microspot kinetics with regard to effects of mass transport. It is a phenomenological model, so that one does not need to know density of binding sites or any parameters of mass transport such as diffusion coefficient or mixing intensity. To be able to interpret the phenomenological reaction descriptors of TCM and to investigate reaction mechanism, some relevant theoretical models were also adapted for the case of microspot reaction as well as were mathematically joined with the modified TCM. Our theory is the first mathematical tool of this sort in the microarray technology and it has therefore a lot of potential to be applied also in the other related techniques such as DNA or peptide microarrays. Additionally, another uniform theoretical model was developed in this work. It enables a kinetic simulation of different reaction regimes for the case of conventional as well as microspot immunoassays. Long-lasting and strongly mass transport dependent microspot kinetics was described in this work, both theoretically and experimentally. The attainment of the thermodynamic equilibrium in microarrays may require many hours, days or even weeks due to a relatively slow ligand transport to spots. A new physical concept, which represents the opposite view to the today’s most widespread concept, so called ambient analyte theory, could be formulated in consequence of this investigation. Also, we could draw many consequences for design and future development of this relatively new techique. As a logical consequence of the mass transport limited reactions, proper assay design is cruicial for performance of antibody microarrays. In the course of our experimental and/or theoretical considerations, it was shown that a number of general parameters such as size of a spot, spotting pattern, incubation geometry, volume and concentration of a sample, viscosity of incubation buffer and mixing intensity could altogether affect signal velocity by many orders of magnitude. If the maximum rate of mass transport in a microarray procedure is ensured, then also the maximum binding capacity of spots could be achieved by adjusting such parameters as density of binding sites, binding affinity, incubation time etc. The same factors should be also considered for washing and detection steps in a kinetically relevant design of microarray procedure. Optimizing these parameters, the performance of antibody microarrays as applied for protein profiling of clinical specimens could be strongly improved. A significant improvement of the antibody microarray performance as applied for protein profiling of clinical blood samples could be also achieved in a further study aiming to analyze different detection approaches. A number of labeling substances containing either NHS (N-hydroxysuccinimide) or ULS (universal linkage system) reactive groups was examined within three general detection procedures: 1) direct sample labeling with fluorescence dyes, 2) sample labelling with biotin- containing substances with subsequent detection using fluorescently labeled extravidin and 3) sample labelling with fluorescein-substances with detzection by anti-fluorescein. Based on the experience of the previous kinetic investigations, kinetic behavior of the applied test system was first analyzed in this study to find optimal incubation conditions. Also, optimal blood plasma labelling concentration for every analyzed substance was determined in this study. The indirect detection approaches (biotin/extravidin and fluorescein/anti-fluorescein) resulted in substantially better signal-to-noise ratios as compared to direct fluorescent labeling. Some substances such as biotin-ULS or fluorescein-NHS were found to be best suitable for microarray-based protein profiling of blood plasma. Using the established antibody microarrays, sensitivities in the fM range could be attained in this dissertation both for a labeled mix of antigens as well as for complex clinical samples. Many low abundant proteins as for example cytokines, which are normally present in a pM-fM concentration in the blood, was detected in this work with very high signal-to-noise ratios. The approach described here opens additional possibilities for fast, economical and unrestricted multiplexing microspot immunoassays. KW - Microarray KW - Antikörper KW - Antikörper-Mikroarray KW - Oberflächenchemie KW - Kinetik KW - Fluoreszenz KW - Blutserum KW - antibody microarray KW - surface chemistry KW - kinetics KW - fluorescence KW - serum Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-22534 ER - TY - THES A1 - Gogishvili, Tea T1 - Immunotherapy of allergic disorders in a mouse model of allergic airway inflammation T1 - Immuntherapie allergischer Erkrankungen in einem Mausmodell für allergische Atemwegsentzündungen N2 - Allergische Erkrankungen sind Störungen, bei denen es zu Immunfehlregulationen kommt und die bei empfänglichen Individuen zur Entstehung von Allergen spezifischen T-Helfer 2 (TH2) Immunantworten führen. Neuere Untersuchungen deuten darauf hin, dass die für Soforttypallergien charakteristischen TH2 Immunantworten sowohl durch natürlich vorkommende CD4+CD25+ regulatorische T Zellen (Treg) als auch durch Antigen induzierte IL-10-secreting CD4+ regulatorische T Zellen kontrolliert werden können. Weiterhin gibt es Hinweise, dass eine erfolgreiche Allergen spezifische Immuntherapie über die Induktion von IL-10 sezernierenden T reg Zellen vermittelt wird. In ersten Teil der Arbeit wird die Effizienz einer Allergen spezifischen Immuntherapie (SIT) in einem Mausmodel für allergische Atemwegsentzündung demonstriert. Als Allergieparameter wurden Allergen spezifisches IgE im Serum, verschiedene TH1 und TH2 Cytokine in der brochoalveolären Lavage Flüssigkeit und nach in vitro Restimulation in Milzzellen untersucht. Weiterhin wurden Histologien von Lungengewebe angefertigt, um das eosinophile Entzündungsinfiltrat und die Asthma typische Becherzellmetaplasie darzustellen. Weiterhin wurden durch FACS Untersuchungen regulatorische T Zellen nachgewiesen. Es konnte gezeigt werden, dass im Mausmodell die intranasale Applikationsform der SIT die allergischen Symptome effizienter bekämpfen konnte, als die beim Menschen etablierte subcutane Applikationsform. Um Mechanismen zu definieren die eine SIT effizienter machen könnten wurde ein IL-4/IL13 Inhibitor (QY) als Adjuvans für die SIT benutzt. Für den Zytokininhibitor konnte gezeigt werden, dass bei einer Applikation während der allergischen Sensibilisierung die Entstehung einer TH2 Immunantwort und die Ausbildung allergischer Symptome verhindert wird. Die Applikation des Inhibitors zusammen mit einer SIT zeigte jedoch keine zusätzlichen signifikanten antiallergischen Effekte im Vergleich zur Durchführung der SIT als Monotherapie. Diese Ergebnisse deuten möglicherweise daraufhin , dass der bekannte Wechsel einer TH2 Immunantwort zu einer TH1 Antwort während der SIT nicht der Schlüsselmechanismus zu einer erfolgreichen Behandlung ist. Insbesondere weil unter der SIT auch in unserem Mausmodell die Induktion von IL-10 sezernierenden CD4+ T regulatorischen Zellen mit der Suppression der allergischen Atemwegsentzüdnung vergesellschaftet waren, so dass möglicherwiese diese Zellen für den Therapieerfolg relevant sind . Um die Rolle regulatorischer T Zellen im Allergiemodell näher zu beleuchten wurde im 2. Teil der Arbeit ein monoklonaler superagonistischer anti-CD28 Antikörper benutzt, von dem bekannt ist dass T regulatorische Zellen in vivo induziert werden. Es konnte gezeigt werden, dass die Applikation des Antikörpers während der allergischen Sensibilisierung die Etablierung einer TH2 Immunantwort verstärkte. Im Gegensatz dazu wurden durch die therapeutische Applikation des anti CD28 Antikörpers in einer etablierten Allergie, IL-10 sezernierende CD4+CD25+ T Zellen induziert, welches mit einer Abschwächung der gemessenen Allergieparameter einherging. N2 - Allergic disease are inflammatory disorders in which aberrant immune regulation occurs, and susceptible individuals mount allergen specific T helper 2 (Th2) responses, which drives disease pathology. Recent studies indicate that Th2 responses that are characteristic of allergic manifestations can be regulated by both naturally occurring CD4+CD25+ regulatory (Treg) cells and antigen-driven IL-10-secreting CD4+ regulatory T cells. Evidence is also emerging that successful Allergen specific immunotherapy (SIT) might work through the induction of IL-10-secreting regulatory T cells. In the first part of this work, I demonstrated the efficiency of allergen specific immunotherapy in the mouse model for allergic airway inflammation. Here I could show that intranasal administration of SIT abrogates allergic symptoms more efficiently, than the subcutaneous treatment. Furthermore, an IL-4/IL-13 (QY) inhibitor was used as an adjuvant for SIT, which has been demonstrated to have an anti-allergic potential, when administered prophylactically during allergic sensitization. However, the combination therapy with SIT and the inhibitory molecule QY did not show any significant enhancement in regards to all measured allergic parameters, when compared to monotherapy with SIT. These results provide the evidence, that shift from Th2 to Th1 cytokine profile might not be a key event in successful SIT. Subsequently, the investigation of immune mechanisms under successful SIT demonstrate that the increase of IL-10 secreting CD4+ T regulatory cells is associated with the suppression of airway inflammation in our mouse system, suggesting that these T cell subsets might be involved in the regulatory mechanisms of allergic disorders. In agreement with these findings is the second part of this work, where superagonistic a-CD28 mAb´s were used for the expansion of T regulatory cell subsets in our murine model for allergic airway inflammation. Here I could show, that the application of a-CD28 mAb during allergic sensitization, resulted in the establishment of a Th2 state, rather than a stimulation of a Treg cell population, supporting the Th2 promoting role of a-CD28 mAb together with TCR engagement. However, interesting findings were obtained by application of the superagonistic a-CD28 mAb in the challenge phase in established allergy. Conversely to the previous experiment, therapeutic administration of a-CD28 mAb lead to the generation of IL-10 secreting CD4+CD25+ T cell population in line with the induction of anti-allergic effects. Taking together the results of this study argue for the anti-inflammatory properties of T regulatory cells in allergic disease and highlights importance of these T cell subsets in the suppression of Th2 cell-driven response to allergen. Moreover, these observations suggest that the induction of IL-10 in vivo by T regulatory cells may represent a novel treatment strategy for allergic disorders. KW - Bronchialasthma KW - Allergie KW - Maus KW - Immuntherapie KW - Allergy KW - asthma KW - IL-4/IL-13 inhibitor KW - Mouse model of allergic airway inflammation Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-19304 ER - TY - THES A1 - Gareiß, Barbara T1 - Einfluss niedermolekularer Protein-Tyrosin-Phosphatasen von Listeria monocytogenes auf die listerielle Genexpression und Virulenz T1 - Influence of low molecular weight protein tyrosine phosphatases of Listeria monocytogenes on the listerial gene expression and virulence N2 - Im Genom von Listeria monocytogenes konnten zwei Gene identifiziert werden, die mutmaßlich für niedermolekulare Protein-Tyrosin Phosphatasen (LMW-PTPs) kodieren, Lmo0938/Ptp-1 und Lmo2540/Ptp-2, beide ähneln LMW-PTPs von B. subtilis. Einzel- und Doppeldeletionen der ptp-Gene beeinflussten die Transkription zahlreicher Gene, wie anhand von Gesamtgenom-DNA-Microarray-Analysen und quantitativer RT-PCR gezeigt werden konnten. Insbesondere waren die Gene für i) die Internaline A und B, ii) den Osmoprotektanten-Transporter OpuC, iii) MCP, notwendig zur Flagellen-Bewegung und iv) eine Anzahl von den Proteinen, die in die Nährstoffaufnahme sowie den intrazellulären Metabolismus involviert sind, in vitro herunterreguliert. Die PrfA-regulierten Virulenzgene wurden in den Mutanten verstärkt exprimiert. Im Wesentlichen konnte das gleiche Transkriptionsmuster in infizierten Caco-2-Enterocyten beobachtet werden. Die verringerte Invasivität (abhängig von InlA) und die Unbeweglichkeit der Mutanten passt zu den Transkriptionsergebnissen. Jedoch wurden weder die intrazelluläre Replikation innerhalb eukaryontischer Wirtszellen noch die Resistenz gegen Stressbedingungen durch die Deletion beeinträchtigt. Die Proteome des Wildtyps und der ptp-Mutanten wurden durch 2-dimensionale Gelelektrophorese verglichen und es zeigte sich, dass die Transkriptionsergebnisse nicht vollständig im Proteom reflektiert wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Ptps in die Regulationsnetzwerke des alternativen Stress-Sigmafaktor SigB und von PrfA eingreifen. Der ähnliche Effekt beider Ptps auf die Transkription oder auf den Proteinlevel deutet eine Interaktion oder Kooperation der beiden Enzyme an. N2 - In the genome of Listeria monocytogenes we identified two genes putatively encoding low molecular weight protein-tyrosine phosphatases (LMW PTPs), Lmo0938/Ptp-1 and Lmo2540/Ptp-2, similar to LMW PTPS of B. subtilis and S. aureus. Single and double deletions of the ptp genes affected transcription of numerous genes, shown by whole-genome DNA-microarray analysis and quantitative RT-PCR. In particular the genes for i) the internalins AB, ii) the osmoprotectant uptake system OpuC, iii) MCP, important for flagellar motion, and iv) a number of proteins involved in nutrient uptake and intracellular metabolism, were down regulated in vitro. The PrfA-regulated virulence genes were up regulated in the mutants. Essentially the same transcription pattern was observed in infected Caco-2 enterocytes. The decreased invasiveness (dependent on InlA) and non-motility of the mutants matches the transcription results. However, neither replication within eukaryotic host cells nor resistance against stress conditions was impaired by the deletions. The proteomes of wild type and Ptp-mutants were compared by 2-D-protein gel electrophoresis, surprisingly showing that the transcription results were not completely reflected in the proteome. The results show that the Ptps interfere with the stress sigma factor SigB and PrfA regulatory networks. The similar effect of both Ptps on transcription or on protein level suggests an interaction or cooperation of the two enzymes. KW - Listeria monocytogenes KW - Genexpression KW - Proteintyrosinphosphatase KW - Listeria monocytogenes KW - niedermolekulare Protein-Tyrosin-Phosphatasen KW - Transkriptionsregulation KW - Proteom KW - Invasion KW - Listeria monocytogenes KW - low molecular weight protein tyrosine phosphatase KW - transcription regulation KW - proteome KW - invasion Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-19853 ER - TY - THES A1 - Kaltenpoth, Martin T1 - Protective bacteria and attractive pheromones - symbiosis and chemical communication in beewolves (Philanthus spp., Hymenoptera, Crabronidae) T1 - Schützende Bakterien und attraktive Pheromone - Symbiose und chemische Kommunikation bei Bienenwölfen (Philanthus spp., Hymenoptera, Crabronidae) N2 - BACTERIAL ENDOSYMBIONTS OF BEEWOLVES Symbiotic interactions between different species are ubiquitous and essential components of the natural world and have probably affected the evolution of every living organism. Insects are the most diverse metazoan class on earth, and they benefit from the extensive metabolic potential of microorganisms in a wide variety of symbiotic associations. The vast majority of well-studied insect-microbe symbioses to date are nutritional interactions in which the symbionts provide their hosts with essential nutrients. Some cases, however, have been described in which symbiotic bacteria play an important role in intraspecific olfactory communication or serve as a defense against pathogens or parasitoids. This thesis reports on a unique and highly specialized association between a digger wasp, the European beewolf (Philanthus triangulum, Hymenoptera, Crabronidae), and actinomycete bacteria. In contrast to all other known symbioses, the beewolf bacteria are cultivated in the reservoirs of unique antennal glands in female beewolves. The female secretes the bacteria into its subterranean brood cells prior to oviposition. Several days later, when the beewolf larva has finished feeding on the paralyzed honeybees that had been provisioned by the mother, it takes up the bacteria and applies them to the cocoon silk during the spinning process. On the cocoon, the symbionts play an important role in reducing the incidence of fungal infestation and thereby significantly enhance the survival probability of the larva in the cocoon during the long and potentially very dangerous inactive phase of hibernation in the underground brood cell. Observations of beewolf larvae as well as experiments in which female beewolf larvae were reared in the absence of the bacteria suggest that the symbionts are transmitted vertically from mothers to daughters. Presumably, the bacteria are taken up from the cocoon during eclosion and incorporated into the antennal gland reservoirs. Phylogenetic analyses of hosts and symbionts as well as artificial transfer experiments are necessary to investigate whether horizontal transmission of bacteria between beewolf species may occasionally occur. Genetic analyses revealed that the symbionts constitute an undescribed species of the genus Streptomyces within the eubacterial family Actinomycetaceae. 16S rDNA primers and an oligonucletide probe were designed for the specific detection of the Philanthus endosymbionts by PCR and fluorescence in-situ hybridization (FISH). By PCR-based screening, closely related endosymbionts were found in 28 Philanthus species and subspecies. By contrast, no symbionts could be detected in closely related genera of the subfamily Philanthinae (Aphilanthops, Clypeadon, Cerceris), indicating that the symbiosis might be restricted to the genus Philanthus. Based on almost complete 16S rRNA gene sequence data, the symbionts of all analyzed Philanthus species formed a monophyletic clade within the genus Streptomyces, indicating that the symbiosis is highly specific and most likely the product of a long history of coevolution and cospeciation. Sequence divergences among symbionts suggest an origin of the Philanthus- Streptomyces association about 26-67 million years ago, which may have coincided with the origin of the genus Philanthus. On the basis of 16S rDNA sequences and ultrastructural data, the new taxon ‘Candidatus Streptomyces philanthi’ is proposed for the antennal symbionts of Philanthus species, with symbionts from different host species being treated as ecotypes and named according to their hosts (e.g. ‘Candidatus Streptomyces philanthi triangulum’). It is not yet clear how the bacteria benefit from the association with Philanthus species. Certainly, they obtain an unoccupied and presumably competition-free niche in the beewolf antennae and a reliable transmission route to the next generation. Additionally, several pieces of evidence suggest that they may also receive nutrients from their host: (1) Females secrete massive amounts of bacteria into each brood cell and sometimes construct several brood cells per day; thus, the bacteria have to grow quickly inside the antennal gland reservoirs to replenish the stock for further brood cells. (2) The reservoirs are surrounded by class 3 gland cells that may supply the bacteria with nutrients (e.g. amino acids). (3) One of the walls bordering the antennal gland is of a net-like structure, thus, possibly allowing hemolymph to enter the reservoir lumen and provide nutrients to the symbionts. This possibility is further substantiated by chemical analyses of the hydrocarbon profile of the antennal gland secretion and female hemolymph, which revealed very similar compositions. The beewolf-Streptomyces symbiosis constitutes the first known case of bacteria being cultivated in insect antennae and one of the few examples involving the pharmaceutically important group of actinomycete bacteria as insect endosymbionts. Further studies on ecological and evolutionary aspects of the symbiosis will provide valuable insights into the importance of actinomycete bacteria for pathogen defense in insects and may also identify novel secondary metabolites with antibiotic properties that might prove useful for human medicine. CHEMICAL COMMUNICATION AND MATE CHOICE IN THE EUROPEAN BEEWOLF Chemical signals constitute both the most ancient and the most common form of communication among organisms. In insects, pheromones play an essential role in mediating intraspecific communication. Many recent studies have investigated the importance of insect olfactory signals in the context of courtship and mating. However, since most of these studies have focused on female pheromones, male sex pheromones have as yet received little attention despite their potential ecological as well as evolutionary importance for mate attraction and mate choice. Male European beewolves establish and defend small territories that they mark with a secretion from cephalic glands. Presumably, the secretion acts as a sex pheromone and attracts receptive females to the territory. Since male territories are clumped around female nesting sites, females have the opportunity to choose among potential mates. The marking pheromone of male beewolves varies with kinship, and it is demonstrated here that geographic origin, age and size also affect the amount and/or composition of the pheromone. Thus, the marking secretion contains information on a variety of male characters that may be important in the context of female choice. Both genetic distance (“optimal outbreeding”) and overall genetic quality (“good genes”) of a male might influence female mating decisions in the European beewolf. Polymorphic microsatellite markers are presented for the European beewolf that facilitate female choice experiments by genetic paternity analysis. N2 - BAKTERIELLE ENDOSYMBIONTEN DER BIENENWÖLFE Symbiontische Interaktionen zwischen verschiedenen Arten stellen allgegenwärtige und essentielle Bestandteile natürlicher Systeme dar und haben wahrscheinlich die Evolution jedes rezenten Lebewesens beeinflusst. Insekten als die diverseste Metazoen-Klasse der Erde profitieren von dem außerordentlichen metabolischen Potenzial vieler Mikroorganismen in einer großen Anzahl mutualistischer Assoziationen. Die große Mehrheit der bisher untersuchten Symbiosen zwischen Insekten und Mikroorganismen stellen Interaktionen dar, in denen die Wirte durch die Symbionten mit essentiellen Nährstoffen versorgt werden. Es sind jedoch auch einige Fälle bekannt, in denen symbiontische Bakterien eine wichtige Rolle für die intraspezifische olfaktorische Kommunikation spielen oder zur Verteidigung gegen Pathogene oder Parasitoide dienen. Die vorliegende Arbeit untersucht eine hoch spezialisierte Assoziation zwischen einer Grabwespen-Art, dem Europäischen Bienenwolf (Philanthus triangulum, Hymenoptera, Crabronidae), und Bakterien aus der Familie der Actinomyceten. Die bakteriellen Symbionten sind an einem einzigartigen Ort zu finden: Sie werden in den Reservoiren spezialisierter Antennendrüsen weiblicher Bienenwölfe kultiviert. Das Weibchen sezerniert vor der Eiablage große Mengen dieser Bakterien in die unterirdischen Brutkammern. Wenn die Bienewolf-Larve einige Tage später ihre Nahrungsaufnahme an den von der Mutter als Nahrungsvorrat bereitgestellten Honigbienen beendet hat, nimmt sie die Bakterien auf und spinnt sie in ihren Kokon mit ein. Dort erfüllen die Symbionten eine wichtige Funktion, indem sie den Schimmelbefall herabsetzen und dadurch die Überlebenschancen der Larve im Kokon während der langen und gefährlichen Winterruhe signifikant erhöhen. Experimente, in denen Bienenwolf-Weibchen ohne die Bakterien aufgezogen wurden, und Beobachtungen an Bienenwolf-Larven deuten darauf hin, dass die Symbionten vertikal von der Mutter an die Töchter weitergegeben werden. Vermutlich werden die Bakterien während des Schlupfes oder kurz davor vom Kokon in die Antennendrüsen-Reservoire aufgenommen. Phylogenetische Untersuchungen von Wirten und Symbionten sowie Transfer-Experimente mit den Bakterien wären notwendig, um herauszufinden, ob ein horizontaler Austausch der Symbionten zwischen verschiedenen Bienenwolf-Arten möglich ist. Genetische Analysen zeigen, dass die Symbionten einer unbeschriebenen Art der Gattung Streptomyces innerhalb der Actinomyceten angehören. 16s rDNA Primer und eine fluoreszenzmarkierte Oligonukleotid-Sonde wurden entwickelt, um die Bienenwolf-Symbionten mittels PCR und Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH) spezifisch nachweisen zu können. Mit Hilfe von PCR und Sequenzierungen der 16s rDNA konnten nah verwandte Endosymbionten in den Antennen von 28 Arten und Unterarten der Gattung Philanthus festgestellt werden, nicht aber in anderen Gattungen der Unterfamilie Philanthinae (Aphilanthops, Clypeadon, Cerceris), so dass die Symbiose auf die Gattung Philanthus beschränkt zu sein scheint. Phylogenetische Untersuchungen auf der Grundlage nahezu kompletter 16s rDNA-Sequenzen belegen, dass die Symbionten aller analysierten Bienenwolf- Arten eine monophyletische Gruppe innerhalb der Gattung Streptomyces bilden, was darauf hindeutet, dass die Symbiose hoch spezifisch ist und wahrscheinlich das Ergebnis einer langen Koevolution und Kospeziation darstellt. Anhand von Sequenzunterschieden zwischen den Symbionten lässt sich das Alter der Assoziation zwischen Philanthus und Streptomyces auf etwa 26-67 Millionen Jahre schätzen, was der Entstehung der Gattung Philanthus entsprechen könnte. Auf der Basis von 16s rDNA Sequenzen und Ultrastruktur-Daten wurden die Antennensymbionten der Bienenwölfe als neues Taxon ‚Candidatus Streptomyces philanthi’ beschrieben, wobei die Symbionten verschiedener Wirtsarten als Ökotypen behandelt und nach der Wirtsart benannt wurden (z.B. ‚Candidatus Streptomyces philanthi triangulum’). Wie die Bakterien von der Assoziation mit Bienenwölfen profitieren, ist noch unklar. Auf jeden Fall wird ihnen vom Wirt eine unbesetzte und wahrscheinlich konkurrenzfreie ökologische Nische in den Antennen sowie eine zuverlässige Weitergabe an die nächste Generation garantiert. Außerdem sprechen einige Hinweise für eine Versorgung der Bakterien mit Nährstoffen durch den Bienenwolf: (1) Weibchen legen manchmal mehrere Brutkammern pro Tag an und sezernieren jedes Mal große Mengen an Bakterien; die Bakterien müssen sich also in den Drüsen-Reservoiren schnell vermehren, um den Vorrat an Symbionten wieder aufzufüllen. (2) Die Reservoire sind von Typ 3-Drüsenzellen umgeben, die die Bakterien mit Nährstoffen versorgen könnten. (3) Eine der Reservoir-Wände weist eine netzartige Struktur auf, die möglicherweise den Eintritt von Hämolymphe und damit von Nährstoffen in das Reservoir zulässt. Dies wird durch chemische Analysen der Kohlenwasserstoffe in der Hämolymphe und in dem Antennendrüsen-Sekret untermauert, die sehr ähnliche Zusammensetzungen aufweisen. Die Assoziation zwischen Bienenwölfen und Streptomyceten stellt den ersten bekannten Fall einer Symbiose dar, bei der Bakterien in den Antennen von Insekten kultiviert werden, und sie repräsentiert eines von wenigen Beispielen für Actinomyceten als Symbionten von Insekten. Weitere Untersuchungen evolutionärer und ökologischer Aspekte dieser Symbiose werden wertvolle Erkenntnisse über die Bedeutung von Actinomyceten für die Pathogen-Abwehr bei Insekten liefern und könnten sogar zur Entdeckung neuer Sekundärmetabolite mit antibiotischen Eigenschaften für die Verwendung in der Humanmedizin führen. CHEMISCHE KOMMUNIKATION UND PARTNERWAHL BEIM EUROPÄISCHEN BIENENWOLF Chemische Signale stellen sowohl die älteste als auch die am weitesten verbreitete Form von Kommunikation zwischen Organismen dar. Bei Insekten spielen Pheromone eine essentielle Rolle für die intraspezifische Kommunikation, und eine Vielzahl aktueller Untersuchungen belegt die Bedeutung olfaktorischer Signale für die Balz und Paarung. Die meisten dieser Studien konzentrieren sich jedoch auf Weibchen-Pheromone, während von Männchen produzierte Pheromone trotz ihrer ökologischen und evolutionären Bedeutung für die Partneranlockung und Partnerwahl bisher wenig Beachtung gefunden haben. Männchen des Europäischen Bienenwolfes etablieren und verteidigen Territorien, die sie mit einem Kopfdrüsen-Sekret markieren. Dieses Sekret wirkt höchstwahrscheinlich als ein Sex- Pheromon und lockt paarungsbereite Weibchen an. Da Männchen-Territorien meist aggregiert in der Nähe von Weibchennestern auftreten, haben die Weibchen die Möglichkeit, zwischen verschiedenen potenziellen Paarungspartnern zu wählen. Die chemischen Analysen der vorliegenden Arbeit zeigen, dass die Zusammensetzung und Menge des männlichen Markierpheromons vom Verwandtschaftsgrad, der Herkunft, dem Alter und der Größe der Männchen abhängen. Das Pheromon beinhaltet demnach Informationen über eine Vielzahl von Eigenschaften der Männchen, die für die Weibchenwahl von Bedeutung sein könnten. Sowohl die genetische Distanz („optimal outbreeding“) als auch die allgemeine genetische Qualität („good genes“) eines Männchens könnte die Partnerwahl der Bienenwolf-Weibchen beeinflussen. In dieser Arbeit für den Europäischen Bienenwolf entwickelte polymorphe Mikrosatelliten legen den Grundstein für Vaterschaftsanalysen und ermöglichen so die Durchführung und Auswertung von Experimenten zur Weibchenwahl bei dieser Art. KW - Philanthus KW - Symbiose KW - Pheromon KW - Symbiose KW - Sphecidae KW - Pheromon KW - Bienenwolf KW - chemische Kommunikation KW - symbiosis KW - Sphecidae KW - pheromone KW - beewolf KW - chemical communication Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-20867 ER - TY - THES A1 - Gareiß, Martin T1 - Molekulare Charakterisierung und entwicklungsspezifische Expression der Kernmembranproteine Emerin und MAN1 im Tiermodell Xenopus laevis T1 - Molecular characterization and developmental expression of the nuclear membrane proteins ,emerin’ and ,MAN1’ in the model system Xenopus laevis N2 - Mutationen im humanen Emerin-Gen verursachen beim Menschen eine angeborene Muskelschwäche, die X-gebundene Emery-Dreifuss. Der Phänotyp dieser Störung manifestiert sich in der zweiten und dritten Lebensdekade durch Verkürzungen der Nacken , Ellenbogen- und Achillessehnen, progressiven Muskelschwund am Oberkörper sowie Störung der Reizweiterleitung und eine Kardiomyopathie. Zwar wurden die Funktionen dieses ubiquitären Kernmembranproteins bislang intensiv erforscht, allerdings blieben die krankheitsverursachenden Mechanismen, die für den späten Ausbruch der gewebespezifischen Erkrankung verantwortlich sind, noch weitestgehend unverstanden. Um Erkenntnisse über die pathologische(n) Funktion(en) des integralen Membranproteins Emerin zu gewinnen, wurde dessen spatio-temporäre Transkriptions- und Expressionsmuster während der frühen Embryonalentwicklung im Modellsystem Xenopus laevis charakterisiert. Durch EST-Datenbankanalysen konnten in der pseudotetraploiden Spezies zwei Emerin-Gene (Xemerin1 und -2) identifiziert werden. Im Unterschied zu dem längeren Säuger-Emerin (254 Reste bei Homo sapiens ) konnte allerdings kein Kernlokalisationssignal und auch kein serinreicher Sequenzbereich festgestellt werden. Durch Herstellung monoklonaler Antikörper wurde die subzelluläre und gewebespezifische Lokalisation der Xemerin-Proteine untersucht. Interessanterweise war Xemerin weder in der Immunfluoreszenz noch im Immunblot in Oozyten nachweisbar. Mit dem zweidimensionalen Gelektrophorese-Verfahren NEPHGE konnte gezeigt werden, dass der von uns hergestellte monoklonale Antikörper 59/7 beide Xemerin-Formen erkannte und die Proteine durch unterschiedliche molekulare Massen und isoelektrische Punkte voneinander zu trennen waren. Durch Immunoblotting embryonaler Proteine aus unterschiedlichen Entwicklungsstadien konnte gezeigt werden, dass Xemerin1 und -2 im Laufe der Embryogenese von Xenopus laevis erstmals im Entwicklungsstadium 43 exprimiert werden. Unerwarteterweise konnte durch RT-PCR-Analysen eine Aktivität der Xemerin-Gene während der gesamten Embryogenese belegt werden. Northernblot- und Sequenzanalysen der Xemerin-mRNA zeigten außerordentlich große untranslatierte Bereiche mit snRNP-Bindungsmotiven. Durch zwei voneinander unabhängige Analyseverfahren wurde festgestellt, dass die Xemerin-Genaktivität ab dem Stadium 30 deutlich zunahm. Äußerst interessant war in diesem Zusammenhang die Beobachtung, dass exakt zu diesem Zeitpunkt die Aktivität des XMAN1-Gens, einem weiteren Protein der inneren Kernmembran, signifikant herunterreguliert wurde. Whole-mount in situ Hybridisierungsversuche zeigten einen Xemerin-Expressionsschwerpunkt in neuro-ektodermalen Geweben von Tadpole-Embryonen, wie dies auch von XMAN1 (auch SANE genannt) berichtet wurde. Aufgrund dieser Erkenntnisse wurde angenommen, dass Xemerin und XMAN1 überlappende Funktionen aufweisen. Durch die Herstellung rekombinanter Fusionproteine konnte gezeigt werden, dass XMAN1 eine identische subzelluläre Verteilung wie Xemerin aufwies. In vitro Bindungsassays wiesen eine direkte Wechselwirkung von XMAN1 mit beiden Xemerin-Formen sowie mit Xenopus Lamin A nach. Diese Arbeit konnte durch die Charakterisierung von Xenopus Emerin die Grundlagen für weitere intensive Forschungen legen und zeigt eindeutig, dass das Modellsystem Xenopus laevis mit dem Säugermodell Maus konkurrenzfähig ist, um die krankheitsverursachende Mechanismen der Emery-Dreifuss Muskeldystrophie aufzuklären. N2 - Mutations in the human emerin gene EMD cause a rare form of an inheritated muscle dysfunction of striated muscle, named Emery-Dreifuss muscular dystrophy (EDMD1; OMIM 310300). The clinical phenotype of this genetic perturbance is manifested in 2nd-3rd decade by contraction of the cervical, elbow and Achilles tendons, by progressive muscle wasting and disturbance of the conduction system and cardiomyopathy, often leading to sudden death. Extensive investigations were made on the functions of this ubiquitous nuclear membrane protein, but the disease causing mechanisms remain obscure leading to the late onset of this tissue specific disease. To allure insights of the pathological function(s) of emerin this work examines the spatio-temporal transcription and expression patterns of emerin during development of the vertebrate model Xenopus laevis. Sequence analysis of EST-databases identified two emerin genes in the pseudo-tetraploid organism Xenopus laevis, Xemerin1 and Xemerin2, respectively. In comparison to the human and murine orthologues Xenopus emerins exhibit both similarities and differences. Structural analyses revealed an N-terminal conserved LEM-domain in the C-terminus and a unique hydrophobic transmembrane domain in the carboxy tail. Unlike the extended mammalian emerin (Homo sapiens 254 residues, Mus musculus 259 residues) neither a nucleus localization signal nor a serinerich region could be detected. However, comparison of the putative phosphorylation sites showed three equivalent sites as for the human emerin. Synthesis of specific monoclonal antibodies and recombinant fusion proteins elucidate the subcellular and tissue-specific localization of Xemerins. Similar to mammalian emerins immunofluorescence microscopy and immunoblotting showed clearly that both Xemerin1 and Xemerin2 are integral nuclear membrane proteins expressing ubiquitously in differentiated cells. Intriguingly, in oocytes Xemerin was undetectable by immunofluorescence and immunoblotting, respectively. Two-dimensional gel electrophoresis NEPHGE proved that our self-made monoclonal antibody 59/7 recognized both Xemerins highlighting two different molecular masses and isoelectric points. Interestingly, Xemerin2 exhibits an increased isoelectric point in 5-days old larvae than in adult somatic culture cells. Immunoblotting of embryonic proteins derived from different developmental stages showed that Xemerin1 and -2 are expressed in stage 43 (Nieuwkoop and Faber, 1975) during Xenopus embryogenesis for the first time. In this context, it is noteworthy that Xenopus A-type lamins – in contrast to previous reports – are already detectable in stage 28. Unexpectedly, RT-PCR analyses proved activity of the Xemerin genes during entire embryogenesis in all stages examined yet. Northern-blotting and sequence analyses of the Xemerin mRNA revealed exceeding untranslated regions with snRNP binding motives. Two independent techniques (band-quantification and quantitative real-time-PCR) bared a significantly increased activity of the Xemerin-genes upon stage 30. Outstanding interest provided the awareness, that exactly at this moment the activity of XMAN1, another inner nuclear membrane protein, was significantly down regulated. Whole mount in situ hybridizations exhibited stressed Xemerin expression in neuro-ectodermal tadpole tissues, as simultaneously reported for XMAN1 (also known as SANE) by to other groups (Osada et al., 2003; Raju et al., 2003). Congruent expression patterns of Xemerin proteins were provided by indirect immunofluorescence of embryonic thin-sections. These results corroborate the theory that XMAN1 and Xemerin could have overlapping functions. At first, recombinant fusion proteins showed an identical subcellular distribution of XMAN1 in comparison with Xemerin. Hence, in vitro binding assays proved direct interaction between Xemerins and XMAN1 as well as with Xenopus A-type lamins. Unfortunately, there is no functional XMAN1 antibody available up to now. Thus, it remains unclear if XMAN1 has overlapping functions with Xemerins during embryogenesis in vivo. Nevertheless, by characterizing Xenopus emerin this work displayed fundamental features for further studies. This opus definitely showed that the model system Xenopus laevis is competitive to the mammalian model ‘mouse’ elucidating the disease causing mechanisms of Emery-Dreifuss muscular dystrophy. KW - Glatter Krallenfrosch KW - Emerin KW - Oozyte KW - Xenopus laevis KW - Emerin KW - MAN1 KW - Oozyte KW - Embryonalentwicklung KW - Xenopus laevis KW - emerin KW - MAN1 KW - oocyte KW - early development Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-19869 ER - TY - THES A1 - Schär, Jennifer T1 - Molekulare Charakterisierung der Response-Regulatoren ArsR (HP0166), HP1043 und HP1021 von Helicobacter pylori T1 - Molecular characterisation of the response regulators ArsR, HP1043, HP1021 of Helicobacter pylori N2 - Bakterien müssen ständig in der Lage sein auf Veränderungen in ihrer Umwelt reagieren zu können. Zur Wahrnehmung dieser Veränderungen haben sich unterschiedliche Signaltransduktionssysteme entwickelt. Ein weit verbreiteter und gut charakterisierter Mechanismus zur Signaltransduktion sind die so genannten Zwei-Komponentensysteme. Im Genom von H. pylori konnten nur wenige Bestandteile von Zwei-Komponentensystemen identifiziert werden. Dazu zählen neben dem Chemotaxis-System lediglich drei Histidin-Kinasen, ArsS, CrdS und FlgS, und fünf Response-Regulatoren HP1021, HP1043, ArsR, CrdR und FlgR, die vermutlich Transkriptions-regulatorische Funktionen haben. Zwei der Response-Regulatoren, HP1043 und ArsR als essentiell für das Überleben von H. pylori, während HP1021 einen deutlichen Einfluss auf das Zellwachstum hat, da ein Wachstums-Defekt zu erkennen ist, wenn das entsprechende Gen hp1021 deletiert wird. Eine Deletion von arsS, dem Gen der zugehörigen Histidin-Kinase von ArsR, hat unter Standard-Wachstumsbedingungen keine Auswirkung auf das Zellwachstum von H. pylori. Diese Beobachtung spricht für die Hypothese, dass der Response-Regulator ArsR die Transkription zweier unterschiedlicher Sets von Zielgenen kontrolliert. Demzufolge reguliert der Response-Regulator ArsR nach Säure-induzierter Phosphorylierung durch ArsS die Transkription von Genen, die zur Säureresistenz beitragen, während ArsR im nicht-phosphorylierten Zustand die Transkription von weiteren Zielgenen kontrolliert, von denen mindestens eines für das Zellwachstum essentiell sein sollte. Das durch ArsR~P kontrollierte Regulon konnte bereits weitgehend charakterisiert werden allerdings sind die Zielgene des unphosphorylierten Regulators bislang unbekannt. In der vorliegenden Arbeit konnte die zuvor beschriebene Hypothese bestätigt werden, da gezeigt wurde, dass ein Derivat von ArsR, mit einer Mutation der Phosphorylierungsstelle D52 zu N52, das wildtypische Protein bezüglich des Zellwachstums unter Standardbedingungen funktionell ersetzen kann. Für die Response-Regulatoren HP1021 und HP1043 konnte bislang keine zugehörige Histidin-Kinase identifiziert werden und interessanterweise findet man in der Receiver-Domäne dieser Response-Regulatoren atypische Abweichungen von der Konsensus-Sequenz. Um die Bedeutung dieser atypischen Primärsequenzen für die Funktion dieser Response-Regulatoren zu untersuchen wurden mutierte H. pylori-Stämme konstruiert, die ausschließlich Derivate von HP1021 bzw. HP1043 exprimieren, die in ihrer Receiver-Sequenz der Konsensus-Sequenz entsprachen. Da diese Mutanten sich bezüglich ihres Zellwachstums nicht vom Wildtyp unterscheiden, konnte nachgewiesen werden, dass die atypischen Receiver-Sequenzen der beiden Response-Regulatoren nicht entscheidend für die Funktionen der Response-Regulatoren sind. Weiterhin konnten Indizien dafür gesammelt werden, dass HP1021 und HP1043 hinsichtlich ihrer Aktivierung vermutlich vom üblichen Zwei-Komponentenparadigma abweichen. Derivate von HP1021 und HP1043 mit Mutationen ihrer putativen atypischen Phosphorylierungsstelle sind in der Lage ihre wildtypischen Pendants hinsichtlich der bekannten Phänotypen funktionell zu ersetzen. Somit ist eine Phosphorylierung der Receiver-Domäne dieser Response-Regulatoren keine Voraussetzung für ein normales Zellwachstum von H. pylori. Diese Hypothese wird gestützt durch die Beobachtung, dass ein Ortholog von HP1043 aus C. jejuni CJ0355, das natürlicherweise an der potentiellen Phosphorylierungsstelle einen nicht phosphorylierbaren Aminosäurerest trägt, HP1043 in seiner Funktion ersetzen kann. Es konnte gezeigt werden, dass in vitro keine Phosphorylierung durch radioaktiv markiertes Acetylphosphat stattfindet und dass ein H. pylori-Stamm mit einer Deletion der Gene pta und ackA, welche Proteine kodieren, die bei der Synthese von zellulärem Acetylphosphat benötigt werden, einen normalen Wachstums-Phänotyp zeigt. Zusätzlich konnten in einer massenspektrometrischen Analyse des Proteins HP1021, welches nach Zweidimensionaler Gelelektrophorese von Gesamtzellproteinlysaten aus H. pylori isoliert wurde, keine Hinweise auf eine Serinphosphorylierung entdeckt werden. Es ist daher fraglich ob in vivo eine funktionell relevante Phosphorylierung stattfindet. Die Mechanismen zur Modulation der Regulator-Aktivität von HP1043 und HP1021 bleiben unklar. In der vorliegenden Arbeit konnte demonstriert werden, dass eine strikte Transkriptionskontrolle nicht für die Zellwachstums-assoziierten Funktionen von HP1021 von Bedeutung ist. Dagegen wurden Hinweise darauf erzielt, dass die Expression von HP1043 auf einem posttranskriptionellen und/oder auf einem posttranslationellen Level reguliert wird. Es waren bislang keine Zielgene von HP1021 bekannt. Durch vergleichende Zweidimensionale Gelelektrophorese der H. pylori Stämme 26695 und 26695 1021Δ konnten einige potentielle Zielgene des Response-Regulators HP1021 identifiziert werden. N2 - Bacteria need to react instantaneously on changes in their environment. For the sensing of environmental changes many different signaltransduction-systems have been evolved and the most widespread and well-characterised mechanism for signal transduction among the bacteria are the so called two-component systems. The genome of Helicobacter pylori encodes only a few proteins which are part of a two-component system. In addition to the chemotaxis-system there are just three histidine kinases, ArsS (HP0165), CrdS (HP1364) and HP0244, and five response regulators HP1021, HP1043, ArsR (HP0166), CrdR (HP1365) and HP0703, which are probably involved in transcriptional regulation (Alm et al., 1999; Tomb et al., 1997). Interestingly two of the response regulators, HP1043 and ArsR (HP0166) proved to be essential for the survival of H. pylori, while the response regulator HP1021 has a distinct influence on the cell-growth, as indicated by a severe growth defect when hp1021 is deleted (Beier & Frank, 2000; McDaniel et al., 2001; Schär, 2001). Under standard growth-conditions, the deletion of arsS (hp0165), encoding the cognate histidine kinase of ArsR (HP0166), has no effect on the cell-growth of H. pylori. This observation argues for the hypothesis that the response regulator ArsR (HP0166) controls the transcription of two different sets of target-genes. Upon acid-induced phosphorylation via ArsS (HP0165), the response regulator ArsR (HP0166) regulates the transcription of genes which are involved in acid resistance mechanisms, while in an unphosphorylated state ArsR (HP0166) controls other target genes, of which at least one is essential for cell-growth. The regulon controlled by ArsR~P (HP0166~P) has been extensively studied (Dietz, 2002; Forsyth et al., 2002; Pflock et al., 2004; Pflock et al., 2006; Pflock et al., 2005), while target genes of the unphosphorylated response regulator are so far unknown. In this work this hypothesis could be proven. It was shown that a derivative of ArsR (HP0166), with a mutation of the phosphorylation site D52 to N52, is able to substitute the wildtype protein functionally with respect to cell-growth. In the case of the response regulators HP1021 and HP1043 no cognate histidine kinases have been identified so far (Beier & Frank, 2000). Interestingly the receiver domains of the response regulators differ from the consensus sequence at highly conserved aminoacid residues. To investigate the importance of the atypical primary sequences for the function of HP1021 and HP1043, mutated H. pylori strains expressing exclusively derivatives of HP1021 or HP1043 with receiver sequences matching the consensus sequence were constructed. As these mutants did not show differences in cell-growth in comparison to the wildtype strain, it was proven that the atypical receiver sequences are not crucial for cell growth. Furthermore, indications could be found that HP1021 and HP1043 presumably differ from the common two component paradigm regarding their activation. Derivatives of HP1021 and HP1043 with mutations in their putative phosphorylation sites could functionally complement their wildtype counterparts with regards to cell growth. Therefore the phosphorylation of the receiver domain of these response regulators is not a pre-requisite for normal cell growth of H. pylori. In line with this hypothesis it could be demonstrated that there is no in vitro phosphorylation of the receiver domain of HP1021 and HP1043 with radioactive labelled acetylphosphate and that a H. pylori strain which a deletion of the genes pta and ackA, encoding proteins involved in the synthesis of acetylphosphate in the cell, showed a normal growth-phenotype. Moreover, when the protein HP1021, which was isolated by two-dimensional gelelectrophoreses, was analysed by mass spectrometry no evidence of a serine phosphorylation was obtained. Aditionally the observation that deletion of hp1043 can be complemented by the C. jejuni ortholog cj0355 encoding a response regulator protein with an asparagine residue replacing the consensus phosphate-accepting aspatic acid residue supports this hypothesis. Therefore it is questionable whether in vivo there is a phosphorylation which is functional relevant at all at the receiver domain. The mechanisms by which the activity of the Response-Regulators HP1021 and HP1043 is modulated still remain unclear. Here it could be demonstrated that strict transcriptional control of its expression is not relevant for the cell-growth associated function of HP1021. In contrast there are hints that the expression of HP1043 is controlled on a post-transcriptional and/or a post-translational level. Up to now no target genes of HP1021 were known. Using comperative two-dimensional gelelectrophoresis some potential target genes have been identified, among others HP0695, FadA and the Catalase. KW - Helicobacter pylori KW - Signaltransduktion KW - Genregulation KW - Response-Regulator KW - Helicobacter pylori KW - Zwei-Komponentensystem KW - essentiell KW - orphan KW - response regulator KW - Helicobacter pylori KW - two component system KW - essential KW - orphan Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-21855 ER - TY - THES A1 - Porsche, Christian T1 - Neuronale Plastizität im Hippocampus der Maus : Die Rolle von Neurotrophine und Cytokinen N2 - Neurotrophe Faktoren haben ein breites Aufgabenfeld und spielen eine wichtige Rolle als Überlebensfaktoren embryonaler Neurone, bei Proliferation und Differenzierung im Nervensystem sowie als Modulatoren synaptischer Plastizität. Im ersten Themenkomplex der vorliegenden Arbeit wurden neurotrophe Faktoren als Modulatoren synaptischer Plastizität und ihr Einfluß auf die BDNF-Regulation im Hippocampus untersucht. Dabei wurde zunächst das selbsthergestellte polyclonale BDNF-Immunserum für die Anwendung in der Immunhistochemie und im Western Blot optimiert, doch es konnten bezüglich BDNF keine Veränderungen in Hippocampi CNTF-defizienter Mäuse gegenüber Wildtyp-Tieren festgestellt werden. Die Ergebnisse der Voruntersuchungen, die im Hippocampus CNTF-defizienter Tiere verminderte BDNF-Level gezeigt hatten, konnten somit nicht verifiziert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde an CNTF-defizienten Mäusen eine eingeschränkte LTP und LTD nachgewiesen. Zum besseren Verständnis der – laut LTP-Untersuchungen – veränderten Situation an der hippocampalen CA1-Synapse bei CNTF-defizienten Tieren wurden elektronenmikroskopische Bilder dieser Region angefertigt, deren Auswertung keine augenscheinlichen Unterschiede ergab. Im Stratum radiatum der CA1-Region war zudem keine spezifische CNTF-Färbung nachweisbar. Zur Klärung der Frage, ob es IGF-vermittelt nach Training zu hippocampaler BDNF-Hochregulation kommt, wurden Laufradexperimente mit wildtypischen und konditionalen IGF1-Rezeptor-knockout Mäusen durchgeführt und die jeweiligen BDNF-Level untersucht. Dabei wurde BDNF durch Laufradtraining in beiden Genotypen in ähnlichem Maße hochreguliert, was für alternative Wege der BDNF-Hochregulation spricht. Der zweite Themenkomplex befasste sich mit dem Einfluß neurotropher Faktoren auf die Proliferation und Differenzierung in Hippocampus und Cortex. BrdU-Inkorporationsexperimenten zeigten in der Körnerzellschicht des Gyrus dentatus gesteigerte Proliferationsraten bei CNTF-defizienten und CNTF&LIF-defizienten Mäusen, wobei LIF-defiziente Tiere keine veränderten Proliferationsraten zeigten. Untersuchungen an Kulturen cortikaler Vorläuferzellen bestätigten die Hypothese, wonach cortikale Vorläuferzellen zunächst Neurone bilden, die einen Faktor sezernieren, der auf die cortikalen Vorläuferzellen wirkt und sie zur Bildung von Astrozyten veranlasst. Es konnte gezeigt werden, dass CT-1 der Hypothese folgend in vitro und in vivo für die Einleitung der Astrozytogenese im Cortex verantwortlich ist. N2 - Neurotrophic factors are central to many facets of CNS function. They act as survival factors during embryonic development, mediate proliferation, differentiation and survival also in the adult nervous system and play an important role for activity-dependent forms of synaptic plasticity. The first part of this work was addressed to neurotrophic factors as modulators of synaptic plasticity and examined their role for BDNF-regulation within the hippocampal formation. Initially our polyclonal BDNF-immune serum was optimized for the use in immunohistochemistry and Western blot-analysis. No differences concering BDNF-protein in hippocampi of CNTF-deficient mice compared with wildtype were found. Previous data, showing decreased hippocampal BDNF-level in CNTF-deficient mice, could therefore not be verified. Interestingly an impaired LTP and LTD was observed in CNTF-deficient mice.To understand the changed situation at hippocampal CA1-synapse in these mice, leading to an impaired LTP, we used electronmicroscopy, but no apparent differences were seen. In Stratum radiatum of CA1 region no specific CNTF-staining was detectable. To address the question, whether IGF mediates the effect of physical training resulting in BDNF-upregulation within the hippocampus, we performed voluntary running experiments with conditional IGF1-receptor-knockout and with wildtype mice and analysed the BDNF-levels. It was shown that BDNF-upregulation after physical training occurred in both genotypes to a similar extent, suggesting alternative ways of BDNF-upregulation. The second part dealt with the influence of neurotrophic factors on proliferation and differentiation in hippocampus and cortex. Via BrdU-incorporation experiments the different proliferation rates in the subgranular zone of the dentate gyrus were analysed. CNTF-deficient mice and CNTF&LIF-deficient mice showed increased proliferation rates compared with wildtype, whereas LIF-deficient mice had normal proliferation rates. Precursor cells of the embryonic cortex sequentially generate neurons and then glial cells, but the mechanisms regulating this neurogenic-to-gliogenic transition were unclear. Using cortical precursor cultures, which temporally mimic this in vivo differentiation pattern, we demonstrated that cortical neurons synthesize and secrete the neurotrophic cytokine CT-1, which is essential for the timed genesis of astrocytes in vitro. Our data indicate that a similar phenomenon also occurs in vivo. KW - Maus KW - Hippocampus KW - Neuronale Plastizität KW - Neurotropher Faktor KW - Cytokine KW - neuronale Plastizität KW - Hippocampus KW - neurotrophe Faktoren KW - BDNF KW - LTP Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-21968 ER - TY - THES A1 - Götzke, Armin T1 - Entwicklung einer Naturschutzkonzeption in Weinbaugebieten auf der Grundlage einer vergleichenden Untersuchung faunistischer und betriebswirtschaftlicher Parameter praxisüblich und ökologisch erzeugender Weinbaubetriebe T1 - Development of a conservation strategy in winegrowing regions by comparing faunistic and microeconomic parameters of conventional and organic winegrowers N2 - 1) Wenn der Erhalt der biologischen Vielfalt gesellschaftliche Zielvorgabe ist und dafür landwirtschaftlich genutzte Flächen einbezogen werden sollen, sind Maßnahmen zu präferieren, deren Opportunitätskosten gering sind. Diese Arbeit stellt den Versuch dar, solche Maßnahmen am Beispielsystem „Weinbau“ zu entwickeln. 2) Die Anbauform „Weinbau“ ist für diese Studie aus folgenden Gründen besonders geeignet: Rebflächen sind an Standorte mit besonderen klimatischen Bedingungen gebunden, die ebenfalls für Lebensgemeinschaften von Bedeutung sind, die in Deutschland als besonders gefährdet gelten (thermophile und xerothermophile Gemeinschaften). Auch die speziellen, früher artenreichen „Weinbergsgesellschaften“ (Flora und Fauna) verdienen besondere Beachtung; zudem ist in Unterfranken eine starke räumliche Beziehung zwischen Naturschutzgebieten, die thermophile und xerothermophile Artengemeinschaften schützen sollen, und umgebenden Rebflächen gegeben. Weiterhin erscheinen Rebflächen durch die Trennung der Anbaufläche in die Bereiche „Zeile“ (die den linienförmig angepflanzten Reben entspricht) und „Gasse“ (ein etwa zwei Meter breiter Streifen zwischen den Zeilen) hervorragend geeignet, landwirtschaftliche Produktion und biodiversitäts-orientierte Maßnahmen zu verbinden. 3) In der Region „Mainfranken“ (Deutschland, Bayern) wurden drei Vergleichsflächenpaare in Ertragsrebflächen ausgewählt, die einerseits praxisüblich, andererseits nach den Vorschriften des „ökologischen Landbaus“ i.S. des BML wirtschaften. 4) In der naturschutzfachlichen Analyse wurden folgende Gesellschaften der Vergleichsflächen faunistisch untersucht: bodenaktive (epigäische) Spinnen (Araneae), Laufkäfer (Carabidae), Zikaden (Auchenorrhyncha) und Heuschrecken (Saltatoria). Im betriebswirtschaftlichen Teil wurde nach Literaturdaten und Arbeitstagebüchern die Außenwirtschaft der Weinbaubetriebe analysiert. Beide Datengruppen wurden zusammengeführt, um die Auswirkungen betrieblicher Maßnahmen der Außenwirtschaft sowohl im Hinblick auf ihre naturschutzfachliche als auch betriebswirtschaftliche Wirksamkeit zu ermitteln und hieraus Umstellungsstrategien im Weinbau abzuleiten. Zudem wurden die monetären Differenzen quantifiziert, um die Höhe etwaiger Ausgleichszahlungen bestimmen zu können. 5) Die naturschutzfachliche Analyse zeigte, dass mit Ausnahme der Heuschrecken alle Gruppen eine starke Förderung durch den ökologischen Anbau erfuhren; die Förderung betraf sowohl die allgemeine Diversität wie naturschutzfachlich bedeutsame Arten. Diese Effekte konnten vor allem auf den Faktor „Einführung einer struktur- und artenreichen Dauerbegrünung“ sowie auf die Etablierung ungestörter Rückzugsbereiche zurückgeführt werden. Die Veränderungen des Pflanzenschutzes wurden als nicht wirksam eingestuft, die Kupferbehandlungen im ökologischen Weinbau werden sogar als problematisch angesehen. Weiterhin wurde die Maßnahme „Mulchen“ des ökologischen Weinbaus als problematische Maßnahme der Begrünungspflege identifiziert. 6) Die betriebswirtschaftliche Analyse zeigte, dass für die Ertragssituation der Betriebe vor allem der Pflanzenschutz bedeutsam ist. Von der Einführung einer Dauerbegrünung gehen moderate Effekte aus, die zudem oftmals auf eine „Umstellungsphase“ befristet sind. 7) In der Zusammenführung beider Analysen wird ein Anbauschema vorgeschlagen, dass ein modifiziertes Begrünungsmodell nach ökologischer Wirtschaftsweise mit einem modifizierten Pflanzenschutzsystem nach praxisüblicher Wirtschaftsweise kombiniert. Die Kalkulation eines solchen Systems zeigt, dass auf Ausgleichszahlungen verzichtet werden könnte, bzw. geleistete Zahlungen nicht als Kompensation i.e.S., sondern als Anreizzahlungen zu verstehen wären. 8) Die Notwendigkeit einer Überprüfung des entwickelten Schemas in einem Konversionsexperiment wird dargelegt. N2 - 1) Conservation goals on private land need measures that cause low opportunity costs. The aim of this study was to develop such measures using viniculture as study system. 2) Viniculture was chosen, since: (i) vineyards are located in regions where thermophilous species assemblages exist; these assemblages are among the most threatened assemblages in Germany; (ii) there is a strong spacial relationship between conservation areas and surrounding vineyards in Lower Franconia; (iii) vine is planted in rows separated by stripes of up to 3 m width; these stripes allow a broad array of management practises, and some of them may be useful in supporting species diversity. 3) Three matched pairs of vineyards in Lower Franconia (Germany, Bavaria) under conventional and organic cultivation, respectively, were chosen as study sites. 4) Two comparisons were done: The effects of differential agricultural treatment were analyzed (i) faunistically using epigaeic spiders (Araneae), ground beetles (Carabidae), plant hoppers (Auchenorrhyncha) and locusts (Saltatoria) as indicator groups; and (ii) economically using data from the literature and working-logs of the winegrowers covering all relevant expenses and earnings (including pesticide use, management of the ground cover, soil management and quantitative and qualitative yields). 5) In three taxa substantial quantitative (i.e. overall species diversity and abundance) and qualitative (i.e. diversity and abundance of endangered species) positive effects of the organic cultivation could be proven; only for grasshoppers no benefit for endangered species was detected. Effective factors were the establishment of an herbaceous ground cover and the retention of undisturbed areas within the vineyard. Plant protection seemed not to contribute to the promotion of biodiversity under organic cultivation; in the case of copper treatments, even adverse effects on biodiversity are discussed. Another critical treatment was “mulching” (the cutting and chopping of the ground cover with horizontally rotating machines, only conducted in the organically managed vineyards). 6) Analyzing expenses and earnings showed that the differences in plant protection are the main factors contributing to differences in yields (which are less in organic farming). The negative effects of herbaceous ground cover on yields due to water losses are less severe, and often restricted to a transitional period. 7) Combining the results of both analyses’ leads to the following recommendations: A modified soil and ground cover management according to organic cultivation should be combined with a modified plant protection system according to conventional standards. The calculation of the then resulting expenses and earnings shows that no compensation payments are necessary. 8) The need for an experimental verification of the recommended measures is emphasized. KW - Biodiversität KW - Naturschutz KW - Arthropoden KW - Weinbau KW - biodiversity KW - conservation KW - arthropods KW - viniculture Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-21989 ER - TY - THES A1 - Mauder, Norman T1 - Vergleichende Untersuchung der Internaline und PrfA-abhängigen Transkription in Listeria monocytogenes, L. ivanovii und L. seeligeri T1 - comparative study of internalins and PrfA-dependent transcription in Listeria monocytogenes, L. ivanovii and L. seeligeri N2 - Die Gattung Listeria umfasst sechs bekannte Arten ubiquitär vorkommender Gram-positiver, nicht sporulierender Stäbchenbakterien. Von diesen Spezies sind Listeria monocytogenes und L. ivanovii in der Lage bei Mensch und Tier das Krankheitsbild der Listeriose zu verursachen (Rocourt & Seeliger, 1985; Vázquez-Boland et al., 2001b; Weis & Seeliger, 1975), wobei L. ivanovii vorwiegend bei Tieren als Krankheitserreger vorkommt (Cummins et al., 1994; Hof & Hefner, 1988). L. monocytogenes gilt als wichtiges Modell für ein intrazelluläres Pathogen, das mit Hilfe seiner Internaline auch in nicht-professionelle Phagozyten invadieren (Gaillard et al., 1991; Lingnau et al., 1995) und sich dank einer Reihe weiterer Virulenzfaktoren im Zytoplasma vermehren, fortbewegen und Nachbarzellen infizieren kann (Tilney & Portnoy, 1989). Die beiden pathogenen Arten und das apathogene L. seeligeri besitzen eine als LIPI-1 bezeichnete Pathogenitätsinsel (Gouin et al., 1994; Kreft et al., 2002). Internalingene sind bei L. monocytogenes teilweise geclustert und bei L. ivanovii zu einem großen Teil in einer LIPI-2 genannten Pathogenitätsinsel organisiert (Domínguez-Bernal et al., 2006; Dramsi et al., 1997; Gaillard et al., 1991; Raffelsbauer et al., 1998). Die Expression vieler dieser Virulenzgene wird durch das zentrale Regulatorprotein PrfA gesteuert, dessen Gen prfA selbst Teil der LIPI-1 ist (Domínguez-Bernal et al., 2006; Leimeister-Wächter et al., 1990; Lingnau et al., 1995; Mengaud et al., 1991a). Im Rahmen dieser Arbeit sollten die Internaline InlC, InlE, InlG und InlH von L. monocytogenes näher untersucht werden. Dazu wurden rekombinante His6-markierte Internaline aufgereinigt und polyklonale Antiseren gegen die Internaline A, B, E, G und H hergestellt. Darüber hinaus gelang die Herstellung zweier monoklonaler Antikörper gegen InlG. Obwohl die Antikörper gegen InlG und InlE ihre rekombinanten Antigene gut dekorieren, konnten mit ihnen keine Proteine in Zellwand- oder Überstandspräparaten von L. monocytogenes EGD und EGDe detektiert werden. Das Antiserum gegen InlH kreuzreagierte mit InlA und auch schwach mit anderen Internalinen. In Zellwandpräparaten von L. monocytogenes dekorierte es ein ~50 kDa schweres Protein, welches mit InlH identisch sein könnte. Es fehlt in inlG/H/E Deletionsmutanten und wird in einer inlA/B Deletionsmutante stärker exprimiert. Im Kulturüberstand ist es etwas schwerer, wie man es von einem Protein mit LPXTG Motiv erwartet, das nicht von Sortase (Bierne et al., 2002; Garandeau et al., 2002) prozessiert wurde. In L. monocytogenes EGDe wird dieses ~50 kDa Protein um ein bis zwei dekadische Größenordungen stärker exprimiert als in L. monocytogenes EGD. Die Expression des Proteins war bei 30 und 37 °C gleich stark und wurde nicht durch PrfA reguliert. In Zellwandpräparaten von L. ivanovii ATCC 19119 dekorierten die Seren gegen InlA und InlH ein Protein das in seiner Größe dem InlA von L. monocytogenes entspricht. Mit Hexosaminidase Assays zur Untersuchung von Zelladhärenz (nach Landegren, 1984) an rekombinante His6-markierte Internaline konnte keine Interaktion der Internaline InlE, InlG oder InlH mit Oberflächenfaktoren von Caco-2, HeLa oder HepG2 Zellen nachgewiesen werden, während Positivkontrollen mit InlA und InlB weitestgehend erwartungsgemäß ausfielen. InlC besitzt jedoch offenbar einen bisher noch nicht genauer identifizierten Rezeptor auf der Zelloberfläche. An InlC und EGF adhärierten Caco-2 Zellen stark wachstumsphasenabhängig und etwa tausendfach schwächer als an InlA. Die beste Bindung erfolgte bei semikonfluent gewachsenen Zellen, die am Vortag ausgesät wurden. Unter diesen Bedingungen war auch die von Bergmann et al. beobachtete unterstützende Wirkung von InlC auf die InlA-abhängige Invasion am größten (Bergmann et al., 2002). In dieser Arbeit wurden außerdem die Promotoren von Internalingenen aus L. ivanovii, sowie weitere Virulenzgene (plcA, hly, actA) der Spezies L. monocytogenes, L. ivanovii und L. seeligeri mit Hilfe eines zellfreien in vitro Transkriptionssystems (Lalic-Mülthaler et al., 2001) untersucht, um deren PrfA-Abhängigkeit und Aktivität unabhängig von physiologischen Faktoren analysieren zu können, da die PrfA-Aktivität in vivo pleiotrop reguliert wird (Dickneite et al., 1998; Ermolaeva et al., 2004; Milenbachs et al., 1997; Milenbachs Lukowiak et al., 2004; Renzoni et al., 1997; Ripio et al., 1996). Dafür wurde in dieser Arbeit RNA-Polymerase aus L. monocytogenes ΔprfA ΔsigB (Stritzker et al., 2005) isoliert. Gleichzeitig wurde die Aktivität von rekombinanten His6-markierten PrfA Proteinen untersucht. Dazu wurden die PrfA Proteine von L. monocytogenes (m-PrfA und hyperaktives m-PrfA* (Ripio et al., 1997b)), L. ivanovii (i-PrfA) und L. seeligeri (s-PrfA), so wie ein Hybridprotein (sm-PrfA) aufgereinigt. Das Hybridprotein sm-PrfA entspricht s-PrfA bis auf die letzten 38 Aminosäurereste, die durch jene von m-PrfA ersetzt wurden. ... N2 - The genus Listeria comprises six known species of ubiquitous Gram-positive, non-sporulating, rod-shaped bacteria. Of these species Listeria monocytogenes and L. ivanovii are able to cause the clinical picture of listeriosis in humans and animals (Rocourt & Seeliger, 1985; Vázquez-Boland et al., 2001b; Weis & Seeliger, 1975) with L. ivanovii predominantly occurring in animals (Cummins et al., 1994; Hof & Hefner, 1988). L. monocytogenes is considered as important model of an intracellular pathogen that can also invade non-professional phagocytes with the aid of internalins (Gaillard et al., 1991; Lingnau et al., 1995) and can multiply and spread due to a set of virulence factors (Tilney & Portnoy, 1989). The two pathogenic species and the apathogenic L. seeligeri possess a pathogenicity island termed LIPI-1 (Gouin et al., 1994; Kreft et al., 2002). In L. monocytogenes internalin genes are partially clustered and mainly form a pathogenicity island termed LIPI-2 in L. ivanovii (Domínguez-Bernal et al., 2006; Dramsi et al., 1997; Gaillard et al., 1991; Raffelsbauer et al., 1998). The expression of many virulence genes is controlled by the central regulatory protein PrfA which gene prfA is part of LIPI-1 (Domínguez-Bernal et al., 2006; Leimeister-Wächter et al., 1990; Lingnau et al., 1995; Mengaud et al., 1991a). In the context of this work the internalins InlC, InlE, InlG and InlH of L. monocytogenes should be further investigated. Therefore recombinant His6-tagged internalins were purified and polyclonal antisera against the internalins A, B, E, G and H were raised. In addition the creation of two monoclonal antibodies against InlG succeeded. While the antibodies against InlG and InlE decorated well their recombinant antigens, they could not detect proteins in cell wall preparations or culture supernatant of L. monocytogenes EGD and EGDe. The antiserum against InlH cross-reacted with InlA and weakly also with other internalins. In cell wall preparations of L. monocytogenes it decorated a ~50 kDa protein which could be identical with InlH. This protein is missing in inlG/H/E deletion mutants and is stronger expressed in inlA/B deletion mutants. It is slightly bigger in the supernatant as expected for a protein with LPXTG motif that was not processed by sortase (Bierne et al., 2002; Garandeau et al., 2002). In L. monocytogenes EGDe the ~50 kDa protein was expressed stronger than in L. monocytogenes EGD by two orders of magnitude. The expression of this protein was equal at 30 and 37 °C and was not regulated by PrfA. In cell wall preparations of L. ivanovii ATCC 19119 the antisera against InlA and InlH decorated a protein matching the size of InlA of L. monocytogenes. Hexosaminidase assays for analysis of cell adherence (after Landegren, 1984) with recombinant His6-tagged internalins showed no interaction of the internalins InlE, InlG or InlH with surface factors of Caco-2, HeLa or HepG2 cells while positive controls with InlA and InlB mainly resulted as expected. However InlC has a not yet identified receptor on the eukaryotic cell surface. Caco-2 cells adhered to InlC and EGF in a strongly growth phase dependent manner and roughly thousand fold weaklier then to InlA. Best binding was observed with semi confluent grown cells which were prepared one day before the assay. Under these conditions the supportive effect of InlC in InlA-dependent invasion reported by Bergmann et al. was also maximal (Bergmann et al., 2002). Furthermore in this work the promoters of internalin genes from L. ivanovii and other virulence genes (plcA, hly, actA) from the species L. monocytogenes, L. ivanovii and L. seeligeri were investigated with the aid of the cell free in vitro transcription assay (Lalic-Mülthaler et al., 2001) to analyze their PrfA-dependency and activity independent of metabolic factors because PrfA activity is pleiotropicly regulated in vivo (Dickneite et al., 1998; Ermolaeva et al., 2004; Milenbachs et al., 1997; Milenbachs Lukowiak et al., 2004; Renzoni et al., 1997; Ripio et al., 1996). Therefore RNA polymerase from L. monocytogenes ΔprfA ΔsigB (Stritzker et al., 2005) was isolated in this work. Simultaneously the activity of recombinant His6-tagged PrfA proteins was investigated. For this purpose PrfA proteins of L. monocytogenes (m-PrfA and hyperactive m-PrfA* (Ripio et al., 1997b)), L. ivanovii (i-PrfA), L. seeligeri (s-PrfA) and the hybrid protein (sm-PrfA) were purified. The hybrid protein sm-PrfA corresponds to s-PrfA except for the last 38 amino acid residues which were substituted by those of m-PrfA. ... KW - Listeria KW - Virulenz KW - Internaline KW - Transkription KW - Listeria KW - Internaline KW - PrfA KW - Transkription KW - Listeria KW - internalins KW - PrfA KW - transcription Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-21659 ER - TY - THES A1 - Hanisch, Anja T1 - Regulation of mitotic progression : Focus on Plk1 function and the novel Ska complex at kinetochores T1 - Regulation der Mitose: die Funktion der Plk1 und des neuen Ska-Komplexes an den Kinetochoren N2 - During mitosis the duplicated chromosomes have to be faithfully segregated into the nascent daughter cells in order to maintain genomic stability. This critical process is dependent on the rearrangement of the interphase microtubule (MT) network, resulting in the formation of a bipolar mitotic spindle. For proper chromosome segregation all chromosomes have to become connected to MTs emanating from opposite spindle poles. The MT attachment sites on the chromosomes are the kinetochores (KTs), which are also required to monitor the integrity of KT-MT interactions via the spindle assembly checkpoint (SAC). The first part of this work concerns the action of Polo-like kinase 1 (Plk1). Plk1 is one of the most prominent mitotic kinases and is involved in the regulation of multiple essential steps during mitosis consistent with its dynamic localisation to spindle poles, KTs and the central spindle. Despite a nice model of Plk1 targeting to different mitotic structures via its phosphopeptide binding Polo-box domain (PBD), the exact molecular details of Plk1 functioning, in particular at the KTs, remain obscure. By two different approaches we obtained cells with an unlocalised Plk1 kinase activity: first by generating stable HeLa S3 cell lines, which upon induction expressed the PBD and thus displaced endogenous Plk1 from its sites of action. Secondly, by rescuing cells RNAi-depleted of Plk1 with the catalytic Plk1 domain only. Centrosome maturation, bipolar spindle assembly and loss of cohesion between the chromatid arms proceeded normally in either cells, in contrast to Plk1-depleted cells, arguing that PBD-mediated targeting of Plk1 is less critical for the tested functions. Remarkably, however, both the PBD expressing as well as the Plk1-depleted cells rescued with the catalytic domain of Plk1 arrested in early mitosis in a SAC-dependent manner with uncongressed chromosomes. These data disclose a so far unrecognised role of Plk1 in proper chromosome congression and point at a particular requirement for PBD-mediated localised Plk1 activity at the KTs. In the second part of the thesis, we characterised a novel spindle and KT associated protein, termed Ska1, which was originally identified in a spindle inventory. Ska1 associated with KTs following MT attachment during prometaphase and formed a complex with at least another novel protein of identical localisation, called Ska2. Ska1 was required for Ska2 stability in vivo and depletion of either Ska1 or Ska2 resulted in the loss of both proteins from the KTs. The absence of Ska proteins did not disrupt overall KT structure but most strikingly induced cells to undergo a prolonged SAC-dependent delay in a metaphase-like state. The delay was characterised by weakened kinetochore-fibre stability, recruitment of Mad2 protein to a few KTs and the occasional loss of individual chromosomes from the metaphase plate. These data indicate that the Ska1/2 complex plays a critical role in the maintenance of a KT-MT attachments and/or SAC silencing. N2 - Während der Mitose müssen die replizierten Chromosomen präzise auf die neu entstehenden Tochterzellen verteilt werden, um genomische Stabilität zu garantieren. Dieser Prozeß hängt von dem Umbau des Mikrotubuli (MT)-Netzwerkes der Interphase zu einer mitotischen bipolaren Spindel ab. Für eine fehlerfreie Trennung aller Chromosomen müssen diese jeweils mit MT der entgegengesetzten Spindelpole verknüpft werden. Kinetochore bilden die Anheftungspunkte der MT an den Chromosomen und überwachen mittels des Spindel-Kontrollpunktes (SAC) auch die korrekte Ausbildung der Kinetochor-MT Interaktionen. Der erste Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Polo-like Kinase 1 (Plk1). Plk1 gehört zu den wichtigsten mitotischen Kinasen und ist an der Regulation vieler essentieller Schritte im Verlauf der M-Phase beteiligt, was sich auch in ihrer dynamischen Lokalisation wiederspiegelt (Spindelpole, Kinetochore, Zentralspindel). Obwohl wir schon eine Vorstellung davon haben, wie Plk1 mittels ihrer Phosphopeptid-bindenden Polo-box Domäne (PBD) an die mitotischen Zielstrukturen bindet, ist dennoch weiterhin unklar, wie Plk1 auf molekularer Ebene ihre Funktionen, besonders hinsichtlich der Kinetochore, ausübt. Auf zwei Arten generierten wir Zellen mit ungebundener Plk1 Aktivität: zum einen, indem wir stabile HeLa S3 Zelllinien herstellten, die induzierbar die PBD exprimierten, welche wiederum endogene Plk1 von ihren Zielstrukturen verdrängte, und zum anderen, indem wir in Plk1 depletierten Zellen nur die Kinase-Domäne von Plk1 exprimierten. Zentrosomreifung, Ausbildung bipolarer Spindeln und Abbau der Chromosomencohäsion verliefen im Gegensatz zu Plk1-RNAi behandelten Zellen normal, was darauf schließen lässt, dass für diese Funktionen PBD-vermitteltes Binden von Plk1 an die jeweiligen Zielstrukturen nicht essentiell ist. Stattdessen arretierten diese Zellen SAC-abhängig mit unzulänglich an der Metaphase-Platte ausgerichteten Chromosomen. Unsere Daten offenbaren eine neue Rolle von Plk1 bei der Bildung der Metaphase-Platte und deuten darauf hin, dass diese spezielle Funktion eine PBD-vermittelte Lokalisation der Plk1 Aktivität am Kinetochor benötigt. Der zweite Teil dieser Arbeit ist der Charakterisierung eines neuen Spindel- und Kinetochor-assoziierten Proteins namens Ska1 gewidmet, das wir im Zuge eines Spindelkomponenten-Screens identifizierten. Wir fanden heraus, dass Ska1 in einem Komplex mit mindestens einem weiteren uncharakterisierten Protein identischer Lokalisation, Ska2 genannt, existiert. Ska1 wird für Ska2 Stabilität benötigt und die Lokalisationen dieser Ska Proteine hängen voneinander ab. Obwohl sie für den richtigen Aufbau des Kinetochores verzichtbar sind, führt ihre Depletion zu einem überlangen Verbleib der Zellen in einem Metaphase-ähnlichen Zustand, der durch destabilisierte Kinetochor-Fasern, Ansammlung von Mad2 an einzelnen Kinetochoren und den gelegentlichen Verlust einzelner Chromosomen von der Metaphase-Platte charakterisiert ist. Dies weist auf eine Rolle des Ska-Komplexes bei der Stabilisierung gebildeter Kinetochor-MT-Anheftungen hin und/oder auf eine Beteiligung an der Inaktivierung des SAC. KW - Mitose KW - Centromer KW - Kinasen KW - Polo-like kinase 1 KW - Ska-Komplex KW - Kinetochor KW - Mitose KW - Metaphaseplatte KW - Polo-like kinase 1 KW - Ska complex KW - kinetochore KW - mitotic progression KW - chromosome congression Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-21467 ER - TY - THES A1 - Milenkovic, Vladimir M. T1 - Structural and functional analysis of bestrophin N2 - Morbus Best (OMIM 153700), auch als vitelliforme Makuladystrophie Typ 2 (VMD2) bezeichnet, ist eine autosomal dominant vererbte Makuladystrophie mit juvenilem Beginn. Die Erkrankung geht einher mit einer Ansammlung von Lipofuscin-ähnlichem Material im sowie unterhalb des retinalen Pigmentepithels (RPE). Das bei Morbus Best mutierte VMD2- Gen kodiert für ein 585 Aminosäuren langes Transmembranprotein, genannt Bestrophin, und wird vorwiegend im RPE exprimiert. Das Protein hat eine komplexe Membrantopologie mit 4-6 putativen Transmembrandomänen (TMD) und ist vermutlich in den Ca2+-abhängigen Transport von Chloridionen durch die Plasmamembran involviert. Die überwiegende Mehrheit der krankheitsassoziierten Veränderungen bei M. Best Patienten sind Missense-Mutationen, die innerhalb der hochkonservierten N-terminalen Hälfte des Proteins nahe der mutmaßlichen Transmembrandomänen akkumulieren. Der Zusammenhang zwischen Pathologie und identifizierter Mutationen bzw. der Chloridkanal- Funktion von Bestrophin-1 ist noch unklar. Um die biologische Funktion von Bestrohin-1 weiter aufzuklären und die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen der BMD besser zu verstehen, wurde mit Hilfe des GAL4-basierenden Hefe-Zwei-Hybridsystems (Y2H) nach interagierenden Partnern von Bestrophin-1 gesucht. Ein Screen in einer bovinen RPE cDNABank mit verschiedenen verkürzten Fragmenten von Bestrophin-1 ergab 53 mögliche interagierende Partner. Allerdings schlossen anschließende Verifikationsexperimente die Kandidatengene aus. Somit deuten die Resultate dieser umfangreichen YH2-Studie daraufhin, dass Bestrophin für das herkömmliche Zwei-Hybrid-System nicht geeignet ist. Zum einen könnte dies daran liegen, dass das Protein ein integraler Bestandteil der Membran ist und zum anderen, dass möglicherweise der Transport der gewählten Bestrophin-Fragmente zum Nukleus nicht stattfindet. Dies gilt jedoch als Grundvoraussetzung für eine Proteininteraktion im Hefe-2-Hybridsystem. Bestrophin gehört zu einer großen Familie von integralen Membranproteinen, von der bis heute bereits über 100 Mitglieder bei verschiedenen Organismengruppen wie denSäugern, Insekten und Würmern identifiziert werden konnten. Als auffälligste Besonderheit in der Familie der Bestrophine zeigt sich neben einer nicht-variablen RFP-Domäne (Arginin- Phenylalanin-Prolin) eine evolutionär hochkonservierte N-terminale Region. Um die phylogenetische Beziehung der Bestrophine zu untersuchen sowie den Aufbau und die Funktion von konservierten Motiven innerhalb der Familienmitglieder zu identifizieren, wurde diese konservierte N-terminale Region sowohl bioinformatisch wie auch Chapter Two: Zusammenfassung 4 phylogenetisch weiter untersucht. Die phylogenetische Analyse der Bestrophin Homologen brachte vier evolutionär konservierte Familienmitglieder in Säugern hervor, die jeweils eine starke Homologie zu den Proteinen VMD2, VMD2-L1 bis VMD2-L3 des Menschen zeigen. Die signifikante Ähnlichkeit der Proteinsequenz innerhalb der vier Familienmitglieder lässt die Schlussfolgerungen zu, dass zum einen jedes einzelne Familienmitglied ihre eigene evolutionär konservierte Funktion hat und zum anderen dass die Divergenz des Bestrophins in verschiedene Familienmitglieder zeitlich vor der Divergenz der verschiedenen Säugerspezien erfolgt sein muss. N2 - Best disease, also termed vitelliform macular dystrophy type 2, VMD2, (OMIM #153700), is an autosomal dominant, early onset macular dystrophy associated with a remarkable accumulation of lipofuscin-like material within and beneath the retinal pigment epithelium (RPE). The VMD2 gene mutated in Best disease encodes a 585 amino acid putative transmembrane protein named bestrophin, and is preferentially expressed in the RPE. The protein has a complex membrane topology with 4-6 putative transmembrane domains (TMDs) and is presumably involved in Ca2+-dependent transport of chloride ions across the membrane. The vast majority of known disease-associated alterations are missense mutations nonrandomly distributed across the highly conserved N-terminal half of the protein with clusters near the predicted TMDs. The mechanism connecting Best disease pathology with the identified mutations or the Cl- channel function is not yet clear. To further elucidate the biological function of the bestrophin protein and to identify the molecular mechanisms underlying the disease, a search for interacting partners of bestrophin was performed using the GAL4-based yeast two hybrid system (Y2H). Screening of a bovine RPE cDNA library with various truncated bestrophin baits resulted in the identification of 53 putative interacting partners of bestrophin. However, verification of the interaction has excluded all candidate clones. Our comprehensive Y2H analyses suggest that bestrophin may not be suitable for traditional yeast two hybrid screens likely due to the fact that the protein is integral to the membrane and even fragments thereof may not be transported to the nucleus which is, however a prerequisite for protein interaction in the yeast system. Bestrophin belongs to a large family of integral membrane proteins with more than 100 members identified to date originating from evolutionarily diverse organisms such as mammals, insects and worms. The most distinctive feature of the bestrophin family, besides the invariant RFP (arginine-phenylalanine-proline) domain, is an evolutionarily highly conserved N-terminal region. To clarify the phylogenetic relationship among bestrophin homologues and to identify structural and functional motifs conserved across family members, a bioinformatics/phylogenetic study of the conserved N-terminal region was conducted. Phylogenetic analysis of the bestrophin homologues reveals existence of four evolutionary conserved family members in mammals, with high homology to the human VMD2, VMD2-L1 to L3 proteins. The significant level of protein sequence similarity between divergent species suggests that each of the bestrophin family members has a unique, Chapter One: Summary 2 evolutionarily conserved function and that the divergence of bestrophin into several family members occurred before the divergence of individual mammalian species. KW - Makuladegeneration KW - Membranproteine KW - Molekularbiologie KW - VMD2 KW - bestrophin KW - VMD2 KW - bestrophin Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-19372 ER - TY - THES A1 - Förster, Tanja T1 - Molekulargenetik des Hereditären Angioödems T1 - Molecular genetics of hereditary angioedema N2 - Das Hereditäre Angioödem (HAE) ist eine seltene autosomal dominante Erkrankung, die durch einen angeborenen quantitativen oder funktionellen Defekt des C1-Inhibitors (C1-INH) verursacht wird. Das C1-INH-Protein, ein Serin Protease Inhibitor (Serpin) ist der einzige Inhibitor der C1s und C1r Komponenten des klassischen Wegs der Komplementaktivierung. Weiterhin reguliert er die Aktivierung der Faktoren XI und XII im intrinsischen Teil der Blutgerinnung und die Generierung von Kallikrein im Kontaktsystem. Durch die fehlende Kontrolle dieser Systeme kommt es zur vermehrten Bildung vasoaktiver Substanzen, die für die charakteristischen Symptome wie rezividierende, nicht juckende Schwellungen der Haut und Schleimhäute sowie krampfartige Schmerzen im Abdomen verantwortlich sind. HAE-Attacken werden durch psychologischen und/oder physiologischen Stress ausgelöst und manifestieren sich häufig isoliert im Kehlkopfbereich, wobei die Gefahr des Erstickens durch ein Larynx- oder Glottisödem droht. Die vorliegende Arbeit beschreibt die C1-INH-Genanalyse von 208 Familien mit 359 Mitgliedern, die aufgrund der Differentialdiagnose HAE zwischen 1999 und 2005 von spezialisierten klinischen Zentren eingesandt wurden. Bei 32 Patienten wurden durch Southern-Blot und dHPLC Untersuchungen große Deletionen des C1-INH-Gens nachgewiesen. Weiterhin wurden durch Komplett-Sequenzierung der 8 Exons und angrenzenden Intronbereiche des Gens identifiziert. Bei 96 Familien mit 172 Mitgliedern wurden 80 verschiedene Punktmutationen nachgewiesen, die bei Abschluss der vorliegenden Arbeit nicht in der Literatur beschrieben waren. Die HAE-Datenbank kann als Folge auf insgesamt 279 bekannte Mutationen im C1-INH-Gen erweitert werden. Da viele Patienten Missense-Mutationen unbekannter Kausalität aufwiesen, wurden 29 anhand ihrer Lokalisation oder Homologie ausgewählte Mutationen durch zielgerichtete Mutagenese in einen Expressionvektor eingefügt und anschließend in HEK-293 Zellen exprimiert. Die Funktion der rekombinanten Proteine wurde mittels eines C1-INH-Aktivitäts-Assays überprüft. Während bei den meisten rekombinant exprimierten mutanten Proteinen die Kausalität für das HAE durch sehr geringe C1-INH-Restaktivitäten bestätigt werden konnten, zeigten einige mutante Proteine kaum beeinträchtige Aktivitäten. Die zugrunde liegenden Punktmutationen dürften deshalb sehr seltene Polymorphismen sein. Um weiteren Aufschluss über die Auswirkungen der verschiedenen Mutationen zu erhalten, wurden diese in ein 3D-Modell des C1-INH eingebaut und mit einem wildtypischen C1-INH-Modell verglichen. Das verfügbare Modell, das nicht auf Strukturdaten, sondern auf der Homolgie zu anderen Serpinen beruht und nur die Serpindomäne erfasst, erwies sich jedoch bei einigen inaktivierenden Mutationen als unzureichend bzw. unvollständig. Die C1-INH-Gendiagnostik konnte in den meisten Fällen eine Mutation bei den betroffenen Familien nachweisen und auch Mutationsträger vor der Erstmanifestation lebensbedrohender Symptome identifizieren. Die rekombinante Expression und Aktivitätsmessung mutanter C1-INH-Proteine ist ein nützliches Hilfsmittel um die Kausalität von Missense-Mutationen aufzuklären und liefert wertvolle Einblicke in die Funktion individueller Aminosäuren im C1-INH-Protein. N2 - Hereditary Angioedema (HAE) is a rare autosomal dominant disease due to quantitative or functional deficiency of the C1 inhibitor (C1-INH) protein. The C1-INH protein, a serine protease inhibitor (serpin), is the sole inhibitor of the C1r and C1s components of the classical complement pathway and the major regulator of factors XI and XII in the intrinsic blood coagulation and of plasma kallikrein in the contact system. With C1-INH deficiency, proper control of these systems is lacking and vasoactive peptides are generated in excess and are responsible for the characteristic symptoms like recurrent non pruritic swellings of the skin or mucosa as well as painful crampi of the abdomen. HAE episodes are triggered by psychological and/or physiological stress and often manifest in the laryngeal region with the risk of suffocation. This thesis describes the genetic analysis of the C1-INH gene in 208 families with 359 members which were suspicious for HAE and were sent from specialised outpatient clinics from 1999 to 2005. In 32 patients large deletions of the C1-INH gene were detected by Southern-Blot and dHPLC. Sequencing of all 8 exons and flanking intronic regions revealed 93 point mutations and small deletions/insertions. In 96 families with 172 members 80 different point mutations were detected which have not been published in the literature yet. As a result the HAE-database can be enlarged to 279 known mutations in the C1-INH gene. A large number of patients presented with missense mutations of unknown causality. On the basis of their localisation or homology, 29 mutations were chosen and inserted into an expression vector by site-directed mutagenesis and expressed in HEK-293 cells. The activity of the recombinant proteins was measured by a functional C1-INH assay. While most recombinant proteins resulted in almost no detectable activity thus verifying their causality for HAE, some mutant proteins showed only a reduced activity compared to wildtype. The underlying point mutations are therefore likely to be rare polymorphisms. In order to gain further insight into the effects of different mutations they were modelled into a 3D-model of the C1-INH protein and compared to a wildtype model of the C1-INH. While the model demonstrated remarkable structural alterations for some mutations it failed to do so for other clearly inactivating mutations. Since no 3D-crystallography of C1-INH is available yet, the model is based on sequence similarity of the serpin domain to other serpins with apparent limitations. Routine genetic analysis of the C1-INH gene has identified mutations in most of the HAE families and has characterised several HAE carriers prior to manifestation of life threatening symptoms. Recombinant expression and measurement of the activity of mutated C1-INH proteins is a useful tool to elucidate the causality of missense mutations and helps to characterize the role of individual amino acid residues within the C1-INH protein. KW - Gefäßkrankheit KW - Ödem KW - Erbkrankheit KW - Molekulargenetik KW - Hereditäres Angioödem KW - HAE KW - C1-Inhibitor KW - C1INH KW - Serpin KW - Hereditary Angioedem KW - HAE KW - C1 Inhibitor KW - C1INH KW - Serpin Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-20340 ER - TY - THES A1 - Krinner, Eva-Maria T1 - Generierung humaner Antikörper-Spezifitäten zur Therapie entzündlicher Erkrankungen T1 - Generation of Human Antibody Specificities for Treatment of Inflammatory Diseases N2 - Der Granulozyten-Makrophagen Kolonie-stimulierende Faktor (GM-CSF) spielt eine zentrale Rolle in entzündlichen Prozessen. Die Behandlung mit Antikörpern, die murines GM-CSF neutralisieren, zeigte signifikante Behandlungseffekte in Maus-Modellen für Rheumatoide Arthritis, Autoimmune Enzephalomyelitis, entzündliche Erkrankungen der Lunge und Psoriasis. Diese Arbeit beschreibt die Generierung des ersten vollständig humanen Einzelketten (scFv)-Antikörpers, der effektiv humanes GM-CSF (hGM-CSF) neutralisiert. Dieser humane scFv-Antikörper wurde mit Hilfe der Phage-Display-Technologie, ausgehend von einem monoklonalen Ratten-Antikörper mit hGM-CSF-neutralisierender Aktivität, konstruiert. In einem ersten Schritt wurde die VH-Domäne des parentalen Ratten-Antikörpers mit einem humanen leichte Ketten V-Repertoire kombiniert. Nach Phage-Display-Selektion wurde ein dominanter Klon identifiziert, der für ein chimäres Ratte/Human scFv-Fragment kodiert. Dieser scFv-Antikörper neutralisiert hGM-CSF mit einer halbmaximalen inhibitorischen Konzentration (IC50) im nanomolaren Bereich. Die humane leichte Kette dieses Klons wurde dann mit einem humanen schwere Ketten V-Repertoire kombiniert. Um die Bindungsspezifität des Ursprungsantikörpers für den neutralisierenden Bereich auf dem Antigen zu erhalten, enthielt dieses Repertoire die Komplementaritäts-bestimmende Region 3 (CDR3) der parentalen VH-Domäne. Nach Phage-Display-Selektion wurden mehrere scFv-Antikörper identifiziert, die hGM-CSF im niedrig nanomolaren Konzentrationsbereich neutralisierten. Das scFv-Fragment mit der höchsten hGM-CSF-neutralisierenden Aktivität (3077) wurde in verschiedene therapeutisch relevante Antikörperformate überführt. Zum einen wurde das scFv-Fragment über einen zusätzlichen C-terminalen Cystein-Rest an ein verzweigtes, 40 kD-grosses Polyethylenglycol (PEG) –Polymer konjugiert. Zum anderen wurde das scFv-Fragment durch Fusion mit humanen konstanten Immunglobulin-Domänen zu einem ganzen IgG1/kappa-Antikörper vervollständigt. Die so generierten Konstrukte mit identischer Spezifität wurden dann in vitro im Hinblick auf Bindungsaffinität, Neutralisierungsaktivität und Stabilität untersucht. Die Konjugation des PEG-Polymers hatte einen vernachlässigbaren Effekt auf das Neutralisierungspotential des scFv-Fragments in vitro, obwohl sie aufgrund einer verlangsamten Assoziationsrate eine reduzierte Bindungsaffinität verursachte. Der humane IgG1-Antikörper zeigte sowohl eine verbesserte Bindungsaffinität als auch eine erhöhte Neutralisierungsaktivität im Vergleich zum nicht-PEGylierten wie auch zum PEGylierten scFv-Fragment. Wir konnten außerdem zeigen, dass die PEGylierung in der thermischen Stabilität des scFv-Antikörpers einen deutlichen Anstieg um 10°C vermittelte. Aufgrund der hohen Neutralisierungsaktivität und Stabilität des IgG1-Antikörpers 3077 wie auch des PEGylierten scFv-Fragments 3077 sind beide Moleküle - in unterschiedlichen klinischen Anwendungsbereichen - potentielle Kandidaten für eine Behandlung humaner entzündlicher Erkrankungen. N2 - Granulocyte-macrophage colony stimulating factor (GM-CSF) plays a central role in inflammatory processes. Treatment with antibodies neutralizing murine GM-CSF showed significant effects in mouse models of rheumatoid arthritis, lung inflammation, autoimmune encephalomyelitis and psoriasis. This work describes the generation of the first human single-chain antibody (scFv) potently neutralizing human GM-CSF (hGM-CSF). This human scFv fragment was constructed by phage display technology starting from a rat monoclonal antibody with hGM-CSF neutralizing activity. In a first step the VH domain of the parental rat antibody was combined with a human light chain variable (V) repertoire. After phage display selection one dominant clone was identified which encoded a chimeric rat/human scFv antibody neutralizing hGM CSF with a low nanomolar half-maximal inhibitory concentration (IC50). The human light chain of this clone was then combined with a human heavy chain V repertoire. The latter preserved the complementary determining region (CDR) 3 of the parental rat VH domain to retain binding specificity to the neutralizing binding area on the antigen. After phage display selection, several human single-chain antibody fragments were identified that efficiently neutralized human GM-CSF at low nanomolar concentrations. The most potent GM-CSF neutralizing human scFv fragment (3077) was further engineered to different antibody formats with relevance for therapeutic application. On the one hand, the scFv fragment was conjugated to a branched 40 kDa polyethylene glycol (PEG) polymer via an additional C-terminal cysteine residue. On the other hand, the scFv fragment was converted to a human IgG1/kappa-antibody by fusion with human constant immunoglobulin domains. The naked scFv, the PEGylated scFv and the IgG antibody of identical specificity were then compared to each other in terms of binding affinity, neutralizing activity and stability in vitro. PEG conjugation had a neglegible effect on the in vitro neutralizing potential of the scFv fragment although it caused a significant drop in binding affinity due to a reduced on-rate. The human IgG1 antibody variant showed an improved equilibrium dissociation constant as well as neutralizing activity superior to the non-PEGylated and the PEGylated scFv fragment. We also demonstrated that PEGylation mediates a significant increase in thermal stability of about 10°C as compared to the naked scFv fragment. Because of the high neutralizing activity and stability the IgG1 3077 antibody as well as the PEGylated scFv fragment 3077 both are - in different clinical settings - potential candidates to treat pro-inflammatory human diseases. KW - GM-CSF KW - Antikörper KW - Entzündung KW - Therapie KW - Antikörper KW - GM-CSF KW - Phage-Display KW - antibody KW - GM-CSF KW - phage display Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-20295 ER - TY - THES A1 - Mao, Zhengrong T1 - Clonality analysis in B-Cell Chronic Lymphocytic Leukemia (B-CLL) associated with Richter's syndrome T1 - Klonalitaetsanalysen in chronischer B-Zell Leukaemie assoziiert mit Richter-Syndrom N2 - Die chronische lymphatische Leukämie vom B-Zell-Typ (B-CLL) macht ca. 90% der chronischen lymphatischen Leukämien aus. Der klinische Verlauf der B-CLL ist heterogen, und bei 3-5% der Patienten kommt es im Verlauf der Erkrankung zu einer Transformation in ein aggressives Lymphom, meist in ein diffuses großzelliges B-Zell-Lymphom (DLBCL) oder in ein Hodgkin-Lymphom (HL). Eine solche Transformation wird als Richter-Syndrom bezeichnet und ist mit einer ungünstigen klinischen Prognose assoziiert. In B-Zell-Lymphomen (B-NHL) ermöglicht der Mutationsstatus der variablen Anteile der Immunglobulinschwerkettengene (IgVH) eine Aussage über das Entwicklungsstadium der B-Zelle, in dem sich die Transformation zu einem B-Zell-Lymphom ereignet hat. In der B-CLL stellt der Mutationsstatus auch einen bedeutenden prognostischen Faktor dar, wobei die Erkrankung bei Patienten mit unmutierten IgVH Genen meist einen ungünstigen klinischen Verlauf zeigt. Die wenigen bisher durchgeführten molekularen Analysen an Fällen von Richter-Syndromen deuten darauf hin, dass ein Transformationsereignis sowohl bei B-CLL-Patienten mit mutierten als auch mit unmutierten IgVH Genen vorkommen kann, und dass die Tumorzellen des DLBCL oder HL sowohl klonal identisch mit dem B-CLL-Klon sein können als auch unabhängig als sekundäres Lymphom entstehen können. Um die klonale Beziehung zwischen DLBCL- bzw. Hodgkin/Reed-Sternberg (HRS)-Zellen und den Zellen der vorbestehenden B-CLL zu analysieren, den Mutationsstatus des IgVH Gens sowie mögliche prognostische Faktoren in B-CLL-Fällen mit Richter-Transformation zu identifizieren, wurde eine größere Fallserie mit Hilfe eines PCR-basierten GeneScan Ansatzes mit anschließender Sequenzierung der IgVH-Gene untersucht. In Fällen mit HRS bzw. HRS-ähnlichen Zellen wurden die CD30-positiven Tumorzellen mittels Laser-Capture Mikrodissektion (LCM) isoliert. Weiterhin erfolgte eine morphologische und immunhistochemische Analyse der Fälle. Insgesamt wurden 48 Patientenproben untersucht, darunter 40 Fälle mit Richter-Syndrom sowie weitere 8 B-CLL-Fälle mit CD30-positiven HRS-ähnlichen Zellen. Unter den 40 Proben mit Richter-Syndrom zeigten 34 B-CLL-Fälle eine Transformation in ein DLBCL, in 6 Fällen erfolgte eine Transformation in ein HL. In 23 Fällen mit B-CLL und DLBCL wurde eine Sequenzierung der IgVH Gene durchgeführt. In 18 Fällen waren B-CLL und DLBCL klonal identisch, in 5 Fällen war das DLBCL als klonal unabhängige Neoplasie entstanden. Unter den klonal verwandten Paaren zeigten 11 von 15 Paaren unmutierte IgVH-Gene sowohl in der B-CLL als auch im DLBCL, wohingegen 5 von 6 Fälle mit Transformation einer B-CLL in ein HL mutierte IgVH Gene trugen. HRS-Zellen in 2 Fällen und HRS-ähnliche Zellen in einem Fall waren klonal verschieden vom B-CLL-Zellklon. Die VH-Gene VH3-23, VH3-74, VH1-2 und VH3-9 waren überproportional häufig in B-CLL Fällen mit einer späteren Transformation in ein DLBCL vertreten, wohingegen VH4-34 und VH3-48 in mehr als der Hälfte der Fälle mit Transformation zu einem HL nachgewiesen werden konnten. Der immunhistochemische Nachweis von ZAP70 zeigte eine signifikante Assoziation mit unmutierten IgVH-Genen in B-CLL mit nachfolgender Richter-Transformation. Bei 24 Patienten konnte der klinische Verlauf eruiert werden. Die mediane Überlebenszeit von Patienten mit B-CLL mit stattgehabter Transformation in ein DLBCL oder ein HL betrug 7 beziehungsweise 21 Monate. Es fanden sich weder signifikante Unterschiede der Überlebenszeit zwischen klonal verwandten und nicht verwandten Fällen, noch zwischen IgVH-mutierten und -unmutierten Fällen. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass bei der Richter-Transformation einer B-CLL in ein DLBCL dieses einerseits aus dem präexistenten B-CLL-Klon entstehen kann, andererseits aber auch als unabhängige, klonal nicht verwandte Neoplasie auftreten kann. In der Mehrzahl der Fälle (78% in dieser Serie) sind B-CLL und DLBCL jedoch klonal identisch und nur gelegentlich entsteht ein DLBCL ohne klonale Beziehung zur B-CLL als unabhängige, sekundäre Neoplasie. Eine klonale Transformation in ein DLBCL tritt vorwiegend bei B-CLL-Patienten mit unmutierten IgVH-Genen auf, wohingegen die Mehrzahl der B-CLL-Patienten mit einer Transformation in ein HL oder CD30-positive HRS-ähnliche Zellen mutierte IgVH-Gene aufweist. Dieser Befund lässt auf unterschiedliche Transformationswege der beiden Subtypen des Richter-Syndroms schließen. Weiterhin existieren vermutlich wesentliche Unterschiede in der Pathogenese zwischen DLBCL-Fällen, die sich aus einer vorbestehenden B-CLL entwickelt haben, und de novo DLBCL-Fällen, da de novo DLBCL zumeist durch mutierte IgVH-Gene charakterisiert sind. N2 - B-cell chronic lymphocytic leukemia (B-CLL) comprises 90% of chronic lymphoid leukemias in Western countries and patients with B-CLL have a heterogeneous clinical course. Approximately 3-5% of B-CLL patients encounter transformation to an aggressive lymphoma, mainly diffuse large B-cell lymphoma (DLBCL) or Hodgkin’s lymphoma (HL) which has been defined as Richter’s syndrome and is associated with a poor clinical outcome. The mutational status of the immunoglobulin heavy chain variable region (IgVH) gene not only implies the developmental stage at which the neoplastic transformation occurs in a given B-cell lymphoma, but also constitutes an important prognostic factor in B-CLL, since B-CLL patients with unmutated IgVH genes usually have a poor clinical outcome. Sparse molecular analyses performed in Richter’s syndrome so far suggest that it can occur in B-CLL patients carrying mutated or unmutated IgVH genes, and tumor cells in DLBCL or HL can be clonally identical to the B-CLL clone or arise as an independent, secondary lymphoma. To determine the clonal relationship between DLBCL or Hodgkin/Reed-Sternberg (HRS) cells and pre-existing B-CLL cells in a larger series, to identify the IgVH gene usage and the mutational status and to explore possible prognostic factors in B-CLL undergoing Richter’s transformation, we utilized a PCR-based GeneScan approach with subsequent sequencing of the IgVH genes. In cases with HRS/HRS-like cells laser capture microdissection (LCM) was employed to isolate these cells. In addition, a thorough morphological and immunohistochemical analysis was performed. In total, specimens from 48 patients were investigated including 40 cases of Richter’s syndrome and additional 8 cases of B-CLL cases with the presence of CD30-positive HRS-like cells. Among 40 cases of Richter’s syndrome, 34 B-CLL cases showed transformation to DLBCL and 6 cases transformed from B-CLL to HL. Sequencing was performed in 23 paired B-CLL and DLBCL cases. In 18 cases, B-CLL and DLBCL were clonally identical, whereas DLBCL developed as a clonally independent neoplasm in 5 patients. Among the clonally related pairs, 11 out of 15 cases carried unmutated IgVH genes in both the B-CLL and DLBCL component, whereas 5 of 6 B-CLL cases that showed transformation to HL carried mutated IgVH genes. HRS cells in two samples and HRS-like cells in one sample were clonally distinct from the B-CLL clone and infected by EBV, whereas one sample of HRS-like cells was related to the clone from the surrounding B-CLL cells and did not express latent membrane protein-1 (LMP1). The VH genes VH3-23, VH3-74, VH1-2 and VH3-9 were overused in B-CLL cases that transformed to DLBCL, whereas VH4-34 and VH3-48 were used in over half of the B-CLL cases with transformation to HL. Immunohistochemical staining of ZAP70 was significantly associated with unmutated IgVH genes in B-CLL cases undergoing Richter’s transformation. Clinical follow-up data could be obtained from 24 patients. The median survival times of B-CLL patients with transformation to DLBCL or HL were 7 and 21 months, respectively. No significantly different survival times were found between clonally related or unrelated cases, or between IgVH-mutated or -unmutated cases. We conclude that in Richter’s transformation, DLBCL can evolve by clonal transformation of the pre-existing B-CLL clone or occur as an independent, clonally unrelated neoplasm. In the majority of cases (78% in our series), B-CLL and DLBCL are clonally identical. In a subset of patients, however, DLBCL develops as an independent secondary neoplasm that is not clonally related to the B-CLL. Clonal transformation into DLBCL predominantly occurs in B-CLL patients with unmutated IgVH genes, whereas most B-CLL patients that show transformation to HL or CD30-positive HRS-like cells carry mutated IgVH genes. The tendency that IgVH-unmutated B-CLL transforms to DLBCL and IgVH-mutated B-CLL transforms to HL implies different transformation pathways in the two subtypes of Richter’s syndrome. In addition, important pathogenetic differences are likely to exist between DLBCL cases derived from a pre-existing B-CLL as compared to de novo DLBCL cases, since de novo DLBCL is usually characterized by mutated IgVH genes. The biased usage of IgVH genes in the two subtypes of Richter’s syndrome suggests a possible role for antigen involvement in tumorigenesis also in B-CLL cases that undergo Richter’s transformation. Finally, EBV-association in the HL variant of Richter’s syndrome occurs more frequently in clonally unrelated secondary malignancies. KW - B-Zell-Leukämie KW - Molekulargenetik KW - Klonalitaetsanalysen KW - chronische B-Zell Leukaemie KW - Richter-Syndrom KW - Clonality analysis KW - chronic lymphocytic leukemia KW - Richter's syndrome Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-20596 ER - TY - THES A1 - Busold, Christian T1 - Facilitating functional interpretation of microarray data by integration of gene annotations in Correspondence Analysis T1 - Verbesserte funktionelle Analyse von Microarraydaten mittels Integration von Gen-Annotationen in Korrespondenzanalyse N2 - DNS-Chips (’Microarrays’) haben sich zu einer der Standardmethoden zur Erstellung von genomweiten Expressionsstudien entwickelt. Mittlerweile wurden dazu eine Vielzahl von Methoden zur Identifizierung von differentiell regulierten Genen veröffentlicht. Ungeachtet dessen stellt die abschliessende funktionelle Interpretation der Ergebnisse einen der Engpässe in der Analyse von Chip-Daten dar. Die Mehrzahl der Analysemethoden stellt die signifikant regulierten Gene in Listen dar, aus denen in einem weiteren Schritt gemeinsame funktionelle Eigenschaften abgeleitet werden müssen. Dies stellt nicht nur eine arbeitsintensive Arbeit dar, die mit steigender Anzahl an experimentellen Konditionen immer weniger praktikabel wird, sondern ist auch fehleranfällig, da diese Auswertung im allgemeinen auf dem visuellen Vergleich von Listen beruht. In der vorliegenden Arbeit wurden Methoden für eine rechnergestützte Auswertung von funktionellen Geneigenschaften entwickelt und validiert. Hierzu wurde die ’Gene Ontology’ als Quelle für die Annotationsdaten ausgewählt, da hier die Daten in einem Format gespeichert sind, das sowohl eine leichte menschliche Interaktion sowie die statistische Analyse der Annotationen ermöglicht. Diese Genannotation wurden als Zusatzinformationen in die Korrespondenzanalyse integriert, welches eine simultane Darstellung von Genen, Hybridisierungen und funktionellen Kategorien in einer Grafik ermöglicht. Aufgrund der ständig wachsenden Anzahl an verfügbaren Annotationen und der Tatsache, daß zwischen den meisten experimentellen Bedingungen nur wenige funktionelle Prozesse differentiell reguliert sind, wurden Filter entwickelt, die die Anzahl der dargestellten Annotationen auf eine im gegebenen experimentellen Kontext relevante Gruppe reduzieren. Die Anwendbarkeit der Visualisierung und der Filter wurde auf Datensätzen unterschiedlicher Komplexität getestet: beginnend mit dem gut verstandenen Glukosestoffwechsel im Modellorganismus S. cerevisiae, bis hin zum Vergleich unterschiedlicher Tumortypen im Menschen. In beiden Fällen generierte die Methode gut zu interpretierende Grafiken, in denen die funktionellen Hauptunterschiede durch die dargestellten Annotationen gut beschrieben werden [90]. Während die Integration von Annotationsdaten wie GO die funktionelle Interpretation vereinfacht, fehlt die Möglichkeit zur Identifikation einzelner relevanter Schlüsselgene. Um eine solche Analyse zu ermöglichen, wurden Daten zum Vorkommen von Transskriptionsfaktorbindestellen in den 5’-Bereichen von Genen integriert. Auch diese Methode wurde an Datensätzen von S. cerevisiae und vergleichenden Studien von humanen Krebszelllinien validiert.In beiden Fällen konnten Transkriptionsfaktoren identifiziert werden, die für die beobachteten transkriptionellen Unterschiede von entscheidender Bedeutung sind [206]. Zusammenfassend, ermöglicht die Integration von Zusatzinformationen in die Korrespondenzanalyse eine simultane Visualisierung von Genen, Hybridisierungen und Annotationsdaten in einer einzigen, gut zu interpretierenden Grafik. Dies erlaubt auch in komplexen experimentellen Bedingungen eine intuitive Identifizierung von relevanten Annotationen. Der hier vorgestellte Ansatz, ist nicht auf die gezeigten Datenstrukturen beschränkt, sondern kann auf die Mehrzahl der verfügbaren Annotationsdaten angewendet werden. N2 - DNA microarrays have become a standard technique to assess the mRNA levels for complete genomes. To identify significantly regulated genes from these large amounts of data a wealth of methods has been developed. Despite this, the functional interpretation (i.e. deducing biological hypothesis from the data) still remains a major bottleneck in microarray data analysis. Most available methods display the set of significant genes in long lists, from which common functional properties have to be extracted. This is not only a tedious and time-consuming task, which becomes less and less feasible with increasing numbers of experimental conditions, but is also prone to errors, since it is commonly done by eye. In the course of this work methods have been developed and tested, that allow for a computerbased analysis of functional properties being relevant in the given experimental setting. To this end the Gene Ontology was chosen as an appropriate source of annotation data, because it combines human-readability with computer-accessibility of the annotations term and thus allows for a statistical analysis of functional properties. Here the gene-annotations are integrated in a Correspondence Analysis which allows to visualize genes, hybridizations and functional categories in a single plot. Due to the increasing amounts of available annotations and the fact that in most settings only few functional processes are differentially regulated, several filter criteria have been developed to reduce the number of displayed annotations to a set being relevant in the given experimental setting. The applicability of the presented visualization and filtering have both been validated on datasets of varying complexity. Starting from the well studied glucose-pathway in S. cerevisiae up to the comparison of different tumor types in human. In both settings the method generated well interpretable plots, which allowed for an immediate identification of the major functional differences between the experimental conditions [90]. While the integration of annotation data like GO facilitates functional interpretation, it lacks the capability to identify key regulatory elements. To facilitate such an analysis, the occurrence of transcription factor binding sites in upstream regions of genes has been integrated to the analysis as well. Again this methodology was biologically validated on S. cerevisiae as well human cancer data sets. In both settings TFs known to exhibit central roles for the observed transcriptional changes were plotted in marked positions and thus could be immediately identified [206]. In essence, integration of supplementary information in Correspondence Analysis visualizes genes, hybridizations and annotation data in a single, well interpretable plot. This allows for an intuitive identification of relevant annotations even in complex experimental settings. The presented approach is not limited to the shown types of data, but is generalizable to account for the majority of the available annotation data. KW - Microarray KW - DNS KW - Genexpression KW - Auswertung KW - Microarray Analyse KW - GO-Annotationen KW - funktionelle Analyse KW - Korrespondenzanalyse KW - microarray data analysis KW - GO-annotations KW - functional interpretation KW - correspondence analysis Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-21150 ER - TY - THES A1 - Weber, Dionys A. T1 - Aufklärung der Struktur und Charakterisierung des ternären Komplexes aus BMP-2, BMPR-IA und ActR-IIB T1 - Structure determination and characterisation of the ternary complex of BMP-2, BMPR-IA and ActR-IIB N2 - „Bone Morphogenetic Proteins“ (BMPs) kontrollieren eine Vielzahl unterschiedlichster Prozesse bei der Embryonalentwicklung und der postnatalen Gewebehomöostase. Wie TGF­-betas, Activine und andere Mitglieder der TGF-beta Superfamilie vermitteln BMPs ihr Signal durch die Bildung eines aus dem Liganden und zwei Rezeptorsubtypen bestehenden Signalkomplexes. Für die Rezeptoraktivierung ist ein Zwei-Schritt Mechanismus allgemein akzeptiert. Bisher wurde nur der erste Schritt, die Bindung des Liganden an seinen hochaffinen Rezeptor, strukturell untersucht. Der molekulare Mechanismus der anschließenden Rekrutierung des niederaffinen Rezeptortyps war bisher nicht bekannt. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Präparation, Kristallisation und Strukturaufklärung des ternären Komplexes aus BMP-2 und den extrazellulären Domänen von BMPR-IA und ActR-IIB. Mit der Kristallstruktur dieses ternären Komplexes kann erstmals der Mechanismus der BMP Rezeptoraktivierung von der Bindung des Liganden bis hin zur Transaktivierung untersucht werden. Der Ligand BMP-2 präsentiert sich hier, im Gegensatz zu anderen Mitgliedern der TGF-beta Superfamilie, als nahezu starre Komponente, um welche die beiden Rezeptortypen symmetrisch angelagert werden. Zwischen den extrazellulären Domänen der Rezeptoren können keine direkten Kontakte beobachtet werden. Die in Zellen beobachtete Kooperativität bei der Rekrutierung des niederaffinen Rezeptors im BMP-2 System ist folglich weder durch allosterische Effekte, noch durch direkte Rezeptor-Rezeptor-Kontakte erklärbar. Vielmehr repräsentiert die Bindung des niederaffinen Rezeptors von BMP-2 einen Minimalmechanismus, bei dem Kooperativität über die Verringerung der Freiheitsgrade durch Lokalisation des Liganden in der Zellmembran erzeugt wird. Die durchgeführten Mutations-/Interaktionsanalysen erlauben vertiefende Einblicke wie Affinität und Spezifität im BMP/Activin-System generiert werden. Es zeigt sich, dass sowohl bei der niederaffinen Interaktion von ActR-IIBecd mit BMP-2 bzw. BMP-7 als auch bei der hochaffinen Bindung von ActA mit ActR-IIBecd ein Großteil der freien Bindungsenergie von denselben hydrophoben Interaktionen getragen wird. Während polare Interaktionen bei der niederaffinen Bindung der BMPs an ActR-IIBecd kaum eine Rolle spielen, stellt die zentrale Wasserstoffbrücke zwischen ActA Ser90(OG) und ActR-IIB Leu61(N) bei der Bildung des Komplexes ActA/ActR-IIBecd eine entscheidende Determinante der hochaffinen Bindung dar. BMP-2 bindet an die Typ II Rezeptoren BMPR-II, ActR-II und ActR-IIB mit nahezu identischer Affinität, daher wird eine promiske Verwendung dieser Rezeptoren angenommen. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die spezifische Erkennung und Bindung der Typ II Rezeptoren durch den Austausch einzelner Aminosäuren modulierbar ist. Mit den hier gewonnenen Kenntnissen über den molekularen Mechanismus der Typ II Rezeptorerkennung ist nun eine Generierung von BMPs mit definierter Typ II Rezeptorspezifität möglich. Diese BMP-2 Varianten können als Werkzeuge zur Aufklärung von Typ II Rezeptor-spezifischen Signalwegen verwendet werden. Ebenso wäre es denkbar, BMP-2 Varianten mit ausgeprägter Typ II Rezeptor Spezifität in vivo zur Modulation TypII Rezeptor spezifischer Signalwege zu benutzen. Beispielsweise könnte ein auf BMP-2 basierendes ActR-IIB-spezifisches Protein als Myostatin-Antagonist zur Behandlung von Muskeldystrophie eingesetzt werden. N2 - Bone morphogenetic proteins are key regulators of embryonic development and postnatal homeostasis of tissues and organs. Like TGF-betas, Activins, GDFs and other members of the TGF-beta superfamily, BMPs transmit their signals by assembling two types of serine-/threonine-kinase receptors. A two-step mechanism for receptor activation is generally accepted. To date, only the molecular basis of the first step, binding of the ligand to a high affinity receptor has been analyzed by structure determination. The molecular mechanism of the subsequent low affinity receptor recruitment remained elusive. This study describes the preparation, crystallization and structure determination of the ternary ligand-receptor complex consisting of BMP-2 and the extracellular domains of BMPR-IA and ActR-IIB. The structure of this ternary complex allowed us to study BMP-2 receptor activation from ligand recruitment to transactivation. In contrast to other ligands of the TGF-beta superfamily, BMP-2 acts as a nearly rigid scaffold binding to the extracellular domains of both receptor subtypes. There are no direct contacts observed between the extracellular domains of the receptors. Therefore the cooperativity observed for BMP-2 low affinity receptor recruitment on whole cells could not be explained by allosteric effects nor by direct receptor-receptor contacts. The BMP receptor assembly possibly presents a basic mode for generating cooperativity employing the reduction of dimensionality in the membrane to faciliate low affinity receptor recuitment Mutagenesis/interaction studies enabled us to understand how affinity and specificity in the BMP/ Activin system are generated. A majority of the free binding energy in low and high affinity interaction of ActR-IIBecd with BMP-2/-7 or ActR-IIBecd with ActA, respectively, is dominated by the same subset of hydrophobic residues. Polar interactions play only a minor role in low-affinity binding of BMPs to ActR-IIBecd. However in the complex ActA/ActR-IIBecd, the central hydrogen bond between ActA Ser90(OG) and ActR-IIBecd Leu61(N) is the key determinant for switch from low to high affinity binding. Type II receptor binding is termed promiscous since BMP-2 binds to its type II receptors BMPR-II, ActR-II and ActR-IIB with almost similar affinity. This study clearly shows that binding and recruitment of a particular type II receptor could be modulated just by the exchange of single amino acid residues. These insights into the molecular mechanism of type II receptor recognition allow the generation of highly type II receptor specific BMPs. These BMP-2 variants could serve as valuable tools for the determination or the modulation of type II receptor specific signaling pathways. A BMP-2 based mutant protein which is highly specific for ActR-IIB binding could be used for example as a myostatin antagonist for the treatment of muscle dystrophy. KW - Knochen-Morphogenese-Proteine KW - Ternärkomplex KW - Ternärer Komplex KW - Kristallstruktur KW - BMP-2 KW - ActR-IIB KW - BMPR-IA KW - ternary complex KW - crystal structure KW - BMP-2 KW - BMPR-IA KW - ActR-IIB Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-20735 ER - TY - THES A1 - Kalb, Reinhard T1 - Fanconi anemia and RAD50 deficiency : genetic and functional analysis T1 - Fanconi Anämie und RAD50-Defizienz : genetische und funktionelle Analysen N2 - Human caretaker genes play a central role in the DNA damage response. Their defects cause a number of rare diseases which show genetic instability and increased propensity to malignant cell growth. The first of these diseases to be described in this thesis is Fanconi anemia (FA), a rare chromosome instability disorder with recessive inheritance characterized by progressive bone marrow failure, variable congenital malformations, and cancer predisposition. There are at least 13 FA complementation groups (FA-A, B, C, D1, D2, E, F, G, I, J, L, M and N), each representing mutations in a distinct gene. To date, except FANCI all the corresponding genes have been identified, denoted as FANC-A, B, C, D1/BRCA2, D2, E, F, G, J/BRIP1/BACH1, L/PHF9, M/Hef and N/PALB2.Further information is provided in chapters 1 and 2. FA cells are characterized by high sensitivity to DNA crosslinking agents and to elevated oxygen tension, but it is controversial whether they are also radiosensitive. Systematic testing (chapter 3) of primary skin fibroblast cultures from all currently known FA complementation groups revealed no increased sensitivity towards ionizing radiation (IR) and ultra-violet light (UV) when growing cells at physiological (5% v/v) oxygen levels. Despite considerable interstrain variations FA cells showed no systematic differences to cell cultures derived from healthy controls, whereas positive controls (Ataxia telangiectasia and Cockayne syndrome) proved highly sensitive to IR or UV. Lack of radiosensitivity was also shown for the FANCD2 gene, a central gene in the FA/BRCA pathway whose mutational inactivation was studied in a large patient cohort. FA patients excluded previously from complementation groups FA-A, -C, E, F, G or L were screened for mutations in FANCD2. Even though mutation analysis of FANCD2 is complicated by the presence of pseudogene regions, biallelic FANCD2 mutations were identified in a series of 32 patients (chapter 4). The predominant types of mutations result in aberrant splicing causing exon skipping, exonisation of intronic sequence, activation of cryptic and creation of new 3´ splice sites. Many alleles were recurrent and could be associated with ethnicity. Interestingly, residual FANCD2 protein was observed in all available patient cell lines, and functionality was indicated by the presence of the monoubiquitinated FANCD2 isoform. This suggests that viability of FA-D2 patients depends on the presence of hypomorphic or leaky mutations. In chapter 5 the worldwide second FA patient belonging to complementation group FA-L is reported. Genetic analysis of patient derived fibroblasts revealed heterozygosity for a 5-bp deletion (exon 7) and a missense substitution (exon 11). In contrast to the tested fibroblasts two independent lymphoid cell lines proved resistant to the DNA crosslinking agent mitomycin C and showed proficient FANCD2 monoubiquitination. The functional reversion due to a compensating mutation in the splice acceptor site results in aberrant splicing and the restoration of the open reading frame. However, the revertant mosaicsm was restricted to the lymphatic cell lines such that there was no clinical improvement involving the other hematopoietic cell lineages, and bone marrow transplantation was required to treat the patients bone marrow failure. A direct link of Fanconi anemia to other DNA repair processes was provided by the identification of the BRCA1 interacting protein 1, BRIP1/BACH1, as a genuine FA gene (chapter 6). Genetic mapping of consanguineous Inuit families resulted in the identification of truncating mutations in BRIP1. In contrast to most of the other FA patients FANCD2 monoubiquitination was intact, linking these patients to complementation group FA-J. Biallelic mutations in BRIP1 were found in eight additional patients, one of whom was assigned previously to FA-J by somatic cell fusion. Therefore it could be shown that the postulated FANCJ gene is identical with BRIP1. This finding emphasizes the close connection between the BRCA- and the FA-family of genes, both involved in the DNA damage response. Biallelic mutations in BRCA2/FANCD1 cause a severe form of Fanconi anemia with childhood malignancies. Recently, a BRCA2 interacting protein was identified as a “partner and localizer of BRCA2” (PALB2) which confers cellular MMC resistance. A candidate gene approach revealed biallelic mutations in seven FA patients that developed solid tumors in early childhood (chapter 7). Patient cells show no or little PALB2 protein, lack of MMC induced RAD51 foci formation, and high chromosomal instability. Transduction of PALB2 cDNA complemented the MMC sensitive phenotype. Therefore, biallelic mutations in PALB2 cause a new subtype of FA, denoted as FA-N, which is connected with a high and early cancer risk. With respect to one of the most prominent but least understood caretaker gene syndromes, Fanconi anemia, this thesis has expanded our knowledge as follows: 1. refutation of major cellular radiosensitivity of FA cell lines regardless of complementation group, 2. detection of hypomorphic mutations and residual protein levels as a prerequisite for viability of the FANCD2 gene, 3. description of the worldwide second patient belonging to complementation group FA-L whose lymphocytes exhibit a novel type of somatic reversion, 4. participation in the discovery and functional characterization of two novel FA genes (FANCJ and FANCN). The last chapter of the thesis deals with a DNA repair pathway that is activated following exposure to ionizing radation. One of the central proteins responding to radiation-induced DNA damage is the product of the ATM gene which signals to a myriad of other proteins in response to DNA double strand breaks, including the NMR complex. This complex formed by the NBS1/MRE11/RAD50 proteins is thought to act as a specifi c sensor of DNA double-strand breaks. Mutations of MRE11 and NBS1 are associated with the radiation sensitivity syndromes Ataxia-telangiectasia-like disorder (AT-LD) and Nijmegen breakage syndrome (NBS), respectively. Chapter 8 presents the first ever identified patient with RAD50 deficiency due to biallelic germline mutations in the RAD50 gene. An 18-year-old German girl who has a variant form of NBS without immunodeficiency was found to be compound heterozygous for a nonsense mutation and the loss of the natural termination signal in the RAD50 gene. RAD50 protein expression was reduced to less than one tenth of normal in her fibroblasts and lymphoblastoid cells. At the nuclear level, RAD50 deficiency was associated with a high frequency of spontaneous chromatid exchanges and with the failure to form MRE11 and NBS1 nuclear foci in response to irradiation. ATM autophosphorylation, phosphorylation of p53 at serine 15 and the transcriptional induction of p21/WAF1 mRNA were reduced, and there was no evidence for Ser343 phosphorylation of NBS1 in RAD50 defi cient cells following irradiation. These defects could be complemented by expression of wildtype RAD50 cDNA. Our data shows that RAD50 modulates, like NBS1 and MRE11, the ATM-mediated DNA damage response and the G1/S cell cycle checkpoint. In addition, RAD50 appears to be required for nuclear localization of MRE11, and for NBS1 focus formation, underlining its importance for the proper function of the NMR complex. Owing to the studies performed within the framework of this thesis, RAD50 deficiency can now be added to the growing list of human caretaker gene syndromes with pronounced radiosensitivity that is distinctive at both the cellular and the clinical level from deficiencies involving the other members of the NMR complex. N2 - Die sogenannten “Caretaker”-Gene spielen eine zentrale Rolle in der zellulären Antwort auf DNA Schäden. Mutationen in diesen Genen führen zur Ausprägung von einigen seltenen Erbkrankheiten, die sich durch genetische Instabilität und in vielen Fällen durch erhöhtes Krebsrisiko auszeichnen. Eine dieser Erkrankungen, die im Rahmen dieser Arbeit untersucht wurde, ist Fanconi Anämie (FA). Dabei handelt es sich um eine sehr seltene chromosomale Instabilitätserkrankung, die einem rezessiven Erbgang folgt. Der klinische Phänotyp von FA ist gekennzeichnet durch ein variables Spektrum von kongenitalen Fehlbildungen, progressivem Knochenmarksversagen und einer Prädisposition für Neoplasien. Durch somatische Zellfusionstudien und in einigen Fällen durch direkte genetische Zuordnung konnten bisher 13 Komplementationsgruppen definiert werden (FAA, B, C, D1, D2, E, F, G, I, J, L, M and N), von denen jede einen Defekt in einem bestimmten Gen widerspiegelt. Inzwischen sind, mit Ausnahme von FANCI, alle korrespondierenden FA Gene identifiziert. Ein Überblick über den aktuellen Stand ist in den Kapiteln 1 und 2 dieser Arbeit zu finden. Zellen von FA-Patienten zeichnen sich durch eine hohe Sensitivität gegenüber DNA quervernetzenden Substanzen und einer hohen Empfindlichkeit gegenüber einer erhöhten Sauerstoffkonzentration aus. Zur Frage der Radiosensitivität von FA-Zellen gab es bisher nur widersprüchliche Daten. Mit Hilfe einer systematischen Analyse von primären Fibroblasten aller (zum Zeitpunkt der Untersuchung) bekannten Komplementationsgruppen konnte gezeigt werden, dass unter physiologischen Sauerstoffkonzentrationen keine erhöhte Sensitivität gegenüber ionisierender Strahlung (IR) und ultraviolettem Licht (UV) besteht (Kapitel 3). Trotz einigen Zellinien-spezifischen Schwankungen waren die Unterschiede zwischen Patientenzellen und gesunden Kontrollen marginal, verglichen mit der eindeutig erhöhten Sensitivität von Zellen positiver Kontrollen (Ataxia telangiactasia (IR Kontrolle) bzw. Cockayne Syndrom (UV-Kontrolle)). Die in Kapitel 3 nachgewiesene fehlende Radiosensitivität von FA-Zellen ist im Kontext des FANCD2-Gens von besonderem Interesse, da diesem Gen eine Schlüsselposition im FA/BRCA Doppelstrangbruch-Reparaturweg zukommt. Das Screening von FA-Patienten, bei denen bereits eine Zuordnung zu den Komplementationsgruppen FA-A, C, E, F, G und L ausgeschlossen war, führte zur Identifikation einer Reihe von FA-D2 Patienten. In einer großen Kohortenstudie wurden 29 FA-D2 Patienten mit klinischen Informationen sowie 3 zusätzliche FA-D2 Patienten hinsichtlich ihrer Mutationen in FANCD2 untersucht (Kapitel 4). Für alle 32 Patienten konnten biallelische Mutationen nachgewiesen werden, auch wenn das Vorhandensein von pseudogenen Regionen die Mutationsanalyse erschwerte. Wie in keinem der anderen FA-Gene führt die Mehrzahl der Mutationen in FANCD2 zu verändertem Spleißenverhalten, wie zum Beispiel zur Exklusion eines Exons, zur Exonisation intronischer Bereiche, der Aktivierung von kryptischen oder der Erzeugung von neuen 3´ Spleißstellen. Viele Allele wurden mehrfach gefunden und konnten einem ethnischen Hintergrund zugeordnet werden. In allen verfügbaren lymphoblastoiden Patienten-Zelllinien wurde residuales FANCD2-Protein detektiert, wobei das Vorhandensein der monoubiquitinylierten Isoform auf ein funktionelles Protein hindeutet. Zusammen mit der Tatsache, dass in keinem der Patienten eindeutige biallelische Nullmutationen nachgewiesen werden konnten, ist somit offenbar das Vorhandensein von hypomorphen Mutationen und entsprechendem Restprotein für die Lebensfähigkeit von FA-D2 Patienten essentiell. In Kapitel 5 wird der weltweit zweite FA Patient vorgestellt, welcher der Komplementationsgruppe FA-L zugeordnet werden konnte. Die genetische Analyse von primären Fibroblasten dieses Patienten führte zum Nachweis einer 5 Basen umfassenden Deletion in Exon 7 sowie zu einer Missense-Mutation in Exon 11. Im Gegensatz zu den untersuchten Fibroblasten zeigten zwei unabhängig etablierte lymphoblastoide Zellinien keine erhöhte Sensitivität gegenüber Mitomycin C, was auf einer somatische Reversion beruhen kann. Diese Vermutung wurde durch den Nachweis einer induzierbaren Monoubiquitinylierung von FANCD2 in Lymphoblasten bestätigt. Die funktionelle Reversion basiert auf einer zur Deletion in cis befindlichen kompensatorischen Mutation im Spleiß-Akzeptor von Exon 7, die zu einem veränderten Spleißprodukt und der Wiederherstellung des Leserahmens führt. Die somatische Reversion beschränkt sich jedoch auf die lymphatischen Zellreihen und hatte daher nur einen partiellen Einfluss auf den Krankheitsverlauf. Ein allgemeines Knochenmarksversagens machte eine Transplantation unumgänglich. Die Konditionierung wurde jedoch auf das vorhandene hämatopoietische Mosaik abgestimmt, um eine Graft vs. Host Reaktion zu vermeiden. Die Identifizierung des BRCA1 interagierenden Proteins 1 (BRIP1/BACH1) als ein bona fide FA-Gen (Kapitel 6) verdeutlicht die direkte Verknüpfung des FA/BRCA DNA Reparaturweges mit anderen DNA Reparaturwegen. Trunkierende Mutationen in BRIP1 wurden in zwei blutsverwandten Eskimofamilien mittels genetischer Positionsanalysen gefunden. Im Gegensatz zu den meisten anderen FA Patienten war die Monoubiquitinylierung von FANCD2 trotz MMC Empfindlichkeit intakt, was für eine Zuordnung zur Komplementationsgruppe FA-J sprach. Biallelische Mutationen in BRIP1 wurden in 8 weiteren Patienten gefunden, von denen einer ursprünglich durch somatische Zellfusion zu FA-J zugeordnet wurde. Dadurch konnte gezeigt werden, dass das postulierte FANCJ Gen mit BRIP1 identisch ist. Als eines der wenigen FA Gene besitzt BRIP1 bekannte funktionelle Domänen (DNA Helikase), die somit biochemisch für die Entschlüsselung des FA/BRCA Weges genutzt werden können. Biallelische Muatationen in FANCD1, welches identisch mit dem bekannten Brustkrebsgen BRCA2 ist, führen zu einer besonders schweren Form von Fanconi Anämie, die bereits im frühen Kindesalter mit einem sehr hohen Krebsrisko verbunden ist. Kurz vor Abschluss dieser Arbeit gelang die Charakterisierung eines mit BRCA2 interagierendes Proteins, welches als „partner und localizer of BRCA2“ (kurz PALB2) bezeichnet wurde und offenbar zelluläre Resistenz gegenüber Mitomycin C (MMC) bedingt. Ein genetischer Screen von bisher nicht-klassifizierten FA-Patienten führte zur Identifizierung von sieben Patienten mit biallelischen Mutationen in PALB2 (Kapitel 7). Alle Patienten entwickelten bereits im frühen Kindesalter bösartige Tumore. Der zelluläre Phänotyp von PALB2- defizienten Zellen weist eine Störung der MMC induzierten RAD51 Foci-Bildung auf. Darüberhinaus zeigen PALB2-defiziente Zellen eine spontane chromosomale Instabilität, die durch eine MMC-Gabe stark erhöht werden kann. Die Transduktion von PALB2 cDNA führt zur Reduktion der MMC induzierten G2 Phasen Arretierung und zur Reversion des MMC-sensitiven Phänotyps. Biallelische Mutationen in PALB2 verursachen somit eine Form von Fanconi Anämie, die mit hohem Krebsrisiko verbunden ist. PALB2 wird nach der gängigen FA-Nomenklatur als FANCN bezeichnet und liegt der neu definierten Komplementationsgruppe FA-N zugrunde. Die vorliegende Arbeit hat in mehreren Punkten zur Verbesserung des derzeitigen Wissenstandes über die komplexe genetisch bedingte Erkrankung Fanconi Anämie beigetragen 1. trotz molekularer Wechselwirkung von FA-Proteinen mit Komponenten aus anderen DNA-Reparatursystemen zeigen Zellen von FA Patienten unabhängig von der Komplentationsgruppe weder Strahlen- noch UV-Sensitivität; 2. die Existenz von hypomorphen Mutationen in FANCD2 und das Auftreten von Restprotein korreliert offenbar mit der Lebensfähigkeit von biallelischen Mutationen im FANCD2 Gen. 3. unter den bisher nicht klassifizierten Patienten wurde der weltweit zweite Patient der Komplementationsgruppe FA-L gefunden, in dessen Blutzellen ein neuartiger Mechanismus von somatischer Reversion nachgewiesen werden konnte 4. die Beteiligung an der Identifizierung und funktionellen Charakterisierung von zwei neuen FA-Genen (FANCJ und FANCN), welche die FA-abhängigen DNA-Reparaturwege direkt mit den Brustkrebsgenen BRCA1 und BRCA2 in Verbindung bringen. Das letzte Kapitel der Arbeit befasst sich mit einem DNA-Reparaturweg, der insbesondere nach Strahlenexposition aktiviert wird. Eines der zentralen Proteine, das an der Erkennung von strahleninduzierten DNA Schäden beteiligt ist, ist die Kinase ATM. Eine Reihe von Proteinen wird von ATM phosphoryliert, womit eine DNA Schadensantwort bei Doppelstrangbrüchen ausgelöst wird. Der NMR-Proteinkomplex, bestehend aus NBS1, MRE11 und RAD50, ist an der Aktivierung der ATM Kinase beteiligt und wird daher als ein Sensor für DNA Doppelstrangbrüche angesehen. Biallelische Mutationen in MRE11 und NBS1 führen zu den Radiosensitivitätssyndromen „Ataxia telangiectasia-like disease“ (AT-LD) bzw. „Nijmegen breakage syndrome“ (NBS). In Kapitel 8 wird der erste Patient mit RAD50 Defizienz vorgestellt. Bei einer 18 jährigen Patientin mit einem NBS- ähnlichem klinischem Phänotyp, jedoch ohne Immundefizienz, wurden eine prämature Stopp- Mutation und der Verlust des natürlichen Translationsterminations-Signals gefunden. Die Expression von RAD50 ist in Fibroblasten und Lymphozyten der Patientin auf weniger als 10% reduziert. Auf zellulärer Ebene ist eine hohe Chromosomenbruchrate, eine dosisabhängige Arretierung in der G2 Phase des Zellzyklus, Defekte in den G1 und S Phase Kontrollpunkten, sowie das Fehlen der IR-induzierten Relokalisation von NBS1 und MRE11 zu beobachten. Korrekte Relokalisation und normale Phosphorylierungsmuster wurden experimentell durch transiente Transfektion von RAD50 cDNA wiederhergestellt, was die Bedeutung von RAD50 für diese Prozesse belegt. Die vorgestellten Daten zeigen, dass RAD50, ebenso wie NBS1 und MRE11, die ATM abhängige DNA Schadensantwort und die G1/S Zellzykluskontrolle moduliert. RAD50 scheint für die nukleäre Lokalisation von MRE11, sowie für die induzierte Relokalisation von MRE11 und NBS1 in nukleäre Foci notwendig zu sein. Als Ergebnis dieser Untersuchungen kann die RAD50-Defizienz zu der wachsenden Liste von Caretaker-Syndromen als eine neue Radiosensitivität-Erkrankung hinzugefügt werden. Das Krankheitsbild unterscheidet sich trotz enger molekularer Interaktion zwischen RAD50, NBS1 und MRE11 im NMR-Komplex von den Defekten in diesen Genen. KW - DNS-Reparatur KW - Fanconi-Anämie KW - Erbkrankheit KW - Genmutation KW - chromosomale Instabilität KW - FA KW - RAD50-Defizienz KW - Fanconi anemia KW - chromosomal instability KW - DNA repair KW - FA KW - mutation analysis Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-25823 ER - TY - JOUR A1 - Heisswolf, Annette A1 - Obermaier, Elisabeth A1 - Poethke, Hans-Joachim T1 - Selection of large host plants for oviposition by a monophagous leaf beetle: nutritional quality or enemy-free space? N2 - 1. Oviposition site selection is crucial for the reproductive success of herbivorous insects. According to the preference–performance hypothesis, females should oviposit on host plants that enhance the performance of their offspring. More specifically, the plant vigour hypothesis predicts that females should prefer large and vigorously growing host plants for oviposition and that larvae should perform best on these plants. 2. The present study examined whether females of the monophagous leaf beetle Cassida canaliculata Laich. (Coleoptera: Chrysomelidae) prefer to oviposit on large host plant individuals of the meadow clary and whether large host plants are of higher nutritional quality than small host plants. Subsequently, it was tested whether the female preference correlates with offspring performance and survival. 3. In the field, females preferred large host plant individuals for oviposition and host plant quality, i.e. leaf nitrogen content, was significantly higher in leaves of large than of small host plants. 4. In the laboratory, larval development time was shorter on leaves of large host plant individuals than on small host plant individuals, but this could not be shown in the field. 5. However, a predator-exclusion experiment in the field resulted in a higher survival of larvae on large host plants than on small host plants when all predators had free access to the plants. On caged host plants there was no difference in survival of larvae between plant size categories. 6. It is concluded that females of C. canaliculata select oviposition sites that enhance both performance and survival of their offspring, which meets the predictions of the plant vigour hypothesis. KW - Insekten KW - Eiablage KW - Fitness KW - Präferenz KW - Chrysomelidae KW - leaf nitrogen content KW - plant vigour KW - predator-exclusion KW - preference–performance hypothesis Y1 - 2005 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-47728 ER - TY - THES A1 - Akimzhanov, Askar M. T1 - Epigenetic repression of the NFATc1 transcription factor in human lymphomas T1 - Epigenetische Repression des NFATc1 Transkriptionsfakors in menschlichen Lymphomen N2 - We examined the regulation of NFATc1 in different lymphomas and observed an inversed correlation between the methylation status and expression of NFATc1. Our data demonstrate that aberrant DNA methylation associated with chromatin remodeling within nfatc1 locus is a major mechanism for the repression of NFATc1 expression, suggesting that the DNA methylation-mediated transcriptional silencing of NFATc1 may be a critical event in the tumorogenesis of ALCLs and cHLs. Furthermore, the DNA methylation of human nfatc1 promoter region could be used as a novel biomarker of tumor progression. Our results indicate a close link between the loss of immunoreceptor signaling and NFATc1 expression in human lymphomas. For both ALCLs and cHLs, defects in immunoreceptor signaling have been described which result in a loss of receptor-mediated gene expression programs (Schwering et al., 2003; Bonzheim et al., 2004; Marafioti et al., 2004). In T cells, one indicator gene of these programs appears to be the nfatc1 gene whose expression is controlled by TCR signals (Chuvpilo et al., 2002a). In contrast, in T cells NFATc1 expression is unaffected by TCR signals, and NFATc2 was found to be expressed at normal levels in ALCLs and cHLs (L.K., unpubl. data). Moreover, the activity of NF-kappaB factors which can bind to certain NFAT binding sites and share a distantly-related DNA binding domain with NFATs is strongly elevated in cHL cells (Bargou et al., 1997; Hinz et al., 2001; Hinz et al., 2002) suggesting that NFATs and NF-kappaBs exert very different effects on generation and maintenance of Hodgkin’s lymhomas. However, it should be mentioned that in Burkitt’s and further B cell lymphomas in which NFATc1 proteins are strongly expressed and controlled by receptor signals (Kondo et al., 2003), they could exert a promoting function in tumor development. The genes of p53 family members p63 and p73 are prominent examples for mammalian genes whose products can act both as oncoproteins and tumor suppressor genes (Hibi et al., 2000; Stiewe and Putzer, 2002), and it is likely that more genes exist which encode both tumor suppressors and oncoproteins. It remains to be shown whether the nfatc1 gene is one of them. N2 - Wir haben die Regulation von NFATc1 in verschiedenen Lymphomen untersucht und beobachteten eine umgekehrte Korrelation zwischen dem Ausmaß an Methylierung und der Expression von NFATc1. Unsere Daten demonstrieren, dass eine aberrante DNA-Methylierung, die mit veränderter Chromatinstruktur innerhalb des nfatc1 Lokus assoziiert ist, der Hauptmechanismus für die Repression der NFATc1-Expression ist. Es wäre zu vermuten, dass die durch DNA-Methylierung verursachte transkriptionelle Abschaltung von NFATc1 der kritische Schritt bei der Tumorgenese von ALCLs und cHLs ist. Des weiteren könnte das Ausmaß der DNA-Methylierung in der humanen nfatc1-Promotorregion als neuer Biomarker für Tumorprogression genutzt werden. Unsere Daten indizieren eine enge Verbindung zwischen dem Verlust von Immunrezeptorsignalen und der NFATc1-Expression in humanen Lymphomen. Für sowohl ALCLs als auch cHLs wurden Defekte in der Immunrezeptorsignalgebung beschrieben, welche sich im Verlust des Rezeptor vermittelten Genexpressionsprogramms niederschlagen (Schwering et al., 2003; Bonzheim et al., 2004; Marafioti et al., 2004). In T-Zellen scheint das nfatc1-Gen eins der Indikatorgene dieses Programms zu sein, dessen Expression durch TCR-Signale kontrolliert wird (Chuvpilo et al., 2002a). Im Gegensatz dazu bleibt die NFATc2-Expression in T-Zellen unbeeinflusst von TCR-Signalen, weshalb NFATc2 in ALCLs und cHLs auch in normalem Ausmaß exprimiert wird (L.K., unpubl. data). Andererseits ist die Aktivität der NF-kappaB-Faktoren, die auch an bestimmte NFAT-Bindungsstellen binden können und deren DNA-Bindungsdomäne entfernt mit der der NFATs verwandt ist, in cHL-Zellen stark erhöht (Bargou et al., 1997; Hinz et al., 2001; Hinz et al., 2002). Das lässt vermuten, dass NFATc1 und die NF-kappa-Faktoren eine sehr unterschiedliche Rolle bei der Entstehung und dem Erhalt der Hodgkinlymphome spielen. Es sollte aber erwähnt werden, dass in Burkitts und anderen B-Zelllymphomen, in denen NFATc1-Proteine stark exprimiert und darüber hinaus durch Rezeptorsignale kontrolliert sind (Kondo et al., 2003), diese eine Tumor fördernde Funktion ausüben könnten. Die Gene der p53-Familienmitglieder p63 und p73 sind prominente Beispiele für Säugergene, deren Produkte sowohl als Onkoproteine als auch als Tumorsuppressoren fungieren können (Hibi et al., 2000; Stiewe and Putzer, 2002), und es ist wahrscheinlich, dass es noch weitere Gene gibt, die beide Funktionen ausüben. Es wird zu zeigen sein, ob das nfatc1-Gen eins von ihnen ist. KW - Lymphom KW - T-Lymphozyt KW - Transkriptionsfaktor KW - Methylierung KW - Epigenese KW - NFATc1 KW - Lymphome KW - Epigenetik KW - Methylierung KW - NFATc1 KW - Lymphoma KW - Epigenetics KW - Methylation Y1 - 2005 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-12921 ER - TY - THES A1 - Williams, Tatjana T1 - Untersuchungen zur Rolle des Phosphoproteins Stathmin in Listeria monocytogenes-infizierten Säugerzellen und Molekulare Charakterisierung der listeriellen Zweikomponetensysteme T1 - The role of the phosphoprotein stathmin during an infection with Listeria monocytogenes and Molecular characterization of listerial two-componentsystems N2 - Das fakultativ intrazelluläre Bakterium Listeria monocytogenes besitzt die Fähigkeit, eukaryotische Wirtszellen zu penetrieren, sich in diesen zu vermehren, fortzubewegen und zwischen den Zellen auszubreiten. Im Zuge des intrazellulären Lebenszyklus gehen Listerien Wechselwirkungen mit ver-schiedenen zellulären Proteinen ein. Als eines dieser Proteine konnte das zelluläre Phosphoprotein Stathmin identifiziert werden. Dieses Protein bindet an Untereinheiten des Tubulins und destabilisiert dadurch Mikrotubuli (MT). Es wird durch Phosphorylierung von vier spezifischen Serinresten in seiner MT-destabilisierenden Aktivität reguliert. Da Stathmin als Antwort auf externe Signale zelluläre Funktionen, z. B. Zell-Proliferation und Differenzierung reguliert, vermutet man seine Funktion in einer Art Relais welches verschiedene Signale aus dem Umfeld der Zelle integriert. In mit L. monocytogenes infizierten Wirtszellen wird Stathmin an die Oberfläche intrazellulärer Bakterien rekrutiert. Inwiefern diese Rekrutierung das Phosphorylierungsmuster von Stathmin und damit dessen Aktivität beeinflusst, konnte im Rahmen dieser Arbeit nicht geklärt werden. Stathmin knock-out Mäuse sollten sich gut eignen, um die Rolle von Stathmin während einer Infektion mit L. monocytogenes EGD in vitro und in vivo zu untersuchen. Es stellte sich heraus, dass in Stathmin(-/-)-Makrophagen der intrazelluläre Lebenszyklus der Listerien nicht signifikant beeinflusst ist. Nach intravenöser Verabreichung von 5x103 L. monocytogenes waren drei Tage nach der Infektion in Leber und Milz der knock-out Mäuse allerdings signifikant mehr Listerien nachzuweisen, als in den Organen wildtypischer Mäuse. Mittels Immunfluoreszenzmikroskopie und einem anti-Stathmin-Antiersum konnte an mit verschiedenen L. monocytogenes-Mutanten infizierten Zellen gezeigt werden, dass Stathmin mit der Oberfläche intrazellulärer Listerien kolokalisiert. Allerdings konnten dabei die Angaben in der Literatur nicht bestätigt werden, wonach für diese Kolokalisation die Expression von ActA notwendig ist. Die Ergebnisse dieser Arbeit sprechen im Gegensatz zu den publizierten Daten dafür, dass Stathmin über einen bisher noch unbekannten Mechanismus ActA-unabhängig an intrazelluläre Listerien rekrutiert wird. Zweikomponentensysteme ermöglichen Bakterien eine rasche Anpassung an sich verändernde Umweltbedingungen, da sie extra- und intrazelluläre Stimuli in zelluläre Signale umwandeln. Um die 16 in der Genomsequenz von L. mono-cytogenes EGDe identifizierten Zweikomponentensysteme charakterisieren zu können, wurden individuelle Mutanten konstruiert, in denen individuelle Response Regulatorgene deletiert sind. Die erhaltenen Mutanten wurden in vitro und in vivo auf ihr Wachstumsverhalten hin untersucht. Es zeigte sich, dass unter den angewandten Kultur- und Versuchsbedingungen keines der Zweikomponentensysteme eine signifikante Rolle bei der Anpassung an Temperatur, sowie an oxidativen oder osmotischen Stress spielt. Die Zugabe von 5 % Ethanol hatte einen stark hemmenden Effekt auf das Wachstum von 4 Mutanten, wohingegen zwei andere Mutanten in Gegenwart des Alkohols deutlich besser wuchsen. Unter anaeroben Bedingungen konnte kein Unterschied im Wachstum beobachtet werden. Die Expression wichtiger Virulenzgene war in keiner der untersuchten Mutanten im Vergleich zum Ausgangsstamm verändert. Die intrazelluläre Replikation sowie intrazelluläre Bewegung und Ausbreitung im Zellrasen waren durch die Deletion der Response Regulatorgene nicht beeinträchtigt. Abgesehen von geringen Unterschieden in der Invasivität einiger Deletionsmutanten für Cos-1 und Caco-2 Zellen zeigte sich keiner der Response Regulatoren für den intrazellulären Lebenszyklus von L. monocytogenes erforderlich. Es zeigte sich, dass der in der vorliegenden Arbeit verwendete L. monocyto-genes-Wildstamm auch bei der für die Flagellenexpression normalerweise nicht-permissiven Temperatur von 37° C noch beweglich ist. Die L. monocytogenes ΔdegU-Mutante war dagegen auf Weichagar temperaturunabhängig unbeweglich. Die elektronenmikroskopische Analyse ergab, dass dieser Stamm im Gegensatz zum Wildtyp auch bei 24° C keine Flagellen ausbildet. Durch vergleichende Proteomanalysen konnte gezeigt werden, dass L. monocytogenes ΔdegU bei 24° C wesentliche Proteine des Flagellenapparates nicht synthetisiert. Mittels Transkriptomanalysen konnten die Ergebnisse der Proteomanalysen bestätigt werden. Es wurden neben Genen, die für Proteine der Flagellenbiosynthese und Chemotaxis codieren, noch weitere Gene identifiziert, die offensichtlich unter der transkriptionellen Kontrolle des Response Regulators DegU stehen. Die Ergebnisse der in vivo Studien zeigten, dass L. monocytogenes ΔdegU deutlich virulenzattenuiert ist. Für die restlichen L. monocytogenes ΔTCS-Mutanten waren im Vergleich zum Wildtyp die Unterschiede in Leber und Milz nur leicht verändert und statistisch nicht signifikant. N2 - The facultative intracellular pathogen Listeria monocytogenes is able to penetrate eukaryotic host cells, to multiply and move intracellularly and to spread between the cells. In the course of the intracellular lifecycle the listeriae interact with different cellular proteins. The cellular phosphoprotein stathmin was identified as one of these proteins. This protein binds to the tubulin subunits thereby destabilizing microtubules. It is regulated in its microtubule-destabilizing activity via phosphorylation of four specific serine residues. Since stathmin regulates cellular functions, i. e. cell proliferation and differentiation, its function is presumed in acting as a type of relay integrating different signals of the cell´s environment. In L. monocytogenes infected host cells stathmin is recruited to the bacterial cell surface. Whether and to which extent this recruitment influences the phosphorylation pattern of stathmin and thereby its activity, could not be identified during this work. Stathmin knock-out mice should be valuable for experimentally testing the influence of stathmin in an infection with L. monocytogenes in vitro and in vivo. It appeared that the listerial intracellular lifecycle is not significantly influenced in stathmin(-/-) macrophages. However, three days after intravenous application of 5x103 L. monocytogenes EGD the bacterial load in liver and spleen of stathmin knock-out mice was significantly higher than in organs of wildtype mice. By means of immunfluorescence microscopy with an anti-stathmin antiserum it could be revealed that within infected cells stathmin colocalizes with the listerial cell surface. Data from the literature, however, suggesting that this recruitment of stathmin is dependent upon the expression of ActA, could not be confirmed implicating stathmin to be recruited in an up to now unknown ActA-independent manner. Two-component systems enable bacteria to efficiently adapt to changes in the environment by converting extra- and intracellular signals into cellular responses. In order to characterize the 16 identified two-component systems of L. monocytogenes EGDe in detail individual mutants with deletions in each one of the response regulator genes were constructed. The growth characteristics of the mutants were examined in in vitro and in vivo experiments. It appeared that under the culture and test conditions applied, neither one of the TCS plays a role for adapting to temperature, as well as oxidative or osmotic stress. The addition of 5 % ethanol severely impaired growth of 4 of the mutants, whereas growth of two other mutatns was enhanced. No difference in growth between wildtype listeriae and the individual mutants was observed when the cells were grown anaerobically. Expression of important virulencefactor genes was not altered in the mutants tested compared to the wildtype strain. Intracellular replication as well as intracellular movement and spreading was not affected by either one of the response regulator gene deletions. Despite a slightly reduced invasiveness of a few deletion mutants for Cos-1 and Caco-2 cells none of the response regulators appeared to be necessary for the intracellular lifecycle of L. monocytogenes. The wildtype strain used throughout this work proved to be motile even at 37° C, a temperature usually non-permissive for flagellin expression. In contrast, the L. monocytogenes ΔdegU mutant displayed a non-motile phenotype on semisolid agar irrespective of the temperature applied. Electron microscopical analysis demonstrated that, unlike the wildtype strain EGD, this deletion mutant did not produce flagella, not even at 24° C. Comparative proteomics revealed that at 24° C L. monocytogenes ΔdegU did not produce the major components of the flagella apparatus. The results of transcriptome analysis were in line with the results of the proteome analysis and, aside of genes for flagella biosynthesis and chemotaxis, identified other genes obviously under transcriptional regulation by DegU. In vivo studies revealed that only L. monocytogenes ΔdegU showed a conspicuous virulence attenuation. There were significantly less bacteria in liver and spleen compared to an infection with the wildtype strain L. monocytogenes EGD. For the other L. monocytogenes ΔTCS-mutants the difference of bacterial counts in liver and spleen compared to the wildtype was slightly altered but not statistically significant. KW - Phosphoproteine KW - Säugetiere KW - Listeria monocytogenes KW - Infektion KW - Listeria monocytogenes KW - Stathmin KW - Zweikomponentensystem KW - Listeria monocytogenes KW - stathmin KW - two-componentsystems Y1 - 2005 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-15388 ER - TY - THES A1 - Stojic, Jelena T1 - Cloning and functional characterization of novel genes expressed preferentially in the human retina N2 - The human retina is a multi-layered neuronal tissue specialized for the reception and processing of visual information. The retina is composed of a great diversity of neuronal cell types including rod and cone photoreceptors, bipolar cells, ganglion cells, amacrine cells, horizontal cells and Müller glia. In response to light, a coordinated series of molecular events, the so-called phototransduction cascade, is triggered in photoreceptor cells and the signals from the photoreceptors are further processed by the bipolar and ganglion cells to the higher centers of the brain. The retina as highly complex system may be greatly susceptible to genetic defects which can lead to a wide range of disease phenotypes. Therefore, isolation and characterisation of the genes active in the human retina will facilitate our deeper understanding of retinal physiology and mechanisms underlying retinal degeneration and provide novel candidates for the retinal disease genes. To identify novel genes that are specifically or predominantly expressed in the human retina, a cDNA library enriched for retina specific transcripts was generated using suppression subtractive hybridization (SSH) technique. In total, 1113 clones were randomly isolated from the retina SSH cDNA library and partially sequenced. On the basis of BLASTN algorithm analysis these clones were classified into four categories including those with I) significant homology to known human genes (766/1113), II) significant homology to partial transcripts and hypothetical gene predictions (162/1113), III) no homology to known mRNAs (149/1113), and IV) vector sequences and clones derived from mitochondrial genes (36/1113). After correcting for redundancy, category I represented 234 known human genes and category II a total of 92unknown transcripts. Clones from category I, were selected for expression analysis by RT-PCR in a great number of human tissues. This resulted in the identification of 16 genes which were expressed exclusively in the retina, 13 which were highly expressed in the retina compared to other tissues, 12 genes which were specifically expressed in neuronal tissues and 48 ubiquitously expressed genes. Thus, our expression analysis resulted in the identification of 29 genes exclusively or abundantly transcribed in the human retina. Of those, retina specific genes L25,L33, L35, L37, L38 and L40 were selected for further analysis. To characterize the complete mRNA sequences of these transcripts a full-length human retina cDNA library was constructed. The analysis of the L25 gene revealed three splicing variants of the ABCC5 gene, consequently named ABCC5_SV1 (SV1), ABCC5_SV2 (SV2) and ABCC5_SV3 (SV3).These isoforms comprise the first five exons of ABCC5 and additional novel exons named 5a, 5b and 5c, generated by differential exon usage. The determined lengths of the three transcripts are 2039 bp, 1962 bp, and 1887 bp in size, respectively. RT-PCR, real-time PCR and Northern blot analysis of ABCC5 as well as the isoforms SV1, SV2 and SV3demonstrated high levels of expression for all transcripts in the retina compared to other tissues. Analysis of their nucleotide sequences revealed that inclusion of exon 5a in splicing variant SV1 produced a frame shift and premature termination codon (PTC). Our data show that this splice variant is the target of nonsense mediated mRNA decay (NMD). This was shown by inhibition of protein synthesis with antibiotics puromycin and anisomycin in human cell lines A-RPE 19 and Y79. Our analysis resulted in an increase of the PTC containing transcript and a decrease of the ABCC5 transcript. Conversely, the amount of both transcripts (SV1 and ABCC5) returned to pre-treatment levels after removal of the inhibitors. Together, our results suggest that alternative splicing of the ubiquitously expressed ABCC5 gene in addition to NMD is involved in retina-specific transcriptional regulation of the mRNA level of ABCC5. In contrast, additional experiments demonstrated that the levels of expression ofSV2 and SV3 isoforms do not appear to influence ABCC5 transcription. Several of the cloned genes were selected for additional genotyping of single nucleotide polymorphisms (SNPs) in order to construct their SNP maps which are going to be used for future association studies of complex disease AMD. Thus, identification of novel retinal genes and their functional characterization will further our elucidation of retinal physiology in general and in the diseased state in particular, by providing candidate retinal disease genes. N2 - Die menschliche Retina ist ein vielschichtiges neuronales Gewebe, das auf die Aufnahme und Verarbeitung visueller Informationen spezialisiert ist. Sie besteht aus einergroßen Vielfalt neuronaler Zelltypen, inklusive der Stäbchen und Zapfen (Photorezeptoren), Bipolar- und Ganglionzellen, Amakrinen Zellen sowie Horizontalzellen und Müllerglia. Als Antwort auf einen Lichteinfall wird eine koordinierte Serie von molekularen Ereignissen, die so genannte Phototransduktionskaskade, in den Photorezeptoren ausgelöst, die von den Photorezeptoren kommenden Signale von den Bipolar- und Ganglionzellen weiterverarbeitetund an höhere Hirnzentren gesandt. Als äußerst komplexes System kann die Retina hochanfällig für genetische Defektesein, die zu einem breiten Spektrum an Krankheitsphänotypen führen können. Deshalb wird die Isolation und Charakterisierung von in der Retina aktiven Genen unser tieferes Verständnis für die Physiologie der Netzhaut, sowie den einer Retinadegeneration zu Grundeliegenden Mechanismen, erleichtern. Um neue Gene, die spezifisch oder überwiegend in der Netzhaut exprimiert werden, identifizieren zu können wurde, unter Nutzung der subtractive hybridization technique (SSH) eine cDNA Bibliothek, angereichert mit retinaspezifischen Genen, generiert. Insgesamt wurden 1113 Klone zufällig aus der Retina SSH cDNA Bibliothek ausgewählt und teilweise sequenziert. Auf der Basis einer BLASTN Algorithmus Analyse wurden diese Klone in 4 Kategorien eingeteilt, wobei I) Klone mit signifikanten Homologien zu bekannten menschlichen Genen (766/1113) beinhaltet, II) Klone mitsignifikanten Homologien zu partiellen Transkripten und hypothetischen Genvorhersagen (162/1113), III) Klone ohne Homologie zu bekannten mRNAs (149/1113) und IV)Vektorsequenzen und Klone, erhalten von mitochondrialen Genen (36/1113). Nach Redundanzkorrektur repräsentierte Kategorie I 234 bekannte menschliche Gene undKategorie II insgesamt 92 unbekannte Transkripte. Klone der Kategorie I wurden für eine Expressionsanalyse mittels RT-PCR in einer Vielzahl menschlicher Gewebe ausgewählt. Dies führte zur Identifikation von 16 exklusiv inder Retina exprimierten Genen, weiteren 13 mit, im Vergleich zu anderen Geweben, hoher Expression in der Netzhaut, 12 Genen, die spezifisch in neuronalen Geweben exprimiertwerden, sowie 48 ubiquitär exprimierten Genen. Somit resultierte unsere Expressionsanalysen der Identifikation von 29 exklusiv oder reichlich in der menschlichen Retina transkribierten Genen. Aus diesen wurden die retinaspezifischen Gene L25, L33, L35, L38 und L40 für weitere Analysen ausgewählt. Um die kompletten mRNA Sequenzen dieser Transkripte zucharakterisieren wurde eine full-length human retina cDNA Bibliothek konstruiert. Die Analyse des L25 Genes erbrachte 3 Splicevarianten des ABCC5 Genes, die konsequent mit ABCC5_SV1 (SV1), ABCC5_SV2 (SV2) und ABCC5_SV3 (SV3) benannt wurden. Diese Isoformen bestehen aus den ersten 5 Exonen von ABCC5 und zusätzlichenneuen 5a, 5b und 5c genannten Exonen, die durch unterschiedliche Exonnutzung entstehen. Die ermittelten Längen der drei Transkripte sind 2039 bp, 1962 bp, und 1887 bp. RT-PCR, real time PCR und Northern Blot Analyse des ABCC5 Genes sowie der Isoformen SV1, SV2und SV3, konnten hohe Expressionslevel all dieser Transkripte in der Retina im Vergleich zu anderen Geweben zeigen. Die Analyse ihrer Nukleotidsequenzen enthüllte, dass der Einschluss von Exon 5a in Splicevariante SV1 eine Leserahmenverschiebung sowie die Entstehung eines premature termination Kodons (PTC) bewirkt. Unsere Daten zeigen, dass diese Splicevariante Ziel eines nonsense mediated mRNA decay (NMD) ist. Dies wurde durch Hemmung der Proteinsynthese mittels Gabe der Antibiotika Puromycin und Anisomycin in den humanen Zelllinien ARPE-19 und Y79 gezeigt. Es kam bei diesem Versuch zu einem Anstieg des PTC enthaltenden Transkripts und einem Abfall des ABCC5Transkripts. Umgekehrt ging die Menge beider Transkripte (SV1 und ABCC5) nach Wegnahme der Inhibitoren auf die Ausgangswerte vor Antibiotikagabe zurück. Zusammengefasst weisen unsere Ergebnisse darauf hin, dass alternatives Splicing des ubiqitärexprimierten ABCC5 Genes zusätzlich zu NMD in der retinaspezifischen Transkriptionsregulation der mRNA Level des ABCC5 Genes involviert ist. Im Gegensatzdazu zeigten zusätzliche Experimente, dass die Expressionslevel der SV2 und SV3 Isoformendie ABCC5 Transkription scheinbar nicht beeinflussen. Einige dieser klonierten Gene wurden zur zusätzliche Genotypisierungen ihrer single nucleotide Polymorphismen (SNPs) ausgewählt, mit dem Ziel SNP Karten zu erstellen, die für spätere Assoziationsstudien komplexer AMD Erkrankungen verwendet werden sollen.Auf diese Weise wird die Identifizierung neuer retinaler Gene sowie deren Funktionscharakterisierung die Aufklärung der Netzhautphysiologie im Allgemeinen und deren krankhafter Veränderungen im besonderen fördern, indem sie Kandidatengene für Retinaerkrankungen zu Verfügung stellt. KW - Netzhaut KW - cDNS KW - Senile Makuladegeneration KW - Genanalyse KW - retina KW - AMD KW - cDNA library KW - NMD KW - ncRNA genes Y1 - 2005 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-13746 ER - TY - THES A1 - Zhou, Qingchun T1 - Molecular analysis of the sex-determining region of the Y chromosome in the platyfish Xiphophorus maculatus T1 - Molekulare Analyse der geschlechtsbestimmenden Region des Y Chromosoms von Xiphophorus maculatus N2 - A large variety of sex determination systems have been described in fish. However, almost no information is available about sex determination in the classical fish models, the zebrafish Danio rerio and the pufferfish Takifugu rubripes. A DNA-binding protein gene called dmrt1bY (or DMY) has been recently described as an outstanding candidate for the primary sex-determining gene in the medaka fish Oryzias latipes. But this gene is not the universal master sex-determining gene in teleost fish, since dmrt1bY is not found in most other fishes. Hence, other fish models need to be examined including the platyfish Xiphophorus maculatus. Xiphophorus maculatus has three types of sex chromosomes (X, Y and W; females are XX, WX or WY; males are XY or YY). Its gonosomes are at an early stage of differentiation. The sex-determining locus on the sex chromosomes is flanked by two receptor tyrosine kinase genes, the Xmrk oncogene and its protooncogenic progenitor gene egfrb, which both delimit a region of about 0.6 centiMorgans. This situation should allow the positional cloning of the sex-determining gene (SD) of the platyfish. For this purpose, Bacterial Artificial Chromosome (BAC) contigs were assembled from a BAC library of XY males constructed in our laboratory, using the oncogene Xmrk, egfrb, as well as a Y-specific pseudogene called ps-criptY as starting points. The ps-criptY sequence was found to be closely linked to the SD gene, since no recombination was observed between SD and ps-criptY in more than 400 individuals tested. Two major BAC contigs for the X chromosome (about 2.5 Mb) and three major BAC contigs for the Y chromosome (about 3.5 Mb) were built up and analyzed by strategic sequencing. These are some of the largest contigs ever assembled for the sex chromosomes of a non-mammalian vertebrate species. The molecular analysis of the ps-criptY contig was the major objective of this work. The Y-specific ps-criptY contig has been extended over 1 Mb in this work with 58 identified molecular markers. Approximatively 700 kb of non-redundant sequences has been obtained from this contig by strategic sequencing. Numerous Y-linked markers from the contig including ps-criptY were also detected on the X chromosome. Nevertheless, major structural differences were observed between the X and Y chromosomes. Particularly, a large region, which is present at one copy on the X chromosome and contains several candidate genes, was found to be duplicated on the Y chromosome. Evidence for an inversion in the sex-determining region and for the Y-specific accumulation of a repeated sequence called XIR was also obtained. Such events might correspond to an initiation of differentiation between both types of gonosomes. Accumulation of transposable elements was also observed in the ps-criptY contig. A DNA transposable element, helitron, was isolated from the sex-determining region of X. maculatus. Three copies of helitron are located on the ps-criptY contig and one copy on the X-linked contig (helitron has roughly 15 copies per haploid genome). No in-frame stop codon, truncation or intron was found in these four copies, which present high nucleotide identities to each other. This suggests that helitron elements might be active or have been recently active in X. maculatus. A consensus open reading frame of helitron was also assembled from medaka (Oryzias latipes) genomic sequences. Two candidate genes from the ps-criptY contig are also located on the W chromosome in the X. maculatus Usumacinta strain (heterogamety). These markers show the relationship between the different types of gonosomes and allow to compare the male and female heterogameties in the platyfish. Several gene candidates were identified in the ps-criptY contig. However, some of them such as msh2, cript, igd and acr probably correspond to pseudogenes. Interestingly, a novel gene, called swimy, is exclusively expressed in spermatogonia of the adult testis. Swimy is a gene encoding a DNA-binding protein with several putative DNA-binding domains. The data suggest that swimy is a very promising candidate for the master SD gene. Another novel gene, which is called fredi and encodes a novel helix-turn-helix protein, is predominately expressed in the adult testis and currently under scrutiny. There is no doubt that the master SD gene of X. maculatus will be identified by positional cloning. Further molecular analysis of the contigs built in this work will shed new light on the molecular mechanism of sex determination and the evolution of sex chromosomes in fish. N2 - In Fischen wurde eine große Anzahl Geschlechtsbestimmungssysteme beschrieben. Allerdings gibt es kaum Informationen über die Geschlechtsbestimmung der klassischen Modellorganismen, des Zebrafisches Danio rerio und des Pufferfisches Takifugu rubripes. Das für ein DNA-bindendes Protein kodierende Gen dmrt1bY (oder DMY) wurde kürzlich als ein herausragender Kandidat für das primäre Geschlechts-bestimmungsgen im Medaka Oryzias latipes beschrieben. Dieses Gen ist jedoch nicht das universelle Geschlechtsbestimmungsgen der echten Knochenfische (Teleostei), da dmrt1bY in den meisten anderen Fischen nicht identifiziert werden konnte. Deshalb dienen andere Fische wie der Platy Xiphophorus maculatus als Modelle. Xiphophorus maculatus besitzt drei Geschlechtschromosomen X, Y und W in einem frühen Stadium der Differenzierung (Weibchen sind XX, WX oder WY, Männchen XY oder YY). Der geschlechtsbestimmende Locus wird flankiert von zwei Rezeportyrosinkinase-Genen, dem Onkogen Xmrk und seinem Vorläufer, dem Proto-onkogen egfrb. Sie markieren eine Region von ca. 0.6 centiMorgan, was die positionelle Klonierung des geschlechtsbestimmenden Gens SD des Platys erlauben sollte. Zu diesem Zweck wurden BAC- (Bacterial Artificial Chromosome-) Contigs der X- und Y-Chromosomen aus einer genomischen Bibliothek erstellt, wobei Xmrk, egfrb und das Y-spezifische Pseudogen ps-criptY als Startpunkte gewählt wurden. Ps-criptY ist eng an SD gekoppelt, wie die Analyse von über 400 Individuen zeigte. Zwei BAC-Contigs des X-Chromosoms (ca. 2.5 Mb) und drei BAC-Contigs des Y-Chromosoms (ca. 3.5 Mb) wurden erstellt und durch strategisches Sequenzieren analysiert. Dies sind einige der größten geschlechtschromosomalen Contigs, die je für eine Wirbeltierart außerhalb der Säuger erstellt wurden. Der Aufbau und die molekulare Analyse des BAC-Contigs um ps-criptY war Hauptziel dieser Arbeit. Dieses Y-spezifische Contig wurde durch die Analyse von 58 molekularen Markern in dieser Arbeit um über eine Megabase erweitert. Fast 700 kb nicht-redundanter Sequenz konnten durch strategisches Sequenzieren analysiert werden. Obwohl eine Vielzahl von Markern des Y-Chromosoms inklusive ps-criptY ebenfalls auf dem X-Chromosom detektiert wurden, konnten große strukturelle Unterschiede der Geschlechtschromosomen nachgewiesen werden. Im besonderen konnte die Duplikation einer großen Region des X-Chromosoms, die mehrere Genkandidaten enthält, auf dem Y-Chromosom gezeigt werden. Außerdem konnte die Inversion dieser Region inklusive einer Akkumulation der repetitiven Sequenz XIR konnte belegt werden. Solche Ereignisse entsprechen einer beginnenden Differenzierung zwischen heteromorphen Geschlechtschromosomen. Außerdem wurde die Akkumulation transposabler Elemente im ps-criptY-Contig beobachtet. Eines dieser Elemente, helitron, konnte aus der geschlechtsbestimmenden Region von X. maculatus isoliert werden. Von den vier Kopien der geschlechts-bestimmenden Region (3 Kopien im ps-criptY-Contig des Y-Chromosoms, 1 Kopie im Xmrk-Contig des X-Chromosoms, 15 im gesamten Genom) enthielt keine ein vorzeitiges Stop-Codon, Unterbrechung oder sonstige Störung des offenen Leserasters. Dies könnte darauf hinweisen, dass die helitron-Elemente in X. maculatus noch aktiv sind oder bis vor kurzem waren. Ein Konsensus-ORF des helitron-Elements konnte auch aus Datenbank-Sequenzen des Medaka (Oryzias latipes) erstellt werden. Zwei Genkandidaten des ps-criptY-Contigs konnten auch auf dem W-Chromosom von X. maculatus (Rio Usumacinta, weibliche Heterogametie) nachgewiesen werden. Diese Marker zeigen die enge Beziehung zwischen den Geschlechtschromosomen des Platys und ermöglichen eine detaillierte Untersuchung von männlicher und weiblicher Heterogametie im Platy. Verschiedene Genkandidaten konnten im ps-criptY-Contig identifiziert werden. Allerdings zeigte die Analyse, dass einige davon, wie msh2, cript, igd und acr Pseudogene darstellen. Interessanterweise ist eines dieser Gene, swimy, ausschließlich in Spermatogonien exprimiert. Dieses neue Gen kodiert für ein Protein mit mehreren DNA-bindenden Domänen. Diese Daten machen swimy zu einem vielversprechenden Kandidaten für SD. Ein weiteres neues Gen, fredi, kodiert für ein Helix-Loop-Helix Protein, ist ebenfalls im adulten Hoden exprimiert und wird gerade eingehender analysiert. Zweifellos wird das geschlechtsbestimmende Gen in X. maculatus durch positionelle Klonierung identifiziert werden. Weitergehende molekulare Analysen der geschlechtschromosomalen Contigs werden Licht in die molekularen Grundlagen der Geschlechtsbestimmung und die Evolution der Geschlechtschromosomen in Fischen bringen. KW - Platy KW - Geschlechtsbestimmung KW - Y-Chromosom KW - Genanalyse KW - Xiphophorus maculatus KW - Geschlechtsbestimmung KW - Y Chromosome KW - Xiphophorus maculatus KW - Sex determination KW - Y chromosome Y1 - 2005 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-13827 ER - TY - THES A1 - Schwenkert, Isabell T1 - Phenotypic characterization of hangover at the neuromuscular junction T1 - Phänotypische Charakterisierung von hangover an der neuromuskulären Synapse N2 - Ethanoltoleranz beruht vermutlich auf Veränderung in synaptischer Plastizität; da die Mechanismen, die zu dieser Anpassung der Synapsen führen, in hang-Mutanten offensichtlich defekt sind, war es Ziel dieser Arbeit zu erklären, wie HANG zu synaptischer Plastizität beiträgt. In diesem Zusammenhang war es besonders wichtig herauszufinden, in welchem neuronalen Prozeß HANG eine Rolle spielt. Antikörperfarbungen gegen HANG zeigten, da das Protein in allen neuronalen Zellkernen larvaler und adulter Gehirne vorhanden ist. Gehirne der hangAE10 Mutante zeigen keine Färbung, was bestätigt, da diese Tiere Nullmutanten für HANG sind. Eine genauere Analyse der Verteilung von HANG im Zellkern ergab, daß HANG in einem punktartigen Muster an bestimmten Stellen im Kern angereichert ist; diese HANG-Aggregate sind an der Innenseite der Kernmembran lokalisiert und colokalisieren nicht mit dem Chromatin. Auf der Basis dieser Ergebnissen wurde postuliert, daß HANG vermutlich an der Stabilisierung, Prozessierung oder dem Export von mRNAs beteiligt ist. Da synaptische Plastizität gut an den einzelnen Neuronen der neuromuskulären Synapse von Drosophila-Larven studiert werden kann, wurde die Morphologie der Motorneurone dritter Larven am Muskelpaar 6/7 des Segments A4 untersucht. Diese Untersuchungen zeigten, da Boutonanzahl und Axonlänge in hangAE10-Larven um 40 % erhöht sind. Außerdem zeigen einige Boutons der hang-Mutanten eine abnormale, sanduhrförmige Form, was darauf hinweist, daß sie nach Initiation der Bouton-Teilung möglicherweise in einem halb-separierten Zustand geblieben sind. Die Zunahme an Boutons in den Mutanten ist im wesentlichen auf eine Zunahme der Anzahl der Typ Ib-Boutons zurückzuführen. Die Analyse der Verteilung verschiedener synaptischer Marker in hangover-Mutanten ergab keine Hinweise auf Abnormalitäten im Zytoskelett oder in der Ausbildung der prä-und postsynaptischen Strukturen. Des weiteren ist die Anzahl der aktiven Zonen relativ zur Boutonoberfläche nicht verändert; da hang-Mutanten aber mehr synaptische Boutons pro synaptischem Terminal besitzen, kann man insgesamt von einer Zunahme der Anzahl der aktiven Zonen ausgehen. Die präsynaptische Expression von HANG in den Mutanten rettet die erhöhte Boutonanzahl und die verlängerten Axone, was ebenfalls beweist, daß die beobachteten synaptischen Defekte auf das Fehlen von HANG und nicht auf Sekundärmutationen zurückzuführen sind. Eine postsynaptische Expression der hangover cDNA in den Mutanten dagegen rettet den Phänotyp nicht. Die Anzahl der synaptischen Boutons wird unter anderem durch cAMP-Levels bestimmt, welche somit synaptische Plastizität regeln. Da hang-Mutanten eine erhöhte Boutonanzahl aufweisen, führte dies zu der Spekulation, daß der Phänotyp dieser Mutanten möglicherweise auf veränderte cAMPlevels zurückzuführen ist. Um dies zu überprüfen, wurde die Morphologie der neuromuskulären Synapsen von hangAE10-Larven mit denen von dnc1 verglichen, welche Defekte in der cAMP-Kaskade aufweisen. Einige Aspekte des Phänotyps (z. B. die Zunahme der Boutonanzahl und das Verhaltnis von aktiven Zonen pro Boutonfläche) sind sehr ¨ahnlich; jedoch unterscheiden sich die beiden Mutanten in anderen morphologischen Aspekten. Die Expression eines UAS-dnc-Transgens in hangover-Mutanten modifizierte den hang-Phänotyp ebenfalls nicht. Auf der Basis der Ergebnisse dieser Arbeit wurde ein Modell für die Funktion von HANG erstellt, nach dem dieses Protein vermutlich am Isoform-spezifischen Spleißen bestimmter Transkripte beteiligt ist, deren Produkte für die synaptische Plastizität an der neuromuskulären Synapse benötigt werden. N2 - The development of ethanol tolerance is due to changes in synaptic plasticity. Since the mechanisms mediating synaptic plasticity are probably defective in the mutant hangAE10, it was a goal of the present study to find out how HANG contributes to synaptic plasticity. In particular, it was important to clarify in which neuronal process HANG plays a role. Antibody stainings against HANG revealed that the protein is localized in all neuronal nuclei of larval and adult brains; the staining is absent in hangAE10, thus confirming that this P-element insertion stock is a protein null for HANG. Detailed analysis of the subnuclear distribution of HANG showed that HANG immunoreactivity is enriched at distinct spots in the nucleus in a speckled pattern; these speckles are found at the inside of the nuclear membrane and do not colocalize with chromatin nor with the nucleolus; thus, HANG is probably involved in the stabilization, processing or export of RNAs. As synaptic plasticity can be studied in single neurons at the larval neuromuscular junction, the morphology of the synaptic terminals of hangAE10 mutants was analyzed at muscle 6/7, segment A4. These studies revealed that hangAE10 mutants display a 40 % increase in bouton number and axonal branch length; in addition, some boutons have an abnormal hourglass-like shape, suggesting that they are arrested in a semi-separated state following the initiation of bouton division. The increase in bouton number of hang mutants is mainly due to an increase in numbers of type Ib boutons. The analysis of the distribution of several synaptic markers in hang mutants did not show abnormalities. The presynaptic expression of HANG in hang mutants rescues the increase in bouton number and axonal branch length, thus proving that the phenotypes seen in the P-element insertion hangAE10 are attributable to the lack of HANG rather than to effects of the P-element marker rosy or to a secondary hit on the same chromsome during mutagensis. This finding is further supported by the fact that postsynaptic expression of HANG does not rescue the abnormal NMJ morphology of hangAE10. Alterations in cAMP levels regulate the number of boutons; since hang mutants display an increase in bouton number, the questions was whether this morphological abnormality was due to defects in cAMP signalling. To test this hypothesis, hangAE10 NMJs were compared to those of the hypomorphic allele dnc1 that has a defective cAMP cascade. Some aspects of the NMJ phenotype (e.g. the increase in bouton number and the unaltered ratio of active zones per bouton area) are similar in hangAE10 and dnc1, other differ. Expression of a UAS-dnc transgene in hangAE10 mutants does not modify the phenotype. In summary, the results of this study indicate that nuclear protein HANG might be involved in isoform-specific splicing of genes required for synaptic plasticity at the NMJ. KW - Taufliege KW - Kater KW - Motorische Endplatte KW - Phänotyp KW - hangover KW - Drosophila KW - neuromuskuläre Synapse KW - hangover KW - Drosophila KW - neuromuscular junction Y1 - 2005 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-14977 ER - TY - THES A1 - Wagh, Dhananjay Anil T1 - "Bruchpilot" -molecular and functional characterization of a novel active zone protein at the Drosophila synapse T1 - "Bruchpilot" - Molekulare und funktionelle Charakterisierung eines neuen Proteins der aktiven Zone der Drosophila-Synapse N2 - Chemical neurotransmission is a complex process of central importance for nervous system function. It is thought to be mediated by the orchestration of hundreds of proteins for its successful execution. Several synaptic proteins have been shown to be relevant for neurotransmission and many of them are highly conserved during evolution- suggesting a universal mechanism for neurotransmission. This process has checkpoints at various places like, neurotransmitter uptake into the vesicles, relocation of the vesicles to the vicinity of calcium channels in order to facilitate Ca2+ induced release thereby modulating the fusion probability, formation of a fusion pore to release the neurotransmitter and finally reuptake of the vesicles by endocytosis. Each of these checkpoints has now become a special area of study and maintains its own importance for the understanding of the overall process. Ca2+ induced release occurs at specialized membrane structures at the synapse known as the active zones. These are highly ordered electron dense grids and are composed of several proteins which assist the synaptic vesicles in relocating in the vicinity of Ca2+ channels thereby increasing their fusion probability and then bringing about the vesicular fusion itself. All the protein modules needed for these processes are thought to be held in tight arrays at the active zones, and the functions of a few have been characterized so far at the vertebrate active zones. Our group is primarily interested in characterizing the molecular architecture of the Drosophila synapse. Due to its powerful genetics and well-established behavioural assays Drosophila is an excellent system to investigate neuronal functioning. Monoclonal antibodies (MABs) from a hybridoma library against Drosophila brain are routinely used to detect novel proteins in the brain in a reverse genetic approach. Upon identification of the protein its encoding genetic locus is characterized and a detailed investigation of its function is initiated. This approach has been particularly useful to detect synaptic proteins, which may go undetected in a forward genetic approach due to lack of an observable phenotype. Proteins like CSP, Synapsin and Sap47 have been identified and characterized using this approach so far. MAB nc82 has been one of the shortlisted antibodies from the same library and is widely used as a general neuropil marker due to the relative transparency of immunohistochemical whole mount staining obtained with this antibody. A careful observation of double stainings at the larval neuromuscular junctions with MAB nc82 and other pre and post-synaptic markers strongly suggested an active zone localization of the nc82 antigen. Synaptic architecture is well characterized in Drosophila at the ultrastructural level. However, molecular details for many synaptic components and especially for the active zone are almost entirely unknown. A possible localization at the active zone for the nc82 antigen served as the motivation to initiate its biochemical characterization and the identification of the encoding gene. In the present thesis it is shown by 2-D gel analysis and mass spectrometry that the nc82 antigen is a novel active zone protein encoded by a complex genetic locus on chromosome 2R. By RT-PCR exons from three open reading frames previously annotated as separate genes are demonstrated to give rise to a transcript of at least 5.5 kb. Northern blots produce a prominent signal of 11 kb and a weak signal of 2 kb. The protein encoded by the 5.5 kb transcript is highly conserved amongst insects and has at its N-terminus significant homology to the previously described vertebrate active zone protein ELKS/ERC/CAST. Bioinformatic analysis predicts coiled-coil domains spread all over the sequence and strongly suggest a function involved in organizing or maintaining the structure of the active zone. The large C-terminal region is highly conserved amongst the insects but has no clear homologues in veretebrates. For a functional analysis of this protein transgenic flies expressing RNAi constructs under the control of the Gal4 regulated enhancer UAS were kindly provided by the collaborating group of S.Sigrist (Gِttingen). A strong pan-neuronal knockdown of the nc82 antigen by transgenic RNAi expression leads to embryonic lethality. A relatively weaker RNAi expression results in behavioural deficits in adult flies including unstable flight and impaired walking behavior. Due to this peculiar phenotype as observed in the first knockdown studies the gene was named “bruchpilot” (brp) encoding the protein “Bruchpilot (BRP)” (German for crash pilot). A pan-neuronal as well as retina specific downregulation of this protein results in loss of ON and OFF transients in ERG recordings indicating dysfunctional synapses. Retina specific downregulation also shows severely impaired optomotor behaviour. Finally, at an ultrastructural level BRP downregulation seems to impair the formation of the characteristic T-shaped synaptic ribbons at the active zones without significantly altering the overall synaptic architecture (in collaboration with E.Asan). Vertebrate active zone protein Bassoon is known to be involved in attaching the synaptic ribbons to the active zones as an adapter between active zone proteins RIBEYE and ERC/CAST. A mutation in Bassoon results in a floating synaptic ribbon phenotype. No protein homologous to Bassoon has been observed in Drosophila. BRP downregulation also results in absence of attached synaptic ribbons at the active zones. This invites the speculation of an adapter like function for BRP in Drosophila. However, while Bassoon mutant mice are viable, BRP deficit in addition to the structural phenotype also results in severe behavioural and physiological anomalies and even stronger downregulation causes embryonic lethality. This therefore suggests an additional and even more important role for BRP in development and normal functioning of synapses in Drosophila and also in other insects. However, how BRP regulates synaptic transmission and which other proteins are involved in this BRP dependant pathway remains to be investigated. Such studies certainly will attract prominent attention in the future. N2 - Die chemische Signalübertragung an Synapsen ist ein komplexer Prozess mit zentraler Bedeutung für die Funktion von Nervensystemen. Man nimmt an, dass er auf einem Zusammenspiel hunderter verschiedener Proteine beruht. Diverse Synopsenproteine haben sich für die Neurotransmission als relevant erwiesen und viele davon sind in der Evolution hoch konserviert, was einen universalen Mechanismus der Neurotransmission wahrscheinlich macht. Dieser Prozess ist in zahlreiche aufeinander folgende Schritte unterteilt, wie die Neurotransmitteraufnahme in Vesikel, den Transport von Vesikeln in die Nنhe von Calciumkanنlen, die Ausbildung einer Fusionspore zur Transmitterausschüttung und schlieكlich die Wiederaufnahme von Vesikeln durch Endozytose. Jeder dieser Teilschritte wird momentan gezielt erforscht und spielt für sich genommen eine zentrale Rolle für das Verstنndnis des gesamten Prozesses. Die Calcium-induzierte Transmitterausschüttung findet an spezialisierten Membranstrukturen der Synapsen statt, den aktiven Zonen. Diese sind hoch organisierte, elektronendichte Gitterstrukturen und bestehen aus verschiedenen Proteinen, die den synaptischen Vesikeln bei der Verlagerung in die Nنhe von Calciumkanنlen behilflich sind. Alle Proteinmodule, die für diese Prozesse nِtig sind, scheinen eng aneinandergereiht an den aktiven Zonen vorzuliegen. Nur von wenigen konnte bisher bei Vertebraten die Funktion an der aktiven Zone charakterisiert werden. Ein Fokus der Arbeitsgruppe, an der diese Doktorarbeit durchgeführt wurde, besteht in der Charakterisierung des molekularen Aufbaus der Synapse von Drosophila. Die Taufliege ist aufgrund eines reichen Angebots hِchsteffektiver genetischer Methoden und vielfنltiger Verhaltensparadigmen ein exzellentes Modellsystem, um die neuronale Signalübertragung zu untersuchen. Monoklonale Antikِrper (MAKs) aus einer Hybridomabank gegen das Drosophila Gehirn werden standardmنكig verwendet, um neue Gehirnproteine mittels der „reverse genetics“- Methode zu identifizieren. Dazu wird der entsprechende genetische Lokus charakterisiert und eine detaillierte Untersuchung der Proteinfunktion initiiert. Diese Vorgehensweise war besonders hilfreich bei der Identifizierung von Synapsenproteinen, die bei der „forward genetics“-Methode aufgrund des Fehlens eines beobachtbaren Phنnotyps übersehen würden. Proteine wie CSP, Synapsin und Sap47 wurden so gefunden und charakterisiert. I MAK nc82 stammt aus dieser Hybridomabank und wird in vielen Labors als allgemeiner Neuropilmarker aufgrund seiner hervorragenden Fنrbungseigenschaften in Gehirnprنparaten verwendet. Doppelfنrbungen der larvalen neuromuskulنren Synapse mit dem Antikِrper nc82 in Kombination mit anderen prن- und postsynaptischen Markern deuteten stark auf eine Lokalisierung des Antigens an der aktiven Zone hin. Die Synapsenarchitektur von Drosophila ist auf der ultrastrukturellen Ebene gut verstanden. Jedoch sind die molekularen Details vieler Synapsenkomponenten, besonders die der aktiven Zone, nicht bekannt. Die vermutete Lokalisierung des nc82 Antigens an der aktiven Zone war daher der Ansatzpunkt, eine biochemische Charakterisierung zu initiieren und das entsprechende Gen zu identifizieren. In der vorliegenden Arbeit wird durch 2-D Gelelektrophorese und Massenspektrometrie gezeigt, das das nc82 Antigen ein neues Protein der aktiven Zone ist, welches von einem komplexen Genlokus auf Chromosom 2R kodiert wird. Durch RT-PCR wurde gezeigt, dass die Exons von drei offenen Leserastern, die bisher als getrennte Gene annotiert wurden, ein Transkript von mindestens 5,5 kb Lنnge kodieren. Northern Blots ergaben ein deutliches Signal bei 11 kb und ein schwنcheres bei 2 kb. Das von dem 5,5 kb Transkript resultierende Protein ist hoch konserviert in der Gruppe der Insekten und weist an seiner N-terminalen Domنne eine signifikante Homologie zu den bisher beschriebenen Vertebratenproteinen der aktiven Zone ELKS/ERC/CAST auf. Bioinformatische Analysen sagen „coiled-coil“ Domنnen vorher, die über die gesamte Sequenz verteilt sind. Dies deutet stark auf eine Funktion bei der Organisation oder der Aufrechterhaltung der prنsynaptischen Struktur hin. Die groكe C-terminale Region ist zwar bei Insekten hoch konserviert, zeigt aber keine eindeutige Homologie zu Proteinen von Vertebraten. Für die Funktionsanalyse dieses Proteins wurden transgene Fliegen, die UAS-RNAi Konstrukte in ihrem Genom tragen und durch entsprechende GAL4-Linien getrieben werden kِnnen, freundlicherweise von der kollaborierenden Arbeitsgruppe von S. Sigrist (Gِttingen) zur Verfügung gestellt. Der pan-neuronale „knock-down“ des nc82 Antigens durch transgene RNAi-Expression führt zu embryonaler Letalitنt. Eine schwنchere RNAi-Expression führt bei adulten Fliegen zu Verhaltensdefekten, wie instabilem Flug und beeintrنchtigtem Laufverhalten. Aufgrund dieser Phنnotypen, die in den ersten „knock-down“ Studien beobachtet wurden, wurde das Gen „bruchpilot“ (brp) und das zugehِrige Protein „Bruchpilot“ (BRP) genannt. Die pan-neuronale, sowie die retinaspezifische Reduktion des Proteins führt zu einem Verlust der ON und OFF Transienten des Elektroretinogramms, was auf nichtfunktionelle Synapsen hindeutet. Die retinaspezifische Reduktion des Proteins hat eine Beeintrنchtigung der optomotorischen Reaktion zur Folge. Auكerdem scheint auf der ultrastrukturellen Ebene die Bildung der charakteristischen T-fِrmigen „ribbons“ der aktiven Zonen beeintrنchtigt zu sein, jedoch ohne signifikante Verنnderungen der Gesamtarchitektur der Synapse (in Kollaboration mit E. Asan). Von Basson, einem Protein der aktiven Zone bei Vertebraten, ist bekannt, dass es an der Anheftung der synaptischen „ribbons“ an den aktiven Zonen beteiligt ist. Es fungiert als Adapter zwischen RIBEYE und ELKS/ERC/CAST, zwei weiteren Proteinen der aktiven Zone. Die Mutation von Bassoon hat zur Folge, dass die synaptischen „ribbons“ frei im Zytoplasma treiben. Für Bassoon ist kein homologes Drosophila-Protein bekannt. Die Reduktion von BRP bedingt ebenfalls ein Fehlen befestigter „ribbons“ an der aktiven Zone. Dies kِnnte auf eine Art Adapterfunktion von BRP hindeuten. Jedoch hat das Fehlen von BRP zusنtzlich zum strukturellen Phنnotyp auch deutliche Verhaltensabnormalitنten und starke physiologische Beeintrنchtigungen zur Folge. Eine noch stنrkere Reduktion bedingt auكerdem embryonale Lethalitنt, wohingegen Mausmutanten ohne Bassoon lebensfنhig sind. Daraus ergibt sich, dass BRP eine weitere, wichtige Rolle wنhrend der Entwicklung und für die Funktion von Synapsen bei Drosophila und mِglicherweise auch bei anderen Insekten einnimmt. Es muss aber noch geklنrt werden, auf welche Weise BRP die synaptische Signalübertragung reguliert und welche anderen Proteine in diesem BRP-abhنngigen Pfad involviert sind. Derartige Studien werden mit Sicherheit in der Zukunft eine bedeutende Rolle spielen. KW - Taufliege KW - Synapse KW - Proteine KW - Molekulargenetik KW - Bruchpilot KW - Drosophila-Synapse KW - Bruchpilot KW - Drosophila synapse Y1 - 2005 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-14989 ER - TY - THES A1 - Jiménez-Pearson, María-Antonieta T1 - Characterization of the mechanisms of two-component signal transduction involved in motility and chemotaxis of Helicobacter pylori T1 - Untersuchungen zur Zweikomponenten- Signaltransduktion bei der Motilität und Chemotaxis von Helicobacter pylori N2 - Flagellen-basierte Motilität und Chemotaxis stellen essentielle Pathogenitätsfaktoren dar, die für die erfolgreiche Kolonisierung der Magenschleimhaut durch H. pylori notwendig sind. Die Mechanismen der Regulation der Flagellensynthese und das Chemotaxis-System von H. pylori weisen trotz einiger Ähnlichkeiten fundamentale Unterschiede zu den Systemen anderer Bakterien auf. In H. pylori ist die Flagellensynthese durch eine komplex regulierte Kaskade kontrolliert, die Regulatorkomponenten wie das Zweikomponentensystem HP244/FlgR, die Sigma Faktoren 54 und 28 und den Sigma Faktor28-Antagonisten FlgM enthält. Das Signal, welches über die Histidinkinase des Zweikomponentensystems HP244/FlgR die Expression der Sigma Faktor54-abhängigen Klasse 2 Flagellengene reguliert, ist bisher noch nicht bekannt. Allerdings konnte mit HP137 ein Protein identifiziert werden, das im „yeast two-hybrid“ System sowohl mit der korrespondierenden Kinase HP244 des Flagellenregulators FlgR, als auch mit der Flagellenkomponente FlgE´ interagiert (Rain et al., 2001). In dieser Arbeit wurde eine mögliche Rolle von HP137 in einem Rückkopplungsmechanismus untersucht, welcher die Aktivität der Histidinkinase in der Flagellenregulation kontrollieren könnte. Obwohl die Deletion des ORF hp137 zu einer unbeweglichen Mutante führte, legen die erfolglosen Komplementations Experimente, sowie die Beobachtung, dass HP137 in vitro keinen bedeutenden Effekt auf die Aktivität der Histidinkinase HP244 hat nahe, dass HP137 weder in H. pylori noch im nahe verwandten C. jejuni direkt an der Flagellenregulation beteiligt ist. Das Chemotaxis-System von H. pylori unterscheidet sich vom gutuntersuchten Chemotaxis-System der Enterobakterien in einigen Aspekten. Zusätzlich zu dem CheY Response Regulator Protein (CheY1) besitzt H. pylori eine weitere CheY-artige Receiver-Domäne (CheY2) welche C-terminal an die Histidinkinase CheA fusioniert ist. Zusätzlich finden sich im Genom von H. pylori Gene, die für drei CheV Proteine kodieren die aus einer N-terminalen Domäne ähnlich CheW und einer C-terminalen Receiver Domäne bestehen, während man keine Orthologen zu den Genen cheB, cheR, and cheZ findet. Um einen Einblick in den Mechanismus zu erhalten, welcher die chemotaktische Reaktion von H. pylori kontrolliert, wurden Phosphotransferreaktionen zwischen den gereinigten Signalmodulen des Zweikomponentensystems in vitro untersucht. Durch in vitro-Phosphorylierungsexperimente wurde eine ATP-abhängige Autophosphorylierung der bifunktionellen Histidinkinase CheAY2 und von CheA´, welches ein verkürztes Derivat von ChAY2 ohne Receiver-Domäne darstellt, nachgewiesen. CheA´ zeigt eine für an der Chemotaxis beteiligte Histidinkinasen typische Phosphorylierungskinetik mit einer ausgeprägten exponentiellen Phase, während die Phosphorylierungskinetik von CheAY2 nur eine kurze exponentielle Phase aufweist, gefolgt von einer Phase in der die Hydrolyse von CheAY2~P überwiegt. Es wurde gezeigt, dass die Anwesenheit einer der CheY2 Domäne die Stabilität der phosphorylierten P1 Domäne im CheA Teil des bifunktionellen Proteins beeinflusst. Außerdem wurde gezeigt, dass sowohl CheY1 als auch CheY2 durch CheAY2 phosphoryliert werden und dass die drei CheV Proteine die Histidinkinase CheA´~P dephosphorylieren, wenn auch mit einer im Vergleich zu CheY1 und CheY2 geringeren Affinität. Außerdem ist CheA´ in der Lage seine Phosphatgruppen auf CheY1 aus C. jejuni und CheY aus E. coli zu übertragen. Retrophosphorylierungsexperimente weisen darauf hin, dass CheY1~P die Phosphatgruppe zurück auf die Histidinkinase CheAY2 übertragen kann und dass die CheY2-Domäne in dem bifunktionellen Protein CheAY2 als „Phosphat Sink“ agiert der den Phosphorylierungszustand und damit die Aktivität des frei diffundierbaren Proteins CheY1 reguliert, das vermutlich es mit dem Flagellenmotor interagiert. Es konnte weiterhin gezeigt werden, dass die unabhängige Funktion der beiden Domänen CheA´ und CheY2 für eine normale chemotaktische Signalgebung in vivo nicht ausreicht. In dieser Arbeit wurden also Hinweise auf eine komplexe Kaskade Phosphatübertragungsreaktionen im chemotaktischen System von H. pylori gefunden, welches Ähnlichkeiten zu dem Syteme-Chemotaxis von S. meliloti aufweist an denen multiple CheY Proteine beteiligt sind. Die Rolle der CheV Proteine bleibt im Moment unklar, jedoch könnte es sein, dass sie an einer weiteren Feinregulierung der Phosphatgruppenübertragungsreaktionen in diesem komplexen chemotaktischen System beteiligt sind N2 - Flagellar motility and chemotaxis are essential virulence traits required for the ability of Helicobacter pylori to colonize the gastric mucosa. The flagellar regulatory network and the complex chemotaxis system of H. pylori are fundamentally different from other bacteria, despite many similarities. In H. pylori expression of the flagella is controlled by a complex regulatory cascade involving the two-component system FlgR-HP244, the sigma factors 54 and 28 and the anti-sigma 28 factor FlgM. Thus far, the input signal for histidine kinase HP244, which activates the transcriptional regulator FlgR, which triggers sigma factor 54-dependent transcription of the flagellar class 2 genes, is not known. Based on a yeast two-hybrid screen a highly significant protein-protein interaction between the H. pylori protein HP137 and both the histidine kinase HP244 and the flagellar hook protein HP908 (FlgE´) has been reported recently (Rain et al., 2001). So far, no function could be assigned to HP137. Interestingly, the interaction between HP137 and histidine kinase HP244 was observed in the characteristic block N sequence motif of the C-terminal ATP-binding kinase domain. In this work a potential role of HP137 in a feedback regulatory mechanism controlling the activity of histidine kinase HP244 in the flagellar regulation of H. pylori was investigated. Although the substitution of the gene encoding HP137 by a kanamycin cassette resulted in non-motile bacteria, the failure to restore motility by the reintroduction of hp137 in cis into the mutant strain, and the observation that HP137 has no significant effect on the activity of histidine kinase HP244 in vitro indicated that HP137 is not directly involved in flagellar regulation. Therefore, it was demonstrated that HP137 does not participate in the regulation of flagellar gene expression, neither in H. pylori nor in the closely related bacterium C. jejuni. Chemotactic signal transduction in H. pylori differs from the enterobacterial paradigm in several respects. In addition to a CheY response regulator protein (CheY1) H. pylori contains a CheY-like receiver domain (CheY2) which is C-terminally fused to the histidine kinase CheA. Furthermore, the genome of H. pylori encodes three CheV proteins consisting of an N-terminal CheW-like domain and a C-terminal receiver domain, while there are no orthologues of the chemotaxis genes cheB, cheR, and cheZ. To obtain insight into the mechanism controlling the chemotactic response of H. pylori the phosphotransfer reactions between the purified two-component signalling modules were investigated in vitro. Using in vitro phosphorylation assays it was shown that both H. pylori histidine kinases CheAY2 and CheA´ lacking the CheY-like domain (CheY2) act as ATP-dependent autokinases. Similar to other CheA proteins CheA´ shows a kinetic of phosphorylation represented by an exponential time course, while the kinetics of phosphorylation of CheAY2 is characterized by a short exponential time course followed by the hydrolysis of CheAY2~P. Therefore, it was demonstrated that the presence of the CheY2-like receiver domain influences the stability of the phosphorylated P1 domain of the CheA part of the bifunctional protein. Furthermore, it was proven that both CheY1 and CheY2 are phosphorylated by CheAY2 and CheA´~P and that the three CheV proteins mediate the dephosphorylation of CheA´~P, although with a clearly reduced efficiency as compared to CheY1 and CheY2. Moreover, CheA´ is capable of donating its phospho group to the CheY1 protein from C. jejuni and to CheY protein from E. coli. Retrophosphorylation experiments indicated that CheY1~P is able to transfer the phosphate group back to the HK CheAY2 and the receiver domain present in the bifunctional CheAY2 protein acts as a phosphate sink fine tuning the activity of the freely diffusible CheY1 protein, which is thought to interact with the flagellar motor. Hence, in this work evidence of a complex phosphorelay in the chemotaxis system was obtained which has similarities to other systems with multiple CheY proteins. The role of the CheV proteins remain unclear at the moment, but they might be engaged in a further fine regulation of the phosphate flow in this complex chemotaxis system and the independent function of the two domains CheA´ and CheY2 is not sufficient for normal chemotactic signalling in vivo. KW - Helicobacter pylori KW - Chemotaxis KW - Motilität KW - Signaltransduktion KW - Helicobacter pylori KW - Flagellensynthese KW - Chemotaxis KW - Phosphotransferreaktionen KW - Helicobacter pylori KW - Flagella KW - Chemotaxis KW - Phosphotransfer reactions Y1 - 2005 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-15698 ER - TY - THES A1 - Schäfer, Matthias T1 - Molecular mechanisms of floor plate formation and neural patterning in zebrafish T1 - Molekulare Mechanismen der Bodenplatten Entwicklung und neuronale Musterbildung im Zebrafisch N2 - The vertebrate spinal cord is composed of billions of neurons and glia cells, which are formed in a highly coordinated manner during early neurogenesis. Specification of these cells at distinct positions along the dorsoventral (DV) axis of the developing spinal cord is controlled by a ventrally located signaling center, the medial floor plate (MFP). Currently, the origin and time frame of specification of this important organizer are not clear. During my PhD thesis, I have analyzed the function of the novel secreted growth factor Midkine-a (Mdka) in zebrafish. In higher vertebrates, mdk and the related factor pleiotrophin (ptn) are widely expressed during embryogenesis and are implicated in a variety of processes. The in-vivo function of both factors, however, is unclear, as knock-out mice show no embryonic phenotype. We have isolated two mdk co-orthologs, mdka and mdkb, and one single ptn gene in zebrafish. Molecular phylogenetic analyses have shown that these genes evolved after two large gene block duplications. In contrast to higher vertebrates, zebrafish mdk and ptn genes have undergone functional divergence, resulting in mostly non-redundant expression patterns and functions. I have shown by overexpression and knock-down analyses that Mdka is required for MFP formation during zebrafish neurulation. Unlike the previously known MFP inducing factors, mdka is not expressed within the embryonic shield or tailbud but is dynamically expressed in the paraxial mesoderm. I used epistatic and mutant analyses to show that Mdka acts independently from these factors. This indicates a novel mechanism of Mdka dependent MFP formation during zebrafish neurulation. To get insight into the signaling properties of zebrafish Mdka, the function of both Mdk proteins and the candidate receptor Anaplastic lymphoma kinase (Alk) have been compared. Knock-down of mdka and mdkb resulted in the same reduction of iridophores as in mutants deficient for Alk. This indicates that Alk could be a putative receptor of Mdks during zebrafish embryogenesis. In most vertebrate species a lateral floor plate (LFP) domain adjacent to the MFP has been defined. In higher vertebrates it has been shown that the LFP is located within the p3 domain, which forms V3 interneurons. It is unclear, how different cell types in this domain are organized during early embryogenesis. I have analyzed a novel homeobox gene in zebrafish, nkx2.2b, which is exclusively expressed in the LFP. Overexpression, mutant and inhibitor analyses showed that nkx2.2b is activated by Sonic hedgehog (Shh), but repressed by retinoids and the motoneuron-inducing factor Islet-1 (Isl1). I could show that in zebrafish LFP and p3 neuronal cells are located at the same level along the DV axis, but alternate along the anteroposterior (AP) axis. Moreover, these two different cell populations require different levels of HH signaling and nkx2.2 activities. This provides new insights into the structure of the vertebrate spinal cord and suggests a novel mechanism of neural patterning. N2 - Das Rückenmark von Vertebraten besteht aus Milliarden von Neuronen und Gliazellen, die in einem sehr komplexen Muster während der frühen Neurogenese gebildet werden. Die Spezifizierung dieser Zellen an spezifischen Positionen entlang der dorsoventralen (DV) Achse des Rückenmarks wird durch ein ventrales Organisationszentrum, die mediale Bodenplatte (MFP), kontrolliert. Die Herkunft und der Zeitraum der Spezifizierung dieses wichtigen Organisationszentrums sind zurzeit nicht klar. In meiner Doktorarbeit habe ich die Funktionen des neuen Wachstumsfaktors Midkine-a (Mdka) im Zebrafisch charakterisiert. Mdka und der verwandte Faktor pleiotrophin (ptn) zeigen ein breites Expressionsmuster während der Embryogenese von höheren Vertebraten und sind offenbar an einer Vielzahl von Prozessen beteiligt. Die exakten in-vivo Funktionen sind jedoch nicht bekannt, da knock-out Mäuse keinen embryonalen Phänotyp zeigen. Im Zebrafisch haben wir zwei co-orthologe mdk Gene, mdka und mdkb, sowie ein ptn Gen-Ortholog isoliert. Molekulare phylogenetische Analysen ergaben, dass diese Gene durch zwei unabhängige Duplikationen eines Gen-Blocks entstanden sind. Im Gegensatz zu höheren Vertebraten haben mdk und ptn Gene divergente Funktionen entwickelt, was zu weitestgehend nicht redundanten Funktionen und Expressionsmustern geführt hat. Mittels Überexpressions- und knock-down Analysen konnte ich zeigen, dass Mdka für die Bildung der MFP im Zebrafisch benötigt wird. Anders als bisher bekannte MFP induzierende Faktoren ist Mdka nicht im embryonalen Gastrula-Organisator, dem ‚Shield’ oder der Schwanzknospe exprimiert, sondern dynamisch im paraxialen Mesoderm. Durch epistatische Analysen und Mutanten-Experimente konnte ich weiterhin zeigen, dass Mdka unabhängig von diesen Faktoren wirkt. Dies deutet auf einen neuen Mdka abhängigen Mechanismus der MFP- Bildung während der Neurogenese im Zebrafisch hin. Um Einblick in den Signalweg von Mdka im Zebrafisch zu erhalten, wurde die Funktion der midkine Gene mit der des potentiellen Rezeptors, der Anaplastischen Lymphom-Kinase (Alk), verglichen. Ein ‚Knock-down’ beider Mdk Proteine führte zu einer vergleichbaren Reduktion von Iridophoren wie bei Alk defizienten Mutanten. Demnach könnte Alk ein Rezeptor beider Mdk Proteine während der Zebrafisch-Embryogenese sein. In vielen Vertebratenspezies wurde neben der MFP eine laterale Bodenplatten (LFP) Domäne definiert. In höheren Vertebraten wurde gezeigt, dass LFP Zellen innerhalb der p3 neuronalen Domäne lokalisiert sind, welche V3 Interneuronen bilden. Es ist zurzeit nicht klar, wie diese Zelltypen angeordnet sind und wie sie während der Embryogenese gebildet werden. Ich habe ein neues Homeobox Gen nkx2.2b im Zebrafisch analysiert, welches ausschließlich in der LFP exprimiert ist. Überexpressions-, Mutanten- und Inhibitorenanalysen haben gezeigt, dass nkx2.2b durch Sonic Hedgehog (Shh) aktiviert, durch Retinolsäure und den Motoneuronen induzierenden Faktor Islet-1 (Isl1) aber reprimiert wird. Ich konnte weiterhin zeigen, dass im Zebrafisch LFP und p3 neuronale Zellen auf der gleichen Ebene entlang der DV Achse lokalisiert sind und entlang der anteroposterioren (AP) Achse alternieren. Diese zwei Zellpopulationen benötigen verschiedene Aktivitäten von Hedgehog und nkx2.2b. Dies stellt einen neuen Aspekt für den Aufbau des Rückenmarks von Vertebraten dar und deutet auf einen bisher unbekannten Mechanismus der neuronalen Musterbildung hin. KW - Zebrabärbling KW - Wachstumsfaktor KW - Neurogenese KW - Homöobox KW - Bodenplatte KW - neuronale Musterbildung KW - Midkine KW - Homeobox Gene KW - Zebrafisch KW - floor plate KW - neural patterning KW - Midkine KW - Homeobox genes KW - zebrafish Y1 - 2005 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-15789 ER - TY - THES A1 - Schindelin, Johannes T1 - The standard brain of Drosophila melanogaster and its automatic segmentation T1 - Das Standardgehirn von Drosophila melanogaster und seine automatische Segmentierung N2 - In this thesis, I introduce the Virtual Brain Protocol, which facilitates applications of the Standard Brain of Drosophila melanogaster. By providing reliable and extensible tools for the handling of neuroanatomical data, this protocol simplifies and organizes the recurring tasks involved in these applications. It is demonstrated that this protocol can also be used to generate average brains, i.e. to combine recordings of several brains with the same features such that the common features are emphasized. One of the most important steps of the Virtual Insect Protocol is the aligning of newly recorded data sets with the Standard Brain. After presenting methods commonly applied in a biological or medical context to align two different recordings, it is evaluated to what extent this alignment can be automated. To that end, existing Image Processing techniques are assessed. I demonstrate that these techniques do not satisfy the requirements needed to guarantee sensible alignments between two brains. Then, I analyze what needs to be taken into account in order to formulate an algorithm which satisfies the needs of the protocol. In the last chapter, I derive such an algorithm using methods from Information Theory, which bases the technique on a solid mathematical foundation. I show how Bayesian Inference can be applied to enhance the results further. It is demonstrated that this approach yields good results on very noisy images, detecting apparent boundaries between structures. The same approach can be extended to take additional knowledge into account, e.g. the relative position of the anatomical structures and their shape. It is shown how this extension can be utilized to segment a newly recorded brain automatically. N2 - In dieser Arbeit wird das Virtual Brain Protocol vorgestellt, das die Anwendungen rund um das Standardgehirn von \dm\ erleichtert. Durch das Bereitstellen robuster und erweiterbarer Werkzeuge zum Verarbeiten neuroanatomischer Datensätze ermöglicht es ein strukturiertes Abarbeiten der häufig benötigten Vorgänge im Zusammenhang mit der Arbeit mit dem Standardgehirn. Neben der Einpassung neuer Daten in das Standardgehirn kann dieses Protokoll auch dazu verwendet werden, sogenannte Durchschnittshirne zu erstellen; Aufnahmen mehrerer Hirne mit der gleichen zu zeigenden Eigenschaft können zu einem neuen Datensatz kombiniert werden, der die gemeinsamen Charakteristika hervorhebt. Einer der wichtigsten Schritte im Virtual Insect Protocol ist die Alignierung neuer Datensätze auf das Standardgehirn. Nachdem Methoden vorgestellt werden, die üblicherweise im biologischen oder medizinischen Umfeld angewendet werden, um Hirne aufeinander zu alignieren, wird evaluiert, inwiefern dieser Prozess automatisierbar ist. In der Folge werden diverse bildverarbeitende Methoden in dieser Hinsicht beurteilt. Es wird demonstriert, dass diese Verfahren den Anforderungen sinnvoller Alignierungen von Hirnen nicht genügen. Infolgedessen wird genauer analysiert, welche Umstände berücksichtigt werden müssen, um einen Algorithmus zu entwerfen, der diesen Anforderungen genügt. Im letzten Kapitel wird ein solcher Algorithmus mithilfe von Methoden aus der Informationstheorie hergeleitet, deren Verwendung das Verfahren auf eine solide mathematische Basis stellt. Es wird weiterhin gezeigt, wie Bayesische Inferenz angewendet werden kann, um die Ergebnisse darüber hinaus zu verbessern. Sodann wird demonstriert, daß dieser Algorithmus in stark verrauschten Bilddaten ohne zusätzliche Informationen Grenzen zwischen Strukturen erkennen kann, die mit den sichtbaren Grenzen gut übereinstimmen. Das Verfahren kann erweitert werden, um zusätzliche Informationen zu berücksichtigen, wie etwa die relative Position anatomischer Strukturen sowie deren Form. Es wird gezeigt, wie diese Erweiterung zur automatischen Segmentierung eines Hirnes verwendet werden kann. KW - Taufliege KW - Gehirn KW - Segmentierung KW - Bildverarbeitung KW - Drosophila KW - Segmentierung KW - Kantenerkennung KW - Statistik KW - Bildverarbeitung KW - Drosophila KW - segmentation KW - EdgeDetection KW - statistics KW - ImageProcessing Y1 - 2005 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-15518 ER - TY - THES A1 - Motsch, Isabell T1 - Lamin A and lamin C are differentially dysfunctional in autosomal dominant Emery-Dreifuss muscular dystrophy T1 - Lamin A und Lamin C sind funktional unterschiedlich von der Emery-Dreifuss Muskeldystrophie betroffen N2 - Emery-Dreifuss muscular dystrophy (EDMD) is a rare genetic disorder characterised by early contractures of the elbows, Achilles tendons and spine, slowly progressive muscle wasting and cardiomyopathy associated with cardiac conduction defect. The autosomal dominant form is caused by mutations in the LMNA gene which gives rise to lamin A and lamin C proteins by alternative splicing. These A-type lamins, together with B-type lamins, form the nuclear lamina, a network of intermediate filament proteins underlining the nuclear envelope. In order to ascertain the role lamin A and C separately contribute to the molecular phenotype, we analysed ten LMNA mutations and one single nucleotide polymorphism (SNP) in transfection studies in COS7 fibroblasts and, partially, in C2C12 myoblasts. The EGFP or DsRed2 tagged lamins were exogenously expressed either individually or both A-types together and examined by light and electron microscopy. The protein mobility of lamin A mutants was determined by FRAP analysis. Additionally, a co-immunoprecipitation binding assay of in vitro synthesised A-type lamins and emerin was performed.Eight of the LMNA mutations (R50S, R133P, E358K, E358K+C KW - Verhalten KW - Apis mellifera KW - Morphologie KW - Kognition KW - Verhalten KW - Apis mellifera KW - Morphology KW - cognition KW - behaviour Y1 - 2005 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-17801 ER - TY - THES A1 - Strehl, Christoph-Peter T1 - Evolution of colony characteristics in the harvester ant genus Pogonomyrmex T1 - Evolution von Kolonie-Charakteristika in der Ernteameisen-Gattung Pogonomyrmex N2 - Die Gattung Pogonomyrmex ist besonders gut geeignet, um die Evolution der Charakteristika von Ameisenkolonien allgemein zu untersuchen, und insbesondere deren soziogenetische Struktur, da die Biologie für einige ihrer Arten sehr gut bekannt ist, und eine Diversität an Paarungshäufigkeiten und Könniginnenzahlen vorkommt. Diese Variation in der soziogenetischen Struktur der Kolonien erzeugt eine hohe Varianz an Verwandschaftsgraden innerhalb von Kolonien, und kann eine Hauptkomponente darstellen, welche die Evolution verschiedenster Koloniecharakteristika vorantreibt. Um die Variabilität intrakolonialer Verwandschaftsgrade innerhalb der Gattung Pogonomyrmex genau zu bestimmen, wurde für ausgewählte Mitglieder der Gattung, nämlich für P. (sensu stricto) rugosus, P. (sensu stricto) badius and P. (Ephebomyrmex) pima, mit Hilfe der Technik des DNA-Fingerabdruckes die Anzahl an Matrilinien und Patrilinien bestimmt. Es wurde versucht die Evolution dieser Koloniecharakteristika vor dem Hintergrund einer Phylogenie zu erklären. Zu diesem Zweck wurde ein Gen-Stammbaum für 39 Arten der Gattung Pogonomyrmex erstellt. Die Artabdeckung betrug 83% bei den Nord-Amerikanischen, und 43% bei den Süd-Amerikanischen Arten. Effektive Mehrfachpaarung von Königinnen wurde für P. rugosus (me=4.1) und P. badius (me=6.7) bestätigt. Zusätzlich wurde gezeigt, dass beide Arten monogyn sind. Diese Ergebnisse bestätigen Verhaltensbeobachtungen von Mehrfachpaarungen in diesen Arten. Mittlerweile ist Mehrfachpaarung in 9 Pogonomyrmex Arten bekannt (bei 3 Arten durch Verhaltensbeobachtungen – bei 6 Arten durch genetischen Nachweis). In P. (E.) pima hingegen waren alle der untersuchten Königinnen einfach gepaart (me=1.0). Daher könnte es sein, dass Mehrfachpaarung entweder früh in der Evolution der Gattung Pogonomyrmex entstand und nachträglich in der Untergattung Ephebomyrmex verloren wurde (Plesiomorphie-Hypothese), oder sie entstand zum ersten mal in der Untergattung Pogonomyrmex sensu stricto (Apomorphie-Hypothese). In P. huachucanus, einer Art, die basal zu dem Nord-Amerikanischen sensu stricto Komplex ist, könnten die im Vergleich zu ihren sensu stricto Verwandten geringeren effektiven Paarungshäufigkeiten der Königinnen (J. Gadau and C.-P. Strehl, unveröffentlicht) einen Wechsel von Monandrie zu Polyandrie im Verlauf der Entstehung der fortschrittlicheren sensu stricto Arten widerspiegeln, was die Apomorphie-Hypothese unterstützen würde. Die intrakolonialen Verwandtschaftsgrade sind dennoch in P. (E.) pima niedrig. Dies ist möglicherweise auf mehrere reproduktive Königinnen (Polygynie) zurückzuführen. Polygynie ist ebenfalls dokumentiert für mindestens vier weitere Arten der Untergattung Ephebomyrmex, mit genetischer Evidenz allerdings bisher nur für P. (E.) pima. Es könnte sein, dass es einen evolutionären Ausgleich (trade-off) zwischen Polyandrie und Polygynie innerhalb der Untergattung Ephebomyrmex gab, und daher beide Untergattungen eine hohe genetische Vielfalt innerhalb der Kolonien behielten. Diese hohe genetische Vielfalt könnte einer der Gründe sein für den Erfolg und die Radiation der Gattung Pogonomyrmex in Trockengebieten. Evolution könnte eine hohe genetische Vielfalt von Pogonomyrmex Kolonien begünstigt haben, da sie den Kolonien hilft die Organisation der Kolonie und die Effizienz mit der externe Aufgaben ausgeführt werden zu verbessern. Wenigstens in P. badius konnte eine Verknüpfung zwischen Patrilinien und physischem Polyethismus gefunden werden, was auf eine Verbesserung der Kolonieorganisation mit Hilfe von Polyandrie hindeutet. Darüber hinaus könnten die dargelegten extremen Polyandrie- Werte den P. badius-Weibchen helfen die Möglichkeit der Inzucht aufgrund eingeschränkter Ausbreitung zu bewältigen. Eine eingeschränkte Ausbreitung wird auch in P. (E.) pima durch flügellose, intermorphe Königinnen beobachtet. Jedoch wird bei P. (E.) pima die Inzucht durch Auskreuzen mittels Männchen möglicherweise verhindert, da keine signifikante Inzucht gefunden wurde. In den vorliegenden Gen-Stammbäumen war die Untergattung Pogonomyrmex Ephebomyrmex von der Untergattung Pogonomyrmex sensu stricto getrennt. Daher könnte es sein, dass P. Ephebomyrmex in den Status einer Gattung erhoben wird, auch aufgrund distinkter morphologischer und lebensgeschichtlicher Charaktere. Für eine präzise taxonomische Revision müsste allerdings eine breite Ergänzung an Arten vorgenommen werden. Es wurde in P. rugosus Kolonien normalerweise eine geringe Anzahl von unverwandten Arbeiterinnen vorgefunden, die möglicherweise aus Brutraub ausgewachsener Kolonien auf Gündungs-Kolonien stammen. Es ist allseits bekannt, dass die meisten Gründungskolonien von benachbarten, ausgewachsenen Kolonien der eigenen Art zerstört werden, aber es wurde bisher angenommen, dass die Brut dieser Kolonien ebenfalls zerstört wurde. Dieser oft vernachlässigte Aspekt könnte einen wichtigen Stärke-Bonus für ausgewachsene Kolonien darstellen. N2 - The genus Pogonomyrmex is predisposed for analyzing the evolution of ant colony characteristics in general and the sociogenetic structure in particular, due to the renowned biology of several species and the diversity of mating frequency and queen number. This variation in the sociogenetic structure of colonies produces a high variance in intracolonial relatedness which can be a major component driving the evolution of various colony characteristics. To exactly determine the variability of the intracolonial relatedness in the genus Pogonomyrmex both were analyzed, the number of matrilines and patrilines, in selected members of Pogonomyrmex, namely P. (sensu stricto) rugosus, P. (sensu stricto) badius and P. (Ephebomyrmex) pima using DNA fingerprint techniques. The evolution of these colony characteristics were tried to be explained within a phylogenetic framework. For that purpose we constructed a gene-tree of 39 species of the genus Pogonomyrmex. The taxon sampling covered about 83 % of the North American species and 43 % of the South American species. Effective multiple mating of queens was confirmed for P. rugosus (me=4.1) and P. badius (me=6.7). Additionally, both species are monogynous. These results corroborate behavioral observations of multiple mating for these species. Multiple mating is now known from 9 Pogonomyrmex species (behavioral evidence for 3 species – genetic evidence for 6 species). However, in P. (E.) pima all queens that were analyzed were single mated (me=1.0). Therefore, multiple mating may have either evolved early during the evolution of the genus Pogonomyrmex and has subsequently been lost in the subgenus Ephebomyrmex (plesiomorphic hypothesis), or it has first been evolved in the subgenus Pogonomyrmex sensu stricto (apomorphic hypothesis). In P. huachucanus, a species basal to the North- American sensu stricto complex, smaller effective mating number of queens compared to its sensu stricto relatives (J. Gadau and C.-P. Strehl, unpublished) probably do mirror a change from monandry to polyandry during the evolution of more advanced sensu stricto species, which would support the apomorphic hypothesis. The intracolonial relatedness in P. (E.) pima is however rather low. This is probably the result of multiple reproducing queens (polygyny). Polygyny is also documented for at least four other species of the subgenus Ephebomyrex, but so far P. (E.) pima is the only species with genetic evidence. It might be that there was an evolutionary trade-off within the subgenus Ephebomyrmex between polyandry and polygyny. Therefore, both subgenera retained a high intracolonial genetic diversity. This high genetic diversity might be one cause for the success and radiation of the genus Pogonomyrmex in arid environments. Evolution might have favored high genetic diversity of Pogonomyrmex colonies, because it helps colonies to improve their colonial organization and efficiency in performing external tasks. At least in P. badius a link between patrilines and physical polyethism was found, indicative of an improvement of colonial organization via polyandry. Furthermore, the documented extreme levels of polyandry might help P. badius females to overcome the possibility of inbreeding due to restricted dispersal. Restricted dispersal is also found in P. (E.) pima due to wingless, intermorphic queens. However, in P. (E.) pima inbreeding is probably prevented by outcrossing via males because no significant inbreeding is found. In the presented gene trees the subgenus Pogonomyrmex Ephebomyrmex was separated from the subgenus Pogonomyrmex sensu stricto. Therefore, P. Ephebomyrmex might be elevated to generic status, also due to its distinct morphological and life history characters. Nevertheless, for a precise taxonomic revision a broader complement of species has to be applied. Regularly a low number of unrelated workers was found in P. rugosus colonies, which probably stem from brood raids between mature and founding colonies. It is well known that most founding colonies are destroyed by neighboring conspecific mature colonies, but so far it was assumed that the brood of these colonies was also destroyed. This often neglected aspect might be an important fitness token for mature colonies. KW - Pogonomyrmex KW - Phylogenie KW - Koloniebildung KW - Phylogenie KW - Mehrfachpaarung KW - Pogonomyrmex rugosus KW - Pogonomyrmex badius KW - Ephebomyrmex pima KW - phylogeny KW - polyandry KW - Pogonomyrmex rugosus KW - Pogonomyrmex badius KW - Ephebomyrmex pima Y1 - 2005 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-14324 ER - TY - THES A1 - Fernández-Mora, Eugenia T1 - Analysis of the maturation of Rhodococcus equi-containing vacuoles in macrophages T1 - Analyse der Reifung von Rhodococcus equi-enthaltenden Phagosomen in Makrophagen N2 - Rhodococcus equi is a Gram-positive intracellular pathogen which can cause severe bronchopneumonia in foals. In recent years, the role of this bacterium as human pathogen has been noted, as R.equi infections in humans have increase in frequency. This increase is associated with the rise in immunosupressed individuals, specially AIDS patients, where infection leads to symptoms and pathology similar to those seen in foals with a high mortality rate. Due to its capability to survive and multiply in murine and equine macrophages, R.equi has been classified as a facultative intracellular bacterium. R.equi is found frequently in macrophages in alveolar infiltrate from infected animals. The pathogenicity of R.equi depends on its ability to exist and multiply inside macrophages and has been associated with the presence of virulence plasmids. It has been observed that, inside foal alveolar macrophages, R.equi-containing vacuoles (RCVs) do not mature into phagolysosomes. However, most of the intracellular events during R.equi infection have not been investigated in detail. The aim of this study was to elucidate the intracellular compartmentation of R.equi and the mechanism by which the bacteria avoid destruction in host macrophages. The importance of the virulence-associated plasmids of R.equi for the establishment of RCVs was also evaluated. Furthermore, the intracellular fate of viable and non-viable R.equi was compared in order to study whether viability of R.equi influeciantes the establishment of RCVs. In this study, the RCV was characterized by using a variety of endocytic markers to follow the path of the bacteria trhough murine macropages. Transmission electron microscopy-base analysis showed that R.equi was found equally frequently in phagosomes with loosely or thightly apposed membranes, and RCV often contains numerous membranous vesicles. Laser scanning microscopy of infected macrophages showed that the majority of phagosomes containing R.equi acquired transiently the early endosomal markers Rab5, Ptlns3P, and EEA-1, suggesting initially undisturbed phagosome maturation. Although the RCV acquired some late endosomal markers, such as Rab7, LAMP-1, and Lamp-2, they did not acquired vATPase, did not interact with pre-labeled lysosomes, and failed to acidify. These data clearly suggest that the RCV is a compartment which has left vacuoles that resemble multivesicular body compartments (MVB), which are transport intermediates between early and late endosomes and display internal vesicles very similar to the ones observed within RCVs. Analyisis of several R.equi strains containing either VapA- or VapB-expressing plasmids or neither demonstrated that the possession of the virulence-associated plasmids does not affect phagosome trafficking over a two hour period of infection. The finding that non-viable R.equi was still able to inhibit phagosome maturation (although not to the same extent as viable R.equi did) suggests that heat-insensitive factors, such as cell periphery lipids, may play a major role in inhibition of phagosome maturation, although heat-sensitive factors may also be involved. N2 - Rhodococcus equi ist ein Gram-positives, fakultativ intrazelulläres Bakterium, das unter anderem die Ursache von Bronchopneumonien bei Fohlen ist. Menschen und andere Säugetiere können ebenfalls von Infektionen mit R. equi betroffen sein. In den letzten Jahren ist die Häufigkeit klinischer Infektionen mit R. equi bei Menschen gestiegen. Die wachsende Anzahl an mmunosupprimierten Patienten (hauptsächlich AIDS-Patienten) liegt dieser Zunahme an Infektionen zugrunde. Die Symptomatologie und Pathologie der Infektion mit R. equi ist bei AIDS-Patienten und Fohlen ähnlich. Die Sterblichkeitsrate ist in beiden Fällen hoch. Die Fähigkeit der Rhodokokken, innerhalb von Makrophagen zu überleben und sich zu vermehren, ist mit dem Vorhandensein von Virulenzplasmiden (virulence-associated plasmids) verbunden. Innerhalb des Makrophagen befinden sich die Rhodokokken in einem Phagosom, das nicht mit Lysosomen fusioniert. Die genaue Kompartimentierung der Rhodococcus equi-enthaltenden Phagosomen in Makrophagen war bisher unbekannt und wurde deshalb in der vorliegenden Promotionsarbeit untersucht. Mit Hilfe mehrerer endozytischer Marker wurde das R. equi-enthaltende Kompartiment charakterisiert. Mögliche Unterschiede zwischen der Kompartimentierung von R. equi(+)- und R. equi(-)-enthaltenden Phagosomen ist ebenfalls Thema dieser Promotionsarbeit. Weiterhin wurde die Etablierung des phagosomalen Kompartiments für jeweils lebende und tote Rhodokokken verglichen. Transmissionselektronenmikroskopische Analysen haben gezeigt, dass die Phagosomenmembran Rhodococcus equi-enthaltender Phagosomen sowohl locker als auch eng anliegend sein kann (50%). Darüber hinaus wurden häufig zahlreiche, membranöse Vesikel in R. equi-enthaltenden Phagosomen gefunden. Diese Phagosomen zeigen somit Ähnlichkeiten zu Multivesicular Bodies. Multivesicular Bodies sind intermediäre Kompartimente zwischen frühen und späten Endosomen und zeigen ebenfalls eine Vielzahl von internen Vesikeln. Untersuchungen am konfokalen Lasermikroskop ergaben, dass die Mehrheit der R. equi-enthaltenden Phagosomen die früh endosomalen Marker Rab5, PtIns3P und EEA-1 transient akquirieren. Dieser Befund deutet auf eine ungestörte phagosomale Reifung im frühen Stadium hin. Trotz der beobachteten Akquisition der spät endosomalen Marker Rab7, LAMP-1 und LAMP-2 konnte keine Akquisition der vATPase, keine Interaktion mit vormarkierten Lysosomen und keine Ansäuerung von R.equi-enthaltenden Phagosomen nachgewiesen werden. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass R. equi-enthaltende Phagosomen das früh endosomale Stadium abschließen, aber einen typisch spät endosomale Zustand nicht erreichen. Die Analyse unterschiedlicher R. equi-Stämme, die entweder vapA- oder vapB-exprimierende Virulenzplasmide enthalten, hat gezeigt, dass die Anwesenheit von Virulenzplasmiden die phagosomale Reifung über eine Infektionsperiode von zwei Stunden nicht beeinflusst. Getötete Rhodokokken waren in der Lage, die phagosomale Reifung zu inhibieren, aber in geringerem Ausmaß als lebende Rhodokokken. Das weist darauf hin, dass hitze-insensitive Faktoren (wie zum Beispiel Lipide der Zellwand) zur Inhibierung der phagosomalen Reifung entscheidend sind, obwohl dazu auch hitze-sensitive Faktoren (wie Proteine) relevant sein können. KW - Rhodococcus equi KW - Makrophage KW - Vakuole KW - Endosome KW - Phagosome KW - Rhodococcus KW - Mycobacterium KW - Reifung KW - endosome KW - phagosome KW - Rhodococcus KW - Mycobacterium KW - maturation Y1 - 2005 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-14049 ER - TY - THES A1 - Pietsch, Christof T1 - The genetics of species differences within the genus Nasonia ASHMEAD 1904 (Hymenoptera: Pteromalidae) T1 - Die Genetik von Artunterschieden in der Gattung Nasonia ASHMEAD 1904 (Hymenoptera: Pteromalidae) N2 - The genetics of species differences is an outstanding question in evolutionary biology. How do species evolve to become phenotypically distinct and how is the genetic architecture organized that underlie species differences? Phenotypic diverged traits are supposed to be frequently involved in prezygotic isolation, i.e. they prevent the formation of hybrids, whereas postzygotic isolation occurs when hybrids experience a fitness reduction. The parasitic wasp genus Nasonia represents an appropriate model system to investigate the genetics of species differences as well as the genetics of postzygotic isolation. The genus consists of three species N. vitripennis, N. longicornis and N. giraulti that differ particularly in male traits that are assumed to posses an adaptive significance: courtship behaviour and wing size differences. The courtship behaviour consists of cyclically repeated series of head nods that are separated by pauses. The stereotypic performance allowed to split up the display into distinct courtship components. Males of N. vitripennis bear vestigial forewings and are incapable of flight, whereas N. longicornis wear intermediate sized wings and N. giraulti is fully capable of flying. Nasonia species can produce interspecific hybrids after removing Wolbachia bacteria induced hybrid incompatibilities with antibiotics. Postzygotic isolation occurs to different extent and is asymmetric among reciprocal crosses, e.g. inviability is stronger in the N. vitripennis (♀) x N. longicornis (♂) cross than in the N. longicornis (♀) x N. vitripennis (♂) cross. The formation of hybrids allow to study the genetic of species differences in QTL (quantitative trait locus) analyses as well as the genetics of postzygotic isolation causing hybrid inviability. The aim of the study was to investigate the genetic architecture of differences in courtship behaviour and wing size between N. vitripennis and N. longicornis and to assess the genetics of postzygotic isolation to gain clues about the evolutionary processes underlying trait divergence and establishment of reproductive isolation between taxa. In a QTL analysis based on 94 F2-hybrid individuals of an LV cross only few QTL for wing size differences have been found with relatively large effects, although a large proportion of the phenotypic variance remained unexplained. The QTL on courtship behaviour analysis based on 94-F2 hybrid males revealed a complex genetic architecture of courtship behaviour with QTL of large phenotypic effects that explained more than 40 % of the phenotypic variance in one case. Additionally, an epistatic analysis (non-additive interlocus interaction) of courtship QTL revealed frequent genetic interchromsomal relations leading in some instances to hybrid specific effects, e.g. reversion of phenotypic effects or the transgression of phenotypes. A QTL analysis based on a threefold sample size revealed, however, an overestimation of QTL effects in the analysis based on smaller sample size pointing towards a genetic architecture of many loci with small effects governing the phenotypic differences in courtship behaviour. Furthermore, the the study comprised the analysis of postzygotic isolation in the reciprocal crosses N. vitripennis (♀) x N. longicornis (♂) versus N. longicornis (♀) x N. vitripennis (♂) located several loci distributed over different chromosomes that are involved in hybrid incompatibility. The mapping of hybrid incompatibility regions reproduced for the first time the observed asymmetries in the strength of postzygotic isolation in reciprocal crosses of between the more distant related taxa within the genus Nasonia. Stronger postzygotic incompatibilities in the VL cross are supposed to result from the superposition of nuclear-nuclear incompatibilities with nuclear-cytoplasmic incompatibilities, whereas the coincidences of these to types of incompatibilities were found to be much weaker in the reciprocal LV cross. N2 - Die Genetik von Artunterschieden ist einer der herausragenden Fragen der Evolutionsbiologie. Auf welche Weise entwickeln sich Arten phänotypisch auseinander? Divergierende Merkmale sind häufig an präzygoter Isolation beteilgt, das heißt, die Verhinderung von Hybridpaarungen, wohingegen die postzygote Isolation auftritt, wenn Hybride einen Fitnessverlust erleiden. Die parasitische Wespengattung Nasonia stellt ein hervorragendes Modellsystem zur Untersuchung der Genetik von Artunterschieden und der Genetik von postzygoter Isolation dar. Die Gattung besteht aus den drei Arten N. vitripennis, N. longicornis und N. giraulti, die sich in wahrscheinlich adaptiven Merkmalen der Männchen unterscheiden: Paarungsverhalten und Unterschiede in der Vorderflügelgröße. Das Paarungsverhalten besteht aus wiederkehrenden Kopfstoßserien, die durch Pausen getrennt sind. Aufgrund der stereotypen Ausbildung kann das Paarungsverhalten in distinkte Verhaltenskomponenten aufgeteilt werden. Männchen von N. vitripennis weisen verkleinerte Vorderflügel auf und sind flugunfähig. N. longicornis weist intermediäre Flügel auf und Männchen von N. giraulti besitzen voll ausgebildete Flügel und sind flugfähig. Nasonia Arten sind in der Lage interspezifische Hybride zu bilden, unter vorheriger Eliminierung von Wolbachia induzierten Hybridinkompatibilitäten durch Behandlung mit Antibiotika. Postzygote Isolation tritt in unterschiedlichem Ausmaß auf und ist asymmetrisch zwischen reziproken Kreuzungen, z.B. ist die Lebensunfähigkeit von Hybriden stärker in der Kreuzung N. vitripennis (♀) x N. longicornis (♂) als in der reziproken Kreuzung N. longicornis (♀) x N. vitripennis (♂) ausgeprägt. Die Bildung von interspezifischen Hybriden erlaubt die Untersuchung der genetischen Architektur von Artunterschieden in der QTL (quantitative trait locus) Analyse als auch die Untersuchung der postzygoten Isolation, die Hybridzusammenbruch verursacht. Das Ziel dieser Arbeit war es, die Genetik von Unterschieden im Paarungsverhalten und Flügelgröße zwischen N. vitripennis und N. longicornis und die Genetik der postzygoten Isolation zu untersuchen, um Hinweise auf die evolutionären Prozesse zu gewinnen, die zur Divergenz von Artunterschieden und zur Etablierung von reproduktiver Isolation geführt haben. In einer QTL Analyse, die auf einer Kartierungspopulation von 94 F2-Hybriden einer LV Kreuzung basierte, konnten nur wenige QTL für Unterschiede in der Flügelgröße detektiert werden, die jedoch einen großen phänotypischen Effekt aufwiesen. Die QTL Analyse, die ebenfalls auf 94 LV-Hybriden basierte, ergab eine komplexe genetische Architektur des Paarungsverhaltens mit QTL, die einem Fall über 40 % der phänotypischen Varianz erklären konnten. Zusätzlich ergab eine Analyse von epistatischen (nichtadditive Interaktion zwischen Loci) viele interchromosomale Ineraktionen, die in einigen Fällen zu Hybrideffekten wie die Umkehrung von allelischen Effekten oder Transgression von Phänotypen führten. Eine QTL Analyse, die auf einer dreifachen Stichprobengröße beruhte, deutete allerdings auf eine starke Überschätzung phänotypischer Effekte bei der QTL Analyse mit kleinerer Stichprobe hin. Vielmehr scheinen die Unterschiede im Paarungsverhalten auf einer genetischen Architektur von vielen Faktoren mit kleineren phänotypischen Effekten zu beruhen. Die Analyse der postzygoten Isolation in den reziproken Kreuzungen N. vitripennis (♀) x N. longicornis (♂) und N. longicornis (♀) x N. vitripennis (♂) lokalisierte eine Reihe von Loci auf verschiedenen Chromosome, die am Hybridzusammenbruch beteiligt sind. Mit der Kartierung von Incompatibilitätsloci konnten zum ersten Mal die beobachtete Asymmetrie der postzygoten Isolation zwischen weiter entferntverwandten Taxa in der Gattung Nasonia genetisch nachvollzogen werden. Die stärker ausgeprägte Hybridinkompatibilität in der VL Kreuzung scheint von der Überlagerung von nukleär-nukleärer Inkompatibilität und nukleär-zytoplasmatischer Inkompatibilität zu resulieren. Die Überlagerung dieser beiden beiden Formen der Hybridinkompatibilität ist in der reziproken LV Kreuzung wesentlich schwächer ausgeprägt. KW - Pteromalidae KW - Art KW - Molekulargenetik KW - Nasonia KW - Paarungsverhalten KW - QTL Analyse KW - Artunterschiede KW - Nasonia KW - courtship behaviour KW - QTL analysis KW - species differences Y1 - 2005 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-14348 ER - TY - THES A1 - El-Masri, Harun T1 - A genetic analysis of somitogenesis in the Medaka (Oryzias latipes) T1 - Genetische Analyse der Somitogenese in Medaka (Oryzias latipes) N2 - Somites are repeated epithelial segments that are generated in a rhythmic manner from the presomitic mesoderm (PSM) in the embryonic tailbud. Later, they differentiate into skeletal muscle, cartilage and dermis. Somitogenesis is regulated by a complex interplay of different pathways. Notch/Delta signaling is one of the pathways well characterized in zebrafish through mutants affected in its different components. Previous work in mouse, chicken and zebrafish has shown that also additional components are required during somitogenesis, most importantly through an FGF and Retinoic acid (RA) gradient, as well as Wnt signaling. However, no zebrafish mutants with defects in these pathways showing specific somite malformations are described. This was explained by functional redundancies among related genes that have resulted from a whole genome duplication which occurred in a teleost fish ancestor 350 million years ago. As distinct duplicates exist in different teleost species, a large scale mutagenesis screen in the medaka (Oryzias latipes) has been performed successfully in Kyoto, Japan. I analyzed nine of the isolated medaka mutants that show variable aspects of somitic phenotypes. This includes a complete or partial loss of somite boundaries (e.g. bms and sne), somites with irregular sizes and shapes (e.g. krz and fsl) or partially fused and enlarged somites (e.g. dpk). Although some of these medaka mutants share characteristics with previously described zebrafish somite mutants, most of the mutants represent unique phenotypes, not obtained in the zebrafish screens. In-situ hybridization analyses with marker genes implicated in the segmentation clock (e.g. her7), establishment of anterior-posterior (A-P) polarity (e.g. mesp) and differentiation of somites (e.g. myf5, lfng) revealed that the medaka mutants can be separated into two classes. Class I shows defects in tailbud formation and PSM prepatterning, and lateron somite boundary formation was impaired in these mutants. A unique member of this class with a novel phenotype is the doppelkorn (dpk) mutant that has single fused or enlarged somites. This phenotype has not been reported till now in zebrafish somite mutants. In-situ analyses on dpk showed that stabilization of the cyclically expressed somitogenesis clock genes must be affected in this mutant. This is accompanied by a disrupted regulation of A-P polarity genes like mesp. This suggests that dpk is a mutant deficient in the wave front, which is necessary for the down-regulation of oscillating genes in the anterior PSM. Furthermore, as the initiation of oscillation of all three cyclic her genes was unaffected in dpk embryos, I could exclude that this mutant in affected in the Notch/Delta pathway. Another mutant that belongs to this class is the samidare (sam) mutant. Morphologically, sam mutants are similar to zebrafish after eight (aei). In both cases, the first 7-9 somites are formed properly, but after this somite formation ceases. Different to the situation in aei, sam mutant embryos presented an additional defect in the mid-hindbrain boundary (MHB) region. Similar MHB defects were described in the zebrafish fgf8 mutant acerebellar (ace). In ace zebrafish mutant, somites were only slightly defective, although FGF signaling has been shown to be important for somite formation in chicken, mouse and zebrafish. This was explained by functional redundancy between fgf8 and fgf24 ligands in the tailbud of zebrafish. Thus, it is interesting to suggest that the sam mutant, based on the parallel defects in somites and MHB, is a potential member of the FGF signaling pathway muatnts. It was shown that FGF plays a crucial role during MHB formation in medaka. In addition, I showed that fgf8 acts non-redundantly during tailbud formation and somitogenesis in medaka. Furthermore, I showed that FGF signaling regulates somite size also in medaka and that fgfr1 is the only FGF receptor expressed in the tailbud and somites. In class II medaka somite mutants, PSM prepatterning appears normal, whereas A-P polarity, boundary formation, epithelialization or the later differentiation of somites appears to be affected. Such mutants have not been isolated so far in zebrafish, mice or chicken. Therefore, medaka class II somite mutants seem to be a novel group of mutants that opens new perspectives to analyze A-P polarity regulation, determination and boundary formation in the presence of a normally functioning clock in the PSM. Identifying the encoding genes for all analyzed medaka somite mutants will contribute to the understanding of the molecular interactions of different signaling pathways involved during somitogenesis, and is expected to result in the identification of new components. N2 - Die Somitogenese stellt einen entscheidenden Prozess bei der Entwicklung von Wirbeltierembryonen dar. Somiten sind transiente Strukturen, die sich im Verlauf der Embryonalentwicklung zu Skelettmuskulatur, Dermis und Wirbelkörper differenzieren. Somiten entstehen in einem sich regelmäßig wiederholenden Zyklus aus Stammzellen des präsomitischen Mesoderms (PSM), einer Wachstumszone am caudalen Ende des Embryos. Ein wichtiger Bestandteil der Somitogenese ist ein molekularer Oszillator, das so genannte „Segmentierungs-Uhrwerk“. Die periodische Segmentierung des präsomitischen Mesoderms wird reguliert durch eine Reihe komplexer Interaktionen von unterschiedlichen Signale wegen. Der Notch/Delta Signalweg spielt dabei eine zentrale Bedeutung, da hierbei Komponenten entdeckt wurden, die während der Somitogenese zyklisch im PSM exprimiert werden. Außer dem Notch/Delta Signalweg spielen auch ein FGF und Retinolsäure Gradient, sowie Wnt Signale eine wichtige Rolle bei der Somitogenese. Trotz mehrerer Mutagenese Screens im Zebrafisch wurden bislang keine Mutanten im FGF oder Wnt Signalweg entdeckt, die einen spezifischen Somiten Defekt besitzen. Die wurde durch eine funktionelle Redundanz unterschiedlicher Gene erklärt, die durch eine Duplikation im Genom von Teleostieren vor 350 Millionen Jahren enstanden ist. Da unterschiedliche Duplikate in verschiedenen Fischspezies existieren, wurde in den letzten Jahren ein grosser Mutagenese Screen bei Medaka (Oryzias latipes) in Kyoto, Japan durchgeführt. In meiner Arbeit habe ich neue Somitogenese Mutanten aus dieser Screen isoliert und Phänotypisch charakterisiert. Die neun isolierten Mutanten zeigten unterschiedliche Somiten Phänotypen. Einige Mutanten hatten wenige oder gar keine Somitengrenzen (z.B bms oder sne), andere hatten unregelmäßige Somiten Formen (z.B. krz oder fsl) oder unterschiedlich große Somiten (z.B dpk). Manche dieser Medaka wiesen Änlichkeiten Mutanten zu im Zebrafisch beschriebenen Somiten Mutanten auf. Die Mehrzahl der Mutanten zeigten jedoch Phänotypen, die bis jetzt noch nicht in Zebrafisch Screens gefunden worden. In-Situ Analysen mit Hilfe unterschiedlicher, neu isolierter Somitenmarker, wie z.B. her7 einem Bestandteil des molekularen Oszillators, mesp einem anterior-posterioren Gen oder den Somitendifferenzierungsgenen lfng oder myf5 erlaubten, die Medaka Mutanten in zwei unterschiedliche Gruppen zuzuordnen. Gruppe I zeigt Defekte in der Bildung der Schwanzknospe und der Musterbildung im PSM. Ein besonderes Beispiel dieser Gruppe ist die Mutante doppelkorn (dpk), die einen bislang nicht beschriebenen Somitenphänotyp besitzt. In-situ Analysen von dpk zeigten, dass zyklische Gene im anterioren PSM dieser Mutante nicht stabilisiert werden und auch A-P Polaritätsgene fehlerhaft reguliert werden. Das deutet darauf hin, dass in der dpk Mutante ein Faktor der sogenannten „Wavefront“ betroffen sein könnte, der wichtig ist für die Regulation von oszillierenden Genen im anterioren PSM ist. Ich konnte zeigen, daß der wichtige Notch/Delta Signalweg in dieser Mutante nicht betroffen ist, weil alle unterschiedlichen zyklischen Gene, her1, her5 und her7, eine normale dynamische initiation ihrer Expression zeigten. Gruppe II Mutanten zeigen Defekte bei der Bildung der Somitengrenzen und Epithelialisierung der Somiten trotz normales, Musterbildung im PSM. Solche Mutanten wurden bislang weder in Zebrafisch, noch in Maus oder Hühnchen gefunden. Deshalb sollten nach der molekularen Identifiezierung der mutierten Gene neue Faktoren erhalten werden, die vor allem für die Regulation später Somitogenese-phasen wichtig sind. KW - Japankärpfling KW - Somit KW - Genanalyse KW - Somiten KW - Präsomitisches Mesoderm KW - Medaka KW - FGF Signalweg KW - Notch/Delta Signalweg KW - Somites KW - Presomitic meoderm KW - Medaka KW - FGF pathway KW - Notch/Delta pathway Y1 - 2005 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-14515 ER - TY - THES A1 - Beck, Jan T1 - The macroecology of Southeast-Asian hawkmoths (Lepidoptera: Sphingidae) T1 - Die Makroökologie südostasiatischer Schwärmer (Lepidoptera, Sphingidae) N2 - This study investigates the abundance and geographic distribution of the hawkmoth species (Lepidoptera: Sphingidae) of Southeast-Asia and analyses the resulting patterns of biodiversity, biogeography and macroecology. Data on the distribution of species were retrieved from published and unpublished faunal lists and museum collections (in close cooperation with the Natural History Museum, London). Over 34,500 records of the global distribution of the 380 species that occur in Southeast-Asia (including New Guinea and the Solomon Islands) were used for a GIS-supported estimate of distributional ranges, which can be accessed at http://www.sphingidae-sea.biozentrum.uni-wuerzburg.de, an Internet site that also provides pictures of the species and checklists for 114 islands of the Malesian region. The abundance of species in local assemblages was assessed from nightly collections at artificial light sources. Using a compilation of own samples as well as published and unpublished data from other sources, local abundance data on 93 sites were used for analysis, covering 159 species or 17,676 specimens. N2 - In der hier präsentierten Arbeit wurden Häufigkeit und Verbreitung der Schwärmerarten Südostasiens (Lepidoptera: Sphingidae) sowie daraus resultierende Muster der Biodiversität, Biogeographie und Makroökologie untersucht. Verbreitungsnachweise der Arten wurden publizierten wie auch unveröffentlichten Artenlisten sowie Museumssammlungen (in enger Zusammenarbeit mit dem Naturkundemuseum London) entnommen. Über 34 500 Nachweise der weltweiten Verbreitung der 380 südostasiatischen Schwärmerarten (inkl. derer aus Neuguinea und von den Salomoninseln) wurden für GIS-gestützte Schätzungen der Verbreitungsgebiete verwendet, die unter https://www.sphingidae-sea.biozentrum.uni-wuerzburg.de zugänglich sind. Diese Internetseite präsentiert außerdem Bilder der Arten sowie Artenlisten für 114 Inseln des Malesischen Archipels. Die Häufigkeit der Arten wurde anhand nächtlicher Zählungen an künstlichen Lichtquellen abgeschätzt, wobei sowohl eigene Aufsammlungen als auch veröffentlichte und unveröffentlichte Daten anderer Sammler verwendet wurden. Für eine Analyse standen lokale Häufigkeitsdaten für 93 Standorte zur Verfügung, die insgesamt 17 676 Individuen aus 159 Arten umfassten. KW - Biodiversität KW - Biogeographie KW - Verbreitung KW - Häufigkeit KW - Gemeinschaftsökologie KW - Biodiversity KW - Biogeography KW - Distribution KW - Abundance KW - community ecology Y1 - 2005 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-13001 ER - TY - THES A1 - Rock, Rebecca T1 - Charakterisierung des Vertebraten-Gens four-jointed x1 (fjx1) und Analyse des planaren Zellpolaritätssignalwegs (PCP-Signalweg) T1 - Charactarization of the vertebrate gene four-jointed x1 (fjx1) N2 - Das four-jointed (fj) Gen in Drosophila ist zum einen am proximo-distalen Längenwachstum der Extremitäten beteiligt, zum anderen spielt es auch eine Rolle in dem in neuerer Zeit verstärkt untersuchten planaren Zellpolaritätssignalweg (PCP-Signalweg). Über das in der Maus identifizierte homologe fjx1 Gen ist dagegen vergleichsweise wenig bekannt. Ziel dieser Arbeit war daher die nähere Charakterisierung von fjx1 sowie die Identifizierung möglicher Interaktionspartner. Durch RNA in situ Hybridisierung wurde zunächst das räumliche und zeitliche Expressionsmuster von fjx1 in Embryonen und adulten Organen untersucht. Dabei zeigte sich, dass fjx1 in allen Stadien vor allem im Gehirn, aber auch in epithelialen Strukturen verschiedener Organe exprimiert war. Obwohl die Expression von fjx1 ebenso wie die von fj über den Notch-Signalweg reguliert wird, konnte im Gegensatz zu Drosophila jedoch keine Regulation von fjx1 über den Wnt- und/oder den JAK/STAT-Signalweg nachgewiesen werden. Da Fj in Drosophila zumindest teilweise sezerniert wird und nicht-zellautomome Effekte zeigt, wurde ein Fjx1-Rezeptor gesucht. Mit Hilfe eines Fjx1-AP Fusionsproteins konnten Bindungsstellen überlappend bzw. angrenzend zu Regionen mit fjx1-Expression gefunden werden. Beispielsweise zeigten in der embryonalen Lunge und der Niere sowohl die in situ Hybridisierung (fjx1-Expression) als auch die Inkubation mit dem Fusionsprotein (Lokalisation des Bindungspartners) Färbung in epithelialen Strukturen, während im adulten Gehirn die Färbungen in jeweils benachbarten Schichten des Hippocampus und des Kleinhirns detektiert wurden. Durch Expressionsklonierung bzw. Coimmunpräzipitation konnte der Rezeptor jedoch nicht identifiziert werden. Aufgrund der Tatsache dass fj in Drosophila in enger Beziehung zu dachsous (ds) und fat (ft) steht, wurden die homologen Gene in der Maus gesucht und deren Expressionsmuster analysiert. In Embryonalstadien war dchs1 komplementär zu fjx1 in mesenchymalen Geweben zu finden, ähnlich der Situation in Drosophila, wo fj und ds in gegenläufigen Gradienten exprimiert sind. Das homologe Gen von ft, fat-j, war hingegen nicht ubiquitär exprimiert, sondern wie dchs1 im Mesenchym. Ergänzend dazu wurden die fat-like (ftl) Homologen, fat1-3, epithelial detektiert. Die Expression in adulten Organen wurde mit Real-Time-PCR untersucht, die zeigte, dass alle Gene (fj, ds und fat Homologe) relativ stark im adulten Gehirn zu finden sind. Mit Hilfe von RNA in situ Hybridisierungen konnten die Gene im Riechhirn, im Hippocampus und im Kortex des Großhirns sowie in der Körnerschicht des Kleinhirns lokalisiert werden. Um Hinweise auf die Funktion von Fjx1 zu erhalten, wurde in Datenbanken nach Proteinen mit ähnlicher Aminosäuresequenz gesucht, die eventuell Auskunft über mögliche Proteindomänen geben sollten. Bei den gefundenen fünf Mausproteinen handelte es sich jedoch um hypothetische bzw. noch nicht untersuchte Proteine, so dass Rückschlüsse auf die Funktion von Fjx1 nicht möglich waren. Die Expression dieser Gene war nach Datenbankangaben entweder sehr spezifisch, beschränkt auf ein bestimmtes Gewebe (z.B. Milchdrüse oder Nebenniere) oder schwach und dafür ubiquitär, was sich auch durch eine schwache, einheitliche Färbung in der RNA in situ Hybridisierung bestätigte. Die Proteinstruktur von Fjx1 und der Fjx1-ähnlichen Proteine sowie die Art der konservierten Reste geben Grund zu der Annahme, dass es sich um (sezernierte) Glykosyltransferasen handeln könnte, was durch die zumindest zeitweise Lokalisation von Fjx1 im Golgi-Apparat bestärkt wird. Auch die in Drosophila gefundenen Ergebnisse sprechen für eine derartige Funktion von Fj, obwohl auch hier noch keine konkreten biochemischen Belege vorliegen. Die Ergebnisse dieser Arbeit deuten auf eine Konservierung des in Drosophila entdeckten Fj/Ds/Ft-Siganlwegs in Vertebraten hin, wenn auch der genaue Mechanismus der Interaktion zwischen den Proteinen noch nicht geklärt ist und weiterer Untersuchungen bedarf. N2 - The four-jointed (fj) gene in Drosophila is on the one hand involved in proximodistal growth of leg and wing; on the other hand it plays a role in the more recently investigated planar cell polarity (PCP) pathway. In contrast, little is known about the homologous mouse gene fjx1. Therefore, the aim of this thesis was to further characterize fjx1 and to identify potential binding partners. The temporal and spacial expression pattern of fjx1 was analyzed by RNA in situ hybridization on embryos and adult organs. This revealed that fjx1 is predominantly expressed in the brain at all stages investigated and additionally in epithelial structures of various organs. Similar to the Drosophila gene fj the expression of fjx1 is Notch dependent, but in contrast to Drosophila no regulation via the Wnt or JAK/STAT signaling pathway was found. In view of the fact that in Drosophila Fj is at least partially secreted and has some cell nonautonomous effects, a Fjx1 receptor was looked for. Using a Fjx1-AP fusion protein Fjx1 binding sites could be detected in regions overlapping with or adjacent to fjx1 expression, respectively. As an example, staining of epithelial structures in embryonic lung and kidney was found by in situ hybridization (fjx1 expression) as well as with the AP fusion protein (localization of the interaction partner). In the adult brain fjx1 and Fjx1 binding sites were located in adjacent layers of the hippocampus and the cerebellum. Nevertheless, it was not possible to identify the postulated Fjx1 receptor by expression cloning or coimmunoprecipitation. Due to the fact, that fj in Drosophila is closely connected with dachsous (ds) and fat (ft), the homologues mouse genes were searched for and their expression patterns were analyzed. In embryos, dchs1 was expressed complementary to fjx1 in mesenchymal tissues, similar to the situation in Drosophila where fj and ds are expressed in opposing gradients. Unlike ft, the homologous fat-j gene is not expressed ubiquitously, instead, it is found in mesenchymal tissue similar to dchs1. To complete the expected ubiquitous expression, the fat-like (ftl) homologs, fat1-3, were detected in epithelial structures. In adult organs expression was investigated by real time PCR, which revealed all genes (fj, ds and fat homologs) to be strongly expressed in the adult brain. By RNA in situ hybridization the expression was localized to the olfactory bulb, the hippocampus, the cerebral cortex and the granular layer of the cerebellum. To gain information about the function of Fjx1, databases were searched for proteins with a similar amino acid sequence, which should help to identify functional protein domains. Five related mouse proteins were found, but as all proteins were only hypothetical and not investigated so far, it was not possible to draw conclusions about the function of Fjx1. According to database information the expression of the fjx1-related genes was either very specific, restricted to a single tissue (mammary gland or adrenal gland) or the expression was weak, but ubiquitous. This weak ubiquitous expression was confirmed by a weak uniform staining on RNA in situ hybridizations. The protein structure of Fjx1 and the Fjx1-related proteins and the kind of conserved residues led to the assumption that these proteins could be (secreted) glycosyltransferases. This hypothesis is supported by the fact that Fjx1 is at least temporarily located in the Golgi apparatus and by recently published results from Drosophila, although there is no biochemical evidence so far. The results of this work suggest that the Fj/Ds/Ft signaling pathway identified in Drosophila is conserved in vertebrates, although the mechanism of the interaction between these proteins remains completely unknown and has to be elucidated by further investigations. KW - four-jointed KW - fjx1 KW - PCP-Signalweg KW - dachsous KW - fat KW - four-jointed KW - fjx KW - PCP signaling KW - dachsous KW - fat Y1 - 2005 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-14815 ER - TY - THES A1 - Schoen, Christoph T1 - Entwicklung neuartiger bakterieller Vektoren zur Übertragung von zellassoziierten Antigenen, DNA und RNA auf der Basis virulenzattenuierter L. monocytogenes T1 - Development of novel bacterial carrier strains for the delivery of cell wall associated antigens, DNA and RNA on the basis of virulence attenuated Listeria monocytogenes N2 - Listeria monocytogenes ist ein fakultativ humanpathogenes Bakterium und aufgrund seiner Fähigkeit, in Zellen des Wirtes einzudringen und sich im Zytoplasma der befallenen Wirtszelle zu vermehren, ein attraktiver Träger, um heterolog exprimierte Antigene in den MHC-I- und -II-Präsentationsweg antigenpräsentierender Zellen (APC) einzuschleusen und so eine effektive zelluläre Immunreaktion zu erzeugen. Dabei hat die Art und Weise der Antigenexpression einen wesentlichen Einfluss auf die Erzeugung der antigenspezifischen Immunität. So konnte unter Verwendung extrazellulärer Trägerbakterien gezeigt werden, dass insbesondere die Verankerung von Antigenen auf der Zelloberfläche der Bakterien zu einer effektiven Induktion einer humoralen Immunantwort führt. Mit dem Ziel, mit einem derartigen Ansatz auch eine zelluläre Immunität zu erzeugen, wurde ein Plasmidsystem für die Expression von heterologen Proteinen in der Zellwand von L. monocytogenes entwickelt. Dabei gelang die Verankerung zahlreicher Proteine eukaryontischer wie auch prokaryontischer Herkunft über das LPXTG-Ankermotiv von Internalin A. Die so erzielte starke Expression in der Zellwand setzte aber sowohl die Fitness der Bakterien als auch deren Invasivität in vitro deutlich herab und verhinderte damit eine effektive MHC-I-Präsentation des verwendeten Modellantigens. Alternativ wurde L. monocytogenes bereits erfolgreich zur Übertragung von DNA-Vakzinen eingesetzt, um so auch die Synthese gegebenenfalls posttranslationell modifizierter Antigene in ihrer korrekten Konformation durch die infizierte Wirtszelle zu erzielen. Allerdings erfolgte die Expression des als Reporterprotein verwendeten EGFP insbesondere in APC sehr langsam und war von geringer Effizienz. Dabei konnte in der vorliegenden Arbeit erstmals gezeigt werden, dass nach bakterieller Übertragung von DNA-Vakzinen der Import der Plasmidmoleküle in den Kern insbesondere sich nicht teilender Zellen einen der wichtigsten Engpässe für eine möglichst frühzeitige und effektive Reportergenexpression darstellt. Einen Ausweg bietet die bakterielle Übertragung codierender mRNA, die unmittelbar nach der Freisetzung aus der Bakterienzelle im Zytoplasma der infizierten Wirtszelle zur Translation zu Verfügung steht. Dazu wurde das 5’-Ende der EGFP-codierenden Sequenz mit dem IRES-Element des Encephalomyocarditisvirus genetisch fusioniert. Um eine möglichst hohe Syntheserate zu erzielen und damit dem Abbau der mRNA in der Bakterienzelle entgegenzuwirken, erfolgte die Synthese der mRNA in L. monocytogenes mit Hilfe eines T7-RNA-Polymerase-basierten Transkriptionssystems. Im Gegensatz zur bakteriellen Übertragung von Plasmid-DNA konnte so bereits 4 h nach Infektion sowohl in epithelialen als auch in APC wie Makrophagen und humanen dendritischen Zellen eine deutliche EGFP-Expression nachgewiesen werden sowie bei Verwendung von Ovalbumin als Reporterprotein eine effektive MHC-I-Präsentation in vitro. Damit stellt die bakterielle Übertragung von mRNA einen vielversprechenden neuartigen Ansatz dar zur Erzeugung einer zellulären und gegebenenfalls auch humoralen Immunantwort gegen posttranslational modifizierte Antigene. N2 - Listeria monocytogenes is a facultative intracellular bacterium that enters the cell by phagocytosis after which it colonizes the cytosol of the host cell. It is thus a potent vaccine vector for the presentation of passenger antigens to the major histocompatibility complex class II and class I pathways. The mode of antigen expression has a major impact on the generation of a specific immune response. Compared to the expression of antigens in a secreted form or localized inside the bacterial cell, the display of heterologous antigens on the surface of bacteria has shown to be a potent strategy for the elicitation of efficient immune responses. Therefore, a plasmid system for the expression of heterologous proteins covalently linked to the cell wall of L. monocytogenes via the LPXTG cell wall anchor of Internalin A was developed. Although efficient expression of a number of proteins could be achieved by this approach the resulting high expression levels in turn reduced the invasiveness and overall fitness of the carrier Listeria and thus impaired the delivery efficiency of the encoded antigen to the antigen processing machinery of the infected host cell. As an alternative approach to the delivery of protein antigens synthetisized by the prokaryotic cell Listeria might also be exploited for the delivery of DNA vaccines enabling the correct expression also of posttranslationally modified passenger antigens by the eukaryotic cell. However, it is demonstrated that the uptake of the plasmid DNA into the nucleus is a major limiting step for achieving early and efficient gene expression in non-dividing and therefore also in antigen presenting cells. Comparable to other non-viral transfection techniques like lipofection, the limited access to the nuclear compartment may thus constitute a major barrier also after bacteria-mediated expression plasmid DNA delivery. To overcome this bottleneck, a self-destructing L. monocytogenes strain was employed for the release of translation-competent mRNA directly into the cytosol of epithelial cells, macrophages and human dendritic cells. EGFP-encoding mRNA, adapted for translation in mammalian cells by linking an IRES element to the 5´- end of the egfp coding sequence, was produced by T7 RNA polymerase in the carrier bacteria upon entry into the cytosol where the mRNA is efficiently released from the lysed bacteria and immediately translated in eukaryotic host cells. Besides the much earlier expression of EGFP being detectable already 4 h after infection, the number of EGFP expressing mammalian cells obtained with this novel RNA delivery technique is comparable to or - especially in phagocytic cells - even higher than that obtained with the expression plasmid DNA delivery strategy. Accordingly, bacteria-mediated delivery of ovalbumin-encoding mRNA to macrophages resulted in efficient antigen processing and presentation in vitro. In conclusion, this approach might also be adapted for the in vivo delivery of antigen-encoding mRNA leading to a more efficient immune response also against posttranslationally modified antigens such as viral envelope proteins and thus might lead to the development of novel vaccines. KW - Listeria monocytogenes KW - Impfstoff KW - DNS KW - Listeria monocytogenes KW - Impfstoffe KW - RNA delivery KW - DNA delivery KW - Listeria monocytogenes KW - recombinant vaccines KW - RNA delivery KW - DNA delivery KW - antigen delivery Y1 - 2005 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-16560 ER - TY - THES A1 - Pils, Birgit T1 - Insights into the evolution of protein domains give rise to improvements of function prediction T1 - Untersuchung der Evolution von Proteindomänen führt zu Neuerungen in ihrer Funktionsvorhersage N2 - The growing number of uncharacterised sequences in public databases has turned the prediction of protein function into a challenging research field. Traditional annotation methods are often error-prone due to the small subset of proteins with experimentally verified function. Goal of this thesis was to analyse the function and evolution of protein domains in order to understand molecular processes in the cell. The focus was on signalling domains of little understood function, as well as on functional sites of protein domains in general. Glucosaminidases (GlcNAcases) represent key enzymes in signal transduction pathways. Together with glucosamine transferases, they serve as molecular switches, similar to kinases and phosphatases. Little was known about the molecular function and structure of the GlcNAcases. In this thesis, the GlcNAcases were identified as remote homologues of N-acetyltransferases. By comparing the homologous sequences, I was able to predict functional sites of the GlcNAcase family and to identify the GlcNAcases as the first family member of the acetyltransferase superfamily with a distinct catalytic mechanism, which is not involved in the transfer of acetyl groups. In a similar approach, the sensor domain of a plant hormone receptor was studied. I was able to predict putative ligand-binding sites by comparing evolutionary constraints in functionally diverged subfamilies. Most of the putative ligand-binding sites have been experimentally confirmed in the meantime. Due to the importance of enzymes involved in cellular signalling, it seems impossible to find substitutions of catalytic amino acids that turn them catalytically inactive. Nevertheless, by scanning catalytic positions of the protein tyrosine phosphatase families, I found many inactive domains among single domain and tandem domain phosphatases in metazoan proteomes. In addition, I found that inactive phosphatases are conserved throughout evolution, which led to the question about the function of these catalytically inactive phosphatase domains. An analysis of evolutionary site rates of amino acid substitutions revealed a cluster of conserved residues in the apparently redundant domain of tandem phosphatases. This putative regulatory center might be responsible for the experimentally verified dimerization of the active and inactive domain in order to control the catalytic activity of the active phosphatase domain. Moreover, I detected a subgroup of inactive phosphatases, which presumably functions in substrate recognition, based on different evolutionary site rates within the phosphatase family. The characterization of these new regulatory modules in the phosphatase family raised the question whether inactivation of enzymes is a more general evolutionary mechanism to enlarge signalling pathways and whether inactive domains are also found in other enzyme families. A large-scale analysis of substitutions at catalytic positions of enzymatic domains was performed in this work. I identified many domains with inactivating substitutions in various enzyme families. Signalling domains harbour a particular high occurrence of catalytically inactive domains indicating that these domains have evolved to modulate existing regulatory pathways. Furthermore, it was shown that inactivation of enzymes by single substitutions happened multiple times independently in evolution. The surprising variability of amino acids at catalytic positions was decisive for a subsequent analysis of the diversity of functional sites in general. Using functional residues extracted from structural complexes I could show that functional sites of protein domains do not only vary in their type of amino acid but also in their structural location within the domain. In the process of evolution, protein domains have arisen from duplication events and subsequently adapted to new binding partners and developed new functions, which is reflected in the high variability of functional sites. However, great differences exist between domain families. The analysis demonstrated that functional sites of nuclear domains are more conserved than functional sites of extracellular domains. Furthermore, the type of ligand influences the degree of conservation, for example ion binding sites are more conserved than peptide binding sites. The work presented in this thesis has led to the detection of functional sites in various protein domains involved in signalling pathways and it has resulted in insights into the molecular function of those domains. In addition, properties of functional sites of protein domains were revealed. This knowledge can be used in the future to improve the prediction of protein function and to identify functional sites of proteins. N2 - Durch den rasanten Anstieg unbekannter Proteinsequenzen in öffentlichen Datenbanken ist die Vorhersage der Proteinfunktion zu einem herausfordernden Forschungsgebiet geworden. Herkömmliche Annotationsmethoden sind häufig fehlerhaft, da nur einem kleinen Teil der Proteine experimentell eine Funktion zugewiesen werden konnte. Ziel der hier vorliegenden Arbeit war es, die Funktion und Evolution von Proteindomänen in Hinblick auf die molekularen Vorgänge innerhalb der Zelle zu untersuchen. Der Schwerpunkt lag auf Signaldomänen mit unbekannter Funktion und auf funktionell wichtigen Positionen in Domänen. Glucosaminidasen (GlcNAcasen) spielen eine wichtige Rolle in Signaltransduktionswegen. Zusammen mit den Glucosamintransferasen dienen sie als molekulare Schalter, ähnlich den Kinasen und Phosphatasen, jedoch war sehr wenig über ihre molekulare Funktion, sowie über ihre Struktur bekannt. In dieser Studie wurde die entfernte Verwandtschaft der GlcNAcasen zu den Acetyltransferasen gezeigt. Durch den Vergleich von homologen Sequenzen konnte ich funktionelle Positionen vorhersagen und die GLcNAcasen als erstes Mitglied der Acetyltransferasen-Superfamilie mit einem neuen katalytischen Mechanismus identifizieren, der nicht den Transfer von Acetylgruppen vermittelt. In einem ähnlichen Ansatz wurde die Sensordomäne eines Hormonrezeptors aus Pflanzen untersucht. Dabei konnte ich durch den Vergleich von evolutiven Zwängen in funktionell unterschiedlichen Subfamilien Liganden-bindende Positionen bestimmen. Die meisten dieser Vorhersagen wurden inzwischen experimentell bestätigt. Aufgrund der entscheidenden Bedeutung von enzymatischen Domänen in Signaltransduktionsprozessen erscheint es unmöglich, Substitutionen von katalytischen Aminosäuren zu finden, die die Domäne inaktivieren würden. Dennoch habe ich in einer Analyse der katalytischen Positionen in der Proteintyrosinphosphatase-Familie viele inaktive Domänen in Einzel- und Tandem-Domänen-Phosphatasen in den Proteomen von Metazoa gefunden. Ich habe zusätzlich beobachtet, dass die inaktiven Domänen in der Evolution konserviert sind, was die Frage aufwirft, welche Funktion diese katalytisch inaktiven Domänen haben. Eine Analyse der Evolutionsraten von Aminosäuresubstitutionen identifizierte eine Ansammlung von konservierten Positionen in der scheinbar überflüssigen inaktiven Domäne von Tandemphosphatasen. Dieser möglicherweise regulatorische Bereich könnte für die Dimerisierung der aktiven und inaktiven Domäne verantwortlich sein, welche experimentell nachgewiesen wurde, sowie für die Regulation der katalytischen Aktivität der Phosphatasedomäne. Außerdem habe ich durch die unterschiedlichen Evolutionsraten eine Untergruppe der inaktiven Phosphatasen entdeckt, die wahrscheinlich an der Substraterkennung beteiligt ist. Die Charakterisierung dieser neuen regulatorischen Module in der Phosphatase- Familie führte zu der Frage, ob die Inaktivierung von Enzymen ein allgemeiner Mechanismus in der Evolution ist, um Signaltransduktionswege zu erweitern, und ob es auch in anderen Enzymfamilien inaktive Domänen gibt. Dazu wurde eine umfassende Analyse durchgeführt, um Substitutionen an katalytischen Positionen in enzymatischen Domänen zu untersuchen. Ich habe in vielen Domänen aus unterschiedlichen Enzymfamilien inaktivierende Substitutionen gefunden. Einen besonders hohen Anteil an katalytisch inaktiven Domänen gibt es in Signaldomänen, was zeigt, daß diese Domänen entstanden sind, um existierende regulatorische Netze zu modifizieren. Es konnte ferner gezeigt werden, daß die Inaktivierung von Enzymen durch einzelne Subsitutionen mehrmals unabhängig voneinander in der Evolution stattgefunden hat. Die Variabilität von Aminosäuren an katalytischen Positionen war ausschlaggebend für eine anschließende, allgemeinere Analyse von funktionellen Positionen. Mit Hilfe von funktionellen Positionen, die aus strukturellen Komplexen extrahiert wurden, konnte ich zeigen, dass funktionelle Positionen nicht nur in der Aminosäure, sondern auch in ihrer Lokalisation innerhalb der Struktur variieren. Im Laufe der Evolution haben sich Domänen aus Duplikationsprozessen gebildet, sich neuen Bindungspartnern angepasst und neue Funktionen entwickelt, was sich nun in der hohen Variabilität ihrer funktionellen Positionen widerspiegelt. Dennoch gibt es große Unterschiede zwischen Domänenfamilien. Die Analyse hat gezeigt, dass funktionelle Positionen von nuklearen Domänen viel stärker konserviert sind, als jene von extrazellulären Domänen. Die hier vorgestellte Studie beschreibt funktionelle Positionen in verschiedenen an Signaltransduktionswegen beteiligten Proteindomänen und liefert Einblicke in ihre molekulare Funktion. Außerdem wurden Eigenschaften von funktionell wichtigen Positionen aufgezeigt. Diese Erkenntnisse können in Zukunft zur Optimierung der Vorhersage von Proteinfunktionen und zur Identifikation von funktionellen Positionen genutzt werden. KW - Domäne KW - Funktion KW - Bioinformatik KW - Protein KW - Domäne KW - Funktionelle Positionen KW - Bioinformatik KW - Evolution KW - Protein KW - Domain KW - Functional Sites KW - Bioinformatics KW - Evolution Y1 - 2005 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-16805 ER - TY - THES A1 - Bujok, Brigitte T1 - Thermoregulation im Brutbereich der Honigbiene Apis mellifera carnica T1 - Thermoregulation in the brood region of honeybees (Apis mellifera carnica) N2 - Honigbienen (Apis mellifera carnica) regulieren die Temperatur ihrer Brut in einem sehr engen Temperaturfenster, da vor allem die gedeckelte Brut sehr temperaturempfindlich reagiert (Groh et al. 2004). Die Thermoregulation ist nicht – wie lange angenommen – Beiprodukt von alltäglichen Arbeiten der Bienen im Brutbereich, sondern eine aktive und Energie- und Zeitaufwändige eigene Tätigkeit. Arbeiterinnen ziehen sich mit ihren Beinen an die Brutoberfläche, drücken ihren warmen Thorax auf die Brutdeckel und verharren so für einige Minuten um mit der eigenen Körperwärme die Brut zu temperieren (Bujok et al. 2002). Wie erwartet korrelierte die Thoraxtemperatur einer Arbeiterin mit der Frequenz der abdominalen Atembewegungen, bei sehr hohen Thoraxtemperaturen (über 40°C) erreichten die Bienen Atemfrequenzen von über 8Hz. Eine weitere Methode die Brut effektiv zu wärmen übten Bienen aus, die leere Zellen im gedeckelten Brutbereich besuchen (Kleinhenz et al. 2003). Arbeiterinnen gingen dabei bevorzugt in Zellen, die von möglichst vielen gedeckelten Zellen umgeben waren. Sowohl die Dauer der Zellbesuche, als auch die mittlere Thoraxtemperatur bei Ein- und Austritt der Zelle korrelierten mit der Anzahl der benachbarten Brutzellen – je mehr Brutzellen eine leere Zelle in ihrer direkten Nachbarschaft hatte umso länger dauerte der Besuch einer Biene und umso höher ist die Ein- bzw. Austrittstemperatur der Biene. Mindestes 48 Stunden alte Bienen unterschieden sich signifikant in ihrem Wärmeverhalten von jüngeren Bienen. Tote gedeckelte Brut wurde in manchen Fällen über viele Tage (durchgehend bis 10 Tage) gewärmt, sie unterschied sich in ihrer Temperatur nicht von unbehandelter gedeckelter Brut. In weiteren Versuchen lag die Bruttemperatur von toter Brut zwar unter der eines Kontrollbereiches, die Temperatur lag aber weiterhin im optimalen Bereich von 33,5 bis 35°C (Groh et al. 2004). In diesen Versuchen wurde die tote Brut vor dem Einsetzen in den Beobachtungsstock wieder auf 35°C erwärmt. Wachskegel in gedeckelten Zellen wurden erkannt und ausgeräumt. Aktive Signale, die von der Brut ausgehen scheinen also nicht notwendig für die effektive Bruttemperaturregulierung zu sein. Untersuchungen mittels Laser-Doppler-Vibrometrie zeigten auch keine Hinweise auf eine mechanische Kommunikation zwischen den Puppen und den Arbeiterinnen. Das Brutwärmen scheint eine Aktion zu sein, die von den Bienen nur in Gemeinschaft sinnvoll durchgeführt werden kann. In einigen Fällen kam es während der Puppenphase zu unerklärlichen Abfällen in der Bruttemperatur, die nur durch einen positiven Rückkopplungseffekt seitens der Arbeiterinnen erklärt werden kann. Beim Brutwärmen spielen die Antennen der Arbeiterinnen wahrscheinlich eine wichtige Rolle. Während sich die Bienen beim aktiven Brutwärmen den Brutdeckel annähern sind die Antennenspitzen immer auf die Brutdeckel gerichtet. Fehlen den Arbeiterinnen die Antennen, dann ist die Thermoregulation eingeschränkt oder unzureichend. Die Bruttemperatur korreliert mit der Anzahl der abgetrennten Antennensegmente, je mehr Antennensegmente fehlen, desto weniger gut wird die Temperatur im Brutbereich hoch und konstant gehalten. Zusätzlich scheint es eine Lateralität in der Antennenfunktion zu geben, wurde die rechte Antenne gekürzt wärmten die Bienen die Brut signifikant schlechter, als beim Kürzen der linken Antenne. Durch das Kürzen der Antennen änderte sich auch das Verhalten der Tiere: Kontrollbienen verharrten ruhig im Brutbereich, während Bienen mit gekürzten Antennen teilweise ähnlich warm waren, aber nicht mehr das oben beschriebene aktive Brutwärmeverhalten zeigten. N2 - Honey bees (Apis mellifera carnica) precisely regulate brood temperature in a range between 33 to 35°C, as the development of the larvae, especially the capped brood stages are very sensitive to temperature changes. The heat used for thermoregulation in the brood area is not a by-product of work, but an active time and energy consuming task called brood heating behaviour: worker bees pull their warm thoraces towards the brood caps and remain in that position for about 10 minutes to transfer their body heat to the brood caps and the brood (Bujok et al. 2002). As expected, thoracic temperatures of bees correlated with frequency of abdominal breathing movements; bees with high thoracic temperatures (above 40°C) showed abdominal movements of up to slightly over 8Hz. Honey bee workers use empty cells neighbouring the capped brood cells for brood heating (Kleinhenz et al. 2003). Therefore, bees preferred visiting cells neighboured by numerous brood cells. Both duration of cell visits and thoracic temperature of the bee correlated with the number of neighboured brood cells. Older bees (at least 48h) showed significantly higher thoracic temperatures than younger bees (up to 48h old) immediately before and after their cell visits. Dead capped brood were heated over several days and showed equivalent temperatures to living brood warmed by worker bees. In other cases, the brood temperature was lower, but still in the optimal temperature range of 33.5 to 35°C (Groh et al. 2004). In the experiments, the dead brood was killed by cold then warmed up again to 35°C before putting it into the observation hive. Capped brood cells filled with wax dummies were not heated and immediately cleared out. Mechanical signals from the brood seemed not to be important for the brood heating behaviour of the worker bees; observations with laser-vibrometry showed no signals coming from the brood demanding thermoregulation. The antennae of the bees seem to be very important for effective brood heating, since during brood heating behaviour the antennae point to the capped brood surface. Worker bees with shortened antennae showed inferior brood heating behaviour, while brood temperature correlated with number of missing antenna segments. Additionally, the effectiveness of brood heating seems to be linked to a underlying laterality of the antennas function, when parts of the right antenna were amputated, brood heating was worse than when parts of the left antenna were amputated. With the amputation of the antenna the behaviour of the bees changed: control bees remained very quiet in the capped brood area, while bees with amputated antenna with similarly warm thoraces did not show the typical brood heating behaviour anymore. In some observations brood temperature dropped for some hours and increased again in a way that can only be explained by positive feedback of brood heating of the worker bees. Brood heating appears to be a collective action. KW - Biene KW - Brutbiologie KW - Thermoregulation KW - Honigbiene KW - Temperaturregulierung KW - Brut KW - Thermographie KW - honey bee KW - temperature regulation KW - brood KW - thermography Y1 - 2005 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-15903 ER - TY - THES A1 - Groh, Claudia T1 - Environmental influences on the development of the female honeybee brain Apis mellifera T1 - Der Einfluss von Umweltfaktoren auf die Entwicklung des Gehirns der weiblichen Honigbiene Apis mellifera N2 - Für die Honigbiene spielt der Geruchssinn eine entscheidende Rolle bei der Kommunikation innerhalb des Sozialstaates. Kastenspezifische, auf uweltbedingten Einflüssen basierende sowie altersbedingte Unterschiede im olfaktorisch gesteuerten Verhalten liefern ein hervorragendes Modellsystem für diese Studie, um die Entwicklung und Funktion neuronaler Plastizität im olfaktorischen System zu untersuchen. Diese Studie konzentriert sich auf Unterschiede zwischen Königinnen und Arbeiterinnen, den beiden weiblichen Kasten innerhalb des Bienestaates, sowie auf umweltbedingte Plastizität. Diploide Eier, aus denen sich Königinnen und Arbeiterinnen entwickeln, sind genetisch identisch. Dennoch entwickeln sich Königinnen wesentlich schneller zum Adulttier als Arbeiterinnen, sind als Imago größer, leben wesentlich länger und zeigen andere Verhaltensweisen. Diese Unterschiede werden durch eine differentielle larvale Fütterung initiiert. Im Anschluss an das Larvenstadium und somit nach erfolgter Kastendetermination, entwickeln sich die Bienen über eine Puppenphase (verdeckelte Phase) zum Imago. Adulte Bienen klimatisieren das zentrale Brutareal auf einer mittleren Temperatur von 35°C konstant. Bienen, die bei niedrigeren Temperaturen innerhalb des physiologisch relevanten Bereichs aufwachsen, weisen Defizite im olfaktorischen Lernverhalten und in der Tanzkommunikation auf. Mögliche neuronale Korrelate für altersbedingte, temperatur- und kastenspezifische Unterschiede im olfaktorisch gesteuerten Verhalten sollten in dieser Arbeit betrachtet werden. Die strukturellen Analysen konzentrierten sich dabei auf primäre (Antennalloben) und sekundäre (Pilzkörper-Calyces)olfaktorische Verarbeitungszentren im Gehirn von sich entwickelnden und adulten Tieren beider Kasten. Synchron verdeckelte Brutzellen beider Kasten wurden unter kontrollierten Bedingungen im Inkubator herangezogen. Neuroanatomische Untersuchungen wurden an fixierten Gewebeschnitten mittels einer Doppelfluoreszenzfärbung mit Fluor-Phalloidin und anti-Synapsin Immuncytochemie durchgeführt. Diese Doppelmarkierung ermöglichte die Visualisierung und Quantifizierung individueller Synapsenkomplexe (Microglomeruli) im Pilzkörper-Calyx. Phalloidin bindet an verschiedene F-Aktin Isoformen und kann zum Nachweis von F-Aktin im Insektennervensystem verwendet werden. F-Aktin wird während der Entwicklung in Wachstumskegeln und in adulten Gehirnen in präsynaptischen Endigungen und dendritischen Dornen exprimiert. Präsynaptische Elemente wurden durch den Einsatz eines spezifischen Antikörpers gegen das Drosophila-Vesikeltransportprotein Synapsin I charakterisiert. Mit Hilfe der konfokalen Laser-Scanning Mikroskopie wurde die exakte räumliche Zuordnung der Fluoreszenzsignale anhand optischer Schnitte durch die Präparate realisiert. Anhand dieser Methodik konnten erstmals über reine Volumenanalysen hinausgehende Messungen zur synaptischen Strukturplastizität im Pilzkörper-Calyx durchgeführt werden. Die Untersuchungen an Gehirnen in den verschiedenen Puppenstadien zeigten Unterschiede im Entwicklungsverlauf der Gehirne mit dem Fokus auf die Bildung antennaler Glomeruli und calycaler Microglomeruli. Unterschiede in der Gehirnentwicklung verdeutlichten die ontogenetische Plastizität des Gehirns der Honigbiene. Entsprechend der kürzeren Puppenphase der Königinnen bildeten sich sowohl antennale Glomeruli als auch alle Untereinheiten (Lippe, Collar, Basalring) des Calyx etwa drei Tage früher aus. Direkt nach dem Schlupf zeigten quantitative Analysen innerhalb der Pilzkörper-Calyces eine signifikant geringere Anzahl an Microglomeruli bei Königinnen. Diese neuronale Strukturplastizität auf verschiedenen Ebenen der olfaktorischen Informationsverarbeitung korreliert mit der kastenspezifischen Arbeitsteilung. Die Arbeit liefert Erkenntnisse über den Einfluss eines wichtigen kontrollierten Umweltparameters, der Bruttemperatur, während der Puppenphase auf die synaptische Organisation der adulten Pilzkörper-Calyces. Bereits geringe Unterschiede in der Aufzuchtstemperatur (1°C) beeinflussten signifikant die Anzahl von Microglomeruli in der Lippenregion des Calyx beider weiblicher Kasten. Die maximale Anzahl an MG entwickelte sich bei Arbeiterinnen bei 34.5°C, bei Königinnen aber bei 33.5°C. Neben dieser entwicklungsbedingten neuronalen Plastizität zeigt diese Studie eine starke altersbedingte Strukturplastizität der MG während der relativ langen Lebensdauer von Bienenköniginnen. Hervorzuheben ist, dass die Anzahl an MG in der olfaktorischen Lippenregion mit dem Alter anstieg (~55%), in der angrenzenden visuellen Collarregion jedoch abnahm (~33%). Die in der vorliegenden Arbeite erstmals gezeigte umweltbedingte Entwicklungsplastizität sowie altersbedingte synaptische Strukturplastizität in den sensorischen Eingangsregionen der Pilzkörper-Calyces könnte kasten- und altersspezifischen Anpassungen im Verhalten zugrunde liegen. N2 - Olfaction plays an important role in a variety of behaviors throughout the life of the European honeybee. Caste specific, environmentally induced and aging/experiencedependent differences in olfactory behavior represent a promising model to investigate mechanisms and consequences of phenotypic neuronal plasticity within the olfactory pathway of bees. This study focuses on the two different female phenotypes within the honeybee society, queens and workers. In this study, for the first time, structural plasticity in the honeybee brain was investigated at the synaptic level. Queens develop from fertilized eggs that are genetically not different from those that develop into workers. Adult queens are larger than workers, live much longer, and display different behaviors. Developmental trajectory is mainly determined by nutritional factors during the larval period. Within the subsequent post-capping period, brood incubation is precisely controlled, and pupae are incubated close to 35°C via thermoregulatory activity of adult workers. Behavioral studies suggest that lower rearing temperatures cause deficits in olfactory learning in adult bees. To unravel possible neuronal correlates for thermoregulatory and caste dependent influences on olfactory behavior, I examined structural plasticity of developing as well as mature olfactory synaptic neuropils. Brood cells were reared in incubators and pupal as well as adult brains were dissected for immunofluorescent staining. To label synaptic neuropils, I used an antibody to synapsin and fluophore-conjugated phalloidin which binds to filamentous (F-) actin. During development, neuronal F-actin is expressed in growing neurons, and in the mature nervous system, F-actin is most abundant in presynaptic terminals and dendritic spines. In the adult brains, this double labeling technique enables the quantification of distinct synaptic complexes microglomeruli [MG]) within olfactory and visual input regions of the mushroom bodies (MBs) prominent higher sensory integration centers. Analyses during larval-adult metamorphosis revealed that the ontogenetic plasticity in the female castes is reflected in the development of the brain. Distinct differences among the timing of the formation of primary and secondary olfactory neuropils were also revealed. These differences at different levels of the olfactory pathway in queens and workers correlate with differences in tasks performed by both female castes. In addition to caste specific differences, thermoregulation of sealed brood cells has important consequences on the synaptic organization within the MB calyces of adult workers and queens. Even small differences in rearing temperatures affected the number of MG in the olfactory calyx lip regions. In queens, the highest number of MG in the olfactory lip developed at 1°C below the temperature where the maximum of MG is found in workers (33.5 vs. 34.5°C). Apart from this developmental neuronal plasticity, this study exhibits a striking age-related plasticity of MG throughout the extended life span of queens. Interestingly, MG numbers in the olfactory lip increased with age, but decreased within the adjacent visual collar of the MB calyx. To conclude, developmental and adult plasticity of the synaptic circuitry in the sensory input regions of the MB calyx may underlie caste- and age-specific adaptations and long-term plasticity in behavior. KW - Biene KW - Neuroethologie KW - Geruchswahrnehmung KW - Gehirn KW - Ontogenie KW - Neuroethologie KW - Pilzkörper KW - Strukturplastizität KW - Mikroglomerulus KW - Honigbiene KW - soziale Insekten KW - neuroethology KW - mushroom body KW - structural plasticity KW - microglomerulus KW - honeybee KW - social insects Y1 - 2005 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-17388 ER - TY - THES A1 - Zavala Góngora, Ricardo T1 - Isolierung, Charakterisierung und Funktionsanalyse von TGF-Beta-Signaltransduktionskomponenten des Fuchsbandwurms Echinococcus multilocularis T1 - Structural and functional characterization of TGFß signaling systems in Echinococcus multilocularis N2 - Die molekularen Mechanismen der Wirt-Parasit-Interaktion bei der durch den Zestoden Echinococcus multilocularis ausgelösten Erkrankung der alveolären Echinokokkose sind bislang ungeklärt. Zudem liegen keine Daten über Entwicklungs- und Differenzierungsmechanismen dieses Parasiten vor, die für die Entwicklung neuer Antiparasitika genutzt werden könnten. Ein bei der Evolution der Metazoen bereits frühzeitig entstandener Signaltransduktionsmechanismus zur Steuerung von Entwicklungsvorgängen ist das TGFβ/BMP-System, das aus strukturell verwandten Zytokinen der TGFβ (transforming growth factor β) bzw. BMP (bone morphogenetic protein)-Familie, oberflächenständigen Rezeptoren der TGFβ-Rezeptorfamilie (Typ I und Typ II) und intrazellulären Signaltransduktoren der Smad-Familie besteht. Außer an Entwicklungsvorgängen tierischer Organismen könnte diesem System eine wichtige Rolle bei der Wirt-Helminth-Kommunikation während Infektionsprozessen zukommen, wie in vorherigen Studien am Nematoden Brugia malayi und am Trematoden Schistosoma mansoni gezeigt werden konnte. Erste, wichtige Schritte zur Charakterisierung von TGFβ und BMP-Signalsystemen in Zestoden wurden in der vorliegenden Arbeit getan. Aufbauend auf einem vorherigen Bericht zu einem Transmembranrezeptor (EmRSK1) und einem Smad-Homologen (EmSmadA) aus Echinococcus multilocularis wurde die Liste der TGFβ/BMP Signaltransduktionsfaktoren in E. multilocularis in dieser Arbeit deutlich erweitert und erstmals umfangreiche funktionelle Studien durchgeführt. Die hier charakterisierten Faktoren umfassen zwei weitere Serin/Threonin-Kinasen der TGFβ/BMP-Rezeptorfamilie (EmRSK2, EmRSK3) sowie intrazelluläre Transduktoren der R-Smad-Subfamilie (EmSmadB, EmSmadC) und ein Homologes zur MAP-kinase-kinase-kinase TAK1 (TGFβ activated kinase 1), genannt EmTAK1. Zudem konnte erstmals für einen parasitären Helminthen ein Zytokin der BMP-Subfamilie, EmBMP, auf molekularer Ebene charakterisiert werden. Strukturelle und funktionelle Untersuchungen legen nahe, dass E. multilocularis sowohl ein TGFβ wie auch ein BMP-Signalsystem exprimiert. Ersteres wird sehr wahrscheinlich durch die Kinase EmRSK2 und den Smad-Faktor EmSmadC gebildet, letzteres durch EmRSK1 und EmSmadB. EmSmadA nimmt eine Sonderstellung ein, da es sowohl durch TGFβ- wie auch durch BMP-Rezeptoren aktiviert werden kann. Die genaue Rolle von EmRSK1 und EmTAK1 wäre durch weitere Untersuchungen zu klären. Signifikante funktionelle Homologien zwischen den TGFβ/BMP-Signalsystemen des Parasiten und Säugern konnten nachgewiesen werden, die sich u.a. darin äußern, dass die Echinococcus Smad-Proteine durch entsprechende Rezeptoren des Menschen aktiviert werden können. Darüber hinaus konnten jedoch auch einige deutliche Unterschiede zwischen den Systemen aus Parasit und Wirt nachgewiesen werden, die sich als Angriffspunkte zur Entwicklung von Chemotherapeutika eignen könnten. So fehlt den Smad-Faktoren EmSmadA und EmSmadC eine MH1-Domäne, die sonst unter allen R-Smads hoch konserviert ist. Zudem sind einige bislang noch nie beschriebene, strukturelle Besonderheiten der Echinococcus TGFβ/BMP-Rezeptoren zu verzeichnen. Auch die Regulation dieser Faktoren und die Kreuz-Interaktion mit weiteren intrazellulären Signalwegen (z.B. der MAP Kinase Kaskade) scheint in E. multilocularis anders zu verlaufen als bislang für Vertebraten, Insekten oder Nematoden beschrieben. Schließlich konnte, als sehr wichtiger Befund, auch nachgewiesen werden dass mindestens ein Rezeptor des Parasiten, EmRSK1, mit einem Zytokin des Wirts (BMP2) in vitro funktionell interagiert. Da BMP2 in Zellkultursystemen, die das Wachstum des Parasiten am befallenen Wirtsorgan nachstellen, einen deutlichen Effekt auf E. multilocularis ausübt, könnte die hier beschriebene EmRSK1/BMP2 – Interaktion von entscheidender Bedeutung für die Wirt-Parasit-Interaktion bei der alveolären Echinokokkose sein. N2 - Up to now, the molecular mechanisms of the interactions between host and parasite in the disease of alveolar echinococcosis, caused by the cestode Echinococcus multilocularis, are not understood. Furthermore there are not data available about the mechanisms of development and differentiation in this parasite that could be used for the design of novel antiinfectives. One of the signaling systems which emerged very early in metazoan evolution and which presumably controls developmental processes in all animals is the TGFβ signal transduction system. This system consists of various factors: structurally related cytokines of the TGFβ (transforming growth factor β) and the BMP (bone morphogenetic protein) family, surface associated receptors of the TGFβ receptor family (type I and type II) and intracellular signal transduction factors of the Smad family. In addition to their crucial role in animal development, TGFβ/BMP systems could also play an important role in the communication between host and helminths during an infection, as has been shown previous studies on the nematode Brugia malayi and the trematode Schistosoma mansoni. In this study, the initial steps towards a characterization of TGFβ/BMP signaling in the third large group of parasitic helminths, the cestodes, have been made. Adding to a previous report on a transmembrane receptor (EmRSK1) and a Smad homologue (EmSmadA) from E. multilocularis, this work significantly extends the list of known TGFβ/BMP signaling factors from Echinococcus and provides, for the first time, functional studies on these systems. The newly characterized factors comprise two further serin/threonin kinases of the TGFβ/BMP receptor family (EmRSK2, EmRSK3), two further intracellular transducing factors belonging to the subfamiliy of R-smads (EmSmadB, EmSmadC) and one homologue of the MAP-kinase-kinase-kinase TAK1 (TGFβ activated kinase 1), which was designated EmTAK1. Furthermore, and for the first time in a parasitic helminth, a cytokine of the BMP subfamily was characterized on the molecular level. Structural and functional studies suggested that E. multilocularis expresses both a TGFβ and a BMP signaling system. The kinase EmRSK2 and the Smad factor EmSmadC are most probably components of the first, EmRSK1 and EmSmadB parts of the latter system. Surprisingly, EmSmadA seems to constitute an unusual Smad since it can be activated by both TGFβ and the BMP receptors upon expression in mammalian cells. The precise roles of EmRSK3 and EmTAK1 have to be determined in future studies. In the present work, significant structural and functional homologies between the TGFβ/BMP systems of E. multilocularis and its mammalian hosts have been detected. Upon expression in human cells, the Echinococcus Smad proteins were, for example, able to functionally interact with the corresponding receptors from Homo sapiens. On the other hand, the E. multilocularis TGFβ/BMP signaling factors also displayed several biochemical differences to those of the host, which could be exploited for the development of antiparasitic drugs. One of these differences is the lack of a usually conserved MH1 domain in EmSmadA and EmSmadC. Moreover, the Echinococcus TGFβ/BMP receptors display several structural features which have not yet been detected in other members of the protein superfamily. Likewise, the regulation of TGFβ/BMP pathways in Echinococcus as well as their cross-interaction with other signaling pathways (e.g. the MAP kinase cascade) seems to differ from the situation in vertebrates, insects and nematodes. Finally, this work also provides evidence that at least one host cytokine, BMP-2, can functionally interact with a receptor of the parasite, EmRSK1. This interaction could be highly relevant for host-parasite interaction mechanisms in alveolar echinococcosis since BMP-2 also exerts clear effects on Echinococcus growth and differentiation in an in vitro cultivation system that mimicks the situation at the affected organ during an infection. KW - Fuchsbandwurm KW - Ontogenie KW - Signaltransduktion KW - Echinococcus KW - TGFß KW - BMP KW - Smad KW - Zestode KW - Echinococcus KW - TGFß KW - BMP KW - Smad KW - cestode Y1 - 2005 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-17755 ER - TY - THES A1 - Haßel, Sylke T1 - Signal transduction via multiple BMP receptor complexes T1 - Signaltransduktion über verschiedene BMP Rezeptorkomplexe N2 - BMPs influence a variety of cellular processes. They have been shown to regulate proliferation, differentiation, migration and apoptosis and thus play central roles during developmental processes and tissue homeostasis. Ligand mediated signal transduction is transmitted via BMP type I and BMP type II receptors, both members of the serine/threonine kinase superfamily. The BMP receptor mediated signal transduction is not explored in detail. Therefore our aim was to address different aspects of BMP mediated signal transduction with main focus on BRII and its regulation. Due to the existence of two alternative splice variants, a long and a short form, the function of the two variants and the impact of the C-terminal extension are of general interest. Moreover, mutations in the BMPR2 gene were identified to be responsible for PPH, a autosomal dominant lung disease. In this thesis, BRII phosphorylation and signalling mediated by different receptor oligomers were investigated and multiple BRII associated proteins were identified. We could show that the oligomerization pattern of BMP receptors exhibits a higher degree of flexibility compared to other receptors of that superfamily. In the present work the BMP2 mediated signal transduction should be examined, depending on the receptor oligomerization pattern. Using kinase-deficient mutants, it could be demonstrated, that signalling via preformed BMP receptor complexes is mediated by the well characterized Smad1/5/8 pathway, whereas signalling initiated by BMP2 induced recruitment of the receptors activates the p38 pathway and leads to Alkaline Phosphatase production. To further study signalling events triggered directly from the BRII a proteomics-based screen for BRII associated proteins was performed. 53 associated proteins were found, the majority being signal transducing molecules, but in addition metabolic proteins, transcriptional regulators and others were identified. These proteins enable to gain a deeper insight in BMP mediated signalling. One of the interactors, the receptor tyrosine kinase c-kit, was characterized in more detail. It could be demonstrated, that BRII and c-kit form a complex in vitro and in vivo, and the interaction is enhanced upon BMP2 stimulation. 2D phosphopeptid mapping showed that BRII is phosphorylated at S757 upon activation of c-kit by SCF. Moreover, c-kit and its ligand SCF are modulating BMP2 pathways, by enhancing Smad1/5 phosphorylation, Smad-transcriptional activity, Alkaline Phosphatase production and expression of Cbfa1. All these pathways hint towards modulation of the osteoblast development via c-kit. Thus, we were able to develop a novel paradigm for the BMP2 meditated signalling. One of the initial triggers for BRII is the auto-phosphorylation of BRII. Here we analyze ligand-independent as well as ligand-dependent phosphorylation of BRII. Some phosphorylation sites in BRII were identified. The general phosphorylation occurs mostly on serines. S815, S818 and Y825 are identified targets of phosphorylation whose function is still unclear. However phosphorylation of S336 is demonstrated to be essential for BRII activation. The elucidation of BMP receptor phosphorylation and oligomerization as well as the impact of a number of BRII associated proteins (such as c-kit), demonstrated in this thesis that BMP signalling has to be regulated precisely on multiple levels. This can be useful for the development of selective signalling inhibitors for basic research and therapeutic approaches of PPH and other diseases. N2 - BMPs regulieren eine Vielzahl zellulärer Prozesse, unter anderem Zellwachstum, Zelldifferenzierung, Bewegung und Zelltod. Dies macht sie zu einem bedeutenden Faktor während zahlreicher Entwicklungsvorgänge und im adulten Organismus. BMP-Signale werden über BMP Typ I und Typ II Rezeptoren weitergeleitet, die beide Serin/Threonin Kinase Rezeptoren sind. Während der Typ I Rezeptor Signale zu den Smad-Proteinen weiterleitet, fungiert der Typ II Rezeptor seinerseits als Aktivator des Typ I Rezeptors und ist somit für die Signalweiterleitung essentiell. Alternative Signalwege sind nicht sehr gut untersucht. Deswegen war es unser Ziel verschiedene Aspekte der BMP vermittelten Signaltransduktion, mit Schwerpunkt BRII, zu untersuchen. Der BRII ist interessant, da er in zwei alternativen Spleißvarianten vorliegt, einer langen und einer kurzen Form, die sich intrazellulär um mehr als 500 Aminosäuren unterscheiden und deren Unterschiede hinsichtlich Signalweiterleitung noch nicht erforscht sind. Darüber hinaus führen Mutationen im BMPR2 Gen zu einen Gefäßerkrankung der Lunge, PPH. In dieser Arbeit wurden die BRII Phosphorylierung und Signalweiterleitung, initiiert von unterschiedlichen BMP Rezeptorkomplexen, untersucht. Hierbei wurde eine Vielzahl von BRII assoziierten Proteine identifiziert und hinsichtlich ihres Einflusses auf BMP Signalweiterleitung charakterisiert.. Unser Labor konnte zeigen, daß das Oligomerisierungsmuster der BMP Rezeptoren weitaus flexibler als das der verwandten TGF-β Rezeptoren ist. Aus diesem Grund wurde die Siganltransduktion der BMP Rezeptoren im Hinblick auf die Komplexbildung untersucht. Mit Hilfe Kinase-defekter Mutanten konnte gezeigt werden, dass präformierte Rezeptorkomplexe den Smad-Signalweg benutzen, wohingegen liganden-induzierte Komplexe ihre Signale über den p38-Weg weiterleiten, welcher die Produktion von Alkalischer Phosphatase steuert. Um darüber hinaus Signalwege ausgehend vom BRII zu untersuchen und mehr über Smad-unabhängige Signalwege zu erfahren, wurde ein Proteomics-basierter Screen nach BMP Typ II Rezeptor interagierenden Proteinen durchgeführt. Unter den 53 Rezeptor-assoziierten Proteinen befanden sich viele Signaltransduktionsmoleküle, aber auch metabolische Proteine, Proteine, die an der Regulation der Transkription beteiligt sind und andere. Mit Hilfe dieser Proteine kann ein Einblick in die Vielfalt der BMP Rezeptor vermittelten Signaltransduktion gewonnen werden. Der Tyrosinkinase Rezeptor c-kit ist eines der assoziierten Proteine. Es konnte gezeigt werden, dass die Interaktion durch BMP2 Zugabe in vivo verstärkt wurde. Phosphorylierung an Serin 757 des BRII, vermittelt von aktiviertem c-kit und SCF, konnte mittels 2-dimensionalem Phosphopeptidmapping gezeigt werden. Außerdem beeinflusst der SCF/c-kit Signalweg auch bereits beschriebene BMP Signalwege. So konnten synergistische Effekte beider Liganden auf dem Smad1/5 Weg, bei der Produktion der Alkalischen Phosphatase und bei der Transkription von Cbfa1 beobachtet werden, alles Wege, die die Entwicklung von Osteoblasten steuern. So konnte mit dem Einfluß von c-kit auf BMP2 vermittelte Osteoblastenetwicklung ein neuer Faktor bei BMP gesteuerter Entwicklung aufgedeckt werden. Einer der initialen Trigger bei der BMP Signaltransuktion ist die Aktivierung des BMP Typ II Rezeptors durch Phosphorylierung. Es wurde Liganden-unabhängige wie Liganden-abhängige Phosphorylierung des BRII untersucht und die jeweiligen Phosphorylierungssites identifiziert. Hauptsächlich findet die Phosphorylierung an Serinen statt. So wurden S815 und S818, aber auch Y825 als Target-sites identifiziert. Im Gegensatz zu der Phosphorylierung von S815, S818 und Y825, deren Funktion noch unklar ist, konnte gezeigt werden, daß Phosphorylierung von S336 essentiell für die Rezeptoraktivierung ist. Die Erforschung der BMP-Rezeptor Phosphorylierung, Oligomerisierung und Rezeptor-assoziierter Proteine (wie c-kit), wie in dieser Arbeit vorgestellt, zeigt, dass BMP vermittelte Signaltransduktion präzise auf mehreren Ebenen reguliert werden muß. Die hier erstmalig beschriebenen Wege der Regulation der BMP Signaltransduktion tragen sowohl zu einem besseren Verständnis molekularer Zusammenhänge bei, als auch zu der Entwicklung selektiver Inhibitoren und therapeutischer Ansätze zur Behandlung der PPH und anderer Krankheiten. KW - Knochen-Morphogenese-Proteine KW - Signaltransduktion KW - BMP KW - Signaltransduktion KW - Smad KW - p38 KW - proteomics KW - BMP KW - signalling KW - Smad KW - p38 KW - proteomics Y1 - 2005 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-13353 ER - TY - THES A1 - Hünten, Peter T1 - Channel-forming proteins in the cell wall of amino acid-producing Corynebacteria T1 - Kanalbildende Proteine in der Zellwand Aminosäure-produzierender Corynebakterien N2 - Corynebacterium glutamicum is together with C. callunae and C. efficiens a member of the diverse group of mycolic-acid containing actinomycetes, the mycolata. These bacteria are potent producer of glutamate, lysine and other amino acids on industrial scale. The cell walls of most actinomycetes contain besides an arabinogalactan-peptidoglycan complex large amounts of mycolic acids. This three-layer envelope is called MAP (mycolyl-arabinogalactan-peptidoglycan) complex and it represents a second permeability barrier beside the cytoplasmic membrane similar to the outer membrane of Gram-negative bacteria. In analogy to the situation in the outer membrane of Gram-negative bacteria, channels are present in the mycolic acid layer of the mycobacterial cell wall for the passage of hydrophilic solutes. Molecular studies have provided far-reaching findings on the amino acid flux and its balance in C. glutamicum in general, but the L-glutamate export still remains unknown. The properties of the outer layers, typical of mycolata, seem to be of major importance in this process, and diffusion seems to play a key role for this part of the cell wall. The major aim of this thesis was to identify and study novel channel-forming proteins of the amino acid producers C. glutamicum, C. callunae and C. efficiens. Cell wall extracts of the organisms were investigated and a novel pore-forming protein, named PorH, that is homologue in all three organisms, was detected and characterized. PorHC.glut was isolated from C. glutamicum cells cultivated in minimal medium. The protein was identified in lipid bilayer experiments and purified to homogeneity by fast-protein liquid chromatography across a HiTrap-Q column. The purified protein forms cation-selective channels with a diameter of about 2.2 nm and an average single-channel conductance of about 2.5 nS in 1 M KCl in the lipid bilayer assay. Organic solvent extracts were used to study the permeability properties of the cell wall of C. callunae and C.efficiens. The cell extracts contained channel-forming activity, the corresponding proteins were purified to homogeneity by fast-protein liquid chromatography across a HiTrap-Q column and named PorHC.call and PorHC.eff. Channels formed by PorHC.call are cation-selective with a diameter of about 2.2 nm and an average single-channel conductance of 3 nS, whereas PorHC.eff forms slightly anion selective channels with an average single-channel conductance of 2.3 nS in 1 M KCl in the lipid bilayer assay. The PorH proteins were partially sequenced and the corresponding genes, which were designated as porH, were identified in the published genome sequence of C. glutamicum and C. efficiens. The chromosome of C. callunae is not sequenced, but PorHC.call shows a high homology to PorHC.eff and PorHC.glut. The proteins have no N-terminal extension, only the inducer methionine, which suggests that secretion of the proteins could be very similar to that of PorAC.glut of C. glutamicum. PorHC.glut is coded in the bacterial chromosome by a gene that is localized in the vincinity of the porAC.glut gene, within a putative operon formed by 13 genes that are encoded by the minus strand. Both porins are cotranscribed and coexist in the cell wall, which was demonstrated in RT-PCR and immunological detection experiments. The arrangement of porHC.glut and porAC.glut on the chromosome is similar to that of porBC.glut and porCC.glut and it was found that PorAC.glut, PorHC.glut, PorBC.glut and PorCC.glut coexist in the cell wall of C. glutamicum. The molecular mass of about 6 kDa of the PorH channel forming proteins is rather small and suggests that the cell wall channels are formed by oligomers. A possibly hexameric form was demonstrated for PorHC.glut in Western blot analysis with anti- PorHC.glut antibodies. Secondary structure predictions for PorHC.glut, PorHC.call and PorHC.eff predict that a stretch of about 42 amino acids of PorHC.glut and 28 amino acids of PorHC.call and PorHC.eff forms amphipathic -helices with a total length of 6.3 nm and 4.2 nm respectively. This should be sufficient to cross the mycolic acid layer. Another objective of this work was to establish an heterologous expression system for corynebacterial channel-forming proteins, to investigate the channel-forming properties of the up to now only hypothetical porins PorA, PorB, PorC from C. efficiens and PorC from C. glutamicum. We could demonstrate with recombinant expression experiments in E. coli that porBC.eff and porCC.eff encode for channel-forming proteins. They are, like PorBC.glut, anion-selective with a similar single-channel conductance of 1 nS in 1 M KCl. N2 - C. glutamicum gehört zusammen mit C. efficiens und C. callunae zu den bedeutensten Aminosäureproduzenten weltweit. Sie sind Mitglieder der heterogenen Gruppe der mykolsäurehaltigen Aktinomyceten, den Mycolaten. Die Zellwände der meisten Aktinomyceten weisen neben einem Arabinogalactan-Peptidoglycankomplex große Mengen an Mycolsäuren auf. Diese MAP(Mycolyl-Arabinogalactan-Peptidoglycan) genannte dreischichtige Hülle stellt neben der Cytoplasmamembran eine zweite Permeabilitätsbarriere dar, und übernimmt somit die gleiche Funktion wie die äußere Membran der Gram-negativen Bakterien was zur Folge hat, dass für den Transport von hydrophilen Stoffen kanalbildende Proteine benötigt werden. Analog zur Situation in Gram-negativen Bakterien sind in der Mykolsäureschicht von C. efficiens, C. callunae und C. glutamicum porenbildende Transmembranproteine vorhanden. Es ist bisher vieles bekannt über den Aminosäurefluss über die Cytoplasmamembran und dessen Regulation in C. glutamicum, aber der Export von L-Glutamat ist noch ungeklärt. Die besondere Beschaffenheit der äußeren Membran von Mycolaten scheint in diesem Zusammenhang eine wichtige Rolle zu spielen, da man annimmt, dass die Diffusion im Bezug auf den Transport über die Mycolsäureschicht eine Schlüsselrolle einnimmt. Das Ziel dieser Arbeit war es neue porenbildende Proteine der Aminosäureproduzenten C. glutamicum, C. efficiens und C. callunae zu identifizieren und zu charakterisieren. Bei Untersuchungen von Zellwandextrakten wurde ein neuer, in allen drei Organismen homologer, Zellwandkanal, PorH, gefunden und charakterisiert. PorHC.glut wurde aus in Minimalmedium kultivierten C. glutamicum Zellen isoliert. Das Protein wurde in Lipid-Bilayer Experimenten gefunden und mit Hilfe der Ionenaustauscher-chromotographie über eine HiTrap-Q Säule aufgereinigt. PorHC.glut bildet in Black-Lipid Bilayer Experimenten kationenselektive Kanäle mit einem Durchmesser von 2,2 nm und hat eine Einzelkanalleitfähigkeit von 2,5 nS in 1 M KCl. Aus organischen Zellwandextrakten von C. callunae und C. efficiens wurden PorHC.call und PorHC.eff isoliert. PorHC.call bildet einen kationenselektiven Kanal mit einem Durchmesser von 2,2 nm und einer Einzel-kanalleitfähigkeit von 3 nS, PorHC.eff hingegen bildet einen leicht anionenselektiven Kanal mit einer Leitfähigkeit von 2,3 nS in 1 M KCl. Über die Sequenzierung der PorH Proteine wurden die entsprechenden porH Gene im Genom von C. glutamicum und C. efficiens identifiziert. Das Genom von C. callunae ist nicht bekannt, jedoch weisen die PorH Proteinsequenzen eine hohe Homologie untereinander auf. Es ist keine Signalsequenz vorhanden, so dass man annimmt, dass der Export über die Plasmamembran ähnlich funktioniert wie bei PorAC.glut aus C. glutamicum. Das Gen porHC.glut aus C. glutamicum befindet sich in unmittelbarer Nähe zu porAC.glut in einem möglichen Cluster das aus 13 Genen besteht. In RT-RCR Experimenten und immunologischen Reaktionen mit polyklonalen Antikörpern konnte gezeigt werden, dass die Gene porAC.glut und porHC.glut zusammen transkribiert werden und die Porine in der Zellwand coexistieren. Die Anordnung von porAC.glut und porHC.glut im Genom von C. glutamicum ist ähnlich der von porBC.glut und porCC.glut, und es konnte gezeigt werden, dass die vier Porine in der Zellwand gleichzeitig vorhanden sind. Das Molekulargewicht von PorH ist mit 6 kDa sehr klein für Kanalproteine und man nimmt an, dass die Kanäle von Oligomeren gebildet werden. In Western Blots wurde eine mögliche hexamere Form von PorHC.glut nachgewiesen. Sekundärstrukturvorhersagen für PorH sagen aus, dass 42 Aminosäuren von PorHC.glut und 28 von PorHC.eff und PorHC.call amphiphatische α-Helices mit einer Länge von 6,3 nm, bzw. 4,2 nm ausbilden. Diese Länge würde ausreichen, um die Mykolsäureschicht zu durchspannen. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war es, ein heterologes Expressionssystem für corynebakterielle Kanalproteine zu erstellen, um die kanalbildenden Eigenschaften von bisher nur hypothetischen Porinen wie PorAC.eff, PorBC.eff und PorCC.eff von C. efficiens, oder PorCC.glut von C. glutamicum zu bestimmen. In rekombinanten Expressions-Experimenten in E. coli konnte gezeigt werden, dass die Gene porBC.eff und porCC.eff für Proteine mit kanalbildender Aktivität kodieren. Die Kanäle sind anionenselekitv, mit einer Einzelkanalleitfähigkeit von 1 nS in 1 M KCl, vergleichbar mit den Eigenschaften von PorBC.glut aus C. glutamicum. KW - Corynebacterium callunae KW - Zellwand KW - Kanalbildner KW - Corynebacterium efficiens KW - Corynebacterium glutamicum KW - Zellwandkanäle KW - Mykolsäuren KW - Lipid Bilayer Membran KW - C. glutamicum KW - C. efficiens KW - C. callunae KW - Cell wall channel KW - Mycolic acid KW - Porin KW - Lipid bilayer membrane KW - C. glutamicum KW - C. efficiens KW - C. callunae Y1 - 2005 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-13890 ER - TY - THES A1 - Berkane, Emir T1 - Etude de l'interaction entre GpJ, une protéine du bactériophage Lambda, et LamB, une protéine de la membrane externe des bactéries gram-négatives T1 - Interaktion zwischen dem Protein GPJ des Bakteriophagen Lambda und LamB, einem Protein aus der externen Membran von gram-negativen Bakterien N2 - La fixation du bactériophage Lambda sur son récepteur cellulaire, LamB, est dûe à une protéine de sa queue appelée GpJ. Le but des travaux est d’étudier l’intéraction entre le bactériophage Lambda et LamB à travers l’étude du complexe entre LamB et GpJ exprimée en protéine de fusion. Pour ce faire, deux protéines de fusion sont utilisées : MBP-gpJ et HisgpJ. MBP-gpJ est une protéine de fusion entre la Maltose Binding Protéine et l’extrêmité Cterminale de la protéine GpJ (résidu 684 à 1132), grâcieusement fournie par le Pr. Charbit (Paris, France). Grâce à la Technique du Film Noir (BLM), il a été permis d’observer que MBP-gpJ, après expression dans E.coli et purification, intéragit grâce au fragment de GpJ avec l’extrêmité extracellulaire de LamB. Cette intéraction se traduit par un blocage complet et réversible des canaux de LamB sauvage, mais également de mutants: LamB de Shigella sonnei, LamB Y118G et LamB D4+D6+D9v. Afin d’obtenir des informations sur la liaison de LamB avec uniquement le fragment de GpJ sans la partie MBP, une autre protéine de fusion a été réalisée: His-GpJ. His-gpJ représente l’extrêmité C-terminale de GpJ (684-1132) en fusion avec un 6×Histidine-tag. Cette protéine est exprimée sous forme de corps d’inclusion dans E.coli. Après purification et renaturation, une protéine de nouveau soluble peut être obtenue. Lors d’expériences de Film Noir, His-gpJ intéragit certes avec LamB, mais n’induit pas le blocage des canaux comme précedemment observé après ajout de MBP-gpJ. En parallèle, la formation d’un complexe entre His-gpJ et LamB sauvage, ainsi que de mutants a pu être confirmée au travers de travaux de SDS-PAGE et d’immunodétection par la présence de bandes de masse moléculaire élevée. L’utilisation de mutants de LamB a par ailleurs permis d’essayer d’identifier la partie de LamB impliquée dans l’interaction avec le fragment C-terminal de GpJ, qui se révèle être différente de celle de GpJ dans la queue du bactériophage Lambda. Mots clés: bactériophage Lambda, gpJ, LamB, technique du film noir (BLM), immunodétection. N2 - The bacteriophage Lambda is a virus which infects bacteria carrying LamB protein in their outer membrane. GpJ, a protein of the tail of the phage, is involved in the binding to LamB. The study of the interaction between GpJ expressed as fusion protein and LamB was performed in order to investigate the interaction between the bacteriophage Lambda and LamB. The fusion proteins are called MBP-gpJ and His-gpJ. MBP-gpJ is a chimeric protein representing Maltose Binding Protein connected to the Cterminal part of the GpJ protein (residue 684 until 1132), graciously given by Pr. Charbit (Paris, France). MBP-gpJ, expressed in E.coli and purified, bound to the exoplasmic side of LamB and LamB variants in planar lipid bilayer experiments and allowed a complete and reversible blockage of LamB channels. In order to obtain data about the binding of the GpJ fragment alone to LamB, an other fusion protein without MBP was created, called His-gpJ. His-gpJ is the C-terminal part of GpJ (684-1132) in fusion with a 6×Histidine-tag, produced as insoluble form in E.coli. After renaturation, a soluble protein can be obtained. Without MBP, the GpJ fragment still bound to LamB in planar lipid bilayer experiments, but did not block significantly its channels, as previously observed after addition of MBP-gpJ. The interaction between His-gpJ and LamB or LamB mutants was also demonstrated on SDSPAGE and immunodetection by the presence of high molecular mass bands. Furthermore, the use of variants of lamB allowed to demonstrate that the C-terminal fragment of GpJ does not bind to the same area on the surface of LamB than GpJ involved in the tail of the Lambda phage. KW - Bakteriophage Lambda KW - Molekularbiologie KW - GPJ KW - Phage Lamda KW - LampB KW - gram-negative Bakterien KW - GPJ KW - Phage Lamda KW - LamB KW - gram-negative Bacteria Y1 - 2005 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-12889 ER - TY - THES A1 - Bertram, Helge T1 - Bioinformatische Identifikation von Domänenunterschieden bei Parasit und Wirt am Beispiel der Malaria T1 - Bioinformatic identification of domain differences in parasite and host using malaria as an example N2 - Diese Arbeit untersucht zelluläre Netzwerke mit dem Ziel, die so gewonnenen Einsichten medizinisch beziehungsweise biotechnologisch zu nutzen. Hierzu müssen zunächst Proteindomänen und wichtige regulatorische RNA Elemente erkannt werden. Dies geschieht für regulatorische Elemente in Nukleinsäuren am Beispiel von Iron Responsive Elements (IREs) in Staphylococcus aureus, wobei sich solche Elemente in viel versprechender Nähe zu exprimierten Sequenzen finden lassen (T. Dandekar, F. Du, H. Bertram (2001) Nonlinear Analysis 47(1): 225-34). Noch bedeutsamer als Ziele zur Medikamentenentwicklung gegen Parasiten sind Domänenunterschiede in Struktur und Sequenz bei Proteinen (T. Dandekar, F. Du, H. Bertram (2001) Nonlinear Analysis 47(1): 225-34). Ihre Identifikation wird am Beispiel eines potentiellen Transportproteins in Plasmodium falciparum exemplarisch dargestellt. Anschließend wird das Zusammenwirken von regulatorischen Elementen und Domänen in Netzwerken betrachtet (einschließlich experimenteller Daten). Dies kann einerseits zu allgemeineren Schlussfolgerungen über das Netzwerkverhalten führen, andererseits für konkrete Anwendungen genutzt werden. Als Beispiel wählten wir hier Redoxnetzwerke und die Bekämpfung von Plasmodien als Verursacher der Malaria. Da das gesamte Redoxnetzwerk einer lebenden Zelle mit Methoden der pH Wert Messung nur unzureichend zu erfassen ist, werden als alternative Messmethode für dieses Netzwerk Mikrokristalle der Glutathionreduktase als Indikatorsystem nach digitaler Verstärkung experimentell genutzt (H. Bertram, M. A. Keese, C. Boulin, R. H. Schirmer, R. Pepperkok, T. Dandekar (2002) Chemical Nanotechnology Talks III - Nano for Life Sciences). Um komplexe Redoxnetzwerke auch bioinformatisch zu modulieren, werden Verfahren der metabolischen Fluxanalyse vorgestellt und verbessert, um insbesondere ihrer Verzahnung besser gerecht zu werden und solche Netzwerke mit möglichst wenig elementaren Flussmoden zutreffend beschreiben zu können. Die Reduktion der Anzahl von Elementarmoden bei sehr großen metabolischen Netzwerken einer Zelle gelingt hier mit Hilfe unterschiedlicher Methoden und führt zu einer vereinfachten Darstellungsmöglichkeit komplexer Stoffwechselwege von Metaboliten. Dabei dient bei jeder dieser Methoden die biochemisch sinnvolle Definition von externen Metaboliten als Grundlage (T. Dandekar, F. Moldenhauer, S. Bulik, H. Bertram, S. Schuster (2003) Biosystems 70(3): 255-70). Allgemeiner werden Verfahren der Proteindomänenklassifikation sowie neue Strategien gegen mikrobielle Erreger betrachtet. In Bezug auf automatisierte Einteilung von Proteinen in Domänen wird ein neues System von Taylor (2002b) mit bekannten Systemen verglichen, die in unterschiedlichem Umfang menschlichen Eingriffs bedürfen (H. Bertram, T. Dandekar (2002) Chemtracts 15: 735-9). Außerdem wurde neben einer Arbeit über die verschiedenen Methoden aus den Daten eines Genoms Informationen über das metabolische Netzwerk der Zelle zu erlangen (H. Bertram, T. Dandekar (2004) it 46(1): 5-11) auch eine Übersicht über die Schwerpunkte der Bioinformatik in Würzburg zusammengestellt (H. Bertram, S. Balthasar, T. Dandekar (2003) Bioforum 1-2: 26-7). Schließlich wird beschrieben, wie die Pathogenomik und Virulenz von Bakterien der bioinformatischen Analyse zugänglich gemacht werden können (H. Bertram, S. Balthasar, T. Dandekar (2003) Bioforum Eur. 3: 157-9). Im letzten Teil wird die metabolische Fluxanalyse zur Identifikation neuer Strategien zur Bekämpfung von Plasmodien dargestellt: Beim Vergleich der Stoffwechselwege mit Glutathion und Thioredoxin in Plasmodium falciparum, Anopheles und Mensch geht es darum, gezielte Störungen im Stoffwechsel des Malariaerregers auszulösen und dabei den Wirt zu schonen. Es ergeben sich einige interessante Ansatzpunkte, deren medizinische Nutzung experimentell angestrebt werden kann. N2 - The objective of this thesis is to obtain information, which may be advantageous for biotechnical and medical purposes. In order to achieve this aim it is first necessary to identify protein domains and essential regulatory RNA elements. In case of regulatory RNA elements this is accomplished by investigating Iron Responsive Elements (IREs) in Staphylocuccus aureus as a model. In this case these elements are found in much promising vicinity to open reading frames coding for proteins (T. Dandekar, F. Du, H. Bertram (2001) Nonlinear Analysis 47(1): 225-34). Even more significant for the purpose of developing pharmaceuticals against parasites are differences of structure and sequence in protein domains (T. Dandekar, F. Du, H. Bertram (2001) Nonlinear Analysis 47(1): 225-34). Their identification is shown in a potential transport protein in Plasmodium falciparum. Subsequently the interaction of regulatory elements and domains in networks is considered (including experimental data). The resulting observations may lead to general conclusions concerning network reaction, as well as specific applications. Our example and field of interest are redox networks and Plasmodia causing malaria. It is not possible to cover the redox network state of a living cell using only pH measurements. Therefore small crystals of glutathione reductase are employed as a more suitable indicator, whose signal is digitally amplified (H. Bertram, M. A. Keese, C. Boulin, R. H. Schirmer, R. Pepperkok, T. Dandekar (2002) Chemical Nanotechnology Talks III - Nano for Life Sciences). In order to bioinformatically modulate complex redox networks techniques of metabolic flux analysis are presented. They are also improved particularly to advance the understanding of interdependences and to facilitate the correct comprehension of such networks with as few elementary flux modes as possible. In this thesis the reduction of the number of elementary modes of large and intertwined metabolic networks succeeds with various methods. This leads to a simpler model of complex metabolic functions. For each of the methods used in this process the biochemically justified definition of external and internal metabolites constitutes the basis (T. Dandekar, F. Moldenhauer, S. Bulik, H. Bertram, S. Schuster (2003) Biosystems 70(3): 255-70). In a more general sense methods of protein domain classification and new strategies for the control of microbial pathogens are considered. In reference to automated classification of protein domains a new system by Taylor (2002b) is compared with traditional systems, which require a varying degree of human intervention (H. Bertram, T. Dandekar (2002) Chemtracts 15: 735-9). In addition different methods of acquiring information on the cellular metabolic network from genomic data is discussed (H. Bertram, T. Dandekar (2004) it 46(1): 5-11). Furthermore a survey of the main fields of bioinformatic research in Würzburg is given (H. Bertram, S. Balthasar, T. Dandekar (2003) Bioforum 1-2: 26-7). Finally it is outlined how pathogenicity and virulence of bacteria may be made accessible to bioinformatic analysis (H. Bertram, S. Balthasar, T. Dandekar (2003) Bioforum Eur. 3: 157-9). In the conclusion metabolic flux analysis is used for the identification of new strategies in the battle against Plasmodia: The comparison of metabolic pathways with glutathione and thioredoxin in Plasmodium falciparum, Anopheles and man aims at raising planned dysfunctions in the metabolism of Plasmodium or Anopheles without harming the human host. Valuable suggestions for medical applications and pharmacological targets are obtained. KW - Plasmodium falciparum KW - Domäne KW - Klassifikation KW - Bioinformatik KW - Redoxsystem KW - Glutathion-Reductase KW - Malariamücke KW - Mensch KW - Stoffwechselweg KW - Malaria KW - metabolische Fluxanalyse KW - Glutathionreduktase KW - Iron Responsive Elements KW - Proteindomänenklassifikation KW - malaria KW - metabolic fluxanalysis KW - glutathione reductase KW - iron responsive elements KW - classification of protein domains Y1 - 2005 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-17188 ER - TY - THES A1 - Schmitt, Thomas T1 - Communication in the hymenoptera : chemistry, ecology and evolution T1 - Kommunikation bei Hymenopteren - Chemie, Ökologie und Evolution N2 - Insects exhibit complex systems of communication with chemical signalling being the most important mode. Although there are many studies on chemical communication in insects, the evolution of chemical signals is not well understood. Due to the conflict of interests between individuals, different selective pressures might act on sender and receiver. In this thesis I investigate different types of communication where either the sender, the receiver or both parties yield benefits. These studies were conducted with one digger wasp species, honeybees, one chrysidid wasp, and three ant species. Senders might benefit by exploiting existing preferences of receivers. Such sensory exploitation might influence the evolution of male signals that are designed to attract females. The sex pheromone of male European beewolves Philanthus triangulum (Hymenoptera, Crabronidae) might have evolved according to the sensory exploitation hypothesis. A three-step scenario is supported by our studies. First, a major component of the honeybee alarm pheromone, (Z)-11-eicosen-1-ol, is also found on the cuticles and in the air surrounding foraging honeybees. Second, it could be shown, that (Z)-11- eicosen-1-ol plays a crucial role as kairomone for prey identification of honeybees by beewolf females. Third, a reanalysis of the beewolf male sex pheromone shows a remarkable similarity of compounds between the pheromone and the honeybee cuticle, besides the co-occurrence of (Z)-11-eisosen-ol. The majority of the cuticular hydrocarbons of honeybees occur also in the headspace of foraging workers. These results strongly support the hypothesis that beewolf males evolved a pheromone that exploits the females’ pre-existing sensory sensitivity. In addition, the male sex pheromone shows a significantly higher similarity among brothers than among non-related individuals, which might enable beewolf females to discriminate against brothers and avoid detrimental effects of breeding. Together with the studies on the possible sensory exploitation this result shows that both, male and female beewolves probably gain more benefits than costs from the pheromone communication and, thus, the communication system as a whole can be regarded as cooperative. To maintain the reproductive division of labour in eusocial colonies, queens have to signal their presence and fecundity. In the ant Camponotus floridanus (Hymenoptera, Formicidae) queens mark their own eggs with a distinctive pattern of cuticular hydrocarbons. Two different hypotheses have been developed. One suggests a form of worker manipulation by the queen. The alternative hypothesis assumes a cooperative signal that provides information on the condition of the queen. The results of our investigation clearly favour the latter hypothesis. Chemical mimicry is a form of non-cooperative communication that benefits predominantly the sender. We provided conclusive evidence that the cockoo wasp, Hedychrum rutilans (Hymenoptera, Chrysididae), the primary brood parasitoid of Philanthus triangulum, evades recognition by beewolf females most probably by chemical mimicry of the odour of its host. Furthermore, the adaptation of the chemical signature in the social ant parasite Protomognathus americanus (Hymenoptera, Formicidae) to its Leptothorax (Hymenoptera, Formicidae) hosts was investigated. Although this parasite is principally adapted to its hosts’ cuticular hydrocarbon profile, there are still pronounced differences between the profiles of parasites and hosts. This might be explained by the trade-off, which the parasites faces when confronted locally with two host species with different cuticular hydrocarbon profiles. Non-cooperative communication in the sense that only receivers benefit was discovered in the exploitation of honeybees volatile cuticular hydrocarbons by beewolf females. By using emitted (Z)-11-eicosen-1-ol as a kairomone, the receiver, the beewolf female, yields the benefits and the sender, the honeybee prey, bears all the costs. The results of these studies contribute to the understanding of the evolution of cooperative and non-cooperative communication with chemical signals taking into account differential benefits for sender and/or receiver. N2 - Insekten weisen ein komplexes System der Kommunikation auf, wobei chemische Signale die wichtigste Rolle spielen. Obwohl viele Studien über chemische Kommunikation an Insekten durchgeführt wurden, ist die Evolution von chemischen Signalen nicht gut verstanden. Aufgrund von Interessenkonflikten wirken unterschiedliche Selektionsdrücke auf Sender und Empfänger. In dieser Dissertation untersuchte ich verschiedene Typen von Kommunikation, bei denen entweder der Sender, der Empfänger oder beide von der Kommunikation profitieren. Als Modellorganismen wurden eine Grabwespenart (Crabronidae), Honigbienen (Apidae), eine Goldwespenart (Chrysididae) und drei Ameisenarten (Formicidae) studiert. Sender können von der Ausnutzung existierender Präferenzen der Empfänger profitieren. Eine solche Ausnutzung kann die Evolution von Männchensignalen beeinflussen, die entwickelt wurden, um Weibchen anzulocken. Solch eine „sensory exploitation“ könnte die Evolution des Sexualpheromons von Männchen des Europäischen Bienenwolfs Philanthus triangulum (Hymenoptera, Crabronidae) beeinflußt haben. Unsere Studien unterstützen das folgende Drei-Stufen-Szenario: Erstens, eine Hauptkomponente aus dem Honigbienenalarmpheromon, das (Z)-11- Eicosen-1-ol, wurde auf der Kutikula und in der Umgebungsluft furagierender Honigbienen nachgewiesen. Zweitens konnte gezeigt werden, daß (Z)-11-Eicosen-1-ol eine wichtige Rolle als Kairomon bei der Identifizierung der Honigbiene als Beute durch Bienenwolfweibchen spielt. Schließlich zeigte eine detaillierte chemische Analyse des Bienenwolfmännchenpheromons, daß außer dem Auftreten von (Z)-11- Eicosen-1-ol weitere bemerkenswerte Übereinstimmungen zwischen dem Pheromon und der Honigbienenkutikula auftreten. Die meisten der kutikulären Substanzen der Honigbiene finden sich auch in der Umgebungsluft furagierender Honigbienen. Diese Ergebnisse bestätigen, daß bei der Evolution des Pheromons der Bienenwolfmännchen bereits existierende sensorische Fähigkeiten der Weibchen eine wichtige Rolle spielten und somit die „sensory exploitation“ Hypothese unterstützt wird. Das Sexualpheromon der Bienenwolfmännchen zeigt außerdem eine signifikant größere Ähnlichkeit zwischen Brüdern im Vergleich zu nicht verwandten Individuen. Dies könnte den Bienenwolfweibchen ermöglichen, bei der Paarung gegen Brüder zu diskriminieren und damit einen nachteiligen Effekt der Inzucht bei Nachkommen zu vermeiden. Dieses Ergebnis zeigt zusammen mit den Studien zur möglichen „sensory exploitation“, daß Männchen und Weibchen wahrscheinlich mehr Nutzen als Kosten aus diesem Kommunikationssystem erzielen und deshalb das System insgesamt als kooperativ betrachtet werden kann. Um die reproduktive Arbeitsteilung in eusozialen Kolonien aufrecht zu erhalten, müssen Königinnen ihre Anwesendheit und Fekundität signalisieren. Bei der Ameisenart Camponotus floridanus (Hymenoptera, Formicidae) markieren die Königinnen ihre eigenen Eier mit einem unverwechselbaren kutikulären Kohlenwasserstoffmuster. Zwei unterschiedliche Hypothesen, die diese Form der Kommunikation erklären, wurden formuliert. Eine Hypothese schlägt eine Manipulation von Arbeiterinnen durch die Königin vor. Eine Alternativhypothese geht von einem kooperativen Signal aus, das Informationen über den Zustand der Königin übermittelt. Die Ergebnisse unserer Untersuchungen stützen eindeutig letztere Hypothese. Chemische Mimikry ist eine Form von nicht-kooperativer Kommunikation, von der ausschließlich der Sender profitiert. Die Goldwespe, Hedychrum rutilans (Hymenoptera, Chrysididae), der wichtigste Brutparasitoid von Philanthus triangulum, entgeht der Entdeckung durch das Bienenwolfweibchen wahrscheinlich durch Imitierung des Geruchs seines Wirtes. Weiterhin wurde die Anpassung der chemischen Signatur des sozialen Ameisenparasiten Protomognathus americanus (Hymenoptera, Formicidae) an seine Leptothorax Wirtsarten untersucht. Obwohl dieser Parasit prinzipiell an das kutikuläre Kohlenwasserstoffprofil seines Wirtes angepaßt ist, gibt es trotzdem ausgeprägt Unterschiede zwischen den Profilen des Parasits und seines Wirtes. Dies könnte durch einen „trade-off“ erklärt werden, dem die Parasiten ausgesetzt sind, wenn sie lokal mit zwei Wirtsarten mit unterschiedlichen kutikulären Kohlenwasserstoffprofilen konfrontiert werden. Nicht-kooperative Kommunikation im Sinne, daß nur der Empfänger profitiert, wurde bei der Ausnutzung der flüchtigen kutikulären Kohlenwasserstoffen der Honigbiene durch seinen Prädator, das Bienenwolfweibchen, gezeigt. Durch die Nutzung von (Z)- 11-Eicosen-1-ol als Kairomon profitiert nur der Empfänger, das Bienenwolfweibchen, wohingegen der Sender, die Honigbiene (Beute), alle Kosten trägt. Die Ergebnisse dieser Studien tragen zu einem besseren Verständnis der Evolution von kooperativer und nicht-kooperativer Kommunikation mit chemischen Signalen unter Berücksichtigung des unterschiedlichen Nutzens für Sender und/oder Empfänger bei. KW - Hautflügler KW - Chemische Kommunikation KW - Pheromone KW - kutikuläre Kohlenwasserstoffe KW - chemische Kommunikation KW - Hymenopteren KW - pheromones KW - cuticular hydrocarbons KW - chemical communication KW - Hymenoptera Y1 - 2004 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-11267 ER - TY - THES A1 - Spall, Thomas T1 - Optische Visualisierung neuronaler Aktivität : Etablierung des in-vivo Calcium-Imaging mit dem genetisch codierten Sensor Yellow Cameleon 2.1 und Untersuchung der olfaktorischen Codierung im Gehirn von Drosophila melanogaster T1 - Optical visualization of neuronal activity: Establishment of Calcium Imaging using the genetically expressed Sensor Yellow Cameleon 2.1 and Examination of olfactory Coding in the brain of Drosophila melanogaster N2 - Die Messung der räumlich aufgelösten Aktivität von neuronalen Zellverbänden ist ein wichtiges Werkzeug, um die Funktionsweise von Gehirnen zu verstehen. Für diese Arbeit diente die Fruchtfliege Drosophila melanogaster mit ihrer gut beschriebenen Genetik und Neurobiologie als Untersuchungsobjekt. Bei der vorgelegten Arbeit lag eine zweigeteilte Aufgabenstellung vor: Zum einen wurde die Technik des in – vivo Calcium – Imagings mit Hilfe des genetisch codierten Sensors Yellow Cameleon 2.1 am Lehrstuhl komplett neu etabliert, zum anderen wurde mit der neuen Technik das Zusammenspiel der funktionellen Elemente neuronaler Systeme anhand der Fliegenolfaktorik untersucht. Sowohl die Experimente zur Depolarisation durch KCl, als auch die Experimente zur olfaktorischen Codierung, wurden mit dem Calciumsensor Yellow Cameleon 2.1 durchgeführt. Es wurde ausgehend von der Vorgängerversion Yellow Cameleon 2.0 durch gezielte Mutagenese von Sören Diegelmann erstellt. Eine Photomultiplier – basierte in – vitro Funktionsanalyse des rekombinanten Sensorproteins ergab eine Zunahme der Ratio EYFP / ECFP mit steigender Calciumkonzentration. Dabei konnte auch der ratiometrische FRET – Effekt des Cameleons verdeutlicht werden: Mit steigender Calciumkonzentration verschiebt sich das Verhältnis von EYFP – Fluoreszenz zu ECFP – Fluoreszenz zu höheren Ratiowerten. Durch Zugabe des Calciumchelators EGTA konnte außerdem die reversible Arbeitsweise des Sensors nachgewiesen werden. Das in die Fliege eingebrachte Yellow Cameleon 2.1 – Konstrukt wurde mittels der GAL4 – UAS – Technik in verschiedenen olfaktorischen Gehirnzentren exprimiert. Von besonderer Relevanz für die Experimente zur olfaktorischen Codierung war dabei die GAL4 – Treiberlinie GH146. Mit ihrer Hilfe konnte das Fusionsprotein in den olfaktorischen Projektionsneuronen des Fliegengehirns exprimiert, und so die Duftrepräsentation im postsynaptischen Neuropil der Antennalloben bzw. in den präsynaptischen Neuropilen der Calyces und des lateralen Protocerbrums untersucht werden: Die Stimulation von 3 individuellen Fliegen mit den Düften Benzaldehyd, Isoamylacetat und Octanol liefert duftspezifische neuronale Aktivitätsmuster im Antenallobus. Die auf die Duftstimuli mit Calciumsignalen reagierenden Areale haben eine Größe von 10 – 30 µm, liegen also in der Größenordnung von individuellen Glomeruli. Die Duftrepräsentation in den Antennalloben zeigt außerdem einen kombinatorischen Aspekt: Jeder Duft evoziert ein charakteristisches Aktivitätsmuster bestehend aus einem oder mehreren Glomeruli. Die Aktivitätsmuster verschiedener Düfte können sich überlagern, d.h. individuelle Glomeruli können durch verschiedene Düfte aktiviert werden, das gesamte Aktivitätsmuster, d.h. die Summe der aktivierten Glomeruli eines bestimmten Duftes, ist jedoch charakteristisch. Die Duftrepräsentation in den Antennalloben von Drososophila geschieht also in Form eines glomerulären Codes, ein Prinzip der Duftverarbeitung, das auch in anderen Insekten und Vertebraten nachgewiesen werden konnte. Für den Calyx des Pilzkörpers ergaben sich innerhalb eines Individuums, bei wiederholter Stimulation mit demselben Duft, ebenfalls duftspezifische Aktivitätsmuster. Dabei waren die auf den Duftstimulus hin antwortenden neuronalen Areale diskret über den Calyx hinweg verteilt. Insgesamt zeigt das hohe Maß an Reproduzierbarkeit der Aktivitätsmuster für einen gegebenen Duft, dass im Calyx, wie in den Antennalloben, eine duftspezifische räumliche Repräsentation vorliegt. Der kombinatorische Aspekt der Codierung konnte auch hier beobachtet werden. Die einzelnen Spots der im Calyx gemessenen Aktivitätsmuster liegen in der Größenordnung von 5 +/- 2 µm und entsprechen somit in ihrer Größe den elektronenmikroskopisch beschriebenen Microglomeruli. Durch die Calcium – Imaging Experimente am lateralen Protocerebrum konnte nachgewiesen werden, dass die Erhöhung der Duftkonzentration eine räumliche Ausdehnung des aktivierten Neuropils zur Folge hat. Die EYFP –, ECFP – und Ratio – Intensitäten, die aus einer “Region of Interest“ im anterioren Bereich des lateralen Protocerebrums berechnet wurden, zeigen weiterhin, dass mit steigender Duftkonzentration auch die Stärke des Calciumsignals zunimmt. Dabei gibt es zwischen den 4 getesteten Düften statistisch signifikante Unterschiede: Methylcyclohexanol evoziert über den gesamten Verdünnungsbereich hinweg die schwächste neuronale Aktivität, Isoamylacetat evoziert in den Verdünnungsstufen 10-3 und 10-1 die stärkste neuronale Aktivität. D.h. neben der räumlichen Ausdehnung des Signals, führt die Konzentrationserhöhung auch zu einer gesteigerten Intensität des Calciumsignals, wobei sich die Signalintensitäten für verschiedene Düfte und Verdünnungsstufen unterscheiden können. Mit der verwendeten Versuchsanordnung und Datenauswertung, war es jedoch bislang nicht möglich eine räumliche Repräsentation der Düfte im lateralen Protocerebrum nachzuweisen. N2 - Measuring the spatiotemporal activity of neuronal cell populations is an important tool towards a further understanding of brain functions. This thesis investigates the brain activity of the model system Drosophila melanogaster with its well described genetics and neurobiology, thereby consisting of two major parts: On the one hand the in – vivo Calcium – Imaging technique by means of the genetically encoded sensor Yellow Cameleon 2.1, had to be newly established in our laboratory, on the other hand the interaction of functional elements within the neuronal olfactory pathway of the fruitfly was to be examined using this new technique. Both the experiments on KCl – induced depolarization and the experiments on olfactory coding were accomplished with the Yellow Cameleon 2.1 sensor. This molecular probe was generated by Sören Diegelmann by targeted in – vitro mutagenesis of the previous version Yellow Cameleon 2.0. A photomultiplier based in – vitro functional analysis of the recombinant sensor protein resulted in an increase of Calcium signals with rising Calcium ion concentrations, thereby revealing the ratiometric FRET effect of the Cameleons: With rising Calcium concentration the relationship between EYFP – fluorescence and ECFP – fluorescence shifts towards higher ratio values EYFP / ECFP. By application of the Calcium chelator EGTA the reversible function of the sensor could be demonstrated as well. By means of the GAL4 – UAS – technique, the Yellow Cameleon 2.1 construct transformed into the fly`s germline could be expressed in different olfactory brain centers. In the present work the GAL4 – strain GH146 was of special relevance for the experiments on olfactory coding. The GH146 – driven Cameleon 2.1 line expresses the sensor protein in olfactory projection neurons of the fly`s brain and therefore permits the examination of odorant coding within the postsynaptic neuropile of the antennal lobes, the presynaptic neuropiles of the calyces and the lateral protocerebrum, respectively: The stimulation of 3 individual flies with the odorants benzaldehyde, isoamylacetate and octanol revealed odorant – specific spatial activity patterns within the antennal lobes. The areas activated by the odorant stimulation were of similar size as individual glomeruli (~10 – 30 µm). The glomerular – like odor representation in the antennal lobes shows a combinatorial aspect: Each odorant induces a characteristic acitivity pattern consisiting of one or more glomeruli. Activity patterns evoked by different odorants can overlap, i.e. individual glomeruli can be activated by different odorants. In spite of from this combinatorial aspect, the activity pattern for a given odorant remains specific. Odorants are therefore represented in a glomerular code within the antennal lobes of Drosophila. The glomerular code represents an olfactory processing principle which could be demonstrated for other insects and vertebrates as well. Repeated stimulation of an individual fly with the same odorant revealed that intraindividual optical recordings from the mushroom body calyx were reproducible and generated odorant – specific activity patterns as well. The response patterns to different odorants were clearly spatially organized, with discrete areas of activity distributed over the calyx area. The reproducibility of the different patterns strongly suggest that odorant representations within the calyx are spatially specific, i. e. the spatial glomerular code of the antennal lobes could be somehow transformed into a spatial odorant – specific acitvity pattern in the calyx. Interestingly, the combinatorial aspect of olfactory encoding could be seen in the calyces as well. The spots of activity observed in the calyx are within the range of 5 +/- 2 µm and thus correspond in size to the boutons forming the presynaptic part of the so called microglomeruli described by electron microscopy. The Calcium – Imaging experiments at the level of the lateral protocerebrum showed a spatial expansion of the activated neuropiles with increasing odorant concentrations. The EYFP – , ECFP – intensities and their ratio values, which were computed from a region of interest within the anterior range of the lateral protocerbrum, reveal an increase in signal intensity with rising odorant concentrations. Within this reference the 4 odorants examined show satistically significant differences: methlycyclohexanol evoked the weakest Calcium signals over the entire dilution range, isoamylacetate evoked the strongest Calcium signals at the dilutions 10-3 and 10-1. This means that apart from the spatial expansion of the signal, the concentration increase leads to an increase in signal intensity, while the signal intensities for different odorants at a given dilution can differ. However, using the described experimental assembly and data evaluation, it was not possible to prove a spatial odorant representation within the lateral protocerebrum. KW - Terpyridinderivate <2 KW - 2':6' KW - 2"-> KW - Polymerkomplexe KW - Fluoreszenz KW - Drosophila KW - optisches Imaging KW - Yellow Cameleon 2.1 KW - olfaktorische Codierung KW - Drosophila KW - optical Imaging KW - Yellow Cameleon 2.1 KW - olfactory coding Y1 - 2004 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-11575 ER - TY - THES A1 - Prüfert, Kristina T1 - Lamina assoziierte Polypeptide 2, Lamin-B-Rezeptor und Lamine : Untersuchungen an Vertebratenmodellen T1 - Lamina associated polypeptides 2, lamin B receptor and lamins: investigations on vertebrates N2 - Der Zellkern ist ein wichtiges Organell von eukaryotischen Zellen, der durch eine Doppelmembran vom Cytoplasma abgetrennt wird. Mit Hilfe des Zebrafischs als Modellorganismus und kultivierten Zellen verschiedener Vertebraten wurde in mehreren Teilprojekten Untersuchungen an integralen (Lamina assoziiertes Polypeptid 2, Lamin B Rezeptor) und peripheren Membranproteinen (Lamine) der in inneren Kernmembran durchgeführt. Eines der am besten untersuchten integralen Membranproteine der inneren Kernmembran ist das Lamina assoziierte Polypeptid 2 (LAP2). Durch alternatives Splicen entstehen aus einem einzigen Gen eine Reihe verschiedener Isoformen die entwicklungs- und gewebespezifisch exprimiert werden. In Säuger sind 6 verschiedene Isoformen (LAP2α, β, δ, ε, γ, ζ) bekannt, von denen alle mit Ausnahmen von LAP2α und ζ, in die innere Kernmembran integriert sind. Das LAP2α ist ausschließlich im Nukleoplasma lokalisiert und wurde bis jetzt nur bei Säugern beschrieben. Durch die Identifikation eines genomischen Klons ICRFc 7101293Q5 (RZPD) sowie vergleichende Datenbankanalysen konnte der strukturelle Aufbau des Zebrafisch LAP2-Gens ermittelt werden. Das Gen kodiert innerhalb von 19 kb (ohne regulatorische Sequenzen) 15 Exons aus denen durch alternatives Splicen 3 verschieden Isoformen hervorgehen (zLAP2 β, γ, ω). Mit Hilfe des “Radiation Hybrid mappings“ wurde das LAP2 Gen auf der “Linkage group“ 4 des Zebrafischs, zwischen den EST-Markern fc01g04 (213,97) und fb49f01 (215,69cR) lokalisiert. Aufgrund der zusätzlichen Identifikation der genomischen Sequenz des Hühner LAP2-Gens konnten die genomischen Sequenzen der LAP2 Gene von niederen Vertebraten (Zebrafisch), über die Vögel (Huhn), bis zum Säuger (Mensch) miteinander verglichen werden. Dabei zeigte sich einerseits, dass die ω Isoform des Zebrafischs nicht im Genom von Huhn und Säugern vorhanden ist: Andererseits ist die α Isoform der Säuger ebenfalls in keinem der anderen Spezies (Huhn, Zebrafisch) zu finden ist. Weiterhin konnte bei zusätzliche Proteinanalysen mit monoklonalen und polyklonalen Antikörpern, gegen die konservierte aminoterminale Domäne der LAP2 Proteine, in 10 Tage alten Hühner Embryonen nur ein Protein mit einem vergleichbaren Molekulargewicht zum LAP2β anderer Spezies eindeutig detektiert werden. Aufgrund dieser Befunde und der Tatsache, dass die kodierenden Exonsequenzen zwischen Mensch und Huhn eine größere Ähnlichkeit zeigen als zwischen Mensch und Zebrafisch, liegt die Vermutung nahe, dass die α-Isoform eine Neuheit der Säugern darstellt. Ein weiteres integrales Membranprotein, dass erstmals beim Zebrafisch untersucht wurde, ist der Lamin B Rezeptor (zLBR). Mit Hilfe von radioaktiv markierten Sonden, konnte zwei Klone identifiziert werden die sowohl die gesamte cDNA-Sequenz (MPMGp567K10194Q3 (RZPD) als auch die gesamte genomische Sequenz (ICRFc71M10137Q5 (RZPD) beinhalten. Anhand von vergleichenden Datenbankanalysen, konnte der strukturelle Aufbau des Zebrafisch LBR-Gens ermittelt werden. Dieses kodiert innerhalb von 12 kb (ohne regulatorische Sequenzen) mit 13 Exons für ein 616 Aminosäure großes Protein. Vergleichbar mit dem LBR anderer Spezies besitzt der Zebrafisch LBR ebenfalls 8 Transmembrandomänen in seiner carboxyterminalen Domäne mit denen er in der inneren Kernmembran verankert ist. Der Aminosäurenvergleich mit anderen Spezies zeigte, dass die Aminosäurensequenz sowohl des aminoterminalen Bereichs als auch im Bereich der Transmembrandomänen hoch konserviert ist. Weiterhin wurden polyklonalen Antikörpern gegen die ersten 210 Aminosäuren des zLBRs hergestellt, die für zukünftige immunologische Analysen verwendet werden können. Ebenso wie die integralen Membranproteine spielen auch die Lamine eine wichtige Rolle bei nukleären Prozessen. Die B-Typ Lamine zeichnen sich alle durch ein konserviertes CxxMMotiv am Carboxyterminus aus. Das CxxM-Motiv wird nach posttranslational modifiziert, wodurch es lipophile Eigenschaften erlangt und somit für die anfängliche Verankerung der Lamine in der inneren Kernmembran verantwortlich ist. Bei A-Typ Laminen ist dieses Motiv nicht in der Primärsequenz enthalten oder es wird nach dem Einbau in die Kernlamina proteolytisch abgespalten. Eine Besonderheit stellt das meiotische Lamin C2 dar, welches ein Spliceprodukt des Lamin A Gens der Säuger ist. Das Lamin C2 besitzt zwar kein CxxMMotiv an seinem Aminoterminus, dafür aber ein Hexapeptid (GNAEGR) nach dem Startmethionin. Die posttranslationale Modifikation dieser Sequenz verleiht dem Protein lipoplile Eigenschaften. Anhand von funktionellen Analysen konnte durch die Überexpression GFP-Fusionsproteinen verschiedener wildtypischer Lamine und Lamin Mutanten gezeigt werden, dass die Interaktion der Lamine über das CxxM-Motiv oder das GNAEGR-Motiv mit der inneren Kernmembran, das Wachstum der Kernhülle induziert. In einem letzten Projekt konnte mit Hilfe spezifischer “antisense-“ Oligonukleotide, die als "Morpholinos" bezeichnet werden, die Expression von LAP2, LBR und den B-Typ Laminen B1 und B2 in Zebrafisch Embryonen reprimiert werden. Die Blockade der mRNA-Translation der entsprechenden Gene erfolgte in allen Fällen innerhalb der ersten 24 Stunden vollständig. Obwohl die Anzahl der beobachteten Embryonen relativ gering war, so zeigte sich bei allen Embryonen eine deutliche Entwicklungsverzögerung und unterschiedlich starke Entwicklungsstörungen. Die morphologischen Auswirkungen waren bei der Reduktion des LAP2 oder der Lamine geringer als bei der Reduktion des LBR, da in beiden Fällen maternale Proteine, wie das LA2ω oder das B-Typ Lamin LIII, nicht reduziert werden konnten. N2 - The nucleus is an essential organelle of eucaryotic cells and separated by a double membrane, the nuclear envelope, from the cytoplasm. Using the zebrafish as one model organism and also cultured cells of various vertebrates, analysis of integral (lamina associated polypeptide 2, lamin B receptor) and peripheral membrane proteins (lamins) of the inner nuclear membrane were performed. One of the best investigated protein of the inner nuclear membrane is the lamina associated polypeptide 2. By alternative splicing the LAP2 gene encodes a number of isoforms that are expressed in a developmental and tissue specific manner. In mammals 6 different isoforms (LAP2α, β, δ, ε, γ, ζ) are known, and all of them except for LAP2α and LAP2ζ get integrated into the inner nuclear membrane. LAP2α is predominantly found in the nucleoplasm and has so far only been described in mammals. Due to the identification of the genomic clone ICRFc 7101293Q5 (RZPD) and an additional contig-sequence published by a database of the Sanger Institute, I was able to analyse the genomic structure of the zebrafish lamina associated polypeptide 2 (zLAP2) gene. It spans approximately 19 kb (with no regulatory sequences) and contains 15 exons. By alternative splicing the 15 exons encode 3 isoforms (zLAP2 β, γ, ω). Using the method of “radiation hybrid mapping” the zLAP2 gene could be localised onto the linkage group 4 between the EST-markers fc01g04 (213,97) and fb49f01 (215,69cR). The additional identification of the genomic LAP2 sequence of chicken, made it possible to compare the genomic sequences of lower vertebrate LAP2 (zebrafish), avian LAP2 (chicken) and mammal LAP2 (human). This comparison revealed that the zebrafish LAP2ω was not found in the chicken and the mammalian genome. On the other hand sequences encoding a LAP2α isoform were not detected in the chicken and zebrafish genome. The analysis of total proteins of 10 day old chicken embryos and fibroblasts using monoclonal and polyclonal antibodies raised against the evolutionary conserved aminoterminal domain confirmed the abundance of a LAP2α isoform. The predominant isoform detected was comparable to LAP2β of other species. These results suggest, in addition to the fact that the exons of human LAP2 show a higher identity to the exons of the chicken LAP2 than to the exons of the zebrafish LAP2, that the α Isoform is a novelty of mammals. A second integral membrane protein, which I focused on, is the lamin B receptor of zebrafish(zLBR). By using radioactive labelled probes of a previously identified LBR fragment, I was able to identify to clones that were coding for the cDNA- (MPMGp567K10194Q3 (RZPD) and the genomic sequence (ICRFc71M10137Q5 (RZPD). By further computer analysis a genomic sequence was determined and revealed that the LBR gene spans over 12 kb nucleotides (no regulatory sequences included). The gene contains 13 exons and encodes a protein of 616 amino acids. Comparable to other species the zLBR contains 8 transmembrane domains in its carboxyterminal domain. Comparison of LBRs of different species on the amino acid level demonstrated that the aminoterminal region and the carboxyterminal domain are highly conserved. Especially the carboxyterminal domain coding for the membrane spanning domains exhibited a high conservation. Furthermore polyclonal antibodies, specific for the amino acids 1-210 were raised and can be used for immulological analysis in the future. Comparable to integral membrane proteins of the inner nuclear membrane lamins are also essential for nuclear processes. A main feature of B type lamins is the carboxyterminal CxxM-motif. This motif undergoes a posttranslational isoprenylation and is responsible for the correct targeting and initial association of the lamins to the inner nuclear membrane. A type lamins on the other and do not possess a CxxM-motif in the primary sequence (mammalian lamin C, C2). In the lamin A isoform the CxxM-motif is encoded in the primary structure but gets proteolytically removed after the protein was targeted to the lamina. The lamin C2, a meiotic splice variant of lamin A, demonstrates a peculiarity. It does not encode a CxxM-motif but possesses the hexapeptide GNAEGR at its aminoterminal end. The GNEAGR-sequence also undergoes a posttranslational modification and becomes myristoylated. Functional studies using overexpressed GFP-fusion proteins of different wildtype lamins and lamin mutants demonstrated that both the CxxM motif and the GNAEGR motif promote nuclear membrane proliferation. With the help of specific antisense oligonucleotides, known as "Morpholinos", I was able to block the expression of LAP2, LBR and B-type lamins B1 and B2 in zebrafish embryos. The mRNA translation of each gene was block completely for at least 24 hours after fertilisation. Although only few embryos were investigated I realised an obvious delay in development and developmental defects in different degrees in all analysed embryos. The degree of morphological deformations was more obvious in knock downs of LBR, than after the reduction of LAP2 or the B type lamins, where maternal proteins, like LAP2ω and the B Type lamin LIII could not get reduced. KW - Wirbeltiere KW - Kernhülle KW - Membranproteine KW - Kernmembran KW - LAP2 alpha KW - Zebrafisch LBR KW - CxxM-Motiv KW - nuclear envelope KW - LAP2 alpha KW - zebrafish LBR KW - CxxM-motif Y1 - 2004 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-11619 ER - TY - THES A1 - Herzner, Gudrun T1 - Evolution of the pheromone communication system in the European Beewolf Philanthus triangulum F. (Hymenoptera: Crabronidae) T1 - Die Evolution des Pheromonkommunikationssystems des Europäischen Bienenwolfs Philanthus triangulum F. (Hymenoptera: Crabronidae) N2 - Darwin’s theory of sexual selection explains the evolution of flamboyant male traits through female choice. It does not, however, address the question why males typically court and females choose. This asymmetry is now thought to be the result of the dichotomy in reproductive expenditures: Females invest primarily in parental care and males invest predominantly in mate attraction or competition. Based on this view, several hypotheses for the origin and maintenance of female preferences have been proposed. They include the classical sexual selection models, i.e. female choice for direct and indirect benefits as well as the more recent concepts of female choice for genetic compatibility and receiver bias models. The complementary choice scenario assumes that females choose mates with regard to genetic compatibility. The receiver bias concept views male traits and female preferences within the framework of communication theory and encompasses various more or less distinct models, two of which are sensory exploitation and sensory trap. Both models postulate that male signals evolved in response to pre-existing perceptual biases of females. The sensory trap hypothesis additionally emphasizes that pre-existing female preferences for certain cues evolved in non-sexual contexts, like e.g. foraging. Males that mimic these cues and elicit a favourable out-of-context response by females may increase their reproductive success. This thesis examines the evolution of the pheromone communication in the European Beewolf Philanthus triangulum. Beewolf females are specialized hunters of honeybees and provision their progeny with paralyzed prey. Male beewolves establish and scent mark territories with a pheromone from a head gland to court females. The concordant occurrence of the otherwise rare alcohol (Z)-11-eicosen-1-ol in the male pheromone and in the alarm pheromone of honeybees, the exclusive prey of the females, suggests a sensory trap process as an explanation for the evolution of the male pheromone in P. triangulum. According to this hypothesis, we tested three predictions: First, foraging honeybees should emit eicosenol. Via chemical analysis we could show that honeybee workers in fact smell of eicosenol during foraging. The occurrence of eicosenol on the cuticle and in the headspace of honeybees is a new finding. Second, beewolf females should use eicosenol as a cue for prey detection or identification. Using behavioural assays, we demonstrated that prey recognition in beewolf females is accomplished by olfactory cues and that eicosenol is an essential cue in this process. The sensory sensitivity of beewolf females to eicosenol must be extremely high, since they perceive the trace amounts present in the head space of honeybees. This sensitivity may be due to specialized olfactory receptors on the antennae of beewolf females. An inventory of the flagellar sensilla of both sexes showed that females carry one type of sensillum that is missing in males, the large sensillum basiconicum. This chemo-sensitive sensillum most likely plays a role in prey recognition. The third prediction is that beewolf males incorporate bee-like substances, including eicosenol, into their pheromone, and possibly catch females in a sensory trap. A reanalysis of the male pheromone revealed, among others, eicosenol and several alkanes and alkenes as pheromonal compounds. Our own analyses of the chemical profiles of honeybee workers and beewolf pheromone disclosed a surprisingly strong resemblance between the two. Eight of the eleven substances of the male pheromone are also present on the cuticle and in the headspace of honeybees. Notwithstanding this similarity, the male pheromone does not function as a sensory trap for females. Nevertheless, the extensive congruence between the odour bouquets of the females’ prey and the male pheromone strongly suggests that the male signal evolved to exploit a pre-existing female sensory bias towards bee odour, and, thus represents a case of sensory exploitation. In addition to the above described scenario concerning mostly the ‘design’ of the male pheromone, we addressed possible indirect benefits female beewolves may gain by basing their mating decisions on signal ‘content’. We show that the pheromone of male beewolves varies between families and may, thus, contain information about the degree of relatedness between the female and a potential mate. Females could use this information to choose genetically complementary males to avoid inbreeding and the production of infertile diploid sons. Collectively, our results provide strong evidence for a receiver bias process in the evolution of the male pheromone of P. triangulum. They further indicate that the pheromone composition may subsequently have been influenced by other natural or sexual selection pressures, like e.g. complementary female choice. N2 - Darwins Theorie der Sexuellen Selektion deutet die Evolution übersteigerter Männchenmerkmale als Ergebnis der Weibchenwahl. Sie erklärt jedoch nicht, warum Männchen in der Regel um Weibchen werben und Weibchen unter den werbenden Männchen wählen. Man glaubt heute, daß dies auf eine Asymmetrie im reproduktiven Aufwand zwischen den Geschlechtern zurückzuführen ist: Weibchen investieren überwiegend in elterliche Fürsorge, Männchen v.a. in Balzsignale. Hierauf basierend wurden mehrere Hypothesen zur Evolution von Präferenzen bei weiblicher Partnerwahl vorgeschlagen. Dazu gehören die klassischen Modelle der Sexuellen Selektion, wie ‚direct’ und ‚indirect benefit’ sowie die neueren Konzepte der Weibchenwahl aufgrund genetischer Kompatibilität und die 'Receiver Bias' Modelle. Letztere betrachten Männchenmerkmale und Weibchenpräferenzen im Rahmen der Kommunikationstheorie und umfassen mehrere ähnliche Modelle wie z.B. 'Sensory Exploitation' und 'Sensory Trap'. Sie postulieren, daß das Design von Männchensignalen in Anpassung an existierende Präferenzen der Weibchen entsteht. Die 'Sensory Trap' Hypothese betont zudem, daß diese sensorischen Präferenzen der Weibchen für bestimmte Signale in einem der natürlichen Selektion unterliegenden (nicht sexuellen) Kontext entstanden, so z.B. zum Auffinden von Nahrung. Männchen imitieren diese Signale um vorteilhafte Reaktionen der Weibchen auszulösen und so ihren Reproduktionserfolg zu erhöhen. Die vorliegende Dissertation untersucht die Evolution der Pheromonkommunikation des Europäischen Bienenwolfs. Bienenwolfweibchen sind spezialisierte Jäger der Honigbiene und versorgen ihre Nachkommen mit gelähmter Beute. Bienenwolfmännchen etablieren Reviere und markieren diese mit einem Pheromon um Weibchen anzulocken. Das übereinstimmende Vorkommen des sonst sehr seltenen Alkohols (Z)-11-Eicosen-1-ol sowohl im Pheromon der Männchen als auch im Alarmpheromon der Honigbienen, der ausschließlichen Beute der Weibchen, deutete darauf hin, daß es sich bei dem Pheromon um eine 'Sensory Trap' für Weibchen handeln könnte. Entsprechend dieser Hypothese testeten wir drei Vorhersagen: Erstens, furagierende Honigbienen sollten nach Eicosenol riechen. Mit Hilfe chemischer Analysen konnten wir erstmals zeigen, daß Honigbienensammlerinnen nach Eicosenol riechen. Zweitens sollten Bienenwolfweibchen Eicosenol für die Identifikation ihrer Beute nutzen. Wie wir in unseren Verhaltenstests zeigen konnten, verlassen sich die Weibchen für die Beuteerkennung auf Duftsignale. Hierbei ist Eicosenol eine notwendige Komponente für die Identifizierung der Honigbienen. Die sensorische Empfindlichkeit der Weibchen für Eicosenol scheint extrem hoch zu sein, da sie diese nur in Spuren im Luftraum um Honigbienen vorhandene Substanz, wahrnehmen können. Die hohe sensorische Empfindlichkeit der Weibchen könnte durch spezialisierte olfaktorische Rezeptoren bedingt sein. Die Analyse der antennalen Sensillen zeigte, daß Weibchen einen Sensillentyp besitzen, der bei Männchen nicht vorkommt: die großen Sensilla basiconica. Diese chemosensitiven Sensillen könnten eine entscheidende Rolle bei der Beuteerkennung spielen. Die dritte Vorhersage ist, daß Bienenwolfmännchen die für Honigbienen typischen Substanzen, darunter auch Eicosenol, in ihr Pheromon integrieren, um Weibchen in einer 'Sensory Trap' zu fangen. Eine Neuanalyse des Männchenpheromons zeigte, u.a. Eicosenol und einige Alkane und Alkene als Pheromonbestandteile. Unsere Analysen zeigten eine überraschende Übereinstimmung der chemischen Profile von Honigbienen und Bienenwolfmännchen. Acht der elf Substanzen des Pheromons finden sich auch im Duft der Honigbiene. Trotz dieser erstaunlichen Ähnlichkeit fungiert das Männchenpheromon nicht als 'Sensory Trap' für Weibchen. Die ausgeprägte Kongruenz der Düfte von Weibchenbeute und Männchenpheromon deutet aber darauf hin, daß bei der Evolution des Männchenpheromons vermutlich eine bereits existierende sensorische Präferenz der Weibchen für Bienenduft ausgenutzt wurde, d.h. daß es sich dabei um 'Sensory Exploitation' handelt. Das oben beschriebene Szenario für die Evolution des Männchenpheromons betrifft hauptsächlich das Design des Männchensignals. Darüber hinaus haben wir den möglichen Informationsgehalt des Pheromons untersucht. Das Pheromonmuster variiert beim Europäischen Bienewolf mit der Familienzugehörigkeit. Das Pheromon könnte somit Information über den Verwandtschaftsgrad zwischen einem Weibchen und einem potentiellen Paarungspartner enthalten. Weibchen könnten diese Information nutzen um sich nur mit genetisch kompatiblen Männchen zu paaren und auf diese Weise Inzucht zu vermeiden. Die vorliegenden Ergebnisse liefern starke Evidenzen für einen 'Receiver Bias' Prozess bei der Evolution des Pheromons von P. triangulum. Sie deuten außerdem darauf hin, daß die Zusammensetzung des Pheromons in der Folge durch weitere Selektionsdrücke, wie z.B. Weibchenwahl für genetische Kompatibilität, beeinflusst wurde. KW - Philantus KW - Pheromon KW - Sexuelle Selektion KW - Evolution KW - Evolution KW - Pheromon KW - Sexuelle Selektion KW - Sensory Exploitation KW - Sensory Exploitation KW - Evolution KW - Pheromone KW - Sexual selection KW - Sensory exploitation KW - Sensory trap Y1 - 2004 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-11651 ER - TY - THES A1 - Pick, Simon T1 - Kinematik und visuelle Steuerung des Kletterverhaltens und der Beinplatzierung der Fliege Drosophila melanogaster und Übertragung auf die Robotik T1 - Kinematics and visual control of climbing behaviour and leg placement in the fly Drosophila melanogaster and applications to robotics N2 - Im Rahmen dieser Arbeit wurden visuelle Einflüsse auf die Beinplatzierung beim Laufen und auf das Kletterverhalten der Fliege Drosophila melanogaster analysiert. Während sich die Beinplatzierung als vorwiegend taktil gesteuert herausstellte, ist das Klettern sowohl bezüglich der Entscheidung zur Durchführung (Motivationssteuerung) als auch bezüglich der Ausführung selbst unter präziser visueller Kontrolle. Für die Untersuchungen wurde ein Lücken-Überwindungsparadigma entwickelt und die Kinematik des Kletterns über verschieden breite Lücken mit einer eigens entwickelten 3D-Hochgeschwindigkeits-Videoanlage erstmals quantitativ beschrieben. Drei wesentliche Verhaltensanpassungen sorgen dafür, dass die Fliegen die maximal mögliche Spannbreite ihrer Beine voll ausnützen und Lücken von bis zu 170% der eigenen Körperlänge überqueren können. Das Kletterverhalten wird abhängig von der Lückenbreite initiiert und sinnlose Versuche an unüberwindbar breiten Lücken vermieden. Die visuelle Lückenbreitenmessung wurde analysiert; sie beruht auf der Auswertung von Bewegungsparallaxe beim Anlauf. Einige Erkenntnisse aus der Laufforschung an Fliegen wurden auf einem im Rahmen dieser Arbeit modifizierten hexapoden Laufroboter umgesetzt und die Verbesserungen quantifiziert. N2 - This work started out to analyze visual influences on leg placement and on the climbing behavior of the fly Drosophila melanogaster. Whereas leg placement turned out to be predominantly under tactile control, climbing is indeed under tight visual control both with regard to the decision to initiate the behavior (motivational control) as well as with regard to the execution of climbing. A gap-crossing paradigm has been developed to facilitate a detailed study and the kinematics of climbing over gaps of various widths has been quantified using a 3D high-speed video analysis system developed for this purpose. Three major behavioral adaptations help the fly to exploit fully the limits of its leg span in order to overcome gaps of up to 170% of its own body length. Climbing is initiated dependent on gap width. Vain attempts to overcome insurmountably broad gaps are avoided. Analysis showed that the fly uses parallax motion generated during the approach to estimate the width of a gap. Some of the results of the research on the fly’s walking behavior have been implemented in a modified hexapod walking robot, and the improvements have been quantified. KW - Taufliege KW - Kinematik KW - Klettern KW - Verhaltensanpassung KW - Drosophila KW - Verhalten KW - Klettern KW - Laufen KW - Robotik KW - Drosophila KW - behaviour KW - climbing KW - walking KW - robotics Y1 - 2004 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-12737 ER - TY - THES A1 - Stübs, Dorothee T1 - Identifizierung und Regulation von kälteinduzierbaren Faktoren aus B. bronchiseptica T1 - Identification and regulation of cold induced factors in B. bronchiseptica N2 - Kälteschockproteine werden in Bakterien, gleichermaßen wie die gut charakterisierten Hitzeschockproteine, bei hohen Temperaturschwankungen stark induziert und ermöglichen der Zelle durch unterschiedliche Funktionen ein Wachstum in der Kälte. In dieser Promotionsarbeit wurde begonnen, die Kälteschock-Antwort von Bakterien des Genus Bordetella zu charakterisieren. Sowohl B. bronchiseptica als auch B. pertussis codieren für fünf Kälteschockproteine, die als CspA, CspB, CspC, CspD und CspE bezeichnet werden. Die fünf Proteine weisen eine signifikante Homologie zum Haupt-Kälteschockprotein CspA aus E. coli auf. Während in den Modellorganismen E. coli und B. subtilis mindestens vier (E. coli) bzw. alle drei (B. subtilis) csp-Gene deletiert sein müssen, um einen Wachstumsdefizit zu erkennen, genügt im Falle von B. bronchiseptica eine einzige Insertionsmutation im Gen cspB, um einen temperaturunabhängigen Wachstumsdefekt zu beobachten. Nach einem Kälteschock werden in B. bronchiseptica drei der fünf csp-Gene, cspA, cspB und cspC, deutlich induziert. Betrachtet man das Expressionsmuster der fünf csp-Gene unter verschiedenen Stressbedingungen, wie Zugabe von translationshemmenden Antibiotika, Hitzeschock oder osmotischer Stress, so lässt sich ein komplexes Expressionsmuster aufzeichnen. Außerdem besitzen die drei kälteinduzierbaren Gene cspA, cspB und cspC mehrere Transkriptionsstartpunkte, deren Transkriptmengen unter den verschiedenen Schockbedingungen stark variieren. Es stellte sich heraus, dass eine Überexpression von CspB aus B. bronchiseptica für die E. coli – Zelle toxisch ist, daher wurde das CspB-Protein als GST-Fusionsprotein exprimiert und über Glutathion-Sepharose aufgereinigt. Um eine potentielle Funktion von CspB in der Zelle zu untersuchen, wurden Filterbindeassays mit CspB::GST durchgeführt. Es wurde eine hochaffine, aber unspezifische Bindung an ssDNA festgestellt, was auf eine mögliche Funktion von CspB als Chaperon hindeutet. Nach Synthese eines CspB-spezifischen Antikörpers wurde die Kälteinduktion von CspB auch auf Proteinebene nachgewiesen. Durch 2D-Gelelektrophorese und massenspektrometrische Charakterisierung konnten 17 weitere kälteinduzierbare Proteine aus B. bronchiseptica identifiziert werden. Darunter waren u. a. ein Chaperon mit Ähnlichkeit zu GroES, ein Translationsinhibitor BB2940 und das CspB. Diese kälteinduzierbaren Proteine ähneln den CIPs aus E. coli. Weiterhin konnten noch das UspA und mehrere am Metabolismus beteiligte Proteine als CIPs aus B. bronchiseptica identifiziert werden, was signifikante Unterschiede in Bezug auf die Kälteadaptation zwischen den beiden Organismen aufzeigt. Betrachtet man die Promotorbereiche aller identifizierten csp-Gene, so fällt eine für diese Gene typische sehr lange 5’UTR auf. Innerhalb dieser upstream Region findet man in vier der fünf csp-Gene einen 9 bp langen Consensus mit der Sequenz TCCTTGATT, der in nahezu gleichem Abstand vom postulierten Startcodon vorkommt. Diese identifizierte 9bp-box ist für eine effiziente Transkription in der Kälte jedoch nicht von Bedeutung. Auf posttranskriptioneller Ebene wird die lange 5’UTR für die Stabilisierung der cold-shock mRNA in der Kälte verantwortlich gemacht. Außerdem ist das Vorhandensein der kompletten 5’UTR essentiell für eine effiziente Translation bei niedriger Temperatur, wobei eine Mutation der 9bp-box einen geringen, aber signifikanten negativen Effekt auf die Translation ausübt. Sechs Gene, der neu identifizierten CIPs, beinhalten ebenfalls eine 9bp-box in ihrer upstream Region. Interessanterweise werden zwei der fünf csp-Gene, cspC und cspD, vom BvgAS Zweikomponentensystem, dem Haupttranskriptionsregulator der Virulenzgene im Genus Bordetella, reguliert. Die beiden Gene gehören zu den Bvg-negativ regulierten Genen, die in der Bvg-minus-Phase exprimiert werden. Weiterhin beeinflusst eine leichte Überexpression von CspB aus B. pertussis die Expression der Adenylatzyklase sowohl in B. pertussis, als auch in B. bronchiseptica negativ. Dieser für das CspB spezifische Effekt erinnert an das strukturell verwandte Tex-Protein (Fuchs et al, 1996; König et al, 2002). Beide Proteine beeinflussen die Expression der Virulenzfaktoren negativ, wobei für CspB gezeigt werden konnte, dass es einen direkten Einfluss auf die verminderte cyaA-Expression auf Transkriptionsebene besitzt. Dies zeigt eine Verbindung der Kälteschockantwort mit dem Virulenz-Regulon der Bordetellen, deren Rolle im Infektionszyklus bislang ungeklärt ist. N2 - Bacterial cold shock proteins (CSPs), like the well characterized heat shock proteins (HSPs) are highly induced in response to strong variation in temperature and cell growth at lower temperatures could be attributed to the different functions of CIPs. In this work we have studied the cold shock response of bacteria of the genus Bordetella. Both B. bronchiseptica and B. pertussis code for five CSPs (termed CspA to CspE) with significant amino acid homology to the major CspA of Escherichia coli. Mutations of a single csp gene (cspB) strongly affected the growth of B. bronchiseptica independent of temperature while a similar effect was observed in E. coli when four out of nine csp genes and in B. subtilis when all three csp genes were deleted. Transcription of cspA, cspB and cspC increased strongly after cold shock. The exposure to other stress conditions including translational inhibitors, heat shock and osmotic stress resulted in a complex pattern of changes in the transcription of the five cold shock genes. In the case of three csp genes (cspA, cspB, cspC), more than one specific transcript could be detected. To investigate the function of one of the cold shock proteins, CspB was purified as GSTfusion over a glutathion-sepharose column, because overexpression of pure CspB was shown to be toxic for the E. coli cell. Due to its high affinity but rather unspecific binding to ssDNA as tested by filter binding assays, it is possible that CspB functions as a chaperone. Induction of CspB was confirmed using a specific antibody and subsequently 17 other cold inducible proteins (CIPs) were identified by 2D-gelelectrophoresis and mass spectrometric characterization. Among these CIPs are some proteins which resemble the cold shock response of E. coli, like CspB, a chaperone with similarities to GroES and a translation inhibitor protein. Furthermore, interesting examples are the universal stress protein UspA and some proteins that are involved in the amino acid metabolism indicating signficant differences in the cold shock response of the two organism. The coding regions of all cold shock genes are preceeded by a long non-translated upstream region. Within this 5’UTR of four of the csp genes an identical sequence of 9 nucleotides with the consensus TCCTTGATT (9bp box) was identified which is located at similar positions with respect to their start codons. This identified 9bp-box was found to be irrelevant for transcription in the cold. Furthermore by in silico analysis a putative 54- binding site in the upstream region of cspB could be identified which has a regulatory function on cspB transcription. The long 5’ UTR itself seems to be important for transcript stabilization and efficient translation under cold shock conditions. Furthermore mutation or deletion of the 9bp box has a negative effect on translation. Six of the new identified CIPs are encoded by genes that contain the 9bp box in their 5’-UTR. Using bioinformatic tools (HMMR search) we identified 131 genes in the B. bronchiseptica RB50 genome that contain such a 9mer, but only 17 of the genes contain these consensus at appropriate position. Using this approach, infB, encoding for IF-2, could be identified as cold inducible. A connection between the occurence of the 9bp box and the cold induction could not be shown yet. Interestingly, two cold shock genes (cspC and cspD) were found to be under the negative control of the BvgAS system, the main transcriptional regulator of Bordetella virulence genes. Morover, a negative effect of a slight overexpression of CspB, but not of the other CSPs, on the transcription of the adenylate cyclase toxin CyaA in both B. pertussis and B. bronchiseptica was observed. Like the overexpression of previously described Tex protein (Fuchs et al, 1996; König et al, 2002), both proteins have a negative effect on the expression of the virulence factors. In this work, a direct influence of CspB on the cyaA transcription could be confirmed, suggesting a cross talk between the CSP mediated stress response stimulon and the Bordetella virulence regulon. KW - Bordetella bronchiseptica KW - Kälteschock-Proteine KW - Mikrobiologie KW - Bordetella KW - Regulation KW - Kälteschock KW - Bordetella KW - regulation KW - cold-shock Y1 - 2004 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-12704 ER - TY - THES A1 - Schrama, David T1 - T-Zell-priming außerhalb sekundärer lymphatischer Gewebe T1 - T-cell priming outside of secondary lymphoid tissue N2 - T-Zellimmunantworten werden normalerweise durch folgenden Weg initiiert: unreife dendritische Zellen nehmen Antigen in der Peripherie auf, wandern in die sekundären lymphatischen Organe, wobei sie auf ihrem Weg sowohl reifen als auch das Antigen prozessieren. In den sekundären lymphatischen Organen angekommen, präsentieren sie als reife dendritische Zellen den T-Zellen die Antigene in Form von Peptiden zusammen mit kostimulierenden Molekülen. Dadurch rufen sie eine spezifische T-Zellantwort hervor. In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, ob nicht Situationen herbeigeführt werden können, die ein T-Zell priming außerhalb der sekundären lymphatischen Organe erlauben. Dazu wurden ein murines Modell, bei dem das Zytokin Lymphotoxin-alpha spezifisch am Tumor angereichert wurde, und ein humanes Modell, bei dem reife, antigenbeladene DC intradermal appliziert wurden, untersucht. Im murinen Modell zeigte sich, dass die gerichtete Anreicherung von Lymphotoxin-alpha am Tumor zu dessen Zerstörung führte, welche durch T-Zellen vermittelt wurde, und mit der Induktion eines tertiären lymphatischen Gewebes am Tumor assoziiert war. Dieses tertiäre lymphatische Gewebe war durch die Kompartimentalisierung von T- und B-Zellen und der Präsenz von high endothelial venules charakterisiert und besaß zudem mit dendritischen Zellen und naïven T-Zellen alle Voraussetzungen für ein in loco priming. Dementsprechend konnte in der Folge der gerichteten Lymphotoxin-alpa Therapie im Tumor ein Anstieg am T-Zellinfiltrat, welches sich oligoklonal zusammensetzte, beobachtet werden. In vitro Experimente verdeutlichte die Tumorspezifität der Therapie-induzierten T-Zellantwort, da die T-Zellen auf ein Tumorantigen mit der Ausschüttung von Interferon gamma reagierten und die Tumorzellen lysierten. Im humanen Modell wurden Hautbiopsien von Melanompatienten untersucht, denen im Rahmen einer klinischen Studie autologe, in vitro generierte und antigenbeladene DC intradermal appliziert wurden. Die Patienten erlaubten die Entnahme von Hautbiopsien aus den Injektionsstellen für wissenschaftliche Untersuchungen. Eine Induktion bzw. Verstärkung einer spezifischen T-Zellantwort durch die Vakzinierung mit antigenbeladenen dendritischen Zellen konnte bereits in zahlreichen Arbeiten und auch in dem in dieser Arbeit untersuchten Patientenkollektiv gezeigt werden. Bei der Analyse der Injektionsstellen zeigt sich, dass ein großer Teil der injizierten dendritischen Zellen in der Vakzinierungsstelle verharren und dass diese unabhängig von einer Beladung mit Antigen zu einer Induktion von high endothelial venules Charakteristika führte. Waren die dendritischen Zellen mit Antigen beladen, so führte dies zu einem stärkeren T-Zellinfiltrat in den Injektionsstellen, wobei sowohl naïve als auch central memory T-Zellen nachgewiesen wurde. Diese Zellen wurden vermutlich durch die Überexpression der DC CK1 und SDF1 Chemokinen in den Injektionsstellen, die chemotaktisch auf T-Zellen wirken, angezogen. Das Infiltrat in den Injektionsstellen war oligoklonal und wies tumorspezifische T-Zellen auf. Nachdem diese T-Zellklone im Blut der Patienten vor der Vakzinierung nicht nachweisbar waren, müssen sie zumindest in den Injektionsstellen expandiert sein. Interessanterweise konnte einer dieser Klone in Metastasen nachgewiesen werden, die nach der Vakzinierung dem Patienten entfernt wurden. In beiden Modellen wurde also durch die Manipulation des Mikromilieus, d.h. Lymphotoxin-alpa Anreicherung am Tumor bzw. Injektion von reifen dendritischen Zellen in die Haut, Strukturen wie z.B. high endothelial venules induziert, die ein in loco priming ermöglichen sollten. Dementsprechend riefen diese Veränderungen ein Tumorantigen-spezifisches Infiltrat hervor. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass T-Zell priming auch außerhalb sekundärer lymphatischer Organe erfolgen kann. Prinzipiell scheint also nur der Kontakt von reifen, antigenbeladenen dendritischen Zellen mit den entsprechenden antigenspezifischen, naïven T-Zellen entscheiden zu sein. Die Möglichkeit des in vitro primings bekräftigt diese These. In vivo erfolgt dieses Aufeinandertreffen normalerweise in den sekundären lymphatischen Organen, doch konnte in der vorliegenden Arbeit gezeigt werden, dass Veränderungen des Mikromilieus diesen Kontakt auch in anderen Geweben ermöglicht. N2 - Cellular immune responses are initiated by direct interaction of naïve T cells with professional antigen presenting cells, i.e., dendritic cells. In general, this interaction takes place in secondary lymphoid organs: immature dendritic cells capture antigen in the periphery, and while homing to the secondary lymphoid organs they mature and process the antigen. In these organs they present peptides derived from the antigen together with co-stimulatory molecules to the naïve T cells and thereby initiate an antigen-specific T cell response. In the present work we tested if situations can be created allowing priming outside secondary lymphoid organs. To this end, a murine model in which lymphotoxin-alpha was specifically accumulated at the tumor site and a human model where in vitro generated, matured and antigen pulsed dendritic cells were injected intradermal into the patients were investigated. In the murine model the accumulation of lymphotoxin-alpha at the tumor site led to the eradication of the tumor. This therapeutic success was mediated by T cells and associated with the induction of a tertiary lymphoid tissue characterized by compartmentalized T and B cell aggregates and the presence of high endothelial venules. Moreover, with dendritic cells and naïve T cells present in these tissues requirements for in loco priming were fulfilled. Indeed, targeted lymphotoxin-alpha enlarged the T cell-infiltrate within the tumor. In vitro assays demonstrated the tumor-specificity of the therapy-induced infiltrate. In the human model skin biopsies taken from melanoma patients receiving dendritic cell based vaccination and participating at a clinical I study were investigated. The patients provided informed consent to participate in this experimental procedure and to donate skin biopsies for immunological monitoring. Skin biopsies were taken from the injection sites in which autologous, in vitro generated, maturated and antigen-pulsed dendritic cells were injected. Several reports including one about patients from the present patient cohort demonstrated the induction and/or enhancement of tumor specific T cell responses subsequent to dendritic cells based vaccination therapy. Our analysis demonstrated that most of the injected dendritic cells were entrenched at the injection site. The mere presence of mature dendritic cells in the skin caused the induction of high endothelial venules. In case the dendritic cells were pulsed with antigen the T cell infiltrate was enlarged and consisted both of naïve and central memory T cells. These cells were presumably attracted by the overexpression of the T cell attractant chemokines DC-CK1 and SDF-1 leading to an oligoclonal T cell infiltrate composed partially of tumor specific T cells. As T cell clones detected within the injections sites were not present among the peripheral blood lymphocytes, these clones were at least expanded in the injection sites. Notably, one clone could be detested in metastases of one patient excised after the vaccination. In both models manipulation of the microenvironment, i.e. targeting lymphotoxin-alpa to the tumor or injecting mature dendritic cells into the skin, respectively, induced structures like high endothelial venules which should enable in loco priming. Accordingly, these changes induced a tumor antigen specific T cell infiltrate. Thus, these results imply that T cells can be primed outside of secondary lymphoid tissues. Generally, the contact between mature, antigen presenting dendritic cells and the respective antigen specific T cells should be the only necessity for priming. Notably, the possibility of in vitro priming sustains this thesis. In vivo secondary lymphoid organs enable this contact. The present work, however, demonstrates that this contact can also take place in different tissue caused by manipulation of the respective microenvironment. KW - T-Lymphozyt KW - Priming KW - Melanom KW - Melanom KW - T-Zelle KW - priming KW - tertiäres lymphatisches Gewebe KW - Immunoconjugate KW - melanoma KW - T-cell KW - priming KW - tertiary lymphoid tissue KW - immunoconjugate Y1 - 2004 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-15060 ER - TY - THES A1 - Hein, Silke T1 - The survival of grasshoppers and bush crickets in habitats variable in space and time T1 - Das Überleben von Heuschrecken in raum-zeitlich veränderlichen Habitaten N2 - Die zunehmende Nutzung von Landschaften führt zu einer steigenden Fragmentierung schützenswerter Flächen. Damit verbunden ist eine Zerschneidung von großen Populationen in Metapopulationen. In solchen Fällen bestimmt das Gleichgewicht zwischen Aussterben und Besiedlung von Habitaten die regionale Überlebenswahrscheinlichkeit von Arten. Um diese bestimmen, braucht man ein gutes Verständnis der Habitatansprüche der Arten, sowie Informationen über ihr Ausbreitungsverhalten. Ziel dieser Arbeit war es, geeignete Flächen für Heuschrecken in einer Landschaft identifizieren zu können, sowie einen Beitrag zur Quantifizierung der Erreichbarkeit einzelner Flächen durch Individuen zu leisten. Der erste Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Quantifizierung der Habitateignung von Flächen für Heuschrecken. Dazu habe ich statistische Habitateignungsmodelle mittels logistischer Regression erstellt, evaluiert und validiert. Es zeigte sich, dass die Habitatwahl der Heuschrecken auf einer mittleren räumlichen Skalenebene erfolgt. Dies steht mit der beobachteten Ausbreitungsdistanz der Tiere im Einklang. Neben dem nur grob klassifizierten Landschaftsfaktor „Biotoptyp“ korrelieren vor allem strukturelle Faktoren sowie abiotische Faktoren mit dem Vorkommen der Heuschreckenarten. Bei der Bestimmung eines gemeinsamen Models für alle drei Heuschreckenarten erwies sich das Model der Art S. lineatus mit den Parametern Biotoptyp und Vegetationshöhe als am besten geeignet zur Vorhersage der Vorkommen der anderen Heuschreckenarten. Um zu testen, ob auch die Vorkommen von Arten unterschiedlicher Tiergruppen mittels eines gemeinsamen Modells vorhergesagt werden können, habe ich sowohl die Heuschreckenmodelle zur Prognose von Faltervorkommen getestet, als auch Modelle für Falter auf Heuschrecken übertragen. Dabei erwiesen sich die Heuschreckenmodelle zur Prognose der anderen Arten weniger geeignet als das Modell für das Widderchen Z. carniolica in das der Anteil an geeignetem Habitat sowie die Vorkommen der beiden Saugpflanzen C. jacea und S. columbaria einfließen. Diese Art wird als standorttreu eingestuft und repräsentiert damit auch die anderen Arten, die typisch für Säume und Halbtrockenrasen sind. Die erhöhte Mobilität von Z. carniolica im Vergleich zu den Heuschrecken garantiert gleichzeitig auch die Erreichbarkeit aller geeigneten Flächen im Gebiet und damit ein Modell, das nur unwesentlich durch Zufallseffekte bei der Besiedlung beeinflusst wird. Neben der Habitatqualität/-quantität spielt vor allem der Austausch zwischen Flächen eine entscheidende Rolle für das Überleben der Metapopulation. Im zweiten Teil meiner Arbeit habe ich mich sowohl theoretisch als auch empirisch, mit dem Ausbreitungsverhalten von Heuschrecken beschäftigt. In Freilandexperimenten konnte ich zeigen, dass die Annahme eines dichotomen Bewegungsverhaltens für Heuschrecken in einer realen Landschaft nicht zutrifft. Vielmehr wird die Bewegung in einer Fläche besser als Kontinuum beschrieben das durch strukturelle Resistenz, Temperatur, Mortalitätsrisiko und Ressourcenverfügbarkeit bestimmt wird. Die jeweilige Kombination dieser Parameter veranlasst die Tiere dann zu einem entsprechenden Bewegungsmuster, das sich zwischen den beiden Extremen gerichteter und zufälliger Lauf bewegt. In Experimenten zum Grenzverhalten von Heuschrecken bestätigte sich dieses Ergebnis. Für verschiedene Grenzstrukturen konnte ich unterschiedliche Übertrittswahrscheinlichkeiten nachweisen. Weiterhin konnte ich feststellen, dass Heuschrecken geeignete Habitate aus einer gewissen Entfernung detektieren können. Da das Ausbreitungsverhalten von Tieren in theoretischen Modellen eine wichtige Rolle spielt, können diese empirischen Daten zur Parametrisierung dieser Modelle verwendet werden. Zusätzlich zum Einfluss des Laufmusters der Tiere auf die Erreichbarkeit geeigneter Habitate, zeigte sich in den von mir durchgeführten Simulationsstudien deutlich, dass der landschaftliche Kontext, in dem die Ausbreitung stattfindet, die Erreichbarkeit einzelner Habitate beeinflusst. Dieser Effekt ist zusätzlich abhängig von der Mortalitätsrate beim Ausbreitungsvorgang. Mit den Ergebnissen aus den Untersuchungen zur Habitateignung lassen sich die für Heuschrecken geeigneten Habitate in einer Landschaft identifizieren. Somit lässt sich die potentielle Eignung einer Fläche als Habitat, basierend auf Vorhersagen über die Änderung des Biotoptyps durch ein Managementverfahren, vorhersagen. Diese Information allein reicht aber nicht aus, um die regionale Überlebenswahrscheinlichkeit einer Art bestimmen zu können. Meine Untersuchungen zum Ausbreitungsverhalten zeigen deutlich, dass die Erreichbarkeit geeigneter Flächen von der räumlichen Anordnung der Habitate und der Struktur der Flächen, die zwischen Habitaten liegen, abhängt. Zusätzlich spielen individuenspezifische Faktoren wie Motivation und physiologische Faktoren eine ausschlaggebende Rolle für die Erreichbarkeit von geeigneten Flächen. N2 - The exploitation of landscapes increases fragmentation of valuable areas with high biodiversity. Consequently, many populations nowadays exist as metapopulations. In such cases, the balance between extinction and colonisation of patches determines the regional survival of species. To determine long term survival of species and to assess the impact of different management regimes proper knowledge of species habitat requirements as well as information on their dispersal behaviour is needed. The aim of this thesis was to develop methods and measures for the identification of suitable areas for grasshoppers and bush crickets, as well as to quantify the reachability of single patches by individuals. The first part of my work focuses on the quantification of habitat suitability for grasshoppers and bush crickets. Based on presence/absence data, I developed statistical habitat suitability models using logistic regression analyses. The resulting models are evaluated and validated in space and time. It turned out that habitat selection of the species mainly took place on an intermediate spatial scale. The relevant scale falls into the same range as the species’ mean dispersal distances. Besides the rather coarse grained factor ‘type of habitat’ structural factors as well as abiotic factors are correlated with the occurrence of the species. The model of S. lineatus, including the parameters ‘type of biotope’ and ‘vegetation height’ was most successful in predicting the occurrences of the bush cricket species. To further test whether the occurrence of species of different insect groups can be predicted with a common model, I tested the usefulness of the orthoptera models for the prediction of butterflies in the same region and vice versa. While transferability of the orthoptera models was poor, the model of the moth Z. carniolica performed quite successful. It included the proportion of suitable habitat as well as the occurrence of the two sucking plants C. jacea and S. columbaria as relevant factors. Z. carniolica is classified as stenoecious and thus represents other species typically found on fringes and mesoxerophytic grasslands. The high mobility of Z. carniolica simultaneously guarantees the reachability of regional suitable areas and thus ensures that the influence of the random effects of colonisation on the model are marginal. Unfortunately, the factors predicting habitat quality for a species are normally not available at the landscape level. Thus, they cannot be used for the prediction of occurrences without extensive censuses in the field. Nevertheless, my results show that the sole use of the variable ‘type of habitat’, which often is available landscape wide, will be sufficient for the classification of habitat suitability in a landscape. I conclude that for practical use in conservation biology the type of biotope can be used to predict occurrence of the studied species. Besides quality/quantity of suitable habitat, dispersal of individuals between patches is a key factor influencing the survival of populations. Thus, the second part of my work concentrates on theoretical as well as empirical studies on the dispersal behaviour of bush crickets. In field experiments I could show that the assumption of a dichotomous movement behaviour does not apply for bush crickets. Instead, movement pattern changes continuously with structural resistance, temperature, mortality risk and resource availability. This result is confirmed in my experiments on the behaviour of bush crickets at habitat borders. For different borders I could demonstrate different edge permeabilities. Additionally, I observed that grasshoppers could detect suitable habitat from a certain distance. Because the dispersal behaviour plays an important role in theoretical models, my empirical data can be used to parameterise such models. In addition to the influence of movement pattern on the reachability of suitable habitats, I could demonstrate, with simulation models, that the influence of the landscape context in which dispersal takes place has a critical impact on the exchange of individuals between patches. This effect is enhanced if mortality risk during dispersal is accounted for. The results from my studies on habitat suitability can be used to identify suitable habitat for grasshoppers and bush crickets in a landscape. Consequently, the potential suitability of an area as habitat, based on predictions on changes in the type of biotope by management regime, can be predicted. But this information alone is not sufficient to determine regional survival probability of a species. My investigations concerning the dispersal behaviour clearly show, that the reachability of suitable areas is dependent on the spatial configuration of patches and the structure of areas between habitats. Additionally, factors specific for individuals, like motivation and physiological factors play a crucial role for the reachability of suitable habitats. KW - Naturschutzgebiet Hohe Wann KW - Heuschrecken KW - Metapopulation KW - Ausbreitung KW - Heuschrecken KW - Habitateignungsmodelle KW - Insekten KW - metapopulation KW - dispersal KW - habitat suitability models KW - insects KW - crickets Y1 - 2004 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-9140 ER - TY - THES A1 - Mronz, Markus T1 - Die visuell motivierte Objektwahl laufender Taufliegen (Drosophila melanogaster) - Verhaltensphysiologie, Modellbildung und Implementierung in einem Roboter T1 - Visually motivated object choice in walking fruit flies (Drosophila melanogaster) – behavioural physiology, modelling and implementation in a robot N2 - Im Rahmen dieser Arbeit wurden offene Fragen zur Objektwahl, zur Objektbeibehaltung und zur Aufgabe von Zielobjekten bei laufenden Taufliegen (Drosophila melanogaster) untersucht. Die Erkenntnisse zur Objektwahl wurden als kybernetisches Modell formuliert, auf einem eigens dafür konstruierten, autonom navigierenden Roboter mit Kameraauge implementiert und dessen Verhalten bei verschiedenen Landmarkenkonstellationen quantitativ mit dem Orientierungsverhalten laufender Fliegen verglichen. Es war bekannt, dass Drosophila in einer Wahlsituation zwischen unterschiedlich weit entfernten Objekten eine ausgeprägte Präferenz für nahe Objekte zeigt, wobei die Entfernung über das Ausmaß der retinalen Bildverschiebung auf dem Auge (Parallaxe) erfasst wird. In der vorliegenden Arbeit wurde analysiert, ob die Parallaxe streng aus der Eigenbewegung der Fliege resultieren muss oder ob Eigenbewegung der Objekte Nähe vortäuschen und deren Attraktivität erhöhen kann. Es wurde gezeigt, dass die Präferenz für ein Objekt bei Drosophila umso größer wird, je mehr Bewegung dessen Abbild auf der Retina erzeugt; die relative Verschiebung des Objektabbildes muss dabei nicht mit der Eigenbewegung der Fliege gekoppelt sein. Überraschenderweise verschwand die Präferenz für nahe Objekte, wenn eine zusammenstehende Gruppe aus einer nahen und mehreren fernen Objekten präsentiert wurden, solange sie zusammen einen Sehwinkel von weniger als etwa 90° einnahmen. Diese Beobachtung ist konform mit einer Vorstellung, wonach Bewegung über größere Augenbereiche integriert und nicht einzelnen Objekten zugeordnet wird. Obwohl Drosophila bei gleichem Präsentationsort auf der Retina die größere parallaktische Bewegung bevorzugte, wurden bei gleicher Entfernung dennoch frontalere gegenüber lateraleren Objekten bevorzugt. Es wird postuliert, dass der frontale und der caudale Sehbereich eine Verstärkung erfahren, die die physikalisch bedingt geringere Parallaxe überkompensiert. Laufende Fliegen reagieren verzögert auf die Präsentation eines Objekts; dies wird im Sinne einer zeitlichen Bewegungsintegration interpretiert. Die darauf folgende Richtungsänderung hängt vom Präsentationswinkel des Objektes ab. Erscheint das Objekt frontolateral, findet eine Hinwendung statt, erscheint es caudolateral, kommt es bevorzugt zur Abwendung. Eine weitere wichtige kognitive Leistung der Fliege ist das Aufgeben eines zuvor ausgewählten Ziels, wenn sich dieses Ziel während des Anlaufs als unerreichbar herausstellt. In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, dass Fliegen mit stark reduzierten Pilzkörpern erheblich mehr Zeit benötigen als wildtypische Fliegen, um vom gewählten Zielobjekt abzulassen. Dieser dem Perseveranzverhalten bei Parkinson-kranken Menschen ähnliche Phänotyp wurde unabhängig von der Methode der Ausschaltung der Pilzkörper gefunden. Die Dauer der Perseveranz nahm mit zunehmender Attraktivität des Zielobjekts, d. h. mit abnehmender Distanz, zu. Es wird vorgeschlagen, dass die Pilzkörper für die Evaluierung von eingehender sensorischer Information oder für Entscheidungsfindungen im Allgemeinen benötig werden. Basierend auf diesen Ergebnissen wurde ein Minimalmodell für die visuelle Orientierung nach Landmarken entwickelt. Das Modell beinhaltet eine zeitliche Integration des optischen Flusses in einem frontolateralen und einem caudolateralen Kompartiment pro Auge. Je nachdem, in welchem Kompartiment eine festgesetzte Schwelle zuerst erreicht wird, kommt es entweder zu einer Hin- (frontolateral) oder zu einer Abwendungsreaktion (caudolateral). Eine Gewichtungsfunktion kompensiert die geringe parallaktische Verschiebung in diesen Sehregionen. Das Modell wurde in einem mobilen Roboter mit Kameraauge implementiert und mit dem visuellen Orientierungsverhalten der Fliege quantitativ verglichen. Der Roboter war in der Lage, viele Aspekte der Landmarkenwahl von laufenden Fliegen erfolgreich zu reproduzieren und fliegenähnliches, autonomes Orientierungsverhalten unter verschiedenen Landmarkenkonfigurationen zu zeigen. N2 - The present study addresses open questions regarding visual orientation behaviour of walking fruit flies (Drosophila melanogaster), in particular how they choose near over far objects and how they maintain or adaptively abandon their choice. The findings led to a cybernetic model, suitable to autonomously control a mobile robot with panoramic vision, which was constructed, built and quantitatively compared to fly behaviour during this study. For a wide range of landmark constellations the robot exhibits fly-like orientation behaviour. Drosophila is known to choose, with a high probability, the nearest of several similar objects first. Distance to objects is measured by the extent of the retinal shift of their images on the eye (parallax motion). The present study asked whether parallax motion needs to directly result from the fly’s self-motion or whether motion of objects can increase their attractiveness because they appear to be closer to the fly. The data show that flies prefer objects the more, the larger the shift of the object image becomes on the retina. This is independent of the source of the retinal shift, object motion or self-motion of the fly. Surprisingly, the preference for near objects disappeared when a near object was presented together with several distant objects within a viewing angle of less then 90°. This observation led to the assumption that motion parallax is spatially integrated over larger areas of the eye and not seen as an entity of the single object. Physically, the extent of parallax motion caused by a stationary object on the retina of a walking fly depends not only on the distance but also on the angle under which it is seen. Although Drosophila prefers the larger amount of visual motion at a given presentation angle, it clearly prefers frontal over lateral objects. In order to account for the preference for frontal objects an amplification of the frontal and caudal eye regions is postulated which would otherwise receive less parallax motion. It turned out that walking flies respond only delayed to the presentation of a single object. This delay is consistent with the idea of temporal integration of parallax motion in order to judge distance. Astonishingly, the following course change depends on the viewing angle of the object. If an attractive object is shown in the frontolateral eye region the flies turn towards it. If it appears in the caudolateral part of the retina the flies preferentially turn away from it. Among the key abilities of animals must be the ability to give up on a once chosen target object if that object turns out to be inaccessible. The present study proves that flies with a strong reduction in mushroom body volume need considerably more time to give up on an object. The phenotype resembles the perseverance behaviour of humans suffering from Parkinson’s disease and was found regardless of the methods of interference with the mushroom bodies. The duration of the erroneously continued approach in flies with a strong reduction in mushroom body volume increases with decreasing distance between platform rim and landmark. In the absence of landmarks the defective flies behave normally, suggesting that mushroom bodies are involved in the evaluation of incoming sensory stimuli or in more general decision making processes. Modelling and implementation. Based on the findings outlined above a minimal model for landmark orientation has been established. The minimal model is based on a temporal integration of visual motion in four compartments, a frontolateral and a caudolateral compartment per eye. Depending on which compartment reaches a certain threshold first, a turning response will be elicited either towards (frontolateral compartment) or away from the target object (caudolateral compartment). Frontal and caudal eye regions naturally receive less parallax motion than lateral eye regions. To compensate for the small amount of parallax motion in the respective eye regions a weighting function has been introduced. The algorithm was finally implemented on a mobile robot equipped with a fish-eye lens mounted on camera allowing for panoramic vision. The behaviour of the robot was measured and quantitatively compared to the orientation behaviour of walking fruit flies. The robot reproduced successfully many aspects of the fruit fly's landmark orientation behaviour and showed fly-like autonomous orientation behaviour in the presence of various landmark arrangements. KW - Taufliege KW - Bewegungssehen KW - Orientierung KW - Bewegungssehen KW - Insekt KW - Orientierung KW - Fliege KW - vision KW - motion KW - insect KW - orientation KW - fly Y1 - 2004 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-11748 ER - TY - THES A1 - Knuth, Karin T1 - Identifizierung von essentiellen Genen in Salmonella typhimurium und Listeria monocytogenes durch Genom-weite Insertions-Duplikations-Mutagenese T1 - Identification of essential genes in Salmonella typhimurium and Listeria monocytogenes by genome-wide insertion duplication mutagenesis N2 - Die in dieser Arbeit etablierte Insertions-Duplikations-Mutagenese IDM ermöglicht es, das Genom von pathogenen Bakterien zu mutagenisieren und die so generierte Mutantenbank im high-throughput-Format auf Gene zu untersuchen, die unter bestimmten Bedingungen für das infektiöse Potential oder für das Überleben dieser Keime von Bedeutung sind. Die Grundlage von IDM bildet ein konditional replizierender Vektor, in den eine Genbank des Wirtsorganismus kloniert wird und der unter nicht-permissiven Replikationsbedingungen mittels homologer Rekombination ins Chromosom integriert und dadurch einen Gen-Knockout bedingt. Das IDM-Verfahren weist gegenüber der Transposon-Mutagenese den Vorteil auf, dass das Genom nach dem Zufallsprinzip saturierend mutagenisiert werden kann und dass keine hot spots für die Insertion auftreten. Darüber hinaus kann der mutierte Genlocus nach Screening der Mutanten schnell per PCR identifiziert werden, indem die Exzision des Vektors induziert und das klonierte, homologe Fragment sequenziert wird. Die Insertion des Vektors ins Chromosom und damit der Gen-Knockout ist selbst ohne Selektionsdruck sehr stabil, so dass die Mutanten im Zellkultur- oder Tier-System untersucht werden können. IDM wurde im Rahmen dieser Arbeit erfolgreich auf Salmonella enterica Serovar typhimurium und Listeria monocytogenes angewandt. Die Applikation von IDM auf S. typhimurium hatte zum Ziel, Gene zu identifizieren, deren Produkte für das Überleben dieses Gram-negativen Keims in Vollmedium unter Laborbedingungen essentiell sind. Ausgehend von 14.000 S. typhimurium Fragmentbank-Klonen konnten durch Induktion der Integration des Vektors 262 Klone identifiziert werden, für welche die Mutation zu einem lethalen Phänotyp führte. 116 der 262 entsprechenden Proteine konnte durch IDM erstmalig eine essentielle Funktion für die Vitalität von S. typhimurium zugewiesen werden. Darunter befinden sich sowohl Proteine, die homolog sind zu Proteinen anderer klinisch-relevanter Keime, als auch Proteine, die Salmonella-spezifisch sind. Der größte Teil der identifizierten Proteine ist in die Speicherung und Weitergabe von Information (Transkription, Translation, DNA-Reparatur etc.) involviert, viele sind allerdings auch Proteine unbekannter Funktion. Die Essentialität der durch IDM identifizierten Gene konnte durch die Konstruktion von konditional lethalen Mutanten bestätigt werden. IDM ist demnach das erste Mutagenese-Verfahren, welches das essentielle Gen-Set von S. typhimurium für das Überleben in Vollmedium zu definieren vermochte. Basierend auf den IDM Daten konnte es auf 511 Gene, d.h. auf 11 % des Gesamt-Genoms beziffert werden. Bei der Applikation von IDM auf L. monocytogenes lag der Fokus auf der Identifizierung von Genen, die für das Überleben dieses Gram-positiven Bakteriums im Zytosol von eukaryontischen Zellen von Bedeutung sind. Im Screening von bis dato 720 der 1491 L. monocytogenes Insertionsmutanten auf ein attenuiertes Replikationsverhalten in Caco-2 Zellen konnten 69 Mutanten selektioniert werden. In diesen Mutanten sind Gene ausgeknockt, deren Produkte hauptsächlich wichtige Funktionen in der Nährstoffbereitstellung, in der Energiesynthese und im Metabolismus inne haben. Mit der Insertions-Duplikations-Mutagenese IDM steht ein molekulares Werkzeug zur Verfügung, welches für die Identifzierung neuer targets für sowohl Breitband- als auch Spezies-spezifische Antiinfektiva eingesetzt werden kann und welches unbekannten Proteinen eine biologische Funktionen zuweisen kann. N2 - Using insertion-duplication-mutagenesis IDM, that has been established in this work, it is possible to mutate the genome of pathogenic bacteria and to generate a mutant bank. This bank can be screened in a high throughput format on genes that are relevant under certain conditions for the infectious potential and the survival of these germs. IDM is based on a conditionally replicating vector which integrates into the chromosome under non-permissive replication conditions via homologous recombination after having cloned a gene bank from the host organism into it. The vector integration causes a knockout of the respective gene. In contrast to transposon mutagenesis, the IDM approach has the advantage that the whole genome is mutated and that no mutation hot spots occur. Furthermore, after having screened the mutant bank, the mutated gene locus can be identified very quickly by applicating PCR: excision of the vector is induced and the cloned, homologous fragment is sequenced. Integration of the vector into the chromosome and therefore the gene knockout is very stable even without any selection so that the mutants can be examined in the cell culture and animal model. In this work IDM has been applicated successfully to Salmonella enterica Servovar typhimurium and Listeria monocytogenes. Application of IDM to S. typhimurium aimed to identify genes whose products are essential for the survival of that Gram negative germ in rich medium under laboratory conditions. Starting with 14.000 S. typhimurium fragment-bank clones, induction of integration of the vector led to the identification of 262 clones for which the mutation resulted in a lethal phenotype. For 116 of the 262 respective proteins, this is the first data that assigns to these proteins an essential function for viability of S. typhimurium. Amongst them are proteins that are homologue to proteins of other clinically relevant germs, as well as proteins that are Salmonella specific. Most of the identified proteins are involved in information storage and processing (transcription, translation, DNA repair etc.), but many are proteins of unknown function. The essentiality of the identified genes could be confirmed by construction of conditionally lethal mutants. Hence, IDM is the first mutagenesis approach that reached to define the essential gene-set of S. typhimurium for survival in rich medium. Based on the IDM data it could be estimated at 511 genes, that means at 11 % of the whole genome. The application of IDM to L. monocytogenes focussed on the identification of genes that play an important role for the survival of that Gram-positive bacterium in the cytosol of eucaryotic cells. Until now 720 of the 1491 L. monocytogenes mutants have been screened on a attenuated replication behaviour in Caco-2 cells and 69 mutants have been selected. These mutants harbour mutations in genes whose products mainly hold important functions in nutrient uptake, energy synthesis and metabolism. The insertion-duplication-mutagenesis IDM has proven to be a suitable molecular tool that can be used for the identification of novel targets for both broad spectrum and species-specific antibiotics and that can assign a biological function to unknown proteins. KW - Salmonella typhimurium KW - Insertionsmutagenese KW - Listeria monocytogenes KW - essentielle Gene KW - Mutagenese KW - Insertions-Duplikations-Mutagenese IDM KW - essential genes KW - mutagenesis KW - insertion duplication mutagenesis IDM Y1 - 2004 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-10003 ER - TY - THES A1 - Hart, Stefan T1 - Characterisation of the molecular mechanisms of EGFR signal transactivation in human cancer T1 - Charakterisierung der molekularen Mechanismen der EGFR-Transaktivierung in humanen Tumoren. N2 - In a variety of established tumour cell lines, but also in primary mammary epithelial cells metalloprotease-dependent transactivation of the EGFR, and EGFR characteristic downstream signalling events were observed in response to stimulation with physiological concentrations of GPCR agonists such as the mitogens LPA and S1P as well as therapeutically relevant concentrations of cannabinoids. Moreover, this study reveals ADAM17 and HB-EGF as the main effectors of this mechanism in most of the cancer cell lines investigated. However, depending on the cellular context and GPCR agonist, various different members of the ADAM family are selectively recruited for specific ectodomain shedding of proAR and/or proHB-EGF and subsequent EGFR activation. Furthermore, biological responses induced by LPA or S1P such as migration in breast cancer and HNSCC cells, depend on ADAM17 and proHB-EGF/proAR function, respectively, suggesting that highly abundant GPCR ligands may play a role in tumour development and progression. Moreover, EGFR signal transactivation could be identified as the mechanistic link between cannabinoid receptors and the activation of mitogen activated protein kinases (MAPK) ERK1/2 as well as pro-survival Akt/PKB signalling. Depending on the cellular context, cannabinoid-induced signal cross-communication was mediated by shedding of proAmphiregulin and/or proHB-EGF by ADAM17. Most importantly, our data show that concentrations of THC comparable to those detected in the serum of patients after THC administration accelerate proliferation of cancer cells instead of apoptosis and thereby may contribute to cancer progression in patients. N2 - Im Rahmen dieser Arbeit wurde gezeigt, dass in verschiedenen etablierten Tumorzelllinien, aber auch in primären Brustepithelzellen sowohl physiologische Konzentrationen von GPCR Liganden, wie z.B. den Mitogenen LPA und S1P, als auch therapeutische Konzentrationen von Cannabinoiden zur metalloproteaseabhängigen Aktivierung des EGFRs führen. Abhängig von diesem Mechanismus konnte die Aktivierung der mitogenen Ras/MAPK-Kaskade als auch des antiapoptotischen Akt/PKB Signalweges beobachtet werden. Untersuchungen mit Hilfe der siRNA-Technik oder dominant-negativen Konstrukten identifizierten ADAM17 sowie den EGFR-Liganden HB-EGF als wichtigste Komponenten dieses Signalweges. Abhängig vom Zellsystem konnte aber auch eine Beteiligung anderer Mitglieder der ADAM Familie sowie des EGFR-Liganden Amphiregulin nachgewiesen werden. Weiterhin konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass die durch LPA und S1P induzierten biologische Prozesse, wie z.B. die Migration in Brustkrebs- oder HNSCC-Zellen, vollständig von der Aktivität von ADAM17 und HB-EGF/AR abhängig waren. Außerdem konnte die ADAM17- und HB-EGF/AR-vermittelte EGFR-Transaktivierung als Bindeglied zwischen Cannabinoid-Rezeptoren und MAPK- und Akt-Aktivierung sowie erhöhter Zellproliferation identifiziert werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit unterstreichen die Rolle der EGFR Signaltransaktivierung und dadurch induzierter biologischer Antworten wie Zellmigration oder –proliferation in Tumorzellen, und sollten darüber hinaus zu einer Neubewertung der Krebstherapie mit Cannabinoiden führen. KW - Epidermaler Wachstumsfaktor-Rezeptor KW - Krebs KW - Signaltransduktion KW - EGFR KW - GPCR KW - Transaktivierung KW - Krebs KW - Metalloprotease KW - EGFR KW - GPCR KW - transactivation KW - cancer KW - metalloprotease Y1 - 2004 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-10067 ER - TY - THES A1 - Müllner, Antje T1 - Breeding ecology and related life-history traits of the hoatzin, Opisthocomus hoazin, in a primary rainforest habitat T1 - Brutökologie und Lebensgeschichte des Hoatzins (Opisthocomus hoazin) in einem primären Regenwaldhabitat N2 - The hoatzin (Opisthocomus hoazin) is an enigmatic bird that lives in the riparian lowlands of northern South America. Among its peculiar attributes are 1) microbial foregut fermentation, unique in birds, to convert plant cellulose in the foliage which it consumes into simple sugars, 2) an ongoing debate about the puzzling taxonomic position, although a relationship to the Cuculiformes appears likely, 3) adaptive wing claws in the young which are used for climbing, and 4) co-operative breeding behaviour. Despite the information available on digestive mode and taxonomy little has been published on its breeding biology and behaviour and until now almost all knowledge was based on a study in the savannah of Venezuela. This is the first detailed study of the hoatzin’s nesting ecology in a rainforest habitat. From 1995-1998 and in 2000 I monitored a hoatzin population which consisted of approximately 700 individuals in an Amazonian rainforest in Ecuador situated in the Cuyabeno Wildlife Reserve (between 0°02’ N, 76°0’ W, 0°03’ S, and 76°14’ W). The area is composed of various black water lagoons and small rivers, flooded forests and terra firme forest. Primarily, I examined group composition and breeding pattern and success related to traits such as clutch and egg size, offspring sex ratio and the number of parents involved in a common breeding attempt. Apart from standardised observations and monitoring I took blood samples from chicks, which were later used for molecular sexing and for DNA fingerprints. Food plants were collected and determined and a rough habitat mapping was conducted. Since the impacts of boat tourism in the area became apparent I investigated the interactions of adult and young hoatzins with tourists and measured the plasma concentration of the hormone corticosterone in chicks as an indicator of stress. Each chapter has its own introduction to the specific topic and can be read independently. The main findings of this study are: The reproduction of the hoatzin was timed strictly following the bimodal rainy pattern in the area. There was only one breeding attempt per year. Only 18% of breeding attempts ended successfully with at least one fledgling. Incubation started with the first egg laid and led to hatching asynchrony. In most cases only the A-chick survived and there is evidence for a brood reduction strategy. I observed egg size variation patterns both within the clutches and between the clutches. Approximately 80% of breeding attempts were carried out with auxiliaries. Units with alloparentals had a higher breeding success than single pairs. The results indicate a trade-off between helping and group size. DNA band-sharing comparisons revealed the existence of joint-nests, where several females laid their eggs in one single nest. The clutches of these joint-nests suffered severe egg loss during all stages of incubation. Breeding success did not differ between single- and joint-nests. The primary offspring sex ratio was biased towards daughters. There was no differential mortality between the sexes until fledging. Individual breeding units employed an adaptive production of offspring of each sex according to their current group size. Rainforest tourism negatively influenced the survival and growth of young, not yet fledged hoatzins. In addition tourist-exposed young showed a stronger hormonal stress response than their conspecifics from undisturbed sites. In contrast, breeding adults appear to have habituated to tourist boats and exposure to observers. N2 - Der Hoatzin (Opisthocomus hoazin), im Deutschen auch Zigeunerhuhn genannt, ist ein ungewöhnlicher Vogel, der an den Ufern von Flüssen und Seen im Tiefland von Südamerika lebt. Zu seinen besonderen Eigenschaften gehören 1) seine für Vögel einmalige Vormagen-Verdauung, die sonst nur bei Wiederkäuern vorkommt, und die mit Hilfe von Mikroben die Zellulose aus seiner Pflanzennahrung in einfache Zucker abbaut, 2) seine noch immer unklare, heftig diskutierte Stellung in der Vogelsystematik, obwohl eine Beziehung zu den Kuckucken wahrscheinlich ist, 3) Flügelkrallen zum Klettern bei den Jungtieren und 4) sein kooperatives Brutverhalten mit „Helfern-am-Nest“. Während über sein spezielles Verdauungssystem und seine rätselhaften Verwandtschaftsbeziehungen mehrere und zum Teil ausführliche Arbeiten vorliegen, war bisher nur sehr wenig über seine Brutbiologie und sein soziales Verhalten bekannt. Das gesamte Wissen darüber beruhte fast ausschließlich auf einer einzigen Studie aus der Feuchtsavanne von Venezuela. Diese Arbeit stellt die erste detaillierte Studie über die Brutökologie des Hoatzins in einem Regenwald-Habitat dar. Von 1995-1998 und im Jahr 2000 untersuchte ich eine Population mit ca. 700 Hoatzin-Individuen im Cuyabeno Reservat im amazonischen Regenwald Ecuadors (0°02’ N, 76°0’ W, 0°03’ S, 76°14’ W). Das Gebiet besteht aus verschiedenen Schwarzwasserseen und kleinen Flüssen, großen Überschwemmungszonen und terra firme-Wald. Kern meiner Arbeiten war die Bestimmung von Gruppenzusammensetzung und Bruterfolg im Zusammenhang mit dem Brutaufwand. Besonders behandelt wurden dabei die Themen kooperatives Brüten, Variation von Gelege- und Eigrößen, Schlupfasynchronie und Brut-Reduktions-Hypothesen. Neben standardisierten Nestkontrollen und Beobachtungen nahm ich Blutproben von Küken, die später für eine molekulare Geschlechtsbestimmung und für DNS-Fingerabdrücke verwendet wurden. Ich sammelte und bestimmte Futterpflanzen der Hoatzins und kartierte das Habitat. Da in Teilen des Gebietes Bootstourismus stattfand und es Hinweise auf dessen negative Einflüsse gab, untersuchte ich zusätzlich die Interaktionen zwischen Touristen und Hoatzins. Hierzu beobachtete ich Fluchtreaktionen und führte an Jungtieren Messungen der Plasmakonzentration des Stresshormons Corticosteron durch. Alle Kapitel der Arbeit haben ihre eigene Einleitung und Diskussion und können unabhängig voneinander gelesen werden. Meine wesentlichen Ergebnisse sind: Die Fortpflanzung war zeitlich strikt an das bimodale Muster der jährlichen Regenfälle gebunden. Es gab in der Regel nur einen Brutversuch pro Jahr. Nur knapp ein Fünftel aller Brutversuche endete mit einem flüggen Jungtier. Die Inkubation des Geleges begann mit dem ersten Ei und es gab eine deutliche Schlupfasynchronie. A-Küken hatten die höchsten Überlebenschancen und es gibt Hinweise auf eine Brutreduktionsstrategie. Die Eigrößen variierten auffällig zwischen und innerhalb von Gelegen. Gut Dreiviertel der Bruteinheiten brüteten in Gruppen. Gruppen hatten einen höheren Bruterfolg als einzelne Paare. Die Ergebnisse weisen auf eine Abwägung zwischen mehr Helfern und zuviel Gruppenmitgliedern hin. Anhand von DNS-Fingerabdrücken konnte ich zweifelsfrei die Existenz von Gemeinschaftsgelegen nachweisen, bei denen mehrere Weibchen ihre Eier in ein Nest legen. In diesen Gemeinschaftsnestern gab es auffällige Verluste an Eiern in allen Stadien des Brütens. Gemeinschaftsgelege hatten keinen höheren Bruterfolg als Gelege von nur einem Brutpaar. Das primäre Geschlechterverhältnis der Nachkommen war zugunsten von Töchtern verschoben. Es gab keine Unterschiede in der Sterblichkeit zwischen den Geschlechtern bis zum Flüggewerden. Individuelle Bruteinheiten zeigten eine angepasste Produktion des Nachkommensgeschlechts in Abhängigkeit von der Gruppengröße. Regenwald-Tourismus beeinflusste das Überleben und Wachstum von jungen, noch nicht flüggen Hoatzins negativ. Tourismus-exponierte Jungtiere zeigten auch eine stärkere hormonelle Stressantwort als Tiere aus touristenfreien Zonen. Brütende Adulte scheinen sich dagegen an den Tourismus gewöhnt zu haben. KW - Hoatzins KW - Brutbiologie KW - Brutaufwand KW - Soziale Organisation KW - Geschlechterverhältnis KW - Ökotourismis KW - Stress KW - Breeding effort KW - social organisation KW - sex ratio KW - eco-tourism KW - stress Y1 - 2004 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-13239 ER - TY - THES A1 - Keller, Sascha T1 - Struktur- und Funktionsanalysen an BMP Ligand-Rezeptor-Komplexen T1 - Structural and Functional Analysis of BMP Ligand-Receptor Complexes N2 - Für BMPs wie auch die anderen Mitglieder der TGF-beta-Superfamilie beginnt der Signalweg mit der Bindung des Liganden an zwei Typen transmembranärer Rezeptoren. Die Ligand-Rezeptor Interaktionen sind dabei durch unterschiedliche Affinität und Spezifität gekennzeichnet und bilden wahrscheinlich die Grundlage für das breite Spektrum biologischer Funktionen. In dieser Arbeit wurde mittels einer Struktur- und Funktionsanalyse von BMP Ligand-Rezeptor Komplexen die molekulare Basis für die Affinität und Spezifität dieser Wechselwirkungen untersucht. Hierfür wurde die Kristallstruktur des BMP-2 : BR-IAec Ligand-Rezeptor Komplexes bei einer Auflösung von 1,9Å ermittelt. Mit der höheren Auflösung war die Charakterisierung der geometrischen Parameter eines Netzwerks von zehn Wasserstoff-Brückenbindungen in der Interaktionsfläche zwischen BMP-2 und BR-IAec möglich. Deren zentrale Bedeutung für dieWechselwirkung konnte auch durch funktionelle Analyse bestätigt werden. So stellen die im Zentrum der Bindungsfläche liegenden Wasserstoff-Brückenbindungen BMP-2 Leu51 (N) : BR-IAec Gln86 (OE1) und BMP-2 Leu51 (O) : BR-IAec Gln86 (NE1), sowie die BMP-2 Asp53 (N) : BR-IAec Cys77 (O) H-Brücke die Hauptdeterminanten der Ligand-Rezeptor Bindung dar. Darüber hinaus ließ sich aus der strukturellen Analyse des "wrist"-Epitops von BMP-2 eine besondere Bedeutung der Prä-Helix Schleife L2, sowie der im Kontakt eingeschlossenen Wassermoleküle für die Anpassung der Bindungsfläche an unterschiedliche Interaktionspartner ableiten. Diese Ergebnisse bilden die Grundlage für ein neues Modell zur Beschreibung von Affinität und Spezifität der hochaffinen BMP-Typ I Rezeptor Interaktion. Dabei stellen die Wasserstoff-Brückenbindungen den Hauptanteil zur Bindungsenergie, während die hydrophobe Umgebung in der Interaktionsfläche die Bildung von Wasserstoff-Brückenbindungen energetisch begünstigen und hydrophobe Wechselwirkungen nur geringfügigen Einfluss auf die Affinität nehmen. Die vorliegenden Arbeit beschreibt zudem die Präparation und Kristallisation von binären Ligand-Typ I Rezeptor Komplexen für BMP-2, BMP-6 und GDF-5, sowie die der ternären Komplexe von BMP-2, BR-IAec und ActR-IIec bzw. BR-IIec. Die extrazellulären Domänen der hierfür verwendeten Rezeptoren wurden durch Expression in E.coli oder Sf-9 Insektenzellen erhalten. Ihre funktionelle Charakterisierung erfolgte durch BIAcore Interaktionsanalyse an immobilisierten Liganden, wobei in Abhängigkeit vom Ligand-Rezeptor Komplex unterschiedliche Affinitäten ermittelt werden konnten. In Übereinstimmung mit den hierbei erhaltenen Daten wurden die Ligand-BMP Typ IB Rezeptor Komplexe für BMP-2, BMP-6 und GDF-5, sowie der GDF-5 : BR-IAec Ligand-Rezeptor Komplex präpariert. Des Weiteren konnte die Bildung des ternären BMP-2 : BR-IAec : ActR-IIec Ligand-Rezeptor Komplexes in Lösung nachgewiesen werden. Für all diese Komplexe konnten Kristallisationsbedingungen ermittelt werden. Trotz Optimierung dieser Bedingungen reichte die Qualität der erhaltenen Kristalle nicht für eine Aufklärung der Struktur aus. Für eine detailliertes Verständnis der Mechanismen der Rezeptoraktivierung muss die strukturelle und funktionelle Charakterisierung von BMP Ligand-Rezeptor Komplexen fortgeführt werden. Die präsentierten Ergebnisse deuten darauf hin, dass über die Kenntnis der einzelnen Affinitäten und die gezielte Modifikation der Interaktionspartner eine erfolgreiche Strukturanalyse dieser Ligand-Rezeptor Komplexe möglich ist. N2 - BMPs, like other members of the TGF-beta superfamily initiate their signaling pathways through binding to two types of transmembrane receptors. These ligand-receptor interactions are characterized by different affinities and specificities that may in turn account for the variety of cellular responses. The aim of this work was to examine the molecular basis for the affinities and specificities of these interactions using structural and functional analysis of BMP ligand-receptor complexes. Therefore, the crystal structure of the BMP-2 : BR-IAec ligand-receptor complex was determined at 1,9Å resolution. At this high resolution it was possible to characterize the geometrical parameters of a network of ten hydrogen bonds within the interface. Their particular importance for the interaction could be confirmed by functional analysis. The hydrogen bonds BMP-2 Leu51 (N) : BR-IAec Gln86 (OE1) and BMP-2 Leu51 (O) : BR-IAec Gln86 (NE1) which are located in the center of the interface, as well as the BMP-2 Asp53 (N) : BR-IAec Cys77 (O) H-bond are the main binding determinants of the ligand-receptor interaction. Furthermore, the structural analysis of the ’wrist’ epitope of BMP-2 revealed the importance of the pre-helix loop L2 and of the water molecules in the interface that are required for adaptation of the contact surface to different binding partners. These results form the basis of a new model describing the affinity and specificity of the BMP-type I receptor interaction: hydrogen bonds contribute most of the binding energy, while the hydrophobic environment increases the strength of the hydrogen bonds. The hydrophobic interactions themselves have only a minor effect on the affinity. Furthermore, this work presents the preparation and crystallization of the binary ligand-type I receptor complexes for BMP-2, BMP-6 and GDF-5, as well as the ternary complex of BMP-2 and BR-IAec with either ActR-IIec or BR-IIec. The extracellular receptor domains have been expressed in E.coli or Sf-9 insect cells. Their functional characterization has been carried out using BIAcore measurements with immobilized ligands that confirmed the differences in affinities depending on the particular ligand receptor complex under study. In accordance with these data, the ligand-type IB receptor complexes of BMP-2, BMP-6 and GDF-5, as well as the GDF-5 : BR-IAec ligand-receptor complex have been prepared. Additionally, the formation of the ternary BMP-2 : BR-IAec : ActR-IIec ligand-receptor complex could be shown. Crystallization conditions have been obtained for all complexes. However, the quality of the crystals was not sufficient for structure determination, despite intensive optimization of these conditions. For a detailed understanding in the mechanisms of receptor activation the structural and functional characterization of BMP ligand-receptor complexes should be continued. Therefore, the presented results suggest that, with knowledge of the individual affinities and the selective modification of the binding partners, a successful structure determination of these ligand-receptor complexes might be possible. KW - Knochen-Morphogenese-Proteine KW - Wirkstoff-Rezeptor-Bindung KW - Kristallstruktur KW - Bone Morphogenetic Protein KW - Ligand-Rezeptor Komplex KW - Kristallstrukturanalyse KW - Wasserstoffbrückenbindung KW - Hauptbindungsdeterminante KW - bone morphogenetic protein KW - ligand-receptor complex KW - crystal structure analysis KW - hydrogen bonds KW - main binding determinant Y1 - 2004 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-12467 ER - TY - THES A1 - Körner, Ulrich T1 - Funktionelle Rolle von HMGN-Proteinen während der Embryonalentwicklung von Xenopus laevis T1 - The functional role of the HMGN proteins during embryogenesis of Xenopus laevis N2 - HMGN Proteine sind Architekturelemente des Chromatins und besitzen die Fähigkeit, Chromatin aufzulockern. Sie ermöglichen anderen Proteinen den Zugang zu Nukleosomen und unterstützen DNA-abhängige Prozesse wie Replikation, Transkription und DNA-Reparatur. In dieser Arbeit wurde die funktionelle Rolle der HMGN Proteine während der Embryogenese am Beispiel des südafrikanischen Krallenfroschs Xenopus laevis untersucht. Dabei wurde entdeckt, dass sowohl die Expression als auch die zelluläre Verteilung der HMGN Proteine entwicklungsspezifisch reguliert ist. Eine Manipulation der HMGN Proteinmengen während der Embryonalentwicklung führte zu schweren Fehlentwicklungen in Postblastula Embryonen. In der Oogenese waren sowohl Xenopus HMGN mRNAs als auch Xenopus HMGN Proteine in allen Oozytenstadien nachweisbar. Interessanterweise waren HMGN Proteine in späteren Oozytenstadien nur im Zytoplasma zu finden und nicht mit Lampenbürstenchromosomen assoziiert. Im Zuge der Maturation der Oozyten zu Eiern verschwinden die Proteine gänzlich. Während der Embryogenese waren HMGN Proteine dann erst wieder ab der Blastula detektierbar, zeitgleich mit der transkriptionellen Aktivierung des embryonalen Genoms. Gleichzeitig wiesen ihre Expressionsmuster, zumindest auf mRNA-Ebene, auf Gewebspezifität hin. Whole mount in situ-Hybridisierungen und RT-PCR-Analysen zeigten eine erhöhte mRNA-Menge in mesodermalen und neuroektodermalen Geweben von Schwanzknospenstadien. Nach Injektion rekombinanter HMGN Proteine (Überexpression) oder Morpholino-Antisense-Oligonukleotiden (knock-down) in die Zygote entwickelten sich Embryonen mit offenen Rücken, stark verkürzten und gebogenen Körperachsen und deformierten Kopfstrukturen als Hauptmerkmale. Histologische Analysen und insbesondere die Magnetresonanz Bildgebung deuteten auf Fehler in der Mesodermdifferenzierung hin. Die Analysen zeigen, dass eine bestimmte kritische zelluläre HMGN Proteinmenge für eine korrekte Embryonalentwicklung von Xenopus laevis notwendig ist. Durch „animal cap assays“ und RT-PCR-Expressionsanalysen Mesoderm-spezifischer Gene konnte schließlich gezeigt werden, dass HMGN Proteine die Regulation Mesoderm-spezifischer Gene beeinflussen. Die Ergebnisse lassen vermuten, dass auch die HMGN-Genexpression während der Mesodermdifferenzierung reguliert wird. Durch eine Analyse des Expressionsbeginns entwicklungsrelevanter Gene während der Midblastula Transition konnte gezeigt werden, dass veränderte HMGN Proteinmengen den Expressionsbeginn spezifischer Gene wie Xbra und chordin beeinflussen. Damit konnte zum ersten Mal ein Einfluss dieser ubiquitären Chromatinproteine auf die Expression spezifischer Gene gefunden werden. Die durch HMGN Proteine verursachte fehlerhafte Expression von Xbra und chordin als Schlüsselgene der Mesodermdifferenzierung kann die Fehlentwicklungen mesodermaler Strukturen erklären. N2 - HMGN proteins are architectural chromatin proteins that reduce the compaction of the chromatin fiber, facilitate access to nucleosomes and modulate DNA-dependent processes such as replication, transcription and DNA repair. In this work the functional role of the HMGN proteins during embryogenesis was analyzed using the African clawed frog Xenopus laevis as a model system. The expression and cellular location of the HMGN proteins was found to be developmentally regulated. Experimental manipulations of the HMGN protein amounts led to gross developmental defects in postblastula embryos. HMGN transcripts and proteins were present throughout oogenesis. Interestingly, the HMGN proteins were stored in the cytoplasm of later oocyte stages and excluded from the oocytes nuclei and lampbrush chromosomes. Upon maturation of oocytes into eggs, HMGN proteins were no longer detectable. During embryogenesis, HMGN proteins were first detected in blastula stage embryos, coinciding with the transcriptional activation of the embryonic genome. At least at the mRNA level the expression pattern showed a tissue specific pattern, with relatively high levels of mRNAs in the mesodermal and neuroectodermal regions of early tailbud embryos as shown by whole mount in-situ hybridization and RT-PCR-analyses. After microinjection of recombinant HMGN proteins (overexpression) or morpholino-antisense oligonucleotides (knock-down) the embryos displayed typical phenotypes with imperfect closure of the blastopore, distorted body axis and abnormal head structures. Histological analyses and magnetic resonance imaging indicated that mesoderm differentiation was particularly affected by aberrant HMGN protein levels. The results demonstrate that proper embryonic development of Xenopus laevis requires precisely regulated levels of HMGN proteins. “Animal cap assays” and RT-PCR-analyses of the expression of mesodermal genes indicated that HMGN proteins are involved in the regulation of mesoderm specific genes. These experiments also indicated that the HMGN expression itself is regulated during mesoderm differentiation. Moreover, by studying the expression pattern of developmentally relevant genes during midblastula transition it became evident that altered HMGN protein levels influence the onset of the expression of specific genes such as Xbra and chordin. The results show, for the first time, that these ubiquitous chromatin proteins modulate the expression of specific genes. The HMGN-induced misexpression of Xbra and chordin as key regulatory genes during mesoderm differentiation may explain the observed malformations of mesodermal structures. KW - Glatter Krallenfrosch KW - HMG-Proteine KW - Genexpression KW - Embryonalentwicklung KW - HMGN Proteine KW - Xenopus laevis KW - Genexpression KW - Chromatin KW - Embryonalentwicklung KW - HMGN proteins KW - Xenopus laevis KW - chromatin KW - gene expression KW - early development Y1 - 2004 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-9166 ER - TY - THES A1 - Streit, Sebastian T1 - Automatische Identifizierung bei sozialen Insekten : Design und Praxistest T1 - Automatic insect identification: Design and test N2 - Design und Implementierung eines RFID basierten Systems für soziale Insekten (Hummeln, Bienen) N2 - Design and implementation of a rfid based system for identifying social insects (honeybees, bumblebees) KW - Soziale Insekten KW - Individuum KW - Identifikation KW - Methode KW - rfid KW - Identifizierung KW - Honigbiene KW - rfid KW - insect identification KW - honeybee Y1 - 2004 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-8962 ER - TY - THES A1 - Rapp, Ulrike T1 - Achieving protective immunitity against intracellular bacterial pathogens : a study on the efficiency of Gp96 as a vaccine carrier T1 - Immunisierung gegen intrazelluläre Bakterien mit Hilfe von HSP-Fusionsproteinen N2 - Protective vaccination against intracellular pathogens using HSP fusion proteins in the listeria model. N2 - Impfschutz gegen intrazelluläre Pathogene durch Immunisierung mit HSP-Fusionsproteinen im listerien Modell. KW - Listeria monocytogenes KW - Immunisierung KW - Hitzeschock-Proteine KW - Hitzeschockproteine KW - Immunsierung KW - Intrazelluläre Pathogene KW - Heat Shock Proteins KW - Immunization KW - Intracellular Pathogens Y1 - 2004 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-9096 ER - TY - THES A1 - Reintjes, Norbert T1 - Taxonomy, faunistics and life-history traits of Dytiscidae and Noteridae (Coleoptera) in a West African savannah T1 - Taxonomie, Faunistik und Lebensweise der Dytiscidae und Noteridae (Coleoptera) in einer West Afrikanischen Savanne N2 - The studies inventoried the species of the families Dytiscidae and Noteridae (Coleoptera) in Comoé National Park in northern Ivory Coast, West Africa and investigated the ecological role of temporary and permanent water bodies for the aestivation of these aquatic beetles. The ecological studies focused on the question how the beetles cope with the temporary loss of their aquatic habitats during dry season. The climate in the study area is characterised by a pronounced dry season from about November to March/April, in which the temporary ponds and creeks in the savannah entirely desiccate. The only available water bodies during dry season in Comoé National Park are the Comoé River, pools in some of its tributaries, and a few of the large savannah ponds. The taxonomic and faunistic analysis revealed a high species richness in the study area and yielded a total of twelve species of Noteridae in four genera and 95 species of Dytiscidae in 22 genera. Thirty of these species had not yet been reported from the Ivory Coast. A description of a new species in the genus Laccophilus is given, named L. comoensis in honour of the National Park. Strong incidences exist that the material includes more species yet unknown to science. Concerning the mode of aestivation, observations in pilot studies led to the working hypothesis that the beetles pass the dry season as adults in aquatic habitats. Consequently, presence of adults in aquatic habitats throughout the dry season and cyclic migration of adults between temporary and permanent water bodies was expected. Regular sampling of water bodies throughout the dry season and beginning rainy season yielded 33,705 individuals in 72 species and 26 genera. In all the sample periods Noteridae and / or Dytiscidae were recorded. The number of species per period was between 36 and 58. It is concluded that in Comoé National Park a) at least parts of the populations of the recorded species pass the dry season as adults and b) aquatic habitats serve as a refuge for aestivation of these adult beetles. In a rocky area in the riverbed of the permanent Comoé River four sets of studies were performed during dry and beginning rainy season. According to the working hypothesis beetles should be searching for adequate aquatic habitats as long as temporary savannah waters are becoming inhospitable and are falling dry. Seven rock pools in the riverbed of the Comoé River were artificially filled and thus offered for colonization at the peak of the dry season (end of January). After five days the rock pools were quantitatively sampled by completely emptying them. All the rock pools were colonized by Dytiscidae and / or Noteridae and with a total of 1,507 individuals in 26 species abundance and diversity were high. Habitats for aestivation are needed most, when the majority of the savannah waters are fallen dry. Little precipitation on February 18th 1999 had filled rock pools in the riverbed of the Comoé River but no pools in the savannah, where the rain was immediately absorbed by the very dry soil. An inventory of beetles was performed in 21 naturally filled rock pools five to 20 days after this precipitation. The sampling yielded 8,456 individuals in 41 species. Except the smallest, all rock pools contained beetles. The result showed that Dytiscidae and Noteridae utilise the rock pools as aquatic habitat during dry season. Beetles adapted to a highly seasonal environment like the aquatic system in the study area should be good colonizers. Sampling of four, respectively five rock pools at two occasions within 24 hours after the start of precipitation examined the potential of colonizers at that period (March). Prior to these precipitations the pools had been completely dry. Dytiscidae were already present in all rock pools and a total of 434 Dytiscidae in 14 species was found. The working hypothesis of cyclic migration suggests that the beetles should leave the rock pools at the onset of the rainy season when precipitation had filled temporary water bodies in the savannah. After several precipitation events an inventory of 13 rock pools of the Comoé River in May controlled for adult beetles. Only four species with 126 individuals were still found, of which Yolina chopardi contributed 81.7%. This species seems to differ from the other recorded species in the use of habitats, since it was never recorded in the savannah. In general, however, diversity and abundance of Dytiscidae and Noteridae in the rock pools, as expected, was low after the onset of the rainy season. During the entire study of the rock pools in the riverbed of the Comoé River 10,523 individuals in 44 species and 18 genera were collected. Thus, more than half of the species recorded in Comoé National Park were found in the rock pools. The results suggest that the Comoé River and the rock pools in the riverbed serve as aquatic retreat for adult Dytiscidae and Noteridae during dry season when temporary water bodies in the savannah are desiccated. The suggested cyclic migration between water bodies predicts that newly formed savannah waters are recolonized by the beetles at the onset of the rainy season. This colonization should be a) by adults and b) airborne. Two artificial ponds in the open savannah were offered only for aerial colonization at the beginning of the rainy season. The ponds were controlled for adult Noteridae and Dytiscidae daily during one continuous phase of eleven and a second one of 16 days (end of March to end of April). On every sampling date Noteridae or Dytiscidae were recorded. In the entire study 2,744 individuals in 44 species and 16 genera were collected. After precipitation, abundance and species richness increased. Thirty-five of the encountered species had been recorded in rock pools of the Comoé River before. The principal species in the artificial savannah ponds had been principal species in samplings of the rock pools as well. The results support the hypothesis of cyclic migration: most species of Dytiscidae and Noteridae of the Comoé National Park fly from desiccating savannah waters to permanent water bodies or water bodies holding water for extended times during dry season. They pass the dry season in these waters and fly back into the savannah after precipitation at the onset of the rainy season. Exceptions from this general rule are discussed. N2 - Die Arbeit liefert zunächst eine umfassende Bestandsaufnahme der Schwimm- und Tauchkäfer (Coleoptera: Dytiscidae, Noteridae) des Comoé Nationalparks, Elfenbeinküste, Westafrika. Darauf aufbauend untersuchte die Studie die Rolle temporärer und permanenter Gewässer für die Überdauerung dieser Wasserkäfer. Die ökologischen Untersuchungen konzentrierten sich auf die Frage, wie diese Käfer auf den saisonalen partiellen Verlust ihres aquatischen Lebensraumes während der Trockenzeit reagieren. Das Klima im Untersuchungsgebiet wird von einer ausgeprägten Trockenzeit (etwa von November bis März/April) dominiert, die zur Austrocknung der temporären Tümpel und Bäche in der Savanne führt. Die einzigen während der Trockenzeit im Comoé Nationalpark verfügbaren Gewässer sind der Comoé Fluss, Pools in einigen seiner Zuflüsse sowie einige der großen Savannentümpel. Die taxonomischen und faunistischen Studien belegten eine hohe Artenzahl der betrachteten Käferfamilien im Untersuchungsgebiet. Die Bestandserfassung registrierte aus der Familie Noteridae zwölf Arten in vier Gattungen und aus der Familie Dytiscidae 95 Arten in 22 Gattungen. Das Vorkommen von 30 dieser Arten in der Elfenbeinküste wurde zum ersten Mal dokumentiert. Eine neue Art aus der Gattung Laccophilus, zu Ehren des Nationalparks L. comoensis genannt, wurde beschrieben. Das Material enthält höchstwahrscheinlich weitere unbeschriebene Arten. Aus Vorstudien leitete sich die Arbeitshypothese ab, dass die Käfer die Trockenzeit als Imago in aquatischen Lebensräumen verbringen. Es wurde daher erwartet, dass Imagines während der gesamten Trockenzeit zu finden sind und dass diese saisonal zyklisch zwischen temporären und permanenten Gewässern hin und her wandern. Die regelmäßige Beprobung von Gewässern während der Trocken- und beginnenden Regenzeit erbrachte 33.705 Imagines aus 72 Arten und 26 Gattungen. In allen Sammelzeiträumen wurden Noteriden und / oder Dytisciden gefunden. Die Artenzahl pro Sammelperiode lag zwischen 36 und 58. Daraus ergibt sich, dass im Comoé Nationalpark a) zumindest Teile der Populationen der nachgewiesenen Arten die Trockenzeit als Imagines verbringen und b) dass diese Arten aquatische Lebensräume als Rückzugsgebiete zur Überdauerung der Trockenzeit nutzen. Auf einer felsigen Fläche im Flussbett des permanenten Comoé Flusses wurden während der Trocken- und beginnenden Regenzeit vier Versuchseinheiten durchgeführt. Wenn adulte Käfer die Trockenzeit in permanenten Gewässern überdauern, dann sollten – gemäß der o.g. Arbeitshypothese –Käfer auf der Suche nach geeigneten Gewässern sein, solange temporäre Savannengewässer trockenfallen. In einem ausgetrockneten felsigen Abschnitt des Comoé Flussbettes wurden in der Hoch-Trockenzeit (Ende Januar) sieben Felstümpel künstlich aufgefüllt und zur Besiedlung angeboten. Nach fünf Tagen wurden diese durch vollständige Entleerung quantitativ besammelt. Sämtliche Felstümpel waren von Dytisciden und / oder Noteriden besiedelt. Insgesamt fand sich mit 1.507 Individuen aus 26 Arten eine hohe Abundanz und Diversität. Geeignete Überdauerungshabitate werden insbesondere benötigt, wenn der überwiegende Teil der Savannengewässer ausgetrocknet ist. Leichte Niederschläge am 18. Februar 1999 füllten zwar Vertiefungen im felsigen Flussbett, nicht jedoch Savannentümpel, da dort das Wasser von der trockenen Erde sofort aufgenommen wurde. Eine Bestandserfassung der Käfer aus 21 natürlich gefüllten Felsgewässern fünf bis 20 Tage nach den genannten Niederschlägen, erbrachte 8.456 Individuen aus 41 Arten. Abgesehen von dem kleinsten wurden alle Felsgewässer von Dytisciden und Noteriden genutzt. Käfer in einem derart saisonalen Habitat wie es das Gewässersystem im Untersuchungsgebiet darstellt, sollten gute Besiedler sein. Beprobungen von vier bzw. fünf zuvor vollständig ausgetrockneten Felsgewässern innerhalb von 24 Stunden nach dem Beginn zweier Niederschläge im März zeigten, dass die Käfer dieses Kriterium erfüllen: in sämtlichen Felstümpeln fanden sich Dytisciden. Insgesamt wurden 434 Individuen aus 14 Arten registriert. Die Arbeitshypothese der zyklischen Migration lässt erwarten, dass die Käfer die Felsgewässer verlassen, wenn Niederschläge zu Beginn der Regenzeit temporäre Savannengewässer aufgefüllt haben. Nach mehreren Niederschlägen lieferte eine Bestandsaufnahme von Käfern in 13 Felstümpeln im Mai lediglich 126 Individuen aus vier Arten. Yolina chopardi stellte mit 81,7% den Großteil der gefundenen Individuen. Diese Art scheint sich hinsichtlich der genutzten Habitate von den anderen nachgewiesenen Arten zu unterscheiden, da sie nie in Savannengewässern gefunden wurde. Wie erwartet war jedoch insgesamt die Diversität und Abundanz der Dytisciden und Noteriden nach Beginn der Regenzeit in den Felstümpeln gering. Im Laufe der Untersuchungen der Felsgewässer im Flussbett des Comoé Flusses wurden insgesamt 10.523 Individuen in 44 Arten aus 18 Gattungen erfasst. Dies entspricht mehr als der Hälfte der im Comoé Nationalpark nachgewiesenen Arten. Die Ergebnisse legen nahe, dass der Comoé Fluss und die Felsgewässer im Flussbett für die Dytisciden und Noteriden wichtige aquatische Lebensräume während der Trockenzeit darstellen, wenn temporäre Gewässer in der Savanne ausgetrocknet sind. Die angenommene zyklische Wanderung sagt voraus, dass neu gebildete Savannengewässer zu Beginn der Regenzeit a) von Imagines und b) aus der Luft besiedelt werden. Zwei Kunsttümpel in der offenen Savanne wurden zu Beginn der Regenzeit zur Besiedlung aus der Luft angeboten und während einer elftägigen und einer 16-tägigen Phase (insgesamt Ende März bis Ende April) täglich auf adulte Noteriden und Dytisciden kontrolliert. An jedem Untersuchungstag wurden Käfer nachgewiesen. In der Studie fanden sich insgesamt 2.744 Individuen aus 44 Arten und 16 Gattungen. Nach Niederschlägen waren die Individuen- und Artenzahl erhöht. Fünfunddreißig der Arten waren zuvor in den Felsgewässer des Comoé Flusses in der Trockenzeit nachgewiesen worden. Die Hauptarten der Kunsttümpel waren auch Hauptarten der beprobten Felstümpel gewesen. Die Ergebnisse unterstützen die Hypothese der zyklischen Migration: die meisten Arten der Familie Dytiscidae und Noteridae des Comoé Nationalparks fliegen von austrocknenden Savannengewässern zu permanenten Gewässern oder Wasserkörper, die über einen längeren Zeitraum während der Trockenzeit Wasser halten. Nachdem sie dort die Trockenzeit verbracht haben, fliegen sie nach Niederschlägen zu Beginn der Regenzeit zurück in die Savanne. Ausnahmen von dieser Regel werden diskutiert. KW - Schwimmkäfer KW - Parc National de la Comoé KW - Dytiscidae KW - Noteridae KW - Savanne KW - temporäre Gewässer KW - Elfenbeinküste KW - Dytiscidae KW - Noteridae KW - savannah KW - temporary waters KW - Ivory Coast Y1 - 2004 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-10287 ER - TY - THES A1 - Luo, Qin T1 - Essential features of a PrfA-dependent : promoter of Listeria monocytogenes T1 - Die essentiellen Eigenschaften eines PrfA-abhängigen Promotors von Listeria monocytogenes N2 - The gram-positive, facultative intracellular pathogen Listeria monocytogenes is the causal agent of listeriosis. Most of well-known virulence genes are controlled by PrfA that belongs to the Crp-Fnr family of transcriptional activators. A PrfA-mediated transcription initiating at a virulence gene promoter, inlC promoter (PinlC) that regulates the expression of the small, secreted internalin C, was in-depth characterized by an in vitro transcription system to unravel the essential features of a PrfA-dependent promoter in this study. The obtained results indicate a dual promoter for inlC that leads to PrfA-dependent and -independent transcription in vitro and in vivo. The PrfA-dependent transcription requires, as expected, the PrfA-box, a conserved 14 bp sequence of dyad symmetry located about 40 bp upstream of the transcriptional start site of each PrfA-regulated gene. Another important structural feature for this PrfA-dependent promoter is the distance between the 3´-end of the PrfA-box and the 5´-end of the SigA-recognized –10 box fixed to 22 or 23 bp, which is observed in the interspace regions of the other known PrfA-dependent promoters, e.g. PactA, PplcA, Phly and Pmpl. The –35 box of PinlC is not necessary for PrfA-dependent transcription. The –10 box of PinlC and also that of the other PrfA-dependent promoters of L. monocytogenes closely resemble SigA-recognized –10 promoter sequences of the well-characterized gram-positive bacterium B. subtilis. Even the extended –10 motif (5´-TRTG-3´) considered to be a basic element for many SigA-recognized promoters in B. subtilis is present in PinlC. Primer extension studies reveal that both the PrfA-dependent and the independent promoter share the same –10 box. The PrfA-independent transcription of inlC depends on a –35 box located directly downstream of the PrfA-box, and the close proximity of the two sites inhibits strongly the transcription activity of the PrfA-independent promoter when the PrfA-RNA polymerase complex binds to the PrfA-box. Deletion of the PrfA-box results in PrfA-independent transcription from PinlC, which is no longer inhibited by PrfA. High concentration of GTP appears to be necessary for PrfA-dependent transcription initiated at the inlC promoter and at other PrfA-dependent promoters. Based on transcriptome analysis, Milohanic and his co-workers identified three groups of genes that were regulated differently by PrfA. Some of these genes containing putative PrfA-boxes in their 5´-upstream regulatory regions were selected for analysis of their transcriptional dependency on PrfA using again the in vitro transcription system. The data show that among these “PrfA-regulated” promoters tested, only the promoter of the hpt gene belonging to group I is clearly activated by PrfA. This promoter is also the only one that exhibited all essential features of a typical PrfA-dependent promoter as described above. In vitro transcription starting at most of the other promoters was neither positively nor negatively affected by PrfA. Transcription initiated at some of the promoters of group III genes (lmo0596 and lmo2067) is rather inefficient with SigA-loaded RNA polymerase, but is highly activated with RNA polymerase loaded with purified SigB. Addition of purified PrfA protein has no effect on the SigB-dependent transcription. These in vitro transcription results indicate that the in vivo observed PrfA effect on the expression of most of the new genes is either indirect or PrfA-mediated transcription of these genes requires - in contrast to the PrfA-dependent transcription of the known virulence genes (including hpt) - additional factors not present in the in vitro transcription assay. In addition to these new genes described by Milohanic, the promoters of two genes (lmo2420 and lmo2840) that contain putative PrfA-boxes with only a single mismatch in their upstream regulatory regions were analyzed in this study. However, transcription of none of these genes is regulated by PrfA, suggesting that these genes are either not truly regulated by PrfA or regulated by other global transcription activators that interact with PrfA by yet unknown mechanisms. By exchanging corresponding sequences between a functionally inactive promoter ParoAP2 and a typical PrfA-dependent promoter PplcA, it is found that PrfA-dependent in vitro transcription can be initiated from the hybrid promoter containing the putative PrfA-box and the SigA-recognized –10 box (TTTAAT) from the putative PrfA-dependent aroAP2 promoter, but it is inhibited strongly by the interspace sequence between these two sites apparently due to an additional RNA polymerase binding site [the –10 box (TAATAT) for the PrfA-independent transcription of ParoAP1)] within this region. Furthermore, a symmetric sequence downstream of the –10 box (TTTAAT) is also shown to be a strongly inhibitory for PrfA-dependent transcription from the putative PrfA-dependent aroAP2 promoter. N2 - Listeria monocytogenes, ein gram-positives, fakultativ intrazelluläres Bakterium. Die meisten bekannten listeriellen Virulenzgene werden durch den positiven Regulationsfaktor PrfA, der zur Crp-Fnr-Familie von Transkriptionsfaktoren zählt, reguliert. Zu den durch PrfA regulierten Genen zählt auch inlC, das das kleine sekretierte Internalin C kodiert. Mit Hilfe des in vitro Transkriptionssystems wurde in dieser Arbeit die PrfA-abhängige Transkription des inlC-Promotors (PinlC) untersucht, um die essentiellen Eigenschaften eines PrfA-abhängigen Promotors zu charakterisieren. Die hier erhaltenen Ergebnisse deuten auf einen dualen Promotor für inlC hin, der für eine PrfA-abhängige und -unabhängige Transkription in vitro und in vivo verantwortlich ist. Ein weiteres wichtiges Merkmal für diesen PrfA-abhängigen Promotor ist der Abstand zwischen dem 3'-Ende der PrfA-Box und dem 5'-Ende der SigA-abhängigen –10 Box, der 22 oder 23 bp beträgt und auch bei anderen bekannten PrfA-abhängigen Promotoren wie PactA, PplcA, Phly und Pmpl zu finden ist. Untersuchungen zeigten, dass die –35 Box von PinlC nicht notwendig für eine PrfA-abhängige Transkription ist. Die –10 Box von PinlC und anderen PrfA-abhängigen Promotoren von L. monocytogenes ähnelt stark den SigA-abhängigen –10 Promotorsequenzen des gut untersuchten gram-positiven Bakteriums B. subtilis. Sogar das erweiterte –10 Motiv (5'-TRTG-3'), das in B. subtilis als Hauptbestandteil vieler SigA-abhängiger Promotoren betrachtet wird, ist auch in PinlC zu finden. Untersuchungen mit Primer Extension zeigten, dass der PrfA-abhängige und PrfA-unabhängige inlC-Promotor die gleiche –10 Box verwenden. Die PrfA-unabhängige Transkription von inlC ist abhängig von einer –35 Box, die direkt downstream der PrfA-Box liegt. Durch die enge Nachbarschaft dieser beiden Sequenzen wird die Transkriptionsaktivität des PrfA-unabhängigen Promotors stark inhibiert, wenn der PrfA-RNA-Polymerase-Komplex an die PrfA-Box bindet. Deletion der PrfA-Box führt zu einer PrfA-unabhängigen Transkription von PinlC, die nicht länger durch PrfA inhibiert wird. Hohe Konzentration an GTP scheint zudem für die PrfA-abhängige Transkripitonsinitiation am inlC-Promotor und anderen PrfA-abhängigen Promotoren notwendig zu sein. Basierend auf Transkriptomanalysen identifizierte Milohanic et al. drei Gruppen von Genen, die differentiell durch PrfA reguliert werden. Einige dieser Gene besitzen putative PrfA-Boxen in ihren Promotorbereichen und wurden in dieser Arbeit mit Hilfe des in vitro Transkriptionssystems auf ihre PrfA-Abhängigkeit untersucht. Die hier erhaltenen Ergebnisse zeigen, dass unter allen untersuchten "PrfA-regulierten" Promotoren nur der Promotor des hpt-Gens - einem Mitglied der Gruppe I - deutlich durch PrfA aktiviert wird. Die meiste andere Promotoren wurde weder positiv noch negativ durch PrfA beeinflusst. Die Transkription von einigen Promotoren der Gruppe III Gene (lmo0596 und lmo2067) ist relativ ineffizient mit SigA-beladener RNA-Polymerase, wird aber stark aktiviert, wenn RNA-Polymerase mit gereinigtem SigB beladen wird. Zugabe von gereinigtem PrfA-Protein hat keinen Einfluss auf die SigB-abhängige Transkription. Diese in vitro-Transkriptionsergebnisse deuten darauf hin, dass der in vivo beobachtete PrfA-Effekt auf die Expression der meisten neu identifizierten Gene entweder indirekt ist oder die PrfA-vermittelte Transkription dieser Gene im Gegensatz zur PrfA-abhängigen Transkription der bekannten Virulenzgene (einschließlich hpt) zusätzliche Faktoren benötigt, die im in vitro Transkriptionsansatz nicht vorhanden sind. Neben diesen neuen von Milohanic et al. beschriebenen Genen wurden die Promotoren von zwei weiteren Genen (lmo2420 und lmo2840) untersucht, die putative PrfA-Boxen mit nur einem Mismatch aufwiesen. Die Transkription dieser beiden Gene zeigte jedoch keine Abhängigkeit von PrfA. Durch Austausch entsprechender Sequenzen zwischen einem funktionell inaktiven Promotor ParoAP2 und einem typischen PrfA-abhängigen Promotor PplcA konnte gezeigt werden, dass PrfA-abhängige in vitro Transkription von einem Hybridpromotor initiiert werden kann, der die putative PrfA-Box und SigA-abhängige –10 Box (TTTAAT) des möglicherweise PrfA-abhängigen aroAP2-Promotors besitzt. In vitro Transkription wird allerdings durch die zwischen PrfA und –10 Box liegende Sequenz des aroAP2-Promotors stark inhibiert, da offensichtlich eine zusätzliche RNA-Polymerase-Bindungsstelle [die –10 Box (TAATAT) für die PrfA-unabhängige Transkription von ParoAP1] in dieser Region vorliegt. Außerdem konnte gezeigt werden, dass eine symmetrische Sequenz downstream der –10 Box (TTTAAT) die PrfA-abhängige Transkription vom aroAP2-Promotor stark inhibiert. KW - Listeria monocytogenes KW - Virulenz KW - Genregulation KW - Listeria monocytogenes KW - das in vitro Transkriptionssystem KW - PrfA KW - das Promotor KW - Listeria monocytogenes KW - in vitro transcription KW - PrfA KW - promoter Y1 - 2004 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-10341 ER - TY - THES A1 - Gerlach, Gabriele T1 - Funktionelle Charakterisierung des BvgAS BH-Zwei-Komponentensystems von Bordetella holmesii T1 - Functional characterization of the BvgAS BH two component system of Bordetella holmesii N2 - Zur Gattung Bordetella gehören mehrere zum Teil sehr eng miteinander verwandte Keime, die bislang, mit Ausnahme des Umweltisolats B. petrii, ausschließlich in Assoziation mit einem Wirtsorganismus nachgewiesen werden konnten. Hierzu gehören zum einen die „klassischen“ Arten, deren pathogenes Potential vom obligat humanpathogenen Erreger des Keuchhustens, B. pertussis, dem ebenfalls humanpathogenen Keim B. parapertussis bis hin zu B. bronchiseptica, dem Erreger von Atemwegserkrankungen in verschiedenen Säugetieren, reicht. Zum anderen wurde dieser Gattung mit B. avium, B. hinzii, B. trematum, B. holmesii und B. petrii in den letzten Jahren „neue“ Arten zugeordnet, die zum Teil humanpathogenes, zum Teil tierpathogenes Potential besitzen. Da die evolutionären Beziehungen der „neuen“ Bordetella-Arten innerhalb der Gattung Bordetella bislang noch wenig untersucht wurden, wurde im Rahmen dieser Arbeit die Verbreitung und Konservierung von bekannten Bordetella-Genen und IS-Elementen bei den „neuen“ Bordetella-Arten untersucht. Aufgrund der vermehrten Hinweise auf ein humanpathogenes Potential von B. holmesii und seiner Assoziation mit einem dem Keuchhusten ähnlichen Krankheitsbild wurde der Schwerpunkt dieser Untersuchungen auf die Analyse der phylogenetischen Beziehungen zwischen B. holmesii und dem B. bronchiseptica-Cluster gelegt. Während durch den Nachweis der bei dem B. bronchiseptica-Cluster vorkommenden IS-Elemente IS481 und IS1001 die durch die 16S rDNA-Sequenz ermittelte Position von B. holmesii innerhalb des B. bronchiseptica-Clusters bestätigt werden konnte, ergab eine vergleichende Sequenzanalyse der in der Gattung Bordetella hoch konservierten Proteine OmpA, BvgA und BvgS die interessante Beobachtung, dass dieser Organismus in dieser Hinsicht viel mehr Ähnlichkeiten zu den „neuen“ Bordetella-Arten besitzt und in diesem Zusammenhang phylogenetisch eher im Umfeld von B. avium anzusiedeln ist. Bei der Charakterisierung von vier unterschiedlichen B. holmesii-Blutisolaten wurden im Rahmen dieser Arbeit zwei variante B. holmesii-Stämme identifiziert, die sich hinsichtlich der fehlenden Expression des intakten Response-Regulators BvgABH von wildtypischen B. holmesii-Isolaten unterscheiden. Im weiteren konnte gezeigt werden, dass bei diesen phasenvarianten Stämmen die fehlende Expression auf eine Punktmutation innerhalb der bvgABH-Nukleotidsequenz zurückzuführen ist. Diese wird in beiden Fällen an der selben Nukleotidposition durch die Insertion eines Adenosinrestes hervorgerufen. Obwohl dieser Sequenzabschnitt nicht durch eine repetitive Nukleotidfolge gekennzeichnet ist und somit keinerlei Ähnlichkeiten mit einer für Frameshift-Mutationen anfälligen Stelle besitzt, könnte es sich bei der identifizierten DNA-Region dennoch um einen „hot spot“ für eine Punktmutation handeln, da die zwei varianten B. holmesii-Stämmen unabhängig voneinander aus unterschiedlichen Blutkulturen isoliert wurden. Von besonderer Bedeutung war zudem die Beobachtung, dass sich unter diesen varianten Stämmen auch der bei den Stammsammlungen als Referenzstamm abgelegte B. holmesii-Stamm ATCC51541 befindet. Da im Rahmen dieser Arbeit keinerlei offensichtliche phänotypische Unterschiede zwischen den varianten und den wildtypischen B. holmesii-Stämmen festgestellt werden konnten, bleibt die Bedeutung der Phasenvariation bei B. holmesii bislang noch ungeklärt. Im weiteren wurde mit Hilfe eines „Genome Walks“ die an den bvgABH-Leserahmen angrenzenden DNA-Bereiche für B. holmesii ermittelt. Dabei konnte 5 bp nach dem bvgABH-Stoppcodon ein weiterer Leserahmen (bvgSBH) identifiziert werden, welcher Homologien zu der Histidinkinase BvgS aus B. pertussis besitzt. Interessanterweise stellte sich bei der Sequenzanalyse heraus, dass der Konservierungsgrad des bvgASBH-Locus aus B. holmesii und des bvgAS-Locus aus B. pertussis auf DNA-Ebene sehr gering ist. Diese Beobachtung erklärt wiederum, warum der bvgASBH-Genlocus aus B. holmesii früher nicht durch DNA/DNA- Hybridisierungs-Experimente mit einer B. pertussis spezifischen DNA-Sonde nachgewiesen werden konnte und sein Vorhandensein erst nach dem Einsatz von degenerierten Primern über PCR-Analysen detektiert werden konnte. Im weiteren konnte über den „Genome Walk“ gezeigt werden, dass die an dem bvgAS-Locus angrenzenden DNA-Bereiche innerhalb der Gattung Bordetella nicht konserviert sind. Zum einen ist der bvgASBH-Locus aus B. holmesii nicht wie bei dem B. bronchiseptica-Cluster in 5´-Richtung von dem fhaB-orthologen Genlocus benachbart, da sich an dieser Stelle ein weiterer, potentieller Response-Regulator befindet. Ebenso konnten stromaufwärts von bvgASBH keinerlei Hinweise auf das Vorhandensein eines, dem bvgR-Gen der „klassischen“ Arten orthologen Leserahmens erzielt werden. Über weitere Sequenzanalysen konnte darüber hinaus gezeigt werden, dass der Promotorbereich des bvgASBH-Genlocus überraschenderweise keinerlei offensichtliche Sequenzhomologien zu dem entsprechenden Promotorbereich der bvgAup-Region der „klassischen“ Arten zeigt. Dennoch konnten über in silico-Analysen mehrere Sequenzmotive innerhalb der bvgABHup-Region identifiziert werden, die als „inverted repeat“-Strukturen angeordnet sind und die zum Teil eine hohe Übereinstimmung zu der für die „klassischen“ Bordetella-Arten beschriebene BvgA-Konsensussequenz 5´-T/A T T C C/T T A-3 besitzen. Während sich diese Wiederholungssequenzen hinsichtlich ihrer Symmetrie und ihrer Anordnung von denen innerhalb der für das B. bronchiseptica-Cluster beschriebenen bvgAup-Region unterscheiden, konnten auffällige Parallelen zu der Promotorregion des vag- (virulence activated gene) Gens bvgR festgestellt werden. Obwohl sowohl der Response-Regulator BvgABH aus B. holmesii als auch das BvgA-Protein aus B. pertussis in vitro an die „inverted repeat“ Strukturen der bvgABHup-Region binden kann, führte eine Analyse der GFP-Expression der Reportergenfusion bvgABHup-gfp zu der erstaunlichen Beobachtung, dass die Reportergenfusion in B. pertussis durch die Bindung des BvgA-Proteins reprimiert wird, während sie im Gegensatz dazu in B. holmesii durch die Bindung des BvgABH-Proteins aktiviert wird. Die molekulare Grundlage für diese unterschiedlichen Regulationsmechanismen konnte im Rahmen dieser Arbeit nicht ermittelt werden. Trotz einer umfangreichen Sequenzkonservierung zwischen dem Response-Regulator BvgABH aus B. holmesii und BvgA aus B. pertussis ist das BvgABH-Protein nicht in Lage, die Funktion des BvgA-Proteins aus B. pertussis in vitro bzw. in vivo zu ersetzen. Im Gegensatz dazu konnte mit Hilfe von Komplementationsexperimenten gezeigt werden, dass die Histidinkinase BvgSBH aus B. holmesii in der Lage ist, die Funktion des in dem B. pertussis Stamm 347 mutierten BvgS-Proteins zu übernehmen. Überraschenderweise unterschiedet sich jedoch das BvgSBH-Protein hinsichtlich der Wahrnehmung der Umweltstimuli von BvgS, da die Aktivität der Histidinkinase BvgSBH in dem hybriden B. pertussis Stamm BP 347 (pRK415-bvgASBH ATCC51541) nicht vollständig durch Sulfationen moduliert werden kann. Dies ist möglicherweise darauf zurückzuführen, dass im Gegensatz zu den cytoplasmatischen Regionen die BvgSBH- und BvgS- Sensorproteine vor allem in ihren sensorischen Bereichen einen sehr geringen Konservierungsgrad aufweisen. N2 - Members of the genus Bordetella form a group of closely related organisms. With the exception of the environmental isolate B. petrii, Bordetella species were known until now exclusively in close association with host organsims. The three “classical” Bordetella species possess different pathogenic potential, ranging from the strictly human pathogen and etiological agent of whooping cough, B. pertussis and the likewise human pathogen B. parapertussis to B. bronchiseptica, which causes respiratory infections in a wide range of warm-blooded animals. On the other hand, within the past few years new species have been included in the genus Bordetella, namely, B. avium, B. hinzii, B. trematum, B. holmesii and B. petrii, which are pathogenic for human and/or animals. Since little is known about the phylogenetic relationship of the “new” Bordetella species within the genus Bordetella, these species were inverstigated considering the distribution and conservation of well-characterized Bordetella genes and IS elements. Because of the increasing indication of B. holmesii as an human pathogen and its association with pertussis-like symptomes these experiments were focused on the analysis of its phylogenetic relationship to the B. bronchiseptica cluster. Whereas the observation that the IS elements IS481 and IS1001, characteristic for the B. bronchiseptica cluster, are also found in B. holmesii, supports the 16S rDNA based close relationship of B. holmesii to the B. bronchiseptica cluster, the comparative analysis of OmpA, BvgA and BvgS protein sequences does not. In this regard, B. holmesii is more closely related to other “new” Bordetella species, being directly adjacent to B. avium. During the characterization of four different B. holmesii blood isolates, two variant B. holmesii strains were identified which differ from B. holmesii wild-type strains regarding the expression of the intact response regulator BvgABH. DNA sequence analysis revealed that the lack of expression of BvgABH arises from frameshift mutations which in both cases are due to the presence of an extra A residue within the bvgABH nucleotid sequence. Since the sequence around the site of this point mutation is not characterized by runs of a particular nucleotide there is no evidence for a “classical” context for frameshift mutations. Nevertheless, this DNA region may represent a “hot spot” for frameshift mutations as the two variant B. holmesii strains were isolated independently from different blood cultures. Remarkably, the type strain of B. holmesii is one of the two identified phasevariant strains. However, the role of phase variation in the natural biology of B. holmesii remains unclear since no obvious phenotypic differences could be detected between variant and wildtyp strains. Using the “genome walking” technique a bvgS orthologous gene (bvgSBH) was identified 5 bp downstream of the bvgABH stopcodon. DNA sequence analysis revealed that the bvgASBH locus of B. holmesii and the bvgAS locus of B. pertussis have very limited similarity at the DNA level explaining previous failures to identify the bvgASBH loci in B. holmesii using DNA/DNA hybridization studies and the necessity to make use of degenerate oligonucleotide primers to detect this orthologous genelocus via PCR. The “genom walking” approach further revealed that the flanking regions of the bvgAS loci are not conserved within the genus Bordetella since the bvgASBH locus is not immediately 5´ to the fhaB gene of B. holmesii. Instead, an open reading frame with similarity to a putative reponse regulator was detected upstream of bvgABH. Likewise no evidence of a bvgR homologous genlocus was detected downstream of bvgSBH. Further DNA sequence analysis additionally showed no obvious sequence similarities between the potential promoter region of the bvgASBH locus (bvgABHup) and the bvgAS promoter region of B. pertussis (bvgAup) but revealed the presence of several “inverted repeat” structures within the bvgABHup region which matches the BvgA binding site consensus sequence 5´-T/A T T C C/T T A-3. Whereas the symmetry and the organization of those structures are significantly different from those described within the bvgAup region, interessting similarities to the promoter region of the vag (virulene activated gene) gene bvgR could be identified. Although both, the response regulator BvgABH of B. holmesii and the BvgA protein of B. pertussis show nearly identical binding properties to the “inverted repeat” structures of the bvgABHup region in vitro, analysis of the reporter gene fusion bvgABHup-gfp leads to the observation that in B. pertussis binding of BvgA to the bvgABHup region results in repression of the reporter gene while, BvgABH binding activates GFP expression in B. holmesii. However, the molecular basis for these different regulatory mechanisms remain unclear. Despite extensive sequence conservation between the response regulator BvgABH of B. holmesii and BvgA of B. pertussis, the BvgABH protein is not able to replace the function of the BvgA protein in vitro and in vivo, respectively. In contrast, as was shown by complementation experiments, the histidine kinase BvgSBH of B. holmesii is able to replace the function of the mutated BvgS protein in the B. pertussis strain 347. Nevertheless, also interesting differences between the BvgSBH were identified considering signal recognition since the BvgSBH protein of the hybride B. pertussis strain BP 347 (pRK415-bvgASBH ATCC51541) is only weakly responsive to MgSO4. This may be due to the fact that, in contrast to the corresponding cytoplasmatic regions, the BvgSBH and BvgS sensor proteins are not well conserved in their predicted sensoric regions. KW - Bordetella KW - Genregulation KW - Genregulation KW - Bordetella KW - Genregulation KW - Bordetella Y1 - 2004 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-10419 ER - TY - JOUR A1 - Poethke, Hans-Joachim A1 - Hovestadt, Thomas A1 - Mitesser, Oliver T1 - Local extinction and the evolution of dispersal rates: Causes and correlations N2 - We present the results of individual-based simulation experiments on the evolution of dispersal rates of organisms living in metapopulations. We find conflicting results regarding the relationship between local extinction rate and evolutionarily stable (ES) dispersal rate depending on which principal mechanism causes extinction: if extinction is caused by environmental catastrophes eradicating local populations, we observe a positive correlation between extinction and ES dispersal rate; if extinction is a consequence of stochastic local dynamics and environmental fluctuations, the correlation becomes ambiguous; and in cases where extinction is caused by dispersal mortality, a negative correlation between local extinction rate and ES dispersal rate emerges. We conclude that extinction rate, which both affects and is affected by dispersal rates, is not an ideal predictor for optimal dispersal rates. KW - Ausbreitung KW - Evolution KW - Computersimulation KW - Metapopulation KW - dispersal KW - evolution KW - ESS KW - metapopulation KW - extinction KW - individual-based model Y1 - 2003 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-47718 ER - TY - THES A1 - Hassel, Jessica C. T1 - Untersuchungen zur Apoptoseregulation durch die Melanom induzierende Rezeptortyrosinkinase Xmrk T1 - Investigations on apoptosis regulation by the melanoma inducing receptor tyrosine kinase Xmrk N2 - Überexpression der konstitutiv aktiven Rezeptortyrosinkinase Xmrk im Zahnkarpfen Xiphophorus führt zur Ausbildung maligner Melanome. Expressionsstudien in transgenen Medaka-Fischen haben gezeigt, daß Xmrk allerdings nur in bestimmten Geweben wie Hirn, Epithelien, Auge und Pigmentzellen zur Tumorbildung führt. Zellen, die durch Xmrk transformiert werden können, scheinen somit über entsprechende Komponenten der durch Xmrk induzierten intrazellulären Signaltransduktion verfügen zu müssen. Bisher wurde eine Reihe von Signalproteinen identifiziert, die von Xmrk rekrutiert und aktiviert werden. Dazu gehören die PLC-g, die Adapterproteine Shc und Grb2, die PI3K, die Fyn-Kinase aus der Familie der Src-Kinasen und der Transkriptionsfaktor STAT5. Um die Signaltransduktion von Xmrk in induzierbarer Form untersuchen zu können, wurde eine mit EGF stimulierbare Rezeptorchimäre HER-mrk, deren extrazellulärer Anteil vom humanen EGF-R und deren intrazellulärer Anteil von Xmrk stammt, in der IL-3 abhängigen murinen pro-B-Zellinie Ba/F3 exprimiert. EGF-Stimulation dieser als BaF Hm bezeichneten Zellen führt zu IL-3 unabhängigem Wachstum und zu Langzeitüberleben. Stimulation des aus der gleichen Genfamilie stammenden EGF-Rezeptors hingegen, wird er in Ba/F3 Zellen exprimiert, kann kein Langzeitüberleben vermitteln. Erste Untersuchungen zeigten, daß das durch HER-mrk vermittelte Langzeitüberleben in Ba/F3 Zellen nicht auf einer höheren Rezeptorexpression verglichen mit den EGF-R exprimierenden Zellen beruht. Allerdings korreliert die Rezeptordichte mit der DNA-Syntheseleistung der Ba/F3 Zellen. Durch verschiedene carboxyterminal verkürzte HER-mrk Rezeptormutanten wurde eine unterschiedliche Anzahl von Substratbindungsstellen von Xmrk deletiert. Expression dieser HER-mrk Rezeptormutanten in Ba/F3 Zellen zeigte, daß für die Auslösung der Replikation der DNA keine C-terminale Substratbindungsstelle notwendig ist, während für eine Vollendung der Zellteilung mit Zellvermehrung und für Langzeitüberleben zwei membrannahe Substratbindungsstellen ausreichend sind. Der Vergleich der durch die verschiedenen Rezeptoren induzierten Signalwege bzw. der Substratinteraktionen von HER-mrk, seinen Mutanten und dem EGF-R gab Hinweise auf für die Antiapoptose entscheidende Signalwege. Untersuchungen zur Aktivierung von STAT1, 3 und 5 zeigten, daß HER-mrk zu einer Aktivierung aller drei STAT-Proteine führt, während der EGF-R in Ba/F3 Zellen nur STAT1 und 3, nicht aber STAT5 aktivieren kann. Die HER-mrk Rezeptormutanten zeigten, daß für die Aktivierung von STAT5 durch HER-mrk keine carboxyterminale Substratbindungsstelle notwendig ist, diese aber möglicherweise durch Stabilisierung der Rezeptorbindung seine Aktivierung verstärken. Für die Aktivierung von STAT1 und 3 hingegen sind carboxyterminale Substratbindungsstellen entscheidend. Das für ein antiapoptotisches Protein kodierende STAT5-Zielgen bcl-X wurde als HER-mrk Zielgen identifiziert. Auch die schwächere STAT5 Aktivierung durch die trunkierte HER-mrk Rezeptormutante Hm delta1006 hatte eine bcl-X Transkription zur Folge, während der EGF-R bcl-X nicht induzierte. Untersuchungen weiterer antiapoptotischer Signalwege zeigten, daß die mrk-Kinase sowie ihre Rezeptormutante Hm delta1006 im Gegensatz zum EGF-R auch zu einer Induktion von bcl-2 führen. Da diese Mutante kein Langzeitüberleben vermittelt, ist somit die Induktion der Genexpression antiapoptotischer Proteine wie Bcl-XL und Bcl-2 nicht ausreichend für Antiapoptose. Es bedarf somit der Kombination mehrerer antiapoptotischer Signalwege, um Langzeitüberleben zu sichern. Expression der Rezeptorchimäre HER-mrk in murinen Melanozyten führt bei Stimulation der mrk-Kinase zur Transformation der Zellen. Im Rahmen dieser Arbeit konnte eine starke Induktion von bcl-X nach HER-mrk Stimulation in den Melanozyten nachgewiesen werden. Bei der Untersuchung humaner Melanomzellinien, die in der Expression verschiedener Rezeptortyrosinkinasen oft ein sehr unterschiedliches Muster zeigen, konnte eine konstitutive Aktivität von STAT5 in allen untersuchten Zellinien nachgewiesen werden, während STAT1 und 3 nur eine schwache und inhomogene Basalaktivität aufwiesen. Es zeigt sich folglich ein ähnliches Bild wie im Xiphophorus-Melanom, in dem ausschließlich STAT5 konstitutiv aktiv ist. Die untersuchten humanen Melanomzellinien zeigten durchweg eine Expression von Bcl-XL. Andere Signalwege wie z.B. die Aktivierung der MAPK hingegen zeigten ein heterogenes Muster bei den verschiedenen Zellinien. Erste Experimente in A375 Zellen deuten darauf hin, daß die Expression von dominant negativem STAT5 zur Reduktion der bcl-X Transkription und zur Apoptose der Zellen führt (Wellbrock, unveröffentlicht). Der STAT5/Bcl-XL Signalweg scheint folglich ganz entscheidend für die Antiapoptose von Melanomen zu sein. N2 - Overexpression of the constitutively active receptor tyrosine kinase Xmrk, a member of the EGF-R family, in the fish Xiphophorus leads to the formation of malignant melanoma. Studies in transgenic Medaka fish showed that Xmrk only induced tumour formation in distinct tissues like brain, epithelia, eye and pigment cells. This showed that cells, which can be transformed by Xmrk need to have the appropriate components of the Xmrk signal transduction pathways. Until now PLC-g, the adaptor proteins Shc and Grb2, PI3K, the Src kinase Fyn and the transcription factor STAT5 have been identified as signalling proteins recruited and activated by Xmrk. To further investigate the mrk kinase induced signal transduction the receptor chimera HER-mrk was expressed in the IL-3 dependent pro-B cell line Ba/F3. This receptor chimera consists of the extracellular part of the human EGF receptor and the intracellular part of Xmrk. EGF stimulation, therefore, leads to mrk specific signalling in Ba/F3 cells. In HER-mrk expressing Ba/F3 cells EGF can replace the physiological growth factor IL-3 for proliferation and long term survival. In contrast stimulation of the EGF receptor if expressed in Ba/F3 cells does not have this effect. The long term survival triggered by HER-mrk was not based on higher receptor densities of HER-mrk expressing Ba/F3 cells compared to EGF-R expressing ones. Even a strong EGF-R expression could not mediate long term survival whereas even a low HER-mrk receptor expression was sufficient. Expression of C-terminal truncated HER-mrk receptor mutants in Ba/F3 cells showed that for induction of DNA synthesis no C-terminal substrate binding site is needed and that to complete cell division and for long term survival the two membrane proximal binding sites are important. This made it possible to define the crucial pathways for antiapoptotic signalling. Further analysis revealed that Her-mrk activates STAT1, 3 and 5 proteins, whereas the EGF-R could only activate STAT1 and 3, but not STAT5 in Ba/F3 cells. Strikingly, the HER-mrk receptor mutants showed that STAT5 activation by HER-mrk is not dependent on one of the known substrate binding sites but that C-terminal phosphotyrosines enhance the activation of STAT5, possibly by stabilizing the binding to the receptor. For the activation of STAT1 and 3, however, C-terminal substrate binding sites are needed. With regard to antiapoptotic signalling pathways a possible induction of the STAT5 target gene bcl-X has been investigated. Indeed, HER-mrk leads in contrast to the EGF-R to an induction of bcl-X transcription. Even the weaker STAT5 activation by the HER-mrk receptor mutant Hm delta1006 is followed by bcl-XL expression. Investigation of other antiapoptotic singalling pathways showed that the mrk kinse also leads to an induction of bcl-2 expression in contrast to the EGF-R. Strinkingly this was also seen for the receptor mutant Hm delta1006, which is not able to mediate long term growth in Ba/F3 cells. Therefore induction of the expression of the antiapoptotic proteins bcl-XL and bcl-2 seems not to be sufficient for long term survival. This suggests that a combination of different pathways is needed. Expression of the receptor chimera HER-mrk in murine melanocytes induces transformation of the cells under treatment with EGF. With this study it could be shown that mrk stimulation in these melanocytes leads to a strong induction of bcl-X which seems to be based on the activation of STAT5. Investigation of different human melanoma cell lines which often show varying expression of different receptor tyrosine kinases revealed constitutive activation of STAT5 in all of the tested cell lines. STAT1 and 3 however were only weakly activated and showed different activation patterns in the melanoma cell lines. Therefore in human melanoma cell lines a similar picture as for the Xiphophorus melanoma was found. While bcl-XL could not be investigated in the fish melanoma due to lacking cross reactivity of the antibody, northern probes and RT-PCR primers, the human melanoma cell lines showed expression of bcl-XL. Other pathways like the activation of MAPK, however, displayed a heterogenous activation pattern in the different cell lines. First experiments in A375 cells gave evidence that expression of dominant negative STAT5 is followed by reduction of bcl-X transcription and apoptosis of the cells (Wellbrock, unpublished). The STAT5/bcl-XL pathway therefore seems to be crucial for antiapoptosis in melanomas. KW - Apoptose KW - Rezeptortyrosinkinase KW - Melanom KW - STAT KW - Bcl-X KW - apoptosis KW - receptor tyrosine kinase KW - melanoma KW - STAT KW - bcl-X Y1 - 2003 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-11319 ER - TY - THES A1 - Schwärzel, Martin T1 - Localizing engrams of olfactory memories in Drosophila T1 - Lokalisation von Duftgedächtnissen in Drosophila N2 - Zars and co-workers were able to localize an engram of aversive olfactory memory to the mushroom bodies of Drosophila (Zars et al., 2000). In this thesis, I followed up on this finding in two ways. Inspired by Zars et al. (2000), I first focused on the whether it would also be possible to localize memory extinction.While memory extinction is well established behaviorally, little is known about the underlying circuitry and molecular mechanisms. In extension to the findings by Zars et al (2000), I show that aversive olfactory memories remain localized to a subset of mushroom body Kenyon cells for up to 3 hours. Extinction localizes to the same set of Kenyon cells. This common localization suggests a model in which unreinforced presentations of a previously learned odorant intracellularly antagonizes the signaling cascades underlying memory formation. The second part also targets memory localization, but addresses appetitive memory. I show that memories for the same olfactory cue can be established through either sugar or electric shock reinforcement. Importantly, these memories localize to the same set of neurons within the mushroom body. Thus, the question becomes apparent how the same signal can be associated with different events. It is shown that two different monoamines are specificaly necessary for formation of either of these memories, dopamine in case of electric shock and octopamine in case of sugar memory, respectively. Taking the representation of the olfactory cue within the mushroom bodies into account, the data suggest that the two memory traces are located in the same Kenyon cells, but in separate subcellular domains, one modulated by dopamine, the other by octopamine. Taken together, this study takes two further steps in the search for the engram. (1) The result that in Drosophila olfactory learning several memories are organized within the same set of Kenyon cells is in contrast to the pessimism expressed by Lashley that is might not be possible to localize an engram. (2) Beyond localization, a possibible mechanism how several engrams about the same stimulus can be localized within the same neurons might be suggested by the models of subcellular organisation, as postulated in case of appetitive and aversive memory on the one hand and acquisition and extinction of aversive memory on the other hand. N2 - Troy Zars und seine Mitarbeiter konnten für das olfaktorische Elektoschockgedächtnis von Drosophila zum ersten mal die Spur eines Duftgedächtnisses in den Pilzkörpern (PK) lokalisieren. Darauf aufbauend stelle ich nun in dieser Arbeit zwei Fragen: 1. Wäre es möglich auch den Prozess der Auslöschung dieses Gedächtnissen zu lokalisieren? Obwohl die Verhaltensphysiologie der Gedächtnisauslöschung sehr gut charakterisiert sind weiss man sehr wenig über die daran beteiligten molekularen Signalmechanismen und Strukturen. In Anlehnung an die Arbeit von Zars et al. (2000) kann ich zeigen, dass sowohl die Speicherung wie auch die Auslöschung dieses Gedächt-nisses in den gleichen Kenyonzellen der PK geschieht. Diese gemeinsame zelluläre Lokalisierung legt ein Model nahe, in dem die wiederholte Präsentation des mit Elektro-schock assoziierten Duftes während der Auslöschung, intrazellulär auf die gleichen Signalwege wirkt die auch für die Bildung des Duftgedächtnisses notwendig sind. 2. Wäre es möglich auch die Spur eines attraktive Duftgedächtnisses zu lokalisieren? Ich kann zeigen, dass Gedächtnisse über den gleichen Duft sowohl attraktiv als auch repulsiv sein können, je nachdem ob Zucker oder Elektroshock während der pavlovschen Konditionierung benutzt wird. Beide Gedächtnisse sind im gleichen Satz von Kenyonzellen lokalisiert. Dies wirft die Frage auf, wie das gleiche Duftsignal mit zwei verschiedenen Ereignissen (Zucker und Elektroschock) assoziiert werden kann. Es zeigt sich, dass zwei unterschiedliche Monoamine jeweils spezifisch für das Anlegen eines der beiden Gedächtnisse verantwortlich sind; Dopamin für das Electroschockgedächtnis und Octopamin für das Zuckergedächtnis. Berücksichtigt man wie Duftreize in den PK kodiert sind, ergibt sich ein Model bei dem zwar beide Spuren in einer Zelle lokalisiert sind, diese jedoch durch die Nutzung unterschiedlicher subzellulärer Bereiche voneinander getrennt werden. Jeweils einer dieser Bereiche wäre durch Dopamin moduliert, der andere durch Octopamin. Das Fazit dieser Studie ist, dass zwei wichtige Punkte bei der Lokalisierung von Gedächtnis-spuren aufgezeigt wurden. (1) Die Tatsache, dass beim Duftlernen von Drosophila mehrere Spuren verschiedener Duftgedächtnisse lokalisiert worden sind widerlegt die von Lashley aufgestellte Behauptung, dass Gedächtnisse nicht lokalisierbar sind. (2) Verschiedene Spuren können für den gleichen Duft in den gleichen Zellen angelegt werden, sofern man eine subzelluläre Organisation annimmt, wie sie sowohl für Zucker- und Elektroschockgedächtnis, als auch Gedächtnisbildung und Auslöschen vorgeschlagen werden KW - Taufliege KW - Gedächtnis KW - Lernen KW - Signaltransduktion KW - Gedächtnis KW - Verhalten KW - Catecholamine KW - Signaltransduktion KW - Lernen KW - Memory KW - Behaviour KW - catecholamines KW - signaltransduction KW - learning Y1 - 2003 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-5065 ER - TY - THES A1 - Gehrig, Andrea T1 - Untersuchungen zu den molekularen Ursachen der X-gebundenen juvenilen Retinoschisis - vom Gendefekt zum Mausmodell T1 - Molecular studies of X-linked juvenile Retinoschisis - from gene defect to the mouse model N2 - Hereditäre Netzhautdegenerationen betreffen weltweit etwa 15 Millionen Menschen. Sie sind klinisch und genetisch auffällig heterogen. Bisher wurden 139 verschiedene chromosomale Genorte mit Netzhautdystrophien assoziiert, wovon inzwischen 90 Gene identifiziert werden konnten. Mit Hilfe verschiedener Klonierungsstrategien konnte in der vorgelegten Arbeit ein Beitrag zur Aufklärung der genetischen Ursachen einiger ausgewählter Retinopathien geleistet werden. So konnte durch die Positionsklonierung das Gen, das mit der X-gebundenen juvenilen Retinoschisis (RS) assoziiert ist, identifiziert werden. Funktionelle Analysen des Genproduktes sowie die Generierung eines Mausmodells der RS geben einen Einblick in die Physiologie der Retina sowie den Pathomechanismus der Erkrankung. Die genomische Organisation des Interphotorezeptor-Matrixproteoglykans-1 (IMPG1) wurde aufgeklärt und die chromosomale Lokalisation auf 6q13-15 bestimmt. Damit kartierte das Gen in eine Region, in die die Genorte für 7 Retinopathien des Menschen kartiert wurden. Durch Kopplungs- und Mutationsanalysen konnten unsere Arbeiten ausschließen, daß IMPG1 mit North Carolina Makuladystrophie (MCDR1) oder der progressiven bifokalen chorioretinalen Atrophie (PBCRA) in Zusammenhang steht. Die Diacylglycerin Kinase-3 (DAGK3) konnte nach der Bestimmung der genomischen Organisation in die Region 3q27-28 kartiert werden. Dieser chromosomale Abschnitt deckt sich mit der chromosomalen Lokalisation der autosomal dominanten Optikusatrophie (OPA1). Auch hier konnte mit Hilfe von Mutationsanalysen ein Ausschluß des Gens erfolgen. Die X-gebundene juvenile Retinoschisis ist eine häufige Ursache juveniler Makula-degenerationen und betrifft etwa 300.000 junge Männer weltweit. Charakteristische Kennzeichen der Erkrankung sind Aufspaltungen in den inneren Netzhautschichten, die zu zystischen Veränderungen der zentralen Retina führen. Ungefähr 50 % der Patienten entwickeln auch periphere Manifestationen. Durch die Arbeit unserer und anderer Forschergruppen konnte der Krankheitslokus in einen etwa 900 kb großen Bereich auf dem kurzen Arm des X-Chromosoms (Xp22.2) kartiert werden. Durch einen Vergleich der genomischen DNA Sequenzen mit öffentlich zugänglichen ESTs (expressed sequence tags) konnte ein retinaspezifisches Transkript identifiziert werden. Es besteht aus 6 Exonen und kodiert für ein putatives 224 Aminosäuren großes Protein, das sekretiert wird und ein hochkonserviertes Discoidindomänen-Motiv enthält. Discoidindomänen sind in Zelladhäsion oder in Zell-Zell Interaktionen involviert. Mutationsanalysen in RS-Patienten bestätigten, daß es sich bei diesem Transkript um RS1, d.h. um das krankheitsassoziierte Gen der X-gebundenen juvenilen Retinoschisis handelte. Das RS1-Protein (Retinoschisin) kommt in homo-oligomeren Komplexen, die über Disulfidbrücken miteinander verbunden sind, auf der Zelloberfläche der Photorezeptoren und der Bipolaren sowie in den synaptischen Regionen der äußeren (OPL) und innere plexiformen Schicht (IPL) vor. Um die Funktion des normalen Retinoschisins zu untersuchen und um einen Einblick in die RS-Pathogenese zu bekommen, wurde nach der Charakterisierung des orthologen murinen Gens (Rs1h) eine Retinoschisin-defiziente knock-out Maus generiert. Ophthalmologische und histologische Untersuchungen der Rs1h-/Y-Maus zeigen signifikante Parallelen zu dem RS-Erkrankungsbild des Menschen. Damit stellt die Rs1h knock-out Maus ein ideales Tiermodell für die Untersuchung des zugrundeliegenden Krankheitsmechanismusses dar. So konnten wir inzwischen zeigen, daß apoptotische Prozesse zur Degeneration der Photorezeptoren führen. Gegenwärtig werden mit diesem Tiermodell erste gentherapeutische Versuche durchgeführt. Diese Arbeiten sollen Aufschluß darüber geben, ob ein Adeno-assoziierter Virus (AAV)-Transfer des RS1 Gens in die erkrankte Retina ein möglicher Therapieansatz für RS auch beim Menschen sein könnte. N2 - The World Health Organization (WHO) estimates that worldwide approximately 15 million people are affected with hereditary retinal degenerations. Retinal dystrophies are clinically and genetically heterogeneous. To date, 90 retinal disease genes have been identified and of 139 retinal disease genes the chromosomal location is known. In this study, different strategies of disease gene cloning were utilized to elucidate the underlying genetic defects of selected retinopathies. This has led to the identification of the gene associated with X-linked juvenile retinoschisis (RS) by positional cloning. Both, functional analysis of the gene product, named retinoschisin (RS1), and the generation of a mouse model for RS provide novel insight into retinal physiology and the pathomechanism of the disease. The genomic organization of the interphotoreceptor matrix proteoglycan-1 (IMPG1) was established and its chromosomal localization was identified (6q13-15). Seven different human retinal dystrophies have previously been mapped to this region on chromosome 6. A possible genetic association between IMPG1 and two retinal dystrophies, North Carolina macular dystrophy (MCDR1) and progressive bifocal chorioretinal atrophy (PBCRA), was investigated. By means of linkage studies and mutation analysis in affected patients the involvement of IMPG1 in these two different diseases was ruled out. The genomic organization of diacylglycerol kinase-3 (DAGK3) was determined and the gene locus was mapped to chromosome 3q27-28. The autosomal dominant optic atrophy (OPA1) was independently localized to the same chromosomal region. This has prompted us to investigate the role of DAGK3 in OPA1. By mutation analysis such a correlation could be excluded. X-linked juvenile retinoschisis is a common cause of juvenile macular degeneration affecting approximately 300.000 young males worldwide. The disease is characterized by a slitting of the inner retinal layers resulting in cystic degeneration of the central retina. Half of the patients also develop peripheral manifestations. Our laboratory and others localized the RS gene to a 900 kb interval on the short arm of chromosome Xp22.2. Comparison of genomic DNA sequences with publicly available expressed sequence tags (ESTs) have identified a retina-specific transcript. This novel transcript is composed of six exons that encode a 224-amino acid protein including a 23 amino acid signal peptide. Bioinformatical analysis revealed that the putative protein consists almost exclusively of a discoidin domain wich is highly conserved from slime mold to human. Discoidin domains are implicated in cell adhesion or cell-cell interactions. On the basis of mutation analysis in patients affected with RS, we confirmed that the gene indeed is responsible for RS pathology. The RS1 protein is found at the cell surfaces of photoreceptors and bipolar cells and within the synaptic regions of the outer (OPL) and the inner plexiform layers (IPL) most likely as a homo-oligomeric complex. To clarify the function of the normal RS1 and to gain insight into RS pathogenesis a mouse model deficient of the endogenous RS1 protein was generated. For these purposes the genomic organization of the murine orthologous RS1 gene (Rs1h) was identified. Ophthalmologic and histologic analysis of Rs1h-/Y mice revealed significant parallels to the human RS phenotyp. Therefore, the knock-out mouse represents an ideal model to further study the underlying disease mechanism. Recently, we showed that apoptosis is the final pathway of photoreceptor degeneration in Rs1h-/Y mice. Most importantly this mouse model can serve as proof-of-concept for gene therapy. Towards this end we are testing adeno-associated virus (AAV)-based gene transfer of RS1 into the defect murine retina. This may pave the way for a gene based future intervention in humans affected with this condition. KW - Maus KW - Retinoschisis KW - Erbkrankheit KW - Molekulargenetik KW - X-gebundene juvenile Retinoschisis KW - Gendefekt KW - Mausmodell KW - X-linked juvenile retinoschisis KW - gene defect KW - mouse model Y1 - 2003 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-7212 ER - TY - THES A1 - Wagner, Nicole T1 - Charakterisierung der Kernmembranproteine Lamin-B-Rezeptor und Bocksbeutel von Drosophila melanogaster T1 - Characterization of nuclear membrane proteins Lamin B Receptor and Bocksbeutel of Drosophila melanogaster N2 - Funktionelle Charakterisierung neuer Proteine der inneren Kernmembran von Drosophila melanogaster: Drosophila Lamin B Rezeptor (dLBR), ein integrales Membranprotein der inneren Kernmembran; Bocksbeutel alpha und Bocksbeutel beta, LEM-Domänen Proteine sowie deren potentiellen Interaktionspartner Drosophila Barrier-to-Autointegration Factor (dBAF). N2 - Functional characterization of novel inner membrane proteins of Drosophila melanogaster: Drosophila Lamin B Receptor (dLBR), a novel integral membrane protein of the inner nuclear membrane; Bocksbeutel alpha and Bocksbeutel beta, LEM-domain proteins and their putative interacting partner Drosophila Barrier-to-Autointegration Factor (dBAF). KW - Taufliege KW - Kernhülle KW - Proteine KW - Molekularbiologie KW - Kernhülle KW - innere Kernmembran KW - LEM Domäne KW - nuclear envelope KW - INM KW - LEM domain Y1 - 2003 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-7245 ER - TY - THES A1 - Nedvetsky, Pavel I. T1 - Regulation of the nitric oxide receptor, soluble guanylyl cyclase T1 - Regulation des Rezeptor des Stickstoffoxides löslicher Guanylylcyclase N2 - Soluble guanylyl cyclase (sGC) is the best established receptor for nitric oxide (NO) and regulates a great number of important physiological functions. Surprisingly, despite the wellappreciated roles of this enzyme in regulation of vascular tone, smooth muscle cell proliferation, platelet aggregation, renal sodium secretion, synaptic plasticity, and other functions, extremely little is known about the regulation of sGC activity and protein levels. To date, the only well-proven physiologically relevant sGC regulator is NO. In the present study, some additional possibilities for sGC regulation were shown. Firstly, we evaluated the ability of different NO donors to stimulate sGC. Significant differences in the sGC stimulation by SNP and DEA/NO were found. DEA/NO stimulated sGC much stronger than did SNP. Interestingly, no correlation between the sGC protein and maximal activity distribution was found in rat brain regions tested, suggesting the existence of some additional regulatory mechanisms for sGC. The failure of SNP to stimulate sGC maximally might be one of the reasons why the lack of correlation between the distribution of sGC activity and proteins in brain was not detected earlier. Prolonged exposure of endothelial cells to NO donors produced desensitization of the cGMP response. This desensitization cannot be explained by increased PDE activity, since PDE inhibitors were not able to prevent the NO donor-induced decrease of the maximal cGMP response in endothelial cells. The failure of SH-reducing agents to improve the cGMP response after its desensitization by NO suggests that a SH-independent mechanism mediates NO effects. Demonstration that the potency of the recently described activator of oxidized (heme-free) sGC, BAY58-2667, to stimulate sGC increases after prolonged exposure of the cells to an NO donor, DETA/NO, suggests that oxidation of heme may be a reason for NOinduced desensitization of sGC and decrease in sGC protein level. Indeed, the well-known heme-oxidizing agent ODQ produces a dramatic decrease in sGC protein levels in endothelial cells and BAY58-2667 prevents this effect. Although the mechanism of sGC activation and stabilization by BAY58-2667 is unknown, this substance is an interesting candidate to modulate sGC under conditions where sGC heme iron is oxidized. Very little is known about regulation of sGC by intracellular localization or translocation between different intracellular compartments. In the present study, an increase in sGC sensitivity to NO under membrane association was demonstrated. Treatment of isolated lung with VEGF markedly increased sGC in membrane fractions of endothelial cells. Failure of VEGF to stimulate sGC membrane association in cultured endothelial cells allows us to propose a complex mechanism of regulation of sGC membrane association and/or a transient character of sGC membrane attachment. A very likely mechanism for the attachment of sGC to membranes is via sGCinteracting proteins. These proteins may participate also in other aspects of sGC regulation. The role of the recently described sGC interaction partner, Hsp90, was investigated. Shortterm treatment of endothelial cells with an Hsp90 inhibitor does not affect NO donor or calcium ionophore-stimulated cGMP accumulation in the cells. However, inhibition of Hsp90 results in a rapid and dramatic decrease in sGC protein levels in endothelial cells. These effects were unrelated to changes in sGC transcription, since inhibition of transcription had much slower effect on sGC protein levels. In contrast, inhibitors of proteasomes abolished the reduction in sGC protein levels produced by an Hsp90 inhibitor, suggesting involvement of proteolytic degradation of sGC proteins during inhibition of Hsp90. All these data together suggest that Hsp90 is required to maintain mature sGC proteins. In conclusion, in the present study it was demonstrated that multiple mechanisms are involved in the regulation of sGC activity and its sensitivity to NO. Oxidation of sGC heme by NO seems to be one of the mechanisms for negative regulation of sGC in the presence of high or prolonged stimulation with NO. Another possible means of regulating sGC sensitivity to NO is via the intracellular translocation of the enzyme. It has been also demonstrated here that attachment of sGC to the membrane fraction results in an apparent increase in the enzyme sensitivity to NO. Additionally, Hsp90 was required to maintain sGC protein in endothelial and other cell types. However, we could not find any acute affect of Hsp90 on sGC activity, as reported recently. All these findings demonstrate that the regulation of sGC activity and protein level is a much more complex process than had been assumed earlier. N2 - Lösliche Guanylylcyclase (sGC) ist der Hauptrezeptor für Stickstoffmonooxid (NO), der sich an der Regulation zahlreicher physiologischer Funktionen beteiligt. Trotz ihrer sehr gut untersuchten Rolle in der Regulation der Blutgefässenrelaxation, synaptische Plastizität, Aggregation der Trombozyten, renale Sekretion und anderen wichtigen Funktionen, ist die Regulation der sGC selber noch nicht ausreichend verstanden. Der einzige, zur Zeit bekannte, physiologische Regulator der sGC ist NO. In der vorgelegten Arbeit wurde die Existenz anderer Möglichkeiten der sGC Regulation gezeigt. Zuerst, wurde die Fähigkeit verschiedener NO Donoren sGC zu stimulieren untersucht. DEA/NO stimulierte sGC viel stärker als SNP. Interessanterweise, wurde keine Korrelation zwischen der Verteilung des sGC Proteins und der Enzymaktivität unter Vmax- Bedingungen in verschiedenen Rattenhirnregionen gefunden. Das deutet auf zusätzliche Regulationsmechanismen hin. Die fehlende Fähigkeit von SNP sGC maximal zu stimulieren könnte ein Grund dafür sein, warum dieses Phänomen nicht schon früher gezeigt wurde. Langfristige Behandlung von Endothelzellen mit NO Donoren produzierte eine Desensitisierung der nachfolgenden cGMP Antwort. Diese Desensitisierung kann nicht durch erhöhte Phosphodiesterase-Aktivität erklärt werden, da Phosphodiesterasenhemmer die durch NO Donor verursachte Abnahme der cGMP Antwort nicht rückgängig macht. SHreduzierende Substanzen waren nicht in der Lage die cGMP Antwort zu verbessern, was zur Annahme führt, dass SH-Gruppenoxidation keine wichtige Rolle bei der Wirkung von NO auf sGC spielt. Es müssen daher andere Regulationsmechanismen vorhanden sein. Oxidation des Häms scheint ein möglicher Mechanismus der NO-induzierten sGC Desensitisierung. Einkürzlich beschriebener Aktivator der oxidierten (bzw. Häm-freien) sGC, BAY58-2667, stimulierte sGC nach Vorbehandlung mit NO Donoreb stärker als ohne Vorbehandlung. Es wird vermutet, dass oxidierte sGC verstärkt abgebaut wird was die durch NO oder Häm oxidierende Substanzen induzierte sGC Proteinabnahme erklären würde. Tatsächlich, nahm sGC Proteinlevel nach der Behandlung mit der Häm oxidierenden Substanz, ODQ, ab. BAY58-2667 verhinderte diesen Effekt. Ferner erhöht die Membranassoziation von sGC derer Empfindlichkeit gegenüber NO. Die Membranassoziation der sGC in Endothelzellen ist reguliert. Behandlung isolierter Lunge mit VEGF erhöht den Anteil an membrangebundener sGC in Endothelzellen dramatisch. In kultivierten Endothelzellen könnte VEGF die Membranassoziation jedoch nicht stimulieren, was einen komplexen Mechanismus der Membranassoziation der sGC in vivo vermuten lässt. Wenig ist bekannt über die Interaktionen von sGC mit anderen Protein und der möglichen Rolle dieser Interaktionen bei der Regulation des Enzyms. Proteininteraktionen scheinen aber ein möglicher Mechanismus für die Membranassoziation der sGC zu sein. Aus diesem Grund wurde die Rolle eines vor kurzem beschriebenen sGC-bindenden Proteins, Hsp90, auf die sGC Regulation untersucht. Kurzfristige Behandlung der Endothelzellen mit Hsp90 Inhibitoren hat keine Auswirkung auf NO Donor- und Calciumionophore-stimulierte cGMP-Produktion. Langfristige Hemmung von Hsp90 führte dagegen zur schnellen und deutlichen Abnahme des sGC Proteins. Dieser Effekt ist nicht durch eine Veränderung der Translation zu erklären, weil Tranlationshemmer einen viel langsameren sGC Abfall verursachten. Im Gegenteil, konnte ein Proteasomeninhibitor, MG132, die Effekte von Hsp90 Hemmern rückgängig machen. Das lässt eine proteolytische Abbau der sGC für die Effekte von Hsp90 Hemmer verantwortlich machen. Diese Daten deuten darauf hin, dass Hsp90 für Aufrechterhaltung des Enzyms notwendig ist. Zusammenfassend, wurde in der vorliegenden Arbeit gezeigt, dass sGC Aktivität und ihre Empfindlichkeit gegenüber ihren Aktivator NO durch multiple Faktoren beeinflusst werden kann. Oxidation des Häms durch NO könnte ein Mechanismus der negativen Regulation der sGC bei dauernd erhöhter Konzentration von NO sein. Ein zusätzlicher Mechanismus der Regulation der Empfindlichkeit der sGC gegenüber NO scheint die intrazellulare Translokation zu sein. Wir konnten hier zeigen, das die Membranassoziation der sGC ihre Empfindlichkeit gegenüber NO erhöht. Auch dieProteinlevel der sGC scheinen unter Kontrolle verschiedener Faktoren zu sein. Einer davon ist Hsp90, der für die Aufrechterhaltung des sGC Proteins sowohl in Endothelzellen als auch in anderen Zelltypen notwendig ist. Alle diese Daten zeigen, dass Regulation der sGC ein viel komplexerer Vorgang ist als bis her angenommen wurde und eröffnen interessante neue Forschungsrichtungen innerhalb dieses wichtigen Signalweges. KW - Guanylatcyclase KW - Regulation KW - lösliche Guanylylcyclase KW - cGMP KW - Häm KW - Hsp90 KW - soluble guanylyl cyclase KW - cGMP KW - heme KW - Hsp90 Y1 - 2003 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-7046 ER - TY - THES A1 - Froschauer, Alexander T1 - Identifizierung und molekulare Analyse Xmrk-gekoppelter Gene in der geschlechtsbestimmenden Region des Genoms von Xiphophorus maculatus T1 - Identification and molecular analysis of Xmrk linked genes in the sex determining region of the Xiphophorus maculatus genome N2 - Fische der Gattung Xiphophorus stellen eines der am besten untersuchten Modellsysteme zur Untersuchung genetischer Geschlechtsbestimmung innerhalb dieser Klasse von mehr als 24.000 Arten dar. X. maculatus kann männliche (XX/ XY) oder weibliche (WY/ YY) Heterogametie aufweisen. Zusätzlich sind atypische Geschlechtsbestimmungssysteme beschrieben worden, die auf autosomale Modifikatoren zurückgeführt wurden. Obwohl kürzlich das Mastergen der Geschlechtsbestimmung im Medaka (Oryzias latipes) als ein Mitglied der Dmrt-Genfamilie identifiziert wurde, konnte Dmrt1bY als Mastergen der Geschlechtsbestimmung von Xiphophorus und anderen Fischen ausgeschlossen werden. Xiphophorus wurde zum wissenschaftlichen Modellsystem, da bestimmte zwischenartliche Kreuzungshybride maligne Melanome entwickeln. Das dafür verantwortliche Onkogen Xmrk und sein physiologisches Gegenstück egfrb liegen eng gekoppelt (< 0,6 cM) in der Geschlechtsbestimmungsregion von X. maculatus. Die Kopplungsgruppe umfasst noch weitere Loci wie den geschlechtsbestimmenden Locus SD, den Locus RY für rötliche und gelb-bräunliche Farbmuster und den Locus Mdl, der außer schwarzen Pigmentflecken auch noch den Bildungsort und die Schwere der Melanome in Hybriden mit X. helleri steuert. Die enge Kopplung dieser Loci entspricht einem physikalischen Abstand von ca. 1 Megabase (Mb) und ermöglicht eine Strategie der positionellen Klonierung der von diesen Loci kodierten Gene. Die Analyse großer Cosmid- und BAC- (Bacterial Artificial Chromosome) Contigs, welche im Rahmen dieser Arbeit erstellt wurden und die mehr als 1 Mb sowohl des X- als auch des Y-Chromosoms des Platys X. maculatus abdecken, zeigte eine hohe Dichte von Retroelementen und anderen repetitiven Sequenzen, besonders im Bereich des dominanten Onkogens Xmrk und in einer durch das duplizierte Gen ps-criptY gekennzeichneten, Y-spezifischen Region. Außerdem konnte gezeigt werden, dass eines dieser Elemente (XIR) spezifisch auf dem Y-Chromosom akkumuliert, was möglicherweise einen frühen Schritt der Differenzierung der Geschlechtschromosomen des Platys darstellt. Es konnten mehrere Duplikationsereignisse in diese Region nachgewiesen werden. Erstens wurde egfrb dupliziert, dessen Kopie zum Onkogen Xmrk wurde. Zweitens konnte die mehrfache Duplikation eines Melanocortin-Rezeptorgens mc4r nachgewiesen werden, von dem 9 Kopien auf dem X-Chromosom in einer Tandem-ähnlichen Struktur vorliegen und mindestens 9 Kopien auf dem Y-Chromosom. Mindestens 11 der insgesamt 19 Kopien besitzen nicht unterbrochene offene Leseraster, deren konzeptionelle Translationsprodukte die strukturellen Charakteristika funktionaler Rezeptoren zeigen. Drittens wurde das autosomale Gen cript dupliziert und liegt nun in jeweils einer Kopie (ps-cript1) direkt stromabwärts von Xmrk auf beiden Geschlechtschromosomen und in einer zusätzlichen Kopie auf dem Y-Chromosom (ps-criptY), wo es eine Region mit Syntenie zum menschlichen Chromosom 2p markiert. Andere potentielle Gene zeigen Homologien zu den menschlichen Genen CHRNA, CHRND und TMEFF und lassen auf eine syntenische Region zum menschlichen Chromosom 2q schließen. Diese Region ist involviert in autosomale Geschlechtsumkehr im Mensch, allerdings wurde noch kein dafür verantwortliches Gen identifiziert. Die in dieser Arbeit vorgelegten Ergebnisse der Analyse von Sequenzen in der geschlechtsbestimmenden Region von X. maculatus bilden die Basis für ein tieferes Verständnis der Mechanismen, die zur Plastizität der von der Xmrk-SD-Region vermittelten Eigenschaften führen. Auf dieser Grundlage sollten zukünftige Arbeiten zur Identifizierung des Mastergens der Geschlechtsbestimmung führen. Die Identifizierung dieses neuen Gens könnte außerdem zur Aufklärung anderer Geschlechtsbestimmungsmechanismen innerhalb der Fische beitragen, was besonders im Hinblick auf kommerziell genutzte Arten z.B. in der Aquakultur großen Nutzen bringen kann. Einige der analysierten Gene der Xmrk-Region zeigen geschlechtsspezifische Expressionsmuster, allerdings steht die funktionelle Analyse noch am Anfang. Phänotypen, die mit Pigmentmusterbildung und dem Zeitpunkt der sexuellen Reifung in Zusammenhang stehen, könnten auf den in dieser Arbeit identifizierten Melanocortin-Rezeptoren (mc4r) beruhen. Ihre strukturellen Eigenschaften und Expressionsmuster weisen auf ihre mögliche Rolle in einem oder mehreren dieser Vorgänge hin. Verglichen mit den nicht duplizierten Melanocortin-Rezeptoren anderer Vertebraten könnte die ungewöhnlich hohe Anzahl an Kopien als Grundlage für evolutionäre Veränderungen dieser Gene dienen. Obwohl ihre Funktionalität noch gezeigt werden muss, könnten diese Kopien typische evolutionäre Veränderungen duplizierter Gene wie die Übernahme einer neuen Funktion durch das Codieren neuer Proteine nach Mutationen, die Reduktion ihrer Funktion durch die auf weniger Gewebe eingeschränkte Expression und den Verlust ihrer Funktion durch Mutationen, die das Leseraster unterbrechen, zeigen. N2 - Fishes of the genus Xiphophorus provide one of the best analysed model systems with respect to genetic sex determination among this class of more than 24,000 species. Within certain species, systems with male (XX/ XY) or female (WY/ YY) heterogamety are known, in X. maculatus even within a same population. In addition, atypical sex determination sytems caused by autosomal modifiers have been described. Although the master sex determining gene of the Medakafish (Oryzias latipes) was recently identified as a member of the Dmrt gene family, Dmrt1bY could be excluded to be the master sex determining gene of Xiphophorus and other fish outside the genus Oryzias. Xiphophorus came into the light of science because of the formation of malignant melanoma in certain interspecific crossings of this genus. The dominant oncogene Xmrk and its proto-oncogenic counterpart egfrb reside in the subtelomeric regions of both X and Y sex chromosomes of X. maculatus. They are closely linked (< 0.6 cM) to the sex determination locus SD, the locus for the development of reddish and brownish colour patterns RY and the locus Mdl, responsible not only for black pigmentation patterns in X. maculatus but also for the onset and severity of the melanomas in hybrids with X. helleri. The close linkage that represents a region of about 1 Mb containing various loci that influence such different biological processes like tumor formation and sex determination made possible a strategy of positional cloning of genes involved in these phenotypes. Analysis of large gonosomal cosmid and BAC (Bacterial Artificial Chromosome) contigs established during this work that cover more than 1 Mb of both X and Y sex chromosomes of the Southern platyfish (X. maculatus) revealed a high density of retroelements and other repetitive sequences, particularly around the dominant oncogene Xmrk and within a male-specific region marked by the duplicated gene ps-criptY. In addition, one of these elements (XIR) has been shown to accumulate specifically on the Y-chromosome, probably reflecting an early step in sex chromosome differentiation in the platyfish. Repetitive elements can also mediate genetic variability as it is observed in this region for the multitude of pigment patterns and melanoma phenotypes and probably for the different sex determining mechanisms, too. Several duplication events could be observed in this region. First, the duplication of egfrb generated a second copy which became the oncogene Xmrk. Second, a melanocortin receptor gene was found to be duplicated 9 times on the X chromosome in a tandem like structure and at least 9 copies were found to reside on the Y. At least 11 copies still have a non-corrupted open reading frame, the conceptual translation products of which show the structural characteristics of functional receptors. Third, the autosomal gene cript is duplicated once on the X (ps-cript1) and twice on the Y chromosome (ps-cript1, ps-criptY), marking there a male-specific region syntenic to the human chromosome 2p. Other putative genes identified on the gonosomal contigs present homologies to the human genes CHRNA, CHRND and TMEFF and indicate a region syntenic to the human chromosome 2q. A so far unidentified gene involved in autosomal sex reversal in human has been mapped to this chromosomal region. The presented work of cloning sequences around the primary sex-determining locus SD of Xiphophorus maculatus provides the basis for a further understanding of the plasticity of the Xmrk-SD region and future experiments on the identification of the primary sex-determining gene in this genus and possibly in other fish species. This could be of special interest for commercially bred fish species in aquaculture. Some of the putative genes identified in the Xmrk region show sexually dimorphic expression patterns, albeit functional analysis is still at the beginning. Loci involved in melanoma formation, pigment patterning and puberty that are mapped to the Xmrk-SD region might be represented by different copies of the melanocortin receptor genes identified in this work. Their structural features as well as their differential expression patterns suggest a possible role in establishing these phenotypes. Compared to non-duplicated melanocortin receptors (mc4r) of other vertebrates, the high copy number on the gonosomes of X. macculatus could serve as evolutionary scenario. Although their functionality has to be proven, these copies might show typical features of duplicated genes in terms of neo-functionalization (in frame mutations, insertions/ deletions), sub-functionalization (reduced number of tissues in which they are expressed) and non-functionalization (pseudogenes). Thus, the further analysis of the mc4r genes of X. maculatus with respect to their function is expected to lead to a deeper understanding of general mechanisms that affect this fast evolving region of the sex chromosomes. KW - Platy KW - Geschlechtschromosom KW - Molekulargenetik KW - Xiphophorus KW - Fisch KW - Bacterial Artificial Chromosome KW - Geschlechtschromosomen KW - Genduplikation KW - Xiphophorus KW - fish KW - Bacterial Artificial Chromosome KW - sex chromosomes KW - gene duplication Y1 - 2003 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-7005 ER - TY - THES A1 - Abdel Rahman, Faisal Mirghani T1 - Systematic analysis of genes expressed in the retinal pigment epithelium (RPE) and identification of candidates for genetic susceptibility to age-related macular degeneration (AMD) N2 - Age related macular degeneration (AMD) is the leading cause of visual impairment in the elderly and the major cause of blindness in the developed world. To date, the molecular mechanisms underlying the disease are not well understood although in recent years a primary involvement of the retinal pigment epithelium (RPE) has become evident. The aim of the present study is to systematically analyse genes which are differentially expressed in the RPE, and to assess their possible association with mechanisms and pathways likely to be related to retinal disease, in particular AMD. Towards this goal, 2379 expressed sequence tags (ESTs) were established from an inhouse generated RPE cDNA library. This library was constructed by using the suppression subtraction hybridization (SSH) technique which normalises redundant sequences and ensures enrichment of rare transcripts. In a first phase, 1002 ESTs were sequenced and subjected to comprehensive alignment with public nucleotide and protein databases. A search of the 1002 ESTs against the human genome draft sequence yielded 168 known genes, 51 predicted genes, 15 unknown transcripts and 41 clones with no significant similarity. Reverse Northern blot hybridization was performed for 318 EST clusters to identify abundantly expressed genes in the RPE and to prioritize subsequent analyses. Representative clones were spotted onto a nylon membrane and hybridized with cDNA probes of driver (heart and liver) and tester (RPE) used in the cDNA library construction. Subsequently, 107 EST clusters were subjected to Northern blot hybridizations. These analyses identified 7 RPE-specific, 3 retina-specific, 7 RPE/retina-specific, and 7 tissue restricted transcripts, while 29 EST clusters were ubiquitously expressed, and evaluation was not possible for another 54 EST clusters. Of the 24 transcripts with specific or restricted expression, 16 clones were selected for further characterization. The predicted gene MGC2477 and 2 novel isoforms of the human transient receptor potential cation channel, subfamily M, member 3 (TRPM3) were cloned and further described in detail. In addition, polymorphic variations for these 2 genes as well as for the human MT-Protocadherin gene were determined. For MGC2477, 15 single nucleotide polymorphisms (SNPs) were identified, with 13 having a frequency of the minor allele greater than 20%. 10 of the 15 SNPs have not been reported in so far in public SNP repertoires. Partial assessment of the TRPM3 gene yielded 35 SNPs. Of these, 30 (85.7%) were highly frequent (0.17-0.5%), and 14 (40%) were novel. The MT-Protocadherin gene revealed 35 SNPs, including 28 (80%) with high frequency of the minor allele. 23 (65.7%) were novel SNPs. These SNPs will be used to construct the most common haplotypes. These will be used in case/control association studies in 400 AMD patients and 200 ethnically and aged matched controls to assess a possible contribution of these genes in the etiology of AMD. N2 - Die altersabhängige Makuladegeneration (AMD) ist die häufigste Ursache von gravierenden Einschränkungen des Sehvermögens im fortgeschrittenen Lebensalter. In den Industriestaaten ist die AMD zudem die Hauptursache für Altersblindheit. Die molekularen Mechanismen, die zur Entstehung der AMD führen, sind bisher nur unzureichend bekannt. In den letzten Jahren hat es sich jedoch herausgestellt, dass das retinale Pigmentepithel (RPE) eine primäre Rolle in der Pathogenese der AMD spielt. Ziel dieser Arbeit war die systematische Analyse von Genen, welche im RPE differentiell exprimiert werden. Entsprechende Kandidatengene sollten auf deren mögliche Beteiligung an der Entstehung von Erkrankungen der Retina, insbesondere der AMD, untersucht werden. Zunächst wurden 2379 ESTs aus einer innerhalb der Arbeitsgruppe generierten RPE cDNA Bibliothek definiert. Die dazu verwendete cDNA Bibliothek wurde durch die Suppressions- Subtraktions Hybridisierungs-Technik (SSH) konstruiert. Diese Technik gestattet eine Normalisierung gegenüber redundanten Sequenzen und begünstigt gleichzeitig die Anreicherung von seltenen Transkripten. In einer ersten Phase wurden 1002 ESTs sequenziert und einer umfassenden bioinformatischen Analyse mit Hilfe der verfügbaren DNA- und Protein Datenbanken unterzogen. Der Vergleich der 1002 ESTs mit der Draft Sequenz des menschlichen Genoms ergab den Hinweis auf 168 bereits bekannte Gene, 51 mögliche Gene, 15 völlig unbekannte Transkripte und 41 nicht weiter zuordenbare cDNA Klone. 318 EST Cluster wurden einer reversen Northen-Blot Analyse unterzogen um hochexprimierte Gene zu identifizieren und damit Prioritäten für die weiteren Analysen zu setzen. Im Rahmen der Northern-Analyse wurden repräsentative Klone von 107 EST-Klustern mit cDNA Sonden der ursprünglichen cDNA-Bibliothek hybridisiert. Als Ergebnis dieser Analyse fanden sich 7 RPE-spezifische, 3 Retina-spezifische, 7 sowohl RPE- als auch Retinaspezifische sowie 7 auf einzelne Gewebe limitierte Transkripte. 29 EST Cluster erwiesen sich als ubiquitär exprimiert, und 54 Kluster konnten nicht näher zugeordnet werden. Von den 24 Transkripten mit spezifischer oder zumindest begrenzter Expression wurden 16 Klone zur weiteren Charakterisierung ausgewählt. Aus diesen Material wurden im Rahmen dieser Arbeit das Kandidatengen MGC2477 sowie 2 neue Isoformen des menschlichen TRPM3-Gens kloniert und näher charakterisiert. Weiterhin wurden polymorphe Varianten dieser beiden Isoformen und des menschlichen MTProtocadherin- Gens definiert. Im Gen MGC2477 wurden 15 SNPs identifiziert, wovon die Allelhäufigkeit des selteneren Allels bei 13 der SNPs über 20% lag. Für 10 der insgesamt 15 vii SNPs dieses Gens fanden sich bisher keine Einträge in den entprechenden Datenbanken. Die SNP-Suche wurde auch für das TRPM3-Gen durchgeführt und ergab 35 SNPs, wovon 30 (85,7%) als hochfrequent eingestuft werden konnten. 14 dieser 35 SNPs waren bisher nicht in den Datenbanken verzeichnet. Beim MT-Protocadherin-Gen fanden sich ebenfalls 35 SNPs, wobei 80% eine hohe Frequenz des selteneren Allels aufwiesen. In diesem Fall handelte es sich bei 23 der insgesamt 35 SNPs um bisher unbekannte Allele. Diese SNPs bilden den Ausgangspunkt zur Konstruktion der häufigsten Haplotypen der genannten Gene. Mit der Charakterisierung der Einzel-Nukleotid Polymorphismen der Kandidatengene wurde die Grundlage zur Durchführung von Fall/Kontrollstudien gelegt, in deren Rahmen die Bedeutung der jeweiligen Kandidatengene in der Pathogense der AMD untersucht werden kann. KW - Senile Makuladegeneration / Pigmentepithel / Genexpression KW - RPE KW - AMD KW - RPE specific genes Y1 - 2003 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-7053 ER - TY - THES A1 - Roth, Martin T1 - Functional and developmental characterisation of matrix binding sites in decapentaplegic T1 - Funktionelle und entwicklungsspezifische Charakterisierung von Matrix-Bindungsstellen von decapentaplegic N2 - In the last years it became evident that many cytokines do not only bind to their specific cell surface receptors but also interact with components of the extracellular matrix. Mainly in Drosophila, several enzymes were identified, that are involved in glycosaminoglycan synthesis. Mutations in these enzymes mostly result in disturbances of several signaling pathways like hedgehog, wingless, FGF or dpp. In most cases it was, due to these pleiotropic effects, not possible to examine the relevance of matrix interactions for single pathways. The aim of this work was to examine the relevance of matrix interactions for the TGF-ß superfamily member DPP. Based on the fact that DPP is highly homologous to human BMP-2, the basic N-terminus of mature DPP was mutated, which has been shown to contain a heparin-binding site in BMP-2. Thus, a wildtype variant (D-MYC), a deletion variant (D-DEL), which lacked the whole basic part of the N-terminus and a duplication variant (D-DUP), which contained a second copy of the basic core moitiv, were generated. In order to characterise the variants biochemically, they were expressed in E.coli and refolded in a bioactive form. In chicken limbbud assay, the deletion variant was much more active than the wildtype variant, comparable to data of BMP-2. By means of biacore mesurements with the immobilised ectodomain of the high affinity type I receptor thick veins, it could be demonstrated, that the variants differ only in matrix binding and not in their receptor affinity. Different matrix binding was shown by Heparin FPLC. The biological relevance of the matrix interaction of DPP was examined in transgenic flies. To allow expression of the different variants under the control of various Gal4 driver lines, they were cloned behind an UAS-promoter site. In early tracheal development, a strong dependence of DPP signaling on matrix binding was observed. While ectopic expression of the deletion variant caused only minor defects, the branching pattern was strongly disturbed by overexpression of wildtype and duplication variant. Ubiquitous expression of the variants in the wing imaginal disc caused overproliferation of the disc and expansion of the omb target gene expression. The extent of phenotypes correlated with the matrix binding ability of the variants. Corresponding disturbances of the wing vein pattern was observed in adult flies. By the crossing of different dpp allels, transheterozygous animals were created, that lack dpp only in imaginal discs. Expression of the variants under the control of a suitable dpp-Gal4 driver line revealed insights into the biological relevance of matrix binding on DPP gradient formation and specific target gene activation in wing imaginal discs. It was shown, that all variants were able to generate a functional DPP gradient with correct expression of the target genes omb and spalt. Again a correlation between extent of target gene domains and matrix binding ability of the corresponding variants was found. Thus by mutating the N-terminus of DPP, it could be shown that this is responsible for DPP`s matrix interaction. Also the relevance of matrix binding of DPP in different tissues was examined. It turned out, that the reorganisation of tracheal branching by DPP strongly depends on matrix interactions wheras the establishing of a gradient in wing imaginal discs depends only gradually on matrix interactions. Based on these data a model for the action of DPP/TGFßs as morphogens was established. While a deletion of matrix binding leads to a decrease in specific bioactivity of the cytokine, the latter is increased by additional matrix binding sites. N2 - In den letzten Jahren wurde deutlich, daß viele Zytokine nicht nur mit ihren spezifischen Zelloberflächen-Rezeptoren interagieren, sondern auch Affinität zu Komponenten der Extrazellulären Matrix zeigen. Vor allem in Drosophila konnten viele Enzyme zur Synthese von Glukosaminoglykanen identifiziert werden. Mutationen in diesen Enzymen führen in der Regel zu Störungen verschiedener Signalwege, wie z.B. hedgehog, wingless, FGF oder dpp. Aufgrund dieser pleiotropen Effekte, war es meist nicht möglich, die Bedeutung der Matrix-Interaktionen für bestimmte Zytokine zu untersuchen. In dieser Arbeit sollte die Bedeutung der Matrix-Interaktion für das TGF-ß-Superfamilienmitglied DPP unter-sucht werden. Ausgehend von der hohen Homologie zwischen humanem BMP-2 und DPP wurde der basische N-Terminus von DPP, der im BMP-2 für die Heparininteraktion verantwortlich ist, verändert. Es wurde neben einer Wildtypvariante (D-MYC) eine Deletionsvariante (D-DEL) generiert, die keine basischen Aminosäuren im N-Terminus aufweist, sowie eine Duplikationsvariante (D-DUP), die eine zweite Kopie des basischen Hauptmotivs im N-Terminus enthält. Zur biochemischen Charakterisierung wurden die Varianten sowie wildtypisches DPP in E.coli exprimiert und in eine bioaktive Form zurückgefaltet. Im Limbbud-Test zeigte sich vergleichbar zum BMP-2 eine stark erhöhte Aktivität der Deletionsvariante gegenüber Wildtyp-DPP. Durch Biacore-Messungen an der immobilisierten Ektodomäne des hochaffinen DPP TypI-Rezeptors Thick veins konnte gezeigt werden, daß alle Varianten gleiche Rezeptoraffinität haben und sich nur in der Matrixbindung unterscheiden. Letzteres wurde durch eine analytische FPLC mit Heparin als Matrix gezeigt. Die biologische Relevanz der Matrixbindung wurde in transgenen Fliegen untersucht. Hierbei wurden die DPP-Varianten hinter einen UAS-Promoter kloniert, um jene unter der Kontrolle verschiedener Gal4-Treiberlinien exprimieren zu können. In der frühen Tracheenentwicklung zeigte sich eine sehr starke Matrix-Abhängigkeit der DPP-Wirkung. Während ektopische Expression der Deletionsvariante fast keine Störung der Zellmigration verursachte, war das Muster der Tracheenäste bei ektopischer Expression von D-MYC als auch D-DUP massiv gestört. Ubiquitäre Expression der Varianten in der Flügelimaginalscheibe verursachte Überproliferation und eine Ausdehnung der Expressionsdomäne des omb-Genes. Die Stärke der Phänotypen korrelierte dabei mit der Matrixbindung der Varianten. Entsprechende Störungen des Venenmusters konnten in Flügeln adulter Tiere festgestellt werden. Durch Kreuzung zweier dpp-Allele konnten transheterozygote Fliegen gewonnen werden, die keine dpp-Expression in den Imaginalscheiben zeigen. Die Expression der Varianten unter Kontrolle eines geeigneten dpp-Gal4-Treibers in diesen Fliegen gab Aufschluß über die tatsächliche Relevanz der DPP-Matrix-Interaktion für die Ausbildung eines DPP-Gradienten und spezifische Aktivierung verschiedener Targetgene in der Flügelscheibe. Es wurde gezeigt, daß alle Varianten dazu in der Lage sind, einen DPP-Gradienten mit entsprechender Expression der Targetgene omb und spalt zu erzeugen. Wieder wurde eine Korrelation zwischen Ausdehnung der Targetgen-Domänen und der Matrixbindung der Varianten beobachtet. Somit konnte durch Mutation des N-Terminus des DPP-Proteins gezeigt werden, daß dieser für die Matrixinteraktion von DPP verantwortlich ist. Auch wurde Aufschluß über die Bedeutung der Matrixinteraktion an verschiedenen DPP-Wirkungsorten gewonnen. Die Abhängigkeit des DPP-Signalpotentials von der Matrixbindung differiert zwischen verschiedenen Gewebetypen. Während die Wirkung von DPP in der Restrukturierung der trachealen Migration sehr stark von einer Matrixbindung abhängt, sieht man in bei der Proliferation und Musterbildung in der Imaginalscheibe nur graduelle Effekte. Diese Daten führten zur Etablierung eines Models für den Wirkungsmechanismus von DPP/TGFß Molekülen als morphogene Faktoren. Während eine Deletion von Matrixbindung zu einem Verlust der spezifischen biologischen Aktivität führt, wird durch zusätzliche Matrixbindung eine erhöhte Aktivität erreicht. KW - Taufliege KW - Transforming Growth Factor beta KW - Extrazellulärraum KW - extrazelluläre Matrix KW - decapentaplegic KW - Drosophila KW - Glucosaminoglykane KW - extracellular matrix KW - decapentaplegic KW - Drosophila KW - glucosaminoglycans Y1 - 2003 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-7542 ER - TY - THES A1 - Funk, Natalja T1 - Das Sap47-Gen aus Drosophila melanogaster : Gezielte Mutagenisierung und Suche nach Interaktionspartnern T1 - The Sap47 gene of Drosophila melanogaster: mutagenesis and identification of interaction partners N2 - SAP47 ist ein Synapsenassoziiertes Protein von 47 kDa aus Drosophila melanogaster, das zu einer neuen Proteinfamilie gehört. Um eine Sap47 Mutante zu erzeugen wurden drei Methoden eingesetzt: Gezielte Mutagenese durch homologe Rekombination, RNA interference (RNAi) und Transposon Remobilisierung. Um einen Interaktionspartner für das SAP47 Protein zu identifizieren wurden ein Yeast-Two-Hybrid System und das "CytoTrap" Verfahren eingesetzt. N2 - SAP47 (synapse-associated protein of 47 kDA) of Drosophila melanogaster belongs to a novel protein family of unknown function. Three techniques were used for Sap47 mutagenesis: "gene targeting" by homologous recombination, RNA interference (RNAi) and Jump-out mutagenesis. A standard yeast-two-hybrid system and the "CytoTrap" assay were used to identify interaction partners for the SAP47 protein. KW - Taufliege KW - Molekulargenetik KW - Sap47 KW - Synapse KW - RNA interference KW - Gezeilte Mutagenese KW - Sap47 KW - synapse KW - RNA interference KW - gene targeting Y1 - 2003 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-7667 ER -