TY  - THES
A1  - Vansynghel, Justine
T1  - Pollination and pest control along gradients of shade cover and forest distance in Peruvian cacao agroforestry landscapes
T1  - Bestäubung und Schädlingsbekämpfung entlang von Beschattungs- und Waldentfernungsgradienten in peruanischen Kakao-Agroforstlandschaften
N2  - Chapter I – Introduction 
Global trade of beans of the cacao tree (Theobroma cacao), of which chocolate is produced, contributes to the livelihoods of millions of smallholder farmers. The understorey tree is native to South America but is nowadays cultivated in many tropical regions. In Peru, a South American country with a particularly high cacao diversity, it is common to find the tree cultivated alongside non-crop trees that provide shade, in so-called agroforestry systems. Because of the small scale and low management intensity of such systems, agroforestry is one of the most wildlife-friendly land-use types, harbouring the potential for species conservation. Studying wildlife-friendly land-use is of special importance for species conservation in biodiversity-rich tropical regions such as Peru, where agricultural expansion and intensification are threatening biodiversity. Moreover, there is a growing body of evidence that shows co-occurrence of high biodiversity levels and high yield in wildlife-friendly cacao farming. Yet studies are restricted to non-native cacao countries, and since patterns might be different among continents, it is important to improve knowledge on wildlife-friendly agroforestry in native countries. 
Because studies of wildlife-friendly cultivation processes are still largely lacking for South America, we set out to study multiple aspects of cacao productivity in agroforests in Peru, part of cacao´s region of origin. The natural pollination process of cacao, which is critically understudied, was investigated by trapping flower visitors and studying pollen deposition from macrophotographs (Chapter II). Next, we excluded birds, bats, ants and flying insects and squirrels from cacao trees in a full-factorial field experiment and quantified these animals´ contribution to cacao fruit set, fruit loss and yield (Chapter III). Lastly, we aimed to assess whether fruit quantity and quality of native cacao increases through manually supplementing pollen (Chapter II and IV), and whether microclimatic conditions and the genetic background of the studied varieties limit fruit set (Chapter IV).
Chapter II – Cacao flower visitation: Low pollen deposition, low fruit set and dominance of herbivores
Given the importance of cacao pollination for the global chocolate production, it is remarkable that fruit set limitations are still understudied. Knowledge on flower visitation and the effect of landscape context and local management are lacking, especially in the crop’s region of origin. Moreover, the role of pollen deposition in limiting fruit set as well as the benefits of hand pollination in native cacao are unknown. In this chapter, we aimed to close the current knowledge gaps on cacao pollination biology and sampled flower visitors in 20 Peruvian agroforests with native cacao, along gradients of shade cover and forest distance. We also assessed pollen quantities and compared fruit set between manually and naturally pollinated flowers. We found that herbivores were the most abundant flower visitors in both northern and southern Peru, but we could not conclude which insects are effective cacao pollinators. Fruit set was remarkably low (2%) but improved to 7% due to pollen supplementation. Other factors such as a lack of effective pollinators, genetic pollen incompatibility or resource unavailability could be causing fruit set limitations. We conclude that revealing those causes and the effective pollinators of cacao will be key to improve pollination services in cacao. 
Chapter III – Quantifying services and disservices provided by insects and vertebrates in cacao agroforestry landscapes
Pollination and pest control, two ecosystem services that support cacao yield, are provided by insects and vertebrates. However, animals also generate disservices, and their combined contribution is still unclear. Therefore, we excluded flying insects, ants, birds and bats, and as a side effect also squirrels from cacao trees and we assessed fruit set, fruit loss and final yield. Local management and landscape context can influence animal occurrence in cacao agroforestry landscapes; therefore, shade cover and forest distance were included in the analyses. Flying insects benefitted cacao fruit set, with largest gains in agroforests with intermediate shade cover. Birds and bats were also associated with improved fruit set rates and with a 114% increase in yield, potentially due to pest control services provided by these animals. The role of ants was complicated: these insects had a positive effect on yield, but only close to forest. We also evidenced disservices generated by ants and squirrels, causing 7% and 10% of harvest loss, respectively. Even though the benefits provided by animals outweighed the disservices, trade-offs between services and disservices still should be integrated in cacao agroforestry management.
Chapter IV – Cross-pollination improves fruit set and yield quality of Peruvian native cacao 
Because yields of the cacao tree are restricted by pollination, hand pollination has been proposed to improve yield quantity and potentially, also quality. However, low self- and cross-compatibility of native cacao, and abiotic conditions could cancel out hand pollination benefits. Yet, the impact of genetic constraints and abiotic conditions on fruit set have not been assessed in native cacao so far. To increase our understanding of the factors that limit fruit set in native cacao, we compared manual self- and cross-pollination with five native genotypes selected for their sensorial quality and simultaneously tested for effects of soil water content, temperature, and relative air humidity. We also compared quality traits between manually and naturally pollinated fruits. Success rates of self-pollination were low (0.5%), but increased three- to eightfold due to cross-pollination, depending on the genotype of the pollen donor. Fruit set was also affected by the interaction between relative air humidity and temperature, and we found heavier and more premium seeds in fruits resulting from manual than natural pollination. Together, these findings show that reproductive traits of native cacao are constrained by genetic compatibility and abiotic conditions. We argue that because of the high costs of hand pollination, natural cross-pollination with native pollen donors should be promoted so that quality improvements can result in optimal economic gains for smallholder farmers. 
Chapter V – Discussion
In this thesis, we demonstrated that the presence of flying insects, ants and vertebrates, local and landscape management practices, and pollen supplementation interactively affected cacao yield, at different stages of the development from flower to fruit. First, we showed that fruit set improved by intermediate shade levels and flower visitation by flying insects. Because the effective cacao pollinators remain unknown, we recommend shade cover management to safeguard fruit set rates. The importance of integrating trade-offs in wildlife-friendly management was highlighted by lower harvest losses due to ants and squirrels than the yield benefits provided by birds and bats. The maintenance of forest in the landscape might further promote occurrence of beneficial animals, because in proximity to forest, ants were positively associated with cacao yields. Therefore, an integrated wildlife-friendly farming approach in which shade cover is managed and forest is maintained or restored to optimize ecosystem service provision, while minimizing fruit loss, might benefit yields of native cacao. Finally, manual cross-pollination with native genotypes could be recommended, due to improved yield quantity and quality. However, large costs associated with hand pollination might cancel out these benefits. Instead, we argue that in an integrated management, natural cross-pollination should be promoted by employing compatible genotypes in order to improve yield quantity and quality of native cacao.
N2  - Kapitel I – Einleitung 
Der weltweite Handel mit den Bohnen des Kakaobaums (Theobroma cacao) trägt zum Lebensunterhalt von Millionen von Kleinbauern bei. Der Unterholzbaum, aus dessen Bohnen Schokolade hergestellt wird, ist in Südamerika beheimatet, wird aber heute in vielen tropischen Regionen angebaut. In Peru, einem der Länder mit einer besonders hohen Kakaovielfalt, wird der Baum häufig zusammen mit schattenspendenden Bäumen in so genannten Agroforstsystemen angebaut. Aufgrund der Kleinräumigkeit und der geringen Bewirtschaftungsintensität solcher Systeme ist die Agroforstwirtschaft eine der wildtierfreundlichsten Landnutzungsformen, die ein großes Potenzial für den Artenschutz bietet. Die Erforschung wildtierfreundlicher Landnutzungsformen ist besonders wichtig für den Artenschutz in artenreichen tropischen Regionen wie Peru, in denen die Ausweitung und Intensivierung der Landwirtschaft die biologische Vielfalt bedroht. Darüber hinaus gibt es immer mehr Belege dafür, dass eine hohe Artenvielfalt mit hohen Erträgen im wildtierfreundlichen Kakaoanbau einhergeht. Die Studien beschränken sich jedoch auf nicht ursprüngliche Kakaoländer, und da die Muster auf den verschiedenen Kontinenten unterschiedlich sein könnten, ist es wichtig, das Wissen über wildtierfreundliche Agroforstwirtschaft in den Ursprungsländern zu verbessern.
Da Studien über wildtierfreundliche Anbauprozesse in Südamerika noch weitgehend fehlen, haben wir uns vorgenommen, verschiedene Aspekte der Kakaoproduktivität in Agroforstbetrieben in Peru, einem Teil der Ursprungsregion des Kakaos, zu untersuchen. Der natürliche Bestäubungsprozess von Kakao, der wenig erforscht ist, wurde durch das Einfangen von Blütenbesuchern und die Untersuchung der Pollenablage anhand von Makrofotografien untersucht (Kapitel II). Als Nächstes haben wir gemeinsam Vögel, Fledermäuse, Ameisen und Fluginsekten und Eichhörnchen vom Zugang zu Kakaobäumen ausgeschlossen und den Beitrag dieser Tiere zum Fruchtansatz, Fruchtverlust und Ertrag von Kakao quantifiziert (Kapitel III). Schließlich wollten wir feststellen, ob sich die Fruchtmenge und -qualität des heimischen Kakaos durch die händische Zugabe von Pollen erhöht (Kapitel II und IV) und ob der genetische Hintergrund der untersuchten Sorten und die mikroklimatischen Bedingungen den Fruchtansatz limitieren (Kapitel IV).
Kapitel II – Besuch der Kakaoblüten: Geringer Polleneintrag, geringer Fruchtansatz und Dominanz von Pflanzenfressern
Angesichts der Bedeutung der Kakaobestäubung für die weltweite Schokoladenproduktion ist es bemerkenswert, dass der Fruchtansatz noch immer nicht ausreichend erforscht ist. Insbesondere in der Herkunftsregion der Pflanze fehlt es an Wissen über die Blütenbesucher und die Auswirkungen von Landschaft und Bewirtschaftung. Darüber hinaus sind die Rolle des Polleneintrags bei der Limitierung des Fruchtansatzes sowie die Vorteile der Handbestäubung bei einheimischem Kakao unbekannt. In diesem Kapitel wollten wir die derzeitigen Wissenslücken über die Bestäubungsbiologie von Kakao schließen und haben in 20 peruanischen Agroforsten mit einheimischem Kakao bei unterschiedlicher Beschattung und Waldentfernung Proben von Blütenbesuchern genommen. Wir untersuchten auch die Pollenmenge und verglichen den Fruchtansatz zwischen händisch und natürlich bestäubten Blüten. Wir stellten fest, dass Pflanzenfresser sowohl im Norden als auch im Süden Perus die häufigsten Blütenbesucher waren, konnten aber nicht feststellen, welche Insekten effektive Kakaobestäuber sind. Der Fruchtansatz war bemerkenswert niedrig (2 %), verbesserte sich aber durch die Pollenergänzung auf 7 %. Andere Faktoren wie ein Mangel an wirksamen Bestäubern, genetische Polleninkompatibilität oder die Nichtverfügbarkeit von Ressourcen könnten die Ursache für den geringen Fruchtansatz sein. Wir kommen zu dem Schluss, dass die Aufdeckung dieser Ursachen und der effektiven Bestäuber des Kakaos der Schlüssel zur Verbesserung der Bestäubungsleistungen im Kakao sein wird. 
Kapitel III – Quantifizierung der von Insekten und Wirbeltieren in agroforstwirtschaftlichen Kakaolandschaften erbrachten Ökosystemdienstleistungen und Gegenleistungen
Bestäubung und Schädlingsbekämpfung, zwei Ökosystemleistungen, die den Kakaoertrag unterstützen, werden von Insekten und Wirbeltieren erbracht. Allerdings erbringen die Tiere auch andere Leistungen und ihr kombinierter Beitrag ist noch unklar. Daher haben wir Fluginsekten, Ameisen, Vögel und Fledermäuse und als Nebeneffekt auch Eichhörnchen vom Zugang zu den Kakaobäumen ausgeschlossen und den Fruchtansatz, den Fruchtverlust und den endgültigen Ertrag bewertet. Die Bewirtschaftung auf lokaler und Landschaftsebene kann das Vorkommen von Tieren in Kakao-Agroforstlandschaften erhöht werden; daher wurden auch die Beschattung und die Entfernung zum nächsten Wald in die Analysen einbezogen. Fluginsekten begünstigten den Fruchtansatz von Kakao, wobei die größten Zugewinne in Agroforsten mit mittlerer Beschattung zu verzeichnen waren. Vögel und Fledermäuse wurden ebenfalls mit verbesserten Fruchtansatzraten und einer 114%igen Ertragssteigerung in Verbindung gebracht, was möglicherweise auf die Schädlingsbekämpfung durch diese Tiere zurückzuführen ist. Die Rolle der Ameisen war kompliziert: Diese Insekten wirkten sich positiv auf den Ertrag aus, aber nur in Waldnähe. Wir haben auch negative Auswirkungen von Ameisen und Eichhörnchen festgestellt, die 7% bzw. 10 % der Ernteverluste verursachten. Auch wenn die Vorteile der Tiere die Nachteile überwiegen, sollte ein Ausgleich zwischen den Vor- und Nachteilen in die agroforstliche Bewirtschaftung von Kakao integriert werden.
Kapitel IV – Kreuzbestäubung verbessert den Fruchtansatz und die Ertragsqualität von einheimischem peruanischem Kakao
Da die Erträge des Kakaobaums durch die Bestäubung eingeschränkt werden, wurde die Handbestäubung vorgeschlagen, um die Ertragsmenge und möglicherweise auch die Qualität zu verbessern. Die geringe Selbst- und Kreuzkompatibilität der einheimischen Kakaosorten und die abiotischen Bedingungen könnten jedoch die Vorteile der Handbestäubung einschränken. Die Auswirkungen genetischer Limitierungen und abiotischer Bedingungen auf den Fruchtansatz wurden bei einheimischem Kakao bisher noch nicht untersucht. Um die Faktoren besser zu verstehen, die den Fruchtansatz bei einheimischem Kakao einschränken, verglichen wir die händische Selbst- und Kreuzbestäubung mit fünf einheimischen Genotypen, die aufgrund ihrer aromatischen Qualität ausgewählt wurden, und untersuchten gleichzeitig die Auswirkungen von Bodenwassergehalt, Temperatur und relativer Luftfeuchtigkeit. Außerdem verglichen wir die Qualitätsmerkmale zwischen händisch und natürlich bestäubten Früchten. Die Erfolgsrate der Selbstbestäubung war gering (0,5 %), stieg jedoch durch Kreuzbestäubung um das Drei- bis Achtfache, je nach Genotyp des Pollenspenders. Der Fruchtansatz wurde auch durch die Wechselwirkung zwischen relativer Luftfeuchtigkeit und Temperatur beeinflusst, und wir fanden schwerere und hochwertigere Samen in Früchten, die durch manuelle Bestäubung entstanden waren, als in den natürlich bestäubten. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Fortpflanzungseigenschaften des einheimischen Kakaos durch genetische Kompatibilität und abiotische Bedingungen eingeschränkt werden. Wir argumentieren, dass aufgrund der hohen Kosten der Handbestäubung die natürliche Kreuzbestäubung mit heimischen Pollenspendern gefördert werden sollte, damit Qualitätsverbesserungen zu optimalen wirtschaftlichen Gewinnen für die Kleinbauern führen können. 
Kapitel V – Diskussion
In dieser Arbeit haben wir gezeigt, dass die Anwesenheit von Fluginsekten, Ameisen und Wirbeltieren, die Bewirtschaftungspraktiken auf lokaler und Landschaftsebene sowie die Pollenergänzung den Kakaoertrag in verschiedenen Entwicklungsstadien von der Blüte bis zur Frucht interaktiv beeinflussen. Zunächst haben wir gezeigt, dass sich der Fruchtansatz durch eine mittlere Beschattung und den Blütenbesuch durch Fluginsekten verbessert. Da die effektiven Bestäuber des Kakaos noch nicht bekannt sind, empfehlen wir, die Beschattung so zu gestalten, dass der Fruchtansatz gesichert ist. Wie wichtig es ist, bei einer wildtierfreundlichen Bewirtschaftung Kompromisse einzugehen, zeigt sich daran, dass die Ernteverluste durch Ameisen und Eichhörnchen geringer sind als die Ertragsvorteile durch Vögel und Fledermäuse. Die Erhaltung des Waldes in der Landschaft könnte das Vorkommen von Nützlingen weiter fördern, da Ameisen in der Nähe von Wäldern positiv mit den Kakaoerträgen verbunden waren. Daher könnte ein integrativer, wildtierfreundlicher Anbauplan, bei dem die Beschattung und der Waldabstand so gesteuert werden, dass die Bereitstellung von Ökosystemleistungen optimiert und gleichzeitig der Verlust von Früchten minimiert wird, den Erträgen des heimischen Kakaos zugutekommen. Schließlich könnte die händische Kreuzbestäubung mit einheimischen Genotypen aufgrund der verbesserten Ertragsmenge und -qualität empfohlen werden. Die hohen Kosten der händischen Bestäubung könnten diese Vorteile jedoch zunichtemachen. Stattdessen sollte im Rahmen einer integrativen Bewirtschaftung die natürliche Kreuzbestäubung durch den Einsatz kompatibler Genotypen gefördert werden, um die Quantität und Qualität der Erträge von einheimischem Kakao zu verbessern.
KW  - Kakao
KW  - Bestäubung
KW  - Schädlingsbekämpfung
KW  - Landschaftspflege
KW  - landwirtschaftlicher Betrieb
KW  - landscape management
KW  - wildlife-friendly farming
KW  - local farm management
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-281574
ER  - 
TY  - THES
A1  - Değirmenci [née Pölloth], Laura
T1  - Sugar perception and sugar receptor function in the honeybee (\(Apis\) \(mellifera\))
T1  - Zuckerwahrnehmung und Zuckerrezeptorfunktion in der Honigbiene  (\(Apis\) \(mellifera\))
N2  - In the eusocial insect honeybee (Apis mellifera), many sterile worker bees live together with a reproductive queen in a colony. All tasks of the colony are performed by the workers, undergoing age-dependent division of labor. Beginning as hive bees, they take on tasks inside the hive such as cleaning or the producing of larval food, later developing into foragers. With that, the perception of sweetness plays a crucial role for all honeybees whether they are sitting on the honey stores in the hive or foraging for food. Their ability to sense sweetness is undoubtedly necessary to develop and evaluate food sources. Many of the behavioral decisions in honeybees are based on sugar perception, either on an individual level for ingestion, or for social behavior such as the impulse to collect or process nectar. In this context, honeybees show a complex spectrum of abilities to perceive sweetness on many levels. They are able to perceive at least seven types of sugars and decide to collect them for the colony. Further, they seem to distinguish between these sugars or at least show clear preferences when collecting them. Additionally, the perception of sugar is not rigid in honeybees. For instance, their responsiveness towards sugar changes during the transition from in-hive bees (e.g. nurses) to foraging and is linked to the division of labor. Other direct or immediate factors changing responsiveness to sugars are stress, starvation or underlying factors, such as genotype. 
Interestingly, the complexity in their sugar perception is in stark contrast to the fact that honeybees seem to have only three predicted sugar receptors. 
In this work, we were able to characterize the three known sugar receptors (AmGr1, AmGr2 and AmGr3) of the honeybee fully and comprehensively in oocytes (Manuscript II, Chapter 3 and Manuscript III, Chapter 4). We could show that AmGr1 is a broad sugar receptor reacting to sucrose, glucose, maltose, melezitose and trehalose (which is the honeybees’ main blood sugar), but not fructose. AmGr2 acts as its co-receptor altering AmGr1’s specificity, AmGr3 is a specific fructose receptor and we proved the heterodimerization of all receptors. With my studies, I was able to reproduce and compare the ligand specificity of the sugar receptors in vivo by generating receptor mutants with CRISPR/Cas9. With this thesis, I was able to define AmGr1 and AmGr3 as the honeybees’ basis receptors already capable to detect all sugars of its known taste spectrum.
In the expression analysis of my doctoral thesis (Manuscript I, Chapter 2) I demonstrated that both basis receptors are expressed in the antennae and the brain of nurse bees and foragers. This thesis assumes that AmGr3 (like the Drosophila homologue) functions as a sensor for fructose, which might be the satiety signal, while AmGr1 can sense trehalose as the main blood sugar in the brain. Both receptors show a reduced expression in the brain of foragers when compared with nurse bees. These results may reflect the higher concentrated diet of nurse bees in the hive. The higher number of receptors in the brain may allow nurse bees to perceive hunger earlier and to consume the food their sitting on. Forager bees have to be more persistent to hunger, when they are foraging, and food is not so accessible. The findings of reduced expression of the fructose receptor AmGr3 in the antennae of nurse bees are congruent with my other result that nurse bees are also less responsive to fructose at the antennae when compared to foragers (Manuscript I, Chapter 2). This is possible, since nurse bees sit more likely on ripe honey which contains not only higher levels of sugars but also monosaccharides (such as fructose), while foragers have to evaluate less-concentrated nectar. 
My investigations of the expression of AmGr1 in the antennae of honeybees found no differences between nurse bees and foragers, although foragers are more responsive to the respective sugar sucrose (Manuscript I, Chapter 2). Considering my finding that AmGr2 is the co-receptor of AmGr1, it can be assumed that AmGr1 and the mediated sucrose taste might not be directly controlled by its expression, but indirectly by its co-receptor. My thesis therefore clearly shows that sugar perception is associated with division of labor in honeybees and appears to be directly or indirectly regulated via expression. 
The comparison with a characterization study using other bee breeds and thus an alternative protein sequence of AmGr1 shows that co-expression of different AmGr1 versions with AmGr2 alters the sugar response differently. Therefore, this thesis provides first important indications that alternative splicing could also represent an important regulatory mechanism for sugar perception in honeybees.
Further, I found out that the bitter compound quinine lowers the reward quality in learning experiments for honeybees (Manuscript IV, Chapter 5). So far, no bitter receptor has been found in the genome of honeybees and this thesis strongly assumes that bitter substances such as quinine inhibit sugar receptors in honeybees. With this finding, my work includes other molecules as possible regulatory mechanism in the honeybee sugar perception as well. We showed that the inhibitory effect is lower for fructose compared to sucrose. Considering that sugar signals might be processed as differently attractive in honeybees, this thesis concludes that the sugar receptor inhibition via quinine in honeybees might depend on the receptor (or its co-receptor), is concentration-dependent and based on the salience or attractiveness and concentration of the sugar present. 
With my thesis, I was able to expand the knowledge on honeybee’s sugar perception and formulate a complex, comprehensive overview. Thereby, I demonstrated the multidimensional mechanism that regulates the sugar receptors and thus the sugar perception of honeybees. With this work, I defined AmGr1 and AmGr3 as the basis of sugar perception and enlarged these components to the co-receptor AmGr2 and the possible splice variants of AmGr1. I further demonstrated how those sugar receptor components function, interact and that they are clearly involved in the division of labor in honeybees. In summary, my thesis describes the mechanisms that enable honeybees to perceive sugar in a complex way, even though they inhere a limited number of sugar receptors. My data strongly suggest that honeybees overall might not only differentiate sugars and their diet by their general sweetness (as expected with only one main sugar receptor). The found sugar receptor mechanisms and their interplay further suggest that honeybees might be able to discriminate directly between monosaccharides and disaccharides or sugar molecules and with that their diet (honey and nectar).
N2  - Beim dem eusozialen Insekt Honigbiene (Apis mellifera) leben tausende sterile Arbeitsbienen zusammen mit einer fortpflanzungsfähigen Königin in einem Volk. Alle Aufgaben in der Kolonie werden von diesen Arbeiterinnen erledigt, während sie eine altersabhängige Arbeitsteilung durchlaufen. Als Stockbienen beginnend übernehmen sie Aufgaben im Stock wie die Reinigung oder die Produktion von Larvenfutter und entwickeln sich später zu Sammlerinnen. Das Wahrnehmung von Süße spielt für alle Honigbienen eine entscheidende Rolle, egal ob sie auf den Honigvorräten im Stock sitzen oder nach Nahrung suchen. Ihre Fähigkeit Süße zu wahrzunehmen ist zweifellos notwendig, um Nahrungsquellen zu identifizieren und zu bewerten. Viele der Verhaltensentscheidungen bei Honigbienen basieren auf ihrer Zuckerwahrnehmung, entweder auf individueller Ebene für die Nahrungsaufnahme oder für soziales Verhalten wie beispielsweise das Sammeln oder Verarbeiten von Nektar. Honigbienen zeigen auf vielen Ebenen ein komplexes Spektrum bei der Wahrnehmung von Süße. Sie können mindestens sieben Zuckerarten wahrnehmen und sammeln diese für ihren Stock. Darüber hinaus scheinen sie zwischen diesen Zuckern unterscheiden zu können oder zeigen zumindest klare Präferenzen beim Sammeln. Außerdem ist die Zuckerwahrnehmung bei Honigbienen nicht starr. Ihre Zuckerwahrnehmung ändert sich, wenn sie von einer Stockbiene (z. B. Ammen) zum Nahrungssammeln außerhalb des Stockes übergehen, und ist somit mit ihrer Arbeitsteilung verbunden. Andere direkte oder unmittelbare Faktoren, die die Reaktion auf Zucker verändern, sind Stress, Hunger oder zugrunde liegende Faktoren wie der Genotyp.
Interessanterweise steht die Komplexität der Zuckerwahrnehmung in starkem Kontrast zu der Tatsache, dass Honigbienen bisher anscheinend nur drei mögliche Zuckerrezeptoren haben.
In dieser Arbeit konnten wir die drei bekannten Honigbienenzuckerrezeptoren (AmGr1, AmGr2 und AmGr3) in Xenopus-Oozyten vollständig und umfassend charakterisieren (Manuscript II, Chapter 3 und Manuscript III, Chapter 4). Wir konnten zeigen, dass AmGr1 ein breitdetektierender Zuckerrezeptor ist, der auf Saccharose, Glukose, Maltose, Melezitose und Trehalose (der Hauptblutzucker bei Honigbienen), aber nicht auf Fruktose reagiert. AmGr2 fungiert als ein Co-Rezeptor, der die Spezifität von AmGr1 verändert. AmGr3 ist ein spezifischer Fruktoserezeptor und wir haben die Heterodimerisierung der Rezeptoren überprüft. Mit meinen Studien konnte ich die gefundene Ligandenspezifität der Zuckerrezeptoren in vivo reproduzieren und vergleichen, indem ich Rezeptormutanten mit CRISPR/Cas9 generierte. Dabei konnte ich AmGr1 und AmGr3 als die Basisrezeptoren von Honigbienen definieren, die bereits alle Zucker ihres bekannten Geschmacksspektrums detektieren können.
In der Expressionsanalyse meiner Doktorarbeit (Manuscript I, Chapter 2) konnte ich zeigen, dass beide Basisrezeptoren in den Antennen und im Gehirn von Ammenbienen und Sammlerinnen exprimiert werden. Diese Arbeit geht davon aus, dass AmGr3 (wie das Homologe in Drosophila) als Sensor für Fruktose fungiert, die das Sättigungssignal sein könnte, während AmGr1 Trehalose als Hauptblutzucker im Gehirn wahrnehmen kann. Beide Rezeptoren zeigen eine reduzierte Expression im Gehirn von Sammlerinnen im Vergleich zu Ammenbienen. Diese Ergebnisse könnten die höher konzentrierte Ernährung der Ammenbienen im Stock widerspiegeln. Die höhere Anzahl an Rezeptoren im Gehirn könnte es den Ammenbienen ermöglichen frühzeitiger Hunger wahrzunehmen und die Nahrung, auf der sie sitzen aufzunehmen. Sammelbienen dagegen müssen beim Sammeln und dem reduzierten Nahrungsangebot ausdauernder sein. Die gemessene reduzierte Expression des Fruktoserezeptors AmGr3 in den Antennen von Ammenbienen entsprechen meinen anderen Ergebnissen, wonach Ammenbienen im Vergleich zu Sammelbienen an den Antennen auch weniger empfindlich auf Fruktose reagieren (Manuscript I, Chapter 2). Dies ist möglich, da Ammenbienen eher auf reifem Honig sitzen, der nicht nur einen höheren Zuckergehalt, sondern auch vermehrt Monosaccharide (wie Fructose) enthält, während Sammelbienen weniger konzentrierten Nektar bewerten müssen.
Meine Untersuchungen zur Expression von AmGr1 in den Antennen von Honigbienen ergaben keine Unterschiede zwischen Ammenbienen und Sammlerinnen, obwohl Sammlerinnen empfindlicher auf den entsprechenden Zucker Saccharose reagieren. Angesichts unserer Ergebnisse, dass AmGr2 der Co-Rezeptor von AmGr1 ist, kann die Hypothese aufgestellt werden, dass AmGr1 und der vermittelte Saccharose-Geschmack möglicherweise nicht direkt durch seine Expression, sondern indirekt durch seinen Co-Rezeptor reguliert werden. Meine Dissertation zeigt somit deutlich, dass die Zuckerwahrnehmung bei Honigbienen mit Arbeitsteilung verbunden ist und direkt oder indirekt über die Expression geregelt zu werden scheint.
Der Vergleich mit einer anderen Charakterisierungsstudie, durchgeführt an anderen Bienenrassen und damit einer alternativen Proteinsequenz von AmGr1, zeigt, dass die Co-Expression verschiedener AmGr1-Varianten mit AmGr2 die Zuckerantwort unterschiedlich verändert. Daher liefert diese Arbeit erste wichtige Hinweise darauf, dass alternatives Spleißen auch bei Honigbienen einen wichtigen Regulationsmechanismus für die Zuckerwahrnehmung darstellen könnte. 
Des Weiteren habe ich herausgefunden, dass der Bitterstoff Chinin die Qualität der Belohnung in Lernexperimenten für Honigbienen senkt (Manuscript IV, Chapter 5). Bisher wurde kein Bitterrezeptor im Genom von Honigbienen gefunden und diese Arbeit deutet darauf hin, dass Bitterstoffe wie Chinin Zuckerrezeptoren in Honigbienen hemmen. Mit dieser Erkenntnis schließt meine Dissertation auch andere Moleküle als mögliche Regulationsmechanismen in die Zuckerwahrnehmung der Honigbiene ein. Wir haben gezeigt, dass die hemmende Wirkung bei Fruktose im Vergleich zu Saccharose geringer ist. Unter der Berücksichtigung, dass Zuckersignale bei Honigbienen möglicherweise unterschiedlich attraktiv verarbeitet werden, kommt meine Arbeit zu dem Schluss, dass die Hemmung der Zuckerrezeptoren durch Chinin bei Honigbienen abhängig ist von der verwendeten Konzentration, der Bedeutung bzw. Attraktivität des Zuckers und seiner Konzentration.
Mit meiner Doktorarbeit konnte ich das Wissen über die Zuckerwahrnehmung der Honigbiene insgesamt erweitern und einen komplexen, umfassenden Überblick formulieren. Ich konnte den mehrdimensionalen Mechanismus aufzeigen, der die Zuckerrezeptoren und damit die Zuckerwahrnehmung von Honigbienen reguliert. Ich konnte AmGr1 und AmGr3 als Basis der Zuckerwahrnehmung definieren und diese Komponenten auf den Co-Rezeptor AmGr2 und die möglichen Spleißvarianten von AmGr1 erweitern. Ich habe außerdem gezeigt, wie diese Zuckerrezeptorkomponenten funktionieren, interagieren, und dass sie eindeutig an der Arbeitsteilung bei Honigbienen beteiligt sind. Zusammenfassend beschreibt meine Dissertation die Mechanismen, die es Honigbienen ermöglichen, Zucker auf komplexe Weise wahrzunehmen, selbst wenn sie eine begrenzte Anzahl von Zuckerrezeptoren besitzen. Meine Daten deuten stark darauf hin, dass Honigbienen Zucker und ihre Nahrung nicht nur aufgrund ihrer generellen Süße unterscheiden können (wie dies mit nur einem Hauptzuckerrezeptor zu erwarten wäre).
Die gefundenen Zuckerrezeptormechanismen und deren Zusammenspiel legen nahe, dass Honigbienen möglicherweise direkt zwischen Monosacchariden und Disacchariden bzw. Zuckermolekülen und damit zwischen ihrer Nahrung (Honig und Nektar) unterscheiden können.
KW  - Biene
KW  - Apis mellifera
KW  - responsiveness
KW  - honeybee
KW  - sugar receptor
KW  - sugar perception (fructose, sucrose)
KW  - AmGr1, AmGr2, AmGr3
KW  - PER
KW  - division of labor
KW  - CRISPR/Cas9
KW  - bitter taste
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-321873
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schwarz, Jessica Denise
T1  - Genome-wide reporter screens identify transcriptional regulators of ribosome biogenesis
T1  - Genomweite Reporterscreens identifizieren transkriptionelle Regulatoren ribosomaler Biogenese
N2  - Cellular growth and proliferation are among the most important processes for cells and
organisms. One of the major determinants of these processes is the amount of proteins
and consequently also the amount of ribosomes. Their synthesis involves several hundred
proteins and four different ribosomal RNA species, is highly coordinated and very
energy-demanding. However, the molecular mechanims of transcriptional regulation of
the protein-coding genes involved, is only poorly understood in mammals.
In this thesis, unbiased genome-wide knockout reporter screens were performed, aiming
to identify previously unknown transcriptional regulators of ribosome biogenesis
factors (RiBis), which are important for the assembly and maturation of ribosomes,
and ribosomal proteins (RPs), which are ribosomal components themself. With that
approach and follow-up (validation) experiments, ALDOA and RBM8A among others,
could be identified as regulators of ribosome biogenesis.
Depletion of the glycolytic enzyme ALDOA led to a downregulation of RiBi- and RPpromoter
driven reporters on protein and transcript level, as well as to a downregulation
of ribosome biogenesis gene transcripts and of mRNAs of other genes important for
proliferation.
Reducing the amount of the exon junction complex protein RBM8A, led to a more prominent
downregulation of one of the fluorescent reporters, but this regulation was independent
of the promoter driving the expression of the reporter. However, acute protein
depletion experiments in combination with nascent RNA sequencing (4sU-Seq)
revealed, that mainly cytosolic ribosomal proteins (CRPs) were downregulated upon
acute RBM8A withdrawal. ChIP experiments showed RBM8A binding to promoters of
RP genes, but also to other chromatin regions. Total POL II or elongating and initiating
POL II levels were not altered upon acute RBM8A depletion.
These data provide a starting point for further research on the mechanisms of transcriptional
regulation of RP and RiBi genes in mammals.
N2  - Zelluläres Wachstum und Proliferation zählen zu den wichtigsten Prozessen für Zellen
und Organismen. Eine der größten Determinanten dieser Prozesse ist die Menge an
Proteinen und in der Konsequenz auch die Menge an Ribosomen. Deren Synthese
erfordert mehrere hundert Proteine und vier verschiedene ribosomale RNA-Spezies,
ist stark koordiniert und sehr energiefordernd. Dennoch sind die molekularen Mechanismen
der transkriptionellen Regulation der beteiligten protein-kodierenden Gene in
Säugetieren nur schlecht verstanden.
In dieser Arbeit wurden hypothesenfreie genomweite Knockout-Reporterscreens mit
dem Ziel durchgeführt, bisher unbekannte transkriptionelle Regulatoren von ribosomalen
Biogenesefaktoren (RiBis), welche wichtig für den Zusammenbau und die Reifung
der Ribosomen sind, und ribosomalen Proteinen (RPs), welche selbst ribosomale Bestandteile
sind, zu identifizieren. Durch diesen Ansatz und nachfolgende (Validierungs-
)Experimente, konnten unter anderem ALDOA und RBM8A als Regulatoren ribosomaler
Biogenese identifiziert werden.
Eine Depletion des glykolytischen Enzyms ALDOA führte sowohl zu einer Herunterregulation
von RiBi- und RP-Promotor-gesteuerten Reportern auf Protein- und Transkriptebene,
als auch zu einer Herunterregulation von ribosomalen Biogenesegentranskripten
und von mRNAs anderer für die Proliferation wichtiger Gene.
Eine Reduktion der Menge des Exon-Junction-Komplexproteins RBM8A führte zu
einer deutlicheren Herunterregulation eines der beiden fluoreszierenden Reporter,
aber diese Regulation war unabhängig vom Promotor, der die Expression des Reporters
steuert. Akute Proteinabbauexperimente in Verbindung mit einer Sequenzierung
naszenter RNA (4sU-Seq) zeigten allerdings, dass hauptsächlich zytosolische
ribosomale Proteine (CRPs) nach akuter RBM8A-Depletion herunterreguliert waren.
ChIP-Experimente zeigten RBM8A-Bindung an Promotoren von RP-Genen, aber auch
an andere Chromatinregionen. Gesamt-POL II- oder elongierende und initiierende POL
II-Mengen waren nach akuter RBM8A-Depletion nicht verändert.
Diese Daten stellen einen Ausgangspunkt für weitere Forschung zu den Mechanismen
transkriptioneller Regulation von RP- und RiBi-Genen in Säugetieren dar.
KW  - Ribosom
KW  - Fructosebisphosphat-Aldolase
KW  - Transkription <Genetik>
KW  - Genregulation
KW  - ribosome biogenesis
KW  - Rbm8a
KW  - genetic screen
KW  - reporter screen
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-279010
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kaya-Zeeb, Sinan David
T1  - Octopaminergic Signaling in the Honeybee Flight Muscles : A Requirement for Thermogenesis
T1  - Octopaminerge Signalwege in der Flugmuskulatur der Honigbiene : Eine Voraussetzung für die Thermogenese
N2  - For all animals the cold represents a dreadful danger. In the event of severe heat loss, animals
fall into a chill coma. If this state persists, it is inevitably followed by death. In poikilotherms
(e.g. insects), the optimal temperature range is narrow compared to homeotherms
(e.g. mammals), resulting in a critical core temperature being reached more quickly. As a
consequence, poikilotherms either had to develop survival strategies, migrate or die. Unlike
the majority of insects, the Western honeybee (Apis mellifera) is able to organize itself into
a superorganism. In this process, worker bees warm and cool the colony by coordinated
use of their flight muscles. This enables precise control of the core temperature in the hive,
analogous to the core body temperature in homeothermic animals. However, to survive the
harsh temperatures in the northern hemisphere, the thermogenic mechanism of honeybees
must be in constant readiness. This mechanism is called shivering thermogenesis, in which
honeybees generate heat using their flight muscles.
My thesis presents the molecular and neurochemical background underlying shivering thermogenesis
in worker honeybees. In this context, I investigated biogenic amine signaling.
I found that the depletion of vesicular monoamines impairs thermogenesis, resulting in
a decrease in thoracic temperature. Subsequent investigations involving various biogenic
amines showed that octopamine can reverse this effect. This clearly indicates the involvement
of the octopaminergic system. Proceeding from these results, the next step was to elucidate
the honeybee thoracic octopaminergic system. This required a multidisciplinary approach to
ultimately provide profound insights into the function and action of octopamine at the flight
muscles. This led to the identification of octopaminergic flight muscle controlling neurons,
which presumably transport octopamine to the flight muscle release sites. These neurons
most likely innervate octopamine β receptors and their activation may stimulate intracellular
glycolytic pathways, which ensure sufficient energy supply to the muscles.
Next, I examined the response of the thoracic octopaminergic system to cold stress conditions.
I found that the thoracic octopaminergic system tends towards an equilibrium,
even though the initial stress response leads to fluctuations of octopamine signaling. My
results indicate the importance of the neuro-muscular octopaminergic system and thus the need for its robustness. Moreover, cold sensitivity was observed for the expression of one
transcript of the octopamine receptor gene AmOARβ2. Furthermore, I found that honeybees
without colony context show a physiological disruption within the octopaminergic system.
This disruption has profound effects on the honeybees protection against the cold.
I could show how important the neuro-muscular octopaminergic system is for thermogenesis
in honeybees. In this context, the previously unknown neurochemical modulation of the
honeybee thorax has now been revealed. I also provide a broad basis to conduct further
experiments regarding honeybee thermogenesis and muscle physiology.
N2  - Kälte stellt für alle Tiere eine lebensbedrohliche Situation dar. Erleiden sie einen schwerwiegenden
Wärmeverlust, stellt sich der Zustand eines Kältekomas ein. Hält dieser Zustand
über einen längeren Zeitraum an, folgt unweigerlich der Tod. Poikilotherme (z.B. Insekten)
weisen ein schmaleres optimales Temperaturfenster als Homoiotherme (z.B. Säugetiere) auf,
wodurch sie ihre kritische Körpertemperatur schneller erreichen. Dadurch waren Poikilotherme
gezwungen entweder Überlebenstrategien zu entwickeln, abzuwandern oder zu
sterben. Im Gegensatz zu den meisten anderen Insektenarten, ist die Westliche Honigbiene
Apis mellifera in der Lage einen Superorganismus zu bilden, in dem Arbeiterbienen durch
den koordinierten Einsatz ihrer Flugmuskeln für Erwärmung oder Abkühlung sorgen. In
Analogie zur Körpertemperatur von Homoiothermen, ermöglicht dies die exakte Kontrolle
der Kerntemperatur des Bienenstocks. Um unter den rauen Bedingungen in der nördlichen
Hemisphäre bestehen zu können, muss eine ununterbrochene Einsatzbereitschaft des thermogenen
Mechanismus der Honigbiene garantiert werden. Dabei ist die Honigbiene in der
Lage durch Zittern der Flugmuskulatur Wärme zu erzeugen.
In dieser Dissertation stelle ich die molekularen und neurochemischen Grundlagen des thermogenen
Muskelzitterns bei Honigbienenarbeiterinnen vor. In diesem Zusammenhang habe
ich die Signalwege von verschiedenen biogenen Aminen untersucht und konnte demonstrieren,
dass eine Erschöpfung vesikulärer Monoamine den Prozess der Thermogenese beeinflusst und
zu einem Absinken der Thoraxtemperatur führt. Unter Einbeziehung veschiedener biogener
Amine, konnten Folgeuntersuchungen zeigen, dass dieser Effekt durch Octopamin rückgängig
gemacht werden kann. Dies weist eindeutig auf eine Beteiligung des octopaminergen Systems
hin. Auf Basis dieser Erkenntnisse folgte die Erforschung des thorakalen octopaminergen
Systems der Honigbiene. Dabei erforderte es einen multidisziplinären Ansatz, um weitere
Einblicke in die Funktion und Wirkung von Octopamin in der Flugmuskulatur zu gewinnen.
Im Zuge dessen, konnten flugmuskelinnervierende octopaminerge Neuronen identifiziert werden,
die mutmaßlich die Flugmuskeln mit Octopamin versorgen. Es sind höchstwahrscheinlich
diese Neuronen, die für eine Stimulation von Octopamin-β-Rezeptoren verantwortlich
sind und wordurch intrazelluläre glykolytische Prozesse eine ausreichende Muskelversorgung gewährleisten. In den darauffolgenden Experimenten habe ich das Ansprechen des thorakalen
octopaminergen Systems auf Kältestress untersucht und konnte zeigen, dass dieses System
nach einem Gleichgewichtszustand strebt. Dies trifft selbst nach einer starken initialen
Stressantwort zu. Meine Ergebnisse verdeutlichen die Bedeutsamkeit des neuromuskulären
octopaminergen Systems und zeigen seine erforderliche Resilienz gegenüber exogenen Faktoren.
Es konnte die Kälteempfindlichkeit eines Transkriptes des Octopaminrezeptorgens
AmOARβ2 nachgewiesen werden. Zusätzlich konnte ich zeigen, dass Honigbienen ohne den
sozialen Kontext der Kolonie eine starke physiologische Störung innerhalb des untersuchten
Systems und damit auch in Bezug auf ihre Kälteresilienz aufweisen.
Meine Dissertation verdeutlicht die enorme Bedeutung des neuromuskulären octopaminergen
Systems im Kontext der Thermogenese im Organismus Honigbiene. In diesem Rahmen
konnte die bisher unerforschte neurochemische Modulation des Honigbienenthorax aufgeklärt
werden. Darüber hinaus bietet meine Arbeit eine Grundlage für künftige Experimente zur
Thermogenese und Muskelphysiologie der Honigbiene.
KW  - Octopamin
KW  - Biene
KW  - Octopamine
KW  - Thermogenesis
KW  - Honeybee
KW  - Octopaminergic signaling
KW  - Flight muscle
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-314089
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TY  - THES
A1  - Reinhard, Sebastian
T1  - Improving Super-Resolution Microscopy Data Reconstruction and Evaluation by Developing Advanced Processing Algorithms and Artifcial Neuronal Networks
T1  - Verbesserung von Datenrekonstruktion und -auswertung in der Super-Resolution Mikroskopie durch die Entwicklung von fortgeschrittenen Verarbeitungsalgorithmen und künstlichen neuronalen Netzen
N2  - The fusion of methods from several disciplines is a crucial component of scientific development. Artificial Neural Networks, based on the principle of biological neuronal networks, demonstrate how nature provides the best templates for technological advancement. These innovations can then be employed to solve the remaining mysteries of biology, including, in particular, processes that take place on microscopic scales and can only be studied with sophisticated techniques. For instance, direct Stochastic Optical Reconstruction Microscopy combines tools from chemistry, physics, and computer science to visualize biological processes at the molecular level. One of the key components is the computer-aided reconstruction of super-resolved images. Improving the corresponding algorithms increases the quality of the generated data, providing further insights into our biology. It is important, however, to ensure that the heavily processed images are still a reflection of reality and do not originate in random artefacts.
Expansion microscopy is expanding the sample by embedding it in a swellable hydrogel. The method can be combined with other super-resolution techniques to gain additional resolution. We tested this approach on microtubules, a well-known filamentous reference structure, to evaluate the performance of different protocols and labelling techniques.
We developed LineProfiler an objective tool for data collection. Instead of collecting perpendicular profiles in small areas, the software gathers line profiles from filamentous structures of the entire image. This improves data quantity, quality and prevents a biased choice of the evaluated regions. On the basis of the collected data, we deployed theoretical models of the expected intensity distribution across the filaments. This led to the conclusion that post-expansion labelling significantly reduces the labelling error and thus, improves the data quality. The software was further used to determine the expansion factor and arrangement of synaptonemal complex data.
Automated Simple Elastix uses state-of-the-art image alignment to compare pre- and post-expansion images. It corrects linear distortions occurring under isotropic expansion, calculates a structural expansion factor and highlights structural mismatches in a distortion map. We used the software to evaluate expanded fungi and NK cells. We found that the expansion factor differs for the two structures and is lower than the overall expansion of the hydrogel.
Assessing the fluorescence lifetime of emitters used for direct Stochastic Optical Reconstruction Microscopy can reveal additional information about the molecular environment or distinguish dyes emitting with a similar wavelength. The corresponding measurements require a confocal scanning of the sample in combination with the fluorescent switching of the underlying emitters. This leads to non-linear, interrupted Point Spread Functions. The software ReCSAI targets this problem by combining the classical algorithm of compressed sensing with modern methods of artificial intelligence. We evaluated several different approaches to combine these components and found, that unrolling compressed sensing into the network architecture yields the best performance in terms of reconstruction speed and accuracy.  
In addition to a deep insight into the functioning and learning of artificial intelligence in combination with classical algorithms, we were able to reconstruct the described non-linearities with significantly improved resolution, in comparison to other state-of-the-art architectures.
N2  - Für die Weiterentwicklung der Wissenschaft wird es immer wichtiger, Methoden aus verschiedenen Gebieten zu kombinieren. Die künstliche Intelligenz beruht beispielsweise auf dem Prinzip biologischer neuronaler Netze. Hier wird die Natur als Vorlage für unsere technische Entwicklung genutzt. Diese Innovationen können dazu eingesetzt werden, die verbliebenen Rätsel der Biologie zu lösen. Dazu gehören insbesondere Prozesse, die sich auf mikroskopischer Ebene abspielen und nur mit hochentwickelten Techniken untersucht werden können. Die direkte Stochastisch Optische Rekonstruktionsmikroskopie kombiniert Methoden der Chemie, Physik und Informatik, um biologische Prozesse auf molekularer Ebene sichtbar zu machen. Eine der Schlüsselkomponenten ist die computergestützte Rekonstruktion von hochaufgelösten Bildern. Die Verbesserung der zugrunde liegenden Algorithmen erhöht die Qualität der erzeugten Daten und ermöglicht weitere Einblicke in unsere Biologie. Es muss jedoch sichergestellt
werden, dass die künstlich erstellten Bilder immer noch ein Abbild der Realität sind und nicht auf zufälligen Artefakten beruhen.
Expansionsmikroskopie vergrößert die Probe durch Einbettung in ein Hydrogel. Die Methode kann mit anderen hochauflösenden Techniken kombiniert werden, um die Auflösung noch weiter zu verbessern. Dieser Ansatz wurde an Mikrotubuli, einer bekannten flamentösen Referenzstruktur, verwendet, um verschiedene Protokolle und 
Markierungstechniken zu testen. Mit LineProfiler wurde ein objektives Werkzeug zur Datenerfassung entwickelt. Anstatt Linienprofle in kleinen Bereichen zu erfassen, wertet die Software das gesamte Bild aus. Dies verbessert die Datenmenge und Datenqualität und verhindert eine voreingenommene Auswahl der ausgewerteten Regionen. Auf Grundlage der gesammelten Daten wurden theoretische Modelle für die erwartete Intensitätsverteilung über die Filamente erstellt. Daraus konnte geschlossen werden, dass die Markierung nach der Expansion den Markierungsfehler erheblich reduziert und somit die Qualität der Daten
verbessert. Die Software wurde außerdem zur Bestimmung des Expansionsfaktors und der Anordnung der Daten des synaptonemalen Komplexes verwendet. Automated Simple Elastix verwendet modernste Bildregistrierung, um Bilder vor und nach der Expansion zu vergleichen. Lineare Verzerrungen, die bei isotroper Expansion auftreten, werden korrigiert. Der strukturelle Expansionsfaktor wird berechnet und strukturelle Unstimmigkeiten werden in einer Verzerrungskarte hervorgehoben. Die Software wurde zur Bewertung expandierter Pilze und NK-Zellen eingesetzt. Dabei wurde festgestellt, dass der Expansionsfaktor für die beiden Strukturen unterschiedlich
ist und unter der Gesamtexpansion des Hydrogels liegt.
Die Auswertung der Fluoreszenzlebensdauer von Emittern, die für die direkte Stochastische Optische Rekonstruktionsmikroskopie eingesetzt werden, kann zusätzliche Informationen über die molekulare Umgebung liefern oder Farbstoffe unterscheiden, die VI eine ähnliche Lichtwellenlänge emittieren. Die entsprechenden Messungen erfordern
eine konfokale Abtastung der Probe in Kombination mit dem fluoreszenten  Schalten der zugrunde liegenden Emitter. Dies führt zu nichtlinearen, unterbrochenen Punktspreizfunktionen. Die Software ReCSAI löst dieses Problem, indem sie den klassischen Algorithmus des Compressed Sensing mit modernen Methoden der künstlichen Intelligenz kombiniert. Es wurden verschiedene Ansätze zur Kombination der Komponenten ausgewertet und festgestellt, dass die Integration von Compressed Sensing in die Netzwerkarchitektur die beste Performance in Bezug auf Rekonstruktionsgeschwindigkeit und -genauigkeit bringt. Neben einem tiefen Einblick in die Funktionsweise und das Lernen von künstlicher Intelligenz in Kombination mit klassischen Algorithmen konnten die beschriebenen Nichtlinearitäten mit einer deutlich verbesserten Auflösung im Vergleich zu anderen modernen Architekturen rekonstruiert werden.
KW  - Mikroskopie
KW  - Künstliche Intelligenz
KW  - Datenanalyse
KW  - Bildverarbeitung
KW  - Compressed Sensing
KW  - Lifetime Imaging
KW  - dSTORM
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-316959
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TY  - THES
A1  - Franzke, Myriam
T1  - Keep on track : The use of visual cues for orientation in monarch butterflies
T1  - Auf Kurs bleiben : Die Nutzung visueller Hinweise zur Orientierung bei Monarchfaltern
N2  - The monarch butterfly (Danaus plexippus) performs one of the most astonishing behaviors in the animal kingdom: every fall millions of these butterflies leave their breeding grounds in North Amerika and migrate more than 4.000 km southwards until they reach their overwintering habitat in Central Mexico. To maintain their migratory direction over this enormous distance, the butterflies use a time-compensated sun compass. Beside this, skylight polarization, the Earth’s magnetic field and specific mountain ranges seem to guide the butterflies as well the south. In contrast to this fascinating orientation ability, the behavior of the butterflies in their non-migratory state received less attention. Although they do not travel long distances, they still need to orient themselves to find food, mating partners or get away from competitors. The aim of the present doctoral thesis was to investigate use of visual cues for orientation in migrating as well as non-migrating monarch butterflies. For this, field experiments investigating the migration of the butterflies in Texas (USA) were combined with experiments testing the orientation performance of non-migratory butterflies in Germany.
In the first project, I recorded the heading directions of tethered butterflies during their annual fall migration. In an outdoor flight simulator, the butterflies maintained a southwards direction as long as they had a view of the sun’s position. Relocating the position of the sun by 180° using a mirror, revealed that the sun is the animals’ main orientation reference. Furthermore, I demonstrated that when the sun is blocked and a green light stimulus (simulated sun) is introduced, the animals interpreted this stimulus as the ‘real’ sun. However, this cue was not sufficient to set the migratory direction when simulated as the only visual cue in indoor experiments. When I presented the butterflies a linear polarization pattern additionally to the simulated sun, the animals headed in the correct southerly direction showing that multiple skylight cues are required to guide the butterflies during their migration.
In the second project, I, furthermore, demonstrated that non-migrating butterflies are able to maintain a constant direction with respect to a simulated sun. Interestingly, they ignored the spectral component of the stimulus and relied on the intensity instead. When a panoramic skyline was presented as the only orientation reference, the butterflies maintained their direction only for short time windows probably trying to stabilize their flight based on optic-flow information. Next, I investigated whether the butterflies combine celestial with local cues by simulating a sun stimulus together with a panoramic skyline. Under this conditions, the animals’ directedness was increased demonstrating that they combine multiple visual cues for spatial orientation.
Following up on the observation that a sun stimulus resulted in a different behavior than the panoramic skyline, I investigated in my third project which orientation strategies the butterflies use by presenting different simulated cues to them. While a bright stripe on a dark background elicited a strong attraction of the butterflies steering in the direction of the stimulus, the inverted version of the stimulus was used for flight stabilization. In contrast to this, the butterflies maintained arbitrary directions with a high directedness with respect to a simulated sun. In an ambiguous scenery with two identical stimuli (two bright stripes, two dark stripes, or two sun stimuli) set 180° apart, a constant flight course was only achieved when two sun stimuli were displayed suggesting an involvement of the animals’ internal compass. In contrast, the butterflies used two dark stripes for flight stabilization and were alternatingly attracted by two bright stripes. This shows that monarch butterflies use stimulus-dependent orientation strategies and gives the first evidence for different neuronal pathways controlling the output behavior.
N2  - Der Monarchfalter (Danaus plexippus) vollführt eine der atemberaubendsten Verhaltensweisen im Tierreich: Jeden Herbst verlassen Millionen dieser Schmetterlinge ihre Brutgebiete in Nordamerika und migrieren mehr als 4000 km südwärts bis sie ihr Überwinterungsgebiet in Zentralmexico erreichen. Um ihre Migrationsrichtung über diese enorme Distanz einzuhalten, benutzen die Schmetterlinge einen zeitkompensierten Sonnenkompass. Daneben scheinen polarisiertes Licht, das Erdmagnetfeld und bestimmte Gebirgsketten die Schmetterlinge nach Süden zu führen. Im Gegensatz zu dieser faszinierenden Orientierungsfähigkeit wurde dem Verhalten der Schmetterlinge in ihrem nicht-migrierendem Zustand wenig Beachtung geschenkt. Obwohl diese keine großen Distanzen zurücklegen, müssen sie sich dennoch orientieren, um Futter und Paarungspartner zu finden oder Konkurrenten zu entfliehen. Das Ziel der vorliegenden Doktorarbeit war es, die Nutzung visueller Hinweise für die Orientierung von sowohl migrierenden als auch nicht-migrierenden Monarchfaltern zu untersuchen. Dazu wurden Feldexperimente, in denen die Migration der Schmetterlinge in Texas (USA) untersucht wurden, mit Experimenten, in denen das Orientierungsvermögen von nicht-migrierenden Schmetterlingen in Deutschland getestet wurde, verknüpft. 
Im ersten Projekt habe ich die Flugrichtung von Schmetterlingen während der jährlichen Herbstmigration aufgezeichnet. In einem Flugsimulator im Freien hielten die Schmetterlinge eine südliche Richtung, solange sie eine freie Sicht auf die Sonne hatten. Eine Versetzung der Sonnenposition um 180° mit Hilfe eines Spiegels zeigte auf, dass die Sonne die wichtigste Orientierungsreferenz der Tiere ist. Des Weiteren konnte ich zeigen, dass die Tiere, wenn die Sonne blockiert und ein grüner Lichtstimulus (simulierte Sonne) eingeschaltet wurde, diese simulierte Sonne als "echte" Sonne interpretierten. Dieser Hinweis reichte jedoch nicht aus, um die Migrationsrichtung festzulegen, wenn er als einziger visueller Hinweis im Labor simuliert wurde. Als ich den Schmetterlingen zusätzlich zur simulierten Sonne ein lineares Polarisationsmuster präsentierte, flogen die Tiere in die richtige, südliche Richtung. Das zeigt, dass mehrere Himmelshinweise erforderlich sind, um die Schmetterlinge während ihrer Migration zu steuern.
Im zweiten Projekt habe ich weiterhin gezeigt, dass nicht migrierende Schmetterlinge in der Lage sind eine konstante Richtung relativ zu einer simulierten Sonne beizubehalten. Interessanterweise ignorierten sie die spektrale Komponente des Stimulus und verließen sich stattdessen auf die Intensität. Als ein Panorama als einzige Orientierungsreferenz präsentiert wurde, hielten die Schmetterlinge ihre Richtung nur für kurze Zeitfenster und versuchten vermutlich, ihren Flug basierend auf Informationen des optischen Flusses zu stabilisieren. Als Nächstes untersuchte ich, ob die Schmetterlinge Himmelshinweise und lokale Hinweisen kombinieren, indem ich eine Sonne zusammen mit einem Panorama simulierte. Unter diesen Bedingungen war die Gerichtetheit der Flüge erhöht, was zeigt, dass die Tiere mehrere visuelle Hinweise zur räumlichen Orientierung kombinieren.
Beruhend auf der Beobachtung, dass ein Sonnenstimulus zu einem anderen Verhaltensmuster führte als das Panorama, untersuchte ich in meinem dritten Projekt, welche Orientierungsstrategien die Schmetterlinge verwenden. Hierfür präsentierte ich den Tieren verschiedene simulierte Hinweise. Während ein heller Streifen auf dunklem Hintergrund eine starke Anziehungskraft auf die Schmetterlinge, die in die Richtung des Reizes flogen, ausübte, wurde die invertierte Version des Stimulus zur Flugstabilisierung verwendet. Im Gegensatz dazu hielten die Schmetterlinge beliebige Richtungen mit einer hohen Gerichtetheit relativ zu einer simulierten Sonne ein. In einer uneindeutigen Szenerie mit zwei identischen Reizen (zwei helle Streifen, zwei dunkle Streifen oder zwei Sonnenstimuli), die um 180° versetzt waren, wurde eine konstante Flugrichtung nur dann erreicht, wenn zwei Sonnenstimuli gezeigt wurden. Das deutet auf eine Beteiligung des inneren Kompasses der Tiere hin. Im Gegensatz dazu nutzten die Schmetterlinge zwei dunkle Streifen zur Flugstabilisierung und wurden abwechselnd von zwei hellen Streifen angezogen. Dies zeigt, dass Monarchfalter stimulus-abhängige Orientierungsstrategien verwenden, und liefert den ersten Nachweis für unterschiedliche neuronale Verschaltungswege, die das Verhalten steuern.
KW  - Monarchfalter
KW  - Orientierung
KW  - Visuelle Orientierung
KW  - Schmetterlinge
KW  - Insekten
KW  - visual cue
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-284709
ER  - 
TY  - THES
A1  - Fasemore, Akinyemi Mandela
T1  - Genomic and internet based analysis of \(Coxiella\) \(burnetii\)
T1  - Genomische und Internet-basierte Analyse von \(Coxiella\) \(burnetii\)
N2  - Coxiella burnetii, a Gram negative obligate intracellular bacterium, is the causative
agent of Q fever. It has a world wide distribution and has been documented to
be capable of causing infections in several domestic animals, livestock species,
and human beings. Outbreaks of Q fever are still being observed in livestock
across animal farms in Europe, and primary transmission to humans still oc-
curs especially in animal handlers. Public health authorities in some countries
like Germany are required by law to report human acute cases denoting the
significance of the challenge posed by C. burnetii to public health.
In this thesis, I have developed a platform alongside methods to address the
challenges of genomic analyses of C. burnetii for typing purposes. Identification
of C. burnetii isolates is an important task in the laboratory as well as in the
clinics and genotyping is a reliable method to identify and characterize known
and novel isolates. Therefore, I designed and implemented several methods
to facilitate the genotyping analyses of C. burnetii genomes in silico via a web
platform. As genotyping is a data intensive process, I also included additional
features such as visualization methods and databases for interpretation and
storage of obtained results. I also developed a method to profile the resistome
of C. burnetii isolates using a machine learning approach. Data about antibiotic
resistance in C. burnetii are scarce majorly due to its lifestyle and the difficulty
of cultivation in laboratory media. Alternative methods that rely on homology
identification of resistance genes are also inefficient in C. burnetii, hence, I
opted for a novel approach that has been shown to be promising in other
bacteria species. The applied method relied on an artificial neural network as
well as amino acid composition of position specific scoring matrix profile for
feature extraction. The resulting model achieved an accuracy of ≈ 0.96 on test
data and the overall performance was significantly higher in comparison to
existing models. Finally, I analyzed two new C. burnetii isolates obtained from
an outbreak in Germany, I compared the genome to the RSA 493 reference
isolate and found extensive deletions across the genome landscape.
This work has provided a new digital infrastructure to analyze and character-
ize C. burnetii genomes that was not in existence before and it has also made a
significant contribution to the existing information about antibiotic resistance
genes in C. burnetii.
N2  - Coxiella burnetii, ein Gram-negatives, obligat intrazelluläres Bakterium, ist der
Erreger des Q-Fiebers. Er hat eine weltweite Verbreitung und ist nachweis-
lich in der Lage, Infektionen bei verschiedenen Haustieren, Nutztieren und
Menschen zu verursachen. Ausbrüche von Q-Fieber werden immer noch in
Tierbeständen in Europa beobachtet, und die Primärübertragung auf den Men-
schen erfolgt nach wie vor allem durch Kontakt mit entsprechenden Tieren und
ihren Ausscheidungen. Das öffentliche Gesundheitssystem in einigen Ländern
wie Deutschland hat eine Meldepflicht für akute Fälle beim Menschen festge-
legt, was die Bedeutung des Erregers bzw. seiner ausgelösten Erkrankung für
die öffentliche Gesundheit verdeutlicht. In dieser Doktorarbeit habe ich eine
Plattform neben weiteren Methoden entwickelt, um die Herausforderungen der
Genomanalyse von C. burnetii für Genotypisierungsverfahren zu adressieren.
Die Identifizierung von C. burnetii-Isolaten erfüllt eine wichtige Funktion im La-
bor sowie in den Krankenhäusern, und die Genotypisierung ist eine verlässliche
Methode, um bekannte und neue Isolate zu identifizieren und zu charakte-
risieren. Daher habe ich mehrere Methoden konzipiert und implementiert,
um die Analyse zur Genotypisierung von C. burnetii-Genomen in silico über
eine Web-Plattform zu erleichtern. Da die Genotypisierung ein datenintensiver
Prozess ist, habe ich ebenfalls zusätzliche Features wie Visualisierungsme-
thoden und Datenbanken zur Interpretation und Speicherung der erhaltenen
Ergebnisse mitaufgenommen. Ferner habe ich eine Methode zur Erstellung
des Resistomprofils von C. burnetii-Isolaten unter Verwendung eines Ansat-
zes des maschinellen Lernens entwickelt. Daten über Resistenzfaktoren bei C.
burnetii sind rar, was hauptsächlich auf die obligat intrazelluläre Lebensweise
der Coxiellen und die Schwierigkeiten bei der Kultivierung in Labormedien
zurückzuführen ist. Alternative Methoden, die auf der Identifizierung der Ho-
mologie von Resistenzgenen basieren, sind bei C. burnetii ebenfalls ineffizient.
Aus diesem Grund entschied ich mich für einen neuen Ansatz, der sich bereits
bei anderen Bakterienspezies als vielversprechend erwiesen hat. Die verwen-
dete Methode basiert auf einem artifiziellen neuronalen Netzwerk sowie auf
der Aminosäurezusammensetzung des positionsspezifischen Matrixprofils zur
Extraktion von Features. Das daraus resultierende Modell erzielte eine Genauig-
keit von ≈ 0,96 bei den Testdaten und die Gesamtleistung war signifikant höher
im Vergleich zu den bereits vorhandenen Methoden. Schließlich analysierte ich
zwei neue C. burnetii-Isolate, die von einem Q-Fieberausbruch in Deutschland
stammten. Ich verglich das Genom mit dem RSA 493 Referenz Isolat und fand
extensive Deletionen über das Genom sequenz. Mit dieser Arbeit wird eine
neue digitale Infrastruktur zu Analyse von C. burnetii- Genomen bereitgestellt,
die es vorher noch nicht gab. Zudem liefert diese Arbeit einen wichtigen Beitrag
zu den bereits vorhandenen Informationen über Antibiotikaresistenzgene bei
in C. burnetii.
KW  - Bioinformatics
KW  - Coxiella burnetii
KW  - Genotyping
KW  - Web services
KW  - Genomics
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-296639
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TY  - THES
A1  - Nguyen, Tu Anh Thi
T1  - Neural coding of different visual cues in the monarch butterfly sun compass
T1  - Neuronale Kodierung verschiedener visueller Signale im Sonnenkompass des Monarchfalters
N2  - Monarch butterflies are famous for their annual long-distance migration. Decreasing temperatures and reduced daylight induce the migratory state in the autumn generation of monarch butterflies. Not only are they in a reproductive diapause, they also produce fat deposits to be prepared for the upcoming journey: Driven by their instinct to migrate, they depart from their eclosion grounds in the northern regions of the North American continent and start their southern journey to their hibernation spots in Central Mexico. The butterflies cover a distance of up to 4000 km across the United States. In the next spring, the same butterflies invert their preferred heading direction due to seasonal changes and start their northward spring migration. The spring migration is continued by three consecutive butterfly generations, until the animals repopulate the northern regions in North America as non-migratory monarch butterflies. The monarch butterflies’ migratory state is genetically and epigenetically regulated, including the directed flight behavior. Therefore, the insect’s internal compass system does not only have to encode the butterflies preferred, but also its current heading direction. However, the butterfly’s internal heading representation has to be matched to external cues, to avoid departing from its initial flight path and increasing its risk of missing its desired destination. During the migratory flight, visual cues provide the butterflies with reliable orientation information. The butterflies refer to the sun as their main orientation cue. In addition to the sun, the butterflies likely use the polarization pattern of the sky for orientation. The sky compass signals are processed within a region in the brain, termed the central complex (CX). Previous research on the CX neural circuitry of the monarch butterflies demonstrated that tangential central complex neurons (TL) carry the visual input information into the CX and respond to a simulated sun and polarized light. However, whether these cells process additional visual cues like the panoramic skyline is still unknown. Furthermore, little is known about how the migratory state affects visual cue processing. In addition to this, most experiments studying the monarch butterfly CX focused on how neurons process single visual cues. However, how combined visual stimuli are processed in the CX is still unknown.
This thesis is investigating the following questions:
1)	How does the migratory state affect visual cue processing in the TL cells within the monarch butterfly brain?
2)	How are multiple visual cues integrated in the TL cells?
3)	How is compass information modulated in the CX?
To study these questions, TL neurons from both animal groups (migratory and non-migratory) were electrophysiologically characterized using intracellular recordings while presenting different simulated celestial cues and visual sceneries. I showed that the TL neurons of migratory butterflies are more narrowly tuned to the sun, possibly helping them in keeping a directed flight course during migration. Furthermore, I found that TL cells encode a panoramic skyline, suggesting that the CX network combines celestial and terrestrial information. Experiments with combined celestial stimuli revealed that the TL cells combine both cue information linearly. However, if exposing the animals to a simulated visual scenery containing a panoramic skyline and a simulated sun, the single visual cues are weighted differently. These results indicate that the CX’s input region can flexibly adapt to different visual cue conditions. Furthermore, I characterize a previously unknown neuron in the monarch butterfly CX which responds to celestial stimuli and connects the CX with other brain neuropiles. How this cell type affects heading direction encoding has yet to be determined.
N2  - Monarchfalter sind berühmt für ihre jährlichen Migrationsflüge. Sinkende Temperaturen und die verkürzte Tageslichtbestrahlung induzieren die Migration in einer Herbstgeneration der Monarchfalter. Sie sind nicht nur in reproduktiver Diapause, sondern produzieren Fettreserven für die bevorstehende Reise: Getrieben von ihrem Migrationsinstinkt verlassen sie ihre Schlüpfstätten in den nördlichen Regionen des Nordamerikanischen Kontinents und starten ihre südliche Wanderung zu ihren Überwinterunsgstätten in Zentralmexiko. Dabei legen die Schmetterlinge Strecken von bis zu 4000 km durch die Vereinigten Staaten zurück. Im nächsten Frühling kehren die gleichen Schmetterlinge ihre Vorzugsrichtung durch die jahreszeitlich bedingten Veränderungen um und die Tiere bewegen sich nordwärts. Die Frühlingsgeneration wird insgesamt über drei Schmetterlingsgeneration durchgeführt, bis die Tiere die nördlichen Regionen in Nordamerika wieder als nicht-migrierende Monarchfalter besiedeln. Der Migrationsstatus der Monarchfalter ist genetisch und epigenetisch reguliert, was auch das gerichtete Flugverhalten einschließt. Demnach muss das interne Kompasssystem der Falter nicht nur die bevorzugte, sondern auch die aktuelle Flugrichtung prozessieren. Die interne Repräsentation der Flugrichtung des Falters muss jedoch mit der Umwelt abgeglichen werden, ansonsten droht das Tier von der ursprünglichen Flugrichtung abzuweichen und erhöht das Risiko den Wunschort nicht zu erreichen. Während des Migrationsfluges bieten visuelle Signale verlässliche Orientierungsinformationen. Dabei ist die Sonne ihre Hauptorientierungsreferenz. Zusätzlich zur Sonne nutzen die Schmetterlinge vermutlich noch das Polarisationsmuster des Himmels zur Orientierung. Diese Himmelskompasssignale werden im Gehirn in einer Gehirnregion, den Zentralkomplex, integriert. Vergangene Forschungsprojekte am Zentralkomplex haben gezeigt, dass tangentiale Zentralkomplex-Neurone (TL) die visuellen Signale in den Zentralkomplex leiten und auf eine simulierte Sonne und polarisiertes Licht sensitiv sind. Ob diese Zellen noch weitere visuelle Signale verarbeiten, wie zum Beispiel den Horizont eines Panoramas, ist nicht bekannt. Auch ist der Einfluss des Migrationsstatus auf die visuelle Signalverarbeitung im Zentralkomplex bisher unerforscht. Des Weiteren haben die meisten Experimente am Zentralkomplex des Monarchfalters den Fokus auf die Verarbeitung einzelner simulierter visueller Reize gelegt. Wie aber Kombinationen aus Stimuli im Zentralkomplex verarbeitet werden, ist nicht bekannt. 
 
Diese Dissertation beschäftigt sich mit folgenden Fragen: 
1)	Wie beeinflusst der Migrationsstatus die visuelle Reizverarbeitung in TL-Zellen im Monarchfaltergehirn?
2)	Wie werden mehrere visuelle Reize in TL-Zellen miteinander kombiniert?
3)	Wie wird Kompassinformation im Zentralkomplex moduliert?
In diesem Zusammenhang wurden TL-Neurone aus beiden Gruppen (migrierende und nichtmigrierende Monarchfalter) elektrophysiologisch mittels intrazellulärer Aufnahmen charakterisiert, während den Tieren unterschiedliche simulierte Himmelkompasssignale und visuelle Szenerien präsentiert wurden. Hierbei konnte ich zeigen dass die TL-Neuronen in migrierenden Tieren ein engeres Tuning zur Sonne aufwiesen, was den Tieren helfen könnte, eine gerichtete Flugrichtung zu halten. Außerdem antworten die TL-Neurone auf ein Panorama, womit der Zentralkomplex in der Lage wäre, Himmelskompasssignale mit terrestrischer Information zu kombinieren. In Experimenten mit zwei kombinierten simulierten Himmelskompasssignalen konnte ich zeigen, dass die TL-Zellen beide Signalinformationen linear miteinander verrechnen. Wenn die TL-Zellen jedoch mit einer visuellen Szenerie stimuliert werden, welche eine simulierte Sonne und ein Panorama beinhaltet, werden die einzelnen visuellen Signale unterschiedlich gewichtet. Die Ergebnisse sind ein Hinweis darauf, dass die Eingangsregion im Zentralkomplex sich flexibel an die visuellen Signalbedingungen anpassen können. Außerdem habe ich ein bis dahin unbekanntes Neuron während meiner Studien charakterisieren können, welches auf simulierte Himmelskompasssignale antwortet und den Zentralkomplex mit anderen Neuropilen im Gehirn verbindet. Wie dieser Neuronentyp Einfluss auf die Kodierung der Flugrichtung nimmt, muss in der Zukunft weiter erforscht werden.
KW  - Monarchfalter
KW  - Danaus plexippus
KW  - Gehirn
KW  - Orientierung
KW  - Visuelle Wahrnehmung
KW  - monarch butterfly
KW  - brain
KW  - orientation
KW  - visual perception
KW  - central complex
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-303807
ER  - 
TY  - THES
A1  - Petrov, Ivan
T1  - Combinational therapy of tumors in syngeneic mouse tumor models with oncolytic Vaccinia virus strains expressing IL-2 and INF-g. Human adipose tissue-derived stem cell mediated delivery of oncolytic Vaccinia virus
T1  - Kombinationstherapie von Tumoren in syngenen Maus-Tumormodellen mit onkolytischen Vaccinia-Virenstämmen, die IL-2 und INF-g exprimieren. Übertragung von onkolytischen Vaccinia-Viren durch menschliche Fettstammzellen
N2  - Cancer is one of the leading causes of death worldwide, with currently assessed chances to develop at least one cancer in a lifetime for about 20%. High cases rates and mortality require the development of new anticancer therapies and treatment strategies. Another important concern is toxicity normally associated with conventional therapy methods, such as chemo- and radiotherapy. Among many proposed antitumoral agents, oncolytic viruses are still one of the promising and fast-developing fields of research with almost a hundred studies published data on over 3000 patients since the beginning of the new millennia.
Among all oncolytic viruses, the Vaccinia virus is arguably one of the safest, with an extremely long and prominent history of use, since it was the one and only vaccine used in the Smallpox Eradication Program in the 1970s. Interestingly enough, it was the first oncolytic virus proven to have tumor tropism in vitro and in vivo in laboratory settings, and this year we can celebrate an unofficial 100th anniversary since the publication of the fact. While being highly immunogenic, Vaccinia virus DNA replication takes place in the cytoplasm of the infected cell, and virus genes never integrate into the host genome. Another advantage of using Vaccinia as an oncolytic agent is its high genome capacity, which allows inserting up to 25 kbps of exogenous genes, thus allowing to additionally arm the virus against the tumor.
Oncolytic virus action consists of two major parts: direct oncolysis and immune activation against the tumor, with the latter being the key to successful treatment. To this moment, preclinical research data are mostly generated in immunocompromised xenograft models, which have hurdles to be properly translated for clinical use. In the first part of the current study, fourteen different recombinant Vaccinia virus strains were tested in two different murine tumor cell lines and corresponding immunocompetent animal models. We found, that Copenhagen backbone Vaccinia viruses while being extremely effective in cell culture, do not show significant oncolytic efficacy in animals. In contrast, several of the LIVP backbone viruses tested (specifically, IL-2 expressing ones) have little replication ability when compared to the Copenhagen strain, but are able to significantly delay tumor growth and prolong survival of the treated animals. We have also noted cytokine related toxicity of the animals to be mouse strain specific.
We have also tested the virus with the highest therapeutic benefit in combination with romidepsin and cyclophosphamide. While the combination with histone deacetylase inhibitor romidepsin did not result in therapeutic benefit in our settings, the addition of cyclophosphamide significantly improved the efficacy of the treatment, at the same time reducing cytokine-associated toxicity of the IL-2 expressing virus.
In the second part of the work, we analyzed the ability of adipose-derived mesenchymal stem cells to serve as a carrier for the oncolytic Vaccinia virus. We showed for the first time that the cells can be infected with the virus and can generate virus progeny. They are also able to survive for a substantially long time and, when injected into the bloodstream of tumor-bearing animals, produce the virus that is colonizing the tumor. Analysis of the systemic distribution of the cells after injection revealed that infected and uninfected cells are not distributed in the same manner, possibly suggesting that infected cells are getting recognized and cleared by an impaired immune system of athymic mice faster than non-infected cells. Despite this, injection of virus-loaded adipose-derived mesenchymal stem cells to human A549 tumor-bearing xenograft mice resulted in rapid tumor regression and reduced virus-related side effects of the treatment when compared to injection of the naked virus.
In conclusion, we have tested two different approaches to augmenting oncolytic Vaccinia virus therapy. First, the combination of recombinant Vaccinia virus expressing IL-2 and cyclophosphamide showed promising results in a syngeneic mouse model, despite the low permissivity of murine cells to the virus. Second, we loaded the oncolytic Vaccinia virus into mesenchymal stem cells and have proven that they can potentially serve as a vehicle for the virus.
N2  - Krebs ist eine der häufigsten Todesursachen weltweit, wobei die Wahrscheinlichkeit, im Laufe des Lebens an mindestens einer Krebsart zu erkranken, derzeit auf etwa 20 % geschätzt wird. Die hohen Fallzahlen und die hohe Sterblichkeit erfordern die Entwicklung neuer Krebstherapien und Behandlungsstrategien. Ein weiteres wichtiges Problem ist die Toxizität, die normalerweise mit konventionellen Behandlungsmethoden, wie Chemo- und Strahlentherapie, einhergeht. Unter den vielen vorgeschlagenen antitumoralen Wirkstoffen sind onkolytische Viren nach wie vor eines der vielversprechendsten und sich schnell entwickelnden Forschungsgebiete mit fast hundert veröffentlichten Studien an über 3000 Patienten seit Beginn des neuen Jahrtausends.
Unter allen onkolytischen Viren ist das Vaccinia Virus wohl eines der Sichersten und hat eine extrem lange und prominente Anwendungsgeschichte, da es der einzige Impfstoff war, der im Pockenausrottungsprogramm in den 1970er Jahren verwendet wurde. Interessanterweise war es das erste onkolytische Virus, dessen Tumortropismus in vitro und in vivo im Labor nachgewiesen wurde. In diesem Jahr (2022) können wir das inoffizielle 100-jährige Jubiläum seit der Veröffentlichung dieser Tatsache feiern. Obwohl Vaccinia hoch immunogen ist, findet die Replikation im Zytoplasma der infizierten Zelle statt, und die Virusgene werden niemals in das menschliche Genom integriert. Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Vaccinia als onkolytisches Agens ist seine hohe Genomkapazität, die es ermöglicht, bis zu 25 kbit/s an exogenen Genen einzufügen, wodurch das Virus zusätzlich gegen den Tumor aufgerüstet werden kann.
Die Wirkung des onkolytischen Virus besteht aus zwei Hauptbestandteilen: der direkten Onkolyse und die Aktivierung des Immunsystems gegen den Tumor, wobei letztere der Schlüssel zum Behandlungserfolg ist. Bislang wurden präklinische Forschungsdaten meist in immungeschwächten Xenotransplantationsmodellen gewonnen, die sich nur schwer für den klinischen Einsatz eignen. Im ersten Teil der aktuellen Studie wurden vierzehn verschiedene rekombinante Vaccinia-Virusstämme in zwei verschiedenen murinen Tumorzelllinien und in entsprechenden immunkompetenten Tiermodellen getestet. Wir fanden heraus, dass Kopenhagener Backbone-Vaccinia-Viren zwar in der Zellkultur äußerst wirksam sind, im Tiermodell jedoch keine signifikante onkolytische Wirksamkeit zeigen. Im Gegensatz dazu haben mehrere der getesteten LIVP-Backbone-Viren (insbesondere die IL-2 exprimierenden) im Vergleich zum Kopenhagener Stamm nur eine geringe Replikationsfähigkeit, sind aber in der Lage, das Tumorwachstum deutlich zu verzögern und das Überleben der behandelten Tiere zu verlängern. Wir haben auch festgestellt, dass die Zytokin-bedingte Toxizität der Tiere mausstammspezifisch ist.
Wir haben auch das Virus mit dem höchsten therapeutischen Nutzen in Kombination mit Romidepsin und Cyclophosphamid getestet. Während die Kombination mit dem Histon-Deacetylase-Inhibitor Romidepsin in unseren Versuchsreihen keinen therapeutischen Nutzen erbrachte, verbesserte die Zugabe von Cyclophosphamid die Wirksamkeit der Behandlung erheblich und verringerte gleichzeitig die zytokinbedingte Toxizität des IL-2-exprimierenden Virus.
Im zweiten Teil der Arbeit analysierten wir die Fähigkeit von aus Fettgewebe gewonnenen mesenchymalen Stammzellen, als Träger für das onkolytische Vaccinia-Virus zu dienen. Wir konnten zum ersten Mal zeigen, dass die Zellen mit dem Virus infiziert werden können und Virusnachkommen erzeugen können. Sie sind auch in der Lage, sehr lange zu überleben und, wenn sie in den Blutkreislauf von Tieren mit Tumoren injiziert werden, das Virus zu produzieren, das den Tumor besiedelt. Die Analyse der systemischen Verteilung der Zellen nach der Injektion ergab, dass infizierte und nicht infizierte Zellen nicht auf die gleiche Weise verteilt werden, was möglicherweise darauf hindeutet, dass infizierte Zellen von einem beeinträchtigten Immunsystem der athymischen Mäuse schneller erkannt und beseitigt werden, als nicht infizierte Zellen. Trotzdem führte die Injektion von virusbeladenen mesenchymalen Stammzellen aus Fettgewebe in A549-Tumor-tragende Xenograft-Mäuse zu einer schnellen Tumorregression und zu geringeren virusbedingten Nebenwirkungen der Behandlung, als bei der Injektion des nackten Virus.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass wir zwei verschiedene Ansätze zur Verstärkung der onkolytischen Vaccinia-Virus-Therapie getestet haben. Erstens zeigte die Kombination aus rekombinantem Vaccinia-Virus, das IL-2 exprimiert, und Cyclophosphamid in einem syngenen Mausmodell vielversprechende Ergebnisse, trotz der geringen Permissivität der Mäusezellen für das Virus. Zweitens haben wir onkolytische Vaccinia-Viren in mesenchymale Stammzellen eingebracht und nachgewiesen, dass diese als Vehikel für das Virus dienen können.
KW  - Vaccinia-virus
KW  - Vaccinia
KW  - ADSCs
KW  - Cancer
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-273550
ER  - 
TY  - THES
A1  - Rutschmann, Benjamin
T1  - Occurrence and population density of wild-living honey bees in Europe and the impact of different habitat types on their foraging and overwintering success
T1  - Vorkommen und Populationsdichte von wild lebenden Honigbienen in Europa und die Auswirkungen unterschiedlicher Habitattypen auf ihr Sammelverhalten und den Überwinterungserfolg
N2  - The original habitat of native European honey bees (\(Apis\) \(mellifera\)) is forest, but currently there is a lack of data about the occurrence of wild honey bee populations in Europe. Prior to being kept by humans in hives, honey bees nested as wild species in hollow trees in temperate forests. However, in the 20th century, intensification of silviculture and agriculture with accompanying losses of nesting sites and depletion of food resources caused population declines in Europe. When the varroa mite (Varroa destructor), an invasive ectoparasite from Asia, was introduced in the late 1970s, wild honey bees were thought to be eradicated in Europe. Nevertheless, sporadic, mostly anecdotal, reports from ornithologists or forest ecologists indicated that honey bee colonies still occupy European forest areas. In my thesis I hypothesize that near-natural deciduous forests may provide sufficient large networks of nesting sites representing refugia for wild-living honey bees. Using two special search techniques, i.e. the tracking of flight routes of honey bee foragers (the “beelining” method) and the inspection of known cavity trees, I collected for the first time data on the occurrence and density of wild-living honey bees in forest areas in Germany (CHAPTER 3). I found wild-living honey bee colonies in the Hainich national park at low densities in two succeeding years. In another forest region, I checked known habitat trees containing black woodpecker cavities for occupation by wild-living honey bee colonies. It turned out that honey bees regularly use these cavities and occur in similar densities in both studied forest regions, independent of the applied detection method. Extrapolating these densities to all German forest areas, I estimate several thousand wild-living colonies in Germany that potentially interact in different ways with the forest environment. I conclude that honey bees regularly colonize forest areas in Germany and that networks of mapped woodpecker cavities offer unique possibilities to study the ecology of wild-living honey bees over several years.
While their population status is ambiguous and the density of colonies low, the fact that honey bees can still be found in forests poses questions about food supply in forest environments. Consequently, I investigated the suitability of woodlands as a honey bee foraging habitat (CHAPTER 4). As their native habitat, forests are assumed to provide important pollen and nectar sources for honey bee colonies. However, resource supply might be spatially and temporally restricted and landscape-scale studies in European forest regions are lacking. Therefore, I set up twelve honey bee colonies in observation hives at locations with varying degree of forest cover. Capitalizing on the unique communication behaviour, the waggle dance, I examined the foraging distances and habitat preferences of honey bees over almost an entire foraging season. Moreover, by connecting this decoded dance information with colony weight recordings, I could draw conclusions about the contribution of the different habitat types to honey yield. Foraging distances generally increased with the amount of forest in the surrounding landscape. Yet, forest cover did not have an effect on colony weight. Compared to expectations based on the proportions of different habitats in the surroundings, colonies foraged more frequently in cropland and grasslands than in deciduous and coniferous forests, especially in late summer when pollen foraging in the forest is most difficult. In contrast, colonies used forests for nectar/honeydew foraging in early summer during times of colony weight gain emphasizing forests as a temporarily significant source of carbohydrates. Importantly, my study shows that the ecological and economic value of managed forest as habitat for honey bees and other wild pollinators can be significantly increased by the continuous provision of floral resources, especially for pollen foraging.
The density of these wild-living honey bee colonies and their survival is driven by several factors that vary locally, making it crucial to compare results in different regions. Therefore, I investigated a wild-living honey bee population in Galicia in north-western Spain, where colonies were observed to reside in hollow electric poles (CHAPTER 5). The observed colony density only in these poles was almost twice as high as in German forest areas, suggesting generally more suitable resource conditions for the bees in Galicia. Based on morphometric analyses of their wing venation patterns, I assigned the colonies to the native evolutionary lineage (M-lineage) where the particularly threatened subspecies \(Apis\) \(mellifera\) \(iberiensis\) also belongs to. Averaged over two consecutive years, almost half of the colonies survived winter (23 out of 52). Interestingly, semi-natural areas both increased abundance and subsequent colony survival. Colonies surrounded by more semi-natural habitat (and therefore less intensive cropland) had an elevated overwintering probability, indicating that colonies need a certain amount of semi-natural habitat in the landscape to survive. Due to their ease of access these power poles in Galicia are, ideally suited to assess the population demography of wild-living Galician honey bee colonies through a long-term monitoring.
In a nutshell, my thesis indicates that honey bees in Europe always existed in the wild. I performed the first survey of wild-living bee density yet done in Germany and Spain. My thesis identifies the landscape as a major factor that compromises winter survival and reports the first data on overwintering rates of wild-living honey bees in Europe. Besides, I established methods to efficiently detect wild-living honey bees in different habitat. While colonies can be found all over Europe, their survival and viability depend on unpolluted, flower rich habitats. The protection of near-natural habitat and of nesting sites is of paramount importance for the conservation of wild-living honey bees in Europe.
 
N2  - Das ursprüngliche Habitat der Westlichen Honigbiene (\(Apis\) \(mellifera\)) ist der Wald, doch derzeit fehlt es an Daten über das Vorkommen von wilden Honigbienenpopulationen in Europa. Bevor die Honigbiene von Menschen in künstlichen Behausungen gehalten wurde, nistete sie in den gemäßigten Breiten in hohlen Bäumen als wild lebende Art. Doch die Intensivierung der Forst- und Landwirtschaft, der damit einhergehende Verlust von Nistplätzen und die Verschlechterung der Nahrungsressourcen führten zu einem Rückgang der Honigbienenpopulationen im 20. Jahrhundert. Nachdem die Varroa-Milbe (Varroa destructor), ein invasiver Ektoparasit, in den späten 1970er-Jahren aus Asien eingeschleppt wurde, nahm man an, dass wilde Honigbienen in Europa ausgestorben seien. Nichtsdestotrotz gaben sporadische, hauptsächlich anekdotische Berichte von Ornithologen oder Waldökologen Anlass zur Vermutung, dass Honigbienenvölker immer noch in europäischen Wäldern zu finden seien.
In meiner vorliegenden Dissertation stelle ich die Hypothese auf, dass naturnahe Laubwälder ein ausreichend großes Netz von Nistplätzen bieten und als Zufluchtsorte für wild lebende Honigbienen fungieren können. Mit Hilfe zweier spezieller Suchtechniken – dem Nachverfolgen der Flugrouten von Honigbienen-Sammlerinnen (die ‚Bee-Lining‘-Methode) und der Inspektion bekannter Baumhöhlen – habe ich erstmalig Daten über das Vorkommen und die Populationsdichte von wild lebenden Honigbienen in deutschen Waldgebieten gesammelt (CHAPTER 3). In zwei aufeinanderfolgenden Jahren habe ich wild lebende Honigbienenvölker im Hainich Nationalpark entdeckt, wobei die Populationsdichten gering waren. In einem anderen Waldgebiet habe ich kartierte Habitatbäume mit Höhlen des Schwarzspechts auf ihre Besiedlung mit Honigbienenvölker hin überprüft. Es stellte sich heraus, dass Honigbienen diese Schwarzspechthöhlen regelmäßig nutzen und in ähnlich niedrigen Dichten in beiden untersuchten Waldgebieten vorkommen. Mittels Extrapolation schätze ich die Zahl der wild lebenden Bienenvölker in allen deutschen Waldgebieten auf mehrere Tausend, die auf vielfältige Weise mit der Waldumgebung interagieren können. Zusammenfassend zeigte sich, dass Honigbienen regelmäßig deutsche Waldgebiete bewohnen und dass Daten über kartierte Spechthöhlen eine einmalige Möglichkeit bieten, die Ökologie der Honigbienen als Wildtier mittels eines Langzeitmonitorings zu untersuchen. 
Auch wenn der Populationsstatus noch ungeklärt und die Populationsdichte gering ist, wirft die Existenz wild lebender Honigbienen Fragen bezüglich der Nahrungsversorgung im Wald auf. Folglich habe ich untersucht, ob eine ausreichende Futterversorgung für Honigbienen in Wäldern gegeben ist (CHAPTER 4). Wälder gelten als der ursprüngliche Lebensraum der Westlichen Honigbiene und man nimmt an, dass sie wichtige Pollen- und Nektarquellen für Honigbienenvölker liefern. Das Nahrungsangebot könnte jedoch räumlich und zeitlich begrenzt sein, wobei hierzu bislang Studien in europäischen Waldregionen fehlen. Daher habe ich zwölf Honigbienenvölker in Beobachtungsstöcken, jeweils an Orten mit unterschiedlichem Waldanteil, aufgestellt. Indem ich mir das einzigartige Kommunikationsverhalten – den Schwänzeltanz – zu Nutzen machte, untersuchte ich Sammeldistanzen und Habitatpräferenzen von Honigbienen über fast eine ganze Bienensaison hinweg. Darüber hinaus konnte ich durch die Verknüpfung der entschlüsselten Tanzinformationen mit Gewichtsaufzeichnungen der Bienenvölker Rückschlüsse auf den Beitrag der verschiedenen Habitattypen zum Honigertrag der Völker ziehen. Die Entfernungen bei der Nahrungssuche nahmen grundsätzlich mit dem Waldanteil in der umgebenden Landschaft zu. Obwohl Bienenvölker, die tiefer im Wald stationiert waren, weiter fliegen mussten, war ihre Gewichtszunahme nicht reduziert. Im Vergleich zu den Erwartungen, die sich aus den flächenmäßigen Anteilen der verschiedenen Habitate in der Umgebung ergeben, sammelten die Völker häufiger in Acker- und Grasland als in Laub- und Nadelwald, wobei der Spätsommer die schwierigste Zeit für die Pollenversorgung im Wald war. Auf die Phase im Frühsommer von Mitte Mai bis Mitte Juli bezogen, in der die Völker an Gewicht zunahmen, wurde der Wald zum Sammeln für Nektar/Honigtau beinahe erwartungsgemäß genutzt. Das unterstreicht die Bedeutung des Waldes als wichtige Quelle für Kohlenhydrate während eines kurzen Zeitraums im Jahr. Meine Untersuchungen zeigen, dass der ökologische und ökonomische Wert von Wirtschaftswald als Lebensraum für Honigbienen und andere Bestäuber durch die kontinuierliche Versorgung von Blütenressourcen, insbesondere in Bezug auf Pollen, erheblich gesteigert werden kann. 
Die Dichte wild lebender Honigbienenvölker und deren Überleben ist durch mehrere Faktoren bestimmt die lokal variieren, weshalb es äußerst wichtig ist, die Ergebnisse hinsichtlich verschiedener Regionen zu vergleichen. Im Zuge dieser Arbeit habe ich daher zusätzlich noch eine wild lebende Honigbienenpopulation in Galicien im Nordwesten Spaniens untersucht, wo die Bienenvölker in hohlen Strommasten nisteten (CHAPTER 5). Die beobachtete Völkerdichte war allein in diesen Strommasten fast doppelt so hoch wie in deutschen Waldgebieten, was auf grundsätzlich geeignetere Bedingungen für Bienen in Galicien schließen lässt. Anhand morphometrischer Analysen der Flügeläderung habe ich die Bienenvölker der einheimischen Evolutionslinie (M-Linie) zugeordnet, zu der auch die besonders bedrohte Unterart \(Apis\) \(mellifera\) \(iberiensis\) gehört. In zwei aufeinander folgenden Jahren überlebte im Durchschnitt fast die Hälfte der Bienenvölker den Winter (23 von 52). Interessanterweise waren in naturnahen Gebieten sowohl die Häufigkeit als auch das Überleben der Bienenvölker höher. Kolonien, die von mehr naturnahen Lebensräumen (und damit weniger intensiv genutzten Ackerflächen) umgeben waren, wiesen eine höhere Überwinterungswahrscheinlichkeit auf, was darauf hindeutet, dass die Kolonien einen gewissen Anteil an naturnahem Lebensraum in der Landschaft zum Überleben benötigen. Diese Strommasten in Galicien sind aufgrund ihrer leichten Zugänglichkeit ideal geeignet, um die Populationsdemografie der dortigen wild lebenden Honigbienen durch ein Langzeit-Monitoring zu untersuchen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Honigbienen wohl ununterbrochen als wild lebende Spezies in Europa existierten. Im Zuge meiner Doktorarbeit habe ich die erste quantitative Untersuchung wild lebender Honigbienen in Deutschland und Spanien durchgeführt. Meinen Ergebnissen zufolge ist die Landschaft ein entscheidender Faktor, der das Winterüberleben beeinflusst. Zudem beinhaltet meine Arbeit die ersten Daten über Überwinterungsraten von wild lebenden Honigbienen in Europa. Weiters habe ich Methoden entwickelt, um wild lebende Honigbienen in verschiedenen Lebensräumen zuverlässig und schnell zu finden. Alle drei Studien meiner Dissertation betonen, wie wichtig es ist, naturnahe Gebiete für den Schutz von wild lebenden Honigbienen zu erhalten. Zwar sind wild lebende Bienenvölker überall in Europa zu finden, doch ihre Überlebensfähigkeit hängt von blütenreichen, nicht mit Pestiziden belasteten Lebensräumen ab. Der Schutz von Lebensräumen und Nistplätzen ist für die Erhaltung der wild lebenden Honigbienen in Europa von größter Bedeutung.
KW  - Biene
KW  - wild-living honey bees
KW  - honey bee density
KW  - feral bees
KW  - forest landscape
KW  - waggle dance decoding
KW  - bee-lining
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-286732
ER  - 
TY  - THES
A1  - Solvie, Daniel Alexander
T1  - Molecular Mechanisms of MYC as Stress Resilience Factor
T1  - Molekulare Mechanismen von MYC als Stressresistenzfaktor
N2  - Cancer is one of the leading causes of death worldwide. The underlying tumorigenesis is driven by the accumulation of alterations in the genome, eventually disabling tumor suppressors and activating proto-oncogenes. 
The MYC family of proto-oncogenes shows a strong deregulation in the majority of tumor entities. However, the exact mechanisms that contribute to MYC-driven oncogenesis remain largely unknown. Over the past decades, the influence of the MYC protein on transcription became increasingly apparent and was thoroughly investigated. Additionally, in recent years several publications provided evidence for so far unreported functions of MYC that are independent of a mere regulation of target genes. These findings suggest an additional role of MYC in the maintenance of genomic stability and this role is strengthened by key findings presented in this thesis.

In the first part, I present data revealing a pathway that allows MYC to couple transcription elongation and DNA double-strand break repair, preventing genomic instability of MYC-driven tumor cells. This pathway is driven by a rapid transfer of the PAF1 complex from MYC onto RNAPII, a process that is mediated by HUWE1. The transfer controls MYC-dependent transcription elongation and, simultaneously, the remodeling of chromatin structure by ubiquitylation of histone H2B. These regions of open chromatin favor not only elongation but also DNA double-strand break repair. 

In the second part, I analyze the ability of MYC proteins to form multimeric structures in response to perturbation of transcription and replication. The process of multimerization is also referred to as phase transition. The observed multimeric structures are located proximal to stalled replication forks and recruit factors of the DNA-damage response and transcription termination machinery. Further, I identified the HUWE1-dependent ubiquitylation of MYC as an essential step in this phase transition. Cells lacking the ability to form multimers display genomic instability and ultimately undergo apoptosis in response to replication stress. 

Both mechanisms present MYC as a stress resilience factor under conditions that are characterized by a high level of transcriptional and replicational stress. This increased resilience ensures oncogenic proliferation.  
Therefore, targeting MYC’s ability to limit genomic instability by uncoupling transcription elongation and DNA repair or disrupting its ability to multimerize presents a therapeutic window in MYC-dependent tumors.
N2  - Tumorerkrankungen sind eine der häufigsten Todesursachen weltweit. Für die Entstehung und Entwicklung eines Tumors sind Veränderungen im Genom verantwortlich, wobei Proto-Onkogene aktiviert und Tumorsuppressorgene inaktiviert werden. 
Die MYC-Familie der Proto-Onkogene ist in der Mehrzahl der menschlichen Tumorerkrankungen stark dereguliert. Der genaue Mechanismus, der in MYC-getriebenen Tumoren eine Rolle spielt, ist aber weiterhin ungeklärt. In den letzten Jahrzehnten wurde die Funktion von MYC als Transkriptionsfaktor in den Vordergrund gestellt. Veröffentlichungen der letzten Jahre deuten zusätzlich auf mehrere, bisher unbekannte Funktionen hin, die unabhängig von einer bloßen Regulation von Zielgenen sind und auf eine zusätzliche Rolle bei der Erhaltung der genomischen Stabilität hinweisen. Diese Rolle wird durch wesentliche Ergebnisse dieser Doktorarbeit gestärkt. 

In dem ersten Teil der Doktorarbeit präsentiere ich einen Pathway, der es MYC ermöglicht, transkriptionelle Elongation und Doppelstrangbruch-Reparatur zu koppeln, wodurch genomische Instabilität in MYC-gesteuerten Tumorzellen limitiert wird. Dieser Pathway wird durch einen schnellen Transfer des PAF1-Komplexes von MYC auf die RNAPII angetrieben, bei dem HUWE1 eine essenzielle Rolle einnimmt. Der Transfer steuert die MYC-abhängige transkriptionelle Elongation und gleichzeitig die Öffnung der Chromatinstruktur. Dies geschieht durch Ubiquitylierung des Histons H2B zugunsten von sowohl transkriptioneller Elongation als auch der DNA-Doppelstrangbruchreparatur. 

In dem zweiten Teil der Doktorarbeit analysiere ich die Fähigkeit von MYC-Proteinen, als Reaktion auf eine Störung der Transkription und/oder Replikation multimere Strukturen bilden zu können. Diese Fähigkeit wird auch als Phasentrennung bezeichnet. Die multimere Strukturen befinden sich in der Nähe von blockierten Replikationsgabeln und rekrutieren Faktoren der DNA-Schadensreaktion und der Transkriptionsterminationsmaschinerie. Die HUWE1-abhängige Ubiquitylierung von MYC habe ich als wesentlichen Schritt der Phasentrennung identifiziert. Zellen ohne die Fähigkeit zur Bildung von Multimeren zeigen als Reaktion auf Replikationsstress exzessive genomische Instabilität und letztendlich Apoptose auf. 

Beide Mechanismen machen MYC zu einem Faktor, der genomische Instabilität als Resultat von unphysiologischem Transkriptions- und Replikationsstress limitiert und damit die onkogene Zellteilung gewährleistet. Eine gezielte Beeinflussung der aufgeführten Mechanismen, durch welche MYC die genomische Instabilität limitiert, kann bei MYC-abhängigen Tumoren von großem therapeutischem Nutzen sein.
KW  - MYC
KW  - Krebsforschung
KW  - DNS-Schädigung
KW  - DNS-Reparatur
KW  - Oncogenes
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-305398
ER  - 
TY  - THES
A1  - Was [geb. Houben], Nina
T1  - Die Rolle der nicht-kodierenden RNAs miR-26 und \(Malat1\) bei der \(in\) \(vitro\) Differenzierung zu Neuronen
T1  - The role of the non-coding RNAs miR-26 and \(Malat1\) during \(in\) \(vitro\) neuronal differentiation
N2  - Während der embryonalen Neurogenese spielt die Repression neuraler Gene in nicht neuralen Zellen, sowie in neuralen Vorläuferzellen durch den REST (repressor element silencing transcription factor)-Komplex eine wichtige Rolle. Durch die schrittweise Inaktivierung diese Komplexes im Verlauf der Differenzierung werden neurale Genexpressionsprogramme
gesteuert. Zusätzlich kommt bei der Kontrolle der räumlichen und zeitlichen Regulation der Genexpression während der Neurogenese verschiedenen miRNAs eine wichtige Rolle zu. So konnte in vorangegangenen Arbeiten im Zebrafischen gezeigt werden, dass miR-26b die Transkription eines wichtigen Effektorproteins des REST-Komplexes, CTDSP2 (C-terminal domain small phosphatases), während der Neurogenese negativ reguliert. Da darüber hinaus
die miR-26 Repression zu einer stark verminderten neuronalen Differenzierung führte, kommt diesem regulatorischen Schaltkreis eine zentrale Rolle bei der Neurogenese im Zebrafisch zu.
Die zusammen mit ihren Ctdsp-Wirtsgenen koexprimierte miR-26 Familie liegt in Vertebraten evolutionär hoch konserviert vor. Analog zum Zebrafisch konnte im murinen in vitro ES-Zell Differenzierungssystem gezeigt werden, dass miR-26 die Expression von Ctdsp2 reprimiert.
Weiterhin konnte in diesem System gezeigt werden, dass auch Rest ein miR-26 Zielgen ist und dass der Verlust der miR-26 zu einem Arrest der differenzierenden Zellen im neuronalen Vorläuferstadium führt. Zusammengenommen deuten diese vorangegangenen Arbeiten auf
eine zentrale Rolle der miR-26 während der Neurogenese hin.
Die hier vorgestellte Arbeit zielte zunächst darauf ab die Regulation des REST-Komplexes durch die miR-26 auf molekularer Ebene besser zu verstehen. Der Verlust der miR-26 Bindestelle in der Ctdsp2 mRNA führte zu einer erhöhten Ctdsp2 Expression, beeinflusste aber
nicht die terminale Differenzierung zu Neuronen. Im Gegensatz hierzu führte der Verlust der miR-26 Bindestelle in der Rest mRNA zu einem Arrest der Differenzierung im neuralen Vorläuferzellstadium. Zellen in denen die miR-26 Bindestelle in Rest deletiert war, zeigten zudem, genau wie miR-26 knockout (KO) Zellen, eine erhöhte Expression von REST-Komplex Komponenten, sowie eine verringerte Expression von REST-regulierten miRNAs.
Zusammengenommen weisen diese Daten daraufhin, dass während der Neurogenese im Säugersystem die Inaktivierung von Rest durch miR-26 für die Maturierung von Neuronen eine zentrale Rolle spielt.
Ein weiterer Fokus dieser Arbeit lag auf der Regulation der miR-26 Expression während der Neurogenese. Vorangegangene Arbeiten in nicht-neuronalen Zelltypen identifizierten die lnc (long-non-coding) RNA Malat1 als eine ce (competitive endogenous) RNA der miR-26. Um den Einfluss von Malat1 auf die miR-26 Expression während der Neurogenese zu untersuchen,
wurde zunächst mittels CRISPR/Cas9 der vollständige Malat1-Lokus in ESCs deletiert. Der Verlust von Malat1 führte zu einer erhöhten Expression der miR-26 Familienmitglieder sowie deren Ctdsp-Wirtsgene. Weiterhin war die Proliferation von Malat1 KO neuronalen
Vorläuferzellen stark vermindert, was mit einer Erhöhung der Frequenz seneszenter Zellen einherging. Durch die Inaktivierung von miR-26 in differenzierenden Malat1 KO ESCs konnte dieser proliferative Phänotyp aufgehoben werden. Darüber hinaus konnte eine verstärkte neuronale Differenzierung dieser Zellen beobachtet werden.
Zusammenfassend zeigen diese Daten, dass neben der Regulation des REST-Komplexes durch miR-26 auch die Kontrolle des Zellzyklus über die Malat1-vermittelte Regulation der miR-26
in neuronalen Vorläuferzellen einen kritischen Schritt bei der Differenzierung von neuronalen Vorläuferzellen zu maturen Neuronen darstellt.
N2  - During embryonic neurogenesis, repression of neural genes in non-neural cells, as well as in neural progenitor cells by the REST (repressor element silencing transcription factor) complex, plays an important role. The gradual inactivation of this complex during differentiation controls
neural gene expression programs. In addition, different miRNAs play important roles in controlling the spatial and temporal regulation of gene expression during neurogenesis. For example, previous work in zebrafish demonstrated that miR-26b negatively regulates the transcription of a key effector protein of the REST complex, CTDSP2 (C-terminal domain small phosphatases), during neurogenesis. Since miR-26 repression also resulted in severely reduced neuronal differentiation, this regulatory circuit plays a central role in zebrafish neurogenesis.
The miR-26 family, co-expressed with its Ctdsp host genes, is evolutionarily highly conserved in vertebrates. Analogous to zebrafish, miR-26 was shown to repress Ctdsp2 expression in a murine in vitro ESC differentiation system. Furthermore, in this system, it was shown that Rest is also a miR-26 target and that loss of miR-26 leads to arrest of differentiating cells at the neuronal progenitor stage. Taken together, these previous analyses suggest a central role for miR-26 during neurogenesis.
The work presented here first aimed to better understand the regulation of the REST complex by miR-26 at the molecular level. Loss of the miR-26 binding site in Ctdsp2 mRNA increased Ctdsp2 expression but did not affect terminal differentiation into neurons. In contrast, loss of the miR-26 binding site in the Rest mRNA resulted in arrest of differentiation at the neural progenitor cell stage. Cells in which the miR-26 binding site was deleted in Rest also showed increased expression of REST complex components, as well as decreased expression of RESTregulated
miRNAs, just like miR-26 knockout (KO) cells. Taken together, these data indicate
that during mammalian neurogenesis, inactivation of REST by miR-26 plays a central role in the maturation of mammalian neurons.
Another focus of this work was on the regulation of miR-26 expression during neurogenesis.
Previous analyses in non-neuronal cell types identified the lnc(long-non-coding)RNA Malat1 as a ce(competitive endogenous)RNA of miR-26. To investigate the effect of Malat1 on miR-26 expression during neurogenesis, the complete Malat1 locus was deleted in ESCs using CRISPR/Cas9. Loss of Malat1 resulted in increased expression of miR-26 family members as well as their Ctdsp host genes. Furthermore, proliferation of Malat1 KO neural progenitor cells was greatly reduced, which was accompanied by an increase in the frequency of senescent cells. Inactivation of miR-26 in differentiating Malat1 KO ESCs abrogated this proliferative
phenotype. In addition, increased neuronal differentiation of these cells was observed.
In conclusion, these data demonstrate that in addition to regulation of the REST complex by miR-26, cell cycle control via Malat1-mediated regulation of miR-26 in neuronal progenitor cells is a critical step for the differentiation of neuronal progenitor cells into mature neurons.
KW  - Neurogenese
KW  - Non-coding RNA
KW  - embryonale Stammzelle
KW  - miR-26
KW  - Malat1
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-303714
ER  - 
TY  - THES
A1  - Sauerwein, Till
T1  - Implementation and application of bioinformatical software for the analysis of dual RNA sequencing data of host and pathogen during infection
T1  - Implementierung und Anwendung bioinformatischer Software für die Analyse von dual RNA-Sequenzierdaten von Wirt und Erreger während Infektion
N2  - Since the advent of high-throughput sequencing technologies in the mid-2010s, RNA se-
quencing (RNA-seq) has been established as the method of choice for studying gene
expression. In comparison to microarray-based methods, which have mainly been used to
study gene expression before the rise of RNA-seq, RNA-seq is able to profile the entire
transcriptome of an organism without the need to predefine genes of interest. Today,
a wide variety of RNA-seq methods and protocols exist, including dual RNA sequenc-
ing (dual RNA-seq) and multi RNA sequencing (multi RNA-seq). Dual RNA-seq and
multi RNA-seq simultaneously investigate the transcriptomes of two or more species, re-
spectively. Therefore, the total RNA of all interacting species is sequenced together and
only separated in silico. Compared to conventional RNA-seq, which can only investi-
gate one species at a time, dual RNA-seq and multi RNA-seq analyses can connect the
transcriptome changes of the species being investigated and thus give a clearer picture of
the interspecies interactions. Dual RNA-seq and multi RNA-seq have been applied to a
variety of host-pathogen, mutualistic and commensal interaction systems.
We applied dual RNA-seq to a host-pathogen system of human mast cells and Staphylo-
coccus aureus (S. aureus). S. aureus, a commensal gram-positive bacterium, can become
an opportunistic pathogen and infect skin lesions of atopic dermatitis (AD) patients.
Among the first immune cells S. aureus encounters are mast cells, which have previously
been shown to be able to kill the bacteria by discharging antimicrobial products and re-
leasing extracellular traps made of protein and deoxyribonucleic acid (DNA). However,
S. aureus is known to evade the host’s immune response by internalizing within mast
cells. Our dual RNA-seq analysis of different infection settings revealed that mast cells
and S. aureus need physical contact to influence each other’s gene expression. We could
show that S. aureus cells internalizing within mast cells undergo profound transcriptome
changes to adjust their metabolism to survive in the intracellular niche. On the host side,
we found out that infected mast cells elicit a type-I interferon (IFN-I) response in an
autocrine manner and in a paracrine manner to non-infected bystander-cells. Our study
provides the first evidence that mast cells are capable to produce IFN-I upon infection
with a bacterial pathogen.
N2  - Seit dem Aufkommen von Hochdurchsatz-Sequenziertechnologien Mitte der 2010er Jahre
hat sich RNA-Sequenzierung (RNA-seq) als Methode der Wahl für die Untersuchung von
Genexpression etabliert. Im Vergleich zu Microarray-basierten Methoden, die vor dem
Aufkommen von RNA-seq hauptsächlich zur Untersuchung der Genexpression verwendet
wurden, kann mit RNA-seq das gesamte Transkriptom eines Organismus charakterisiert
werden, ohne dass die Gene von Interesse vorab definiert werden müssen. Heute gibt es ei-
ne Vielzahl von RNA-seq-Methoden und Protokollen, darunter Dual RNA-seq und Multi
RNA-seq. Dual RNA-seq und Multi RNA-seq untersuchen gleichzeitig die Transkriptome
von zwei bzw. mehreren Arten. Dazu wird die gesamte RNA aller interagierenden Arten
gemeinsam sequenziert und nur in silico aufgetrennt. Im Vergleich zur herkömmlichen
RNA-seq, bei der jeweils nur eine Spezies untersucht wird, können Dual RNA-seq- und
Multi RNA-seq-Analysen die Transkriptomveränderungen der untersuchten Spezies mit-
einander in Verbindung bringen und so ein klareres Bild der Wechselwirkungen zwischen
den Spezies vermitteln. Dual RNA-seq und Multi RNA-seq wurden bereits auf eine Viel-
zahl von Wirt-Pathogen-, mutualistischen und kommensalen Interaktionssystemen ange-
wendet.
Wir haben Dual RNA-seq auf ein Wirt-Pathogen-System aus menschlichen Mastzellen und
S. aureus angewendet. S. aureus, ein kommensales grampositives Bakterium, kann zu ei-
nem opportunistischen Erreger werden und Hautläsionen von Patienten mit atopischer
Dermatitis (AD) infizieren. Zu den ersten Immunzellen, auf die S. aureus trifft, gehören
Mastzellen, die nachweislich in der Lage sind, das Bakterium abzutöten, indem sie antimi-
krobielle Produkte abgeben und extrazelluläre Fallen aus Proteinen und DNA freisetzen.
Es ist jedoch bekannt, dass S. aureus die Immunantwort des Wirts umgehen kann, indem
es in die Mastzellen internalisiert wird. Unsere Dual RNA-seq-Analyse verschiedener In-
fektionssituationen ergab, dass Mastzellen und S. aureus physischen Kontakt benötigen,
um ihre Genexpression gegenseitig zu beeinflussen. Wir konnten zeigen, dass S. aureus
Zellen, die von Mastzellen internalisiert werden, tiefgreifende Transkriptomveränderungen
durchlaufen, um ihren Stoffwechsel für das  ̈Uberleben in der intrazellulären Nische an-
zupassen. Auf Seite des Wirts fanden wir heraus, dass infizierte Mastzellen eine IFN-I
(Interferon Typ I)-Antwort auf autokrine und auf parakrine Weise auf nicht-infizierte, in
der Nähe befindliche Zellen auslösen. Unsere Studie liefert den ersten Beweis dafür, dass 
Mastzellen bei einer Infektion mit einem bakteriellen Erreger in der Lage sind, IFN-I zu
produzieren.
Um die bioinformatische Analyse von Dual RNA-seq und Multi RNA-seq zu erleichtern,
haben wir ein umfangreiches Update des bereits existierenden RNA-seq-Analysepro-
gramms READemption veröffentlicht. Die neue Version READemption 2 ermöglicht es
den Nutzern, Dual RNA-seq- und Multi RNA-seq-Daten einer beliebigen Anzahl von Spe-
zies auf bequeme Weise zu analysieren, während es weiterhin möglich ist, herkömmliche
RNA-seq-Projekte zu analysieren, die nur eine Spezies untersuchen. Bei der Entwicklung
wurde Wert darauf gelegt, die Qualität der Software durch die Einhaltung bewährter
Verfahren für die Entwicklung wissenschaftlicher Software hoch zu halten.
KW  - Biologie
KW  - biology
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-303075
ER  - 
TY  - THES
A1  - Fetiva Mora, Maria Camila
T1  - Changes in chromatin accessibility by oncogenic YAP and its relevance for regulation of cell cycle gene expression and cell migration
T1  - Änderungen der Chromatinzugänglichkeit durch onkogene YAP und seine Relevanz für die Genexpression während des Zellzyklus und für die Zellmigration
N2  - Various types of cancer involve aberrant cell cycle regulation. Among the pathways responsible for tumor growth, the YAP oncogene, a key downstream effector of the Hippo pathway, is responsible for oncogenic processes including cell proliferation, and metastasis by controlling the expression of cell cycle genes. In turn, the MMB multiprotein complex (which is formed when B-MYB binds to the MuvB core) is a master regulator of mitotic gene expression, which has also been associated with cancer. Previously, our laboratory identified a novel crosstalk between the MMB-complex and YAP. By binding to enhancers of MMB target genes and promoting B-MYB binding to promoters, YAP and MMB co-regulate a set of mitotic and cytokinetic target genes which promote cell proliferation. This doctoral thesis addresses the mechanisms of YAP and MMB mediated transcription, and it characterizes the role of YAP regulated enhancers in transcription of cell cycle genes. 

The results reported in this thesis indicate that expression of constitutively active, oncogenic YAP5SA leads to widespread changes in chromatin accessibility in untransformed human MCF10A cells. ATAC-seq identified that newly accessible and active regions include YAP-bound enhancers, while the MMB-bound promoters were found to be already accessible and remain open during YAP induction. By means of CRISPR-interference (CRISPRi) and chromatin immuniprecipitation (ChIP), we identified a role of YAP-bound enhancers in recruitment of CDK7 to MMB-regulated promoters and in RNA Pol II driven transcriptional initiation and elongation of G2/M genes. Moreover, by interfering with the YAP-B-MYB protein interaction, we can show that binding of YAP to B-MYB is also critical for the initiation of transcription at MMB-regulated genes. Unexpectedly, overexpression of YAP5SA also leads to less accessible chromatin regions or chromatin closing. Motif analysis revealed that the newly closed regions contain binding motifs for the p53 family of transcription factors. Interestingly, chromatin closing by YAP is linked to the reduced expression and loss of chromatin-binding of the p53 family member Np63. Furthermore, I demonstrate that downregulation of Np63 following expression of YAP is a key step in driving cellular migration.

Together, the findings of this thesis provide insights into the role of YAP in the chromatin changes that contribute to the oncogenic activities of YAP. The overexpression of YAP5SA not only leads to the opening of chromatin at YAP-bound enhancers which together with the MMB complex stimulate the expression of G2/M genes, but also promotes the closing of chromatin at ∆Np63 -bound regions in order to lead to cell migration.
N2  - Ein Kennzeichen vieler Tumoren ist die fehlerhafte Aktivierung von zellzyklusregulierenden Signalwegen. Ein für das Tumorwachstum wichtiger Signalwege ist der Hippo-Signalweg und das durch ihn regulierte Onkogen YAP, ein transkriptioneller Koaktivator. Durch die Regulierung von Zellzyklusgenen ist YAP verantwortlich für onkogene Prozesse wie Zellproliferation und Metastasierung. Der MMB-Multiproteinkomplex wiederum – er entsteht, wenn B-MYB an das MuvB-Kernmodul bindet – ist ein wichtiger Regulator der mitotischen Genexpression, welche ebenso mit der Tumorentstehung in Verbindung gebracht wurde. Unser Labor hat zuvor einen neuen Mechanismus der Regulation mitotischer Gene durch den MMB-Komplex und YAP identifiziert: Durch die Bindung an Enhancer der MMB-Zielgene und die Förderung der B-MYB-Bindung an Promotoren reguliert YAP eine Reihe von mitotischen und zytokinetischen Zielgenen, welche die Zellproliferation fördern. Diese Doktorarbeit befasst sich mit den Mechanismen der YAP- und MMB-vermittelten Transkription und charakterisiert die Rolle der YAP regulierten Enhancer während der Transkription von Zellzyklusgenen.

Die in dieser Dissertation dargelegten Ergebnisse zeigen, dass die Expression von konstitutiv aktivem, onkogenem YAP5SA zu weitreichenden Veränderungen in der Chromatinzugänglichkeit nicht-transformierter humaner MCF10A Zellen führt. ATAC-seq zeigte, dass ein grosse Anzahl YAP-gebundene Enhancer zugänglich und aktiviert werden. Gleichzeitig konnte festgestellt werden, dass die MMB-gebundenen Promotoren bereits vor der Expression von YAP zugänglich sind und während der YAP-Induktion offen bleiben. Mittels CRISP-Interferenz (CRISPRi) und Chromatin-Immunpräzipitationen (ChIP) konnten wir zeigen, dass YAP-gebundene Enhancer die Rekrutierung von CDK7 an MMB-regulierten Promotoren sowie die Initiation und Elongation der Transkription von G2/M Genen fördert. Durch die experimentelle Blockade der YAP-B-MYB Proteininteraktion konnten wir darüber hinaus belegen, dass auch die Bindung von YAP an B-MYB für die Initiation der Transkription an MMB-regulierten Genen entscheidend ist. Unerwarteterweise führte die Überexpression von YAP5SA auch dazu, dass bestimmte Regionen im Genom weniger zugänglich werden. Motivanalysen ergaben, dass diese neu geschlossenen Regionen Bindungsmotive für die p53-Familie von Transkriptionsfaktoren enthalten. Die Chromatinschließung durch YAP ist an eine reduzierte Expression und an den Verlust der Chromatinbindung des p53-Familienmitglieds Np63 gekoppelt. Schließlich konnte gezeigt werden, dass die Inhibition von Np63 durch YAP ein wichtiger Schritt in der YAP-abhängigen Förderung der Zellmigration ist.

Zusammenfassend liefern die Ergebnisse dieser Dissertation Einblicke in die Rolle von YAP bei Chromatinveränderungen welche zu den onkogenen Aktivitäten von YAP beitragen. Die Überexpression von YAP führt dabei einerseits zur Öffnung des Chromatins an YAP-gebundenen Enhancern, die zusammen mit dem MMB-Komplex die Expression von G2/M Genen stimulieren. Andererseits fördert YAP auch das Schließen von Chromatin an Np63-gebundenen Regionen, was wiederum Zellmigration nach sich zieht.
KW  - YAP
KW  - B-MYB
KW  - MMB
KW  - enhancers
KW  - transcription
KW  - chromatin accessibility
KW  - opening of chromatin
KW  - closing of chromatin
KW  - cell migration
KW  - G2/M genes
KW  - Chromatin
KW  - Genexpression
KW  - Zellzyklus
KW  - Zellmigration
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-302910
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TY  - THES
A1  - Schardt, Simon
T1  - Agent-based modeling of cell differentiation in mouse ICM organoids
T1  - Agentenbasierte Modellierung von Maus ICM Organoiden
N2  - Mammalian embryonic development is subject to complex biological relationships that need to be understood. However, before the whole structure of development can be put together, the individual building blocks must first be understood in more detail. One of these building blocks is the second cell fate decision and describes the differentiation of cells of the inner cell mass of the embryo into epiblast and primitive endoderm cells. These cells then spatially segregate and form the subsequent bases for the embryo and yolk sac, respectively. In organoids of the inner cell mass, these two types of progenitor cells are also observed to form, and to some extent to spatially separate. This work has been devoted to these phenomena over the past three years. Plenty of studies already provide some insights into the basic mechanics of this cell differentiation, such that the first signs of epiblast and primitive endoderm differentiation, are the expression levels of transcription factors NANOG and GATA6. Here, cells with low expression of GATA6 and high expression of NANOG adopt the epiblast fate. If the expressions are reversed, a primitive endoderm cell is formed. Regarding the spatial segregation of the two cell types, it is not yet clear what mechanism leads to this. A common hypothesis suggests the differential adhesion of cell as the cause for the spatial rearrangement of cells. In this thesis however, the possibility of a global cell-cell communication is investigated. The approach chosen to study these phenomena follows the motto "mathematics is biology's next microscope". Mathematical modeling is used to transform the central gene regulatory network at the heart of this work into a system of equations that allows us to describe the temporal evolution of NANOG and GATA6 under the influence of an external signal. Special attention is paid to the derivation of new models using methods of statistical mechanics, as well as the comparison with existing models. After a detailed stability analysis the advantages of the derived model become clear by the fact that an exact relationship of the model parameters and the formation of heterogeneous mixtures of two cell types was found. Thus, the model can be easily controlled and the proportions of the resulting cell types can be estimated in advance. This mathematical model is also combined with a mechanism for global cell-cell communication, as well as a model for the growth of an organoid. It is shown that the global cell-cell communication is able to unify the formation of checkerboard patterns as well as engulfing patterns based on differently propagating signals. In addition, the influence of cell division and thus organoid growth on pattern formation is studied in detail. It is shown that this is able to contribute to the formation of clusters and, as a consequence, to breathe some randomness into otherwise perfectly sorted patterns.
N2  - Die embryonale Entwicklung von Säugetieren unterliegt komplexen biologischen Zusammenhängen, die es zu verstehen gilt. Bevor jedoch das gesamte Gebilde der Entwicklung zusammengesetzt werden kann, müssen zunächst die einzelnen Bausteine genauer verstanden werden. Einer dieser Bausteine ist die zweite Zellschicksalsentscheidung und beschreibt die Differenzierung von Zellen der inneren Zellmasse des Embryos hin zu Epiblast- und primitiven Endodermzellen. Diese Zellen teilen sich daraufhin räumlich auf und bilden die anschließend die Grundlagen für den Embryo und den Dottersack. In Organoiden der inneren Zellmasse wird ebenfalls beobachtet, wie sich diese zwei Typen von Vorläuferzellen bilden, und sich in gewissem Maße räumlich voneinander trennen. Diesem Phänomenen widmete sich diese Arbeit im Verlaufe der letzten drei Jahre. Über diese Zelldifferenzierung ist bereits bekannt, dass die ersten Anzeichen für Epiblast- und primitive Endodermdifferenzierung jeweils die Expressionslevel der Transkriptionsfaktoren NANOG und GATA6 sind. Dabei nehmen Zellen mit niedriger Expression an GATA6 und hoher Expression an NANOG das Epiblastschicksal an. Sind die Expressionen umgekehrt, so entsteht eine primitive Endodermzelle. Bei der räumlichen Aufteilung der beiden Zelltypen ist noch nicht eindeutig geklärt, welcher Mechanismus dazu führt. Eine gängige Hypothese besagt, dass die Ursache für die räumliche Umlagerung der Zellen in der unterschiedlichen Adhäsion der Zellen liegt. In dieser Arbeit wird jedoch die Möglichkeit einer globalen Zell-Zell-Kommunikation untersucht. Die gewählte Vorgehensweise bei der Untersuchung dieser Phänomene folgt dem Motto "Die Mathematik ist das nächste Mikroskop der Biologie". Mit Hilfe mathematischer Modellierung wird das zentrale genregulierende Netzwerk im Mittelpunkt dieser Arbeit in ein Gleichungssystem umgewandelt, welches es ermöglicht, die zeitliche Entwicklung von NANOG und GATA6 unter Einfluss eines externen Signals zu beschreiben. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Herleitung neuer Modelle mit Hilfe von Methoden der statistischen Mechanik, sowie dem Vergleich mit bestehenden Modellen. Nach einer ausführlichen Stabilitätsanalyse werden die Vorteile des hergeleiteten Modells dadurch deutlich, dass ein exakter Zusammenhang der Modellparameter und der Formierung von heterogenen Mischungen zweier Zelltypen gefunden wurde. Dadurch lässt sich das Modell einfach kontrollieren und die Proportionen der resultierenden Zelltypen bereits im Voraus abschätzen. Dieses mathematische Modell wird außerdem kombiniert mit einem Mechanismus zur globalen Zell-Zell Kommunikation, sowie einem Modell zum Wachstum eines Organoiden. Dabei wird gezeigt dass die globale Zell-Zell Kommunikation dazu in der Lage ist die Bildung von Schachbrettmustern, sowie auch umrandenden Muster anhand unterschiedlich ausbreitender Signale zu vereinen. Zusätzlich wird der Einfluss der Zellteilung und somit des Organoidwachstums auf die Musterbildung genauestens untersucht. Es wird gezeigt, dass dies zur Bildung von Clustern beiträgt und infolgedessen eine gewisse Zufälligkeit in ansonsten perfekt sortierte Muster einbringt.
KW  - Mathematische Modellierung
KW  - Embryonalentwicklung
KW  - Organoid
KW  - Differentialgleichung
KW  - Agentenbasierte Modellierung
KW  - Transkriptionelle Regulierung
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-301940
ER  - 
TY  - THES
A1  - Helmerich, Dominic Andreas
T1  - Einflüsse der Photophysik und Photochemie von Cyaninfarbstoffen auf die Lokalisationsmikroskopie
T1  - Impact of photophysics and photochemistry of cyanine dyes on localization microscopy
N2  - In den letzten Jahren haben sich hochauflösende Fluoreszenzmikroskopiemethoden, basierend auf der Lokalisation einzelner Fluorophore, zu einem leistungsstarken Werkzeug etabliert, um Fluoreszenzbilder weit unterhalb der Auflösungsgrenze zu generieren. Hiermit können räumliche Auflösungen von ~ 20 nm erzielt werden, was weit unterhalb der Beugungsgrenze liegt. Dabei haben zahlreiche Optimierungen und Entwicklungen neuer Methoden in der Einzelmolekül-Lokalisationsmikroskopie die Genauigkeit der orstspezifischen Bestimmung einzelner Fluorophore auf bis zu ~ 1 – 3 nm erhöht. Eine Auflösung im molekularen Bereich, weit unterhalb von ~ 10 nm bleibt allerdings herausfordernd, da die Lokalisationsgenauigkeit nur ein Kriterium hierfür ist. Allerdings wurde sich in den letzten Jahren überwiegend auf die Verbesserung dieses Parameters konzentriert. Weitere Kriterien für die fluoreszenzmikroskopische Auflösung sind dabei unter anderem die Markierungsdichte und die Kopplungseffizienz der Zielstruktur, sowie der Kopplungsfehler (Abstand zur Zielstruktur nach Farbstoffkopplung), die sich herausfordernd für eine molekulare Auflösung darstellen. Auch wenn die Kopplungseffizienz und -dichte hoch und der Kopplungsfehler gering ist, steigt bei Interfluorophordistanzen < 5nm, abhängig von den Farbstoffen, die Wahrscheinlichkeit von starken und schwachen Farbstoffwechselwirkungen und damit von Energieübertragungsprozessen zwischen den Farbstoffen, stark an. Daneben sollten Farbstoffe, abhänging von der Lokalisationsmikroskopiemethode, spezifische Kriterien, wie beispielsweise die Photoschaltbarkeit bei dSTORM, erfüllen, was dazu führt, dass diese Methoden häufig nur auf einzelne Farbstoffe beschränkt sind. In dieser Arbeit konnte mithilfe von definierten DNA-Origami Konstrukten gezeigt werden, dass das Blinkverhalten von Cyaninfarbstoffen unter dSTORM-Bedingungen einer Abstandsabhängigkeit aufgrund von spezifischen Energieübertragungsprozessen folgt, womit Farbstoffabstände im sub-10 nm Bereich charakterisiert werden konnten. Darüber hinaus konnte diese Abstandsabhängigkeit an biologischen Proben gezeigt werden. Hierbei konnten verschiedene zelluläre Rezeptoren effizient und mit geringem Abstandsfehler zur Zielstruktur mit Cyaninfarbstoffen gekoppelt werden. Diese abstandsabhänigen Prozesse und damit Charakterisierungen könnten dabei nicht nur spezifisch für die häufig unter dSTORM-Bedingungen verwendeten Cyaninfarbstoffen gültig sein, sondern auch auf andere Farbstoffklassen, die einen Auszustand zeigen, übertragbar sein. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass hochauflösende dSTORM Aufnahmen unabhängig vom Farbstoffkopplungsgrad der Antikörpern sind, welche häufig für Standardfärbungen von zellulären Strukturen verwendet werden. Dabei konnte durch Photonenkoinzidenzmessungen dargelegt werden, dass aufgrund komplexer Farbstoffwechselwirkungen im Mittel nur ein Farbstoff aktiv ist, wobei höhere Kopplungsgrade ein komplexes Blinkverhalten zu Beginn der Messung zeigen. Durch die undefinierten Farbstoffabstände an Antikörpern konnte hier kein eindeutiger Energieübertragungsmechanismus entschlüsselt werden. Dennoch konnte gezeigt werden, dass Farbstoffaggregate bzw. H-Dimere unter dSTORM-Bedingungen destabilisiert werden. Durch die zuvor erwähnten DNA-Origami Konstrukte definierter Interfluorophordistanzen konnten Energieübertragungsmechanismen entschlüsselt werden, die auch für die Antikörper diverser Kopplungsgrade gültig sind. Des Weiteren konnten, ausgelöst durch komplexe Energieübertragungsprozesse höherer Kopplungsgrade am Antikörper, Mehrfarbenaufnahmen zellulärer Strukturen generiert werden, die über die spezifische Fluoreszenzlebenszeit separiert werden konnten. Dies stellt hier eine weitere Möglichkeit dar, unter einfachen Bedingungen, schnelle Mehrfarbenaufnahmen zellulärer Strukturen zu generieren. Durch die Verwendung des selben Farbstoffes unterschiedlicher Kopplungsgrade kann hier nur mit einer Anregungswellenlänge und frei von chromatischer Aberration gearbeitet werden. Neben den photophysikalischen Untersuchungen der Cyaninfarbstoffe Cy5 und Alexa Fluor 647 wurden diese ebenso photochemisch näher betrachtet. Dabei konnte ein neuartiger chemischer Mechanismus entschlüsselt werden. Dieser Mechanismus führt, ausgelöst durch Singulett-Sauerstoff (1O2), zu einer Photozerschneidung des konjugierten Doppelbindungssystems um zwei Kohlenstoffatome, was zu strukturellen und spektroskopischen Veränderungen dieser Farbstoffe führt. Auf Grundlage dieses Mechanismus konnte eine neue DNA-PAINT Methode entwickelt werden, die zu einer Beschleunigung der Aufnahmezeit führt.
N2  - In recent years, high-resolution fluorescence microscopy methods based on the localization of individual fluorophores have become a powerful tool for generating fluorescence images below the diffraction limit. This means that spatial resolutions of ~ 20 nm can now be achieved, which are far below the diffraction limit. Numerous optimizations and developments of new methods in single molecule localization microscopy have increased the localization precision up to ~ 1 - 3 nm. However, a spatial resolution in the molecular range, far below ~ 10 nm, remains challenging, because the localization precision is only one criterion for achieving molecular resolution. However, in recent years the main focus has been on improving this parameter. Additional challenging criteria for achieving molecular resolution include the coupling density and the coupling efficiency of the target structure, as well as the linkage error (distance to the target structure after dye coupling). Even if a high coupling density and coupling efficiency, as well as a low linkage error can be achieved, interfluorophore distances < 5 nm increase the probability of strong and weak dye interactions and thus energy transfer processes between the dyes strongly increase. In addition, depending on the localization microscopy method, dyes should fulfill specific criteria, such as photoswitchability for dSTORM, which means that these methods are often limited to a few dyes. In this work it could be shown with the help of defined DNA origami constructs that the blinking behavior of cyanine dyes follows a distance dependence under dSTORM conditions due to specific energy transfer processes. With this, dye distances in the sub-10 nm range could be characterized. In addition, this distance dependency could be shown on biological samples. Here, different cellular receptors could be efficiently labeled with Cy5 dyes at a low linkage error. These distance dependent processes and thus characterizations could not only be specifically valid for cyanine dyes that are frequently used under dSTORM conditions, but also be transferable to other classes of dyes that show a fluorescence off states. In addition, it could be shown that high resolution dSTORM images are independent of the degree of labeling of antibodies, which are often used for standard staining of cellular structures. It could be shown by photon antibunching measurements that, due to complex strong and weak dye interactions, only one dye is emitting on average, showing a complex blinking behavior at the beginning of the measurement with higher degrees of labeling. Due to the undefined distance between the dyes on antibodies, no clear energy transfer mechanism could be deciphered. Nevertheless, it could be shown that dye aggregates or H-dimers are destabilized under dSTORM conditions. The mentioned DNA origami constructs of defined interfluorophore distances made it possible to decipher energy transfer mechanisms that are also valid for antibodies of various degrees of labeling. Furthermore, triggered by complex energy transfer processes at higher degree of labeling on the antibody, multicolor images of cellular structures could be generated, which could be separated over the specific fluorescence lifetime. This represents a further possibility to generate fast multicolor images of cellular structures at simple buffer conditions. Here, by using the same dyes at different degrees of labeling, it is possible to work with only one excitation wavelength and free of chromatic aberration. In addition to the photophysical investigations of the cyanine dyes Cy5 and Alexa Fluor 647, the photochemical behaviour of these dyes was also examined more closely. Here, a novel chemical mechanism could be deciphered. This mechanism, triggered by singlet oxygen (1O2), leads to a phototruncation of the conjugated double bond system by two carbon atoms resulting in structural and spectroscopic changes of this dye. On the basis of this mechanism, a new DNA-PAINT method could be developed, leading to faster recording times.
KW  - Einzelmolekülmikroskopie
KW  - Cyaninfarbstoff
KW  - hochauflösende Fluoreszenzmikroskopie
KW  - Photophysik
KW  - Photochemie
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-247161
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kuhlemann, Alexander
T1  - Bioorthogonal labeling of neuronal proteins using super-resolution fluorescence microscopy
T1  - Bioorthogonale Markierung von neuronalen Proteinen mittels hochauflösender Fluoreszenzmikroskopie
N2  - The synaptic cleft is of central importance for synaptic transmission, neuronal plasticity and memory and thus well studied in neurobiology. To target proteins of interest with high specificity and strong signal to noise conventional immunohistochemistry relies on the use of fluorescently labeled antibodies. However, investigations on synaptic receptors remain challenging due to the defined size of the synaptic cleft of ~20 nm between opposing pre- and postsynaptic membranes. At this limited space, antibodies bear unwanted side effects such as crosslinking, accessibility issues and a considerable linkage error between fluorophore and target of ~10 nm. With recent single molecule localization microscopy (SMLM) methods enabling localization precisions of a few nanometers, the demand for labeling approaches with minimal linkage error and reliable recognition of the target molecules rises.
Within the scope of this work, different labeling techniques for super-resolution fluorescence microscopy were utilized allowing site-specific labeling of a single amino acid in synaptic proteins like kainate receptors (KARs), transmembrane α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid receptor regulatory proteins (TARPs), γ-aminobutyric acid type A receptors (GABA-ARs) and neuroligin 2 (NL2). The method exploits the incorporation of unnatural amino acids (uAAs) in the protein of interest using genetic code expansion (GCE) via amber suppression technology and subsequent labeling with tetrazine functionalized fluorophores. Implementing this technique, hard-to-target proteins such as KARs, TARPs and GABA-ARs could be labeled successfully, which could only be imaged insufficiently with conventional labeling approaches. Furthermore, functional studies involving electrophysiological characterization, as well as FRAP and FRET experiments validated that incorporation of uAAs maintains the native character of the targeted proteins. Next, the method was transferred into primary hippocampal neurons and in combination with super-resolution microscopy it was possible to resolve the nanoscale organization of γ2 and γ8 TARPs. Cluster analysis of dSTORM localization data verified synaptic accumulation of γ2, while γ8 was homogenously distributed along the neuron. Additionally, GCE and bioorthogonal labeling allowed visualization of clickable GABA-A receptors located at postsynaptic compartments in dissociated hippocampal neurons. Moreover, saturation experiments and FRET imaging of clickable multimeric receptors revealed successful binding of multiple tetrazine functionalized fluorophores to uAA-modified dimeric GABA-AR α2 subunits in close proximity (~5 nm). Further utilization of tetrazine-dyes via super-resolution microscopy methods such as dSTORM and click-ExM will provide insights to subunit arrangement in receptors in the future.
This work investigated the nanoscale organization of synaptic proteins with minimal linkage error enabling new insights into receptor assembly, trafficking and recycling, as well as protein-protein interactions at synapses. Ultimately, bioorthogonal labeling can help to understand pathologies such as the limbic encephalitis associated with GABA-AR autoantibodies and is already in application for cancer therapies.
N2  - Der synaptische Spalt ist von zentraler Bedeutung für die synaptische Reizweiterleitung, neuronale Plastizität und Gedächtnis und dadurch neurobiologisch sehr gut charakterisiert. Um Zielproteine mit hoher Spezifität und einem guten Signal-zu-Rauschen Verhältnis zu adressieren, wird konventionell auf Immunhistochemie mittels Fluoreszenzfarbstoff-markierter Antikörper zurückgegriffen. Untersuchungen synaptischer Rezeptoren bleiben dabei jedoch aufgrund der limitierten Zugänglichkeit des synaptischen Spalts mit einem Abstand von ~20 nm zwischen gegenüberliegenden pre- und postsynaptischen Membranen herausfordernd. Speziell in einem räumlich begrenzten Umfeld können bei der Verwendung von Antikörpern unerwünschte Artefakte auftreten, die durch Kreuzverlinkung, eine verminderte Zugänglichkeit und einen erheblichen Markierungsabstand zwischen Fluorophor und Probe von ~10 nm entstehen. Aktuelle Verfahren der Einzelmolekül-Lokalisations-Mikroskopie (SMLM), die eine Lokalisationsgenauigkeit von wenigen Nanometern ermöglichen, erhöhen die Nachfrage an Markierungsstrategien mit minimalem Markierungsabstand und zuverlässiger Erkennung der Zielstruktur. 
Im Rahmen dieser Arbeit wurden daher verschiedene Markierungsmethoden für die hochauflösende Fluoreszenz-Mikroskopie erprobt. Dies ermöglichte die ortsspezifische Markierung einer einzigen Aminosäure in synaptischen Proteinen wie Kainat-Rezeptoren (KARs), Transmembran-α-Amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazol-Propionsäure-Rezeptor regulierenden Proteinen (TARPs), γ-Aminobuttersäure-Typ-A-Rezeptoren (GABA-ARs) oder Neuroligin 2 (NL2). Die angewandte Methodik nutzt den Einbau von unnatürlichen Aminosäuren (uAAs) in das Zielprotein mittels Erweiterung des genetischen Codes (GCE) durch Unterdrückung des Amber-Stop-Codons. Durch Anwendung dieser Strategie gelang es, schwer adressierbare Proteine wie KARs, TARPs und GABA-ARs, welche zuvor mittels konventioneller Markierungsversuche nur unzureichend abgebildet werden konnten, erfolgreich zu markieren. Funktionelle Studien wie elektrophysiologische Charakterisierungen, aber auch FRAP und FRET Experimente zeigten, dass dabei der native Zustand der Zielproteine auch nach dem Einbau von uAAs erhalten bleibt. Schließlich wurde die Methode in primäre hippocampale Neuronen überführt und in Kombination mit hochauflösender Mikroskopie konnte die Organisation von γ2 und γ8 TARPs im Nanobereich aufgelöst werden. Eine Cluster-Analyse von dSTORM Lokalisationsdaten bestätigte die Anreicherung von γ2 in Synapsen, während γ8 homogen entlang des Neurons verteilt vorliegt. Die Erweiterung des genetischen Codes in Kombination mit bioorthogonaler Markierung erlaubte zusätzlich die Visualisierung von clickbaren GABA-A Rezeptoren in Postsynapsen von dissoziierten hippocampalen Neuronen. Außerdem zeigten Saturierungs-Experimente und FRET-Bildgebung die erfolgreiche Bindung von mehreren Tetrazin-gekoppelten Fluorophoren an uAA-modifizierten, dimerischen GABA-AR α2-Untereinheiten in geringem Abstand (~5 nm). Auf der Basis dieser Resultate werden zukünftig hochauflösende mikroskopische Verfahren, wie dSTORM und click-ExM, in Kombination mit Tetrazin-Farbstoffen die Visualisierung von multimerischen Rezeptoren ermöglichen. 
Im Rahmen dieser Arbeit konnte die Organisation von synaptischen Proteinen mit minimalem Markierungsabstand im Nanobereich untersucht werden und dadurch neue Einsichten in Rezeptor-Zusammenbau, -Bewegungen und -Wiederverwertung, aber auch Protein-Protein Interaktionen in Synapsen gewonnen werden. Die Weiterentwicklung bioorthogonaler Markierungsstrategien kann in Zukunft dazu beitragen Krankheiten, wie die Limbische Enzephalitis, welche mit GABA-AR Autoantikörpern in Verbindung steht, besser zu verstehen und findet zudem bereits heute Anwendung in Krebstherapien.
KW  - microscopy
KW  - bioorthogonal labeling
KW  - super-resolution fluorescence microscopy
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-243731
ER  - 
TY  - THES
A1  - Niehörster, Thomas
T1  - Spektral aufgelöste Fluoreszenzlebensdauer-Mikroskopie mit vielen Farben
T1  - Spectrally resolved fluorescence lifetime imaging microscopy with many colours
N2  - Die Fluoreszenzmikroskopie ist eine vielseitig einsetzbare Untersuchungsmethode für biologische Proben, bei der Biomoleküle selektiv mit Fluoreszenzfarbstoffen markiert werden, um sie dann mit sehr gutem Kontrast abzubilden. Dies ist auch mit mehreren verschiedenartigen Zielmolekülen gleichzeitig möglich, wobei üblicherweise verschiedene Farbstoffe eingesetzt werden, die über ihre Spektren unterschieden werden können.

Um die Anzahl gleichzeitig verwendbarer Färbungen zu maximieren, wird in dieser Arbeit zusätzlich zur spektralen Information auch das zeitliche Abklingverhalten der Fluoreszenzfarbstoffe mittels spektral aufgelöster Fluoreszenzlebensdauer-Mikroskopie (spectrally resolved fluorescence lifetime imaging microscopy, sFLIM) vermessen. Dazu wird die Probe in einem Konfokalmikroskop von drei abwechselnd gepulsten Lasern mit Wellenlängen von 485 nm, 532nm und 640nm angeregt. Die Detektion des Fluoreszenzlichtes erfolgt mit einer hohen spektralen Auflösung von 32 Kanälen und gleichzeitig mit sehr hoher zeitlicher Auflösung von einigen Picosekunden. Damit wird zu jedem detektierten Fluoreszenzphoton der Anregungslaser, der spektrale Kanal und die Ankunftszeit registriert. Diese detaillierte multidimensionale Information wird von einem Pattern-Matching-Algorithmus ausgewertet, der das Fluoreszenzsignal mit zuvor erstellten Referenzpattern der einzelnen Farbstoffe vergleicht. Der Algorithmus bestimmt so für jedes Pixel die Beiträge der einzelnen Farbstoffe.

Mit dieser Technik konnten pro Anregungslaser fünf verschiedene Färbungen gleichzeitig dargestellt werden, also theoretisch insgesamt 15 Färbungen. In der Praxis konnten mit allen drei Lasern zusammen insgesamt neun Färbungen abgebildet werden, wobei die Anzahl der Farben vor allem durch die anspruchsvolle Probenvorbereitung limitiert war. In anderen Versuchen konnte die sehr hohe Sensitivität des sFLIM-Systems genutzt werden, um verschiedene Zielmoleküle voneinander zu unterscheiden, obwohl sie alle mit demselben Farbstoff markiert waren. Dies war möglich, weil sich die Fluoreszenzeigenschaften eines Farbstoffmoleküls geringfügig in Abhängigkeit von seiner Umgebung ändern. Weiterhin konnte die sFLIM-Technik mit der hochauflösenden STED-Mikroskopie (STED: stimulated emission depletion) kombiniert werden, um so hochaufgelöste zweifarbige Bilder zu erzeugen, wobei nur ein einziger gemeinsamer STED-Laser benötigt wurde.

Die gleichzeitige Erfassung von mehreren photophysikalischen Messgrößen sowie deren Auswertung durch den Pattern-Matching-Algorithmus ermöglichten somit die Entwicklung von neuen Methoden der Fluoreszenzmikroskopie für Mehrfachfärbungen.
N2  - Fluorescence microscopy is an important and near-universal technique to examine biological samples. Typically, biomolecules are selectively labelled with fluorophores and then imaged with high contrast. This can be done for several target molecules simultaneously, using different fluorophores that are usually distinguished by their spectra.

This thesis describes a method to maximize the number of simultaneous stainings. Not only the spectral information but also the temporal information of the fluorescence decay is exploited by means of spectrally resolved fluorescence lifetime imaging microscopy (sFLIM). Using a confocal laser scanning microscope, the sample is excited by three alternatingly pulsed lasers at 485 nm, 532 nm, and 640 nm. Fluorescence light is detected on 32 spectrally separated detection channels with high time resolution of a few picoseconds. Thus, in this setup, we record the excitation laser, the spectral channel, and the time of arrival for each fluorescence photon. This detailed multi-dimensional information is then processed by a pattern-matching algorithm that compares the fluorescence signal with reference patterns of the used fluorophores to determine the contribution of each fluorophore in each pixel.

Using this technique we imaged five different stainings per excitation laser, implying that 15 simultaneous stainings should theoretically be achievable. Current constraints in the sample preparation procedure limited the number of simultaneous stainings to nine. In additional experiments, we exploited the sensitivity of the sFLIM system to image several different target molecules simultaneously with the same fluorophore, taking advantage of slight changes in the fluorescence behaviour of the fluorophore due to environmental changes. We also combined sFLIM with stimulated emission depletion (STED) to perform super-resolution multi-target imaging with two stainings that operated with one common STED laser.

Thus, the simultaneous exploitation of several photophysical parameters, in combination with algorythmic evaluation, allowed us to devise novel modes of multi-target imaging in fluorescence microscopy.
KW  - Fluoreszenzmikroskopie
KW  - Fluoreszenzlebensdauer-Mikroskopie
KW  - Konfokale Mikroskopie
KW  - STED-Mikroskopie
KW  - Fluoreszenz
KW  - Mustervergleich
KW  - Pattern Matching
KW  - sFLIM
KW  - TCSPC
KW  - Mikroskopie
KW  - Microscopy
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-296573
ER  - 
TY  - THES
A1  - Krones, David
T1  - The Role of Acid Sphingomyelinase in \(Staphylococcus\) \(aureus\) Infection of Endothelial Cells
T1  - Die Rolle der sauren Sphingomyelinase bei \(Staphylococcus\) \(aureus\) Infektionen von Endothelzellen
N2  - Staphylococcus aureus is a human bacterial pathogen responsible for a variety of diseases including bacterial pneumonia and sepsis. Recent studies provided an explanation, how S. aureus and its exotoxins contribute to the degradation of endothelial junction proteins and damage lung tissue [4]. Previous findings were indicating an involvement of acid sphingomyelinase (ASM) activity in cell barrier degradation [5]. In the presented study the impact of singular virulence factors, such as staphylococcal α-toxin, on in vitro cell barrier integrity as well as their ability to elicit an activation of ASM were investigated.
Experiments with bacterial supernatants performed on human endothelial cells demonstrated a rapid dissociation after treatment, whereas murine endothelial cells were rather resistant against cell barrier degradation. Furthermore, amongst all tested staphylococcal toxins it was found that only α-toxin had a significant impact on endothelial junction proteins and ASM activity. Ablation of this single toxin was sufficient to protect endothelial cells from cell barrier degradation and activation of ASM was absent.
In this process it was verified, that α-toxin induces a recruitment of intracellular ASM, which is accompanied by rapid and oscillating changes in cytoplasmic Ca2+ concentration and an increased exposure of Lysosomal associated membrane protein 1 (LAMP1) on the cell surface. Recruitment of lysosomal ASM is associated, among other aspects, to plasma membrane repair and was previously described to be involved with distinct pathogens as well as other pore forming toxins (PFT). However, with these findings a novel feature for α-toxin has been revealed, indicating that the staphylococcal PFT is able to elicit a similar process to previously described plasma membrane repair mechanisms. 
Increased exposure and intake of surface membrane markers questioned the involvement of ASM activity in S. aureus internalization by non-professional phagocytes such as endothelial cells. By modifying ASM expression pattern as well as application of inhibitors it was possible to reduce the intracellular bacterial count. Thus, a direct connection between ASM activity and S. aureus infection mechanisms was observed, therefore this study exemplifies how S. aureus is able to exploit the host cell sphingolipid metabolism as well as benefit of it for invasion into non-professional phagocytic cells
N2  - Staphylococcus aureus ist ein bakterieller Erreger, der für eine Vielzahl von Erkrankungen des Menschen verantwortlich ist, darunter bakterielle Lungenentzündung und Sepsis. Neuere Studien konnten einen Ansatz dafür liefern, wie S. aureus und seine Exotoxine zur Degradation von endothelialen Verbindungsproteinen beitragen und das Lungengewebe schädigen.   Weitere Befunde weisen auf eine Beteiligung der sauren Sphingomyelinase (ASM) bei der Degradation der Zellbarriere hin.
In der vorliegenden Studie soll der Einfluss einzelner Virulenzfaktoren, wie z. B. Staphylokokkus α-Toxin, auf die Integrität der Zellbarriere in vitro sowie deren Fähigkeit, eine Aktivierung der ASM hervorzurufen, untersucht werden.Experimente mit bakteriellen Überständen die an humanen Endothelzellen durchgeführt wurden, zeigten eine rasche Dissoziation nach Behandlung, während murine Endothelzellen vorwiegend resistent gegen eine Degradation der Zellbarriere waren. Darüber hinaus wurde unter allen getesteten Staphylokokken-Toxinen festgestellt, dass nur α-Toxin einen signifikanten Einfluss auf endotheliale Verbindungssproteine und ASM-Aktivität hat. Die genetische Ablation des Toxins alleine reichte aus, um Endothelzellen vor einer Degradation der Zellbarriere zu schützen, und die Aktivierung von ASM blieb aus. 
Dabei konnte nachgewiesen werden, dass α-Toxin eine Rekrutierung von intrazellulärem ASM induziert, die mit schnellen oszillierenden Veränderungen der zytoplasmatischen Ca2+-Konzentration und einer erhöhten Exposition von Lysosome associated membrane protein 1 (LAMP1) an der Zelloberfläche einhergeht. Die Rekrutierung lysosomaler ASM ist u.a. mit der Reparatur von Plasmamembran assoziiert und wurde bereits im Zusammenhang mit verschiedenen Pathogenen sowie anderer porenbildende Toxine (PFT) beschrieben. Mit diesen Befunden konnte jedoch eine neue Eigenschaft für α-Toxin beschrieben werden, die darauf hindeutet, dass das Staphylokokken-PFT einen ähnlichen Prozess auslösen kann wie zuvor beschriebene Plasmamembran-Reparaturmechanismen. Die vermehrte Exposition und Aufnahme von Oberflächenmembranmerkmalen stellte die Beteiligung der ASM-Aktivität an der Internalisierung von S. aureus durch nicht-professionelle Phagozyten wie Endothelzellen in Frage. Durch Modifikation des ASM-Expressionsmusters sowie Applikation von Inhibitoren war es möglich, die intrazelluläre Keimzahl zu reduzieren. Somit konnte ein direkter Zusammenhang zwischen ASM-Aktivität und den Infektionsmechanismen von S. aureus beobachtet werden. Diese Studie verdeutlicht somit, wie S. aureus den Sphingolipid-Stoffwechsel der Wirtszelle ausnutzen und für die Invasion in nicht-professionelle phagozytische Zellen nutzen kann
KW  - Staphylococcus aureus
KW  - Endothelzelle
KW  - Endothelial cells
KW  - Acid Sphingomyelinase
KW  - Plasma membrane repair
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-290492
ER  - 
TY  - THES
A1  - Grob, Robin
T1  - The Function of Learning Walks of \({Cataglyphis Ants}\): Behavioral and Neuronal Analyses
T1  - Die Funktion der Lernläufe in \(Cataglyphis\) Ameisen: eine Studie des Verhaltens und der neuronalen Auswirkungen
N2  - Humans and animals alike use the sun, the moon, and the stars to guide their ways.
However, the position of celestial cues changes depending on daytime, season, and
place on earth. To use these celestial cues for reliable navigation, the rotation of the
sky has to be compensated. While humans invented complicated mechanisms like the
Antikythera mechanism to keep track of celestial movements, animals can only rely on
their brains. The desert ant Cataglyphis is a prime example of an animal using celestial
cues for navigation. Using the sun and the related skylight polarization pattern as a
compass, and a step integrator for distance measurements, it can determine a vector
always pointing homewards. This mechanism is called path integration. Since the sun’s
position and, therefore, also the polarization pattern changes throughout the day,
Cataglyphis have to correct this movement. If they did not compensate for time, the
ants’ compass would direct them in different directions in the morning and the evening.
Thus, the ants have to learn the solar ephemeris before their far-reaching foraging
trips.
To do so, Cataglyphis ants perform a well-structured learning-walk behavior during the
transition phase from indoor worker to outdoor forager. While walking in small loops
around the nest entrance, the ants repeatedly stop their forward movements to perform
turns. These can be small walked circles (voltes) or tight turns about the ants’ body
axes (pirouettes). During pirouettes, the ants gaze back to their nest entrance during
stopping phases. These look backs provide a behavioral read-out for the state of the
path integrator. The ants “tell” the observer where they think their nest is, by looking
back to it. Pirouettes are only performed by Cataglyphis ants inhabiting an environment
with a prominent visual panorama. This indicates, that pirouettes are performed to
learn the visual panorama. Voltes, on the other hand, might be used for calibrating the
celestial compass of the ants.
In my doctoral thesis, I employed a wide range of state-of-the-art techniques from
different disciplines in biology to gain a deeper understanding of how navigational
information is acquired, memorized, used, and calibrated during the transition phase
from interior worker to outdoor forager. I could show, that celestial orientation cues that
provide the main compass during foraging, do not guide the ants during the look-backbehavior
of initial learning walks. Instead Cataglyphis nodus relies on the earth’s
magnetic field as a compass during this early learning phase. While not guiding the
ants during their first walks outside of the nest, excluding the ants from perceiving the
natural polarization pattern of the skylight has significant consequences on learning-related
plasticity in the ants’ brain. Only if the ants are able to perform their learning-walk
behavior under a skylight polarization pattern that changes throughout the day,
plastic neuronal changes in high-order integration centers are induced. Especially the
mushroom bogy collar, a center for learning and memory, and the central complex, a
center for orientation and motor control, showed an increase in volume after learning
walks. This underlines the importance of learning walks for calibrating the celestial
compass. The magnetic compass might provide the necessary stable reference
system for the ants to calibrate their celestial compass and learn the position of
landmark information. In the ant brain, visual information from the polarization-sensitive
ocelli converge in tight apposition with neuronal afferents of the mechanosensitive
Johnston’s organ in the ant’s antennae. This makes the ants’ antennae an interesting
candidate for studying the sensory bases of compass calibration in Cataglyphis ants.
The brain of the desert navigators is well adapted to successfully accomplish their
navigational needs. Females (gynes and workers) have voluminous mushroom bodies,
and the synaptic complexity to store large amount of view-based navigational
information, which they acquire during initial learning walks. The male Cataglyphis
brain is better suited for innate behaviors that support finding a mate.
The results of my thesis show that the well adapted brain of C. nodus ants undergoes
massive structural changes during leaning walks, dependent on a changing celestial
polarization pattern. This underlies the essential role of learning walks in the calibration
of orientation systems in desert ants.
N2  - Die Gestirne helfen nicht nur Menschen uns zurecht zu finden, sondern auch Tiere
können Sonne, Mond und Sterne für Navigation nutzen. Dabei gilt es aber zu
beachten, dass die Himmelskörper ihre Position abhängig von der Tageszeit, den
Jahreszeiten und dem Standort auf der Erde verändern. Um anhand von
Himmelseigenschaften erfolgreich navigieren zu können, ist es deshalb unerlässlich
diese Himmelsrotation zu kennen und für sie zu kompensieren. Menschen haben dafür
bereits in der Antike komplizierte Maschinen wie den Antikythera Mechanismus
entwickelt, Tiere dagegen brauchen nur ihr Gehirn. Wüstenameisen der Galtung
Cataglyphis sind kleine Meisternavigatoren. Sie benutzen einen Himmelskompass,
basierend auf der Sonne und dem mit ihr assoziierten Polarisationsmuster des
Himmels, und einen Schrittintegrator, um einen Vektor zu bestimmen, der immer
genau zu ihrem Ausgangspunkt zurück zeigt. Dieser Orientierungsmechanismus heißt
Wegintegration. Da sich allerdings die Position der Sonne am Himmel und damit auch
das Polarisationsmuster des Himmels über den Tag verändern, muss Cataglyphis für
diese Veränderung kompensieren. Würde sie das nicht tun, würde ihr Kompass
morgens in eine ganz andere Richtung als abends zeigen. Deshalb müssen Ameisen
den Sonnenverlauf erlernen bevor sie zu ihren weitläufigen Futtersuchläufen
aufbrechen. Cataglyphis führt dazu ein strukturiertes Lernlaufverhalten durch während
des Übergangs von Innendiensttier zu Sammlerinnen. Dabei laufen die Ameisen in
kleinen Schlaufen um ihren Nesteingang und stoppen ihre Vorwärtsbewegung
mehrmalig, um Drehungen durchzuführen. Diese Drehungen sind entweder kleine
gelaufene Kreise (Volten) oder Drehungen um die eigene Achse (Pirouetten). Nur
Cataglyphis, die Gegenden mit einem reichhaltigen visuellen Panorama bewohnen,
führen Pirouetten aus bei denen sie zurück zu ihrem Nesteingang schauen. Dies legt
nahe, dass während Pirouetten das Panorama gelernt wird. Während Volten wird wohl
der Himmelskompass kalibriert. Die Rückdrehungen während ihrer Lernläufe geben
die einmalige Möglichkeit, die Ameise zu „fragen“ wo sie denkt, dass ihr Nest sei und
damit ihren Wegintegrator auszulesen.
In meiner Doktorarbeit kombinierte ich viele biologischen Methoden unterschiedlicher
Disziplinen um zu untersuchen wie die Ameisen ihre Navigationssysteme während der
ersten Läufe außerhalb des Nestes erlernen, speichern, kalibrieren und später nutzen.
Ich konnte zeigen, dass Himmelsinformationen, die bei Sammlerinnen als wichtigster
4
Kompass dienen, nicht für die Orientierung der Rückblicke während Lernläufen dienen.
Stattdessen nutzten naive Cataglyphis nodus das Erdmagnetfeld als Kompass.
Obwohl Himmelsinformationen nicht als Kompass während der Lernläufe genutzt
werden, spielen sie eine essentielle Rolle für neuroplastische Veränderungen im
Gehirn der Ameisen. Nur wenn Ameisen ihre Lernläufe unter einem
Polaristaionsmuster, das sich über den Tag hinweg verändert, ausführen, kommt es
zu plastischen Veränderungen in neuronalen Integrationszentren. Besonders die
Pilzkörper, Zentren für Lernen und Gedächtnis, und der Zentralkomplex, Zentrum für
Orientierung und Bewegungssteuerung, nehmen im Volumen nach Lernläufen zu.
Lernläufe spielen also eine wichtige Rolle für die Kalibrierung der
Navigationsinformationen. Das Erdmagnetfeld könnte das für die Kalibierung
notwendige erdgebundene, stabile Referenzsystem bieten, an dem die
Himmelsbewegung gelernt wird. Im Ameisengehirn laufen visuelle Informationen von
den polarisatiossensitiven Ocelli mit Afferenzen des mechanosensitiven
Johnstonschen Organ aus der Antenne zusammen. Die Antenne könnte daher eine
wichtiges Organ für die Kalibrierung der Orientierungssysteme sein. Das kleine Gehirn
der Ameisen ist bestens an ihre Anforderungen als große Navigatoren angepasst.
Weibliche C. nodus (Arbeiterinnen und Königinnen) besitzen große Pilzkörper mit einer
Anzahl an Synapsen, die es ihnen erlaubt eine Vielzahl von Umgebungsbildern zu
speichern, die sie während ihrer initialen Lernläufe lernen müssen. Das männliche
Cataglyphis-Gehirn ist besser auf angeborene Orientierungsstrategien angepasst, die
ihm helfen einen Geschlechtspartner zu finden.
Die Ergebnisse meiner Doktorarbeit zeigen, dass das an die navigatorischen
Herausforderungen angepasste Gehirn von C. nodus signifikante neuronale
Veränderungen in Abhängigkeit eines sich veränderten Polaristaionsmusters während
der Lernläufe erfährt. Dies zeigt die essentielle Rolle der Lernläufe in der Kalibrierung
der Navigationssysteme von Wüstenameisen.
KW  - Cataglyphis
KW  - Kompass
KW  - Navigation
KW  - Nahrungserwerb
KW  - Neuroethologie
KW  - Neuroethology
KW  - Polyethism
KW  - Learning Walk
KW  - Geomagnetic Field
KW  - Learning & Memory
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-290173
ER  -