TY  - THES
A1  - Eiring, Patrick
T1  - Super-resolution microscopy of plasma membrane receptors
T1  - Hochauflösende Mikroskopie von Plasmamembran Rezeptoren
N2  - Plasma membrane receptors are the most crucial and most commonly studied components of cells, since they not only ensure communication between the extracellular space and cells, but are also responsible for the regulation of cell cycle and cell division. The composition of the surface receptors, the so-called "Receptome", differs and is characteristic for certain cell types. Due to their significance, receptors have been important target structures for diagnostic and therapy in cancer medicine and often show aberrant expression patterns in various cancers compared to healthy cells. However, these aberrations can also be exploited and targeted by different medical approaches, as in the case of personalized immunotherapy. In addition, advances in modern fluorescence microscopy by so-called single molecule techniques allow for unprecedented sensitive visualization and quantification of molecules with an attainable spatial resolution of 10-20 nm, allowing for the detection of both stoichiometric and expression density differences. 
In this work, the single molecule sensitive method dSTORM was applied to quantify the receptor composition of various cell lines as well as in primary samples obtained from patients with hematologic malignancies. The focus of this work lies on artefact free quantification, stoichiometric analyses of oligomerization states and co localization analyses of membrane receptors.
Basic requirements for the quantification of receptors are dyes with good photoswitching properties and labels that specifically mark the target structure without generating background through non-specific binding. To ensure this, antibodies with a predefined DOL (degree of labeling) were used, which are also standard in flow cytometry. First background reduction protocols were established on cell lines prior analyses in primary patient samples. Quantitative analyses showed clear expression differences between the cell lines and the patient cells, but also between individual patients.
An important component of this work is the ability to detect the oligomerization states of receptors, which enables a more accurate quantification of membrane receptor densities compared to standard flow cytometry. It also provides information about the activation of a certain receptor, for example of FLT3, a tyrosine kinase, dimerizing upon activation. For this purpose, different well-known monomers and dimers were compared to distinguish the typical localization statistics of single bound antibodies from two or more antibodies that are in proximity. Further experiments as well as co localization analyses proved that antibodies can bind to closely adjacent epitopes despite their size.
These analytical methods were subsequently applied for quantification and visualization of receptors in two clinically relevant examples. Firstly, various therapeutically relevant receptors such as CD38, BCMA and SLAMF7 for multiple myeloma, a malignant disease of plasma cells, were analyzed and quantified on patient cells. Furthermore, the influence of TP53 and KRAS mutations on receptor expression levels was investigated using the multiple myeloma cell lines OPM2 and AMO1, showing clear differences in certain receptor quantities. 
Secondly, FLT3 which is a therapeutic target receptor for acute myeloid leukemia, was quantified and stoichiometrically analyzed on both cell lines and patient cells. In addition, cells that have developed resistance against midostaurin were compared with cells that still respond to this type I tyrosine-kinase-inhibitor for their FLT3 receptor expression and oligomerization state.
N2  - Plasmamembranrezeptoren sind die wohl wichtigsten und meist untersuchten Komponenten einer Zelle, da sie nicht nur die Kommunikation zwischen dem extrazellulären Bereich und den Zellen gewährleisten, sondern auch für die Regulierung des Zellzyklus und der Zellteilung zuständig sind. Dabei unterscheidet sich die Zusammensetzung der Oberflächenrezeptoren, das sogenannte „Rezeptom“, und ist charakteristisch für bestimme Zelltypen. Aufgrund ihrer Bedeutsamkeit sind Rezeptoren wichtige Zielstrukturen für Diagnose und Therapie in der Krebsmedizin, welche häufig bei verschiedensten Krebserkrankungen im Vergleich zu gesunden Zellen aberrante Expressionsmuster aufweisen. Diese Abweichungen können sich allerdings auch zu Nutze gemacht werden und zum Ziel verschiedener medizinischer Behandlungsmethoden, wie es bei der personalisierten Immuntherapie der Fall ist, werden. Zusätzlich hat der Fortschritt in der modernen Fluoreszenzmikroskopie durch sogenannte Einzelmolekültechniken, es auch erlaubt, eine noch nie dagewesene empfindliche Visualisierung und Quantifizierung von Molekülen mit einer räumlichen Auflösung von 10-20 nm zu erreichen, wodurch sowohl stöchiometrische Unterschiede, als auch Unterschiede in der Expressionsdichte detektiert werden können. 
In dieser Arbeit wurde die einzelmolekülsensitive Methode dSTORM genutzt, um die Rezeptorkomposition von verschiedenen Zelllinien aber auch von primären Patientenzellen mit zugrundeliegenden hämatologischen Erkrankungen zu quantifizieren. Schwerpunkte dieser Arbeit sind dabei die artefaktfreie Quantifizierung, stöchiometrische Analysen von Oligomerisierungszuständen, sowie die Kolokalisationsanalyse von Membranrezeptoren.
Grundvoraussetzung für die Quantifizierung von Rezeptoren sind dabei gut schaltbare Farbstoffe, sowie Label, welche die Zielstruktur spezifisch markieren ohne dabei Hintergrund durch unspezifische Bindung zu generieren. Um dies zu gewährleisten, kamen Antikörper mit einem vordefinierten DOL (degree of labeling; engl. für: Markierungsgrad) zum Einsatz, welche auch in der Durchflusszytometrie standardmäßig eingesetzt werden. Protokolle zur Hintergrundreduktion wurden dabei an Zelllinien etabliert, bevor Primärzellen von Krebspatienten analysiert wurden. Durch quantitative Analysen konnten dabei deutliche Expressionsunterschiede zwischen den Zelllinien und den Patientenzellen, aber auch zwischen den verschiedenen Patienten gezeigt werden.
Ein wichtiger Bestandteil dieser Arbeit ist die Fähigkeit, den Oligomerisierungszustand von Rezeptoren zu erkennen, was eine genauere Quantifizierung der Membran-rezeptordichten im Vergleich zur Durchflusszytometrie ermöglicht. Allerdings können diese Oligomerisierungszustände auch Informationen über die Aktivierung eines Rezeptors beinhalten, wie zum Beispiel von FLT3, einer Tyrosinkinase, welche zur Aktivierung dimerisieren muss. Hierfür wurden verschiedene bekannte Monomere und Dimere verglichen, um die typische Lokalisationsstatistik von vereinzelten gebundenen Antikörpern mit der von zwei oder mehr Antikörpern, welche nah beieinanderliegen, zu vergleichen. Durch weitere Etablierungsexperimente sowie Kolokalisationsanalysen konnte außerdem bewiesen werden, dass Antikörper trotz ihrer Größe auch an nah benachbarte Epitope binden können.
Diese Analyseverfahren wurden im weiteren Verlauf zur Quantifizierung und Visualisierung von Rezeptoren an zwei klinisch relevanten Beispielen angewendet. Zum einen wurden verschiedene therapeutisch relevante Rezeptoren wie z.B. CD38, BCMA und SLAMF7 für das Multiple Myelom, einer malignen Erkrankung von Plasmazellen, auf Patientenzellen analysiert und quantifiziert. Zusätzlich wurde der Einfluss von TP53 und KRAS Mutationen auf die Rezeptorexpressionen anhand der Multiplen Myelom Zelllinien OPM2 und AMO1 untersucht, bei denen eindeutige Unterschiede in der Rezeptorexpression detektiert wurden. 
Zum anderen wurde FLT3, welches ein therapeutischer Zielrezeptor für die akute myeloische Leukämie ist, sowohl auf Zelllinien als auch auf Patientenzellen quantifiziert und stöchiometrisch analysiert. Hierbei wurden auch Zellen welche eine Midostaurinresistenz entwickelt haben mit Zellen, welche auf diesen Typ I Tyrosinkinase Inhibitor ansprechen, auf ihre FLT3 Rezeptorexpression und ihren Oligomerisierungszustand verglichen.
KW  - Fluoreszenzmikroskopie
KW  - Membranrezeptor
KW  - Hochaufgelöste Fluoreszenzmikroskopie
KW  - Super-resolution microscopy
KW  - Membrane receptor
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-250048
ER  - 
TY  - THES
A1  - Habenstein, Jens
T1  - Neuropeptides in the brain of \(Cataglyphis\) \(nodus\) ants and their role as potential modulators of behavior
T1  - Neuropeptide im Gehirn von \(Cataglyphis\) \(nodus\) Ameisen und ihre Rolle als potenzielle Modulatoren von Verhalten
N2  - An adequate task allocation among colony members is of particular importance in large insect societies. Some species exhibit distinct polymorphic worker classes which are responsible for a specific range of tasks. However, much more often the behavior of the workers is related to the age of the individual. Ants of the genus Cataglyphis (Foerster 1850) undergo a marked age-related polyethism with three distinct behavioral stages. Newly emerged ants (callows) remain more or less motionless in the nest for the first day. The ants subsequently fulfill different tasks inside the darkness of the nest for up to four weeks (interior workers) before they finally leave the nest to collect food for the colony (foragers).
This thesis focuses on the neuronal substrate underlying the temporal polyethism in Cataglyphis nodus ants by addressing following major objectives:
(1)	Investigating the structures and neuronal circuitries of the Cataglyphis brain to understand potential effects of neuromodulators in specific brain neuropils. 
(2)	Identification and localization of neuropeptides in the Cataglyphis brain. 
(3)	Examining the expression of suitable neuropeptide candidates during behavioral maturation of Cataglyphis workers.
The brain provides the fundament for the control of the behavioral output of an insect. Although the importance of the central nervous system is known beyond doubt, the functional significance of large areas of the insect brain are not completely understood. In Cataglyphis ants, previous studies focused almost exclusively on major neuropils while large proportions of the central protocerebrum have been often disregarded due to the lack of clear boundaries. Therefore, I reconstructed a three-dimensional Cataglyphis brain employing confocal laser scanning microscopy. To visualize synapsin-rich neuropils and fiber tracts, a combination of fluorescently labeled antibodies, phalloidin (a cyclic peptide binding to filamentous actin) and anterograde tracers was used. Based on the unified nomenclature for insect brains, I defined traceable criteria for the demarcation of individual neuropils. The resulting three-dimensional brain atlas provides information about 33 distinct synapse-rich neuropils and 30 fiber tracts, including a comprehensive description of the olfactory and visual tracts in the Cataglyphis brain. This three-dimensional brain atlas further allows to assign present neuromodulators to individual brain neuropils. 
Neuropeptides represent the largest group of neuromodulators in the central nervous system of insects. They regulate important physiological and behavioral processes and have therefore recently been associated with the regulation of the temporal polyethism in social insects. To date, the knowledge of neuropeptides in Cataglyphis ants has been mainly derived from neuropeptidomic data of Camponotus floridanus ants and only a few neuropeptides have been characterized in Cataglyphis. Therefore, I performed a comprehensive transcriptome analysis in Cataglyphis nodus ants and identified peptides by using Q-Exactive Orbitrap mass spectrometry (MS) and matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight (MALDI-TOF) MS. This resulted in the characterization of 71 peptides encoded on 49 prepropeptide genes, including a novel neuropeptide-like gene (fliktin). In addition, high-resolution MALDI-TOF MS imaging (MALDI-MSI) was applied for the first time in an ant brain to localize peptides on thin brain cryosections. Employing MALDI-MSI, I was able to visualize the spatial distribution of 35 peptides encoded on 16 genes. 
To investigate the role of neuropeptides during behavioral maturation, I selected suitable neuropeptide candidates and analyzed their spatial distributions and expression levels following major behavioral transitions. Based on recent studies, I suggested the neuropeptides allatostatin-A (Ast-A), corazonin (Crz) and tachykinin (TK) as potential regulators of the temporal polyethism. The peptidergic neurons were visualized in the brain of C. nodus ants using immunohistochemistry. Independent of the behavioral stages, numerous Ast-A- and TK-immunoreactive (-ir) neurons innervate important high-order integration centers and sensory input regions with cell bodies dispersed all across the cell body rind. In contrast, only four corazonergic neurons per hemisphere were found in the Cataglyphis brain. Their somata are localized in the pars lateralis with axons projecting to the medial protocerebrum and the retrocerebral complex. Number and branching patterns of the Crz-ir neurons were similar across behavioral stages, however, the volume of the cell bodies was significantly larger in foragers than in the preceding behavioral stages. In addition, quantitative PCR analyses displayed increased Crz and Ast-A mRNA levels in foragers, suggesting a concomitant increase of the peptide levels. The task-specific expression of Crz and Ast-A along with the presence in important sensory input regions, high-order integration center, and the neurohormonal organs indicate a sustaining role of the neuropeptides during behavioral maturation of Cataglyphis workers.
The present thesis contains a comprehensive reference work for the brain anatomy and the neuropeptidome of Cataglyphis ants. I further demonstrated that neuropeptides are suitable modulators for the temporal polyethism of Cataglyphis workers. The complete dataset provides a solid framework for future neuroethological studies in Cataglyphis ants as well as for comparative studies on insects. This may help to improve our understanding of the functionality of individual brain neuropils and the role of neuropeptides, particularly during behavioral maturation in social insects.
N2  - Eine adäquate Aufgabenverteilung unter den Koloniemitgliedern ist in großen Insektengesellschaften von besonderer Bedeutung. Einige Arten weisen polymorphe Arbeiterklassen auf, die jeweils für einen bestimmten Aufgabenbereich zuständig sind. Viel häufiger jedoch steht das Verhalten der Arbeiterinnen im Zusammenhang mit dem Alter der Individuen. Ameisen der Gattung Cataglyphis (Foerster 1850) weisen einen ausgeprägten alterskorrelierten Polyethismus auf, der sich durch drei unterschiedliche Verhaltensstadien kennzeichnet. Neu geschlüpfte Ameisen (Callows) verharren den ersten Tag mehr oder weniger bewegungslos im Nest. Anschließend erfüllen die Ameisen in der Dunkelheit des Nestes bis zu vier Wochen lang verschiedene Aufgaben (Interior), bevor sie schließlich das Nest verlassen, um Nahrung für die Kolonie zu sammeln (Forager).
Diese Arbeit konzentriert sich auf die neuronalen Grundlagen, die dem alterskorrelierten Polyethismus bei Cataglyphis nodus Ameisen zugrunde liegt, indem folgende Hauptziele verfolgt werden:
(1)	Untersuchung der Strukturen und der neuronalen Schaltkreise des Cataglyphis-Gehirns, um mögliche Effekte von Neuromodulatoren in spezifischen Hirnneuropilen besser zu verstehen. 
(2)	 Identifizierung und Lokalisierung von Neuropeptiden im Gehirn von Cataglyphis Ameisen. 
(3)	Untersuchung der Expression geeigneter Neuropeptid-Kandidaten im Zuge der Verhaltensreifung von Cataglyphis Arbeitern.
Das Gehirn bildet die Grundlage für die Steuerung des Verhaltens von Insekten. Obwohl die tragende Rolle des zentralen Nervensystems für das Verhalten zweifelsfrei bekannt ist, sind die funktionellen Aufgaben großer Bereiche des Insektengehirns nicht vollständig erforscht. Bei Cataglyphis Ameisen konzentrierten sich vorangegangene Studien fast ausschließlich auf die Hauptneuropile, während große Teile des zentralen Protocerebrums mangels klarer Abgrenzungen weitgehend unberücksichtigt geblieben sind. Daher habe ich ein dreidimensionales Cataglyphis-Gehirn mit Hilfe der konfokalen Laser-Scanning-Mikroskopie rekonstruiert. Um die synapsinreichen Neuropile und Nerventrakte zu visualisieren, wurde eine Kombination aus fluoreszenzgekoppelten Antikörpern, Phalloidin (ein zyklisches Peptid, das an filamentöses Aktin bindet) und anterograden Tracern verwendet. Basierend auf der einheitlichen Nomenklatur für Insektengehirne definierte ich nachvollziehbare Kriterien für die Abgrenzung der einzelnen Neuropile. Die resultierende dreidimensionale neuronale Karte liefert Informationen über 33 verschiedene synapsinreiche Neuropile und 30 Nerventrakte, einschließlich einer umfassenden Beschreibung der olfaktorischen und visuellen Trakte im Cataglyphis-Gehirn. Dieser dreidimensionale Hirnatlas erlaubt es darüber hinaus, die vorhandenen Neuromodulatoren einzelnen Neuropilen des Gehirns zuzuordnen. 
Neuropeptide stellen die umfangreichste Gruppe an Neuromodulatoren im zentralen Nervensystem von Insekten dar. Sie regulieren wichtige physiologische Prozesse und Verhaltensweisen und wurden deshalb in jüngerer Vergangenheit mit der Regulation des alterskorrelierenden Polyethismus bei sozialen Insekten in Verbindung gebracht. Bislang wurde das Wissen über Neuropeptide bei Cataglyphis Ameisen hauptsächlich aus neuropeptidomischen Daten von Camponotus floridanus Ameisen abgeleitet und nur wenige Neuropeptide wurden bei Cataglyphis charakterisiert. Daher führte ich eine umfassende Transkriptomanalyse bei Cataglyphis nodus Ameisen durch und identifizierte Peptide mit Hilfe der Q-Exactive Orbitrap Massenspektrometrie (MS) und der Matrix-assistierte Laser Desorption-Ionisierung Time-of-Flight (MALDI-TOF) MS. Hierdurch konnten insgesamt 71 Peptide charakterisiert werden, die auf 49 Präpropeptid-Genen kodiert sind, einschließlich eines neuartigen Neuropeptid-ähnlichen Gens (Fliktin). Darüber hinaus wurde das hochauflösende MALDI-TOF MS-Imaging (MALDI-MSI) zum ersten Mal in einem Ameisenhirn angewandt, um Peptide auf dünnen Hirnkryoschnitten zu lokalisieren. Mittels MALDI-MSI konnte ich die räumliche Verteilung von 35 Peptiden sichtbar machen, die auf 16 Genen kodiert sind. 
Um die Rolle der Neuropeptide während der Verhaltensreifung zu untersuchen, wählte ich geeignete Neuropeptid-Kandidaten aus und analysierte deren räumliche Verteilung und Expressionsniveaus im Zuge wichtiger Verhaltensübergänge. Basierend auf aktuellen Studien schlug ich die Neuropeptide Allatostatin-A (Ast-A), Corazonin (Crz) und Tachykinin (TK) als mögliche Regulatoren des alterskorrelierenden Polyethismus vor. Die peptidergen Neurone wurden im Gehirn von C. nodus Ameisen mittels Immunhistochemie sichtbar gemacht. Unabhängig von den Verhaltensstadien innervieren die zahlreichen Ast-A- und TK-immunreaktiven (-ir) Neuronen wichtige Integrationszentren höherer Ordnung sowie sensorische Eingangsregionen, während ihre Zellkörper über die gesamte Zellkörperschicht verteilt sind. Im Gegensatz dazu wurden im Cataglyphis-Gehirn nur vier corazonerge Neuronen pro Hemisphäre gefunden. Ihre Somata sind in der Pars lateralis lokalisiert, deren Axone in das mediale Protocerebrum und den retrozerebralen Komplex projizieren. Anzahl und Verzweigungsmuster der Crz-ir Neuronen waren in allen Verhaltensstadien ähnlich, jedoch war das Volumen der Zellkörper bei Foragern signifikant größer als in den vorangegangenen Verhaltensstadien. Darüber hinaus zeigten quantitative PCR Analysen erhöhte Crz- und Ast-A mRNA-Level in Foragern, was auf einen gleichzeitigen Anstieg der Peptidspiegel schließen lässt. Die aufgabenspezifische Expression von Crz und Ast-A sowie deren Präsenz in wichtigen sensorischen Eingangsbereichen, Integrationszentren höherer Ordnung und den neurohormonellen Organen weisen auf eine tragende Rolle der Neuropeptide während der Verhaltensreifung von Cataglyphis Arbeiterinnen hin.
Die vorliegende Arbeit beinhaltet ein umfassendes Nachschlagewerk für die Hirnanatomie und das Neuropeptidom von Cataglyphis Ameisen. Zudem konnte ich demonstrieren, dass Neuropeptide geeignete Modulatoren für den alterskorrelierenden Polyethismus von Cataglyphis Arbeitern sind. Der komplette Datensatz bietet eine solide Grundlage für zukünftige, neuroethologische Studien an Cataglyphis Ameisen sowie vergleichenden Studien in Insekten. Hierdurch kann unser Verständnis über die Funktionalität einzelner Hirnneuropile und die Rolle von Neuropeptiden, insbesondere während der Verhaltensreifung sozialer Insekten, in Zukunft verbessert werden.
KW  - Cataglyphis
KW  - Neuropeptide
KW  - Neuroethologie
KW  - Insektenstaaten
KW  - polyethism
KW  - neuropeptides
KW  - neuroethology
KW  - neuromodulation
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-249618
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schuster, Sarah
T1  - Analysis of \(Trypanosoma\) \(brucei\) motility and the infection process in the tsetse fly vector
T1  - Analyse der Motilität von \(Trypanosoma\) \(brucei\) und dem Infektionsprozess in der Tsetsefliege
N2  - African trypanosomes are protist pathogens that are infective for a wide spectrum of mammalian hosts. Motility has been shown to be essential for their survival and represents an important virulence factor. Trypanosoma brucei is transmitted by the bite of the bloodsucking tsetse fly, the only vector for these parasites. The voyage through the fly is complex and requires several migration, proliferation and differentiation steps, which take place in a defined order and in specific fly tissues.
The first part of this doctoral thesis deals with the establishment of the trypanosome tsetse system as a new model for microswimmer analysis. There is an increasing interdisciplinary interest in microbial motility, but a lack of accessible model systems. Therefore, this work introduces the first enclosed in vivo host parasite system that is suitable for analysis of diverse microswimmer types in specific microenvironments. Several methods were used and adapted to gain unprecedented insights into trypanosome motion, the fly´s interior architecture and the physical interaction between host and parasite. This work provides a detailed overview on trypanosome motile behavior as a function of development in diverse host surroundings. In additional, the potential use of artificial environments is shown. This can be used to partly abstract the complex fly architecture and analyze trypanosome motion in defined nature inspired geometries. 
In the second part of the thesis, the infection of the tsetse fly is under investigation. Two different trypanosome forms exist in the blood: proliferative slender cells and cell cycle arrested stumpy cells. Previous literature states that stumpy cells are pre adapted to survive inside the fly, whereas slender cells die shortly after ingestion. However, infection experiments in our laboratory showed that slender cells were also potentially infective. During this work, infections were set up so as to minimize the possibility of stumpy cells being ingested, corroborating the observation that slender cells are able to infect flies. Using live cell microscopy and fluorescent reporter cell lines, a comparative analysis of the early development following infection with either slender or stumpy cells was performed. The experiments showed, for the first time, the survival of slender trypanosomes and their direct differentiation to the procyclic midgut stage, contradicting the current view in the field of research. Therefore, we can shift perspectives in trypanosome biology by proposing a revised life cycle model of T. brucei, where both bloodstream stages are infective for the vector.
N2  - Afrikanische Trypanosomen sind pathogene Protisten, die ein breites Spektrum von Säugetierwirten infizieren. Es wurde gezeigt, dass die Zellmotilität für das Überleben der Parasiten essenziell ist und einen wichtigen Virulenzfaktor darstellt. Trypanosoma brucei wird durch den Biss der blutsaugenden Tsetsefliege übertragen, dem einzigen Vektor für diese Parasiten. Der Entwicklungszyklus in der Fliege ist komplex und beinhaltet mehrere Migrations-, Proliferations- und Differenzierungsschritte, die in einer definierten Reihenfolge und in spezifischen Fliegenorganen stattfinden.
Der erste Teil dieser Doktorarbeit beschäftigt sich mit der Etablierung des Trypanosomen Tsetse Systems als ein neues Modell für Motilitätsanalysen. Es besteht ein wachsendes interdisziplinäres Interesse an mikrobieller Motilität, aber es fehlen zugängliche Mikroschwimmersysteme. Deswegen stellt diese Arbeit das erste abgeschlossene in vivo Wirt Parasit System vor, das für Analysen von verschiedenen Mikroschwimmertypen in spezifischen Umgebungen geeignet ist. Verschiedene Methoden wurden benutzt und adaptiert, um sowohl Einblicke in die Trypanosomenbewegung, die innere Fliegenarchitektur als auch die physikalischen Wechselwirkungen zwischen Wirt und Parasit zu erhalten. Diese Arbeit bietet einen detaillierten Überblick über das motile Verhalten von Trypanosomen als Funktion der Entwicklung in diversen Wirtsumgebungen. Zusätzlich ist die potenzielle Nutzung von artifiziellen Umgebungen gezeigt. Diese können benutzt werden, um die komplexe Architektur der Fliege teilweise zu abstrahieren und die Trypanosomenbewegung in definierten und von der Nature inspirierten Geometrien zu analysieren. 
Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde die Infektion der Fliege genauer betrachtet. Im Blut existieren zwei verschiedene Trypanosomenformen: proliferierende ‘slender’ und Zellzyklus arretierte ‘stumpy’ Zellen. Bisherige Literatur besagt, dass stumpy Zellen präadaptiert sind, um in der Fliege zu überleben, wohingegen slender Zellen kurz nach der Aufnahme sterben. Dennoch konnten Infektionsexperimente in unserem Labor zeigen, dass auch slender Zellen potenziell infektiös sind. Während dieser Arbeit wurden weitere Infektionen so durchgeführt, dass die Möglichkeit für die Aufnahme von stumpy Zellen minimiert wurde und die Infektionskapazität der slender Zellen bestätigt werden konnte. Durch Lebendzell Mikroskopie mit fluoreszenten Reporterzelllinien wurde eine vergleichende Analyse für die frühe Entwicklung von slender und stumpy Parasiten nach der Infektion durchgeführt. Die Experimente zeigten zum ersten Mal das Überleben von slender Trypanosomen in der Tsetsefliege und ihre direkte Differenzierung in das prozyklische Mitteldarmstadium. Sie widersprechen demnach der aktuellen Auffassung im Forschungsbereich. Demzufolge können wir von einem Perspektivwechsel in der Trypanosomenbiologie sprechen und schlagen einen revidierten Lebenszyklus für T. brucei vor, in dem beide Blutstromformen für den Vektor infektiös sind.
KW  - Motilität
KW  - Trypanosomen
KW  - Tsetsefliege
KW  - Parasit
KW  - tsetse fly
KW  - motility
KW  - trypanosome
KW  - vector-parasite interaction
KW  - microswimming
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-192691
ER  - 
TY  - THES
A1  - Andreska, Thomas
T1  - Effects of dopamine on BDNF / TrkB mediated signaling and plasticity on cortico-striatal synapses
T1  - Effekte von Dopamin auf BDNF / TrkB vermittelte Signalwege und Plastizität an cortico-striatalen Synapsen
N2  - Progressive loss of voluntary movement control is the central symptom of Parkinson's disease (PD). Even today, we are not yet able to cure PD. This is mainly due to a lack of understanding the mechanisms of movement control, network activity and plasticity in motor circuits, in particular between the cerebral cortex and the striatum. Brain-derived neurotrophic factor (BDNF) has emerged as one of the most important factors for the development and survival of neurons, as well as for synaptic plasticity. It is thus an important target for the development of new therapeutic strategies against neurodegenerative diseases. Together with its receptor, the Tropomyosin receptor kinase B (TrkB), it is critically involved in development and function of the striatum. Nevertheless, little is known about the localization of BDNF within presynaptic terminals in the striatum, as well as the types of neurons that produce BDNF in the cerebral cortex. Furthermore, the influence of midbrain derived dopamine on the control of BDNF / TrkB interaction in striatal medium spiny neurons (MSNs) remains elusive so far. Dopamine, however, appears to play an important role, as its absence leads to drastic changes in striatal synaptic plasticity. This suggests that dopamine could regulate synaptic activity in the striatum via modulation of BDNF / TrkB function. To answer these questions, we have developed a sensitive and reliable protocol for the immunohistochemical detection of endogenous BDNF. We find that the majority of striatal BDNF is provided by glutamatergic, cortex derived afferents and not dopaminergic inputs from the midbrain. In fact, we found BDNF in cell bodies of neurons in layers II-III and V of the primary and secondary motor cortex as well as layer V of the somatosensory cortex. These are the brain areas that send dense projections to the dorsolateral striatum for control of voluntary movement. Furthermore, we could show that these projection neurons significantly downregulate the expression of BDNF during the juvenile development of mice between 3 and 12 weeks. 
In parallel, we found a modulatory effect of dopamine on the translocation of TrkB to the cell surface in postsynaptic striatal Medium Spiny Neurons (MSNs). In MSNs of the direct pathway (dMSNs), which express dopamine receptor 1 (DRD1), we observed the formation of TrkB aggregates in the 6-hydroxydopamine (6-OHDA) model of PD. This suggests that DRD1 activity controls TrkB surface expression in these neurons. In contrast, we found that DRD2 activation has opposite effects in MSNs of the indirect pathway (iMSNs). Activation of DRD2 promotes a rapid decrease in TrkB surface expression which was reversible and depended on cAMP. In parallel, stimulation of DRD2 led to induction of phospho-TrkB (pTrkB). This effect was significantly slower than the effect on TrkB surface expression and indicates that TrkB is transactivated by DRD2. Together, our data provide evidence that dopamine triggers dual modes of plasticity on striatal MSNs by acting on TrkB surface expression in DRD1 and DRD2 expressing MSNs. This surface expression of the receptor is crucial for the binding of BDNF, which is released from corticostriatal afferents. This leads to the induction of TrkB-mediated downstream signal transduction cascades and long-term potentiation (LTP). Therefore, the dopamine-mediated translocation of TrkB could be a mediator that modulates the balance between dopaminergic and glutamatergic signaling to allow synaptic plasticity in a spatiotemporal manner. This information and the fact that TrkB is segregated to persistent aggregates in PD could help to improve our understanding of voluntary movement control and to develop new therapeutic strategies beyond those focusing on dopaminergic supply.
N2  - Der fortschreitende Verlust der willkürlichen Bewegungskontrolle ist ein zentrales Symptom der Parkinson-Krankheit (PD). Auch heute sind wir noch nicht in der Lage, PD zu heilen. Dafür verantwortlich ist hauptsächlich ein mangelndes Verständnis von Mechanismen der Bewegungskontrolle, Netzwerkaktivität und Plastizität in motorischen Schaltkreisen, insbesondere zwischen Hirnrinde und Striatum. Der neurotrophe Faktor BDNF ist einer der wichtigsten Faktoren für die Entwicklung und das Überleben von Neuronen sowie für synaptische Plastizität im zentralen Nervensystem. BDNF ist daher ein Target für die Entwicklung neuer therapeutischer Strategien gegen neurodegenerative Erkrankungen. Zusammen mit seinem Rezeptor, der Tropomyosin-Rezeptorkinase B (TrkB), ist BDNF maßgeblich an der Entwicklung und Funktion des Striatums beteiligt. Dennoch ist nur wenig bekannt, wo BDNF an Synapsen im Striatum lokalisiert ist, und wo BDNF in Neuronen der Hirnrinde synthetisiert wird. Außerdem ist der Einfluss von Dopamin aus dem Mittelhirn auf die Kontrolle der BDNF / TrkB-Interaktion in striatalen Medium-Spiny-Neuronen (MSNs) bisher unklar. Dopamin scheint jedoch eine wichtige Rolle zu spielen, da dessen Abwesenheit zu drastischen Veränderungen der striatalen Plastizität führt. Dopamin könnte synaptische Plastizität im Striatum über eine Modulation der BDNF / TrkB-Interaktion regulieren. Um diese Fragen beantworten zu können, haben wir ein sensitives und zuverlässiges Protokoll für den immunhistochemischen Nachweis von endogenem BDNF entwickelt. Wir fanden heraus, dass BDNF im Striatum vor allem in glutamatergen Synapsen von Projektion aus dem Kortex lokalisiert ist und nicht in Terminalen dopaminerger Neurone aus dem Mittelhirn. Tatsächlich fanden wir BDNF in den Zellkörpern von Neuronen in den Schichten II-III und V des primären und sekundären motorischen Kortex sowie Schicht V des somatosensorischen Kortex. Es sind jene Hirnareale, welche dichte Projektionen zum dorsolateralen Striatum senden und entscheidend an der Steuerung von willkürlichen Bewegungen beteiligt sind. Weiterhin konnten wir zeigen, dass eben jene Projektionsneurone die Bildung von BDNF während der juvenilen Entwicklung von Mäusen zwischen 3 und 12 Wochen signifikant herunter regulieren. 
In striatalen MSN fanden wir zudem einen modulatorischen Effekt von Dopamin auf die Translokation von TrkB zur Zelloberfläche. In MSNs des direkten Signalweges (dMSNs), welche Dopaminrezeptor 1 (DRD1) exprimieren, konnten wir die Bildung von TrkB-Aggregaten im 6-Hydroxydopamin (6-OHDA) - Rattenmodell der Parkinson Erkankung beobachten. Dies deutet darauf hin, dass die DRD1-Aktivität die TrkB-Oberflächenexpression in diesen Neuronen steuert. Im Gegensatz dazu fanden wir heraus, dass die DRD2-Aktivierung in MSNs des indirekten Signalweges (iMSNs) eine gegensätzliche Wirkung hat. Die Aktivierung von DRD2 führt zu einer schnellen Reduktion der TrkB-Oberflächenexpression, die reversibel und von cAMP abhängig ist. Außerdem führte die Stimulation von DRD2 zu einer Induktion von Phospho-TrkB (pTrkB). Dieser Effekt war deutlich langsamer als die Wirkung auf die TrkB-Oberflächenexpression und deutet auf eine Transaktivierung von TrkB über DRD2 hin. Insgesamt scheint Dopamin entgegengesetzte Plastizitätsmodi in striatalen MSNs auszulösen, indem es auf die TrkB-Oberflächenexpression in DRD1- und DRD2-exprimierenden MSNs einwirkt. Diese Oberflächenexpression des Rezeptors ist entscheidend für die Bindung von BDNF, welches aus kortiko-striatalen Afferenzen freigesetzt wird. Dies führt zur Induktion von TrkB-vermittelten-Signaltransduktionskaskaden und Langzeitpotenzierung (LTP). Daher könnte die dopamin-vermittelte Translokalisation von TrkB das Gleichgewicht zwischen dopaminergen und glutamatergen Signalen modulieren, um die synaptische Plastizität in einer räumlich-zeitlich abgestimmten Weise zu ermöglichen. Diese Information und die Tatsache, dass TrkB bei PD stabile Aggregate bildet, könnte dazu beitragen, unser Verständnis der willkürlichen Bewegungskontrolle zu verbessern und neue therapeutische Strategien zu entwickeln, die über jene hinausgehen, welche sich auf die dopaminerge Versorgung konzentrieren.
KW  - Brain-derived neurotrophic factor
KW  - Parkinson Krankheit
KW  - Plastizität
KW  - Motorisches Lernen
KW  - Basalganglien
KW  - Brain-derived neurotrophic factor
KW  - TrkB
KW  - Basal Ganglia
KW  - Motor learning
KW  - Parkinson's disease
KW  - Synaptic plasticity
KW  - Striatum
KW  - Medium spiny neurons
KW  - Cortico-striatal projection neurons
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-174317
ER  - 
TY  - THES
A1  - Aydinli, Muharrem
T1  - Software unterstützte Analyse von regulatorischen Elementen in Promotoren mittels AIModules
T1  - Software backed Analysis of regulatory Elements of Promoters with AIModules
N2  - Die Regulation der Genexpression steht am Anfang vieler zellbiologischer Prozesse wie beispielsweise dem Zellwachstum oder der Differenzierung. Gene werden an Promotoren transkribiert, wobei ein Promotor selbst aus vielen logischen Einheiten aufgebaut ist, den Transkriptionsfaktorbindestellen (TFBSs). Diese können sehr nah beieinander liegen, aber auch weit entfernt voneinander sein. Sie werden spezifisch von Transkriptionsfaktoren (TFs) gebunden, die die Transkritptionsrate z.B. verstärken (Enhancer) oder schwächen (Silencer) können. Zwei oder mehr dieser TFBSs mit bestimmtem Abstand werden als "Module" zusammengefasst, die über Spezies hinweg konserviert sein können. Typischerweise findet man Module in Zellen mit einem Zellkern. Spezies mit gemeinsamen Modulen können ein Hinweis auf die gemeinsame phylogenetische Abstammung darstellen, aber auch gemeinsame Funktionsmechanismen von TFs über Gene hinweg aufdecken. Heutzutage sind verschiedene Anwendungen verfügbar, mit denen nach TFBSs in DNA gesucht werden kann. Zum Zeitpunkt des Verfassens dieser Arbeit sind aber nur zwei kommerzielle Produkte bekannt, die nicht nur TFBSs, sondern auch Module erkennen. Deshalb stellen wir hier die freie und quelloffene Lösung "AIModules" vor, die diese Lücke füllt und einen Webservice zur Verfügung stellt, der es erlaubt nach TFBSs sowie nach Modulen auf DNA- und auf RNA-Abschnitten zu suchen. Für die Motivesuche werden entweder Matrizen aus der Jaspar Datenbank oder Matrizen vom Anwender verwendet. Darüberhinaus zeigen wir, dass unser Tool für die TF Suche nur Sekunden benötigt, wohingegen conTraV3 mindestens eine Stunde für dieselbe Analyse braucht. Zusätzlich kann der Anwender bei unserem Tool den Grad der Konserviertheit für TFs mit angeben und wir zeigen, dass wir mit unserer Lösung, die die Jaspar Datenbank heranzieht, mehr Module finden, als ein kommerziell verfügbares Produkt. Weiterhin kann mit unserer Lösung auch auf RNA-Sequenzen nach regulatorischen Motiven gesucht werden, wenn der Anwender die dafür nötigen Matrizen liefert. Wir zeigen dies am Beispiel von Polyadenylierungsstellen. Zusammenfassend stellen wir ein Werkzeug vor, das erstens frei und quelloffen ist und zweitens entweder auf Servern veröffentlicht werden kann oder On-Site auf einem Notebook läuft. Unser Tool erlaubt es Promotoren zu analysieren und nach konservierten Modulen sowie TFBSs in Genfamilien sowie nach regulatorischen Elementen in mRNA wie z.B. Polyadenylierungsstellen oder andere regulatorische Elemente wie beispielsweise Enhancern oder Silencern in genomischer DNA zu suchen.
N2  - Regulation of gene expression is at the root of many processes in cellular biology such as cell growth and differentiation. Promotors are the starting points for the transcription of a gene.
	The promotor itself consists of transcription factor binding sites (TFBSs) which can be closely located or vastly apart. They are recognized and bound by transcription factors (TFs) which themselves can e.g. enhance or silence the transcribing process by the RNA polymerases. Two or more of those transcription factor binding sites within a certain range are called a "module". Typically, those are found in cells with a nucleus and they may be conserved throughout species. The knowledge of modules may indicate a phylogenetic relationship among species but may also provide insight into the concerted actions of TFs on different genes. Currently there are a number of tools available that can enable a user to find TFBSs on DNA. But at the time of assembling this thesis, there are only two commercial software products available, that can not only detect TFs but also modules. Therefore, we present a free and open source solution that fills this gap by providing a web service that searches for TFBSs and modules on DNA as well as RNA stretches, called "AIModules". For that, matrices from the Jaspar database or user input matrices are used for motif discovery. Additionally, we show that our tool does TF analysis in seconds, whereas tools like conTraV3 took at least an hour. Furthermore, for the module search the user can specify  the degree of conservation of the TFs. We show that with our solution using the JASPAR database we find more modules than a commercially available tool. Moreover, with our application RNA stretches can also be searched for regulatory motifs if suitable matrices are provided. We illustrate this for polyadenylation sites. Thus, our solution is free and open source, and can be deployed on servers as well as provided on-site on a notebook. We provide a tool to analyze promotors and search for conserved modules as well as common TFBSs in gene families, search for regulatory elements in mRNA such as polyadenylation sites or other regulatory elements such as enhancers or silencers in genomic DNA.
KW  - Genregulation
KW  - Promotor <Genetik>
KW  - Transkriptionsfaktor
KW  - Modulsuche
KW  - RNA Motivsuche
KW  - Modul
KW  - Module search
KW  - RNA motiv serach
KW  - module search
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-248025
ER  - 
TY  - THES
A1  - Maistrenko, Oleksandr
T1  - Pangenome analysis of bacteria and its application in metagenomics
T1  - Bakterielle Pan-Genome und ihre Anwendungen in der Metagenomik
N2  - The biosphere harbors a large quantity and diversity of microbial organisms that can thrive in all environments. Estimates of the total number of microbial species reach up to 1012, of which less than 15,000 have been characterized to date. It has been challenging to delineate phenotypically, evolutionary and ecologically meaningful lineages such as for example, species, subspecies and strains. Even within recognized species, gene content can vary considerably between sublineages (for example strains), a problem that can be addressed by analyzing pangenomes, defined as the non-redundant set of genes within a phylogenetic clade, as evolutionary units. 
Species considered to be ecologically and evolutionary coherent units, however to date it is still not fully understood what are primary habitats and ecological niches of many prokaryotic species and how environmental preferences drive their genomic diversity. Majority of comparative genomics studies focused on a single prokaryotic species in context of clinical relevance and ecology. With accumulation of sequencing data due to genomics and metagenomics, it is now possible to investigate trends across many species, which will facilitate understanding of pangenome evolution, species and subspecies delineation.
The major aims of this thesis were 1) to annotate habitat preferences of prokaryotic species and strains; 2) investigate to what extent these environmental preferences drive genomic diversity of prokaryotes and to what extent phylogenetic constraints limit this diversification; 3) explore natural nucleotide identity thresholds to delineate species in bacteria in metagenomics gene catalogs; 4) explore species delineation for applications in subspecies and strain delineation in metagenomics.
The first part of the thesis describes methods to infer environmental preferences of microbial species. This data is a prerequisite for the analyses performed in the second part of the thesis which explores how the structure of bacterial pangenomes is predetermined by past evolutionary history and how is it linked to environmental preferences of the species. The main finding in this subchapter that habitat preferences explained up to 49% of the variance for pangenome structure, compared to 18% by phylogenetic inertia. In general, this trend indicates that phylogenetic inertia does not limit evolution of pangenome size and diversity, but that convergent evolution may overcome phylogenetic constraints. In this project we show that core genome size is associated with higher environmental ubiquity of species. It is likely this is due to the fact that species need to have more versatile genomes and most necessary genes need to be present in majority of genomes of that species to be highly prevalent. Taken together these findings may be useful for future predictive analyses of ecological niches in newly discovered species.
The third part of the thesis explores data-driven, operational species boundaries. I show that homologous genes from the same species from different genomes tend to share at least 95% of nucleotide identity, while different species within the same genus have lower nucleotide identity. This is in line with other studies showing that genome-wide natural species boundary might be in range of 90-95% of nucleotide identity. Finally, the fourth part of the thesis discusses how challenges in species delineation are relevant for the identification of meaningful within-species groups, followed by a discussion on how advancements in species delineation can be applied for classification of within-species genomic diversity in the age of metagenomics.
N2  - Die Biosphäre beherbergt eine große Zahl verschiedener Mikroorganismen, die fast alle bekannten Lebensräume besiedeln können. Die Gesamtzahl mikrobieller Spezies liegt Schätzungen zu Folge bei bis zu 1012, von denen jedoch bis heute erst 15.000 beschrieben worden sind. Die Beschreibung von phänotypisch, evolutionsbiologisch und ökologisch kohärenten Spezies, Sub-Spezies oder Stämmen stellt Forscher vor konzeptionelle Herausforderungen. Selbst innerhalb anerkannter Spezies kann die Kombination einzelner Gene oft stark variieren. Diese Beobachtung ist die Grundlage der Analyse von Pan-Genomen. also der Konstellation originärer Gene innerhalb einer Abstammunsglinie, als evolutionsbiologische Einheiten.
Spezies entsprechen prinzipiell ökologisch und evolutionär kohärenten Einheiten, jedoch sind die primären Habitate und ökologischen Nischen vieler prokaryotischer Spezies bis heute nur unzureichend beschrieben, insbesondere mit Blick auf den Einfluss ökologischer Präferenzen auf die Evolution von Genomen. Die Mehrheit vergleichender genomischer Studien untersucht einzelne prokaryotische Spezies mit Bezug auf deren klinische oder ökologische Relevanz. Aufgrund der wachsenden Verfügbarkeit genomischer Daten ist es nun jedoch möglich, vergleichende Studien über Speziesgrenzen hinweg durchzuführen, um allgemeine Prinzipien der Evolution von Pan-Genomen, Spezies und Sub-Spezies zu untersuchen.
Die wesentlichen Ziele der vorliegenden Arbeit waren 1) die Annotation von Habitatpräferenzen prokaryotischer Spezies und Stämme; 2) die Quantifizierung des Einflusses von Umwelt und Evolutionsgeschichte (Phylogenie) auf die genomische Diversität von Prokaryoten; 3) die Bestimmung natürlicher Schwellenwerte der Genomsequenzähnlichkeit zwischen Spezies, auch anhand von Genkatalogen; 4) die Untersuchung der Abgrenzung zwischen Spezies, Sub-Spezies und Stämmen mithilfe metagenomischer Daten.
Im ersten Teil der Arbeit werden Methoden zur Bestimmung ökologischer Präferenzen mikrobieller Spezies beschrieben. Die so gewonnenen Daten dienen in der Folge als Grundlage für die Quantifizierung von Umwelt- und evolutionsgeschichtlichen Einflüssen auf die Struktur und Evolution bakterieller Pan-Genome im zweiten Teil der Arbeit. Ein zentrales Ergebnis dieser Untersuchung war, dass bis zu 49% der strukturellen Varianz in Pan-Genomen durch Habitatpräferenzen erklärt werden kann, im Gegensatz zu lediglich 18% durch phylogenetische Trägheitseffekte. Dies zeigt, dass die Größe und Diversität von Pan-Genomen nicht phylogenetisch limitiert ist, insbesondere in Fällen von konvergenter Evolution. Große Kern-Genome sind ferner mit einer weiten ökologischen Verbreitung von Spezies assoziiert; eine mögliche Erklärung ist, dass weit verbreitete Spezies vielseitigere Genome mit mehr notwendigen Genen besitzen, die ein Überleben in vielfältigen Umgebungen ermöglichen. Die vorgelegte Arbeit kann weiterhin einen Beitrag zur Vorhersage ökologischer Profile neu beschriebener Spezies leisten.
Im dritten Teil der Arbeit werden datenbezogene, operationelle Definition von Spezies-Grenzen untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass Gene verschiedener Genome innerhalb derselben Spezies normalerweise mindestens 95% Ähnlichkeit der Nukleotidsequenz aufweisen, während die Ähnlichkeit zwischen Spezies desselben Genus geringer ausfällt. Dieser Wert liegt im Rahmen früherer Schätzungen. Der vierte Teil der Arbeit beschreibt abschließend die Herausforderungen bei der Bestimmung von evolutionären Linien innerhalb von Spezies und diskutiert anschließend, wie konzeptionelle Entwicklungen in dieser Frage für die Klassifizierung und Quantifizierung von Diversität anhand metagenomischer Daten genutzt werden kann.
KW  - Pangenom
KW  - phylogenetische Trägheit
KW  - Lebensraum
KW  - Stammvielfalt
KW  - mikrobielle Ökologie und Evolution
KW  - pangenome
KW  - phylogenetic inertia
KW  - habitat
KW  - strain diversity
KW  - microbial ecology and evolution
KW  - metagenomics
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-214996
ER  - 
TY  - THES
A1  - Solger, Franziska
T1  - Central role of sphingolipids on the intracellular survival of \(Neisseria\) \(gonorrhoeae\) in epithelial cells
T1  - Die zentrale Rolle von Sphingolipiden auf das intrazelluläre Überleben von \(Neisseria\) \(gonorrhoeae\) in Epithelzellen
N2  - Neisseria gonorrhoeae are Gram-negative bacteria with diplococcal shape. As an obligate human pathogen, it is the causative agent of gonorrhoea, a sexually transmitted disease. Gonococci colonize a variety of mucosal tissues, mainly the urogenital tract in men and women. Occasionally N. gonorrhoeae invades the bloodstream, leading to disseminated gonococcal infection. These bacteria possess a repertoire of virulence factors, which expression patterns can be adapted to the environmental conditions of the host. Through the accumulation of antibiotic resistances and in absence of vaccines, some neisserial strains have the potential to spread globally and represent a major public health threat. Therefore, it is necessary to understand the exact molecular mechanisms underlying the successful infection and progression of gonococci within their host. This deeper understanding of neisserial infection and survival mechanisms is needed for the development of new therapeutic agents. 
In this work, the role of host-cell sphingolipids on the intracellular survival of N. gonorrhoeae was investigated. It was shown that different classes of sphingolipids strongly interact with invasive gonococci in epithelial cells. Therefore, novel and highly specific clickable sphingolipid analogues were applied to study these interactions with this pathogen. The formation of intra- and extracellular sphingosine vesicles, which were able to target gonococci, was observed. This direct interaction led to the uptake and incorporation of sphingosine into the neisserial membrane. Together with in vitro results, sphingosine was identified as a potential bactericidal reagent as part of the host cell defence. By using different classes of sphingolipids and their clickable analogues, essential structural features, which seem to trigger the bacterial uptake, were detected. Furthermore, effects of key enzymes of the sphingolipid signalling pathway were tested in a neutrophil infection model.
In conclusion, the combination of click chemistry and infection biology made it possible to shed some light on the dynamic interplay between cellular sphingosine and N. gonorrhoeae. Thereby, a possible “catch-and-kill” mechanism could have been observed.
N2  - Neisseria gonorrhoeae ist ein Gram-negatives Bakterium, welches als Diplokokke vorkommt. Als ein ausschließliches Humanpathogen sind Neisserien der Erreger für die sexuell übertragbare Infektionskrankheit Gonorrhö. Gonokokken besiedeln eine Vielzahl von Schleimhäuten, jedoch hauptsächlich den Urogenitaltrakt bei Männern und Frauen. Gelegentlich kann N. gonorrhoeae in die Blutbahn invadieren, was zu einer disseminierten Infektion führen kann. Diese Bakterien verfügen über ein Repertoire an Virulenzfaktoren, deren Expressionskombination den Umgebungsbedingungen des Wirts angepasst werden können. Durch die Anhäufung von Antibiotikaresistenzen und durch das Fehlen eines Impfstoffes, besteht die Gefahr, dass spezielle Neisserienstämme sich weltweit verbreiten und daher eine ernstzunehmende Bedrohung des Menschen sind. Daher ist es notwendig die zugrundeliegenden molekularen Mechanismen der erfolgreichen Infektion und Ausbreitung der Gonokokken im Wirt genauestens zu verstehen. Das detaillierte Wissen über die Neisserieninfektion und Überlebensmechanismen ist nötig für die Entwicklung neuer Therapieansätze. 
In dieser Arbeit wurde der Effekt von Sphingolipiden der Wirtszelle auf das intrazelluläre Überleben von N. gonorrhoeae untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass unterschiedliche Klassen von Sphingolipiden stark mit invasiven Gonokokken in Epithelzellen interagieren. Um dies zu tun, wurden neue und hochspezifische clickbare Sphingolipidanaloge eingesetzt, um deren Interaktionen mit diesem Pathogen zu studieren. Die Formation von intra- als auch extrazellulären Sphingosinvesikeln, welche Gonokokken gezielt erreichten, konnte beobachtet werden. Diese direkte Interaktion führte zu einer Aufnahme und Einbau des Sphingosins in die Neisserienmembran. Zusammen mit in vitro Ergebnissen, konnte Sphingosin als potenzieller und antibakterieller Bestandteil des zellulären Abwehrsystems identifiziert werden. Weiterhin wurde durch die Verwendung unterschiedlicher Sphingolipidklassen und deren clickbaren Analoge wichtige Strukturen erkannt, die die bakterielle Aufnahme auslösen. Des Weiteren wurden die Auswirkungen von Schlüsselenzymen des Sphingolipidsignalwegs in einem Infektionsmodell mit Neutrophilen getestet. 
Abschließend ist zu sagen, dass die Kombination aus Click Chemie und Infektionsbiologie es ermöglicht hat, die dynamischen Wechselwirkungen zwischen zellulären Sphingosin und N. gonorrhoeae zu beleuchten. Dadurch konnte ein möglicher „catch-and-kill”-Mechanismus entdeckt werden.
KW  - Neisseria gonorrhoeae
KW  - Sphingosinkinase
KW  - Sphingosinanaloga
KW  - Click-Chemie
KW  - sphingosine
KW  - sphingolipids
KW  - Neisseria
KW  - intracellular
KW  - vesicles
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-247534
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kehrberger, Sandra
T1  - Effects of climate warming on the timing of flowering and emergence in a tritrophic relationship: plants - bees - parasitoids
T1  - Auswirkungen der Klimaerwärmung auf die zeitliche Regulierung der Blüte und des Schlupfes in einer tritrophischen Beziehung: Pflanzen - Bienen - Parasitoide
N2  - The right timing of phenological events is crucial for species fitness. Species should be highly synchronized with mutualists, but desynchronized with antagonists. With climate warming phenological events advance in many species. However, often species do not respond uniformly to warming temperatures. Species-specific responses to climate warming can lead to asynchrony or even temporal mismatch of interacting species. A temporal mismatch between mutualists, which benefit from each other, can have negative consequences for both interaction partners. For host-parasitoid interactions temporal asynchrony can benefit the host species, if it can temporally escape its parasitoid, with negative consequences for the parasitoid species, but benefit the parasitoid species if it increases synchrony with its host, which can negatively affect the host species. Knowledge about the drivers of phenology and the species-specific responses to these drivers are important to predict future effects of climate change on trophic interactions. In this dissertation I investigated how different drivers act on early flowering phenology and how climate warming affects the tritrophic relationship of two spring bees (Osmia cornuta & Osmia bicornis), an early spring plant (Pulsatilla vulgaris), which is one of the major food plants of the spring bees, and three main parasitoids of the spring bees (Cacoxenus indagator, Anthrax anthrax, Monodontomerus). 
In Chapter II I present a study in which I investigated how different drivers and their change over the season affect the reproductive success of an early spring plant. For that I recorded on eight calcareous grasslands around Würzburg, Germany the intra-seasonal changes in pollinator availability, number of co-flowering plants and weather conditions and studied how they affect flower visitation rates, floral longevity and seed set of the early spring plant P. vulgaris. I show that bee abundances and the number of hours, which allowed pollinator foraging, were low at the beginning of the season, but increased over time. However, flower visitation rates and estimated total number of bee visits were higher on early flowers of P. vulgaris than later flowers. Flower visitation rates were also positively related to seed set. Over time and with increasing competition for pollinators by increasing numbers of co-flowering plants flower visitation rates decreased. My data shows that a major driver for early flowering dates seems to be low interspecific competition for pollinators, but not low pollinator abundances and unfavourable weather conditions. 
Chapter III presents a study in which I investigated the effects of temperature on solitary bee emergence and on the flowering of their food plant and of co-flowering plants in the field. Therefore I placed bee cocoons of two spring bees (O. cornuta & O. bicornis) on eleven calcareous grasslands which differed in mean site temperature. On seven of these grasslands the early spring plant P. vulgaris occurred. I show that warmer temperatures advanced mean emergence in O. cornuta males. However, O. bicornis males and females of both species did not shift their emergence. Compared to the bees P. vulgaris advanced its flowering phenology more strongly with warmer temperatures. Co-flowering plants did not shift flowering onset. I suggest that with climate warming the first flowers of P. vulgaris face an increased risk of pollinator limitation whereas for bees a shift in floral resources may occur.
In Chapter IV I present a study in which I investigated the effects of climate warming on host-parasitoid relationships. I studied how temperature and photoperiod affect emergence phenology in two spring bees (O. cornuta & O. bicornis) and three of their main parasitoids (C. indagator, A. anthrax, Monodontomerus). In a climate chamber experiment with a crossed design I exposed cocoons within nest cavities and cocoons outside of nest cavities to two different temperature regimes (long-term mean of Würzburg, Germany and long-term mean of Würzburg + 4 °C) and three photoperiods (Würzburg vs. Snåsa, Norway vs. constant darkness) and recorded the time of bee and parasitoid emergence. I show that warmer temperatures advanced emergence in all studied species, but bees advanced less strongly than parasitoids. Consequently, the time period between female bee emergence and parasitoid emergence decreased in the warm temperature treatment compared to the cold one. Photoperiod influenced the time of emergence only in cocoons outside of nest cavities (except O. bicornis male emergence). The data also shows that the effect of photoperiod compared to the effect of temperature on emergence phenology was much weaker. I suggest that with climate warming the synchrony of emergence phenologies of bees and their parasitoids will amplify. Therefore, parasitism rates in solitary bees might increase which can negatively affect reproductive success and population size. 
In this dissertation I show that for early flowering spring plants low interspecific competition for pollinators with co-flowering plants is a major driver of flowering phenology, whereas other drivers, like low pollinator abundances and unfavourable weather conditions are only of minor importance. With climate warming the strength of different drivers, which act on the timing of phenological events, can change, like temperature. I show that warmer temperatures advance early spring plant flowering more strongly than bee emergence and flowering phenology of later co-flowering plants. Furthermore, I show that warmer temperatures advance parasitoid emergence more strongly than bee emergence. Whereas temperature changes can lead to non-uniform temporal shifts, I demonstrate that geographic range shifts and with that altered photoperiods will not change emergence phenology in bees and their parasitoids. In the tritrophic system I investigated in this dissertation climate warming may negatively affect the reproductive success of the early spring plant and the spring bees but not of the parasitoids, which may even benefit from warming temperatures.
N2  - Der richtige Zeitpunkt von phänologischen Ereignissen ist maßgeblich für das Überleben und die Fortpflanzung einer Art. Arten sollten eine möglichst hohe Synchronisation mit Mutualisten aufweisen, aber eine möglichst geringe mit Antagonisten. Die Klimaerwärmung führt dazu, dass sich bei vielen Arten phänologische Ereignisse verfrühen. Allerdings reagieren Arten unterschiedlich auf wärmere Temperaturen. Artspezifische Reaktionen auf die Klimaerwärmung können zu Asynchronität oder sogar zu zeitlicher Diskrepanz bei interagierenden Arten führen. Eine zeitliche Diskrepanz zwischen Mutualisten, die voneinander profitieren, kann sich negativ auf beide Interaktionspartner auswirken. Bei Wirt-Parasitoid Beziehungen kann der Wirt von einer zeitlichen Diskrepanz profitieren, wenn er seinem Parasitoid zeitlich entfliehen kann, was wiederum negative Folgen für den Parasitoid haben kann. Jedoch kann der Parasitoid profitieren, wenn er die Synchronisation mit seinem Wirt erhöhen kann, was wiederum den Wirt negativ beeinflussen kann. Das Wissen über die Treiber von phänologischen Ereignissen und die artspezifischen Reaktionen auf diese Treiber sind von Bedeutung um die Auswirkungen des Klimawandels auf trophische Beziehungen vorherzusagen. In meiner Doktorarbeit habe ich untersucht, wie verschiedene Treiber mit einer frühen Blüte zusammenhängen und wie der Klimawandel die tritrophische Beziehung von zwei Frühlingsbienen (Osmia cornuta & Osmia bicornis), einer Frühlingspflanzenart (Pulsatilla vulgaris), die eine der wichtigen Futterpflanzen der Bienen ist, und der drei Hauptparasitoiden der Frühlingsbienen (Cacoxenus indagator, Anthrax anthrax, Monodontomerus) beeinflusst.
In Kapitel II präsentiere ich eine Studie, in der ich den Einfluss verschiedener Treiber und ihre saisonale Veränderung auf den Fortpflanzungserfolg einer Frühlingspflanzenart untersucht habe. Dazu habe ich auf acht Kalkmagerrasen bei Würzburg (Deutschland) die innersaisonalen Veränderungen der Bestäuberverfügbarkeit, der Anzahl an gleichzeitig blühenden Pflanzenarten und die Wetterbedingungen aufgezeichnet. Des Weiteren habe ich erforscht wie diese Faktoren die Blütenbesuchsrate, die Blütenlanglebigkeit und den Samenansatz der Frühlingspflanze P. vulgaris beeinflussen. Ich konnte zeigen, dass die Anzahl an Bienen und die Anzahl an Stunden, die ein Furagieren von Bestäubern ermöglicht hätten, am Anfang der Saison niedrig waren und mit der Zeit zunahmen. Jedoch war die Blütenbesuchsrate und die geschätzte Anzahl an Bienenbesuchen höher bei frühen als bei späten P. vulgaris Blüten. Die Blütenbesuchsrate wirkte sich auch positiv auf den Samenansatz aus. Die Blütenbesuchsrate nahm mit der Zeit und mit zunehmender Konkurrenz um Bestäuber durch eine zunehmende Anzahl an gleichzeitig blühenden Pflanzenarten ab. Meine Daten zeigen, dass ein Hauptreiber von frühen Blühzeitpunkten die geringe zwischenartliche Konkurrenz um Bestäuber ist, aber nicht die niedrige Bestäuberanzahl und ungünstige Wetterbedingungen. 
Kapitel III präsentiert eine Studie, in welcher ich die Auswirkungen der Temperatur auf den Schlupf von Solitärbienen und die Blüte ihrer Futterpflanzen und gleichzeitig blühenden Pflanzen im Freiland untersucht habe. Dafür habe ich Bienenkokons von zwei Frühlingsbienen (O. cornuta & O. bicornis) auf elf Kalkmagerrasen, die sich in der mittleren Flächentemperatur unterschieden, platziert. Auf sieben dieser Kalkmagerrasen kam die Frühlingspflanzenart P. vulgaris vor. Ich konnte zeigen, dass wärmere Temperaturen den mittleren Schlupf von O. cornuta Männchen verfrühen. Die Männchen von O. bicornis und die Weibchen beider Arten haben ihren Schlupfzeitpunkt jedoch nicht verschoben. Im Vergleich zu den Bienen verfrühte P. vulgaris seine Blühphänologie bei warmen Temperaturen stärker. Die gleichzeitig blühenden Pflanzenarten verschoben ihren Blühbeginn nicht. Die Daten zeigen, dass wärmere Temperaturen den Bienenschlupf weniger stark verfrühen als die Blüte ihrer Futterpflanze. Das lässt darauf schließen, dass mit dem Klimawandel die ersten Blüten von P. vulgaris ein erhöhtes Risiko haben nicht bestäubt zu werden, während die Bienen möglicherweise auf andere Blühressourcen ausweichen müssen. 
Kapitel IV beschreibt eine Studie, in welcher ich die Auswirkungen der Klimaerwärmung auf Wirt-Parasitoid Beziehungen untersucht habe. Dabei habe ich die Auswirkungen von Temperatur und Photoperiode auf die Schlupfphänologie zweier Frühlingsbienen (O. cornuta & O. bicornis) und drei ihrer Hauptparasitoide (C. indagator, A. anthrax, Monodontomerus) erforscht. In einem Klimakammerexperiment mit gekreuztem Design habe ich Kokons in Nesthöhlen und Kokons außerhalb von Nesthöhlen, zwei verschiedenen Temperaturregimen (Langzeitmittel von Würzburg, Deutschland und Langzeitmittel von Würzburg + 4 °C) und drei Photoperioden (Würzburg, Deutschland contra Snåsa, Norwegen contra Dauerdunkel) ausgesetzt und die Zeitpunkte des Bienen- und Parasitoidenschlupfes aufgezeichnet. Ich konnte zeigen, dass warme Temperaturen in allen untersuchten Arten den Schlupfzeitpunkt verfrühten, jedoch bei den Bienen weniger stark als bei den Parasitoiden. Eine Folge daraus ist, dass sich die Zeitspanne zwischen dem Schlupf der Bienenweibchen und dem Schlupf der Parasitoide im warmen Temperaturregime im Vergleich zum kalten verkürzte. Die Photoperiode hatte auf den Zeitpunkt des Schlupfes nur in Kokons außerhalb von Nisthöhlen einen Effekt (außer beim Schlupf von O. bicornis Männchen). Die Daten zeigen auch, dass der Effekt der Photoperiode auf die Schlupfphänologie im Vergleich zu dem Effekt der Temperatur viel schwächer war. Daraus schließe ich, dass sich im Zuge der Klimaerwärmung die Synchronisation der Schlupfphänologien von Bienen und ihren Parasitoiden verstärken wird. Eine Folge davon könnten erhöhte Parasitierungsraten bei Solitärbienen sein, welche den Reproduktionserfolg und die Populationsgröße negativ beeinflussen können.
In dieser Doktorarbeit habe ich gezeigt, dass einer der Haupttreiber einer frühen Blüte bei Frühlingspflanzen geringe zwischenartliche Konkurrenz um Bestäuber mit später gleichzeitig blühenden Pflanzenarten ist, während andere Treiber, wie geringe Bestäuberabundanzen und ungünstige Wetterbedingungen nur von geringer Bedeutung sind. Im Zuge des Klimawandels könnte sich die Stärke verschiedener Treiber, die den Zeitpunkt von phänologischen Ereignissen beeinflussen, verändern. Ich konnte außerdem zeigen, dass wärmere Temperaturen die Blüte von frühen Frühlingspflanzen stärker verfrühen, als den Schlupf von Bienen und die Blüte von später gleichzeitig blühenden Pflanzenarten. Des Weiteren zeigte ich, dass wärmere Temperaturen den Schlupf von Parasitoiden stärker verfrühen als den Schlupf der Bienen. Ich konnte zeigen, dass während Temperaturveränderungen zu verschieden starken zeitlichen Verschiebungen führen können, Verschiebungen von geografischen Verbreitungsgebieten und damit geänderten Photoperioden die Schlupfphänologie von Bienen und ihren Parasitoiden wahrscheinlich nicht ändern werden. In dem tritrophischen System, das ich in dieser Doktorarbeit untersucht habe, könnte die Erwärmung des Klimas den Fortpflanzungserfolg der frühen Frühlingspflanze und der Frühlingsbienen negativ beeinflussen, aber wahrscheinlich nicht die der Parasitoide, die vielleicht sogar davon profitieren können.
KW  - Biene <Gattung>
KW  - Klimaänderung
KW  - Interaktion
KW  - Parasitoid
KW  - Pflanzen
KW  - Klimaerwärmung
KW  - Mutualismus
KW  - Antagonismus
KW  - Synchronisation
KW  - Phänologie
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-213932
ER  - 
TY  - THES
A1  - Groma, Michaela
T1  - Identification of a novel LysR-type transcriptional regulator in \(Staphylococcus\) \(aureus\)
T1  - Identifizierung eines neuen Transkriptionsregulators vom LysR-Typ in \(Staphylococcus\) \(aureus\)
N2  - Staphylococcus aureus is a facultative pathogen which causes a variety of infections. The treatment of staphylococcal infections is complicated because the bacteria is resistant to multiple common antibiotics. S. aureus is also known to express a variety of virulence factors which modulate the host’s immune response in order to colonize and invade certain host cells, leading to the host cell’s death. Among the virulence factors is a LysR-type transcriptional regulator (lttr) which is required for efficient colonization of secondary organs. In a recent report, which used transposon screening on S. aureus-infected mice, it was found that the amount of a novel lttr852 mutant bacteria recovered from the kidneys was significantly lower compared to the wildtype strains.
This doctoral thesis therefore focused on phenotypical and molecular characterization of lttr852. An assessment of the S. aureus biofilm formation and the hemolysis revealed that lttr852 was not involved in the regulation of these virulence processes. RNA-sequencing for potential target genes of lttr852 identified differentially expressed genes that are involved in branched chain amino-acid biosynthesis, methionine sulfoxide reductase and copper transport, as well as a reduced transcription of genes encoding urease and of components of pyrimidine nucleotides. Promoter fusion with GFP reporters as as well as OmniLog were used to identify conditions under which the lttr852 was active. The promoter studies showed that glucose and high temperatures diminish the lttr852 promoter activity in a time-dependent manner, while micro-aerobic conditions enhanced the promoter activity. Copper was found to be a limiting factor. In addition, the impact on promoter activity of the lttr852 was tested in the presence of various regulators, but no central link to the genes involved in virulence was identified. 
The present work, thus, showed that lttr852, a new member of the class of LysR-type transcriptional regulators in S. aureus, has an important role in the rapid adaptation of S. aureus to the changing microenvironment of the host.
N2  - Staphylococcus aureus ist ein fakultativer Erreger, der eine Vielzahl von Infektionen verursacht. Die Behandlung von Staphylokokken-Infektionen ist aufgrund des Auftretens einer Resistenz gegen mehrere gängige Antibiotika kompliziert. Es ist bekannt, dass S. aureus eine Vielzahl von Virulenzfaktoren exprimiert, um die Immunantwort des Wirts zu umgehen, und so in bestimmte Wirtszellen einzudringen und diese zu kolonisieren, was zum Tod von Wirtszellen führen kann. Unter den Virulenzfaktoren befindet sich ein Transkriptions-regulator vom LysR-Typ (lttr), der für eine effiziente Besiedlung von Sekundärorganen erforderlich ist. In einem kürzlich durchgeführten Transposon-Screen, bei dem Mäuse mit S. aureus infiziert wurden, wurde ein neuartiger lttr, der lttr852 identifiziert, bei dem aus den Nieren gewonnenen Bakterien signifikant dezimiert waren.
Diese Doktorarbeit befasste sich mit der phänotypischen und molekularen Charakterisierung von lttr852. Die Auswertung der Biofilmbildung und der Hämolyse von S. aureus ergab, dass lttr852 nicht an der Regulation dieser Virulenzprozesse beteiligt war. Die RNA-Sequenzierung für potenzielle Zielgene von lttr852 identifizierte sowohl eine erhöhte Expression von Genen, die in der Aminosäuren-Biosynthese, Methionin-Sulfoxid-Reduktase und dem Kupfertransport involviert sind, als auch eine verringerte Transkription von codierenden Genen der Urease und Komponenten der Pyrimidin Nukleotide. Die Promotorfusion mit dem GFP-Reporter sowie das OmniLog System wurden verwendet, um Bedingungen zu identifizieren unter denen das lttr852 aktiv ist. Die Promotorstudien ergaben, dass die Anwesenheit von Glucose und eine erhöhte Temperatur die Promotoraktivität von lttr852 zeitabhängig herabsetzt, wobei die Aktivität durch mikroaerobe Bedingungen begünstigt wird. Kupfer wurde als limitierender Faktor identifiziert. Außerdem wurde der Einfluss diverser Regulatoren auf die transkriptionelle Regulation von lttr852 kontrolliert, jedoch keine zentrale Rolle in der Regulation von Virulenzgenen zugewiesen. 
Damit konnte innerhalb der vorliegenden Arbeit gezeigt werden, dass lttr852, ein neues Mitglied  der Klasse der LysR-Typ Transkriptionsregulatoren in S. aureus, eine wichtige Rolle in der schnellen Adaption von S. aureus an die wechselnde Mikroumgebungen des Wirts hat.
KW  - Staphylococcus aureus
KW  - transcriptional regulation
KW  - metabolic adaptation
KW  - secondary site infection
KW  - LysR-type
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-246757
ER  - 
TY  - THES
A1  - Markert, Sebastian Matthias
T1  - Enriching the understanding of synaptic architecture from single synapses to networks with advanced imaging techniques
T1  - Vertiefung des Verständnisses synaptischer Architektur von der einzelnen Synapse bis zum Netzwerk mit modernsten bildgebenden Verfahren
N2  - Because of its complexity and intricacy, studying the nervous system is often challenging. Fortunately, the small nematode roundworm Caenorhabditis elegans is well established as a model system for basic neurobiological research. The C. elegans model is also the only organism with a supposedly complete connectome, an organism-wide map of synaptic connectivity resolved by electron microscopy, which provides some understanding of how the nervous system works as a whole. However, the number of available data-sets is small and the connectome contains errors and gaps. One example of this concerns electrical synapses. Electrical synapses are formed by gap junctions and difficult to map due to their often ambiguous morphology in electron micrographs, leading to misclassification or omission. On the other hand, chemical synapses are more easily mapped, but many aspects of their mode of operation remain elusive and their role in the C. elegans connectome is oversimplified. A comprehensive understanding of signal transduction of neurons between each other and other cells will be indispensable for a comprehensive understanding of the nervous system. In this thesis, I approach these challenges with a combination of advanced light and electron microscopy techniques.
First, this thesis describes a strategy to increase synaptic specificity in connectomics. Specifically, I classify gap junctions with a high degree of confidence. To achieve this, I utilized array tomography (AT). In this thesis, AT is adapted for high-pressure freezing to optimize for structure preservation and for super-resolution light microscopy; in this manner, I aim to bridge the gap between light and electron microscopy resolutions. I call this adaptation super-resolution array tomography (srAT). The srAT approach made it possible to clearly identify and map gap junctions with high precision and accuracy. The results from this study showcased the feasibility of incorporating electrical synapses into connectomes in a systematic manner, and subsequent studies have used srAT for other models and questions.
As mentioned above, the C. elegans connectomic model suffers from a shortage of datasets. For most larval stages, including the special dauer larval stage, connectome data is completely missing up to now. To obtain the first partial connectome data-set of the C. elegans dauer larva, we used focused ion-beam scanning electron microscopy (FIB-SEM). This technique offers an excellent axial resolution and is useful for acquiring large volumes for connectomics. Together with our collaborators, I acquired several data-sets which enable the analysis of dauer stage-specific “re-wiring” of the nervous system and thus offer valuable insights into connectome plasticity/variability.
While chemical synapses are easy to map relative to electrical synapses, signal transduction via chemical transmitters requires a large number of different proteins and molecular processes acting in conjunction in a highly constricted space. Because of the small spatial scale of the synapse, investigating protein function requires very high resolution, which electron tomography provides. I analyzed electron tomograms of a worm-line with a mutant synaptic protein, the serine/threonine kinase SAD-1, and found remarkable alterations in several architectural features. My results confirm and re-contextualize previous findings and provide new insight into the functions of this protein at the chemical synapse.
Finally, I investigated the effectiveness of our methods on “malfunctioning,” synapses, using an amyotrophic lateral sclerosis (ALS) model. In the putative synaptopathy ALS, the mechanisms of motor neuron death are mostly unknown. However, mutations in the gene FUS (Fused in Sarcoma) are one known cause of the disease. The expression of the mutated human FUS in C. elegans was recently shown to produce an ALS-like phenotype in the worms, rendering C. elegans an attractive disease model for ALS. Together with our collaboration partners, I applied both srAT and electron tomography methods to “ALS worms” and found effects on vesicle docking. These findings help to explain electrophysiological recordings that revealed a decrease in frequency of mini excitatory synaptic currents, but not amplitudes, in ALS worms compared to controls. In addition, synaptic endosomes appeared larger and contained electron-dense filaments in our tomograms. These results substantiate the idea that mutated FUS impairs vesicle docking and also offer new insights into further molecular mechanisms of disease development in FUS-dependent ALS. Furthermore, we demonstrated the broader applicability of our methods by successfully using them on cultured mouse motor neurons.
Overall, using the C. elegans model and a combination of light and electron microscopy methods, this thesis helps to elucidate the structure and function of neuronal synapses, towards the aim of obtaining a comprehensive model of the nervous system.
N2  - Das Nervensystem ist ein definierendes Merkmal aller Tiere, unter anderem verantwortlich für Sinneswahrnehmung, Bewegung und „höhere“ Hirnfunktionen. Wegen dessen Komplexität und Feingliedrigkeit stellt das Erforschen des Nervensystems oft eine Herausforderung dar. Jedoch ist der kleine Fadenwurm Caenorhabditis elegans als Modellsystem für neurobiologische Grundlagenforschung gut etabliert. Erbesitzt eines der kleinsten und unveränderlichsten bekannten Nervensysteme. C.elegans ist auch das einzige Modell, für das ein annähernd vollständiges Konnektom vorliegt, eine durch Elektronenmikroskopie erstellte Karte der synaptischen Verbindungen eines gesamten Organismus, die Einblicke in die Funktionsweise des Nervensystems als Ganzes erlaubt. Allerdings ist die Anzahl der verfügbaren Datensätze gering und das Konnektom enthält Fehler und Lücken. Davon sind beispielsweise elektrische Synapsen betroffen. Elektrische Synapsen werden von Gap Junctions gebildet und sind auf Grund ihrer oft uneindeutigen Morphologie in elektronenmikroskopischen Aufnahmen schwierig zu kartieren, was dazu führt, dass einige falsch klassifiziert oder übersehen werden. Chemische Synapsen sind dagegen einfacher zu kartieren, aber viele Aspekte ihrer Funktionsweise sind schwer zu erfassen und ihre Rolle im Konnektom von C.elegans ist daher zu vereinfacht dargestellt. Ein umfassendes Verständnis der Signaltransduktion von Neuronen untereinander und zu anderen Zellen wird Voraussetzung für ein vollständiges Erfassen des Nervensystems sein. In der vorliegenden Arbeit gehe ich diese Herausforderungen mithilfe einer Kombination aus modernsten licht- und elektronenmikroskopischen Verfahren an. Zunächst beschreibt diese Arbeit eine Strategie, um die synaptische Spezifität in der Konnektomik zu erhöhen, indem ich Gap Junctions mit einem hohen Maß an Genauigkeit klassifiziere. Um dies zu erreichen, nutzte ich array tomography (AT), eine Technik, die Licht- und Elektronenmikrokopie miteinander korreliert. In dieser Arbeit wird AT adaptiert für Hochdruckgefrierung, um die Strukturerhaltung zu optimieren, sowie für ultrahochauflösende Lichtmikroskopie; so wird die Kluft zwischen den Auflösungsbereichen von Licht- und Elektronenmikroskopie überbrückt. Diese Adaption nenne ich super-resolution array tomography (srAT). Der srATAnsatz machte es möglich, Gap Junctions mit hoher Präzision und Genauigkeit klar zu identifizieren. Für diese Arbeit konzentrierte ich mich dabei auf Gap Junctions des retrovesikulären Ganglions von C.elegans. Die Ergebnisse dieser Studie veranschaulichen, wie es möglich wäre, elektrische Synapsen systematisch in Konnektome aufzunehmen. Nachfolgende Studien haben srAT auch auf andere Modelle und Fragestellungen angewandt ...
KW  - Caenorhabditis elegans
KW  - Synapse
KW  - Elektronenmikroskopie
KW  - Myatrophische Lateralsklerose
KW  - connectomics
KW  - focused ion-beam scanning electron microscopy
KW  - super-resolution array tomography
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-189935
ER  - 
TY  - THES
A1  - Gründl, Marco
T1  - Biochemical characterization of the MMB-Hippo crosstalk and its physiological relevance for heart development
T1  - Biochemische Charakterisierung des MMB-Hippo Signalweges und dessen physiologische Rolle in der Herzentwicklung
N2  - The Myb-MuvB (MMB) complex plays an essential role in the time-dependent transcriptional activation of mitotic genes. Recently, our laboratory identified a novel crosstalk between the MMB-complex and YAP, the transcriptional coactivator of the Hippo pathway, to coregulate a subset of mitotic genes (Pattschull et al., 2019). Several genetic studies have shown that the Hippo-YAP pathway is essential to drive cardiomyocyte proliferation during cardiac development (von Gise et al., 2012; Heallen et al., 2011; Xin et al., 2011). However, the exact mechanisms of how YAP activates proliferation of cardiomyocytes is not known. This doctoral thesis addresses the physiological role of the MMB-Hippo crosstalk within the heart and characterizes the YAP-B-MYB interaction with the overall aim to identify a potent inhibitor of YAP.
The results reported in this thesis indicate that complete loss of the MMB scaffold protein LIN9 in heart progenitor cells results in thinning of ventricular walls, reduced cardiomyocyte proliferation and early embryonic lethality. Moreover, genetic experiments using mice deficient in SAV1, a core component of the Hippo pathway, and LIN9-deficient mice revealed that the correct function of the MMB complex is critical for proliferation of cardiomyocytes due to Hippo-deficiency. Whole genome transcriptome profiling as well as genome wide binding studies identified a subset of Hippo-regulated cell cycle genes as direct targets of MMB. By proximity ligation assay (PLA), YAP and B-MYB were discovered to interact in embryonal cardiomyocytes. Biochemical approaches, such as co-immunoprecipitation assays, GST-pulldown assays, and µSPOT-based peptide arrays were employed to characterize the YAP-B-MYB interaction. Here, a PY motif within the N-terminus of B-MYB was found to directly interact with the YAP WW-domains. Consequently, the YAP WW-domains were important for the ability of YAP to drive proliferation in cardiomyocytes and to activate MMB target genes in differentiated C2C12 cells. The biochemical information obtained from the interaction studies was utilized to develop a novel competitive inhibitor of YAP called MY-COMP (Myb-YAP competition). In MY-COMP, the protein fragment of B-MYB containing the YAP binding domain is fused to a nuclear localization signal. Co-immunoprecipitation studies as well as PLA revealed that the YAP-B-MYB interaction is robustly blocked by expression of MY-COMP. Adenoviral overexpression of MY-COMP in embryonal cardiomyocytes suppressed entry into mitosis and blocked the pro-proliferative function of YAP. Strikingly, characterization of the cellular phenotype showed that ectopic expression of MY-COMP led to growth defects, nuclear abnormalities and polyploidization in HeLa cells. 
Taken together, the results of this thesis reveal the mechanism of the crosstalk between the Hippo signaling pathway and the MMB complex in the heart and form the basis for interference with the oncogenic activity of the Hippo coactivator YAP.
N2  - Der Myb-MuvB Komplex spielt eine essenzielle Rolle in der transkriptionellen Aktivierung von Zellzyklusgenen. Unser Labor hat kürzlich einen bis dahin unbekannten Mechanismus zwischen dem MMB-Komplex und Hippo-YAP Signalweg, der zur Aktivierung von Mitosegenen beiträgt, identifiziert. Der Hippo-YAP Signalweg ist beteiligt an der Gewebehomöostase und am Wachstum von Organen. So reguliert der Hippo-YAP Signalweg zum Beispiel während der Herzentwicklung die Proliferation von Herzmuskelzellen. Der exakte Mechanismus wie YAP die Zellteilung von Kardiomyozyten aktiviert, ist jedoch bisher nicht bekannt. In der vorliegenden Doktorarbeit wird das Zusammenspiel zwischen dem Hippo-Signalweg und dem MMB-Komplex im Herzen untersucht. Außerdem wird die Interaktion zwischen YAP und B-MYB biochemisch charakterisiert, um einen Inhibitor zu entwickeln, der die Aktivität von YAP vermindert. 
Die Ergebnisse dieser Doktorarbeit zeigen, dass der Verlust der zentralen Untereinheit des MMB-Komplexes, LIN9, in Vorläuferzellen der Kardiomyozyten zu einer Reduktion der Herzwand sowie zu einer niedrigeren Proliferationsrate von Herzmuskelzellen und einer erhöhten Embryonalsterblichkeit führt. Außerdem wurde in genetischen Experimenten mit Hippo- und LIN9-defizienten Mäusen gezeigt, dass der MMB-Komplex wichtig für die Aktivierung der Proliferation in Hippo-defizienten Kardiomyozyten ist. Eine globale Analyse der Transkription und Chromatinbindung von YAP und LIN9 im Herzen zeigte, dass eine Untergruppe von Zellzyklusgenen, die nach Inaktivierung des Hippo-Signalwegs vermehrt exprimiert werden, gleichzeitig den MMB-Komplex am Promoter gebunden haben. Durch Interaktionsstudien konnte gezeigt werden, dass YAP und B-MYB in embryonalen Kardiomyozyten miteinander interagieren. Die Bindung der beiden Transkriptionsfaktoren wurde durch Co-Immunpräzipitation, GST-Pulldown-Analysen und Peptid-Arrays biochemisch untersucht. Dabei wurde gezeigt, dass ein PY-Motiv im N-terminus von B-MYB direkt an die WW-Domänen von YAP bindet. Im Umkehrschluss wurde festgestellt, dass die WW-Domänen von YAP essenziell sind, um sowohl die Proliferation in Herzmuskelzellen als auch die Expression von Mitosegenen in differenzierten C2C12 Zellen zu aktivieren. Letztendlich wurden die Ergebnisse der Interaktionsstudie genutzt, um einen neuartigen kompetitiven Inhibitor von YAP zu entwickeln. Für MY-COMP (Myb-YAP Competition) wurde der Proteinabschnitt von B-MYB, der die YAP Bindedomäne enthält, mit einer Kernlokalisierungssequenz fusioniert. Bindestudien zeigten, dass MY-COMP die Interaktion zwischen YAP und B-MYB effektiv blockiert. Eine durch Adenoviren vermittelte Überexpression von MY-COMP in embryonalen Herzmuskelzellen resultierte in einer verminderten Anzahl von mitotischen Zellen. Somit wird durch Expression von MY-COMP, die proliferative Fähigkeit von YAP vermindert. Interessanterweise wurden in HeLa Zellen, die mit MY-COMP behandelt wurden, vermehrt Abnormalitäten der Zellkerne, polyploide Zellen sowie ein Wachstumsdefizit beobachtet. 
Zusammengefasst verdeutlichen die Ergebnisse dieser Doktorarbeit die Bedeutung des Zusammenspiels zwischen dem MMB-Komplex und dem Hippo-YAP-Signalweg für die Herzentwicklung und bilden die Grundlage, für die effektive Inhibierung der onkogenen Eigenschaften des Hippo-Coaktivators YAP.
KW  - Zellzyklus
KW  - Heart development
KW  - Hippo pathway
KW  - Myb-MuvB complex
KW  - Cardiomyocyte
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-213328
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zachary, Marie
T1  - Functional characterization of small non-coding RNAs of \(Neisseria\) \(gonorrhoeae\)
T1  - Funktionelle Charakterisierung kleiner nicht-kodierender RNAs in \(Neisseria\) \(gonorrhoeae\)
N2  - During infection, bacteria need to adapt to a changing environment and have to endure various stress conditions. Small non-coding RNAs are considered as important regulators of bacterial gene expression and so allow quick adaptations by altering expression of specific target genes. Regulation of gene expression in the human-restricted pathogen Neisseria gonorrhoeae, the causative agent of the sexually transmitted disease gonorrhoea, is only poorly understood. The present study aims a better understanding of gene regulation in N. gonorrhoeae by studying small non-coding RNAs.
The discovery of antisense RNAs for all opa genes led to the hypothesis of asRNA-mediated degradation of out-of-frame opa transcripts. Analysis of asRNA expression revealed a very low abundance of the transcripts and inclusion of another phase-variable gene in the study indicates that the asRNAs are not involved in degradation of out-of-frame transcripts.
This doctoral thesis focuses on the analysis of trans-acting sRNAs. The sibling sRNAs NgncR_162 and NgncR_163 were discovered as post-transcriptional regulators altering expression of genes involved in metabolic processes, amino acid uptake and transcriptional regulation. A more detailed analysis by in silico and transcriptomic approaches showed that the sRNAs regulate a broad variety of genes coding for proteins of central metabolism, amino acid biosynthesis and degradation and several transport processes. Expression levels of the sibling sRNAs depend on the growth phase of the bacteria and on the growth medium. This indicates that NgncR_162 and NgncR_163 are involved in the adaptation of the gonococcal metabolism to specific growth conditions.
This work further initiates characterisation of the sRNA NgncR_237. An in silico analysis showed details on sequence conservation and a possible secondary structure. A combination of in silico target prediction and differential RNA sequencing resulted in the identification of several target genes involved in type IV pilus biogenesis and DNA recombination. However, it was not successful to find induction conditions for sRNA expression. Interestingly, a possible sibling sRNA could be identified that shares the target interaction sequence with NgncR_237 and could therefore target the same mRNAs.
In conclusion, this thesis provides further insights in gene regulation by non-coding RNAs in N. gonorrhoeae by analysing two pairs of sibling sRNAs modulating bacterial metabolism or possibly type IV pilus biogenesis.
N2  - Bakterien müssen sich während des Infektionsprozesses an eine sich veränderte Umgebung anpassen und sind dabei zahlreichen Stressfaktoren ausgesetzt. Kleine, nicht-kodierende RNAs gelten als wichtige Regulatoren der bakteriellen Genexpression und ermöglichen daher eine schnelle Anpassung durch eine Veränderung der Expression spezifischer Ziel-Gene. Die Regulation der Genexpression des Humanpathogens Neisseria gonorrhoeae, Auslöser der Geschlechtskrankheit Gonorrhö, ist bis jetzt kaum verstanden. Die vorliegende Studie soll durch die Analyse kleiner, nicht-kodierender RNAs zum besseren Verständnis der Genregulation in Gonokokken beitragen.
Durch die Entdeckung von antisense-RNAs für alle opa Gene wurde die Hypothese entwickelt, dass diese für den Abbau von opa Transkripten außerhalb des Leserahmens verantwortlich sind. Eine Analyse der asRNA Expression zeigte jedoch, dass diese sehr wenig exprimiert werden und auch die Untersuchung eines anderen phasenvariablen Gens weist darauf hin, dass die asRNAs keine Bedeutung für den Abbau von Transkripten außerhalb des Leserahmens haben.
Der Schwerpunkt der Doktorarbeit liegt auf der Untersuchung trans-codierter sRNAs. Die Zwillings-sRNAs NgncR_162 und NgncR_163 agieren als post-transkriptionelle Regulatoren, die die Expression von Genen verändern, die bei Stoffwechselprozessen, Aminosäureaufnahme und transkriptioneller Regulation eine Rolle spielen. Eine detailliertere Analyse durch in silico- und Transkriptom-Studien zeigte, dass die sRNAs ein großes Spektrum an Genen regulieren, die für Proteine des Zentralstoffwechsels, der Aminosäurebiosynthese und des –abbaus, sowie zahlreicher Transportprozesse kodieren. Die Expressionslevel der Zwillings-sRNAs hängen von der Wachstumsphase der Bakterien und dem Wachstumsmedium ab. Das weist darauf hin, dass NgncR_162 und NgncR_163 eine Rolle bei der Adaptation des Stoffwechsels von Gonokokken zu bestimmten Wachstumsbedingungen spielen.
In dieser Arbeit wird zudem die Charakterisierung der sRNA NgncR_237 initiiert. Im Rahmen von in silico Analysen wurde die Sequenzkonservierung und mögliche Sekundärstruktur untersucht. Eine Kombination aus in silico Zielgen-Vorhersage und differentieller RNA Sequenzierung führte zur Identifizierung zahlreicher Zielgene, die in der Biogenese von Typ IV Pili und DNA Rekombination eine Rolle spielen. Allerdings konnten keine Induktionsbedingungen für die sRNA Expression gefunden werden. Interessanterweise konnte eine mögliche Zwillings-sRNA identifiziert werden, die dieselbe Targetinteraktionsdomäne wie NgncR_237 hat und somit dieselben Zielgene regulieren könnte.
Zusammenfassend ermöglicht diese Arbeit neue Einblicke in die Genregulation durch nicht-kodierende RNAs in Gonokokken, indem zwei Paare Zwillings-sRNAs analysiert wurden, die den bakteriellen Stoffwechsel anpassen oder möglicherweise eine Rolle in der Typ IV Pilus Biogenese spielen.
KW  - Neisseria gonorrhoeae
KW  - Non-coding RNA
KW  - Genregulation
KW  - regulation of gene expression
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-245826
ER  - 
TY  - THES
A1  - Rajab, Suhaila
T1  - Untersuchung von Sub-Millisekunden Dynamiken und allosterischer Kommunikation in Ligandenbindedomänen ionotroper Glutamatrezeptoren
T1  - Investigation of sub-millisecond dynamics and allosteric communication in ionotropic glutamate receptor ligand binding domains
N2  - Ionotrope Glutamatrezeptoren (iGluRs) sind ligandengesteuerte Ionenkanäle und vermitteln den Großteil der exzitatorischen Signalweiterleitung im gesamten zentralen Nervensystem. Darüber hinaus spielen iGluRs eine entscheidende Rolle bei der neuronalen Entwicklung und Funktion, einschließlich Lernprozessen und Gedächtnisbildung. Da eine Fehlfunktion dieser Rezeptoren mit zahlreichen neurodegenerativen Erkrankungen verbunden ist, stellen iGluRs zudem wichtige Zielproteine für die pharmakologische Wirkstoffentwicklung dar. Im Allgemeinen wird zwischen drei Untergruppen ionotroper Glutamatrezeptoren unterschieden, welche aufgrund ihrer Selektivität für einen bestimmten Liganden benannt sind: AMPA-, Kainate-, und NMDA-Rezeptoren. Die iGluRs jeder dieser Untergruppen bestehen in der Regel aus vier Untereinheiten, welche wiederum aus vier semiautonomen Domänen aufgebaut sind: (i) die aminoterminale Domäne (ATD), (ii) die Ligandenbindedomäne (LBD), (iii) die Transmembrandomäne (TMD) und (iv) die carboxyterminale Domäne (CTD).
Die Ligandenbindedomäne, welche wiederum aus zwei Lobes (D1 und D2) besteht und in ihrer Struktur einer Muschelschale ähnelt, vollzieht bei Bindung eines Neurotransmitters eine Konformationsänderung, wobei sie sich um den gebundenen Agonisten herumschließt. Diese Konformationsänderung der LBD wird auf die Transmembrandomäne, welche den membranüberspannenden Ionenkanal ausbildet, übertragen, was in einer Umlagerung der Transmembranhelices und infolgedessen der Öffnung des Ionenkanals resultiert. Die Konformationsänderung der LBD ist demnach die treibende Kraft, welche dem Öffnen und Schließen des Ionenkanals zugrunde liegt. Aus diesem Grund stellt die isolierte Ligandenbindedomäne, welche als lösliches Protein hergestellt werden kann, ein etabliertes Modellsystem zur Untersuchung der strukturellen und funktionellen Zusammenhänge innerhalb des Funktionsmechanismus ionotroper Glutamatrezeptoren dar.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Konformationsdynamiken der in Escherichia coli-Bakterien exprimierten isolierten Ligandenbindedomänen der drei homologen Untergruppen – AMPA-, Kainate- und NMDA-Rezeptoren – sowohl als Monomer als auch als Dimer untersucht. Hierbei wurden im ungebundenen Apo-Zustand der Proteine signifikante Kinetiken im Bereich von Nanosekunden bis Mikrosekunden festgestellt, welche bei Bindung eines Agonisten sowie bei Dimerisierung erheblichen Veränderungen zeigen. Darüber hinaus wurde allosterische Kommunikation zwischen den LBDs der NMDA-Untergruppe untersucht, wobei in der Tat ein deutlicher allosterischer Effekt in Bezug auf die Konformationsdynamiken der Proteine gemessen werden konnte. Weiterhin wurde ein PET-FCS-basiertes Verfahren zur Messung der Dissoziationskonstante der Bindung eines Liganden an die LBD eines AMPA-Rezeptors entwickelt. Zuletzt wurde außerdem ermittelt, ob ein Unterschied zwischen vollen und partiellen Agonisten hinsichtlich ihres Einflusses auf die Konformationsdynamiken einer AMPA-Rezeptor LBD besteht, was nachgewiesenermaßen nicht der Fall ist. 
Alle Messungen wurden auf Einzelmolekülebene auf Zeitskalen von Nanosekunden bis Millisekunden basierend auf Fluoreszenzfluktuationen unter Verwendung des photoinduzierten Elektronentransfers (PET) in Kombination mit Korrelationsspektroskopie (PET-FCS) durchgeführt. Zu diesem Zweck wurden PET-basierte Fluoreszenzsonden entwickelt, um Konformationsänderungen auf einer räumlichen Skala von einem Nanometer zu detektieren. 
Durch die Experimente innerhalb dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die PET-FCS-Methode eine vielversprechende Ergänzung zu allen bisher bestehenden Methoden zur Untersuchung der Konformationsdynamiken der Ligandenbindedomäne ionotroper Glutamatrezeptoren darstellt und daher eine aussichtsreiche Möglichkeit zur Erweiterung des zukünftigen Verständnisses der Funktionsweise von iGluRs bietet.
N2  - Ionotropic glutamate receptors (iGluRs) are ligand-gated ion channels that mediate most of the excitatory signal transmission throughout the central nervous system. In addition, iGluRs play a crucial role in neural development and function, including learning and memory. Since receptor malfunction contributes to a variety of neurological diseases, iGluRs are key targets for drug development in pharmacology. Furthermore, ionotropic glutamate receptors are divided into three major subgroups, all of which are named due to their selectivity for a certain ligand: AMPA, Kainate and NMDA. Members of each subgroup usually consist of four subunits, which in turn comprise four semi-autonomous domains: (i) the amino terminal domain (ATD), (ii) the ligand binding domain (LBD), (iii) the transmembrane domain (TMD), and (iv) the carboxy terminal domain (CTD). 
Upon binding a neurotransmitter the ligand binding domain, which adopts a clamshell-like structure consisting of two domains (D1 and D2), undergoes a conformational change by closing around the ligand and trapping it within the binding cleft. The conformational change of the LBD is then transferred to the transmembrane domain which forms the membrane-spanning ion channel, which results in rearrangement of the transmembrane helices and consequently in opening of the ion channel. Accordingly, the conformational change of the LBD is the driving force underlying opening and closing of the ion channel. The isolated ligand binding domain can be produced as soluble protein and represents a well-established model system for exploring structural and functional relationships within the functional mechanism of ionotropic glutamate receptors. 
As part of this thesis, ligand binding domains of all three homologues – AMPAR, KainateR and NMDAR – have been expressed in Escherichia coli bacterial cells and conformational dynamics of the proteins both as monomer and as dimer have been investigated. In the unbound apo state of the proteins, significant kinetics have been observed in the nanosecond to microsecond time range which undergo considerable changes upon agonist binding or dimerization. In addition, allosteric communication between LBDs of the NMDA subgroup has been investigated, whereby a distinct allosteric effect regarding the conformational dynamics of the protein could actually be measured. Furthermore, a PET-FCS-based tool for measuring the dissociation constant of a ligand for an AMPA receptor LBD has been developed. Finally, it has been investigated whether full and partial agonists have different effects on the conformational dynamics of an AMPA receptor LBD, which has been found clearly not to be the case.
All measurements have been performed at the single-molecule level on time scales from nanoseconds to milliseconds based on fluorescence fluctuations using photoinduced electron transfer (PET) fluorescence quenching in combination with correlation spectroscopy (PET-FCS). To this end, PET-based fluorescence probes have been engineered to monitor conformational changes on the one-nanometer scale. 
The experiments that have been carried out within this thesis introduce PET-FCS as a promising tool to complement all previously existing methods for studying conformational dynamics of ionotropic glutamate receptor ligand binding domains and hence offer a promising opportunity to expand future understanding of how iGluRs work.
KW  - Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie
KW  - Glutamatrezeptor
KW  - Einzelmolekülspektroskopie
KW  - Proteinsynthese
KW  - Photoinduzierter Elektronentransfer
KW  - photoinduced electron transfer
KW  - Ionotrope Glutamatrezeptoren
KW  - ionotropic glutamate receptors
KW  - Ligandenbindedomäne
KW  - ligand binding domain
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-244946
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schubert, Jonathan
T1  - Bildgebende Zweifarben-Einzelmolekül-PET-Fluoreszenzspektroskopie am molekularen Chaperon Hsp90
T1  - Two-color single-molecule PET fluorescence imaging spectroscopy on the molecular chaperone Hsp90
N2  - Im Forschungsfeld der Proteindynamik häufen sich in den letzten Jahren Untersuchungen an einzelnen Molekülen. Damit können molekulare Ereignisse, die in konventioneller Spektroskopie durch stochastische Prozesse unentdeckt bleiben, durch direkte Beobachtung identifiziert und analysiert werden, was zu tieferem mechanistischem Verständnis des untersuchten Systems beitragen kann.
Die Implikation des molekularen Chaperons Hsp90 in die korrekte Faltung und Aktivierung einer Vielzahl davon abhängiger Klientenproteine machen es zu einem zentralen Knotenpunkt der zellulären Proteinhomöostase, allerdings ist der Mechanismus seiner breiten Klientenerkennung und -prozessierung bisher nur lückenhaft untersucht. Mit der Erkenntnis, dass Hsp90 ATP abhängig große, ratenlimitierende Umstrukturierungen erfährt, wurden Reportersysteme entwickelt, die auf dem Förster-Resonanzenergietransfer mit einer räumlichen Auflösung von ca. 2-10 nm basieren. Diese dokumentieren einen Klammerschluss des Chaperons und prognostizieren einen intermediatbbasierten Konformations-Zyklus. Details über den Mechanismus der Umstrukturierungen wurden mit der Entwicklung von Reportersystemen ermittelt, die auf dem photoinduzierten Elektronentransfer zwischen der Aminosäure Tryptophan und einem organischen Farbstoff basieren. Die Technik beruht auf kontaktinduzierter Fluoreszenzlöschung und damit verbundenen digitalen Intensitätsübergängen, dabei ermöglicht die räumliche Sensitivität von < 1 nm die Beobachtung von lokalen Umstrukturierungen. In Hsp90 wurden damit mittels konventioneller Spektroskopie drei kritische lokale Umlagerungen untersucht und daraus ein Modell mit heterogenen apo-Konformationen sowie ein kooperativer Konformationszyklus abgeleitet, der dem intermediatbasierten Modell gegenübersteht. 
Im Rahmen dieser Dissertation wurde anhand des Hsp90-Chaperons eine Methode entwickelt, die eine bildgebende PET Fluoreszenzspektroskopie von mehreren Umstrukturierungen gleichzeitig an einzelnen Molekülen erlaubt. Ein umfangreiches Farbstoffscreening führte zur Identifizierung eines Farbstoffpaars, das die PET-basierte simultane Aufzeichnung zweier Konformations-Koordinaten ermöglicht. Über verschiedene Modifikationen des Chaperons konnten einzelmolekültaugliche Oberflächen hergestellt werden, auf denen zweifach markierte Hsp90-Proteine immobilisiert sind. Fluoreszenzintensitätszeitspuren einzelner Chaperone und entsprechende Kontrollkonstrukte bestätigen qualitativ den Erfolg der Methode, für die quantitative Analyse wurde eine Routine in der Programmiersprache Python entwickelt, mit welcher kinetische Informationen ermittelt werden konnten. 
Diese legen eine enge wechselseitige Abhängigkeit der drei lokalen Elemente nahe, wobei der Großteil der Konformationsübergänge zweier simultan aufgezeichneter Umstrukturierungen Synchronität innerhalb von zwei Sekunden zeigt. Im Vergleich zur Hydrolyse von einem ATP in mehreren Minuten deutet das auf eine enge Kopplung hin. Weiter konnte eine Beschleunigung der Dynamiken durch aromatische Modifikation des N-Terminus von Hsp90 beobachtet werden, zudem erlaubt der Einzelmolekülansatz die Verwendung des nativen Nukleotids ATP, wodurch auch die lokalen Öffnungsdynamiken zugänglich werden. Die zur Bestimmung der Zeitkonstanten durchgeführte Analyse unterstützt die Ansicht heterogener apo-Zustände und einer einheitlich geschlossenen Konformation.
Die bildgebende Zweifarben-Einzelmolekül-PET-Spektroskopie konnte insgesamt zu einem Komplement der Einzelmolekül-FRET-Spektroskopie entwickelt werden, um damit lokale Konformationsdynamiken zu untersuchen. Der bildgebende Ansatz erlaubt eine einfache Implementierung in einen experimentellen Einzelmolekül-FRET Aufbau bei gleichzeitiger Erweiterung der beobachteten Koordinaten und wird so zu einem breit anwendbaren Werkzeug multidimensionaler Dynamikuntersuchungen einzelner Proteine.
N2  - Over the past years, the number of investigations of single molecules has risen in the field of protein dynamics studies. Direct observation of molecular events that are obscured by stochastic processes in bulk measurements can provide a deeper mechanistic understanding of the systems under study. 
The molecular chaperone Hsp90, as being involved in the correct folding and activation of client proteins, thereby acting at late-stage folding, is a central node of cellular protein homeostasis. The mechanistic understanding of its broad client recognition and processing capability still remains elusive. The discovery of large conformational changes that drive the chaperone through a rate limiting conformational cycle as a reaction of ATP binding led to the development of reporter systems that probe the global rearrangement. As the reporters are based on Förster resonance energy transfer, they are active on a spatial scale of 2-10 nm and report on the molecular clamp closure. The predicted conformational cycle implicates several intermediate states. Details of the underlying rearrangements were obtained by the development of reporter systems based on photoinduced electron transfer between the amino acid tryptophan and an organic dye. As the technique relies on contact-induced quenching of fluorescence, which is accompanied by digital intensity transitions, the resulting spatial resolution of < 1 nm enables probing of local conformational rearrangements. In bulk experiments, three critical local dynamics were probed in Hsp90, leading to the assumption of heterogeneous apo conformations and an associated cooperative cycle which faces the intermediate-based model.
Within the scope of this doctoral thesis, two color single-molecule PET fluorescence imaging spectroscopy was developed using the Hsp90 chaperone to study multiple conformational rearrangements simultaneously on individual proteins. Extensive dye screening identified a dye pair suitable for the PET-based investigation of two different conformational coordinates simultaneously. Modifications on the chaperone protein enabled the immobilization of double-labeled Hsp90 molecules on glass surfaces that are suited for single-molecule studies. Fluorescence intensity time traces of single chaperones and related control constructs validated qualitatively the success of the method. For quantitative analysis, a routine was developed in the programming language Python to obtain kinetic information. 
Derived kinetics pointed to a close interdependence between the three local elements. Furthermore, the majority of state transitions of rearrangements studied at the same time occurred simultaneously within a two-second window, thereby suggesting synchronicity. Compared to the hydrolysis of one ATP molecule taking minutes, this suggests a tight coupling of motions. Further, an aromatic modification of the Hsp90 N-Terminus resulted in accelerated local dynamics. Besides investigating the dynamics accompanying clamp closure, clamp opening kinetics also became accessible through the use of native nucleotide ATP. The analysis performed as part of the determination of time constants supports the view of a heterogeneous apo and a uniformly closed conformation. 
Two-color single-molecule PET fluorescence imaging spectroscopy was developed into a technique complement to single-molecule FRET spectroscopy that enables the probing of local conformational dynamics in immobilized proteins. The imaging approach allows for easy implementation in a single-molecule FRET setup while expanding the observed coordinates, making the PET-based technique a widely applicable tool for multidimensional dynamics studies of single proteins.
KW  - Fluoreszenzspektroskopie
KW  - Einzelmolekülspektroskopie
KW  - Hitzeschock-Proteine
KW  - Proteinsynthese
KW  - Photoinduzierter Elektronentransfer
KW  - photoinduced electron transfer
KW  - Hsp90
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-244938
ER  - 
TY  - THES
A1  - Staus, Madlen
T1  - Glutathione-dependent reprogramming in melanoma
T1  - Glutathion-abhängige Reprogrammierung im Melanom
N2  - These days, treatment of melanoma patients relies on targeted therapy with BRAF/MEK inhibitors and on immunotherapy. About half of all patients initially respond to existing therapies. Nevertheless, the identification of alternative therapies for melanoma patients with intrinsic or acquired resistance is of great importance. In melanoma, antioxidants play an essential role in the maintenance of the redox homeostasis. Therefore, disruption of the redox homeostasis is regarded as highly therapeutically relevant and is the focus of the present work. 
An adequate supply of cysteine is essential for the production of the most important intracellular antioxidants, such as glutathione. In the present work, it was investigated whether the depletion of cysteine and glutathione is therapeutically useful. Depletion of glutathione in melanoma cells could be achieved by blocking cysteine supply, glutathione synthesis, and NADPH regeneration. As expected, this led to an increased level of reactive oxygen species (ROS). Surprisingly, however, these changes did not impair the proliferation and survival of the melanoma cells. In contrast, glutathione depletion led to cellular reprogramming which was characterized by the induction of mesenchymal genes and the repression of differentiation markers (phenotypic switch). This was accompanied by an increased migration and invasion potential which was favored by the induction of the transcription factor FOSL1. To study in vivo reprogramming, Gclc, the first and rate-limiting enzyme in glutathione synthesis, was knocked out by CRISPR/Cas9 in murine melanoma cells. The cells were devoid of glutathione, but were fully viable and showed a phenotypic switch, the latter only in MITF-expressing B16F1 cells and not in MITF-deficient D4M3A.781 cells. Following subcutaneous injection into immunocompetent C57BL/6 mice, Gclc knockout B16F1 cells grew more aggressively and resulted in an earlier tumor onset than B16F1 control cells.
In summary, this work demonstrates that inhibition of cysteine supply and thus, glutathione synthesis leads to cellular reprogramming in melanoma. In this context, melanoma cells show metastatic capabilities, promoting a more aggressive form of the disease.
N2  - Die Behandlung von Melanompatienten beruht heutzutage auf der gerichteten Therapie mit BRAF/MEK Inhibitoren und auf der Immuntherapie. Circa die Hälfte aller Patienten spricht zunächst auf die vorhandenen Therapien an. Dennoch ist die Identifizierung alternativer Therapieansätze für Melanompatienten mit intrinsischer oder erworbener Resistenz von großer Wichtigkeit. Im Melanom spielen Antioxidanzien eine essenzielle Rolle zur Aufrechterhaltung der Redox-Homöostase. Eine Störung der Redox-Homöostase wird daher als therapeutisch hochrelevant betrachtet und steht im Fokus der vorliegenden Arbeit. 
Eine ausreichende Versorgung mit Cystein ist essenziell zur Produktion der wichtigsten intrazellulären Antioxidanzien wie dem Glutathion. In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, ob die Depletion von Cystein und Glutathion therapeutisch nützlich ist. Eine Depletion von Glutathion in Melanomzellen konnte durch eine Blockierung der Cysteinversorgung, der Glutathionsynthese und der NADPH-Regeneration erreicht werden. Dies führte wie erwartet zu einem erhöhten Level von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS). Überraschenderweise beeinträchtigten diese Veränderungen jedoch nicht die Proliferation und das Überleben der Melanomzellen. Im Gegenteil führte die Glutathion-Depletion zu einer zellulären Reprogrammierung, die durch die Induktion mesenchymaler Gene und der Repression von Differenzierungsmarkern gekennzeichnet war (phenotypic switch). Dies ging mit einem erhöhten Migrations- und Invasionspotential einher, welches durch die Induktion des Transkriptionsfaktors FOSL1 begünstigt wurde. Für die Untersuchung der Reprogrammierung in vivo wurde Gclc, das erste und geschwindigkeitsbestimmende Enzym der Glutathionsynthese, mittels CRISPR/Cas9 in murinen Melanomzellen ausgeknockt. Die Zellen waren voll lebensfähig und zeigten erwartungsgemäß reduzierte Glutathionlevel und einen phenotypic switch. Letzterer zeigte sich jedoch nur in MITF-exprimierenden B16F1 Zellen und nicht in MITF-defizienten D4M3A.781 Zellen. Nach subkutaner Injektion in immunkompetente C57BL/6 Mäuse wuchsen die Gclc-knockout B16F1 Zellen aggressiver und führten zu einer früheren Tumorentstehung als B16F1 Kontrollzellen. 
Zusammenfassend zeigt diese Arbeit, dass die Hemmung der Cysteinversorgung und somit der Glutathionmenge im Melanom zu einer Reprogrammierung führt, bei der Melanomzellen metastasierende Fähigkeiten aufweisen und somit zu einer aggressiveren Form der Erkrankung führen.
KW  - Melanom
KW  - Glutathion
KW  - Cystein
KW  - Phenotypic switch
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-168424
ER  - 
TY  - THES
A1  - Georgiev, Kostadin
T1  - Sustainable management of naturally disturbed forests
T1  - Nachhaltiges Management von natürlichen Störungen in Wäldern
N2  - Owing to climate change, natural forest disturbances and consecutive salvage logging are drastically increasing worldwide, consequently increasing the importance of understanding how these disturbances would affect biodiversity conservation and provision of ecosystem services. 
In chapter II, I used long-term water monitoring data and mid-term data on α-diversity of twelve species groups to quantify the effects of natural disturbances (windthrow and bark beetle) and salvage logging on concentrations of nitrate and dissolved organic carbon (DOC) in streamwater and α-diversity. I found that natural disturbances led to a temporal increase of nitrate concentrations in streamwater, but these concentrations remained within the health limits recommended by the World Health Organization for drinking water. Salvage logging did not exert any additional impact on nitrate and DOC concentrations, and hence did not affect streamwater quality. Thus, neither natural forest disturbances in watersheds nor associated salvage logging have a harmful effect on the quality of the streamwater used for drinking water. Natural disturbances increased the α-diversity in eight out of twelve species groups. Salvage logging additionally increased the α-diversity of five species groups related to open habitats, but decreased the biodiversity of three deadwood-dependent species groups. 
In chapter III, I investigated whether salvage logging following natural disturbances (wildfire and windthrow) altered the natural successional trajectories of bird communities. I compiled data on breeding bird assemblages from nine study areas in North America, Europe and Asia, over a period of 17 years and tested whether bird community dissimilarities changed over time for taxonomic, functional and phylogenetic diversity when rare, common and dominant species were weighted differently. I found that salvage logging led to significantly larger dissimilarities than expected by chance and that these dissimilarities persisted over time for rare, common and dominant species, evolutionary lineages, and for rare functional groups. Dissimilarities were highest for rare, followed by common and dominant species. 
In chapter IV, I investigated how β-diversity of 13 taxonomic groups would differ in intact, undisturbed forests, disturbed, unlogged forests and salvage-logged forests 11 years after a windthrow and salvage logging. The study suggests that both windthrow and salvage logging drive changes in between-treatment β-diversity, whereas windthrow alone seems to drive changes in within-treatment β-diversity. Over a decade after the windthrow at the studied site, the effect of subsequent salvage logging on within-treatment β-diversity was no longer detectable but the effect on between-treatment β-diversity persisted, with more prominent changes in saproxylic groups and rare species than in non-saproxylic groups or common and dominant species. 
Based on these results, I suggest that salvage logging needs to be carefully weighed against its long-lasting impact on communities of rare species. Also, setting aside patches of naturally disturbed areas is a valuable management alternative as these patches would enable post-disturbance succession of bird communities in unmanaged patches and would promote the conservation of deadwood-dependent species, without posing health risks to drinking water sources.
N2  - In Folge des Klimawandels treten in Wäldern vermehrt natürliche Störungen auf, wodurch wiederum die Zahl an nachfolgenden Sanitärhieben (Räumungen) drastisch gestiegen ist. Wie sich natürliche Störungen und Sanitärhiebe auf die biologische Vielfalt und die Bereitstellung von Ökosystemleistungen auswirken können, ist bisher jedoch nur unzureichend bekannt. 
In Kapitel II nutzte ich langfristige Wassermonitoringdaten und mittelfristige Biodiversitätsdaten über zwölf Artengruppen, um die Effekte von natürlichen Störungen (Windwurf und Borkenkäfer) und Sanitärhieben auf die Konzentrationen von Nitraten und gelöster organischer Kohlenstoffe (GOK) in Bächen und Artenzahl zu quantifizieren. Die Ergebnisse zeigen, heraus, dass natürliche Störungen zu einer temporären Erhöhung der Nitratwerte führen, welche dennoch laut Angaben der Weltgesundheitsorganisation immer noch als unbedenklich eingestuft werden können. Die Sanitärhiebe hatten keinen zusätzlichen Einfluss auf die Nitrat- und GOK-Konzentrationen und daher keinen Einfluss auf die Wasserqualität. Daraus lässt sich schließen, dass sich weder natürliche Waldstörungen in Wassereinzugsgebieten noch die damit verbundenen Sanitärhiebe auf die Trinkwasserqualität aus auswirken. Natürliche Störungen erhöhten die Artenzahlen in acht von zwölf Artengruppen. Zusätzlich erhöhten die Sanitärhiebe die Artenzahlen von fünf Artengruppen, welche auf offene Lebensräume angewiesen sind, verringerte jedoch die Artenzahlen von drei xylobionte Artengruppen.
In Kapitel III habe ich untersucht, ob Sanitärhiebe nach natürlichen Waldstörungen zu sukzessiven Veränderungen der Vogelgemeinschaften führen. Hierzu habe ich die taxonomische, funktionelle und phylogenetische Diversität von Brutvogelgemeinschaften aus neun Untersuchungsregionen in Nordamerika, Europa und Asien über die Zeit von 17 Jahren verglichen und analysiert, ob sich das jeweilige Diversitätsmaß verändert, wenn seltene, häufige und dominante Arten unterschiedlich gewichtet werden. Ich konnte zeigen, dass Sanitärhiebe zu signifikant größeren Unterschieden geführt haben als zufällig zu erwarten gewesen sind und dass diese Unterschiede über die Zeit sowohl für seltene, häufige und dominante Arten, als auch für evolutionäre Linien, und funktionelle Gruppen fortdauern. Diese Unterschiede waren am größten für seltene, gefolgt von häufigen und dominanten Arten.
In Kapitel IV untersuchte ich wie sich die β-Diversität von 13 taxonomischen Gruppen zwischen ungestörten Wäldern, gestörten und ungeräumten Wäldern sowie gestörten und geräumten Wäldern 11 Jahre nach Windwurf und anschließender Räumung unterscheidet. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass sowohl Windwurf als auch Räumung Änderungen in der β-Diversität bewirken. Windwurf allein jedoch scheint diese Änderungen in der β-Diversität innerhalb der Behandlung bewirken zu können. Über ein Jahrzehnt nach dem Windwurf war der Effekt des Sanitärhiebes auf die β-Diversität innerhalb der Behandlung nicht mehr nachweisbar. Der Effekt auf die β-Diversität zwischen den Behandlungen blieb jedoch bestehen, wobei sich die xylobionten Gruppen und seltenen Arten stärker veränderten als die nicht-xylobionten Gruppen oder häufigen und dominanten Arten. 
Basierend auf diesen Ergebnissen schlage ich vor, dass der Einsatz von Sanitärhieben sorgfältig gegen ihre langfristigen Auswirkungen auf Gemeinschaften seltener Arten abgewogen werden muss. Zusätzlich, besteht mit dem Belassen von natürlich gestörten Waldgebieten eine wertvolle Managementalternative, da diese Flächen eine natürliche Entwicklung von Vogelgemeinschaften ermöglichen und xylobionte Arten fördern, ohne dass die Trinkwasserqualität negativ beeinträchtigt wird.
KW  - species richness
KW  - water quality
KW  - beta diversity
KW  - Hill numbers
KW  - post-disturbance logging
KW  - biodiversity response
KW  - ecosystem services
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-242854
ER  - 
TY  - THES
A1  - Röschert, Isabelle
T1  - Aurora-A prevents transcription-replication conflicts in MYCN-amplified neuroblastoma
T1  - Aurora-A verhindert Transkriptions-Replikationskonflikte in MYCN-amplifizierten Neuroblastomen
N2  - Neuroblastoma is the most abundant, solid, extracranial tumor in early childhood and the leading cause of cancer-related childhood deaths worldwide. Patients with high-risk neuroblastoma often show MYCN-amplification and elevated levels of Aurora-A. They have a low overall survival and despite multimodal therapy options a poor therapeutic prognosis. MYCN-amplified neuroblastoma cells depend on Aurora-A functionality. Aurora-A stabilizes MYCN and prevents it from proteasomal degradation by competing with the E3 ligase SCFFBXW7. Interaction between Aurora-A and MYCN can be observed only in S phase of the cell cycle and activation of Aurora-A can be induced by MYCN in vitro. These findings suggest the existence of a profound interconnection between Aurora-A and MYCN in S phase. Nevertheless, the details remain elusive and were investigated in this study.
Fractionation experiments show that Aurora-A is recruited to chromatin in S phase in a MYCN-dependent manner. Albeit being unphosphorylated on the activating T288 residue, Aurora-A kinase activity was still present in S phase and several putative, novel targets were identified by phosphoproteomic analysis. Particularly, eight phosphosites dependent on MYCN-activated Aurora-A were identified. Additionally, phosphorylation of serine 10 on histone 3 was verified as a target of this complex in S phase. ChIP-sequencing experiments reveal that Aurora-A regulates transcription elongation as well as histone H3.3 variant incorporation in S phase. 4sU-sequencing as well as immunoblotting demonstrated that Aurora-A activity impacts splicing. PLA measurements between the transcription and replication machinery revealed that Aurora-A prevents the formation of transcription-replication conflicts, which activate of kinase ATR.
Aurora-A inhibitors are already used to treat neuroblastoma but display dose-limiting toxicity. To further improve Aurora-A based therapies, we investigated whether low doses of Aurora-A inhibitor combined with ATR inhibitor could increase the efficacy of the treatment albeit reducing toxicity. The study shows that the combination of both drugs leads to a reduction in cell growth as well as an increase in apoptosis in MYCN-amplified neuroblastoma cells, which is not observable in MYCN non-amplified neuroblastoma cells. This new approach was also tested by a collaboration partner in vivo resulting in a decrease in tumor burden, an increase in overall survival and a cure of 25% of TH-MYCN mice. These findings indicate indeed a therapeutic window for targeting MYCN-amplified neuroblastoma.
N2  - Das Neuroblastom ist der häufigste, solide, extrakranielle Tumor der frühesten Kindheit und die häufigste mit Krebs verbundene Todesursache von Kleinkindern weltweit. Patienten mit geringerer Überlebenswahrscheinlichkeit und schlechterer Therapieprognose zeigen oft eine MYCN-Amplifikation und erhöhte Mengen von Aurora-A. Aurora-A ist eine Serin/Threonin-Protein Kinase, die wichtige mitotische Prozesse reguliert. Aurora-A stabilisiert MYCN und verhindert dadurch den proteasomalen Abbau von MYCN. Die Interaktion zwischen Aurora-A und MYCN ist S Phasen-spezifisch und MYCN ist in vitro in der Lage, durch seine Bindung Aurora-A zu aktivieren.
Die Funktionen und Prozesse, die von Aurora-A in der S Phase reguliert werden, sind noch nicht hinreichend untersucht und daher Gegenstand dieser Dissertation.
Zell-Fraktionierungen zeigen, dass Aurora-A in der S Phase in einer MYCN-abhängigen Weise an das Chromatin gebunden ist. Phosphoproteom-Analysen mittels Massenspektrometrie identifizierten zahlreiche neue Substrate von Aurora-A, sowie acht Substrate von MYCN-aktiviertem Aurora-A. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass Histon 3 Serin 10 von Aurora-A in Abhängigkeit von MYCN in S Phase phosphoryliert wird. ChIP-Sequenzierungen zeigen, dass Aurora-A die Elongation der Transkription und den Einbau der Histone Variante H3.3 in S Phase beeinflusst. 4sU-Sequenzierung sowie Immunoblots zeigen einen Zusammenhang zwischen der Aktivität von Aurora-A und dem Spleißosom in der S Phase. Zusätzlich konnte mittels PLA nachgewiesen werden, dass Aurora-A die Entstehung von Transkriptions-Replikationskonflikten verhindert, die andernfalls die Kinase ATR aktivieren würden.
Aurora-A Inhibitoren wurden unter anderem zur Therapie von Neuroblastomen eingesetzt, allerdings ist die Dosis des Aurora-A Inhibitors durch die hohe Toxizität limitiert, was die Effizienz der Therapie stark beeinträchtigt. Daher wurde untersucht, ob die gleichzeitige Gabe von geringeren Mengen Aurora-A Inhibitor in Kombination mit einem ATR Inhibitor zur Therapie geeignet ist. In vitro konnte gezeigt werden, dass die Kombination beider Inhibitoren das Zellwachstum reduziert und das MYCN-amplifizierte Zellen im Vergleich zu MYCN nicht-amplifizierten Zellen verstärkt durch Apoptose sterben. Durch einen Kollaborationspartner konnte die Kombination der beiden Inhibitoren an Mäusen getestet werden. Die mit der Kombination behandelten Mäuse, zeigen ein deutlich reduziertes Tumorwachstum, sowie längeres Überleben. Somit stellt diese Kombination ein therapeutisches Fenster dar und könnte zur Behandlung von Neuroblastompatienten genutzt werden.
KW  - Neuroblastom
KW  - Aurora-A
KW  - MYCN
KW  - neuroblastoma
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-243037
ER  - 
TY  - THES
A1  - López Arboleda, William Andrés
T1  - Global Genetic Heterogeneity in Adaptive Traits
T1  - Globale genetische Heterogenität in adaptiven Merkmalen
N2  - Genome Wide Association Studies (GWAS) have revolutionized the way on
how genotype-phenotype relations are assessed. In the 20 years long history
of GWAS, multiple challenges from a biological, computational, and statistical
point of view have been faced. The implementation of this technique using
the model plant species Arabidopsis thaliana, has enabled the detection of many
association for multiple traits. Despite a lot of studies implementing GWAS
have discovered new candidate genes for multiple traits, different samples are
used across studies. In many cases, either globally diverse samples or samples
composed of accessions from a geographically restricted area are used. With
the aim of comparing GWAS outcomes between populations from different
geographic areas, this thesis describes the performance of GWAS in different
European samples of A. thaliana. Here, association mapping results for flowering
time were compared. Chapter 2 describes the analyses of random resampling
from this original sample. The aim was to establish reduced subsamples to
later carry out GWAS and compare the outcomes between these subsamples.
In Chapter 3, the European sample was split into eight equally-sized local
samples representing different geographic regions. Next, GWAS was carried
out and an attempt was made to clarify the differences in GWAS outcomes.
Chapter 4 contains the results of a collaboration with Prof. Dr. Wolfgang Dröge-
Laser, in which my mainly task was the analysis of RNAseq data from A.
thaliana plants infected by pathogenic fungi. Finally, Appendix A presents a very
short description of my participation in the GHP Project on Access to Care for
Cardiometabolic Diseases (HPACC) at the university of Heidelberg.
N2  - Die genomweiten Assoziationsstudien (GWAS) haben die Art und Weise revolutionierten,
wie genotypische-phänotypische Zusammenhänge untersucht
werden. In der 20-jährigen Geschichte dieser Analysen, gab es zahlreiche biologische,
mathematische und statistische Herausforderungen. Die Anwendung
dieser Methodik in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana ermöglichte die Erkennung
neuer Zusammenhänge für zahlreicher Merkmale. Obwohl viele Studien,
die GWAS implementieren, neue Kandidatengene für verschiedene Merkmale
entdeckt haben, werden in den verschiedenen Analysen oft unterschiedliche
Populationen verwendet. Es werden entweder global unterschiedliche Accessionen
oder alternative welche aus einem geografisch begrenzten Gebiet als
Population für die Anaylsen verwendet. Mit dem Ziel, GWAS-Ergebnisse zwischen
Populationen aus verschiedenen geografischen Gebieten zu vergleichen,
beschreibt diese Arbeit die Eigenschaften der Analyse in verschiedenen europäischen
Populationen von A. thaliana. Verglichen wurden die Ergebnisse der
Assoziationskartierung für die Blütezeit. Kapitel 2 beschreibt die Analysen von
zufälligen Populationen im Vergleich zur gesamten europäischen Population.
Ziel war es, reduzierte Stichproben zu erstellen, um später GWAS durchzuführen
und die Ergebnisse zwischen diesen Stichproben zu vergleichen. In Kapitel 3
wurde die europäische Population in acht gleich große lokale Subpopulationen
aufgeteilt. Diese repräsentieren verschiedene geografische Regionen. Als
nächstes wurde GWAS durchgeführt und die Unterschiede in den jeweilgen
GWAS-Ergebnissen beschrieben. Kapitel 4 behinhaltet die Ergebnisse aus einer
Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Wolfgang Dröge-Laser: Hier war meine Hauptaufgabe
die Analyse von RNAs Sequenzierungsdaten von mit pathogenen
Pilzen befallenen A. thaliana-Pflanzen. Schließlich enthält Anhang A eine zusammenfassende
Beschreibung meiner Mitarbeit am GHP-Projekt zum Zugang zur
Versorgung bei kardiometabolischen Erkrankungen (HPACC) an der Universität
Heidelberg
KW  - Genotype-phenotype relationship
KW  - GWAS
KW  - adaptive traits
KW  - local adaptation
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-242468
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bögelein, Anna
T1  - Einfluss systemischer Therapeutika auf die CXCR4-Expression von Myelomzellen
T1  - Influence of therapeutic agents on CXCR4 expression of myeloma cells
N2  - Im Zuge der Bemühungen um neue, tumorspezifische Therapieansätze für die Myelomerkrankung hat sich der C-X-C-Chemokinrezeptor 4 (CXCR4) aufgrund seiner zentralen Rolle in der Tumorgenese als vielversprechender Angriffspunkt hervorgetan. Im Sinne eines theranostischen Konzepts wird der Rezeptor mithilfe eines radioaktiv markierten Liganden quantifiziert und anschließend von rezeptorspezifischen Radiotherapeutika als Zielstruktur genutzt. Die CXCR4-Expression ist allerdings ein höchst dynamischer Prozess mit großer inter- und intraindividueller Heterogenität, der u.a. durch eine begleitende Chemotherapie beeinflusst werden kann. Ob sich therapieinduzierte Veränderungen der Rezeptorexpression gezielt nutzen lassen, um die CXCR4-Expression zu optimieren und so die Effektivität der CXCR4-gerichteten Strategien zu steigern, wurde bislang nicht untersucht.
Vor diesem Hintergrund wurden in der vorliegenden Arbeit verschiedene, in der Myelomtherapie etablierte Substanzen sowohl einzeln als auch in Kombination hinsichtlich ihres Einflusses auf die CXCR4-Expression von MM-Zelllinien und primären MM-Zellen unter in vitro Bedingungen analysiert.
In den durchgeführten Experimenten zeigte sich eine hohe Variabilität der CXCR4-Expression der MM-Zellen nach Therapieinduktion, die sich als substanz-, dosis- und zeitabhängig herausstellte. Die Ergebnisse bestätigten das große Potenzial der therapieinduzierten Modulation der CXCR4-Expression. Im weiteren Verlauf sind translationale Forschungsansätze gerechtfertigt, die die Übertragbarkeit der in vitro gewonnenen Ergebnisse auf die komplexen Vorgänge im lebenden Organismus überprüfen. Langfristiges Ziel ist der Entwurf eines patientenzentrierten, multimodalen Therapiekonzepts, welches das CXCR4-gerichtete theranostische Konzept mit einer individuell angepassten, medikamentösen MM-Therapie kombiniert.
N2  - In the course of developing new tumor specific therapeutic approaches for non-yet curable myeloma disease C-X-C chemokine receptor 4 (CXCR4) has emerged as a promising target due to its crucial role in myeloma tumorigenesis. Within a theranostic concept CXCR4 is quantified using radioactively labeled ligands and afterwards targeted by receptor-specific radiopharmaceuticals. However, CXCR4 expression is a very dynamic process with a high inter- and intraindividual heterogeneity which can be influenced by concomitant chemotherapy. Whether therapy induced changes in receptor expression can be used to enhance CXCR4 expression and thus to improve efficacy of CXCR4-based theranostics has not been examined so far.
In this context the present study evaluated the effect of several anti-myeloma drugs (bortezomib, cyclophosphamide, dexamethasone, doxorubicin, lenalidomide) on CXCR4 expression of different human myeloma cell lines as well as patient-derived CD138+ plasma cells under in vitro conditions.
Findings disclosed a high variability of CXCR4 expression on myeloma cells after drug application which turned out to be substance-, dose- and time-dependent. The results confirmed the high potential of therapy-induced modulation of CXCR4 expression. In further course, translational research approaches are justified to verify the transferability of the in vitro findings to the complex macro- and microenvironment in vivo. Long-term goal is the development of a patient-centered, multimodal therapy concept which combines CXCR4 based theranostics with a personalized drug-based therapy.
KW  - Plasmozytom
KW  - In vitro
KW  - Multiples Myelom
KW  - Theranostik
KW  - CXCR4
KW  - Gallium-68 Pentixafor
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-241746
ER  - 
TY  - THES
A1  - da Cruz Güerisoli, Irene Maria
T1  - Investigating the murine meiotic telomere complex TERB1-TERB2-MAJIN: spatial organization and evolutionary history
T1  - Untersuchung des murinen meiotischen Telomer-Komplex TERB1-TERB2-MAJIN: spatiale Organisation und Evolutionsgeschichte
N2  - Einess der faszinierenden Merkmale der meiotischen Prophase I sind die
hochkonservierten kräftigen Bewegungen homologer Chromosomen. Diese
Bewegungen sind entscheidend für den Erfolg von Schlüsselereignissen wie die
Ausrichtung, Paarung und Rekombination der homologen Chromosomen.
Mehrere bisher untersuchte Organismen, darunter Säugetiere, Würmer, Hefen
und Pflanzen, erreichen diese Bewegungen, indem sie die Chromosomenenden
an spezialisierten Stellen in der Kernhülle verankern. Diese Verankerung
erfordert Telomer-Adapterproteine, die bisher in der Spalthefe und der Maus
identifiziert wurden.
Die meiosespezifischen Telomer-Adapterproteine der Maus, TERB1, TERB2 und
MAJIN, sind an der Verankerung des ubiquitären Telomer-Shelterin-protein an
den LINC-Komplex beteiligt, mit einem analogen Mechanismus, wie er die
Spalthefe beschrieben wird. Obgleich die meiose-spezifischen TelomerAdapterproteine eine wesentliche Rolle spielen, ist der genaue Mechanismus
der Verankerung der Telomere an die Kernhülle sowie ihre evolutionäre
Geschichte bisher noch wenig verstanden. Das Hauptziel dieser Arbeit ist daher
die Untersuchung der Organisation des meiosespezifischen TelomerAdapterkomplexes TERB1-TERB2-MAJIN der Maus und dessen
Evolutionsgeschichte.
Im ersten Teil dieser Arbeit wurde die Organisation des TERB1-TERB2-MAJIN
Komplexes mittels hochauflösender Mikroskopie (SIM), an Mausspermatozyten
untersucht, sowie die Lokalisation in Bezug auf TRF1 des Telomer-ShelterinKomplexes und die telomerische DNA analysiert. In den Stadien Zygotän und
Pachytän zeigten die Fluoreszenzsignale eine starke Überlappung der Verteilung
der meiotischen Telomer-Komplex-Proteine, wobei die Organisation von TERB2
an den Chromosomenenden heterogener war als die von TERB1 und MAJIN.
Außerdem konnte die TRF1-Lokalisation an den Enden der Lateralelemente
(LEs) mit einer griffartigen Anordnung um die TERB1- und MAJIN-Signale im
Zygotän- und Pachytän-Stadium gezeigt werden. Interessanterweise erwies
sich die telomerische DNA als lateral verteilt und teilweise überlappend mit der
zentralen Verteilung der meiotischen Telomer-Komplex-Proteine an den Enden
der LEs. Die Kombination dieser Ergebnisse erlaubte die Beschreibung eines alternativen Modells der Verankerung der Telomer an die Kernhülle während
der meiotischen Prophase I.
Der zweite Teil dieser Arbeit analysiert die Evolutionsgeschichte der
Mausproteine von TERB1, TERB2 und MAJIN. Die fehlende Übereinstimmung
zwischen den Meiose-spezifische Telomer-Adapteproteinen der Maus und der
Spalthefe hat die Frage nach dem evolutionsbedingten Ursprung dieses
spezifischen Komplexes aufgeworfen. Um vermeintliche Orthologen der
Mausproteinevon TERB1, TERB2 und MAJIN über Metazoen hinweg zu
identifizieren, wurden computergestützte Verfahren und phylogenetische
Analysen durchgeführt. Darüber hinaus wurden Expressionsstudien
implementiert, um ihre potenzielle Funktion während der Meiose zu testen. Die
Analysen haben ergeben, dass der Meiose-spezifische Telomer-Komplex der
Maus sehr alt ist, da er bereits in den Eumetazoen entstand, was auf einen
einzigen Ursprung hindeutet. Das Fehlen jeglicher Homologen des
meiosespezifischen Telomerkomplexes in Nematoden und die einigen wenigen
in Arthropoden nachgewiesenen Kandidaten, deuten darauf hin, dass die
Telomer-Adapterproteine in diesen Abstammungslinien verloren/ersetzt oder
stark diversifiziert worden sind. Bemerkenswerterweise zeigten
Proteindomänen von TERB1, TERB2 und MAJIN, die an der Bildung des
Komplexes sowie an der Interaktion mit dem Telomer-Shelterin-Protein und den
LINC-Komplexen beteiligt sind, eine hohe Sequenzähnlichkeit über alle Kladen
hinweg. Abschließend lieferte die Genexpression im Nesseltier Hydra vulgaris
den Beweis, dass der TERB1-TERB2-MAJIN-Komplex selektiv in der Keimbahn
exprimiert wird, was auf die Konservierung meiotischer Funktionen über die
gesamte Metazoen-Evolution hinweg hindeutet.
Zusammenfassend bietet diese Arbeit bedeutende neue Erkenntnisse
hinsichtlich des Meiose-spezifischen Telomer-Adapterkomplex, seines
Mechanismus zur Verankerung der Telomer an die Kernhülle und die
Entschlüsselung seines Ursprungs in den Metazoen.
N2  - One of the fascinating features of meiotic prophase I, is the highly conserved
vigorous movements of homologous chromosomes. These movements are
critical for the success of essential events as homologs alignment, synapsis and
recombination. Several organisms studied so far, including mammals, worms,
yeast and plants achieve these movements by anchoring the chromosome ends
to specialized sites in the nuclear envelope (NE). This attachment requires
telomere adaptor proteins which have to date been identified in fission yeast
and mice.
The mouse meiosis-specific telomere adaptor proteins TERB1, TERB2, and
MAJIN are involved in the attachment of ubiquitous shelterin telomere to the
LINC complex, in an analogous mechanism as those described in fission yeast.
Despite the essential role of meiosis-specific telomere adaptor proteins, the
precise mechanism of anchorage of telomeres to the nuclear envelope, as well
as their evolutionary history, are still not well understood. Therefore, the main
aim of this thesis is to investigate the organization of the mouse meiosis-specific
telomere adaptor complex TERB1-TERB2-MAJIN and its evolutionary history.
In the first part of this thesis high-resolution Structured Illumination Microscopy
(SIM), indirect immunofluorescence and Telo-FISH on mouse spermatocytes
were used to determine precisely how the telomere complex proteins are
localized with relation to the shelterin telomeric TRF1 protein and telomeric
DNA. During zygotene and pachytene stages staining patterns revealed
extensively overlapping of meiotic telomere complex proteins distributions in
which TERB2 organization is more heterogeneous than TERB1 and MAJIN at
the chromosome ends. Further, TRF1 localization was shown at the side of
lateral elements (LEs) ends with grasp-like distribution surrounding the TERB1
and MAJIN signals in zygotene and pachytene stages. Interestingly, telomeric
DNA was shown to be laterally distributed and partially overlapping with the
more central distribution displayed by meiotic telomere complex proteins of LEs
ends. The combination of these results allowed to describe an alternative model
of the telomere attachment to the NE during meiotic prophase I. The second part of this thesis, analyses mouse TERB1, TERB2, and MAJIN
evolutionary history. The lack of similarity between mouse and fission yeast
meiotic-specific telomere adaptor proteins has raised the question about the
origin of this specific complex through evolution. To identify mouse TERB1,
TERB2, and MAJIN putative orthologues, computational approaches and
phylogenetic analyses were performed. Besides, to test their potential function
during meiosis, expression studies were conducted. From these analyses, it was
revealed that mouse meiosis-specific telomere complex is ancient, as it
originated as early as eumetazoans pointing to a single origin. The absence of
any homologs in Nematoda and only a few candidates detected in Arthropoda
for meiosis-specific telomere complex, seemed, that these proteins have been
lost/replaced or highly diversified in these lineages. Remarkably, TERB1, TERB2,
and MAJIN protein domains involved in the formation of the complex as well as
those required for the interaction with the telomere shelterin protein and the
LINC complexes revealed high sequence similarity across all clades. Finally,
gene expression in the cnidarian Hydra Vulgaris provided evidence that the
TERB1-TERB2-MAJIN complex is selectively expressed in the germline
suggesting conservation of meiotic functions across metazoan evolution.
In summary, this thesis provides significant insights into the meiosis-specific
telomere complex mechanism to engage telomeres to the nuclear envelope and
the elucidation of its origin in metazoans.
KW  - meiosis
KW  - chromosomes telomere-led movement
KW  - TERB1-TERB2-MAJIN
KW  - SIM
KW  - Evolution
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-210562
ER  - 
TY  - THES
A1  - Cruz Garcia, Yiliam
T1  - Interactome of the β2b subunit of L-type voltage-gated calcium channels in cardiomyocytes
T1  - Interaktom der β2b-Untereinheit von spannungsgesteuerten L-Typ Kalziumkanälen in Kardiomyozyten
N2  - L-type voltage-gated calcium channels (LTCC) are heteromultimeric membrane proteins that allow Ca2+ entry into the cell upon plasma membrane depolarization. The β subunit of voltage-dependent calcium channels (Cavβ) binds to the α-interaction domain in the pore-forming α1 subunit and regulates the trafficking and biophysical properties of these channels. Of the four Cavβ isoforms, Cavβ2 is predominantly expressed in cardiomyocytes. This subunit associates with diverse proteins besides LTCC, but the molecular composition of the Cavβ2 nanoenvironments in cardiomyocytes is yet unresolved. Here, we used a protein-labeling technique in living cells based on an engineered ascorbate peroxidase 2 (APEX2). In this strategy, Cavβ2b was fused to APEX2 and expressed in adult rat cardiomyocytes using an adenovirus system. Nearby proteins covalently labeled with biotin-phenol were purified using streptavidin-coated beads and identified by mass spectrometry (MS). Analysis of the in situ APEX2-based biotin labeling by MS revealed 61 proteins located in the nanoenvironments of Cavβ2b, with a high specificity and consistency in all the replicates. These proteins are involved in diverse cellular functions such as cellular trafficking, sarcomere organization and excitation-contraction coupling. Among these proteins, we demonstrated an interaction between the ryanodine receptor 2 (RyR2) and Cavβ2b, probably coupling LTCC and the RyR2 into a supramolecular complex at the dyads. This interaction is mediated by the Src homology 3 (SH3) domain of Cavβ2b and is necessary for an effective pacing frequency‐dependent increase in Ca2+-induced Ca2+ release in cardiomyocytes.
N2  - Die spannungabhängigen L-Typ Kalziumkanäle (LTCC) sind heteromultimere Membranproteine, die den Einstrom von Kalzium (Ca2+) in die Zelle nach Depolarisation der Plasmamembran vermitteln. Die β-Untereinheit von spannungsabhängigen Kalziumkanälen (Cavβ2) bindet an die α-Interaktionsdomäne in der porenformenden α1-Untereinheit und reguliert den Transport und die biophysikalischen Eigenschaften dieser Kanäle. Es gibt vier Isoformen der β-Untereinheiten, die als Cavβ bezeichnet werden, von denen die Cavβ2 Isoform hauptsächlich in Kardiomyozyten exprimiert wird. Diese Untereinheit assoziiert neben dem LTCC mit einer Vielzahl an weiteren Proteinen. Die molekulare Zusammensetzung der Cavβ2 Nanoumgebung, bzw. die Interaktionspartner der Cavβ2 Untereinheit, in Kardiomyozyten ist jedoch immer noch nicht bekannt. In dieser Arbeit verwendeten wir eine Proteinmarkierungstechnik in lebenden Zellen auf Basis einer modifizierten Ascorbatperoxidase 2 (APEX2) um die Cavβ2 Nanoumgebung genauer zu charakterisieren. Dafür wurde Cavβ2b mit APEX2 fusioniert und adenoviral vermittelt in adulten Ratten-Kardiomyozyten exprimiert. APEX2 katalysiert die kovalente Markierung von möglichen Interaktionspartnern in unmittelbarer Nähe der APEX markierten Cavβ2 Untereinheit mit Biotin-Phenol. Markierte Proteine wurden mit Streptavidin beschichteten Beads isoliert und mittels Massenspektrometrie (MS) identifiziert. Die Analyse der MS ergab 61 Proteine in der Nanoumgebung von Cavβ2b. Die Analyse zeichnete sich durch eine hohe Spezifität und Beständigkeit in allen Replikaten aus. Diese identifizierten Proteine haben diverse Funktionen wie zelluläre Transportsteuerung, den Aufbau von Sarkomeren und elektromechanischen Kopplung. Eines dieser Proteinen war der Ryanodinrezeptor 2 (RyR2) und damit konnten wir eine Interaktion von RyR2 und Cavβ2b nachweisen, welche wahrscheinlich die LTCCs und RyR2 zu einem supramolekularen Komplex in den Dyaden verbindet. Diese Interaktion wird durch die Src homology 3 (SH3) Domäne von Cavβ2b vermittelt und ist für einen effektive Stimulationsfrequenz-abhängigen Anstieg der Calcium-induzierten Calciumfreisetzung in Kardiomyozyten notwendig.
KW  - Calciumkanal
KW  - Herzmuskelzelle
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-208579
ER  - 
TY  - THES
A1  - Mayr, Antonia Veronika
T1  - Following Bees and Wasps up Mt. Kilimanjaro: From Diversity and Traits to hidden Interactions of Species
T1  - Auf den Spuren von Bienen und Wespen auf den Kilimandscharo:  Eine Studie über die Diversität, Merkmale und verborgenen Wechselwirkungen zwischen Arten
N2  - Chapter 1 – General Introduction

One of the greatest challenges of ecological research is to predict the response of ecosystems to global change; that is to changes in climate and land use. A complex question in this context is how changing environmental conditions affect ecosystem processes at different levels of communities. To shed light on this issue, I investigate drivers of biodiversity on the level of species richness, functional traits and species interactions in cavity-nesting Hymenoptera. For this purpose, I take advantage of the steep elevational gradient of Mt. Kilimanjaro that shows strong environmental changes on a relatively small spatial scale and thus, provides a good environmental scenario for investigating drivers of diversity. In this thesis, I focus on 1) drivers of species richness at different trophic levels (Chapter 2); 2) seasonal patterns in nest-building activity, life-history traits and ecological rates in three different functional groups and at different elevations (Chapter 3) and 3) changes in cuticular hydrocarbons, pollen composition and microbiomes in Lasioglossum bees caused by climatic variables (Chapter 4).

Chapter 2 – Climate and food resources shape species richness and trophic interactions of cavity-nesting Hymenoptera

Drivers of species richness have been subject to research for centuries. Temperature, resource availability and top-down regulation as well as the impact of land use are considered to be important factors in determining insect diversity. Yet, the relative importance of each of these factors is unknown. Using trap nests along the elevational gradient of Mt. Kilimanjaro, we tried to disentangle drivers of species richness at different trophic levels. Temperature was the major driver of species richness across trophic levels, with increasing importance of food resources at higher trophic levels in natural antagonists. Parasitism rate was both related to temperature and trophic level, indicating that the relative importance of bottom-up and top-down forces might shift with climate change.

Chapter 3 – Seasonal variation in the ecology of tropical cavity-nesting Hymenoptera

Natural populations fluctuate with the availability of resources, presence of natural enemies and climatic variations. But tropical mountain seasonality is not yet well investigated. We investigated seasonal patterns in nest-building activity, functional traits and ecological rates in three different insect groups at lower and higher elevations separately. Insects were caught with trap nests which were checked monthly during a 17 months period that included three dry and three rainy seasons. Insects were grouped according to their functional guilds. All groups showed strong seasonality in nest-building activity which was higher and more synchronised among groups at lower elevations. Seasonality in nest building activity of caterpillar-hunting and spider-hunting wasps was linked to climate seasonality while in bees it was strongly linked to the availability of flowers, as well as for the survival rate and sex ratio of bees. Finding adaptations to environmental seasonality might imply that further changes in climatic seasonality by climate change could have an influence on life-history traits of tropical mountain species.

Chapter 4 – Cryptic species and hidden ecological interactions of halictine bees along an elevational Gradient

Strong environmental gradients such as those occurring along mountain slopes are challenging for species. In this context, hidden adaptations or interactions have rarely been considered. We used bees of the genus Lasioglossum as model organisms because Lasioglossum is the only bee genus occurring with a distribution across the entire elevational gradient at Mt. Kilimanjaro. We asked if and how (a) cuticular hydrocarbons (CHC), which act as a desiccation barrier, change in composition and chain length along with changes in temperature and humidity (b), Lasioglossum bees change their pollen diet with changing resource availability, (c) gut microbiota change with pollen diet and climatic conditions, and surface microbiota change with CHC and climatic conditions, respectively, and if changes are rather influenced by turnover in Lasioglossum species along the elevational gradient. We found physiological adaptations with climate in CHC as well as changes in communities with regard to pollen diet and microbiota, which also correlated with each other. These results suggest that complex interactions and feedbacks among abiotic and biotic conditions determine the species composition in a community. 

Chapter 5 – General Discussion

Abiotic and biotic factors drove species diversity, traits and interactions and they worked differently depending on the functional group that has been studied, and whether spatial or temporal units were considered. It is therefore likely, that in the light of global change, different species, traits and interactions will be affected differently. Furthermore, increasing land use intensity could have additional or interacting effects with climate change on biodiversity, even though the potential land-use effects at Mt. Kilimanjaro are still low and not impairing cavity-nesting Hymenoptera so far. Further studies should address species networks which might reveal more sensitive changes. For that purpose, trap nests provide a good model system to investigate effects of global change on multiple trophic levels and may also reveal direct effects of climate change on entire life-history traits when established under different microclimatic conditions. The non-uniform effects of abiotic and biotic conditions on multiple aspects of biodiversity revealed with this study also highlight that evaluating different aspects of biodiversity can give a more comprehensive picture than single observations.
N2  - Kapitel 1 – Allgemeine Einführung

Eine der größten Herausforderungen der ökologischen Forschung ist es, die Reaktion der Ökosysteme auf den globalen Wandel, d.h. auf Veränderungen von Klima und Landnutzung, vorherzusagen. Eine komplexe Frage in diesem Zusammenhang ist, wie sich verändernde Umweltbedingungen auf die Ökosystemprozesse auf verschiedenen Ebenen von Gemeinschaften auswirken. Um dieses Thema näher zu beleuchten, untersuche ich die Triebkräfte der Biodiversität auf der Ebene des Artenreichtums, der funktionellen Eigenschaften und der Wechselwirkungen zwischen Arten bei Hautflüglern, die in Hohlräumen nisten. Zu diesem Zweck nutze ich den steilen Höhengradienten des Kilimandscharo, der starke Umweltveränderungen auf relativ kleinem Raum mit sich bringt und somit ein gutes System für die Untersuchung von Triebkräften der biologischen Vielfalt bietet. In dieser Arbeit konzentriere ich mich auf 1) Triebkräfte des Artenreichtums auf verschiedenen trophischen Ebenen (Kapitel 2); 2) saisonale Muster in der Nestbauaktivität, lebensgeschichtliche Merkmale und ökologische Raten in drei verschiedenen funktionellen Gruppen und in verschiedenen Höhenlagen (Kapitel 3) und 3) Veränderungen in kutikulären Kohlenwasserstoffen, Pollenzusammensetzung und Mikrobiomen bei Lasioglossum Bienen, die durch klimatische Faktoren  verursacht werden (Kapitel 4).

Kapitel 2 – Klima und Nahrungsressourcen prägen den Artenreichtum und die trophischen Wechselwirkungen von hohlraumnistenden Hautflüglern

Die Triebkräfte des Artenreichtums werden seit Jahrhunderten erforscht. Temperatur, Ressourcenverfügbarkeit und Top-Down-Regulierung sowie die Auswirkungen der Landnutzung werden als wichtige Faktoren für die Bestimmung der Insektenvielfalt angesehen. Die relative Bedeutung jedes dieser Faktoren ist jedoch unbekannt. Mit Hilfe von Nisthilfen entlang des Höhengradienten des Kilimandscharo versuchten wir, die Triebkräfte des Artenreichtums auf verschiedenen trophischen Ebenen zu enträtseln. Die Temperatur war der Hauptfaktor für den Artenreichtum auf allen trophischen Ebenen, wobei die Bedeutung der Nahrungsressourcen auf den höheren trophischen Ebenen der natürlichen Antagonisten zunahm. Die Parasitierungsrate wurde sowohl durch die Temperatur als auch durch die trophische Ebene bestimmt, was darauf hindeutet, dass sich die relative Bedeutung der Bottom-up- und Top-down-Kräfte mit dem Klimawandel verschieben könnte.

Kapitel 3 – Saisonale Schwankungen in der Ökologie von tropischen hohlraumnistenden Hautflüglern

Natürliche Populationen schwanken mit der Verfügbarkeit von Ressourcen, dem Vorhandensein natürlicher Feinde und klimatischen Schwankungen. Die Saisonalität ist jedoch auf tropischen Bergen noch nicht gut untersucht. Wir untersuchten saisonale Muster in der Nestbauaktivität, funktionale Merkmale und ökologische Raten bei drei verschiedenen Insektengruppen in niedrigeren und höheren Höhenlagen. Insekten wurden mit Nisthilfen gefangen, die während eines Zeitraums von 17 Monaten, der drei Trocken- und drei Regenzeiten umfasste, monatlich überprüft wurden. Die Insekten wurden nach ihren funktionalen Gilden eingeteilt. Alle Gruppen zeigten eine starke Saisonalität im Nestbau, die in niedrigeren Lagen höher war und dort zwischen den Gruppen stärker synchronisiert war. Die Saisonalität im Nestbau von Raupen- und Spinnen- jagenden Wespen war mit saisonalen Klimaschwankungen verbunden, während sie bei Bienen stark von der Verfügbarkeit von Blüten abhing, genauso wie die Überlebensrate und das Geschlechterverhältnis der Bienen von der Blütenmenge abhing. Die Anpassung an die Saisonalität der Umwelt könnte bedeuten, dass weitere Veränderungen der saisonalen Klimaschwankungen durch den Klimawandel einen Einfluss auf die lebensgeschichtlichen Merkmale tropischer Bergarten haben könnten.

Kapitel 4 – Kryptische Arten und versteckte ökologische Wechselwirkungen bei Schmalbienen entlang eines Höhengradienten

Starke Umweltgradienten, wie sie an Berghängen auftreten, stellen für Arten eine Herausforderung dar. Versteckte Anpassungen oder Interaktionen wurden in diesem Zusammenhang selten berücksichtigt. Als Modellorganismen haben wir Bienen der Gattung Lasioglossum verwendet, da Lasioglossum die einzige Bienengattung ist, die über den gesamten Höhengradienten am Kilimandscharo weit verbreitet ist. Wir fragten, ob und wie (a) kutikuläre Kohlenwasserstoffe (CHC), die als Barriere gegen Austrocknung wirken, sich in ihrer Zusammensetzung und Kettenlänge entlang von Temperatur- und Feuchtigkeitsänderungen verändern; (b) Lasioglossum Bienen ihre Pollennahrung mit wechselnder Ressourcenverfügbarkeit ändern; (c) Änderungen von Darm-Mikrobiota mit Pollennahrung und Klimabedingungen und Änderungen von Oberflächen-Mikrobiota mit CHC und Klimabedingungen zusammen hängen, und ob die Veränderungen eher durch den Wechsel von Lasioglossum Arten entlang des Höhengradienten beeinflusst werden. Wir fanden physiologische Anpassungen an das Klima in CHC, sowie Veränderungen in der Zusammensetzung von Pollennahrung und Mikrobiota, die auch miteinander korrelierten. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass komplexe Wechselwirkungen und Rückkopplungen zwischen abiotischen und biotischen Bedingungen die Artenzusammensetzung in einer Gemeinschaft bestimmen.

Kapitel 5 – Allgemeine Diskussion

Abiotische und biotische Faktoren förderten die Artenvielfalt, Eigenschaften und Wechselwirkungen von Arten und sie wirkten unterschiedlich, je nachdem, welche funktionelle Gruppe untersucht wurde und ob räumliche oder zeitliche Einheiten berücksichtigt worden sind. Es ist daher wahrscheinlich, dass im Lichte des globalen Wandels verschiedene Arten, Merkmale und Wechselwirkungen unterschiedlich betroffen sein werden. Darüber hinaus könnte eine zunehmende Landnutzungsintensität zusätzliche Auswirkungen oder Wechselwirkungen mit dem Klimawandel auf die Biodiversität haben, auch wenn die potenziellen Landnutzungseffekte am Kilimandscharo noch gering sind und bis jetzt die hohlraumnistenden Hautflüglern nicht beeinträchtigen. Weitere Studien sollten sich mit Nahrungsnetzwerken befassen, die empfindlichere Veränderungen aufzeigen könnten. Nisthilfen bieten dafür ein gutes Modellsystem, um die Auswirkungen des globalen Wandels auf mehreren trophischen Ebenen zu untersuchen, und können auch direkte Auswirkungen des Klimawandels auf ganze lebensgeschichtliche Merkmale aufzeigen, wenn sie unter verschiedenen mikroklimatischen Bedingungen etabliert werden. Die nicht einheitlichen Auswirkungen abiotischer und biotischer Bedingungen auf mehrere Aspekte der Biodiversität, die in dieser Studie gezeigt wurden, zeigen auch, dass die Untersuchung verschiedener Aspekte der Biodiversität ein umfassenderes Bild vermitteln kann als Einzelbetrachtungen.
KW  - land use
KW  - Landnutzung
KW  - climate change
KW  - bees
KW  - wasps
KW  - biodiversity
KW  - Klimawandel
KW  - Bienen
KW  - Wespen
KW  - Biodiversität
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-182922
ER  - 
TY  - THES
A1  - Krimmer, Elena
T1  - Agri-environment schemes and ecosystem services: The influence of different sown flower field characteristics on pollination, natural pest control and crop yield
T1  - Agrarumweltmaßnahmen und Ökosystemdienstleistungen: der Einfluss unterschiedlicher Blühflächen Merkmale auf Bestäubung, natürliche Schädlingskontrolle und Erträge
N2  - Insects are responsible for the major part of the ecosystem services pollination and natural pest control. If insects decline, these ecosystem services can not longer be reliably delivered. Agricultural intensification and the subsequent loss and fragmentation of habitats has among others been identified to cause insect decline. Ecological intensification aims to promote alternative and sustainable management practices in agricultural farming, for example to decrease the use of external inputs such as pesticides. Agri-environment schemes make amends for farmers if they integrate ecologically beneficial measures into their farming regime and can therefore promote ecological intensification. There is a wide variety of agri-environment schemes, but the implementation of sown flower fields on crop fields is often included. Flower fields offer foraging resources as well as nesting sites for many different insect species and should be able to support insect populations as well as to increase ecosystem services to adjacent fields. However, the potential of flower fields to exhibit these effects is depending on many factors. Among others, the age and size of the flower field can influence if and how different insects profit from the measure. Additionally, the complexity of the surrounding landscape and therefore the existing biodiversity is influencing the potential of flower fields to increase ecosystem services locally. The goal of this study is to disentangle to which degree these factors influence the ecosystem services pollination and natural pest control and if these factors interact with each other. Furthermore, it will be examined if and how flower fields and ecosystem services influence crop yield. Additional factors examined in this study are distance decay and pesticide use. The abundance of beneficial insects can decrease strongly with increasing distance to suitable habitats. Pesticide use in turn could abrogate positive effects of flower fields on beneficial insects. 
	To examine these different aspects and to be able to make recommendations for flower field implementation, field experiments were conducted on differently composed sown flower fields and adjacent oilseed rape fields. Flower fields differed in their age and continuity as well as in their size. Additionally, flower and oilseed rape fields were chosen in landscapes with different amounts of semi-natural habitat. Oilseed rape fields adjacent to calcareous grasslands and conventional crop fields served as controls. Pollinator observations and pollen beetle and parasitism surveys were conducted in the oilseed rape fields. Additionally, different yield parameters of the oilseed rape plants were recorded. Observations were conducted and samples taken in increasing distance to the flower fields to examine distance decay functions. Spray windows were established to inspect the influence of pesticides on ecosystem services and crop yields. Linear mixed models were used for statistical analysis. 
	The results show, that newly established flower fields with high amounts of flower cover are very attractive for pollinators. If the flower fields reached a certain size (> 1.5ha), the pollinators tended to stay in these fields and did not distribute into the surroundings. High amounts of semi-natural habitat in the surrounding landscape increased the value of small flower fields as starting points for pollinators and their subsequent spillover into crop fields. Additionally, high amounts of semi-natural habitat decreased the decay of pollinators with increasing distance to the flower fields. Based on these results, it can be recommended to establish many small flower fields in landscapes with high amounts of semi-natural habitat and large flower fields in landscapes with low amounts of semi-natural habitat. However, it is mentionable that flower fields are no substitute for perennial semi-natural habitats. These still must be actively conserved to increase pollination to crop fields. 
	Furthermore, the lowest amount of pollen beetle infestation was found on oilseed rape fields adjacent to continuous flower fields aged older than 6 years. Flower fields and calcareous grasslands in general increased pollen beetle parasitism in adjacent oilseed rape fields compared to conventional crop fields. The threshold for effective natural pest control could only be reached in the pesticide free areas in the oilseed rape fields adjacent to continuous flower fields and calcareous grasslands. Parasitism and superparasitism declined with increasing distance to the adjacent fields in pesticide treated areas of the oilseed rape fields. However, they remained on a similar level in spray windows without pesticides. Large flower fields increased parasitism and superparasitism more than small flower fields. Flower fields generally have the potential to increase pollen beetle parasitism rates, but pesticides can abrogate these positive effects of flower fields on natural pest control. 
	Last but not least, effects of flower fields and ecosystem services on oilseed rape yield were examined. No positive effects of pollination on oilseed rape yield could be found. Old and continuous flower fields increased natural pest control in oilseed rape fields, which in turn increased seed set and total seed weight of oilseed rape plants. The pesticide treatment had negative effects on natural pest control, but positive effects on crop yield. Pollination and natural pest control decreased with increasing distance to the field edge, but fruit set slightly increased. The quality of the field in terms of soil and climatic conditions did not influence the yield parameters examined in this study. Yield formation in oilseed rape plants is a complex process with many factors involved, and it is difficult to disentangle indirect effects of flower fields on yield. However, perennial flower fields can promote ecological intensification by increasing crop yield via natural pest control. This study contributes to a better understanding of the effects of differently composed flower fields on pollination, natural pest control and oilseed rape yield.
N2  - Insekten sind für einen Großteil der Ökosystemdienstleistungen Bestäubung und natürliche Schädlingskontrolle zuständig. Schwinden die Insekten, so können diese Dienstleistungen nicht mehr zuverlässig gewährleistet werden. Als Ursachen für den Rückgang an Insekten wurde unter anderem die Intensivierung der Landwirtschaft und damit einhergehend der Verlust und die Fragmentierung von Lebensraum identifiziert. Ökologische Intensivierung hat das Ziel, alternative und nachhaltige Bewirtschaftungsmethoden in der Landwirtschaft zu fördern und beispielsweise den Einsatz von Spritzmitteln zu verringern. Agrarumweltmaßnahmen entschädigen Landwirte, wenn sie ökologisch wertvolle Maßnahmen in ihren Betrieb integrieren und können dadurch ökologische Intensivierung unterstützen. Die Bandbreite an Agrarumweltmaßnahmen ist groß, beinhaltet aber häufig das Anlegen von Blühflächen auf Ackerflächen. Blühflächen liefern Nahrungsressourcen und Lebensraum für eine Vielzahl von Insekten und sollten daher in der Lage sein Insektenpopulationen zu unterstützen und Ökosystemdienstleistungen auf angrenzenden Feldern zu verstärken. Jedoch ist das ökologische Potential von Blühflächen von einer Vielzahl von Faktoren abhängig. Unter anderem können das Alter und die Größe der Blühfläche entscheidend beeinflussen, inwiefern unterschiedliche Insektengruppen profitieren. Zusätzlich hat die Landschaftskomplexität der direkten Umgebung, und damit die potentiell vorhandene Biodiversität, großen Einfluss auf die Fähigkeit von Blühflächen Ökosystemdienstleistungen lokal zu erhöhen. In dieser Studie geht es darum zu entschlüsseln, wie sich diese verschiedenen Faktoren sich auf die beiden Ökosystemdienstleistungen Bestäubung und natürliche Schädlingskontrolle auswirken und ob sie sich gegenseitig beeinflussen. Zusätzlich soll untersucht werden, inwiefern Blühflächen und Ökosystemdienstleistungen Erträge beeinflussen können. Weitere in dieser Studie untersuchte Einflussfaktoren sind die Distanz zur Blühfläche und der Einsatz von Pestiziden. Die Abundanz von Nützlingen kann mit der Distanz zu geeigneten Habitaten stark abnehmen. Der Einsatz von Spritzmitteln wiederum könnte die positiven Einflüsse der Blühflächen auf Nützlinge aufheben. 
Um diese verschiedenen Aspekte zu untersuchen und letztendlich Empfehlung für die Etablierung von Blühflächen geben zu können, wurden Feldversuche auf Blühflächen mit unterschiedlicher Beschaffenheit und auf angrenzenden Rapsflächen durchgeführt. Die Blühflächen unterschieden sich hierbei in ihrem Alter und ihrer Kontinuität. Zusätzlich wurden Blühflächen mit unterschiedlicher Größe getestet. Außerdem wurden die Blühflächen und ihre benachbarten Rapsfelder so ausgewählt, dass sie sich in Landschaften mit unterschiedlichem Anteil an halbnatürlichen Habitaten befinden. Rapsflächen neben Kalkmagerrasen und Äckern mit konventionellen Feldfrüchten dienten als Kontrollflächen. Auf den Rapsflächen wurden Bestäuberbeobachtungen sowie Aufnahmen von Rapsglanzkäferbefall und deren Parasitierung durchgeführt. Zusätzlich wurden verschiedene Ertragsparameter von Raps aufgenommen. Die Untersuchungen fanden jeweils in unterschiedlichen Distanzen zur Blühfläche innerhalb des Rapsfeldes statt, um Distanz-Abnahme Funktionen zu untersuchen. Spritzfenster wurden etabliert, um den Einfluss von Pestiziden auf Ökosystemdienstleistungen und Erträge zu untersuchen. Für die statistische Auswertung wurden lineare gemischte Modelle verwendet.
Die Ergebnisse haben zum einen gezeigt, dass frisch angelegte Blühflächen mit hoher Blütendeckung sehr attraktiv für Bestäuber sind. Jedoch blieben die Bestäuber in den Blühflächen, wenn diese eine gewisse Größe hatten (> 1.5ha) und verteilten sich nicht auf die umgebenden Flächen. Ein hoher Anteil an halbnatürlichen Habitaten in der umgebenden Landschaft erhöhte den Wert von kleinen Blühflächen als Ausgangspunkt für Bestäuber und ihren anschließenden Übergang auf Ackerflächen. Hohe Mengen an halbnatürlichen Habitaten verringerten außerdem den Rückgang der Bestäuber mit steigender Entfernung zur Blühfläche. Auf Grundlage dieser Ergenisse wäre es zu empfehlen, kleine Blühflächen in Landschaften mit viel halbnatürlichem Habitat und große Blühflächen in Landschaften mit wenig halbnatürlichem Habitat anzulegen. Außerdem ist anzumerken, dass Blühflächen keinen adequaten Ersatz für dauerhafte halbantürliche Habitate darstellen. Diese müssen weiterhin aktiv geschützt und erhalten werden, um Bestäubung auf Ackerflächen zu fördern. Des Weiteren wurde auf Rapsflächen neben kontinuierlichen Blühflächen mit einem Alter über 6 Jahre der niedrigste Befall mit Rapsglanzkäferlarven festgestellt. Blühflächen und Kalkmagerrasen erhöhten die Parasitierung von Rapsglanzkäfern in benachbarten Rapsflächen im Vergleich zu Rapsflächen die neben Ackerflächen liegen. Der Schwellenwert für eine effektive natürliche Schädlingskontrolle wurde nur in den pestizidfreien Bereichen in Rapsflächen neben kontinuierlichen Blühflächen und Kalkmagerasen erreicht. In mit Pestiziden behandelten Bereichen nahmen Parasitismus und Superparasitismus mit zunehmender Entfernung zum benachbarten Feld ab. In den Spritzfenstern ohne Pestizide blieben sie jedoch auf dem gleichen Niveau. Große Blühflächen erhöhten Parasitismus und Superparasitismus mehr als kleine. Insgesamt können Blühflächen die Parasitierungsraten von Rapsglanzkäfern auf Rapsflächen erhöhen, jedoch können Pestizide diese positiven Effekte aufheben. 
Zuletzt wurden die Effekte von Blühflächen und Ökosystemdienstleistungen auf den Rapsertrag untersucht. Hier stellte sich heraus, dass Bestäubung keine positiven Effekte auf den Rapsertrag hatte. Alte und kontinuierliche Blühflächen erhöhten die natürliche Schädlingskontrolle in den Rapsfeldern, welche wiederrum den Samenansatz und das absolute Samengewicht erhöhten. Die Behandlung mit Pestiziden hatte negative Asuwirkungen auf natürliche Schädlingskontrolle, aber positive Auswirkungen auf den Ertrag. Bestäubung und natürliche Schädlingskontrolle nahmen mit der zunehmenden Entfernung zum Feldrand ab, aber der Fruchtansatz nahm leicht zu. Die Feldqualität hatte keine Auswirkungen auf die im Modell untersuchten Rapsertrag Messwerte. Ertragsbildung bei Rapspflanzen ist ein komplexer Vorgang an dem viele Faktoren beteiligt sind. Mehrjährige Blühflächen können ökologische Intensivierung fördern indem sie den Ertrag durch natürliche Schädlingskontrolle erhöhen. Diese Studie leistet einen wertvollen Beitrag zum besseren Verständnis der Auswirkungen von unterschiedlich beschaffenen Blühflächen auf Bestäubung, natürliche Schädlingskontrolle und Rapsertrag.
KW  - Ökologie
KW  - Agrarumweltmaßnahmen
KW  - Ökosystemdienstleistung
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-206577
ER  - 
TY  - THES
A1  - Vollmuth, Nadine
T1  - Role of the proto-oncogene c-Myc in the development of Chlamydia trachomatis
T1  - Die Rolle des proto-onkogenes c-Myc in der Entwicklung von Chlamydia trachomatis
N2  - Chlamydia trachomatis, an obligate intracellular human pathogen, is the world’s leading cause of infection related blindness and the most common, bacterial sexually transmitted disease. In order to establish an optimal replicative niche, the pathogen extensively interferes with the physiology of the host cell. Chlamydia switches in its complex developmental cycle between the infectious non-replicative elementary bodies (EBs) and the non-infectious replicative reticulate bodies (RBs). The transformation to RBs, shortly after entering a host cell, is a crucial process in infection to start chlamydial replication. Currently it is unknown how the transition from EBs to RBs is initiated. In this thesis, we could show that, in an axenic media approach, L glutamine uptake by the pathogen is crucial to initiate the EB to RB transition. L-glutamine is converted to amino acids which are used by the bacteria to synthesize peptidoglycan. Peptidoglycan inturn is believed to function in separating dividing Chlamydia. The glutamine metabolism is reprogrammed in infected cells in a c-Myc-dependent manner, in order to accomplish the increased requirement for L-glutamine. Upon a chlamydial infection, the proto-oncogene c-Myc gets upregulated to promote host cell glutaminolysis via glutaminase GLS1 and the L-glutamine transporter SLC1A5/ASCT2. Interference with this metabolic reprogramming leads to limited growth of C. trachomatis. Besides the active infection, Chlamydia can persist over a long period of time within the host cell whereby chronic and recurrent infections establish. C. trachomatis acquire a persistent state during an immune attack in response to elevated interferon-γ (IFN-γ) levels. It has been shown that IFN-γ activates the catabolic depletion of L-tryptophan via indoleamine 2,3-dioxygenase (IDO), resulting in the formation of non-infectious atypical chlamydial forms. In this thesis, we could show that IFN-γ depletes the key metabolic regulator c-Myc, which has been demonstrated to be a prerequisite for chlamydial development and growth, in a STAT1-dependent manner. Moreover, metabolic analyses revealed that the pathogen de routs the host cell TCA cycle to enrich pyrimidine biosynthesis. Supplementing pyrimidines or a-ketoglutarate helps the bacteria to partially overcome the persistent state. Together, the results indicate a central role of c-Myc induced host glutamine metabolism reprogramming and L-glutamine for the development of C. trachomatis, which may provide a basis for anti-infectious strategies. Furthermore, they challenge the longstanding hypothesis of L-tryptophan shortage as the sole reason for IFN-γ induced persistence and suggest a pivotal role of c-Myc in the control of the C. trachomatis dormancy.
N2  - Chlamydia trachomatis, ein obligat intrazellul¨ares humanes Pathogen, ist weltweit fu¨hrende Ursache fu¨r infektionsbedingte Erblindung und die h¨aufigste, bakterielle sexuell u¨bertragbare Krankheit. Um eine optimale Replikationsnische zu etablieren, interagiert das Pathogen in tensiv mit der Physiologie der Wirtszelle. Chlamydien wechseln in ihrem komplexen Entwick lungszyklus zwischen den infekti¨osen nicht replizierenden Elementark¨orperchen (EBs) und den nicht infekti¨osen replizierenden Retikulark¨orperchen (RBs), und diese Umwandlung in RBs kurz nach dem Eintritt in die Wirtszelle ist ein entscheidender Prozess in der Infektion, um die Replikation des Bakteriums einzuleiten. Derzeit ist noch nicht bekannt, wodurch diese Transformation von EBs zu RBs eingeleitet wird. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass bei einer zellfreien Kultivierung des Pathogens die Aufnahme von Glutamin durch den Erreger entscheidend ist, um den ¨Ubergang von EB zu RB zu initiieren. Vor kurzem wurde Peptidoglykan in den Septen von sich replizierenden Chlamydien nachgewiesen. Fu¨r die Syn these des Peptidoglykans nutzen die Bakterien das aufgenommene Glutamin. Der Glutamin metabolismus wird in infizierten Zellen c-Myc abh¨angig umprogrammiert, um den erh¨ohten Bedarf an Glutamin zu bew¨altigen. Bei einer Chlamydieninfektion wird das Proto-Onkogen c-Myc zur F¨orderung der Glutaminolyse der Wirtszelle u¨ber die Glutaminase GLS1 und den Glutamin Transporter SLC1A5/ASCT2 hochreguliert. Ein Eingreifen in diese metabolische Neuprogrammierung fu¨hrt zu einem reduzierten Wachstum von C. trachomatis. Neben der aktiven Infektion k¨onnen Chlamydien u¨ber einen sehr langen Zeitraum in der Wirtszelle persistieren, wodurch es zur Etablierung von chronischen und wiederkehrenden Infektionen kommt. C. trachomatis verf¨allt bei einem Immunangriff in Persistenz, wenn sie auf das freigesetzte Interferon-γ treffen. Es ist bekannt, dass Interferon-γ den Katabolismus von Tryptophan mittels indoleamine 2,3-dioxygenase (IDO) aktiviert, was zur Bildung von nicht infekti¨osen atypischen Chlamydienformen fu¨hrt. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass Interferon-γ den zentralen Stoffwechselregulator c-Myc, der sich fu¨r die Entwicklung und das Wachstum von Chlamydien als essentiell erwiesen hat, in Abh¨angigkeit von STAT1 herunter reguliert. Daru¨ber hinaus zeigte die Analyse des Metabolismus, dass das Pathogen den TCA Zyklus der Wirtszelle umleitet, um die Pyrimidinbiosynthese zu unterstu¨tzen. Die Zugabe von Pyrimidinen oder α-Ketoglutarat hilft den Bakterien den Status der Persistenz teilweise zu u¨berwinden. Zusammengenommen deuten die Ergebnisse auf eine zentrale Rolle der c-Myc induzierten Umprogrammierung des Glutaminmetabolismus und des Glutamins selbst fu¨r die Entwicklung von C. trachomatis hin. Diese Befunde k¨onnten eine Basis fu¨r Strategien gegen eine Infektion darstellen. Weiterhin stellen sie die seit langem bestehende Hypothese des Trypotphanmangels als alleiniger Grund fu¨r die von Interferon-γ induzierte Persistenz in Frage und legen eine zentrale Rolle von c-Myc bei der Kontrolle der C. trachomatis Dormanz nahe.
KW  - Chlamydia trachomatis
KW  - Persistence
KW  - trachomatis
KW  - chlamydia
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-203655
ER  - 
TY  - THES
A1  - Roth, Nicolas Mériadec Max André
T1  - Temporal development of communities with a focus on insects, in time series of one to four decades
T1  - Entwicklung von Artengemeinschaften in der Zeit mit einem Fokus auf Insekten in Zeitreihen von einer bis vier Dekaden
N2  - Changes and development are fundamental principles in biocenoses and can affect a multitude of ecological processes. In insect communities phenological and density changes, changes in species richness and community composition, as well as interactions between those changes, are the most important macro processes. However, climate change and other factors like habitat degradation and loss alter these processes leading to shifts and general biodiversity declines. Even though knowledge about insect decline in central Europe increased during the last decades, there are significant knowledge gaps about the development of insect communities in certain habitats and taxa. For example, insect communities in small lentic as well as in forested habitats are under-sampled and reported to be less endangered than communities in other habitats. Furthermore, the changes within habitats and taxa are additionally influenced by certain traits, like host or feeding specialization. To disentangle these influences and to increase the knowledge about the general long-term development of insect communities, comprehensive long-term monitoring studies are needed. In addition, long-term effects of conservation strategies should also be evaluated on large time scales in order to be able to decide on a scientific base which strategies are effective in promoting possibly declining taxa. Hence, this thesis also tackles the effects of an integrative conservation strategy on wood dependent beetle and fungi, beside the development of water beetle and macro moth communities over multiple decades. In Chapter 2 I present a study on the development of water beetle communities (Dytiscidae, Haliplidae, Noteridae) in 33 water bodies in Southern Germany from 1991 to 2018. Time-standardized capture per waterbody was used during three periods: between 1991 and 1995, 2007 and 2008, and 2017 and 2018. Results showed annual declines in both species number (ca. -1%) and abundance (ca. -2%). In addition, community composition shifted over time in part due to changing pH values. Hence, the recorded changes during the 28-year study period partly reflect natural succession processes. However, since also moor-related beetle species decreased significantly, it is likely that water beetles in southern Germany are also threatened by non-successional factors, including desiccation, increased nitrogen input and/or mineralization, as well as the loss of specific habitats. The results suggest, that in small to midsize lentic waterbodies, current development should aim for constant creation of new water bodies and protection of moor waterbodies in order to protect water beetle communities on a landscape scale. In Chapter 3 I present an analysis of the development of nocturnal macro moth species richness, abundance and biomass over four decades in forests of southern Germany. Two local scale data sets featuring a coppiced oak forest as well as an oak high forest were analysed separately from a regional data set representing all forest types in the temperate zone of Central Europe. At the regional scale species richness, abundance and biomass showed annual declines of ca. 1 %, 1.3 % and 1.4 %, respectively. These declines were more pronounced in plant host specialists and in dark coloured species. In contrast, species richness increased by ca. 1.5 % annually in the coppiced forest, while no significant trends were found in the high forest. In contrast to past assumptions, insect decline apparently affects also hyper diverse insect groups in forests. Since host specialists and dark coloured species were affected more heavily by the decline than other groups, habitat loss and climate change seem to be potential drivers of the observed trends. However, the positive development of species richness in the coppiced oak forest indicates that maintaining complex and diverse forest ecosystems through active management might compensate for negative trends in biodiversity. Chapter 4 features a study specifically aiming to investigate the long-term effect of deadwood enrichment as an integrative conservation strategy on saproxylic beetles and fungi in a central European beech forest at a landscape scale. A before–after control–impact design, was used to compare assemblages and gamma diversities of saproxylic organisms (beetles and fungi) in strictly protected old-growth forest areas (reserves) and previously moderately and intensively managed forest areas. Forests were sampled one year before and a decade after starting a landscape-wide strategy of dead-wood enrichment. Ten years after the start of the dead-wood enrichment, neither gamma diversities of saproxylic organisms nor species composition of beetles did reflect the previous management types anymore. However, fungal species composition still mirrored the previous management gradient. The results demonstrated that intentional enrichment of dead wood at the landscape scale can effectively restore communities of saproxylic organisms and may thus be a suitable strategy in addition to permanent strict reserves in order to protect wood dependent organisms in Europe. In this thesis I showed, that in contrast to what was assumed and partly reported so far, also water beetles in lentic water bodies and macro moths in forests decreased in species richness, abundance and biomass during the last three to four decades. In line with earlier studies, especially dark coloured species and specialists decreased more than light-coloured species and generalists. The reasons for these declines could partly be attributed to natural processes and pollution and possibly to climate change. However, further studies, especially experimental ones, will be needed to achieve a better understanding of the reasons for insect decline. Furthermore, analyses of time series data should be interpreted cautiously especially if the number of sampling years is smaller than ten years. In addition, validation techniques such as left- and right- censoring and cross validation should be used in order to proof the robustness of the analyses. However, the lack of knowledge, we are still facing today, should not prevent scientists and practitioners from applying conservation measures. In order to prove the effectiveness of such measures, long-term monitoring is crucial. Such control of success is essential for evidence based and thus adapted conservation strategies of threatened organisms.
N2  - Veränderungen und Entwicklung sind grundlegende Prinzipien in Biozönosen und können eine Vielzahl von ökologischen Prozessen beeinflussen. In Insektengemeinschaften stellen Veränderungen in der Phänologie und Dichte, Veränderungen des Artenreichtums und der Artenzusammensetzung sowie die Wechselwirkungen zwischen diesen, die wichtigsten Makroprozesse dar. Klimawandel und andere Faktoren wie der Verlust von Lebensräumen oder deren Qualitätsverschlechterung beeinflussen diese Prozesse jedoch und führen zu Veränderungen und allgemeinen Rückgängen der Biodiversität. Auch wenn die Erkenntnisse zum „Insektensterben“ in Mitteleuropa in den letzten Jahrzehnten zugenommen haben, gibt es erhebliche Wissenslücken über die Entwicklung von Insektengemeinschaften in bestimmten Lebensräumen und Taxa. Beispielsweise ist die Entwicklung von Insektengemeinschaften in kleinen, stehenden Gewässern und in Wäldern wenig erforscht. Darüber hinaus werden die Veränderungen innerhalb von Habitaten und Taxa zusätzlich durch bestimmte Merkmale, wie Wirts- oder Nahrungsspezialisierung, beeinflusst. Um diese verschiedenen Einflüsse auseinanderhalten zu können und das Wissen über die allgemeine Langzeitentwicklung von Insektengemeinschaften zu vergrößern, sind umfassende Langzeitstudien erforderlich. Darüber hinaus sollten auch die langfristigen Auswirkungen von Naturschutzstrategien über lange Zeiträume evaluiert werden, um auf wissenschaftlicher Grundlage entscheiden zu können, welche Strategien zur Förderung bedrohter Taxa wirksam sind. Daher befasst sich diese Arbeit neben der Entwicklung von Wasserkäfer- und Großschmetterlingsgemeinschaften über mehrere Jahrzehnte auch mit den Auswirkungen einer integrativen Naturschutzmaßnahme auf xylobionte Käfer und Pilze. In Kapitel 2 stelle ich eine Studie über die Entwicklung von Wasserkäfergemeinschaften (Dytiscidae, Haliplidae, Noteridae) in 33 Gewässern Süddeutschlands von 1991 bis 2018 vor. Die zeitstandardisierte Erfassung pro Wasserkörper erfolgte in drei Zeiträumen: zwischen 1991 und 1995, 2007 und 2008 sowie 2017 und 2018. Die Ergebnisse zeigten einen jährlichen Rückgang sowohl der Artenzahl (ca. -1%) als auch der Abundanz (ca. -2%). Darüber hinaus verschob sich die Artenzusammensetzung im Laufe der Zeit zum Teil aufgrund sich ändernder pH-Werte. Daraus lässt sich schlussfolgern, dass die erfassten Veränderungen während des 28- jährigen Untersuchungszeitraums teilweise natürliche Sukzessionsprozesse widerspiegeln. Da aber auch an moorige Gewässer gebundene Käferarten deutlich abgenommen haben, ist es wahrscheinlich, dass die Wasserkäfer Süddeutschlands auch durch Faktoren wie Austrocknung, erhöhten Stickstoffeintrag und/oder Mineralisierung sowie durch den Verlust spezifischer Lebensräume bedroht sind. Aufgrund dieser Entwicklungen ist es empfehlenswert, auf Landschaftsebene auf die ständige Schaffung neuer Gewässer und den besonderen Schutz von Moorgewässern zu setzen, um Wasserkäfergemeinschaften erfolgreich schützen zu können. In Kapitel 3 präsentiere ich eine Analyse der Diversitäts-, Abundanz- und Biomassenentwicklung von nachtaktiven Großschmetterlingen über vier Jahrzehnte in Wäldern Süddeutschlands. Neben einem bayernweiten Datensatz, der alle typischen Waldtypen der gemäßigten Zone Mitteleuropas beinhaltet, wurden zwei lokale, besonders regelmäßig besammelte Gebiete getrennt analysiert. In diesen Gebieten werden die Eichenwälder als Hoch- bzw. als Mittelwald bewirtschaftet. Bayernweit wiesen Artenreichtum, Abundanz und Biomasse jährliche Rückgänge von ca. 1 %, 1,3 % bzw. 1,4 % auf. Diese Rückgänge waren bei Wirtspflanzenspezialisten und bei dunkel gefärbten Arten besonders stark ausgeprägt. Im Gegensatz dazu nahm der Artenreichtum im Mittelwald jährlich um ca. 1,5 % zu, während im Hochwald keine signifikanten Trends festgestellt werden konnten. Im Gegensatz zu früheren Annahmen betrifft der Insektenrückgang offenbar auch hyperdiverse Insektengruppen im Wald. Da Wirtspflanzenspezialisten und dunkel gefärbte Arten vom Rückgang stärker betroffen waren als andere, scheinen Lebensraumverlust und Klimawandel potentielle Treiber der beobachteten Trends zu sein. Die positive Entwicklung des Artenreichtums im Mittelwald zeigt jedoch, dass der Erhalt komplexer und vielfältiger Waldökosysteme durch aktives Management, negative Biodiversitätstrends zum Teil kompensieren könnte. Kapitel 4 enthält eine Studie, die die Langzeitwirkung von Totholzanreicherung als integrative Naturschutzmaßnahme auf xylobionte Käfer und Pilze in einem mitteleuropäischen Buchenwald auf der Landschaftsebene untersucht. Dabei wurde die Gamma-Diversität und die Artenzusammensetzung dieser beiden Gruppen anhand einer Vorher-Nachher Untersuchung mit Kontrollflächen (Naturwaldreservate) untersucht. Die bewirtschafteten Flächen wurden weiterhin in zuvor mäßig und intensiv bewirtschaftete Flächen eingeteilt. Die Wälder wurden ein Jahr vor und ein Jahrzehnt nach Beginn einer Totholzanreicherungsstrategie auf Landschaftsebene beprobt. Zehn Jahre nach Beginn der Totholzanreicherung spiegelten weder die Gamma-Diversität der xylobionten Organismen noch die Artenzusammensetzung der Käfer die früheren Bewirtschaftungstypen wider, und wiesen keine Unterschiede mehr zu den Naturwaldreservaten auf. Die Pilzartenzusammensetzung spiegelte jedoch noch immer den früheren Bewirtschaftungsgradienten wider. Die Ergebnisse zeigen, dass Totholzanreicherung auf Landschaftsebene positive Effekte auf xylobionte Artengemeinschaften haben kann. Somit stellt Totholzanreicherung eine Naturschutzmaßnahme dar, die zusätzlich zu permanenten Schutzgebieten, eine Grundlage schaffen kann, um holzabhängige Organismen in Europa zu schützen. In dieser Arbeit habe ich gezeigt, dass im Gegensatz zu dem, was bisher angenommen und zum Teil berichtet wurde, auch Wasserkäfer in stehenden Gewässern und nachtaktive Großschmetterlingen in Wäldern in den letzten drei bis vier Jahrzehnten an Artenreichtum, Abundanz und Biomasse abgenommen haben. In Übereinstimmung mit anderen Studien nahmen vor allem dunkel gefärbte Arten und Spezialisten stärker ab als hell gefärbte Arten und Generalisten. Die Gründe für diese Rückgänge konnten zum Teil auf natürliche Prozesse, Umweltverschmutzung und möglicherweise auf den Klimawandel zurückgeführt werden. Es sind jedoch weitere Studien, insbesondere experimentelle, erforderlich, um die Gründe für das „Insektensterben“ besser zu verstehen. Darüber hinaus sollten Zeitreihendaten mit Vorsicht interpretiert werden, insbesondere wenn die Anzahl der besammelten Jahre kleiner als zehn Jahre ist. Darüber hinaus sollten Validierungstechniken wie Links- und Rechts-Zensierung und Kreuzvalidierung eingesetzt werden, um die Robustheit der Analysen nachzuweisen. Der Mangel an Wissen, mit dem wir heute noch konfrontiert sind, sollte Wissenschaftler und Praktiker jedoch nicht davon abhalten, Naturschutzmaßnahmen anzuwenden. Um die Wirksamkeit solcher Maßnahmen nachzuweisen, ist eine langfristige Überprüfung von entscheidender Bedeutung. Solche Erfolgskontrollen sind für evidenzbasierte und damit angepasste Erhaltungsstrategien bedrohter Organismen unerlässlich.
KW  - climate change
KW  - insects
KW  - temporal development
KW  - nature conservation
KW  - entomology
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-235499
ER  - 
TY  - THES
A1  - Goos, Carina
T1  - Nuclear periphery granules of trypanosomes - A characterization of composition and function
T1  - Nuclear periphery granules in Trypanosomen - Eine Charakterisierung in Komposition und Funktion
N2  - The nuclear envelope serves as important mRNA surveillance system. In yeast and humans, several control mechanisms act in parallel to prevent nuclear export of unprocessed mRNAs. However, trypanosomes lack homologues to most of the proteins involved. In addition, gene expression in trypanosomes relies almost completely on post-transcriptional regulation as they transcribe mRNAs as long polycistrons, which are subsequently processed into individual mRNA molecules by trans-splicing. As trans-splicing is not error-free, unspliced mRNAs may be recognized and prevented from reaching the cytoplasm by a yet unknown mechanism. 
When trans-splicing is inhibited in trypanosomes, the formation of a novel RNA granule type at the cytoplasmic periphery of the nucleus, so called nuclear periphery granules (NPGs) was previously observed. To identify potential regulators of nuclear export control, changes in protein localization which occur when trans-splicing is inhibited, were globally analyzed during this work. For this, trypanosome nuclei were purified under conditions maintaining NPG attachment to the nucleus, in the absence and presence of trans-splicing. Mass spectrometry analyses identified 128 proteins which are specifically enriched in nuclear preparations of cells inhibited for trans-splicing. Amongst them are proteins, which change their localization to the nucleus or to the nuclear pores as well as many proteins that move into NPGs. Some of these proteins are promising candidates for nuclear export control proteins, as the changes in localization (to the nucleus or nuclear pores) were specific to the accumulation of unspliced mRNAs. The NPG proteome almost exclusively contains proteins involved in mRNA metabolism, mostly unique to trypanosomes, notably major translation initiation factors were absent. These data indicate that NPGs are RNP complexes which have started or completed nuclear export, but not yet entered translation. As a byproduct of these proteomic studies, a high-quality dataset of the yet unknown T. brucei nuclear proteome is provided, closing an important gap in knowledge to study trypanosome biology, in particular nuclear related processes.
NPGs were characterized in more detail by microscopy. The granules are cytoplasmic and present in at least two different trypanosome life cycle stages. There are at least two distinct granule subsets, with differences in protein composition. A closer analysis of NPGs by electron microscopy revealed that the granules are electron dense structures, which are connected to nuclear pores by string-like structures.
In order to approach the function of NPGs, on the one hand, the hypothesis that NPGs might be related to perinuclear germ granules of adult gonads of C. elegans was tested: we found no relation between the two granule types. On the other hand, initial single molecule mRNA FISH experiments performed in trypanosomes showed no accumulation of unspliced transcripts in NPGs, arguing against an involvement of the granules in mRNA quality control.
N2  - Die Kernhülle um den Zellkern dient als wichtiges mRNA-Überwachungssystem in Eukaryoten. Bei Hefen und Menschen wirken dabei beispielsweise mehrere Kontrollmechanismen parallel, um den Export von unverarbeiteten mRNAs aus dem Kern heraus zu verhindern. Trypanosomen fehlen jedoch Homologe zu den Meisten hierbei beteiligten Proteinen. Außerdem basiert Genexpression in Trypanosomen fast ausschließlich auf posttranskriptioneller Kontrolle, da die Parasiten mRNAs als lange Polycistrons transkribieren, die anschließend durch Transspleißen zu einzelnen mRNA-Molekülen verarbeitet werden. Da der Prozess des Transspleißen nicht fehlerfrei zu sein scheint, gibt es möglicherweise einen noch unbekannten Mechanismus, der nicht gespleißte mRNAs erkennt und diese daran hindert, das Zytoplasma zu erreichen. 
Unter Bedingungen, in denen Transspleißen in Trypanosomen blockiert ist, konnte eine neue Art von RNA-Granula an der zytoplasmatischen Peripherie des Zellkerns beobachtet werden, sogenannte Nuclear Periphery Granules (NPGs). Um potentielle Regulatoren einer Kontrolle des mRNA-Exports zu identifizieren, wurde während dieser Arbeit umfassend analysiert, inwieweit sich die Lokalisation von Proteinen ändert, wenn Transspleißen gehemmt wird. Zu diesem Zweck wurden Zellkerne von Trypanosomen unter Bedingungen aufgereinigt, bei denen die Bindung der NPGs an den Zellkern in Abwesenheit und Gegenwart von Transspleißen erhalten blieb. Mit Hilfe von massen-spektrometrischen Analysen konnten 128 Proteine identifiziert werden, die spezifisch in den Kernpräparaten von Zellen angereichert sind, in denen Transspleißen blockiert ist. Darunter befinden sich Proteine, die ihre Lokalisation in den Kern hinein oder zu den Kernporen hin verändern, sowie viele Proteine, die sich in NPGs bewegen. Einige dieser Proteine stellen vielversprechende Kandidaten für eine potenzielle Rolle in der Kernexportkontrolle dar, da die Veränderungen in der Lokalisation (zum Kern oder zu den Kernporen) spezifisch für die Akkumulation von nicht gespleißten mRNAs waren. Das hier erarbeitete NPG-Proteom enthält fast ausschließlich Proteine, die am mRNA-Metabolismus beteiligt sind und nur in Trypanosomen vorkommen. Insbesondere fehlen im NPG-Proteom wichtige Translationsinitiationsfaktoren. Die Daten zeigen, dass NPGs RNP-Komplexe sind, die den Export aus dem Zellkern bereits begonnen oder abgeschlossen haben, aber noch nicht mit dem Translationsprozess begonnen haben. Als Nebenprodukt dieser proteomischen Analyse, kann ein qualitativ hochwertiger Datensatz des noch unbekannten Kernproteoms von T. brucei bereitgestellt werden. Damit wird eine wichtige Wissenslücke bei der Forschung zur Trypanosomenbiologie, insbesondere zu nuklearen Prozessen geschlossen.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden außerdem NPGs anhand mikroskopischer Untersuchungen detaillierter charakterisiert. Die Granula sind zytoplasmatisch und liegen in mindestens zwei verschiedenen Lebenszyklusstadien von Trypanosomen vor. Es gibt mindestens zwei Untergruppen der Granula mit Unterschieden in der Proteinzusammensetzung. Eine genauere elektronenmikroskopische Analyse ergab, dass es sich bei NPGs um elektronendichte Strukturen handelt, die durch fadenartige Strukturen mit den Kernporen verbunden sind. 
Um mehr über die potenzielle Funktion von NPGs herauszufinden, wurde zum einen die Hypothese untersucht, dass NPGs mit perinuklearen Keimgranula adulter Gonaden in C. elegans verwandt sind: Es konnte keine Beziehung zwischen den beiden Granulatypen gefunden werden. Zum anderen zeigten erste Experimente mittels Einzelmolekül-mRNA-FISH in Trypanosomen keine Akkumulation von ungespleißten Transkripten in NPGs, was gegen eine Beteiligung an mRNA-Qualitätskontrollmechanismen spricht.
KW  - Trypanosoma brucei
KW  - Kinetoplastida
KW  - Rnsstoffwechsel
KW  - Nuclear periphery granules
KW  - RNA granules
KW  - Nuclear export control
KW  - Trypanosomes
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-234368
ER  - 
TY  - THES
A1  - Jessen, Christina
T1  - NRF2 links antioxidant and immune-relevant features in melanoma
T1  - NRF2 verknüpft antioxidative und immunrelevante Eigenschaften im Melanom
N2  - The transcription factor NRF2 is considered as the master regulator of cytoprotective and ROS-detoxifying gene expression. Due to their vulnerability to accumulating reactive oxygen species, melanomas are dependent on an efficient oxidative stress response, but to what extent melanomas rely on NRF2 is only scarcely investigated so far. In tumor entities harboring activating mutations of NRF2, such as lung adenocarcinoma, NRF2 activation is closely connected to therapy resistance. In melanoma, activating mutations are rare and triggers and effectors of NRF2 are less well characterized.
This work revealed that NRF2 is activated by oncogenic signaling, cytokines and pro-oxidant triggers, released cell-autonomously or by the tumor microenvironment. Moreover, silencing of NRF2 significantly reduced melanoma cell proliferation and repressed well-known NRF2 target genes, indicating basal transcriptional activity of NRF2 in melanoma. Transcriptomic analysis showed a large set of deregulated gene sets, besides the well-known antioxidant effectors. NRF2 suppressed the activity of MITF, a marker for the melanocyte lineage, and induced expression of epidermal growth factor receptor (EGFR), thereby stabilizing the dedifferentiated melanoma phenotype and limiting pigmentation markers and melanoma-associated antigens. In general, the dedifferentiated melanoma phenotype is associated with a reduced tumor immunogenicity. Furthermore, stress-inducible cyclooxygenase 2 (COX2) expression, a crucial immune-modulating gene, was regulated by NRF2 in an ATF4-dependent manner. Only in presence of both transcription factors was COX2 robustly induced by H2O2 or TNFα. COX2 catalyzes the first step of the prostaglandin E2 (PGE2) synthesis, which was described to be associated with tumor immune evasion and reduction of the innate immune response.
In accordance with these potentially immune-suppressive features, immunocompetent mice injected with NRF2 knockout melanoma cells had a strikingly longer tumor-free survival compared to NRF2-proficient cells. In line with the in vitro data, NRF2-deficient tumors showed suppression of COX2 and induction of MITF. Furthermore, transcriptomic analyses of available tumors revealed a strong induction of genes belonging to the innate immune response, such as RSAD2 and IFIH1. The expression of these genes strongly correlated with immune evasion parameters in human melanoma datasets and NRF2 activation or PGE2 supplementation limited the innate immune response in vitro.
In summary, the stress dependent NRF2 activation stabilizes the dedifferentiated melanoma phenotype and facilitates the synthesis of PGE2. As a result, NRF2 reduces gene expression of the innate immune response and promotes the generation of an immune-cold tumor microenvironment. Therefore, NRF2 not only elevated the ROS resilience, but also strongly contributed to tumor growth, maintenance, and immune control in cutaneous melanoma.
N2  - Der Transkriptionsfaktor NRF2 gilt als Masterregulator der antioxidativen Zellantwort. Im Melanom ist die Rolle von NRF2 bisher nur wenig untersucht worden, obwohl das Melanom anfällig für oxidativen Stress ist und somit eine besondere Abhängigkeit von antioxidativen Prozessen besteht. In Tumorentitäten mit NRF2 aktivierende Mutationen, wie z.B. dem Lungenadenokarzinom, ist die NRF2 Aktivierung mit einer Therapieresistenz verbunden. Allerdings sind diese aktivierenden Mutationen im Melanom selten und Mechanismen, die zu einer NRF2 Aktivierung führen, sind kaum bekannt.
Die vorliegende Arbeit zeigt, dass NRF2 hier vor allem durch onkogene Signalwege, Zytokine und pro-oxidative Trigger aktiviert wird. Zudem verringerte die NRF2 Inhibierung die Zellproliferation und reduzierte die Expression von bekannten NRF2 Zielgenen. Dies weist darauf hin, dass die basale Transkriptionsaktivität von NRF2 im Melanom wichtig ist. Neben den bekannten Zielgenen waren außerdem eine Vielzahl von ROS-unabhängigen Gen-Sets dereguliert. Zum einen reduzierte NRF2 die Aktivität von MITF, dem melanozytären Lineage Marker und induzierte die Expression des epidermalen Wachstumsfaktorrezeptors, EGFR. Dadurch stabilisiert NRF2 den undifferenzierten Melanom-Phänotyp, welcher allgemein mit einer verminderten Expression von Pigmentierungsmarkern und Melanom-assoziierten Antigenen verbunden ist. Zum anderen regulierte NRF2 die Expression von Cyclooxygenase 2 (COX2), in Abhängigkeit von dem Transkriptionsfaktor ATF4. COX2 wurde basal und nach H2O2 oder TNFα Stimulation nur in Anwesenheit beider Transkriptionsfaktoren exprimiert. COX2 katalysiert die Prostaglandin E2 (PGE2) Synthese und es wurde beschrieben, dass hohe Konzentrationen an PGE2, sowohl die Immunevasion von Tumoren erleichtert als auch die angeborenen Immunantwort reduziert.
In Übereinstimmung mit diesen potenziell immun-evasiven Eigenschaften zeigten immunkompetente Mäuse, denen NRF2-knockout Melanomzellen injiziert wurden, im Vergleich zu Kontrollzellen, ein deutlich längeres tumorfreies Überleben. Die NRF2-abhängige COX2 Erhöhung und MITF Hemmung, wurde zudem in den Maustumoren bestätigt. Darüber hinaus zeigten die NRF2-defizienten Tumore eine starke Induktion von Genen des angeborenen Immunsystems, wie z.B. RSAD2 und IFIH1. Die Expression dieser Gene korrelierte mit Immunevasionsparametern in Datensätzen des humanen Melanoms und eine NRF2 Aktivierung oder PGE2 Zugabe unterdrückte die Genexpression der angeborene Immunantwort bereits in vitro.
Somit stabilisiert stress-induziertes NRF2 den undifferenzierten Melanom-Phänotyp und fördert die immunmodulierende PGE2 Produktion. Infolgedessen reduziert NRF2 die angeborene Immunantwort und unterstützt die Entstehung einer immun-suppressiven Tumormikroumgebung, welche das Tumorwachstum erleichtert. Die endogene NRF2 Aktivierung im Melanom fördert somit nicht nur die ROS-Resilienz, sondern auch die Tumoraufrechterhaltung und das Tumorwachstum im immunkompetenten Organismus.
KW  - Melanom
KW  - Oxidativer Stress
KW  - Genexpression
KW  - Krebsforschung
KW  - NRF2
KW  - Antioxidantien
KW  - melanoma dedifferentiation
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-233495
ER  - 
TY  - THES
A1  - Rüdenauer, Fabian
T1  - Nutrition facts of pollen: nutritional quality and how it affects reception and perception in bees
T1  - Nährwertinformationen von Pollen: Nährstoffzusammensetzung und wie diese sich auf Rezeption und Perzeption von Bienen auswirkt
N2  - Nutrients belong to the key elements enabling life and influencing an organism’s fitness. The intake of nutrients in the right amounts and ratios can increase fitness; strong deviations from the optimal intake target can decrease fitness. Hence, the ability to assess the nutritional profile of food would benefit animals. To achieve this, they need the according nutrient receptors, the ability to interpret the receptor information via perceptive mechanisms, and the ability to adjust their foraging behavior accordingly. Additionally, eventually existing correlations between the nutrient groups and single nutrient compounds in food could help them to achieve this adjustment. A prominent interaction between food and consumer is the interaction between flowering plants (angiosperms) and animal pollinators. Usually both of the interacting partners benefit from this mutualistic interaction. Plants are pollinated while pollinators get a (most of the times) nutritional reward in form of nectar and/or pollen. As similar interactions between plants and animals seem to have existed even before the emergence of angiosperms, these interactions between insects and angiosperms very likely have co-evolved right from their evolutionary origin. Therefore, insect pollinators with the ability to assess the nutritional profile may have shaped the nutritional profile of plant species depending on them for their reproduction via selection pressure. In Chapter I of this thesis the pollen nutritional profile of many plant species was analyzed in the context of their phylogeny and their dependence on insect pollinators. In addition, correlations between the nutrients were investigated. While the impact of phylogeny on the pollen protein content was little, the mutual outcome of both of the studies included in this chapter is that protein content of pollen is mostly influenced by the plant’s dependence on insect pollinators. Several correlations found between nutrients within and between the nutrient groups could additionally help the pollinators to assess the nutrient profile of pollen. An important prerequisite for this assessment would be that the pollinators are able to differentiate between pollen of different plant species. Therefore, in Chapter II it was investigated whether bees have this ability. Specifically, it was investigated whether honeybees are able to differentiate between pollen of two different, but closely related plant species and whether bumblebees prefer one out of three pollen mixes, when they were fed with only one of them as larvae. Honeybees indeed were able to differentiate between the pollen species and bumblebees preferred one of the pollen mixes to the pollen mix they were fed as larvae, possibly due to its nutritional content. Therefore, the basis for pollen nutrient assessment is given in bees. However, there also was a slight preference for the pollen fed as larvae compared to another non-preferred pollen mix, at least hinting at the retention of larval memory in adult bumblebees. Chapter III looks into nutrient perception of bumblebees more in detail. Here it was shown that they are principally able to perceive amino acids and differentiate between them as well as different concentrations of the same amino acid. However, they do not seem to be able to assess the amino acid content in pollen or do not focus on it, but instead seem to focus on fatty acids, for which they could not only perceive concentration differences, but also were able to differentiate between. These findings were supported by feeding experiments in which the bumblebees did not prefer any of the pollen diets containing less or more amino acids but preferred pollen with less fatty acids. In no choice feeding experiments, bumblebees receiving a diet with high fatty acid content accepted undereating other nutrients instead of overeating fat, leading to increased mortality and the inability to reproduce. Hence, the importance of fat in pollen needs to be looked into further. In conclusion, this thesis shows that the co-evolution of flowering plants and pollinating insects could be even more pronounced than thought before. Insects do not only pressure the plants to produce high quality nectar, but also pressure those plants depending on insect pollination to produce high quality pollen. The reason could be the insects’ ability to receive and perceive certain nutrients, which enables them to forage selectively leading to a higher reproductive success of plants with a pollinator-suitable nutritional pollen profile.
N2  - Nährstoffe gehören zu den zentralen Elementen, die das Leben an sich ermöglichen und die Fitness eines Organismus beeinflussen können. Nährstoffaufnahme in den richtigen Mengen und Verhältnissen kann die Fitness verbessern, starke Abweichungen von der optimalen Aufnahme können sie verschlechtern. Deshalb könnten Tiere von der Fähigkeit profitieren das Nährstoffprofil von Nahrung bewerten zu können. Dafür benötigten sie jedoch die passenden Nährstoffrezeptoren, die Fähigkeit die Rezeptorinformationen durch perzeptive Mechanismen zu interpretieren und ihr Sammelverhalten daran anzupassen. Eine zusätzliche Hilfe dabei könnten Korrelationen zwischen sowohl den Nährstoffgruppen als auch einzelnen Nährstoffen bieten. Eine bekannte Interaktion zwischen Nahrung und Konsument ist die zwischen Blühpflanzen (Angiospermen) und tierischen Bestäubern. Normalerweise profitieren beide Interaktionspartner von dieser mutualistischen Interaktion. Pflanzen werden bestäubt, während die Bestäuber eine (zumeist) nahrhafte Belohnung in Form von Nektar und/oder Pollen erhalten. Da ähnliche Interaktionen zwischen Pflanzen und Tieren vermutlich schon vor dem Auftreten der Angiospermen existierten, könnte sich diese Interaktion, im Speziellen mit Insekten, direkt vom evolutiven Startpunkt der Angiospermen aus koevolviert haben. Deshalb ist es möglich, dass Bestäuber mit der Fähigkeit das Nährstoffprofil von Pollen bewerten zu können, dieses bei von ihnen abhängigen Pflanzen durch Selektionsdruck formen konnten. Im Kapitel I dieser Thesis wurde das Nährstoffprofil von Pollen vieler Pflanzenarten im Kontext ihrer Phylogenie und ihrer Abhängigkeit von Insekten als Bestäubern analysiert. Außerdem wurden Korrelationen zwischen den Nährstoffen untersucht. Während die Phylogenie nur einen geringen Einfluss auf den Proteingehalt von Pollen haben könnte, ist der gemeinsame Nenner der beiden Studien in diesem Kapitel, dass der Proteingehalt des Pollens hauptsächlich von der Abhängigkeit der Pflanzen von Bestäubern bestimmt wird. Es wurden zudem einige Korrelationen sowohl in als auch zwischen den Nährstoffgruppen gefunden, die den Bestäubern helfen könnten das Nährstoffprofil von Pollen bewerten zu können. Eine wichtige Grundvoraussetzung für diese Bewertung wäre, dass die Bestäuber überhaupt dazu in der Lage sind zwischen Pollen von unterschiedlichen Pflanzenarten zu unterscheiden. Dies wird in Kapitel II behandelt, in dem untersucht wurde ob Honigbienen in der Lage sind zwischen Pollen zweier nah verwandter Pflanzenarten zu unterscheiden und ob Hummeln eine von drei Pollenmischungen bevorzugen, wenn sie nur mit einer davon als Larve in Kontakt kamen. Honigbienen war es tatsächlich möglich zwischen den Pollenarten zu unterscheiden und Hummeln bevorzugten eine bestimmte Pollenmischung gegenüber der, die sie als Larve erhalten hatten, möglicherweise aufgrund eines vorteilhaften Nährstoffprofils. Die Grundlage zur Nährstoffbewertung scheint bei Bienen also gegeben zu sein. Allerdings hatten die Hummeln auch eine leichte Präferenz für die Pollenmischung, die sie als Larve erhalten hatten gegenüber der dritten, nicht bevorzugten Pollenmischung, was zumindest darauf hindeuten könnte, dass Larvenerinnerungen bei erwachsenen Hummeln erhalten bleiben könnten. Kapitel III beschäftigt sich tiefergehend mit der Nährstoffwahrnehmung von Hummeln. Es wurde gezeigt, dass diese prinzipiell befähigt sind Aminosäuren wahrzunehmen als auch zwischen ihnen und verschiedenen Konzentrationen der gleichen Aminosäure zu unterscheiden. Allerdings scheinen sie entweder nicht in der Lage zu sein oder sich zumindest nicht darauf zu fokussieren den Aminosäuregehalt von Pollen zu bewerten, sondern sich eher auf Fettsäuren zu konzentrieren. Von diesen konnten sie nicht nur Konzentrationsunterschiede feststellen, sondern auch zwischen verschiedenen Fettsäuren im Pollen unterscheiden. Diese Ergebnisse wurden von denen in Fütterungsexperimenten gestützt, in denen die Hummeln gleiche Mengen von Pollen mit mehr oder weniger Aminosäuren aufnahmen, aber Pollen mit weniger Fettsäuren bevorzugten. In Experimenten, in denen die Hummeln keine Wahl hatten, nahmen die Hummeln mit einer Diät, die eine hohe Fettsäurekonzentration hatte, lieber in Kauf, dass sie zu wenig von den anderen Nährstoffen aufnahmen, als zu viel Fett, was zu einer erhöhten Mortalitätsrate und der Unfähigkeit sich zu reproduzieren führte. Deshalb sollten zukünftige Studien sich eingehender mit dem Fettsäuregehalt von Pollen beschäftigen. Zusammenfassend zeigt diese Thesis, dass die Koevolution von Pflanzen und bestäubenden Insekten ausgeprägter sein könnte, als bisher angenommen. Insekten setzen die Pflanzen nicht nur unter Druck qualitativ hochwertigen Nektar zu produzieren, sondern setzen vor allem auch die Pflanzen unter Druck, die von ihrer Bestäubung abhängig sind, qualitativ hochwertigen Pollen zu produzieren. Der Grund dafür könnte die Fähigkeit der Insekten sein, bestimmte Nährstoffe zu rezipieren und perzipieren und dann ihr Sammelverhalten so anzupassen, dass Pflanzen mit einem passenden Nährstoffprofil einen höheren Reproduktionserfolg haben.
KW  - Pollen
KW  - bumblebee*s
KW  - nutrients
KW  - nutrition
KW  - pollen
KW  - reception
KW  - perception
KW  - proboscis extension response
KW  - honeybee*s
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-212548
ER  - 
TY  - THES
A1  - Auer, Daniela
T1  - Impact of the chlamydial deubiquitinase ChlaDUB1 on host cell defense
T1  - Einfluss der chlamydiellen Deubiquitinase ChlaDUB1 auf die Wirtszellabwehr
N2  - The human pathogen Chlamydia trachomatis is the main cause of sexually transmitted infections worldwide. The obligate intracellular bacteria are the causative agent of several diseases that reach from conjunctivitis causing trachoma and blindness as well as salpingitis and urethritis which can lead to infertility if left untreated. 	
In order to gain genetically engineered Chlamydia that inducible knock down specific gene expression, the CRISPRi system was established in C. trachomatis. In a proof of principle experiment it was shown that C. trachomatis pCRISPRi:gCdu1III target ChlaDUB1 expression and reduce the protein amount up to 50 %. Knock-down of the DUB did not influence protein levels of anti-apoptotic Mcl-1 and did not make cells susceptible for apoptosis. However, reduced dCas9 protein size, bacterial growth impairment and off target effects interfering with the GFP signal, form obstacles in CRISPRi system in Chlamydia. For routinely use of the CRISPRi method in C. trachomatis further investigation is needed.	
Since the bacterial life cycle includes two morphological and functional distinct forms, it is essential for chlamydial spread to complete the development cycle and form infectious progeny. Therefore, Chlamydia has evolved strategies to evade the host immune system in order to stay undetected throughout the developmental cycle. The bacteria prevent host cell apoptosis via stabilization of anti-apoptotic proteins like Mcl-1, Survivin and HIF-1α and activate pro-survival pathways, inhibiting invasion of immune cells to the site of infection. The host cell itself can destroy intruders via cell specific defense systems that involve autophagy and recruitment of professional immune cells. In this thesis the role of the chlamydial deubiuqitinase ChlaDUB1 upon immune evasion was elucidated. With the mutant strain Ctr Tn-cdu1 that encodes for a truncated DUB due to transposon insertion, it was possible to identify ChlaDUB1 as a potent opponent of the autophagic system. Mutant inclusions were targeted by K48 and K63 chain ubiquitination. Subsequently the inclusion was recognized by autophagic receptors like p62, NBR1 and NDP52 that was reversed again by complementation with the active DUB. Xenophagy was promoted so far as LC3 positive phagosomes formed around the inclusion of Ctr Tn-cdu1, which did not fuse with the lysosome. The detected growth defect in human primary cells of Chlamydia missing the active DUB was not traced back to autophagy, but was due to impaired development and replication. It was possible to identify Ankib1, the E3 ligase, that ubiquitinates the chlamydial inclusion in a siRNA based screen. The activating enzyme Ube1 and the conjugating enzyme Ube2L3 are also essential in this process. Chlamydia have a reduced genome and depend on lipids and nutrients that are translocated from the host cell to the inclusion to proliferate. Recruitment of fragmented Golgi stacks to the inclusion surface was prevented when ChlaDUB1 was inactive, probably causing diminished bacterial growth. Additionally, the modification of the inclusion by Ankib1 and subsequent decoration by autophagic markers was not only present in human but also murine cells. Comparison of other Chlamydia strains and species revealed Ankib1 to be located at the proximity of the inclusion in C. trachomatis strains only but not in C. muridarum or C. pneumoniae, indicating that Ankib1 is specifically the E3 ligase of C. trachomatis. Moreover, the role of ChlaDUB1 in infected tissue was of interest, since ChlaDUB1 protein was also found in early EB stage and so might get in contact with invading immune cells after cell lysis. While bacteria spread and infect new host cells, Chlamydia can also infect immune cells. Infection of human neutrophils with Ctr Tn-cdu1 shows less bacterial survival and affirms the importance of the DUB for bacterial fitness in these cells.
N2  - Chlamydia trachomatis ist weltweit der häufigste Auslöser von sexuell übertragenen Krankheiten. Das obligat intrazelluläre Bakterium manifestiert sich in diversen Krankheitsbildern, darunter Konjunktivitis, die zu einem Trachom oder sogar Erblindung führen kann und Salpingitis oder Urethritis, die unbehandelt unfruchtbar macht. 	
Das CRISPRi System wurde in C. trachomatis etabliert, um genetisch veränderte Bakterien zu bekommen, in denen induzierbar die spezifische Genexpression herunter gefahren werden kann. Es wurde gezeigt, dass in C. trachomatis pCRISPRi:gCdu1III, einem Stamm, der mit der Genexpression von ChlaDUB1 interferiert, die Menge an ChlaDUB1 um bis zu 50 % reduziert ist. Die Sensitivität für Apoptose durch sinkende Mcl-1 Proteinmengen wurde dadurch jedoch nicht wieder hergestellt. Das verkürzte dCas9 Protein, vermindertes bakterielles Wachstum, sowie Effekte auf andere Genexpressionen, wie z.B. das GFP Signal zeigen die Problematik des CRISPRi Systems in C. trachomatis. Um CRISPRi als Routinemethode für genetische Transformation in Chlamydien zu etablieren, stehen noch weitere Untersuchungen an.	
Der Lebenszyklus von Chlamydien zeichnet sich durch zwei morphologisch und funktionell unterschiedliche Stadien aus, weshalb die Vollendung des Lebenszyklus und die Produktion infektiöser Partikel essenziell sind. Daher haben die Pathogene Strategien entwickelt, um dem Immunsystem des Wirts zu entgehen und sich unerkannt in der Zelle zu entwickeln. Die Bakterien verhindern Apoptose infizierter Zellen durch die Stabilisierung von anti-apoptotischen Proteinen wie Mcl-1, Survivin und HIF-1α und aktivieren Überlebens-Signalwege, die die Invasion von Immunzellen in das infizierte Gewebe unterdrücken. Die Wirtszelle selbst ist in der Lage bakterielle Eindringlinge durch die eigenen Abwehrmechanismen wie Autophagie und die Rekrutierung von professionellen Immunzellen zu zerstören. In dieser Arbeit wurde die Rolle der chlamydiellen Deubiquitinase ChlaDUB1 auf die Vermeidungsstrategien vor dem Immunsystem untersucht. Mit Hilfe der Mutante Ctr Tn-cdu1, die durch Insertion eines Transposons für eine verkürzte und inaktive Deubiquitinase codiert, konnte gezeigt werden, dass ChlaDUB1 ein Gegenspieler des Autophagiesystems ist. Die Inklusionen der Mutante wurden mit K48 und K63 Ubiquitinketten modifiziert, was die Rekrutierung von Autophagiemarkern wie p62, NBR1 und NDP52 zur Folge hatte. Die Rekomplementierung mit aktivem ChlaDUB1 Protein hob die Modifikation der Inklusion wieder auf. Jedoch wurde die Xenophagie so weit vorangetrieben, bis sich LC3 positive Phagosomen um die Inklusionen von Ctr Tn-cdu1 bildeten, die allerdings nicht mit dem Lysosom verschmolzen. Das beobachtete Wachstumsdefizit in Chlamydien, die keine funktionelle Deubiquitinase exprimieren, konnte nicht auf die Autophagie zurückgeführt werden, sondern war voraussichtlich aufgrund verlangsamter Entwicklung und Replikation entstanden. 	
In einem siRNA basierten Experiment konnte die E3 Ligase Ankib1 für die Ubiquitinierung der Ctr Tn-cdu1 Inklusion identifiziert werden. Des Weiteren sind das Ubiquitin aktivierende Enzym Ube1 und das Ubiquitin konjugierende Enzym Ube2L3 essentiell für die Modifikation der Inklusion. Da Chlamydien ein reduziertes Genom haben und nicht für alle Enzyme selbst kodieren, sind sie auf Lipide und Metabolite der Wirtszelle für ihr Wachstum angewiesen. Die Rekrutierung der fragmentierten Glogi-Membranen zur Inklusionsoberfläche wurde durch inaktives ChlaDUB1 Protein verhindert, das wahrscheinlich die bakterielle Entwicklung negativ beeinflusst. Des Weiteren ubiquitinierte Ankib1 nicht nur Inklusionen in humanen, sondern auch in murinen Zellen, was auch hier die Bindung von Autophagiemarkern zur Folge hatte. Der Vergleich unter verschiedenen chlamydiellen Serotypen und Arten zeigte, dass Ankib1 nur an Inklusionen von C. trachomatis zu finden war, nicht aber für C. muridarum oder C. pneumoniae. Des Weitern wurde die Rolle von ChlaDUB1 in infiziertem Gewebe genauer betrachtet, da die Protease auch während frühen EB Phasen nachgewiesen wurde, in denen sie Kontakt zu immigrierenden Immunzellen haben könnte. Während der Zelllyse werden Bakterien frei gesetzt, die neue Wirtszellen, aber auch Immunzellen, infizieren können. Die Infektion von humanen Neutrophilen mit Ctr Tn-cdu1 zeigte vermindertes bakterielles Wachstum und verdeutlicht die Bedeutung von ChlaDUB1 für das Überleben in diesen Immunzellen.
KW  - Chlamydia
KW  - Golgi
KW  - ChlaDUB1
KW  - Cdu1
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-178462
ER  - 
TY  - THES
A1  - Claßen, Alexandra
T1  - The ERK-cascade in the pathophysiology of cardiac hypertrophy
T1  - Die ERK-Kaskade in der Pathophysiologie der Herzhypertrophie
N2  - ERK1/2 are known key players in the pathophysiology of heart failure, but the members of the ERK cascade, in particular Raf1, can also protect the heart from cell death and ischemic injury. An additional autophosphorylation (ERK1 at Thr208, ERK2 at Thr188) empowers ERK1/2 translocation to the nucleus and phosphorylation of nuclear targets which take part in the development of cardiac hypertrophy. Thereby, targeting this additional phosphorylation is a promising pharmacological approach. 
In this thesis, an in silico model of ERK cascade in the cardiomyocyte is introduced. The model is a semi-quantitive model and its behavior was tested with different softwares (SQUAD and CellNetAnalyzer). Different phosphorylation states of ERK1/2 as well as different stimuli can be reproduced. The different types of stimuli include hypertrophic as well as non-hypertrophic stimuli. With the introduced in-silico model time courses and synergistic as well as antagonistic receptor stimuli combinations can be predicted. The simulated time courses were experimentally validated. SQUAD was mainly used to make predictions about time courses and thresholds, whereas CNA was used to analyze steady states and feedback loops. 
Furthermore, new targets of ERK1/2 which partially contribute, also in the formation of cardiac hypertrophy, were identified and the most promising of them were illuminated. Important further targets are Caspase 8, GAB2, Mxi-2, SMAD2, FHL2 and SPIN90. 
Cardiomyocyte gene expression data sets were analyzed to verify involved components and to find further significantly altered genes after induced hypertrophy with TAC (transverse aortic constriction). Changes in the ultrastructure of the cardiomyocyte are the final result of induced hypertrophy.
N2  - ERK1/2 sind bekannte Schlüsselfiguren bei der Entstehung der Herzinsuffizienz. Weitere Komponenten der ERK-Kaskade, insbesondere Raf1, können das Herz jedoch vor Zelltod und ischämischem Schaden schützen. Eine zusätzliche Autophosphorylierung von ERK1 an Thr208 bzw. von ERK2 an Thr188 ermöglicht ERK1/2 die Translokation zum Zellkern und  befähigt ERK dort zur Phosphorylierung von nukleosolischen  Zielproteinen,  welche eine Herzmuskelhypertrophie auslösen. Daher erscheint diese zusätzliche Autophosphorylierung als eine vielversprechende pharmakologische Zielstruktur.
In dieser Arbeit wird ein in-silico Modell der ERK-Kaskade im Kardiomyozyten präsentiert. Das Modell ist ein semi-quantitatives Modell und wurde mit den Programmen SQUAD und CellNetAnalyzer getestet. Verschiedene Phosphorylierungs-Zustände von ERK1/2 als auch verschiedene Stimuli (hypertrophe als auch nicht-hypertrophe) können mit dem Modell reproduziert werden. Mit dem präsentierten in-silico Modell können sowohl zeitliche Abläufe als auch synergistische und antagonistische Effekte vorhergesagt werden. Die simulierten zeitlichen Abläufe wurden durch in-vitro Experimente validiert. SQUAD wurde hauptsächlich für die Modellierung von  zeitlichen Abläufen und Schwellenwerte genutzt, wohingegen CellNetAnalyzer vor allen Dingen zur Analyse von Fließgleichgewichten und Rückkopplungs-Mechanismen genutzt wurde. 
Darüberhinaus wurden Zielstrukturen von ERK1/2, welche zusätzlich an der Entstehung der Herzhypertrophie mitwirken, identifiziert. Diese umfassen unter anderem Caspase 8, GAB2, Mxi-2, SMAD2, FHL2 und SPIN90.
Gen-Expressions-Datensätze von Kardiomyozyten nach TAC (transverse aortic constriction) wurden analysiert. Diese wurden mit den im Model vorhandenen Strukturen verglichen und signifikant veränderte Expressionslevel wurden identifiziert. Veränderungen der Ultrastruktur des Kardiomyozyten sind das Ergebnis der induzierten Hypertrophie.
KW  - Herzhypertrophie
KW  - Systembiologie
KW  - ERK-cascade
KW  - ERK-Kaskade
KW  - cardiac hypertrophy
KW  - in-silico model
KW  - In-silico Modell
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-229664
ER  - 
TY  - THES
A1  - Beer, Katharina
T1  - A Comparison of the circadian clock of highly social bees (\(Apis\) \(mellifera\)) and solitary bees (\(Osmia\) \(spec.\)): Circadian clock development, behavioral rhythms and neuroanatomical characterization of two central clock components (PER and PDF)
T1  - Ein Vergleich der Inneren Uhr von sozialen Bienen (\(Apis\) \(mellifera\)) und solitären Bienen (\(Osmia\) \(spec.\)): Entwicklung der circadianen Uhr, Verhaltensrhythmen und neuroanatomische Beschreibung von zwei zentralen Uhr Komponenten (PER und PDF)
N2  - Summary
Bees, like many other organisms, evolved an endogenous circadian clock, which enables them to foresee daily environmental changes and exactly time foraging flights to periods of floral resource availability. The social lifestyle of a honey bee colony has been shown to influence circadian behavior in nurse bees, which do not exhibit rhythmic behavior when they are nursing. On the other hand, forager bees display strong circadian rhythms. Solitary bees, like the mason bee, do not nurse their offspring and do not live in hive communities, but face the same daily environmental changes as honey bees. Besides their lifestyle mason and honey bees differ in their development and life history, because mason bees overwinter after eclosion as adults in their cocoons until they emerge in spring. Honey bees do not undergo diapause and have a relatively short development of a few weeks until they emerge. In my thesis, I present a comparison of the circadian clock of social honey bees (Apis mellifera) and solitary mason bees (Osmia bicornis and Osmia cornuta) on the neuroanatomical level and behavioral output level.
I firstly characterized in detail the localization of the circadian clock in the bee brain via the expression pattern of two clock components, namely the clock protein PERIOD (PER) and the neuropeptide Pigment Dispersing Factor (PDF), in the brain of honey bee and mason bee. PER is localized in lateral neuron clusters (which we called lateral neurons 1 and 2: LN1 and LN2) and dorsal neuron clusters (we called dorsal lateral neurons and dorsal neurons: DLN, DN), many glia cells and photoreceptor cells. This expression pattern is similar to the one in other insect species and indicates a common ground plan of clock cells among insects. In the LN2 neuron cluster with cell bodies located in the lateral brain, PER is co-expressed with PDF. These cells build a complex arborization network throughout the brain and provide the perfect structure to convey time information to brain centers, where complex behavior, e.g. sun-compass orientation and time memory, is controlled. The PDF arborizations centralize in a dense network (we named it anterio-lobular PDF hub: ALO) which is located in front of the lobula. In other insects, this fiber center is associated with the medulla (accessory medulla: AME). Few PDF cells build the ALO already in very early larval development and the cell number and complexity of the network grows throughout honey bee development. Thereby, dorsal regions are innervated first by PDF fibers and, in late larval development, the fibers grow laterally to the optic lobe and central brain. The overall expression pattern of PER and PDF are similar in adult social and solitary bees, but I found a few differences in the PDF network density in the posterior protocerebrum and the lamina, which may be associated with evolution of sociality in bees.
Secondly, I monitored activity rhythms, for which I developed and established a device to monitor locomotor activity rhythms of individual honey bees with contact to a mini colony in the laboratory. This revealed new aspects of social synchronization and survival of young bees with indirect social contact to the mini colony (no trophalaxis was possible). For mason bees, I established a method to monitor emergence and locomotor activity rhythms and I could show that circadian emergence rhythms are entrainable by daily temperature cycles. Furthermore, I present the first locomotor activity rhythms of solitary bees, which show strong circadian rhythms in their behavior right after emergence. Honey bees needed several days to develop circadian locomotor rhythms in my experiments. I hypothesized that honey bees do not emerge with a fully matured circadian system in the hive, while solitary bees, without the protection of a colony, would need a fully matured circadian clock right away after emergence. Several indices in published work and preliminary studies support my hypothesis and future studies on PDF expression in different developmental stages in solitary bees may provide hard evidence.
N2  - Zusammenfassung
Bienen, sowie viele andere Organismen, evolvierten eine innere circadiane Uhr, die es ihnen ermöglicht, tägliche Umweltveränderungen voraus zu sehen und ihre Foragierflüge zu Tageszeiten durchzuführen, wenn sie möglichst viele Blüten besuchen können. Es zeigte sich, dass der soziale Lebensstil der Honigbiene Einfluss auf das rhythmische Verhalten der Ammenbienen hat, die während der Brutpflege keinen täglichen Rhythmus im Verhalten aufweisen. Sammlerbienen auf der anderen Seite zeigen ein stark rhythmisches Verhalten. Solitäre Bienen, wie die Mauerbiene, betreiben keine Brutpflege und leben nicht in einer Staatengemeinschaft, aber sind den gleichen Umweltveränderungen ausgesetzt. Nicht nur Lebensstil, sondern auch Entwicklung und Lebenszyklus unterscheiden sich zwischen Honig- und Mauerbienen. Mauerbienen überwintern als adulte Insekten in einem Kokon bis sie im Frühjahr schlüpfen. Honigbienen durchleben keine Diapause und schlüpfen nach wenigen Wochen der Entwicklung im Bienenstock. In meiner Dissertation vergleiche ich die circadiane Uhr von sozialen Honigbienen (Apis mellifera) und solitären Mauerbienen (Osmia bicornis und Osmia cornuta) auf Ebene der Neuroanatomie und das durch die innere Uhr verursachte rhythmische Verhalten.
Erstens charakterisierte ich detailliert die Lage der circadianen Uhr im Gehirn von Honig- und Mauerbiene anhand des Expressionsmusters von zwei Uhrkomponenten. Diese sind das Uhrprotein PERIOD (PER) und das Neuropeptid Pigment Dispersing Factor (PDF). PER wird exprimiert in lateralen Neuronen-Gruppen (die wir laterale Neurone 1 und 2 nannten: LN1 und LN2) und dorsalen Neuronen-Gruppen (benannt dorsal laterale Neurone und dorsale Neurone: DLN und DN), sowie in vielen Gliazellen und Fotorezeptorzellen. Dieses Expressionsmuster liegt ähnlich in anderen Insektengruppen vor und deutet auf einen Grundbauplan der Inneren Uhr im Gehirn von Insekten hin. In der LN2 Neuronen-Gruppe, deren Zellkörper im lateralen Gehirn liegen, sind PER und PDF in den gleichen Zellen co-lokalisiert. Diese Zellen bilden ein komplexes Netzwerk aus Verzweigungen durch das gesamte Gehirn und liefern damit die perfekte Infrastruktur, um Zeitinformation an Gehirnregionen weiterzuleiten, die komplexe Verhaltensweisen, wie Sonnenkompass-Orientierung und Zeitgedächtnis, steuern. Alle PDF Neuriten laufen in einer anterior zur Lobula liegenden Region zusammen (sie wurde ALO, anterio-lobular PDF Knotenpunkt, genannt). Dieser Knotenpunkt ist in anderen Insekten mit der Medulla assoziiert und wird akzessorische Medulla (AME) genannt. Wenige PDF Zellen bilden bereits im frühen Larvalstadium diesen ALO und die Zellzahl sowie die Komplexität des Netzwerks wächst die gesamte Entwicklung der Honigbiene hindurch. Dabei werden zuerst die dorsalen Gehirnregionen von PDF Neuronen innerviert und in der späteren Larvalentwicklung wachsen die Neurite lateral in Richtung der optischen Loben und des Zentralgehirns. Das generelle Expressionsmuster von PER und PDF in adulten sozialen und solitären Bienen ähnelt sich stark, aber ich identifizierte kleine Unterschiede in der PDF Netzwerkdichte im posterioren Protocerebrum und in der Lamina. Diese könnten mit der Evolution von sozialen Bienen assoziiert sein.
Zweitens entwickelte und etablierte ich eine Methode, Lokomotionsrhythmen von individuellen Bienen im Labor aufzunehmen, die in Kontakt mit einem Miniaturvolk standen. Diese Methode enthüllte neue Aspekte der sozialen Synchronisation unter Honigbienen und des Überlebens von jungen Bienen, die indirekten sozialen Kontakt zu dem Miniaturvolk hatten (Trophalaxis war nicht möglich). Für Mauerbienen etablierte ich eine Methode Schlupf- und lokomotorische Aktivitätsrhythmik aufzuzeichnen und konnte damit zeigen, dass tägliche Rhythmen im Schlupf durch Synchronisation der circadianen Uhr in Mauerbienen durch Tagestemperatur-Zyklen erzielt werden kann. Des Weiteren präsentiere ich die ersten lokomotorischen Aktivitätsrhythmen von solitären Bienen, die sofort nach ihrem Schlupf einen starken circadianen Rhythmus im Verhalten aufwiesen. Honigbienen brauchten in meinen Experimenten mehrere Tage, um circadiane Rhythmen in Lokomotion zu entwickeln. Ich erstellte die Hypothese, dass Honigbienen zum Zeitpunkt des Schlupfes im Bienenvolk ein noch nicht vollständig ausgereiftes circadianes System besitzen, während solitäre Bienen, die ohne den Schutz eines Volkes sind, direkt nach dem Schlupf eine vollständig ausgereifte Uhr brauchen. Mehrere Hinweise in Publikationen und Vorversuchen unterstützen meine Hypothese. Zukünftige Studien der Entwicklung des PDF Neuronen-Netzwerkes in solitären Bienen unterschiedlicher Entwicklungsstufen könnten dies nachweisen.
KW  - Chronobiologie
KW  - circadian rhythms
KW  - honeybee
KW  - Mauerbiene
KW  - Neuroanatomie
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-159765
ER  - 
TY  - THES
A1  - Heiby, Julia
T1  - Insight into molecular mechanisms of folding and self-association of spider silk protein domains
T1  - Einblicke in molekulare Mechanismen der Faltung und Selbstassoziation von Spinnenseidenproteindomänen
N2  - Spider silk is a biomaterial of extraordinary toughness paired with elasticity. The assembly of silk proteins, so-called spidroins (from “spider” and “fibroin”), generates the silk threads we typically see in our garden or the corners of our houses. Although spider webs from different species vary considerably in geometry and size, many sections of spidroin sequences are conserved. Highly conserved regions, found in all spidroins, relate to the terminal domains of the protein, i.e., the N-terminal (NTD) and C-terminal domains (CTD). Both have an essential function in the silk fibre association and polymerisation.
The NTD is a 14 kDa five-helix bundle, which self-associates via a pH-driven mechanism. This process is critical for starting the polymerisation of the fibre. However, detailed insights into how conserved this mechanism is in different species and the quantitative thermodynamic comparison between homologous NTDs was missing. For this reason, four homologous NTDs of the major ampullate gland (MaSp) from spider species Euprosthenops australis, Nephila clavipes, Latrodectus hesperus, and Latrodectus geometricus were investigated. I analysed and quantified equilibrium thermodynamics, kinetics of folding, and self-association. Methods involved dynamic light scattering (MALS), stopped-flow fluorescence and circular dichroism spectroscopy in combination with thermal and chemical denaturation experiments. The results showed conserved, cooperative two-state folding on a sub-millisecond time scale. All homologous NTDs showed a similarly fast association in the order of 10^9 M^−1 s^−1, while the resulting equilibrium dissociation constants were in the low nanomolar range. Electrostatic forces were found to be of great importance for protein association. Monomeric protein stability increased with salt concentration while enhancing its folding speed. However, due to Debye-Hückel effects, we found intermolecular electrostatics to be shielded, which reduced the NTDs association capacity significantly at high ionic strength. Altogether, the energetics and kinetics of the NTD dimerisation was conserved for all analysed homologs.
Comparable to the NTD, the spider silks CTD is also a α-helix bundle, which covalently links two spidroins. The orientation of the domains predetermines the future fibre geometry. Here again, the detailed quantitative characterisation of the folding and dimerisation was missing. Therefore, the CTD from the E. australis was analysed in-depth. The protein folded via a three-state mechanism and was placed in the family of knotted proteins. 
By analysing the amino acid composition of the NTD of the MaSp1 of the Euprosthenops australis, we found an unusually high content of methionine residues (Met). To elucidate why this protein exhibits so many Met residues, I mutated all core Mets simultaneously to leucine (Leu). Results revealed a dramatically stabilised NTD, which now folded 50 times faster. After solving the tertiary structure of the mutant by NMR (nuclear magnetic resonance) spectroscopy, the structure of the monomeric mutant was found to be identical with the wild-type protein. However, when probing the dimerisation of the NTD, I could show that the association capacity was substantially impaired for the mutant. Our findings lead to the conclusion that Met provides the NTD with enhanced conformational dynamics and thus mobilises the protein, which results in tightly associated dimers. In additional experiments, I first re-introduced new Met residues into the Met-depleted protein at sequence positions containing native Leu. Hence, the mutated NTD protein was provided with the same number of Leu, which were previously removed by mutation. However, the protein did not regain wild-type characteristics. The functionality was not restored, but its stability was decreased as expected. To probe our hypothesis gained from the MaSp NTD, I transferred the experiment to another protein, namely the Hsp90 chaperone. Therefore, I incorporated methionine residues in the protein, which resulted in a slight improvement of its function.
Finally, trial experiments were performed aiming at the synthesis of shortened spidroin constructs containing less repetitive middle-segments than the wild-type protein. The objective was to study the findings of the terminal domains in the context of an intact spidroin. The synthesis of these engineered spidroins was challenging. Nevertheless, preliminary results encourage the assumption that the characteristics observed in the isolated domains hold true in the context of a full-length spidroin.
N2  - Spinnenseide ist ein Biomaterial mit außergewöhnlicher Widerstandsfähigkeit welche gepaart ist mit Elastizität. Das Zusammenfügen von Seidenproteinen aus so ge-nannten Spidroinen (ein Kunstwort aus „Spinne“ und „Fibroin“) erzeugt die Seiden-fäden, die wir typischerweise in unseren Gärten oder in den Ecken unserer Häuser finden. Obwohl Spinnennetze von verschiedenen Spinnenarten in Geometrie und Größe stark variieren, sind große Teile der Spidroin-Sequenzen konserviert. Stark konservierte Bereiche, die in allen Spidroinen vorkommen, sind die endständigen Bereiche des Proteins, die N-terminale (NTD) und C-terminale Domäne (CTD) ge-nannt werden. Beide haben wichtige Funktionen in der Assoziation der Proteine im Spinnkanal und deren Polymerisation zur Ausbildung des Seidenfadens.
Die NTD ist ein kleines 14 kDa Protein, bestehend aus einem Bündel aus fünf Helices, dessen Selbstorganisation pH-abhängig ist. Dieser Prozess leitet die Poly-merisation der Faser ein. Allerdings fehlten bis heute Informationen darüber, ob dieser Mechanismus bei homologen Domänen aus verschiedenen Spinnenarten konser¬viert ist, da kaum quantitative biophysikalische Daten vorhanden sind. Aus diesem Grund wurden vier homologe NTDs der Spinnenarten Euprosthenops australis, Nephila clavipes, Latrodectus hesperus und Latrodectus geometricus vergleichend untersucht und deren Gleichgewichts-Thermodynamik, die Kinetik der Faltung und die Selbstassoziation quantitativ analysiert. Dazu wurden Methoden wie dynamische Mehrwinkel-Lichtstreuung (MALS), Stopped-Flow Fluoreszenz-spektroskopie und Zirkulardichroismus in Kombination mit thermischen und chemischen Denaturierungs¬experimenten angewandt. Die Ergebnisse lieferten die Erkenntnis einer kooperativen Zwei-Zustands-Faltung, die auf einer Zeitskala von weniger als einer Millisekunde stattfand. Alle homologen NTDs zeigten eine schnelle Assoziationsratenkonstante in der Größenordnung von 10^9 M^-1 s^-1, während die Gleichgewichts-Dissoziationskonstante für alle Homologe im nied¬rigen nano-molaren Bereich lag. Die Proteinassoziation wurde durch elektrostatische Kräfte gesteuert, wobei hohe Salzkonzentrationen die Stabilität des monomeren Proteins und dessen Faltungsgeschwindigkeit erhöhten. Die Assoziation zweier Domänen wurde jedoch durch Abschirmung intermolekularer elektrostatischer Kräfte, dem Debye-Hückel-Gesetz zufolge, reduziert. Die Energetik und Kinetik der NTD-Dimerisierung aller untersuchten Homologen erwies sich konserviert.
Ebenso wie die NTD, ist auch die CTD der Spinnenseide ein α-helikales Bündel, welche jedoch zwei Spidroine kovalent miteinander verbindet. Die Orientierung der verknüpften Domäne bestimmt bereits die zukünftige Faserstruktur. Ähnlich wie bei der NTD, waren Faltung und Dimerisierung der CTD bisher nicht im Detail be-schrieben. Durch eine detaillierte Analyse der CTD der E. australis konnte gezeigt werden, dass das Protein sich in einem dreistufigen Mechanismus faltet und außerdem der Familie der geknoteten Proteine angehört.
Bei genauerer Betrachtung der Aminosäurezusammensetzung der E. australis NTD konnte ein ungewöhnlich hoher Anteil der Aminosäure Methionin (Met) festge¬stellt werden. Um diesen überraschenden Sachverhalt zu verstehen, habe ich alle im Kern liegenden Met zu Leucin (Leu) mutiert. Die Ergebnisse zeigten eine extrem stabilisierte NTD, welche sich nun 50-fach schneller faltete. Die Protein¬struktur der Mutante wurde in Lösung mittels NMR Spektroskopie ermittelt. Das Ergebnis lieferte deckungsgleiche Strukturen von Mutante und Wildtyp im monomeren Zustand. Allerdings zeigten NTD Dimerisierungs-Versuche, dass die Assoziations-fähigkeit der Mutante erheblich beeinträchtigt war. Untersuchungen der nativen Dynamik mittels NMR und Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie zeigten, dass Met diese entscheidend verstärkt, was zu einem eng assoziierten Dimer führte. Im Versuch die Dynamik wieder künstlich herzustellen, habe ich neue Met in die Mutante eingeführt, auf Sequenzpositionen welche natürlicherweise Leu aufweisen. Somit wurde die ursprüngliche Anzahl an Met in der NTD wiederher¬gestellt, jedoch an anderen Positionen. Obwohl das Protein wie erwartet an Stabilität verlor, konnte dessen Funktionalität nicht wiederhergestellt werden. Um unsere Erkenntnisse auf andere Proteine zu übertragen, wurden Met Reste künstlich in ein Hsp90 Protein eingeführt. Es konnte eine leicht verbesserte Funktionalität des Proteins beobachtet werden.
Schließlich wurde versucht, die für die CTD und NTD gewonnen Erkenntnisse auf intakte, jedoch verkürzte Spidroine zu übertragen. Dazu wurden Spidroine mit weniger repetitiven Mittelsegmenten mittels rekombinanten Methoden hergestellt. Die Synthese dieser Spidroine erwies sich als Herausforderung. Allerdings zeigten die vorläufigen Ergebnisse, dass eine Verallgemeinerung der Erkenntnisse der isolierten Domänen auf das Volllängen-Spidroin möglich ist.
KW  - Spinnenseide
KW  - Fluoreszenzspektroskopie
KW  - Terminale Domaine
KW  - Spider Silk
KW  - Fluorescence spectroscopy
KW  - Terminal domains
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-193455
ER  - 
TY  - THES
A1  - Lapuente, Juan M.
T1  - The Chimpanzees of the Comoé National Park, Ivory Coast. Status, distribution, ecology and behavior
T1  - Die Schimpansen im Comoé Nationalpark, Elfenbeinküste. Status, Verbreitung, Ökologie und Verhalten
N2  - Although wild chimpanzees (Pan troglodytes) have been studied intensely for more than 50 years, there are still many aspects of their ecology and behavior that are not well understood. Every time that a new population of chimpanzees has been studied, new behaviors and unknown aspects of their ecology have been discovered. All this accumulated knowledge is helping us to piece together a model of how could last human and chimpanzee common ancestors have lived and behaved between seven and five million years ago. Comoé chimpanzees had never been studied in depth, until we started our research in October 2014, only a few censuses had been realized. The last surveys prior our work, stated that the population was so decimated that was probably functionally extinct. When we started this research, we had to begin with a new intensive survey, using new methods, to ascertain the real status and distribution of the chimpanzees living in Comoé National Park (CNP). During the last five years, we have realized a deep study aiming to know more about their ecology and behavior. We combined transects and reconnaissance marches (recces) with the use of camera traps, for the first time in CNP, obtaining a wealth of data that is not fully comprised in this dissertation. With this research, we determined that there is a sustainable continuous population of Western chimpanzees (Pan troglodytes verus) in CNP and the adjacent area of Mont Tingui, to the West, with a minimum of 127 weaned chimpanzees living in our main 900 km2 study area, SW of CNP. We found that this population is formed by a minimum of eight different chimpanzee communities, of which we studied seven, four of them more in detail. These chimpanzees spent much more time in the forest than in the savanna habitats.
	We also found that Comoé chimpanzees consumed at least 58 different food items in their dit, which they obtained both from forest and savanna habitats. Another finding was that insectivory had an important role in their diet, with at least four species of ants, three of termites and some beetle larvae. These chimpanzees also hunted at least three species of monkeys and maybe rodents and duikers and occasionally consumed the big land snails of genus Achatina. We found that, during the fruit scarcity period in the late rainy season, they intensely consumed the cambium of Ceiba pentandra, as fallback food, much more than the bark or cambium of any other tree species. Another interesting finding was that all the chimpanzees in the studied area realized this particular bark-peeling behavior and had been repeatedly peeling the trees of this species for years. This did not increase tree mortality and the damage caused to the trees was healed in two years, not reducing the growth, thus being a sustainable use of the trees. We found that Comoé chimpanzees produced and used a great variety of tools, mainly from wooden materials, but also from stone and herbaceous vegetation.
	Their tool repertory included stick tools to dip for Dorylus burmeisteri ants, to fish for Camponotus and Crematogaster ants, to dip for honey, mainly from Meliponini stingless bees, but sometimes from honey bees (Apis mellifera). It also included the use of stick tools to fish termites of Macrotermes subhyalinus and Odontotermes majus (TFTs), to dip for water from tree holes and investigatory probes for multiple purposes. Additionally, these chimpanzees used leaf-sponges to drink from tree holes and to collect clayish water from salt-licks. They also used stones to hit the buttresses of trees during displays, the so called accumulative stone throwing behavior and probably used stones as hammers, to crack open hard-shelled Strichnos spinosa and Afraegle paniculata fruits and Achatina snails. The chimpanzees also used objects that are not generally accepted as animal tools, for being attached to the substrate, with different purposes: they drummed buttresses of trees with hands and/or feet to produce sound during male displays and they pounded open hard-shelled fruits, Achatina snails and Cubitermes termite mounds on stone or root anvils. We finally measured the stick tools and found significant differences between them suggesting that they were specialized tools made specifically for every purpose. We studied more in detail the differences between apparently similar tools, the honey dipping tools and the water dipping tools, often with brushes made at their tips to collect the fluids. These last tools were exclusive from Comoé and have not been described at any other site. We found that total length, diameter and brush length were significantly different, suggesting that they were specialized tools. We concluded that Comoé chimpanzees had a particular culture, different from those of other populations of Western chimpanzees across Africa. Efficient protection, further research and permanent presence of research teams are required to avoid that this unique population and its culture disappears by the poaching pressure and maybe by the collateral effects of climate change.
N2  - Obwohl wild lebende Schimpansen (Pan troglodytes) seit mehr als 50 Jahren intensiv untersucht werden, gibt es noch zahlreiche Aspekte ihrer Ökologie und ihres Verhaltens, die nicht gut verstanden werden. Jedes Mal, wenn eine neue Population von Schimpansen studiert wurde, wurden neue Verhaltensweisen und unbekannte Aspekte ihrer Ökologie entdeckt. All dieses gesammelte Wissen hilft uns, ein Modell zu erstellen, wie lange die gemeinsamen Vorfahren von Menschen und Schimpansen vor sieben bis fünf Millionen Jahren gelebt und sich verhalten haben könnten. Als wir im Oktober 2014 mit unserer Forschung begannen waren die Comoé-Schimpansen, bis auf einige Populations-Zensus von Schimpansen in der Elfenbeinküste, noch nie eingehend untersucht worden. Die letzte Zählung bevor unsere Arbeit began ergab, dass die Schimansenpopulation so stark dezimiert war, dass sie als funktionell ausgestorben erarchtet werden konnte. Zum Beginn unserer Forschung, führten wir zuerst mit neusten Methoden einen neuen detailierten Zensus durch, um den tatsächlichen Status und die Verteilung der im Comoé-Nationalpark (CNP) lebenden Schimpansen zu ermitteln. In den folgenden fünf Jahren haben wir zudem eine umfassende Studie durchgeführt, um mehr über ihre Ökologie und ihr Verhalten zu erfahren. Wir haben im CNP erstmals systematische Transekte und Datenerhebungen mittels Kamerafallen kombiniert, um eine Fülle von Erkenntnissen zu erhalten, die in dieser Dissertation nicht vollständig enthalten sind. Wir stellten fest, dass es in CNP und dem westlich angrenzenden Gebiet des Mont Tingui nach wie vor eine nachhaltige und kontinuierliche Population westlicher Schimpansen (Pan troglodytes verus) existiert, wobei mindestens 131 adulte (entwöhnte) Schimpansen in unserem 900 km² großen Hauptuntersuchungsgebiet südwestlich des CNP leben. Diese Population besteht aus mindestens acht verschiedenen Schimpansengruppen, von denen wir sieben untersuchten, vier davon genauer. Wir konnten zeigen dass diese Schimpansen deutlich mehr Zeit im Wald als in den angrenzenden Savannenhabitaten verbringen. Wir stellten fest, dass Comoé-	Schimpansen mindestens 58 verschiedene Futtermittel aus Wald- als auch aus Savannenhabitaten nutzen. Zudem spielt der Konsum von Insekten, bestelhend aus mindestens vier Ameisen-, drei Termiten- und verschiedenene Käferlarven eine wichtige Rolle in ihrem Ernährungsreportoire. Die Comoé-Schimpansen jagen zudem mindestens drei Affena sowie möglicherweise Nagetiere und Duiker, und fraßen gelegentlich die großen Schnecken der Gattung Achatina. Wir fanden heraus, dass sie den typischen Mangel an reifen Fuechten in der \späten Regenzeit durch den intensiven Konsum der Rinde (Kambium) von Ceiba pentandra kompensieren. Alle Schimpansen im untersuchten Gebiet zeigten dieses besondere Verhalten, bei dem sie die Rinde von Ceiba Bäumen schälen. Wir konnte zeigen, dass die Schimpansen diese Bäume seit Jahren wiederholt geschält hatten, was offenbar den Bäumen keinen nachhaltigen Schaden zugefügte. Innerhalb von zwei Jahren ware die Schäden geheilt and das Wachstum nicht verringert, was schlussfolgern lässt dass die Nutzung der Baumrinde nachhaltig ist. Wir fanden heraus, dass Comoé-Schimpansen eine Vielzahl von Werkzeugen aus Vegetation aber auch Steinen herstellten und verwendeten. Das Werkzeugrepertoire umfasste Stöckchen zur Gewinning von on Ameisen der Art Dorylus burmeisteri, sowie Ameisen der Gattungen Camponotus und Crematogaster, aber auch von Bienenhonig produziert von der stachellosen Gattung Melipoa sowie von Apis mellifera. Die Schimpansen nutzen ausserdem Pflanzenwerkzeuge zum Termitenfischen von Macrotermes subhyalinus und Odontotermes majus, um an das Wasser in Baumvertiefungen zu gelangen, sowie für diverse andere Untersuchungszwecke. Zusätzlich verwenden die Comoé-Schimpansen Blattschwämme, um aus Baumlöchern zu trinken und lehmiges Wasser von den Salzlecken zu sammeln.
	Im Rahmen ihres Imponierverhaltens schleuden sie Steine an die Brettwurzeln spezieller grosser Bäume, ein neu entdecktes Verhalten das als akkumulatives Steinerfen bezeichnet wird. Es ist wahrscheinlich dass sie Steine auch als Hammerwerkzeuge nutzen, um hartschalige Früchte wie Strichnos spinosa und Afraegle paniculata sowie grosse Landschnecken aufzubrechen. Die Schimpansen verwenden Gegenstände auch in anderen Zusammenhängen, die nicht unbedingt als Werkzeuggebrauch definiert werden können: Sie trommlen im Rahmen vom männlichen Imponierverhalten laut mit Händen und Füßen auf die Brettwurzeln von Bäumen, und zerschmettern harte Früchte, Schneckenhäuser und Cubitermes-Termitenhügel auf Ambossen aus Gestein oder Wurzeln.
	Wir haben signifikante Unterschiede beim Vermessen der Stabwerkzeuge festgestellt, was darauf hindeutet, dass es sich um Spezialwerkzeuge handelt, die speziell für verschiedene Zwecke hergestellt werden. Wir haben insbesondere die Unterschiede zwischen scheinbar ähnlichen Pinselwerkzeugen für den Konsum von Flüssigkeiten (H zu verhindern, sowie die möglichen Nebeneffekte des Klimawandels zu dokumentieren.onig, Wasser) genauer untersucht. Diese Pinselwerkzeuge der Comoé-Schimpansen sind offenbar einzigartig und bislang nicht in der Literatur beschrieben. Gesamtlänge, Durchmesser und Bürstenlänge weichen je nach Verwendungszweck der Pinsel erheblich voneinander ab, was darauf hindeutet, dass es sich um Spezialwerkzeuge handelt. Wir schlussfolgern, dass die Kultur der Comoé-Schimpansen einzigartig innerhalb der der westlichen Schimpansen ist. Um diese einzigartige Population von Schimpansen effektiv zu schützen benötigt es weitere Forschung sowie die ständige Präsenz von Forschungsteams, um Wilderei
KW  - Chimpanzee
KW  - ecology
KW  - distribution
KW  - behavior
KW  - Comoé National Park
KW  - tool-use
KW  - primate
KW  - tool
KW  - diet
KW  - habitat
KW  - Parc National de la Comoé
KW  - Schimpanse
KW  - Verhalten
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-223180
ER  - 
TY  - THES
A1  - Heidrich, Lea
T1  - The effect of environmental heterogeneity on communities
T1  - Der Einfluss von Heterogenität in Umweltbedingungen auf Artgemeinschaften
N2  - How diversity of life is generated, maintained, and distributed across space and time is the central question of community ecology. Communities are shaped by three assembly processes: (I) dispersal, (II) environ-mental, and (III) interaction filtering. Heterogeneity in environmental conditions can alter these filtering processes, as it increases the available niche space, spatially partitions the resources, but also reduces the effective area available for individual species. Ultimately, heterogeneity thus shapes diversity. However, it is still unclear under which conditions heterogeneity has positive effects on diversity and under which condi-tions it has negative or no effects at all. In my thesis, I investigate how environmental heterogeneity affects the assembly and diversity of diverse species groups and whether these effects are mediated by species traits. 
In Chapter II, I first examine how much functional traits might inform about environmental filtering pro-cesses. Specifically, I examine to which extent body size and colour lightness, both of which are thought to reflect the species thermal preference, shape the distribution and abundance of two moth families along elevation. The results show, that assemblages of noctuid moths are more strongly driven by abiotic filters (elevation) and thus form distinct patterns in colour lightness and body size, while geometrid moths are driven by biotic filters (habitat availability), and show no decline in body size nor colour lightness along elevation. Thus, one and the same functional trait can have quite different effects on community assembly even between closely related taxonomic groups. 
In Chapter III, I elucidate how traits shift the relative importance of dispersal and environmental filtering in determining beta diversity between forests. Environmental filtering via forest heterogeneity had on aver-age higher independent effects than dispersal filtering within and among regions, suggesting that forest heterogeneity determines species turnover even at country-wide extents. However, the relative importance of dispersal filtering increased with decreasing dispersal ability of the species group. From the aspects of forest heterogeneity covered, variations in herb or tree species composition had overall stronger influence on the turnover of species than forest physiognomy. Again, this ratio was influenced by species traits, namely trophic position, and body size, which highlights the importance of ecological properties of a taxo-nomic group in community assembly.
In Chapter IV, I assess whether such ecological properties ultimately determine the level of heterogeneity which maximizes species richness. Here, I considered several facets of heterogeneity in forests. Though the single facets of heterogeneity affected diverse species groups both in positive and negative ways, we could not identify any generalizable mechanism based on dispersal nor the trophic position of the species group which would dissolve these complex relationships.
In Chapter V, I examine the effect of environmental heterogeneity of the diversity of traits itself to evalu-ate, whether the effects of environmental heterogeneity on species richness are truly based on increases in the number of niches. The results revealed that positive effects of heterogeneity on species richness are not necessarily based on an increased number of niches alone, but proposedly also on a spatially partition of resources or sheltering effects. While ecological diversity increased overall, there were also negative trends which indicate filtering effects via heterogeneity.
In Chapter VI, I present novel methods in measuring plot-wise heterogeneity of forests across continental scales via Satellites. The study compares the performance of Sentinel-1 and LiDar-derived measurements in depicting forest structures and heterogeneity and to their predictive power in modelling diversity. Senti-nel-1 could match the performance of Lidar and shows high potential to assess free yet detailed infor-mation about forest structures in temporal resolutions for modelling the diversity of species.
Overall, my thesis supports the notion that heterogeneity in environmental conditions is an important driv-er of beta-diversity, species richness, and ecological diversity. However, I could not identify any general-izable mechanism which direction and form this effect will have.
N2  - Eine zentrale Frage in der Ökologie ist es, wie die Diversität von Artgemeinschaften generiert, aufrecht-erhalten, und über Zeit und Raum verteilt wird. Die Zusammensetzung von Artgemeinschaften wird durch drei Prozesse bestimmt, die einzelne Arten herausfiltern: (I) Ausbreitung, sowie (II) Umweltbedin-gungen und (III) Interaktionen mit anderen Arten. Heterogenität in Umweltbedingungen verändert das Zusammenspiel dieser Filterprozesse, da es die Anzahl verfügbarer Nischen erhöht und Ressourcen räum-lich aufteilt, aber auch den für die jeweilige Art verfügbaren Raum reduziert, was schlussendlich die Diver-sität der Artgemeinschaft beeinflusst. Es ist jedoch immer noch unklar, wann Heterogenität die Diversität positiv und wann negativ oder sogar überhaupt nicht beeinflusst. In dieser Dissertation werde ich der Fra-ge nachgehen, wie Heterogenität die Artzusammensetzung und Diversität verschiedenster Artengruppen beeinflusst und ob deren Reaktion auf Heterogenität durch Artmerkmale beeinflusst wird.
In Kapitel II untersuche ich zunächst inwieweit funktionale Merkmale den Einfluss von Umweltbedingun-gen auf Arten widerspiegeln. Dazu untersuchte ich den Einfluss von Körpergröße und Helligkeit auf die Verbreitung und Abundanz zweier Nachtfalterfamilien entlang eines Höhengradienten. Es zeigte sich, dass Noctuidae stärker von abiotischen Filterprozessen, d.h. Höhe, betroffen waren und klare Zu- bzw. Ab-nahmen in Körpergröße und Helligkeit entlang der Höhe aufwiesen, während Geometridae eher von bioti-schen Filterprozessen, d.h. der Verfügbarkeit ihres Habitats, beeinflusst wurden und keine Merkmalsmus-ter entlang der Höhe aufwiesen. Entsprechend kann ein- und dasselbe Merkmal selbst innerhalb nah-verwandter Artgruppen unterschiedliche Effekte auf die Zusammensetzung von Arten haben.
In Kapitel III erläutere ich, wie funktionelle Merkmale die relative Wichtigkeit von Ausbreitungs- und Umweltfiltern für beta-Diversität verschieben können. Sowohl innerhalb als auch zwischen den untersuch-ten Regionen beeinflusste Heterogenität in Wäldern die beta-Diversität stärker als die räumliche Distanz.  Letztere wurde allerdings immer bedeutender, je schlechter die Ausbreitungsfähigkeit der jeweiligen Arten-gruppe war. Wenn die Heterogenität in Wäldern nach floristischen und strukturellen Aspekten aufgeteilt wird, so hatte erstere alles in allem einen stärkeren Einfluss auf Unterschiede zwischen Artgemeinschaften. Bei Artengruppen höheren trophischen Levels und größeren Körperbaus hatten die strukturellen Aspekte jedoch einen stärkeren Einfluss. Diese Ergebnisse verdeutlichen, dass die Artzusammensetzung von be-stimmte Merkmale beeinflusst werden kann. 
In Kapitel IV untersuche ich ob solche Merkmale das Level an Heterogenität festlegen, an welchen Arten-reichtum am höchsten ist. Dazu betrachtete ich mehrere Aspekte von Heterogenität in Wäldern. Obwohl Heterogenität in diesen Aspekten sowohl positive als auch negative Einfluss auf den Artenreichtum der verschiedensten Artengruppen hatte, konnten wir diese nicht anhand der Ausbreitungsfähigkeit oder des trophischen Levels der Artengruppen ableiten. 
In Kapitel V untersuche ich schließlich den Effekt von Heterogenität auf die Vielfalt von funktionalen Merkmalen. Dieser Ansatz soll helfen zu evaluieren, ob eventuelle Anstiege in der Artenzahl mit Hetero-genität einem Zuwachs in der Anzahl der ökologischen Nischen zurückzuführen sind. Die Ergebnisse legen nahe, dass ein Anstieg von Artenreichtum nicht dadurch beeinflusst wird, sondern auch durch ande-re Mechanismen wie die räumliche Aufteilung von Ressourcen oder durch die Schaffung von Zufluchts-räumen. Obwohl Heterogenität die ökologische Diversität überwiegend positiv beeinflusste, gab es auch einige negative Reaktionen die darauf hindeuten, dass Heterogenität auch bestimmte Merkmale aus einer Artgemeinschaft herausfiltern kann.
In Kapitel VI präsentiere ich neue, Satelliten-gestützte Methoden in der Erfassung von Waldstrukturen. In dieser Studie werden die Eignung von LiDar (Lasergestützte Waldvermessungen aus der Luft) und Senti-nel-1 (Satellitenscan durch Radiowellen) verglichen, Waldstrukturen und deren Heterogenität zu messen sowie verschiedene Diversitäts-indices zu modellieren. Hierbei schnitt Sentinel-1 ähnlich gut ab wie LiDar. Somit zeigt Sentinel-1 großes Potential zukünftige Biodiversitätsaufnahmen zu unterstützen, auch aufgrund der kostenfreie Verfügbarkeit von Daten, deren globalen Abdeckung und hohen zeitlichen Auflösung.
Insgesamt unterstützen die Ergebnisse meiner Arbeit die große Bedeutung von Heterogenität, insbesonde-re von Waldstrukturen, für beta-Diversität, Artenreichtum und funktionaler Diversität. Allerdings konnte keine generelle Regel identifiziert werden, nach der sich vorhersagen lassen würde welche genaue Richtung dieser Effekt haben wird.
KW  - Heterogenität
KW  - Wald
KW  - Artenvielfalt
KW  - Waldstruktur
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-221781
ER  - 
TY  - THES
A1  - Grebinyk, Anna
T1  - Synergistic Chemo- and Photodynamic Treatment of Cancer Cells with C\(_{60}\) Fullerene Nanocomplexes
T1  - Synergistische chemo- und photodynamische Behandlung von Krebszellen mit C\(_{60}\)-Fulleren-Nanokomplexen
N2  - Recent progress in nanotechnology has attracted interest to a biomedical application of the carbon nanoparticle C60 fullerene (C60) due to its unique structure and versatile biological activity. In the current study the dual functionality of C60 as a photosensitizer and a drug nanocarrier was exploited to improve the efficiency of chemotherapeutic drugs towards human leukemic cells.
Pristine C60 demonstrated time-dependent accumulation with predominant mitochondrial localization in leukemic cells. C60’s effects on leukemic cells irradiated with high power single chip LEDs of different wavelengths were assessed to find out the most effective photoexcitation conditions. A C60-based noncovalent nanosized system as a carrier for an optimized drug delivery to the cells was evaluated in accordance to its physicochemical properties and toxic effects. Finally, nanomolar amounts of C60-drug nanocomplexes in 1:1 and 2:1 molar ratios were explored to improve the efficiency of cell treatment, complementing it with photodynamic approach.
A proposed treatment strategy was developed for C60 nanocomplexes with the common chemotherapeutic drug Doxorubicin, whose intracellular accumulation and localization, cytotoxicity and mechanism of action were investigated. The developed strategy was revealed to be transferable to an alternative potent anticancer drug – the herbal alkaloid Berberine. 
Hereafter, a strong synergy of treatments arising from the combination of C60-mediated drug delivery and C60 photoexcitation was revealed. Presented data indicate that a combination of chemo- and photodynamic treatments with C60-drug nanoformulations could provide a promising synergetic approach for cancer treatment.
N2  - Kürzliche Fortschritte in der Nanotechnologie haben Interesse an einer biomedizinischen Anwendung des Kohlenstoffnanopartikels C60 Fulleren (C60) aufgrund seiner einzigartigen Struktur und breiten biologischen Aktivität geweckt. In der aktuellen Studie wurde die doppelte Funktionalität von C60 als Photosensibilisator und als Wirkstoff-Nanoträger genutzt, um die Wirkung von Chemotherapeutika auf menschliche Leukämiezellen zu verbessern.
C60 alleine zeigte in den Zellen eine zeitabhängige Akkumulation mit vorherrschender mitochondrialer Lokalisation. Die Wirkung von C60 auf Leukämiezellen, die mit unterschiedlicher Wellenlänge bestrahlt wurden, wurde bewertet, um die effektivsten Photoanregungsbedingungen zu finden. Die physikochemischen Eigenschaften und toxischen Wirkungen von C60 auf die Leukämiezellen wurden nach nicht kovalenter Bindung von Arzneistoffen bewertet. Schließlich wurden nanomolare Mengen von C60-Wirkstoff-Nanokomplexen in Molverhältnissen von 1:1 und 2:1 untersucht, um die Effizienz der Behandlung von Zellen zu verbessern und sie durch photodynamischen Ansatz zu ergänzen.
Mit dem gängigen Chemotherapeutikum Doxorubicin wurde eine Behandlungsstrategie entwickelt und dessen intrazelluläre Akkumulation und Lokalisation, Zytotoxizität und Wirkmechanismus untersucht wurden. Es wurde gezeigt, dass die entwickelte Strategie auch auf ein alternatives Krebsmedikament übertragbar ist – das pflanzliche Alkaloid Berberin.
Die erhaltenen Daten deuten darauf hin, dass eine Kombination von chemo- und photodynamischen Behandlungen mit C60-Nanokomplexen einen vielversprechenden synergetischen Ansatz für die Krebsbehandlung bieten könnte.
KW  - cancer
KW  - drug delivery
KW  - photodynamic therapy
KW  - fullerene
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-222075
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zwettler, Fabian Ulrich
T1  - Expansionsmikroskopie kombiniert mit hochauflösender Fluoreszenzmikroskopie
T1  - Expansion Microscopy combined with Super-Resolution Fluorescence Microscopy
N2  - Fluorescence microscopy is a form of light microscopy that has developed during the 20th century and is nowadays a standard tool in Molecular and Cell biology for studying the structure and function of biological molecules. High-resolution fluorescence microscopy techniques, such as dSTORM (direct Stochastic Optical Reconstruction Microscopy) allow the visualization of cellular structures at the nanometre scale (10−9 m). This has already made it possible to decipher the composition and function of various biopolymers, such as proteins, lipids and nucleic acids, up to the three-dimensional (3D) structure of entire organelles. In practice, however, it has been shown that these imaging methods and their further developments still face great challenges in order to achieve an effective resolution below ∼ 10 nm. This is mainly due to the nature of labelling biomolecules. For the detection of molecular structures, immunostaining is often performed as a standard method. Antibodies to which fluorescent molecules are coupled, recognize and bind specifcally and with high affnity to the molecular section of the target structure, also called epitope or antigen. The fluorescent molecules serve as reporter molecules which are imaged with the use of a fluorescence microscope. However, the size of these labels with a length of about 10-15 nm in the case of immunoglobulin G (IgG) antibodies, cause a detection of the fluorescent molecules shifted to the real position of the studied antigen. In dense regions where epitopes are located close to each other, steric hindrance between antibodies can also occur and leads to an insuffcient label density. Together with the shifted detection of fluorescent molecules, these factors can limit the achievable resolution of a microscopy technique. Expansion microscopy (ExM) is a recently developed technique that achieves a resolution improvement by physical expansion of an investigated object. Therefore, biological samples such as cultured cells, tissue sections, whole organs or isolated organelles are chemically anchored into a swellable polymer. By absorbing water, this so-called superabsorber increases its own volume and pulls the covalently bound biomolecules isotropically apart. Routinely, this method achieves a magnifcation of the sample by about four times its volume. But protocol variants have already been developed that result in higher expansion factors of up to 50-fold. Since the ExM technique includes in the frst instance only the sample treatment for anchoring and magnifcation of the sample, it can be combined with various standard methods of fluorescence microscopy. In theory, the resolution of the used imaging technique improves linearly with the expansion factor of the ExM treated sample. However, an insuffcient label density and the size of the antibodies can here again impair the effective achievable resolution. The combination of ExM with high-resolution fluorescence microscopy methods represents a promising strategy to increase the resolution of light microscopy. In this thesis, I will present several ExM variants I developed which show the combination of ExM with confocal microscopy, SIM (Structured Illumination Microscopy), STED (STimulated Emission Depletion) and dSTORM. I optimized existing ExM protocols and developed different expansion strategies, which allow the combination with the respective imaging technique. Thereby, I gained new structural insights of isolated centrioles from the green algae Chlamydomonas reinhardtii by combining ExM with STED and confocal microscopy. In another project, I combined 3D-SIM imaging with ExM and investigated the molecular structure of the so-called synaptonemal complex. This structure is formed during meiosis in eukaryotic cells and contributes to the exchange of genetic material between homologous chromosomes. Especially in combination with dSTORM, the ExM method showed its high potential to overcome the limitations of modern fluorescence microscopy techniques. In this project, I expanded microtubules in mammalian cells, a polymer of the cytoskeleton as well as isolated centrioles from C. reinhardtii. By labelling after expansion of the samples, I was able to signifcantly reduce the linkage error of the label and achieve an improved label density. In future, these advantages together with the single molecule sensitivity and high resolution obtained by the dSTORM method could pave the way for achieving molecular resolution in fluorescence microscopy
N2  - Die Fluoreszenzmikroskopie ist eine Form der Lichtmikroskopie, die sich im Laufe des 20. Jahrhunderts entwickelt hat und heutzutage standardmäßig in der Molekular-und Zellbiologie zur Erforschung von Aufbau und Funktion biologischer Moleküle eingesetzt wird. Hochauflösende Verfahren der Fluoreszenzmikroskopie, wie die dSTORM (direct Stochastic Optical Reconstruction Microscopy) Technik, ermöglichen die Visualisierung zellulärer Strukturen im Nanometer-Größenbereich (10−9 m). Dadurch konnte bereits die Zusammensetzung und Funktion unterschiedlicher Biopolymere, wie die von Proteinen, Lipiden und Nukleinsäuren, bis hin zum dreidimensionalen (3D) Aufbau ganzer Organellen entschlüsselt werden.
In der Praxis zeigt sich jedoch, dass diese Bildgebungsverfahren und ihre Weiterentwicklungen immer noch vor großen Herausforderungen stehen, bevor eine effektive Auflösung von unter ∼10 nm erreicht werden kann. Die größte Hürde stellt die Art und Weise der Markierung von Biomolekülen dar. Bei dieser wird zum Nachweis molekularer Strukturen häufig die sogenannte Immunfärbung als Standardmethode eingesetzt. Antikörper, welche mit Fluoreszenzmolekülen gekoppelt werden, erkennen und binden hierbei spezifisch und mit hoher Affinität den Molekülabschnitt der Zielstruktur, auch Epitop oder Antigen genannt. Die Fluoreszenzmoleküle dienen als Reportermoleküle, welche mit Hilfe eines Fluoreszenzmikroskops abgebildet werden. Die Größe der Antikörper, mit einer Länge von etwa 10-15 nm im Falle von Immunglobulin G (IgG) Antikörpern, bewirkt jedoch eine Detektion der fluoreszierenden Moleküle verschoben zur eigentlichen Lage des untersuchten Antigens. In Regionen mit räumlich dicht nebeneinander liegenden Epitopen kann es zusätzlich zur sterischen Hinderung zwischen den Antikörpern kommen. Dies führt zu einer unzureichenden Markierungsdichte und stellt - zusammen mit der verschobenen Detektion der Fluoreszenzmoleküle - eine Limitierung der zu erreichenden Auflösung dar.
Die Expansionsmikroskopie (ExM) ist ein neu entwickeltes Verfahren, welches eine Auflösungsverbesserung durch die physikalische Expansion eines untersuchten Objekts erreicht. Hierbei werden biologische Proben, wie beispielsweise kultivierte Zellen, Gewebeschnitte, ganze Organe oder isolierte Organellen, chemisch in ein quellbares Polymer verankert. Durch Absorption von Wasser vergrößert dieser sogenannte Superabsorber sein eigenes Volumen und zieht während der räumlichen Expansion die kovalent gebundenen Biomoleküle isotrop auseinander. Standardmäßig wird durch dieses Verfahren eine Vergrößerung der Proben um etwa das vierfache Volumen erreicht, wobei bereits Protokollvarianten entwickelt wurden, die eine bis zu 50-fache Expansion erzielt haben.
Da die ExM-Technik zunächst nur die Probenbehandlung zur Verankerung und Vergrößerung der Probe selbst beinhaltet, kann sie mit unterschiedlichen Standardmethoden der Fluoreszenzmikroskopie kombiniert werden. Dadurch verbessert sich die Auflösung des verwendeten Bildgebungsverfahrens theoretisch linear um den Faktor der Volumenvergrößerung der ExM behandelten Probe. Eine unzureichende Markierungsdichte und die Größe der verwendeten Antikörper können auch hier die effektiv erreichbare Auflösung beeinträchtigen. Die Kombination der ExM mit hochauflösenden Verfahren der Fluoreszenzmikroskopie stellt eine vielversprechende Strategie zur Erhöhung der bisher erreichbaren Auflösung in der Lichtmikroskopie dar.
In dieser Arbeit werde ich mehrere von mir entwickelte ExM Varianten vorstellen, welche die Kombination von ExM mit konfokaler Mikroskopie, SIM (Structured Illumination Microscopy), STED (STimulated Emission Depletion) und dSTORM zeigen. Um die Verbindung mit dem jeweiligen Bildgebungsverfahren zu ermöglichen, optimierte ich bestehende ExM-Protokolle und entwickelte unterschiedliche Expansionsstrategien. Dadurch konnte ich neue strukturelle Erkenntnisse von isolierten Zentriolen aus der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii durch die Verbindung von ExM mit STED und konfokaler Mikroskopie gewinnen. In einem weiteren Projekt kombinierte ich 3D-SIM mit ExM und untersuchte den molekularen Aufbau des sogenannten synaptonemalen Komplexes. Diese Struktur bildet sich in eukaryotischen Zellen während der Reifeteilung (Meiose) aus und trägt zum Austausch des genetischen Materials zwischen homologen Chromosomen bei.
Vor allem in Verbindung mit dSTORM zeigte sich das hohe Potential der ExM-Methode, die bisherigen Limitierungen moderner Techniken der Fluoreszenzmikroskopie zu überwinden. In diesem Projekt expandierte ich Mikrotubuli in Säugetierzellen, ein Polymer des Zytoskeletts, sowie isolierte Zentriolen aus C. reinhardtii. Dadurch, dass die Markierung erst nach dem Expandieren der Proben erfolgte, gelang es, den Abstandsfehler der Markierung deutlich zu verringern und eine verbesserte Markierungsdichte zu erreichen. Diese Vorteile könnten in Verbindung mit der Einzelmolekülsensititvität und hohen Auflösung der dSTORM Methode Wegbereiter zur Erreichung einer molekularen Auflösung sein
KW  - Fluoreszenzmikroskopie
KW  - Expansionsmikroskopie
KW  - Einzelmolekül-Lokalisationsmikroskopie
KW  - Zentriolen
KW  - Synaptonemaler Komplex
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-212362
ER  - 
TY  - THES
A1  - Eisenhuth, Nicole Juliana
T1  - Novel and conserved roles of the histone methyltransferase DOT1B in trypanosomatid parasites
T1  - Neue und konservierte Rollen der Histonmethyltransferase DOT1B in Parasiten der Ordnung Trypanosomatida
N2  - The family of trypanosomatid parasites, including the human pathogens Trypanosoma brucei and Leishmania, has evolved sophisticated strategies to survive in harmful host environments. While Leishmania generate a safe niche inside the host’s macrophages, Trypanosoma brucei lives extracellularly in the mammalian bloodstream, where it is constantly exposed to the attack of the immune system. Trypanosoma brucei ensures its survival by periodically changing its protective surface coat in a process known as antigenic variation. The surface coat is composed of one species of ‘variant surface glycoprotein’ (VSG). Even though the genome possesses a large repertoire of different VSG isoforms, only one is ever expressed at a time from one out of the 15 specialized subtelomeric ‘expression sites’ (ES). Switching the coat can be accomplished either by a recombination-based exchange of the actively-expressed VSG with a silent VSG, or by a transcriptional switch to a previously silent ES. 
The conserved histone methyltransferase DOT1B methylates histone H3 on lysine 76 and is involved in ES regulation in T. brucei. DOT1B ensures accurate transcriptional silencing of the inactive ES VSGs and influences the kinetics of a transcriptional switch. The molecular machinery that enables DOT1B to execute these regulatory functions at the ES is still elusive, however. To learn more about DOT1B-mediated regulatory processes, I wanted to identify DOT1B-associated proteins. 
Using two complementary approaches, specifically affinity purification and proximity-dependent biotin identification (BioID), I identified several novel DOT1B-interacting candidates. To validate these data, I carried out reciprocal co-immunoprecipitations with the most promising candidates. An interaction of DOT1B with the Ribonuclease H2 protein complex, which has never been described before in any other organism, was confirmed. Trypanosomal Ribonuclease H2 maintains genome integrity by resolving RNA-DNA hybrids, structures that if not properly processed might initiate antigenic variation. I then investigated DOT1B’s contribution to this novel route to antigenic variation. Remarkably, DOT1B depletion caused an increased RNA-DNA hybrid abundance, accumulation of DNA damage, and increased VSG switching. Deregulation of VSGs from throughout the silent repertoire was observed, indicating that recombination-based switching events occurred. Encouragingly, the pattern of deregulated VSGs was similar to that seen in Ribonuclease H2-depleted cells. Together these data support the hypothesis that both proteins act together in modulating RNA-DNA hybrids to contribute to the tightly-regulated process of antigenic variation.
The transmission of trypanosomatid parasites to mammalian hosts is facilitated by insect vectors. Parasites need to adapt to the extremely different environments encountered during transmission. To ensure their survival, they differentiate into various specialized forms adapted to each tissue microenvironment. Besides antigenic variation, DOT1B additionally affects the developmental differentiation from the mammalian-infective to the insect stage of Trypanosoma brucei. However, substantially less is known about the influence of chromatin-associated proteins such as DOT1B on survival and adaptation strategies of related Leishmania parasites. To elucidate whether DOT1B’s functions are conserved in Leishmania, phenotypes after gene deletion were analyzed. As in Trypanosoma brucei, generation of a gene deletion mutant demonstrated that DOT1B is not essential for the cell viability in vitro. DOT1B deletion was accompanied with a loss of histone H3 lysine 73 trimethylation (the lysine homologous to trypanosomal H3K76), indicating that Leishmania DOT1B is also solely responsible for catalyzing this post-translational modification. As in T. brucei, dimethylation could only be observed during mitosis/cytokinesis, while trimethylation was detectable throughout the cell cycle in wild-type cells. In contrast to the trypanosome DOT1B, LmxDOT1B was not essential for differentiation in vitro. However, preliminary data indicate that the enzyme is required for effective macrophage infection. 
In conclusion, this study demonstrated that the identification of protein networks and the characterization of protein functions of orthologous proteins from related parasites are effective tools to improve our understanding of the parasite survival strategies. Such insights are a necessary step on the road to developing better treatments for the devastating diseases they cause.
N2  - Vertreter der Familie der Trypanosomatidae einschließlich der humanpathogenen Trypanosoma brucei und Leishmania Arten entwickelten eine Reihe von ausgeklügelten Strategien, um in ihren Wirten zu überleben. Während sich Leishmanien eine sichere Nische in den Makrophagen ihrer Wirte aufbauen, lebt Trypanosoma brucei ausschließlich extrazellulär im Blutkreislauf der Säugetiere. Dort ist der Parasit ständig dem Angriff des Immunsystems ausgesetzt. Um sein Überleben zu sichern, wechselt er regelmäßig seine variablen Oberflächenproteine (VSG), eine Strategie, die auch als antigene Variation bekannt ist. Obwohl das Genom des Parasiten über ein enormes Repertoire an VSG Genen verfügt, wird immer nur eine einzige Art von einer von 15 spezialisierten telomerproximalen Expressionsstellen (ES) transkribiert. Um die VSG-Zelloberfläche zu wechseln, können Trypanosomen das VSG Gen der aktiven ES gegen ein inaktives VSG aus dem gigantischen Repertoire mittels Rekombination eintauschen. Eine weitere Möglichkeit ist der Transkriptionswechsel zu einer zuvor stillen ES.
Die konservierte Histonmethyltransferase DOT1B katalysiert die Methylierung von Histon H3 am Lysin 76 und ist an der ES-Regulation beteiligt. DOT1B gewährleistet den transkriptionell inaktiven Status der ES und beeinflusst die Kinetik eines transkriptionellen ES Wechsels. Die molekularen Komponenten, die DOT1B diese regulatorischen Funktionen an der ES ermöglichen, sind jedoch noch unbekannt. Um mehr über die von DOT1B vermittelten Mechanismen zu erfahren, ist es notwendig, DOT1B-assoziierte Proteine zu identifizieren. 
Durch die Anwendung von komplementären biochemischen Proteinaufreinigungsmethoden gelang es mir, mehrere potentielle Proteininteraktionen zu DOT1B zu entdecken. Um die Daten zu validieren, führte ich weitere Proteinaufreinigungen mit den vielversprechendsten Kandidaten durch. Eine Interaktion zwischen DOT1B und der Ribonuklease H2 konnte bestätigt werden - eine Interaktion, die noch nie zuvor in anderen Organismen beschrieben wurde. In Trypanosomen gewährleistet Ribonuklease H2 die Genomintegrität, indem das Enzym RNA-DNA-Hybride auflöst. Diese Strukturen können zudem, wenn sie nicht richtig prozessiert werden, antigene Variation initiieren. In dieser Studie wurde daher außerdem DOT1B’s Beitrag zu diesem Weg der Initiation der antigenen Variation analysiert. In der Tat konnte gezeigt werden, dass DOT1B RNA-DNA-Hybride moduliert und die Genomintegrität sowie VSG-Wechselrate beeinflusst. Die Tatsache, dass in DOT1B-Mutanten VSG Isoformen von den unterschiedlichsten Genomregionen exprimiert wurden, deutet darauf hin, dass rekombinations-basierte Ereignisse dem VSG-Wechsel zu Grunde lagen. Da in den DOT1B-Mutanten ähnliche VSG exprimiert wurden wie in Ribonuklease H2-Mutanten, kann vermutet werden, dass beide Proteine bei der Modulation der RNA-DNA-Hybride zusammenwirken, um antigene Variation zu regulieren.  
Trypanosomen und Leishmanien werden mittels Insektenvektoren auf den nächsten Säugerwirt übertragen. Sie müssen daher nicht nur im Säugerwirt überleben, sondern sich auch an die extrem unterschiedliche Umgebung im Vektor anpassen. Dafür differenzieren sich die Parasiten in speziell angepasste Zellstadien. Zusätzlich zu der antigenen Variation beeinflusst DOT1B die Entwicklungsdifferenzierung in Trypanosoma brucei. In Leishmanien hingegen ist über den Einfluss von chromatin-assoziierten Proteinen wie DOT1B auf die Überlebens- und Anpassungsstrategien wesentlich weniger bekannt. Um herauszufinden, ob die Funktionen von DOT1B in Leishmanien konserviert sind, wurden Phänotypen nach Gendeletion analysiert. Wie auch in Trypanosoma brucei konnte gezeigt werden, dass DOT1B für das Überleben der Parasiten nicht essentiell ist. Die Deletion von DOT1B ging mit einem Verlust der Trimethylierung von Histon H3 am Lysin 73 (dem zum trypanosomalen H3K76 homologen Lysin) einher, was darauf hinweist, dass DOT1B auch in Leishmanien allein für die Katalyse dieser posttranslationalen Modifikation verantwortlich ist. Wie in Trypanosoma brucei konnte eine Dimethylierung nur in der Mitose/Zytokinese beobachtet werden, wobei die Trimethylierung während des gesamten Zellzyklus in Wildtyp-Zellen nachweisbar war. Im Gegensatz zum trypanosomalen DOT1B war LmxDOT1B für die Differenzierung in vitro entbehrlich. Vorläufige Daten zeigen jedoch, dass das Enzym für eine wirksame Makrophageninfektion wesentlich ist.
Zusammenfassend zeigte diese Studie, dass die Identifizierung von Proteinnetzwerken und die Charakterisierung von Funktionen orthologer Proteine aus verwandten Parasiten wirksame Werkzeuge sind, um unser Verständnis der Überlebensstrategien der Parasiten zu verbessern. Solche Erkenntnisse sind ein notwendiger Schritt auf dem Weg zu effektiveren Behandlungsmethoden für die verheerenden Krankheiten, die diese Parasiten verursachen.
KW  - Trypanosoma brucei
KW  - Leishmania
KW  - Chromatin
KW  - Histon-Methyltransferase
KW  - DNA repair
KW  - developmental differentiation
KW  - DOT1
KW  - Ribonuclease H2
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-219936
ER  -