TY - JOUR A1 - Vogel, Sebastian A1 - Gossner, Martin M. A1 - Mergner, Ulrich A1 - Müller, Jörg A1 - Thorn, Simon T1 - Optimizing enrichment of deadwood for biodiversity by varying sun exposure and tree species: An experimental approach JF - Journal of Applied Ecology N2 - The enrichment of deadwood is essential for the conservation of saproxylic biodiversity in managed forests. However, existing strategies focus on a cost‐intensive increase of deadwood amount, while largely neglecting increasing deadwood diversity. Deadwood objects, that is logs and branches, from six tree species were experimentally sun exposed, canopy shaded and artificially shaded for 4 years, after which the alpha‐, beta‐ and gamma‐diversity of saproxylic beetles, wood‐inhabiting fungi and spiders were analysed. Analyses of beta‐diversity included the spatial distance between exposed deadwood objects. A random‐drawing procedure was used to identify the combination of tree species and sun exposure that yielded the highest gamma‐diversity at a minimum of exposed deadwood amount. In sun‐exposed plots, species numbers in logs were higher than in shaded plots for all taxa, while in branches we observed the opposite for saproxylic beetles. Tree species affected the species numbers only of saproxylic beetles and wood‐inhabiting fungi. The beta‐diversity of saproxylic beetles and wood‐inhabiting fungi among logs was influenced by sun exposure and tree species, but beta‐diversity of spiders by sun exposure only. For all saproxylic taxa recorded in logs, differences between communities increased with increasing spatial distance. A combination of canopy‐shaded Carpinus logs and sun‐exposed Populus logs resulted in the highest species numbers of all investigated saproxylic taxa among all possible combinations of tree species and sun‐exposure treatments. Synthesis and applications. We recommend incorporating the enrichment of different tree species and particularly the variation in sun exposure into existing strategies of deadwood enrichment. Based on the results of our study, we suggest to combine the logs of softwood broadleaf tree species (e.g. Carpinus, Populus), hardwood broadleaf tree species (e.g. Quercus) and coniferous tree species (e.g. Pinus) under different conditions of sun exposure and distribute them spatially in a landscape to maximize the beneficial effects on overall diversity. KW - broadleaf tree species KW - deadwood enrichment KW - forest conservation KW - forest management KW - saproxylic beetles KW - spiders KW - sun exposure KW - wood‐inhabiting fungi Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-214614 VL - 57 IS - 10 SP - 2075 EP - 2085 ER - TY - JOUR A1 - Leal, Andrea Zurita A1 - Schwebs, Marie A1 - Briggs, Emma A1 - Weisert, Nadine A1 - Reis, Helena A1 - Lemgruber, Leondro A1 - Luko, Katarina A1 - Wilkes, Jonathan A1 - Butter, Falk A1 - McCulloch, Richard A1 - Janzen, Christian J. T1 - Genome maintenance functions of a putative Trypanosoma brucei translesion DNA polymerase include telomere association and a role in antigenic variation JF - Nucleic Acids Research N2 - Maintenance of genome integrity is critical to guarantee transfer of an intact genome from parent to off-spring during cell division. DNA polymerases (Pols) provide roles in both replication of the genome and the repair of a wide range of lesions. Amongst replicative DNA Pols, translesion DNA Pols play a particular role: replication to bypass DNA damage. All cells express a range of translesion Pols, but little work has examined their function in parasites, including whether the enzymes might contribute to host-parasite interactions. Here, we describe a dual function of one putative translesion Pol in African trypanosomes, which we now name TbPolIE. Previously, we demonstrated that TbPolIE is associated with telomeric sequences and here we show that RNAi-mediated depletion of TbPolIE transcripts results in slowed growth, altered DNA content, changes in cell morphology, and increased sensitivity to DNA damaging agents. We also show that TbPolIE displays pronounced localization at the nuclear periphery, and that its depletion leads to chromosome segregation defects and increased levels of endogenous DNA damage. Finally, we demonstrate that TbPolIE depletion leads to deregulation of telomeric variant surface glycoprotein genes, linking the function of this putative translesion DNA polymerase to host immune evasion by antigenic variation. KW - cross-link repair KW - cell cycle KW - gene expression KW - low fidelity KW - replication KW - bypass KW - theta KW - reveals KW - binding Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-230579 VL - 48 IS - 17 ER - TY - JOUR A1 - Floren, Andreas A1 - von Rintelen, Thomas A1 - Herbert, Paul D. N. A1 - de Araujo, Bruno Cancian A1 - Schmidt, Stefan A1 - Balke, Michael A1 - Narakusumo, Raden Pramesa A1 - Peggie, Djunijanti A1 - Ubaidillah, Rosichon A1 - von Rintelen, Kristina A1 - Müller, Tobias T1 - Integrative ecological and molecular analysis indicate high diversity and strict elevational separation of canopy beetles in tropical mountain forests JF - Scientific Reports N2 - Tropical mountain forests contribute disproportionately to terrestrial biodiversity but little is known about insect diversity in the canopy and how it is distributed between tree species. We sampled tree-specific arthropod communities from 28 trees by canopy fogging and analysed beetle communities which were first morphotyped and then identified by their DNA barcodes. Our results show that communities from forests at 1100 and 1700 m a.s.l. are almost completely distinct. Diversity was much lower in the upper forest while community structure changed from many rare, less abundant species to communities with a pronounced dominance structure. We also found significantly higher beta-diversity between trees at the lower than higher elevation forest where community similarity was high. Comparisons on tree species found at both elevations reinforced these results. There was little species overlap between sites indicating limited elevational ranges. Furthermore, we exploited the advantage of DNA barcodes to patterns of haplotype diversity in some of the commoner species. Our results support the advantage of fogging and DNA barcodes for community studies and underline the need for comprehensive research aimed at the preservation of these last remaining pristine forests. KW - beta-diversity KW - community data KW - gradients KW - insects KW - hypthesis KW - evolution KW - passes KW - ants Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-230565 VL - 10 ER - TY - JOUR A1 - Matthes, Niels A1 - Diers, Johannes A1 - Schlegel, Nicolas A1 - Hankir, Mohammed A1 - Haubitz, Imme A1 - Germer, Christoph-Thomas A1 - Wiegering, Armin T1 - Validation of MTL30 as a quality indicator for colorectal surgery JF - PLoS One N2 - Background Valid indicators are required to measure surgical quality. These ideally should be sensitive and selective while being easy to understand and adjust. We propose here the MTL30 quality indicator which takes into account 30-day mortality, transfer within 30 days, and a length of stay of 30 days as composite markers of an uneventful operative/postoperative course. Methods Patients documented in the StuDoQ|Colon and StuDoQ|Rectal carcinoma register of the German Society for General and Visceral Surgery (DGAV) were analyzed with regard to the effects of patient and tumor-related risk factors as well as postoperative complications on the MTL30. Results In univariate analysis, the MTL30 correlated significantly with patient and tumor-related risk factors such as ASA score (p<0.001), age (p<0.001), or UICC stage (p<0.001). There was a high sensitivity for the postoperative occurrence of complications such as re-operations (p<0.001) or subsequent bleeding (p<0.001), as well as a significant correlation with the CDC classification (p<0.001). In multivariate analysis, patient-related risk factors and postoperative complications significantly increased the odds ratio for a positive MTL30. A negative MTL30 showed a high specify for an uneventful operative and postoperative course. Conclusion The MTL30 is a valid indicator of colorectal surgical quality. KW - surgical care KW - discharge definition KW - definition KW - mortality KW - pancreatectomy KW - complications KW - superior KW - capture Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-230530 VL - 15 IS - 8 ER - TY - JOUR A1 - Thorn, Simon A1 - Chao, Anne A1 - Georgiev, Konstadin B. A1 - Müller, Jörg A1 - Bässler, Claus A1 - Campbell, John L. A1 - Jorge, Castro A1 - Chen, Yan-Han A1 - Choi, Chang-Yong A1 - Cobb, Tyler P. A1 - Donato, Daniel C. A1 - Durska, Ewa A1 - Macdonald, Ellen A1 - Feldhaar, Heike A1 - Fontaine, Jospeh B. A1 - Fornwalt, Paula J. A1 - Hernández Hernández, Raquel María A1 - Hutto, Richard L. A1 - Koivula, Matti A1 - Lee, Eun-Jae A1 - Lindenmayer, David A1 - Mikusinski, Grzegorz A1 - Obrist, Martin K. A1 - Perlík, Michal A1 - Rost, Josep A1 - Waldron, Kaysandra A1 - Wermelinger, Beat A1 - Weiß, Ingmar A1 - Zmihorski, Michal A1 - Leverkus, Alexandro B. T1 - Estimating retention benchmarks for salvage logging to protect biodiversity JF - Nature Communications N2 - Forests are increasingly affected by natural disturbances. Subsequent salvage logging, a widespread management practice conducted predominantly to recover economic capital, produces further disturbance and impacts biodiversity worldwide. Hence, naturally disturbed forests are among the most threatened habitats in the world, with consequences for their associated biodiversity. However, there are no evidence-based benchmarks for the proportion of area of naturally disturbed forests to be excluded from salvage logging to conserve biodiversity. We apply a mixed rarefaction/extrapolation approach to a global multi-taxa dataset from disturbed forests, including birds, plants, insects and fungi, to close this gap. We find that 757% (mean +/- SD) of a naturally disturbed area of a forest needs to be left unlogged to maintain 90% richness of its unique species, whereas retaining 50% of a naturally disturbed forest unlogged maintains 73 +/- 12% of its unique species richness. These values do not change with the time elapsed since disturbance but vary considerably among taxonomic groups. Salvage logging has become a common practice to gain economic returns from naturally disturbed forests, but it could have considerable negative effects on biodiversity. Here the authors use a recently developed statistical method to estimate that ca. 75% of the naturally disturbed forest should be left unlogged to maintain 90% of the species unique to the area. KW - natural disturbance KW - bird communities KW - forest KW - management KW - beetle KW - conservation KW - windthrow KW - diversity KW - impact KW - fire Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-230512 VL - 11 ER - TY - JOUR A1 - Groma, Michaela A1 - Horst, Sarah A. A1 - Das, Sudip A1 - Huettel, Bruno A1 - Klepsch, Maximilian A1 - Rudel, Thomas A1 - Medina, Eva A1 - Fraunholz, Martin T1 - Identification of a Novel LysR-Type Transcriptional Regulator in Staphylococcus aureus That Is Crucial for Secondary Tissue Colonization during Metastatic Bloodstream Infection JF - mbio N2 - Staphylococcus aureus is a common cause of bacteremia that can lead to severe complications once the bacteria exit the bloodstream and establish infection in secondary organs. Despite its clinical relevance, little is known about the bacterial factors facilitating the development of these metastatic infections. Here, we used an S. aureus transposon mutant library coupled to transposon insertion sequencing (Tn-Seq) to identify genes that are critical for efficient bacterial colonization of secondary organs in a murine model of metastatic bloodstream infection. Our transposon screen identified a LysR-type transcriptional regulator (LTTR), which was required for efficient colonization of secondary organs such as the kidneys in infected mice. The critical role of LTTR in secondary organ colonization was confirmed using an isogenic mutant deficient in the expression of LTTR. To identify the set of genes controlled by LTTR, we used an S. aureus strain carrying the LTTR gene in an inducible expression plasmid. Gene expression analysis upon induction of LTTR showed increased transcription of genes involved in branched-chain amino acid biosynthesis, a methionine sulfoxide reductase, and a copper transporter as well as decreased transcription of genes coding for urease and components of pyrimidine nucleotides. Furthermore, we show that transcription of LTTR is repressed by glucose, is induced under microaerobic conditions, and required trace amounts of copper ions. Our data thus pinpoints LTTR as an important element that enables a rapid adaptation of S. aureus to the changing host microenvironment. IMPORTANCE Staphylococcus aureus is an important pathogen that can disseminate via the bloodstream and establish metastatic infections in distant organs. To achieve a better understanding of the bacterial factors facilitating the development of these metastatic infections, we used in this study a Staphylococcus aureus transposon mutant library in a murine model of intravenous infection, where bacteria first colonize the liver as the primary infection site and subsequently progress to secondary sites such as the kidney and bones. We identified a novel LysR-type transcriptional regulator (LTTR), which was specifically required by S. aureus for efficient colonization of secondary organs. We also determined the transcriptional activation as well as the regulon of LTTR, which suggests that this regulator is involved in the metabolic adaptation of S. aureus to the host microenvironment found in secondary infection sites. KW - Staphylococcus aureus KW - metabolic adaptation KW - secondary site infection KW - transcriptional regulation Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-230473 VL - 11 IS - 4 ER - TY - JOUR A1 - Römer, Daniela A1 - Cosarinsky, Marcela I. A1 - Roces, Flavio T1 - Selection and spatial arrangement of building materials during the construction of nest turrets by grass-cutting ants JF - Royal Society Open Science N2 - Ants build complex nest structures by reacting to simple, local stimuli. While underground nests result from the space generated by digging, some leaf- and grass-cutting ants also construct conspicuous aboveground turrets around nest openings. We investigated whether the selection of specific building materials occurs during turret construction in Acromyrmex fracticornis grass-cutting ants, and asked whether single building decisions at the beginning can modify the final turret architecture. To quantify workers' material selection, the original nest turret was removed and a choice between two artificial building materials, thin and thick sticks, was offered for rebuilding. Workers preferred thick sticks at the very beginning of turret construction, showed varying preferences thereafter, and changed to prefer thin sticks for the upper, final part of the turret, indicating that they selected different building materials over time to create a stable structure. The impact of a single building choice on turret architecture was evaluated by placing artificial beams that divided a colony's nest entrance at the beginning of turret rebuilding. Splitting the nest entrance led to the self-organized construction of turrets with branched galleries ending in multiple openings, showing that the spatial location of a single building material can strongly influence turret morphology. KW - collective building KW - behavioural plasticity KW - Acromyrmex fracticornis KW - quantitative stigmergy KW - self-organization KW - leaf-cutting ants Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-230458 VL - 7 ER - TY - JOUR A1 - Whisnant, Adam W. A1 - Jürges, Christopher S. A1 - Hennig, Thomas A1 - Wyler, Emanuel A1 - Prusty, Bhupesh A1 - Rutkowski, Andrzej J. A1 - L'hernault, Anne A1 - Djakovic, Lara A1 - Göbel, Margarete A1 - Döring, Kristina A1 - Menegatti, Jennifer A1 - Antrobus, Robin A1 - Matheson, Nicholas J. A1 - Künzig, Florian W. H. A1 - Mastrobuoni, Guido A1 - Bielow, Chris A1 - Kempa, Stefan A1 - Liang, Chunguang A1 - Dandekar, Thomas A1 - Zimmer, Ralf A1 - Landthaler, Markus A1 - Grässer, Friedrich A1 - Lehner, Paul J. A1 - Friedel, Caroline C. A1 - Erhard, Florian A1 - Dölken, Lars T1 - Integrative functional genomics decodes herpes simplex virus 1 JF - Nature Communications N2 - The predicted 80 open reading frames (ORFs) of herpes simplex virus 1 (HSV-1) have been intensively studied for decades. Here, we unravel the complete viral transcriptome and translatome during lytic infection with base-pair resolution by computational integration of multi-omics data. We identify a total of 201 transcripts and 284 ORFs including all known and 46 novel large ORFs. This includes a so far unknown ORF in the locus deleted in the FDA-approved oncolytic virus Imlygic. Multiple transcript isoforms expressed from individual gene loci explain translation of the vast majority of ORFs as well as N-terminal extensions (NTEs) and truncations. We show that NTEs with non-canonical start codons govern the subcellular protein localization and packaging of key viral regulators and structural proteins. We extend the current nomenclature to include all viral gene products and provide a genome browser that visualizes all the obtained data from whole genome to single-nucleotide resolution. Here, using computational integration of multi-omics data, the authors provide a detailed transcriptome and translatome of herpes simplex virus 1 (HSV-1), including previously unidentified ORFs and N-terminal extensions. The study also provides a HSV-1 genome browser and should be a valuable resource for further research. KW - infected-cell protein KW - messenger RNA KW - binding protein KW - type 1 KW - identification KW - ICP27 KW - translation KW - expression KW - sequence KW - domain Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-229884 VL - 11 ER - TY - JOUR A1 - Roth, Nicolas A1 - Zoder, Sebastian A1 - Zaman, Assad Ali A1 - Thorn, Simon A1 - Schmidl, Jürgen T1 - Long‐term monitoring reveals decreasing water beetle diversity, loss of specialists and community shifts over the past 28 years JF - Insect Conservation and Diversity N2 - Lentic freshwater organisms are influenced by a multitude of factors, including geomorphology, hydrology, anthropogenic impacts and climate change. Organisms that depend on patchy resources such as water beetles may also be sensitive to anthropogenic habitat degradation, like pollution, eutrophication, water level or management alteration. To assess composition and ecological trends in the water beetle communities of Central Europe, we sampled water beetles (Dytiscidae, Haliplidae, Noteridae) in 33 water bodies in Southern Germany from 1991 to 2018. We used manual, time‐standardised capture during three periods: between 1991 and 1995, 2007 and 2008, and 2017 and 2018. During the 28‐year survey period, we captured a total of 81 species. We found annual declines in both species number (ca −1%) and abundance (ca −2%). Also, community composition showed significant changes over time. The significant impact of pH on the community composition suggests that the recorded changes through time partly reflect natural succession processes. However, a pronounced decline of beetle species belonging to the moor‐related beetle associations indicated that Central European water beetles are also threatened by non‐successional factors, including desiccation, increased nitrogen input and/or mineralisation, and the loss of specific habitats. This trend to physiographical homogenisation resulted in corresponding community composition shifts. To effectively protect endangered species, conservation strategies need to be aimed at regularly creating new water bodies with mineralic bottom substratum, and maintenance of moor water bodies that represent late successional stages. KW - biodiversity KW - lentic inland water bodies KW - long‐term monitoring KW - time series KW - water beetles Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-214905 VL - 13 IS - 2 SP - 140 EP - 150 ER - TY - JOUR A1 - Georgiev, Kostadin B. A1 - Chao, Anne A1 - Castro, Jorge A1 - Chen, Yan‐Han A1 - Choi, Chang‐Yong A1 - Fontaine, Joseph B. A1 - Hutto, Richard L. A1 - Lee, Eun‐Jae A1 - Müller, Jörg A1 - Rost, Josep A1 - Żmihorski, Michal A1 - Thorn, Simon T1 - Salvage logging changes the taxonomic, phylogenetic and functional successional trajectories of forest bird communities JF - Journal of Applied Ecology N2 - Salvage logging following natural disturbances may alter the natural successional trajectories of biological communities by affecting the occurrences of species, functional groups and evolutionary lineages. However, few studies have examined whether dissimilarities between bird communities of salvaged and unsalvaged forests are more pronounced for rare species, functional groups and evolutionary lineages than for their more common counterparts. We compiled data on breeding bird assemblages from nine study areas in North America, Europe and Asia, covering a 17‐year period following wildfire or windstorm disturbances and subsequent salvage logging. We tested whether dissimilarities based on non‐shared species, functional groups and evolutionary lineages (a) decreased or increased over time and (b) the responses of rare, common and dominant species varied, by using a unified statistical framework based on Hill numbers and null models. We found that dissimilarities between bird communities caused by salvage logging persisted over time for rare, common and dominant species, evolutionary lineages and for rare functional groups. Dissimilarities of common and dominant functional groups increased 14 years post disturbance. Salvage logging led to significantly larger dissimilarities than expected by chance. Functional dissimilarities between salvaged and unsalvaged sites were lower compared to taxonomic and phylogenetic dissimilarities. In general, dissimilarities were highest for rare, followed by common and dominant species. Synthesis and applications. Our research demonstrates that salvage logging did not decrease dissimilarities of bird communities over time and taxonomic, functional and phylogenetic dissimilarities persisted for over a decade. We recommend resource managers and decision makers to reserve portions of disturbed forest to enable unmanaged post‐disturbance succession of bird communities, particularly to conserve rare species found in unsalvaged disturbed forests. KW - biodiversity KW - breeding season KW - forest management KW - harvesting KW - Hill numbers KW - natural disturbance KW - successional trajectory Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-214887 VL - 57 IS - 6 SP - 1103 EP - 1112 ER - TY - JOUR A1 - Gupta, Shishir K. A1 - Srivastava, Mugdha A1 - Osmanoglu, Oezge A1 - Dandekar, Thomas T1 - Genome-wide inference of the Camponotus floridanus protein-protein interaction network using homologous mapping and interacting domain profile pairs JF - Scientific Reports N2 - Apart from some model organisms, the interactome of most organisms is largely unidentified. High-throughput experimental techniques to determine protein-protein interactions (PPIs) are resource intensive and highly susceptible to noise. Computational methods of PPI determination can accelerate biological discovery by identifying the most promising interacting pairs of proteins and by assessing the reliability of identified PPIs. Here we present a first in-depth study describing a global view of the ant Camponotus floridanus interactome. Although several ant genomes have been sequenced in the last eight years, studies exploring and investigating PPIs in ants are lacking. Our study attempts to fill this gap and the presented interactome will also serve as a template for determining PPIs in other ants in future. Our C. floridanus interactome covers 51,866 non-redundant PPIs among 6,274 proteins, including 20,544 interactions supported by domain-domain interactions (DDIs), 13,640 interactions supported by DDIs and subcellular localization, and 10,834 high confidence interactions mediated by 3,289 proteins. These interactions involve and cover 30.6% of the entire C. floridanus proteome. KW - interaction map KW - drosophila KW - identification KW - evolutionary KW - reliability KW - annotation KW - database KW - target KW - cycle Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-229406 VL - 10 IS - 1 ER - TY - JOUR A1 - Lichthardt, Sven A1 - Wagner, Johanna A1 - Löb, Stefan A1 - Matthes, Niels A1 - Kastner, Caroline A1 - Anger, Friedrich A1 - Germer, Christoph-Thomas A1 - Wiegering, Armin T1 - Pathological complete response due to a prolonged time interval between preoperative chemoradiation and surgery in locally advanced rectal cancer: analysis from the German StuDoQ|Rectalcarcinoma registry JF - BMC Cancer N2 - Background Preoperative chemoradiotherapy is the recommended standard of care for patients with local advanced rectal cancer. However, it remains unclear, whether a prolonged time interval to surgery results in an increased perioperative morbidity, reduced TME quality or better pathological response. Aim of this study was to determine the time interval for best pathological response and perioperative outcome compared to current recommended interval of 6 to 8 weeks. Methods This is a retrospective analysis of the German StuDoQ|Rectalcarcinoma registry. Patients were grouped for the time intervals of "less than 6 weeks", "6 to 8 weeks", "8 to 10 weeks" and "more than 10 weeks". Primary endpoint was pathological response, secondary endpoint TME quality and complications according to Clavien-Dindo classification. Results Due to our inclusion criteria (preoperative chemoradiation, surgery in curative intention, M0), 1.809 of 9.560 patients were suitable for analysis. We observed a trend for increased rates of pathological complete response (pCR: ypT0ypN0) and pathological good response (pGR: ypT0-1ypN0) for groups with a prolonged time interval which was not significant. Ultimately, it led to a steady state of pCR (16.5%) and pGR (22.6%) in "8 to 10" and "more than 10" weeks. We were not able to observe any differences between the subgroups in perioperative morbidity, proportion of rectal extirpation (for cancer of the lower third) or difference in TME quality. Conclusion A prolonged time interval between neoadjuvant chemoradiation can be performed, as the rate of pCR seems to be increased without influencing perioperative morbidity. KW - Rectal cancer KW - Surgery KW - Radiochemotherapy KW - Time interval Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-229334 VL - 20 IS - 1 ER - TY - JOUR A1 - Osman, Mohamed A1 - Stigloher, Christian A1 - Mueller, Martin J. A1 - Waller, Frank T1 - An improved growth medium for enhanced inoculum production of the plant growth-promoting fungus Serendipita indica JF - Plant Methods N2 - Background The plant endophytic fungus Serendipita indica colonizes roots of a wide range of plant species and can enhance growth and stress resistance of these plants. Due to its ease of axenic cultivation and its broad host plant range including the model plant Arabidopsis thaliana and numerous crop plants, it is widely used as a model fungus to study beneficial fungus-root interactions. In addition, it was suggested to be utilized for commercial applications, e.g. to enhance yield in barley and other species. To produce inoculum, S. indica is mostly cultivated in a complex Hill-Kafer medium (CM medium), however, growth in this medium is slow, and yield of chlamydospores, which are often used for plant root inoculation, is relatively low. Results We tested and optimized a simple vegetable juice-based medium for an enhanced yield of fungal inoculum. The described vegetable juice (VJ) medium is based on commercially available vegetable juice and is easy to prepare. VJ medium was superior to the currently used CM medium with respect to biomass production in liquid medium and hyphal growth on agar plates. Using solid VJ medium supplemented with sucrose (VJS), a high amount of chlamydospores developed already after 8 days of cultivation, producing significantly more spores than on CM medium. Use of VJ medium is not restricted to S. indica, as it also supported growth of two pathogenic fungi often used in plant pathology experiments: the ascomycete Fusarium graminearum, the causal agent of Fusarium head blight disease on wheat and barley, and Verticillium longisporum, the causal agent of verticillium wilt. Conclusions The described VJ medium is recommended for streamlined and efficient production of inoculum for the plant endophytic fungus Serendipita indica and might prove superior for the propagation of other fungi for research purposes. KW - Serendipita indica KW - Plant root endophyte KW - Inoculum production KW - Complex medium KW - Aspergillus medium KW - Vegetable juice KW - Plant growth promotion Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-229186 VL - 16 ER - TY - JOUR A1 - Shityakov, Sergey A1 - Bencurova, Elena A1 - Förster, Carola A1 - Dandekar, Thomas T1 - Modeling of shotgun sequencing of DNA plasmids using experimental and theoretical approaches JF - BMC Bioinformatics N2 - Background Processing and analysis of DNA sequences obtained from next-generation sequencing (NGS) face some difficulties in terms of the correct prediction of DNA sequencing outcomes without the implementation of bioinformatics approaches. However, algorithms based on NGS perform inefficiently due to the generation of long DNA fragments, the difficulty of assembling them and the complexity of the used genomes. On the other hand, the Sanger DNA sequencing method is still considered to be the most reliable; it is a reliable choice for virtual modeling to build all possible consensus sequences from smaller DNA fragments. Results In silico and in vitro experiments were conducted: (1) to implement and test our novel sequencing algorithm, using the standard cloning vectors of different length and (2) to validate experimentally virtual shotgun sequencing using the PCR technique with the number of cycles from 1 to 9 for each reaction. Conclusions We applied a novel algorithm based on Sanger methodology to correctly predict and emphasize the performance of DNA sequencing techniques as well as in de novo DNA sequencing and its further application in synthetic biology. We demonstrate the statistical significance of our results. KW - Shotgun method KW - Sanger sequencing KW - Virtual sequencing KW - Polymerase chain reaction KW - Gene expression vectors KW - Synthetic biology Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-229169 VL - 2020 ER - TY - JOUR A1 - Memmel, Simon A1 - Sisario, Dmitri A1 - Zimmermann, Heiko A1 - Sauer, Markus A1 - Sukhorukov, Vladimir L. A1 - Djuzenova, Cholpon S. A1 - Flentje, Michael T1 - FocAn: automated 3D analysis of DNA repair foci in image stacks acquired by confocal fluorescence microscopy JF - BMC Bioinformatics N2 - Background Phosphorylated histone H2AX, also known as gamma H2AX, forms mu m-sized nuclear foci at the sites of DNA double-strand breaks (DSBs) induced by ionizing radiation and other agents. Due to their specificity and sensitivity, gamma H2AX immunoassays have become the gold standard for studying DSB induction and repair. One of these assays relies on the immunofluorescent staining of gamma H2AX followed by microscopic imaging and foci counting. During the last years, semi- and fully automated image analysis, capable of fast detection and quantification of gamma H2AX foci in large datasets of fluorescence images, are gradually replacing the traditional method of manual foci counting. A major drawback of the non-commercial software for foci counting (available so far) is that they are restricted to 2D-image data. In practice, these algorithms are useful for counting the foci located close to the midsection plane of the nucleus, while the out-of-plane foci are neglected. Results To overcome the limitations of 2D foci counting, we present a freely available ImageJ-based plugin (FocAn) for automated 3D analysis of gamma H2AX foci in z-image stacks acquired by confocal fluorescence microscopy. The image-stack processing algorithm implemented in FocAn is capable of automatic 3D recognition of individual cell nuclei and gamma H2AX foci, as well as evaluation of the total foci number per cell nucleus. The FocAn algorithm consists of two parts: nucleus identification and foci detection, each employing specific sequences of auto local thresholding in combination with watershed segmentation techniques. We validated the FocAn algorithm using fluorescence-labeled gamma H2AX in two glioblastoma cell lines, irradiated with 2 Gy and given up to 24 h post-irradiation for repair. We found that the data obtained with FocAn agreed well with those obtained with an already available software (FoCo) and manual counting. Moreover, FocAn was capable of identifying overlapping foci in 3D space, which ensured accurate foci counting even at high DSB density of up to similar to 200 DSB/nucleus. Conclusions FocAn is freely available an open-source 3D foci analyzer. The user-friendly algorithm FocAn requires little supervision and can automatically count the amount of DNA-DSBs, i.e. fluorescence-labeled gamma H2AX foci, in 3D image stacks acquired by laser-scanning microscopes without additional nuclei staining. KW - DNA double-strand breaks KW - ImageJ plugin KW - gamma H2AX-foci KW - Automated analysis KW - Ionizing radiation KW - Open-source tool KW - Radiation biology Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-229023 VL - 21 ER - TY - JOUR A1 - Bowler, Diana E. A1 - Bjorkman, Anne D. A1 - Dornelas, Maria A1 - Myers‐Smith, Isla H. A1 - Navarro, Laetitia M. A1 - Niamir, Aidin A1 - Supp, Sarah R. A1 - Waldock, Conor A1 - Winter, Marten A1 - Vellend, Mark A1 - Blowes, Shane A. A1 - Böhning‐Gaese, Katrin A1 - Bruelheide, Helge A1 - Elahi, Robin A1 - Antão, Laura H. A1 - Hines, Jes A1 - Isbell, Forest A1 - Jones, Holly P. A1 - Magurran, Anne E. A1 - Cabral, Juliano Sarmento A1 - Bates, Amanda E. T1 - Mapping human pressures on biodiversity across the planet uncovers anthropogenic threat complexes JF - People and Nature N2 - Climate change and other anthropogenic drivers of biodiversity change are unequally distributed across the world. Overlap in the distributions of different drivers have important implications for biodiversity change attribution and the potential for interactive effects. However, the spatial relationships among different drivers and whether they differ between the terrestrial and marine realm has yet to be examined. We compiled global gridded datasets on climate change, land‐use, resource exploitation, pollution, alien species potential and human population density. We used multivariate statistics to examine the spatial relationships among the drivers and to characterize the typical combinations of drivers experienced by different regions of the world. We found stronger positive correlations among drivers in the terrestrial than in the marine realm, leading to areas with high intensities of multiple drivers on land. Climate change tended to be negatively correlated with other drivers in the terrestrial realm (e.g. in the tundra and boreal forest with high climate change but low human use and pollution), whereas the opposite was true in the marine realm (e.g. in the Indo‐Pacific with high climate change and high fishing). We show that different regions of the world can be defined by Anthropogenic Threat Complexes (ATCs), distinguished by different sets of drivers with varying intensities. We identify 11 ATCs that can be used to test hypotheses about patterns of biodiversity and ecosystem change, especially about the joint effects of multiple drivers. Our global analysis highlights the broad conservation priorities needed to mitigate the impacts of anthropogenic change, with different priorities emerging on land and in the ocean, and in different parts of the world. KW - Anthropocene KW - biodiversity threats KW - direct drivers KW - global change Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-213634 VL - 2 IS - 2 SP - 380 EP - 394 ER - TY - JOUR A1 - Beer, Katharina A1 - Helfrich-Förster, Charlotte T1 - Model and Non-model Insects in Chronobiology JF - Frontiers in Behavioral Neuroscience N2 - The fruit fly Drosophila melanogaster is an established model organism in chronobiology, because genetic manipulation and breeding in the laboratory are easy. The circadian clock neuroanatomy in D. melanogaster is one of the best-known clock networks in insects and basic circadian behavior has been characterized in detail in this insect. Another model in chronobiology is the honey bee Apis mellifera, of which diurnal foraging behavior has been described already in the early twentieth century. A. mellifera hallmarks the research on the interplay between the clock and sociality and complex behaviors like sun compass navigation and time-place-learning. Nevertheless, there are aspects of clock structure and function, like for example the role of the clock in photoperiodism and diapause, which can be only insufficiently investigated in these two models. Unlike high-latitude flies such as Chymomyza costata or D. ezoana, cosmopolitan D. melanogaster flies do not display a photoperiodic diapause. Similarly, A. mellifera bees do not go into “real” diapause, but most solitary bee species exhibit an obligatory diapause. Furthermore, sociality evolved in different Hymenoptera independently, wherefore it might be misleading to study the social clock only in one social insect. Consequently, additional research on non-model insects is required to understand the circadian clock in Diptera and Hymenoptera. In this review, we introduce the two chronobiology model insects D. melanogaster and A. mellifera, compare them with other insects and show their advantages and limitations as general models for insect circadian clocks. KW - circadian clock KW - complex behavior KW - diapause KW - sociality KW - Drosophila melanogaster KW - Apis mellifera Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-218721 SN - 1662-5153 VL - 14 ER - TY - JOUR A1 - Beer, Katharina A1 - Helfrich-Förster, Charlotte T1 - Post-embryonic Development of the Circadian Clock Seems to Correlate With Social Life Style in Bees JF - Frontiers in Cell and Developmental Biology N2 - Social life style can influence many aspects of an animal’s daily life, but it has not yet been clarified, whether development of the circadian clock in social and solitary living bees differs. In a comparative study, with the social honey bee, Apis mellifera, and the solitary mason bee, Osmia bicornis, we now found indications for a differentially timed clock development in social and solitary bees. Newly emerged solitary bees showed rhythmic locomotion right away and the number of neurons in the brain that produce the clock component pigment-dispersing factor (PDF) did not change during aging of the adult solitary bee. Honey bees on the other hand, showed no circadian locomotion directly after emergence and the neuronal clock network continued to grow after emergence. Social bees appear to emerge at an early developmental stage at which the circadian clock is still immature, but bees are already able to fulfill in-hive tasks. KW - social KW - honey bee KW - solitary bee KW - circadian clock KW - activity rhythm KW - neuronal network KW - development Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-216450 SN - 2296-634X VL - 8 ER - TY - JOUR A1 - Prieto‐Garcia, Cristian A1 - Hartmann, Oliver A1 - Reissland, Michaela A1 - Braun, Fabian A1 - Fischer, Thomas A1 - Walz, Susanne A1 - Schülein‐Völk, Christina A1 - Eilers, Ursula A1 - Ade, Carsten P. A1 - Calzado, Marco A. A1 - Orian, Amir A1 - Maric, Hans M. A1 - Münch, Christian A1 - Rosenfeldt, Mathias A1 - Eilers, Martin A1 - Diefenbacher, Markus E. T1 - Maintaining protein stability of ∆Np63 via USP28 is required by squamous cancer cells JF - EMBO Molecular Medicine N2 - The transcription factor ∆Np63 is a master regulator of epithelial cell identity and essential for the survival of squamous cell carcinoma (SCC) of lung, head and neck, oesophagus, cervix and skin. Here, we report that the deubiquitylase USP28 stabilizes ∆Np63 and maintains elevated ∆NP63 levels in SCC by counteracting its proteasome‐mediated degradation. Impaired USP28 activity, either genetically or pharmacologically, abrogates the transcriptional identity and suppresses growth and survival of human SCC cells. CRISPR/Cas9‐engineered in vivo mouse models establish that endogenous USP28 is strictly required for both induction and maintenance of lung SCC. Our data strongly suggest that targeting ∆Np63 abundance via inhibition of USP28 is a promising strategy for the treatment of SCC tumours. KW - ∆Np63 KW - NOTCH KW - squamous cell carcinoma KW - 28 Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-218303 VL - 12 IS - 4 ER - TY - JOUR A1 - Seitz, Nicola A1 - vanEngelsdorp, Dennis A1 - Leonhardt, Sara D. T1 - Are native and non‐native pollinator friendly plants equally valuable for native wild bee communities? JF - Ecology and Evolution N2 - Bees rely on floral pollen and nectar for food. Therefore, pollinator friendly plantings are often used to enrich habitats in bee conservation efforts. As part of these plantings, non‐native plants may provide valuable floral resources, but their effects on native bee communities have not been assessed in direct comparison with native pollinator friendly plantings. In this study, we performed a common garden experiment by seeding mixes of 20 native and 20 non‐native pollinator friendly plant species at separate neighboring plots at three sites in Maryland, USA, and recorded flower visitors for 2 years. A total of 3,744 bees (120 species) were collected. Bee abundance and species richness were either similar across plant types (midseason and for abundance also late season) or lower at native than at non‐native plots (early season and for richness also late season). The overall bee community composition differed significantly between native and non‐native plots, with 11 and 23 bee species being found exclusively at one plot type or the other, respectively. Additionally, some species were more abundant at native plant plots, while others were more abundant at non‐natives. Native plants hosted more specialized plant–bee visitation networks than non‐native plants. Three species out of the five most abundant bee species were more specialized when foraging on native plants than on non‐native plants. Overall, visitation networks were more specialized in the early season than in late seasons. Our findings suggest that non‐native plants can benefit native pollinators, but may alter foraging patterns, bee community assemblage, and bee–plant network structures. KW - bee conservation KW - common garden experiment KW - exotic plants KW - non‐native plants KW - plant–bee visitation networks KW - pollinator friendly plants KW - wild bees Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-218439 VL - 10 IS - 23 ER - TY - JOUR A1 - Rösing, Nils A1 - Salvador, Ellaine A1 - Güntzel, Paul A1 - Kempe, Christoph A1 - Burek, Malgorzata A1 - Holzgrabe, Ulrike A1 - Soukhoroukov, Vladimir A1 - Wunder, Christian A1 - Förster, Carola T1 - Neuroprotective Effects of Isosteviol Sodium in Murine Brain Capillary Cerebellar Endothelial Cells (cerebEND) After Hypoxia JF - Frontiers in Cellular Neuroscience N2 - Ischemic stroke is one of the leading causes of death worldwide. It damages neurons and other supporting cellular elements in the brain. However, the impairment is not only confined to the region of assault but the surrounding area as well. Besides, it also brings about damage to the blood-brain barrier (BBB) which in turn leads to microvascular failure and edema. Hence, this necessitates an on-going, continuous search for intervention strategies and effective treatment. Of late, the natural sweetener stevioside proved to exhibit neuroprotective effects and therapeutic benefits against cerebral ischemia-induced injury. Its injectable formulation, isosteviol sodium (STVNA) also demonstrated favorable results. Nonetheless, its effects on the BBB have not yet been investigated to date. As such, this present study was designed to assess the effects of STVNA in our in vitro stroke model of the BBB.The integrity and permeability of the BBB are governed and maintained by tight junction proteins (TJPs) such as claudin-5 and occludin. Our data show increased claudin-5 and occludin expression in oxygen and glucose (OGD)-deprived murine brain capillary cerebellar endothelial cells (cerebEND) after STVNa treatment. Likewise, the upregulation of the transmembrane protein integrin-αv was also observed. Finally, cell volume was reduced with the simultaneous administration of STVNA and OGD in cerebEND cells. In neuropathologies such as stroke, the failure of cell volume control is a major feature leading to loss of cells in the penumbra as well as adverse outcomes. Our initial findings, therefore, point to the neuroprotective effects of STVNA at the BBB in vitro, which warrant further investigation for a possible future clinical intervention. KW - isosteviol sodium KW - hypoxia KW - cerebEND cells KW - blood brain barrier KW - neuroprotection Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-215013 SN - 1662-5102 VL - 14 ER - TY - JOUR A1 - Koch, Rebecca-Diana A1 - Hörner, Eva-Maria A1 - Münch, Nadine A1 - Maier, Elke A1 - Kozjak-Pavlovic, Vera T1 - Modulation of Host Cell Death and Lysis Are Required for the Release of Simkania negevensis JF - Frontiers in Cellular and Infection Microbiology N2 - Simkania negevensis is a Chlamydia-like bacterium and emerging pathogen of the respiratory tract. It is an obligate intracellular bacterium with a biphasic developmental cycle, which replicates in a wide range of host cells. The life cycle of S. negevensis has been shown to proceed for more than 12 days, but little is known about the mechanisms that mediate the cellular release of these bacteria. This study focuses on the investigation of host cell exit by S. negevensis and its connection to host cell death modulation. We show that Simkania-infected epithelial HeLa as well as macrophage-like THP-1 cells reduce in number during the course of infection. At the same time, the infectivity of the cell culture supernatant increases, starting at the day 3 for HeLa and day 4 for THP-1 cells and reaching maximum at day 5 post infection. This correlates with the ability of S. negevensis to block TNFα-, but not staurosporin-induced cell death up to 3 days post infection, after which cell death is boosted by the presence of bacteria. Mitochondrial permeabilization through Bax and Bak is not essential for host cell lysis and release of S. negevensis. The inhibition of caspases by Z-VAD-FMK, caspase 1 by Ac-YVAD-CMK, and proteases significantly reduces the number of released infectious particles. In addition, the inhibition of myosin II by blebbistatin also strongly affects Simkania release, pointing to a possible double mechanism of exit through host cell lysis and potentially extrusion. KW - exit KW - release KW - cell death KW - caspases Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-215158 SN - 2235-2988 VL - 10 ER - TY - JOUR A1 - Biedermann, Peter H. W. T1 - Cooperative Breeding in the Ambrosia Beetle Xyleborus affinis and Management of Its Fungal Symbionts JF - Frontiers in Ecology and Evolution N2 - Fungus-farming is known from attine ants, macrotermites, and ambrosia beetles (Scolytinae, Platypodinae). Farming ant and termite societies are superorganismal and grow fungal cultivars in monocultures. Social organization of ambrosia beetle groups and their farming systems are poorly studied, because of their enigmatic life within tunnel systems inside of wood. Ambrosia beetle-fungus symbioses evolved many times independently in both the beetles and their fungal cultivars. Observations suggest that there is evolutionary convergence between these lineages, but also a high variation in the degree of sociality and the modes of fungiculture. Using a laboratory observation technique, I here tried to give insights into the social system and fungus symbiosis of the sugar-cane borer, Xyleborus affinis Eichhoff (Scolytinae: Curculionidae), a currently poorly studied ambrosia beetle. The study revealed a cooperatively breeding system characterized by delayed dispersal of adult daughters, alloparental brood care by larvae and adults, and about half of the totipotent adult daughters laying eggs within the natal nest. Most interesting, there was a tendency of egg-laying females to engage more commonly in mutually beneficial behaviors than non-egg-layers. Fungus gardens covering gallery walls composed of five different filamentous fungi. A Raffaelea isolate was predominant and together with an unidentified fungus likely served as the main food for adults and larvae. Three isolates, a Mucor, a Fusarium and a Phaeoacremonium isolate were most abundant in the oldest gallery part close to the entrance; Mucor, Fusarium and the Raffaelea isolate in diseased individuals. Additionally, there was correlative evidence for some fungal isoaltes influencing beetle feeding and hygienic behaviors. Overall, X. affinis is now the second ambrosia beetle that can be classified as a cooperative breeder with division of labor among and between adults and larvae. KW - cooperative breeding KW - bark beetle KW - insect agriculture KW - symbiosis KW - fungus community KW - social behavior KW - fungus-farming KW - mutualism Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-215662 SN - 2296-701X VL - 8 ER - TY - JOUR A1 - Vikuk, Veronika A1 - Fuchs, Benjamin A1 - Krischke, Markus A1 - Mueller, Martin J. A1 - Rueb, Selina A1 - Krauss, Jochen T1 - Alkaloid Concentrations of Lolium perenne Infected with Epichloë festucae var. lolii with Different Detection Methods—A Re-Evaluation of Intoxication Risk in Germany? JF - Journal of Fungi N2 - Mycotoxins in agriculturally used plants can cause intoxication in animals and can lead to severe financial losses for farmers. The endophytic fungus Epichloë festucae var. lolii living symbiotically within the cool season grass species Lolium perenne can produce vertebrate and invertebrate toxic alkaloids. Hence, an exact quantitation of alkaloid concentrations is essential to determine intoxication risk for animals. Many studies use different methods to detect alkaloid concentrations, which complicates the comparability. In this study, we showed that alkaloid concentrations of individual plants exceeded toxicity thresholds on real world grasslands in Germany, but not on the population level. Alkaloid concentrations on five German grasslands with high alkaloid levels peaked in summer but were also below toxicity thresholds on population level. Furthermore, we showed that alkaloid concentrations follow the same seasonal trend, regardless of whether plant fresh or dry weight was used, in the field and in a common garden study. However, alkaloid concentrations were around three times higher when detected with dry weight. Finally, we showed that alkaloid concentrations can additionally be biased to different alkaloid detection methods. We highlight that toxicity risks should be analyzed using plant dry weight, but concentration trends of fresh weight are reliable. KW - Epichloë KW - Lolium perenne KW - toxicity KW - grasslands KW - HPLC/UPLC methods KW - endophyte KW - plant fresh/dry weight KW - alkaloid detection methods KW - mycotoxins KW - phenology Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-213171 SN - 2309-608X VL - 6 IS - 3 ER - TY - JOUR A1 - Weiss, Esther A1 - Schlegel, Jan A1 - Terpitz, Ulrich A1 - Weber, Michael A1 - Linde, Jörg A1 - Schmitt, Anna-Lena A1 - Hünniger, Kerstin A1 - Marischen, Lothar A1 - Gamon, Florian A1 - Bauer, Joachim A1 - Löffler, Claudia A1 - Kurzai, Oliver A1 - Morton, Charles Oliver A1 - Sauer, Markus A1 - Einsele, Hermann A1 - Loeffler, Juergen T1 - Reconstituting NK Cells After Allogeneic Stem Cell Transplantation Show Impaired Response to the Fungal Pathogen Aspergillus fumigatus JF - Frontiers in Immunology N2 - Delayed natural killer (NK) cell reconstitution after allogeneic stem cell transplantation (alloSCT) is associated with a higher risk of developing invasive aspergillosis. The interaction of NK cells with the human pathogen Aspergillus (A.) fumigatus is mediated by the fungal recognition receptor CD56, which is relocated to the fungal interface after contact. Blocking of CD56 signaling inhibits the fungal mediated chemokine secretion of MIP-1α, MIP-1β, and RANTES and reduces cell activation, indicating a functional role of CD56 in fungal recognition. We collected peripheral blood from recipients of an allograft at defined time points after alloSCT (day 60, 90, 120, 180). NK cells were isolated, directly challenged with live A. fumigatus germ tubes, and cell function was analyzed and compared to healthy age and gender-matched individuals. After alloSCT, NK cells displayed a higher percentage of CD56\(^{bright}\)CD16\(^{dim}\) cells throughout the time of blood collection. However, CD56 binding and relocalization to the fungal contact side were decreased. We were able to correlate this deficiency to the administration of corticosteroid therapy that further negatively influenced the secretion of MIP-1α, MIP-1β, and RANTES. As a consequence, the treatment of healthy NK cells ex vivo with corticosteroids abrogated chemokine secretion measured by multiplex immunoassay. Furthermore, we analyzed NK cells regarding their actin cytoskeleton by Structured Illumination Microscopy (SIM) and flow cytometry and demonstrate an actin dysfunction of NK cells shown by reduced F-actin content after fungal co-cultivation early after alloSCT. This dysfunction remains until 180 days post-alloSCT, concluding that further actin-dependent cellular processes may be negatively influenced after alloSCT. To investigate the molecular pathomechansism, we compared CD56 receptor mobility on the plasma membrane of healthy and alloSCT primary NK cells by single-molecule tracking. The results were very robust and reproducible between tested conditions which point to a different molecular mechanism and emphasize the importance of proper CD56 mobility. KW - natural killer cell KW - stem cell transplantation KW - corticosteroids KW - CCL3 KW - CCL4 KW - CCL5 Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-212581 SN - 1664-3224 VL - 11 ER - TY - JOUR A1 - Ferber, Elena A1 - Gerhards, Julian A1 - Sauer, Miriam A1 - Krischke, Markus A1 - Dittrich, Marcus T. A1 - Müller, Tobias A1 - Berger, Susanne A1 - Fekete, Agnes A1 - Mueller, Martin J. T1 - Chemical Priming by Isothiocyanates Protects Against Intoxication by Products of the Mustard Oil Bomb JF - Frontiers in Plant Science N2 - In Brassicaceae, tissue damage triggers the mustard oil bomb i.e., activates the degradation of glucosinolates by myrosinases leading to a rapid accumulation of isothiocyanates at the site of damage. Isothiocyanates are reactive electrophilic species (RES) known to covalently bind to thiols in proteins and glutathione, a process that is not only toxic to herbivores and microbes but can also cause cell death of healthy plant tissues. Previously, it has been shown that subtoxic isothiocyanate concentrations can induce transcriptional reprogramming in intact plant cells. Glutathione depletion by RES leading to breakdown of the redox potential has been proposed as a central and common RES signal transduction mechanism. Using transcriptome analyses, we show that after exposure of Arabidopsis seedlings (grown in liquid culture) to subtoxic concentrations of sulforaphane hundreds of genes were regulated without depletion of the cellular glutathione pool. Heat shock genes were among the most highly up-regulated genes and this response was found to be dependent on the canonical heat shock factors A1 (HSFA1). HSFA1-deficient plants were more sensitive to isothiocyanates than wild type plants. Moreover, pretreatment of Arabidopsis seedlings with subtoxic concentrations of isothiocyanates increased resistance against exposure to toxic levels of isothiocyanates and, hence, may reduce the autotoxicity of the mustard oil bomb by inducing cell protection mechanisms. KW - autotoxicity KW - heat shock response KW - isothiocyanates KW - mustard oil bomb KW - reactive electrophilic species KW - redox homeostasis KW - sulforaphane Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-207104 SN - 1664-462X VL - 11 ER - TY - JOUR A1 - Kunz, Tobias C. A1 - Götz, Ralph A1 - Gao, Shiqiang A1 - Sauer, Markus A1 - Kozjak-Pavlovic, Vera T1 - Using Expansion Microscopy to Visualize and Characterize the Morphology of Mitochondrial Cristae JF - Frontiers in Cell and Developmental Biology N2 - Mitochondria are double membrane bound organelles indispensable for biological processes such as apoptosis, cell signaling, and the production of many important metabolites, which includes ATP that is generated during the process known as oxidative phosphorylation (OXPHOS). The inner membrane contains folds called cristae, which increase the membrane surface and thus the amount of membrane-bound proteins necessary for the OXPHOS. These folds have been of great interest not only because of their importance for energy conversion, but also because changes in morphology have been linked to a broad range of diseases from cancer, diabetes, neurodegenerative diseases, to aging and infection. With a distance between opposing cristae membranes often below 100 nm, conventional fluorescence imaging cannot provide a resolution sufficient for resolving these structures. For this reason, various highly specialized super-resolution methods including dSTORM, PALM, STED, and SIM have been applied for cristae visualization. Expansion Microscopy (ExM) offers the possibility to perform super-resolution microscopy on conventional confocal microscopes by embedding the sample into a swellable hydrogel that is isotropically expanded by a factor of 4–4.5, improving the resolution to 60–70 nm on conventional confocal microscopes, which can be further increased to ∼ 30 nm laterally using SIM. Here, we demonstrate that the expression of the mitochondrial creatine kinase MtCK linked to marker protein GFP (MtCK-GFP), which localizes to the space between the outer and the inner mitochondrial membrane, can be used as a cristae marker. Applying ExM on mitochondria labeled with this construct enables visualization of morphological changes of cristae and localization studies of mitochondrial proteins relative to cristae without the need for specialized setups. For the first time we present the combination of specific mitochondrial intermembrane space labeling and ExM as a tool for studying internal structure of mitochondria. KW - Expansion microscopy KW - mitochondria KW - cristae KW - structured illumination microscope KW - ultrastructure Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-208296 SN - 2296-634X VL - 8 ER - TY - JOUR A1 - Fazeli, Gholamreza A1 - Beer, Katharina B. A1 - Geisenhof, Michaela A1 - Tröger, Sarah A1 - König, Julia A1 - Müller-Reichert, Thomas A1 - Wehman, Ann M. T1 - Loss of the Major Phosphatidylserine or Phosphatidylethanolamine Flippases Differentially Affect Phagocytosis JF - Frontiers in Cell and Developmental Biology N2 - The lipids phosphatidylserine (PtdSer) and phosphatidylethanolamine (PtdEth) are normally asymmetrically localized to the cytosolic face of membrane bilayers, but can both be externalized during diverse biological processes, including cell division, cell fusion, and cell death. Externalized lipids in the plasma membrane are recognized by lipid-binding proteins to regulate the clearance of cell corpses and other cell debris. However, it is unclear whether PtdSer and PtdEth contribute in similar or distinct ways to these processes. We discovered that disruption of the lipid flippases that maintain PtdSer or PtdEth asymmetry in the plasma membrane have opposite effects on phagocytosis in Caenorhabditis elegans embryos. Constitutive PtdSer externalization caused by disruption of the major PtdSer flippase TAT-1 led to increased phagocytosis of cell debris, sometimes leading to two cells engulfing the same debris. In contrast, PtdEth externalization caused by depletion of the major PtdEth flippase TAT-5 or its activator PAD-1 disrupted phagocytosis. These data suggest that PtdSer and PtdEth externalization have opposite effects on phagocytosis. Furthermore, externalizing PtdEth is associated with increased extracellular vesicle release, and we present evidence that the extent of extracellular vesicle accumulation correlates with the extent of phagocytic defects. Thus, a general loss of lipid asymmetry can have opposing impacts through different lipid subtypes simultaneously exerting disparate effects. KW - phagocytosis KW - lipid asymmetry KW - flippase KW - phosphatidylserine KW - phosphatidylethanolamine KW - extracellular vesicle Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-208771 SN - 2296-634X VL - 8 ER - TY - JOUR A1 - Solger, Franziska A1 - Kunz, Tobias C. A1 - Fink, Julian A1 - Paprotka, Kerstin A1 - Pfister, Pauline A1 - Hagen, Franziska A1 - Schumacher, Fabian A1 - Kleuser, Burkhard A1 - Seibel, Jürgen A1 - Rudel, Thomas T1 - A Role of Sphingosine in the Intracellular Survival of Neisseria gonorrhoeae JF - Frontiers in Cellular and Infection Microbiology N2 - Obligate human pathogenic Neisseria gonorrhoeae are the second most frequent bacterial cause of sexually transmitted diseases. These bacteria invade different mucosal tissues and occasionally disseminate into the bloodstream. Invasion into epithelial cells requires the activation of host cell receptors by the formation of ceramide-rich platforms. Here, we investigated the role of sphingosine in the invasion and intracellular survival of gonococci. Sphingosine exhibited an anti-gonococcal activity in vitro. We used specific sphingosine analogs and click chemistry to visualize sphingosine in infected cells. Sphingosine localized to the membrane of intracellular gonococci. Inhibitor studies and the application of a sphingosine derivative indicated that increased sphingosine levels reduced the intracellular survival of gonococci. We demonstrate here, that sphingosine can target intracellular bacteria and may therefore exert a direct bactericidal effect inside cells. KW - sphingosine KW - sphingolipids KW - sphingosine kinases KW - invasion KW - survival KW - click chemistry Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-204111 SN - 2235-2988 VL - 10 ER - TY - JOUR A1 - Krebs, Markus A1 - Solimando, Antonio Giovanni A1 - Kalogirou, Charis A1 - Marquardt, André A1 - Frank, Torsten A1 - Sokolakis, Ioannis A1 - Hatzichristodoulou, Georgios A1 - Kneitz, Susanne A1 - Bargou, Ralf A1 - Kübler, Hubert A1 - Schilling, Bastian A1 - Spahn, Martin A1 - Kneitz, Burkhard T1 - miR-221-3p Regulates VEGFR2 Expression in High-Risk Prostate Cancer and Represents an Escape Mechanism from Sunitinib In Vitro JF - Journal of Clinical Medicine N2 - Downregulation of miR-221-3p expression in prostate cancer (PCa) predicted overall and cancer-specific survival of high-risk PCa patients. Apart from PCa, miR-221-3p expression levels predicted a response to tyrosine kinase inhibitors (TKI) in clear cell renal cell carcinoma (ccRCC) patients. Since this role of miR-221-3p was explained with a specific targeting of VEGFR2, we examined whether miR-221-3p regulated VEGFR2 in PCa. First, we confirmed VEGFR2/KDR as a target gene of miR-221-3p in PCa cells by applying Luciferase reporter assays and Western blotting experiments. Although VEGFR2 was mainly downregulated in the PCa cohort of the TCGA (The Cancer Genome Atlas) database, VEGFR2 was upregulated in our high-risk PCa cohort (n = 142) and predicted clinical progression. In vitro miR-221-3p acted as an escape mechanism from TKI in PC3 cells, as displayed by proliferation and apoptosis assays. Moreover, we confirmed that Sunitinib induced an interferon-related gene signature in PC3 cells by analyzing external microarray data and by demonstrating a significant upregulation of miR-221-3p/miR-222-3p after Sunitinib exposure. Our findings bear a clinical perspective for high-risk PCa patients with low miR-221-3p levels since this could predict a favorable TKI response. Apart from this therapeutic niche, we identified a partially oncogenic function of miR-221-3p as an escape mechanism from VEGFR2 inhibition. KW - microRNA-221 KW - high-risk Prostate Cancer KW - angiogenesis KW - Sunitinib KW - Tyrosine kinase inhibition Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-203168 SN - 2077-0383 VL - 9 IS - 3 ER - TY - JOUR A1 - Götz, Ralph A1 - Panzer, Sabine A1 - Trinks, Nora A1 - Eilts, Janna A1 - Wagener, Johannes A1 - Turrà, David A1 - Di Pietro, Antonio A1 - Sauer, Markus A1 - Terpitz, Ulrich T1 - Expansion Microscopy for Cell Biology Analysis in Fungi JF - Frontiers in Microbiology N2 - Super-resolution microscopy has evolved as a powerful method for subdiffraction-resolution fluorescence imaging of cells and cellular organelles, but requires sophisticated and expensive installations. Expansion microscopy (ExM), which is based on the physical expansion of the cellular structure of interest, provides a cheap alternative to bypass the diffraction limit and enable super-resolution imaging on a conventional fluorescence microscope. While ExM has shown impressive results for the magnified visualization of proteins and RNAs in cells and tissues, it has not yet been applied in fungi, mainly due to their complex cell wall. Here we developed a method that enables reliable isotropic expansion of ascomycetes and basidiomycetes upon treatment with cell wall degrading enzymes. Confocal laser scanning microscopy (CLSM) and structured illumination microscopy (SIM) images of 4.5-fold expanded sporidia of Ustilago maydis expressing fluorescent fungal rhodopsins and hyphae of Fusarium oxysporum or Aspergillus fumigatus expressing either histone H1-mCherry together with Lifeact-sGFP or mRFP targeted to mitochondria, revealed details of subcellular structures with an estimated spatial resolution of around 30 nm. ExM is thus well suited for cell biology studies in fungi on conventional fluorescence microscopes. KW - Expansion microscopy KW - fluorescence microscopy KW - fungi KW - sporidia KW - hyphae Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-202569 SN - 1664-302X VL - 11 ER - TY - JOUR A1 - Groh, Claudia A1 - Rössler, Wolfgang T1 - Analysis of Synaptic Microcircuits in the Mushroom Bodies of the Honeybee JF - Insects N2 - Mushroom bodies (MBs) are multisensory integration centers in the insect brain involved in learning and memory formation. In the honeybee, the main sensory input region (calyx) of MBs is comparatively large and receives input from mainly olfactory and visual senses, but also from gustatory/tactile modalities. Behavioral plasticity following differential brood care, changes in sensory exposure or the formation of associative long-term memory (LTM) was shown to be associated with structural plasticity in synaptic microcircuits (microglomeruli) within olfactory and visual compartments of the MB calyx. In the same line, physiological studies have demonstrated that MB-calyx microcircuits change response properties after associative learning. The aim of this review is to provide an update and synthesis of recent research on the plasticity of microcircuits in the MB calyx of the honeybee, specifically looking at the synaptic connectivity between sensory projection neurons (PNs) and MB intrinsic neurons (Kenyon cells). We focus on the honeybee as a favorable experimental insect for studying neuronal mechanisms underlying complex social behavior, but also compare it with other insect species for certain aspects. This review concludes by highlighting open questions and promising routes for future research aimed at understanding the causal relationships between neuronal and behavioral plasticity in this charismatic social insect. KW - mushroom body KW - microglomeruli KW - projection neurons KW - Kenyon cells KW - dendritic specializations KW - structural synaptic plasticity KW - behavioral plasticity KW - vision KW - olfaction Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-200774 SN - 2075-4450 VL - 11 IS - 1 ER - TY - JOUR A1 - Cosarinsky, Marcela I. A1 - Römer, Daniela A1 - Roces, Flavio T1 - Nest Turrets of Acromyrmex Grass-Cutting Ants: Micromorphology Reveals Building Techniques and Construction Dynamics JF - Insects N2 - Acromyrmex fracticornis grass-cutting ants construct conspicuous chimney-shaped nest turrets made of intermeshed grass fragments. We asked whether turrets are constructed by merely piling up nearby materials around the entrance, or whether ants incorporate different materials as the turret develops. By removing the original nest turrets and following their rebuilding process over three consecutive days, age-dependent changes in wall morphology and inner lining fabrics were characterized. Micromorphological descriptions based on thin sections of turret walls revealed the building behaviors involved. Ants started by collecting nearby twigs and dry grass fragments that are piled up around the nest entrance. Several large fragments held the structure like beams. As a net-like structure grew, soil pellets were placed in between the intermeshed plant fragments from the turret base to the top, reinforcing the structure. Concomitantly, the turret inner wall was lined with soil pellets, starting from the base. Therefore, the consolidation of the turret occurred both over time and from its base upwards. It is argued that nest turrets do not simply arise by the arbitrary deposition of nearby materials, and that workers selectively incorporate large materials at the beginning, and respond to the developing structure by reinforcing the intermeshed plant fragments over time. KW - building behavior KW - Acromyrmex fracticornis KW - leaf-cutting ants KW - collective pattern KW - architecture KW - self-organization KW - microstructure KW - material composition KW - thin sections Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-200680 SN - 2075-4450 VL - 11 IS - 2 ER - TY - JOUR A1 - Biscotti, Maria Assunta A1 - Carducci, Federica A1 - Barucca, Marco A1 - Gerdol, Marco A1 - Pallavicini, Alberto A1 - Schartl, Manfred A1 - Canapa, Adriana A1 - Contar Adolfi, Mateus T1 - The transcriptome of the newt Cynops orientalis provides new insights into evolution and function of sexual gene networks in sarcopterygians JF - Scientific Reports N2 - Amphibians evolved in the Devonian period about 400 Mya and represent a transition step in tetrapod evolution. Among amphibians, high-throughput sequencing data are very limited for Caudata, due to their largest genome sizes among terrestrial vertebrates. In this paper we present the transcriptome from the fire bellied newt Cynops orientalis. Data here presented display a high level of completeness, comparable to the fully sequenced genomes available from other amphibians. Moreover, this work focused on genes involved in gametogenesis and sexual development. Surprisingly, the gsdf gene was identified for the first time in a tetrapod species, so far known only from bony fish and basal sarcopterygians. Our analysis failed to isolate fgf24 and foxl3, supporting the possible loss of both genes in the common ancestor of Rhipidistians. In Cynops, the expression analysis of genes described to be sex-related in vertebrates singled out an expected functional role for some genes, while others displayed an unforeseen behavior, confirming the high variability of the sex-related pathway in vertebrates. KW - developmental biology KW - evolution Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-227326 VL - 10 ER - TY - JOUR A1 - Doll, Julia A1 - Vona, Barbara A1 - Schnapp, Linda A1 - Rüschendorf, Franz A1 - Khan, Imran A1 - Khan, Saadullah A1 - Muhammad, Noor A1 - Alam Khan, Sher A1 - Nawaz, Hamed A1 - Khan, Ajmal A1 - Ahmad, Naseer A1 - Kolb, Susanne M. A1 - Kühlewein, Laura A1 - Labonne, Jonathan D. J. A1 - Layman, Lawrence C. A1 - Hofrichter, Michaela A. H. A1 - Röder, Tabea A1 - Dittrich, Marcus A1 - Müller, Tobias A1 - Graves, Tyler D. A1 - Kong, Il-Keun A1 - Nanda, Indrajit A1 - Kim, Hyung-Goo A1 - Haaf, Thomas T1 - Genetic Spectrum of Syndromic and Non-Syndromic Hearing Loss in Pakistani Families JF - Genes N2 - The current molecular genetic diagnostic rates for hereditary hearing loss (HL) vary considerably according to the population background. Pakistan and other countries with high rates of consanguineous marriages have served as a unique resource for studying rare and novel forms of recessive HL. A combined exome sequencing, bioinformatics analysis, and gene mapping approach for 21 consanguineous Pakistani families revealed 13 pathogenic or likely pathogenic variants in the genes GJB2, MYO7A, FGF3, CDC14A, SLITRK6, CDH23, and MYO15A, with an overall resolve rate of 61.9%. GJB2 and MYO7A were the most frequently involved genes in this cohort. All the identified variants were either homozygous or compound heterozygous, with two of them not previously described in the literature (15.4%). Overall, seven missense variants (53.8%), three nonsense variants (23.1%), two frameshift variants (15.4%), and one splice-site variant (7.7%) were observed. Syndromic HL was identified in five (23.8%) of the 21 families studied. This study reflects the extreme genetic heterogeneity observed in HL and expands the spectrum of variants in deafness-associated genes. KW - genetic diagnosis KW - consanguinity KW - genome-wide linkage analysis KW - hearing loss KW - Pakistan KW - exome sequencing Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-219293 SN - 2073-4425 VL - 11 IS - 11 ER - TY - JOUR A1 - Fleischmann, Pauline N. A1 - Grob, Robin A1 - Rössler, Wolfgang T1 - Kompass im Kopf : wie Wüstenameisen lernen heimzukehren JF - Biologie in unserer Zeit N2 - Erfolgreiche räumliche Orientierung ist für viele Tiere eine alltägliche Herausforderung. Cataglyphis‐Wüstenameisen sind bekannt für ihre Navigationsfähigkeiten, mit deren Hilfe sie nach langen Futtersuchläufen problemlos zum Nest zurückfinden. Wie aber nehmen naive Ameisen ihre Navigationssysteme in Betrieb? Nach mehrwöchigem Innendienst im dunklen Nest werden sie zu Sammlerinnen bei hellem Sonnenschein. Dieser Wechsel erfordert einen drastischen Wandel im Verhalten sowie neuronale Veränderungen im Gehirn. Erfahrene Ameisen orientieren sich vor allem visuell, sie nutzen einen Himmelskompass und Landmarkenpanoramen. Daher absolvieren naive Ameisen stereotype Lernläufe, um ihren Kompass zu kalibrieren und die Nestumgebung kennenzulernen. Während der Lernläufe blicken sie wiederholt zum Nesteingang zurück und prägen sich so ihren Heimweg ein. Zur Ausrichtung ihrer Blicke nutzen sie das Erdmagnetfeld als Kompassreferenz. Cataglyphis‐Ameisen besitzen hierfür einen Magnetkompass, der bislang unbekannt war. N2 - Successful spatial orientation is a daily challenge for many animals. Cataglyphis desert ants are famous for their navi­gational performances. They return to the nest after exten­sive foraging trips without any problems. How do ants take their navigational systems into operation? After conducting different tasks in the dark nest for several weeks, they be­come foragers under bright sun light. This transition re­quires both a drastic switch in behavior and neuronal changes in the brain. Experienced foragers mainly rely on visual cues. They use a celestial compass and landmark panoramas. For that reason, naïve ants perform stereotype learning walks to calibrate their compass systems and ac­quire information about the nest’s surroundings. During their learning walks, the ants frequently look back to the nest entrance to learn the homing direction. For aligning their gazes, they use the earth’s magnetic field as a com­pass reference. This magnetic compass in Cataglyphis ants was previously unknown. KW - Cataglyphis-Wüstenameisen KW - Magnetkompass KW - Insektennavigation KW - Himmelskompass Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-219260 SN - 1521-415X VL - 50 IS - 2 ER - TY - THES A1 - Wäldchen, Sina T1 - Super-Resolution-Mikroskopie zur Visualisierung und Quantifizierung von Glutamatrezeptoren und ADHS-assoziierten Proteinen T1 - Super-resolution microscopy for visualization and quantification of Glutamate receptors and ADHD-associated proteins N2 - Die Entwicklung hochauflösender Fluoreszenzmikroskopiemethoden hat die Lichtmikroskopie revolutioniert. Einerseits ermöglicht die höhere erzielte räumliche Auflösung die Abbildung von Strukturen, die deutlich unterhalb der beugungsbedingten Auflösungsgrenze liegen. Andererseits erhält man durch Einzelmoleküllokalisationsmikroskopiemethoden wie dSTORM (Direct Stochastic Optical Reconstruction Microscopy) Informationen, welche man für quantitative Analysen heranziehen kann. Aufgrund der sich dadurch bietenden neuen Möglichkeiten, hat sich die hochauflösende Fluoreszenzmikroskopie rasant entwickelt und kommt mittlerweile zur Untersuchung einer Vielzahl biologischer und medizinischer Fragestellungen zum Einsatz. Trotz dieses Erfolgs ist jedoch nicht zu verleugnen, dass auch diese neuen Methoden ihre Nachteile haben. Dazu zählt die Notwendigkeit relativ hoher Laserleistungen, welche Voraussetzung für hohe Auflösung ist und bei lebenden Proben zur Photoschädigung führen kann. Diese Arbeit widmet sich sowohl dem Thema der Photoschädigung durch Einzelmoleküllokalisationsmikroskopie, als auch der Anwendung von dSTORM und SIM (Structured Illumination Microscopy) zur Untersuchung neurobiologischer Fragestellungen auf Proteinebene. Zur Ermittlung der Photoschädigung wurden lebende Zellen unter typischen Bedingungen bestrahlt und anschließend für 20−24 h beobachtet. Als quantitatives Maß für den Grad der Photoschädigung wurde der Anteil sterbender Zellen bestimmt. Neben der zu erwartenden Intensitäts- und Wellenlängenabhängigkeit, zeigte sich, dass die Schwere der Photoschädigung auch von vielen weiteren Faktoren abhängt und dass sich Einzelmoleküllokalisationsmikroskopie bei Berücksichtigung der gewonnenen Erkenntnisse durchaus mit Lebendzellexperimenten vereinbaren lässt. Ein weiteres Projekt diente der Untersuchung der A- und B-Typ-Glutamatrezeptoren an der neuromuskulären Synapse von Drosophila melanogaster mittels dSTORM. Dabei konnte eine veränderte Anordnung beider Rezeptortypen infolge synaptischer Plastizität beobachtet, sowie eine absolute Quantifizierung des A-Typ-Rezeptors durchgeführt werden. Im Mittelpunkt eines dritten Projekts standen Cadherin-13 (CDH13) sowie der Glucosetransporter Typ 3 (GluT3), welche beide mit der Aufmerksamkeitsdefizit-Hyperaktivitätsstörung in Verbindung gebracht werden. CDH13 konnte mittels SIM in serotonergen Neuronen, sowie radiären Gliazellen der dorsalen Raphekerne des embryonalen Mausgehirns nachgewiesen werden. Die Rolle von GluT3 wurde in aus induzierten pluripotenten Stammzellen differenzierten Neuronen analysiert, welche verschiedene Kopienzahlvariation des für GluT3-codierenden SLC2A3-Gens aufwiesen. Die Proteine GluT3, Bassoon und Homer wurden mittels dSTORM relativ quantifiziert. Während die Deletion des Gens zu einer erwartenden Verminderung von GluT3 auf Proteinebene führte, hatte die Duplikation keinen Effekt auf die GluT3-Menge. Für Bassoon und Homer zeigte sich weder durch die Deletion noch die Duplikation eine signifikante Veränderung. N2 - The emergence of super-resolution microscopy techniques caused a revolution of light microscopy. On the one hand, the higher achieved structural resolution allows for the visualization of structures below the diffraction limit. On the other hand, single molecule localization microscopy methods like dSTORM (Direct Stochastic Optical Reconstruction Microscopy) provide information that can be used for quantitative analysis. The new possibilities, offered by these approaches, lead to rapid development of the same and by now they are applied to investigate a broad range of biological and medical questions. Besides this success, it can’t be denied, that these methods also have some disadvantages like the necessity of relative high laser intensities that are needed for the high resolution and might cause photodamage in living samples. This work deals with the issue of photodamage induced by single molecule localization microscopy methods as well as the examination of neurobiological problems on protein level by the usage of dSTORM and SIM (Structured Illumination Microscopy). To identify photodamage, living cells were irradiated at typical conditions and were observed for 20−24 h afterwards. As a quantitative measure for the severity of photodamage, the fraction of dying cells was determined. Besides the expected dependency on intensity and wavelength, a lot of other factors showed to affect the severity. It could be demonstrated that single molecule localization microscopy can be combined with live-cell imaging if one takes those results into account. Another project aimed for the investigation of A- and B-type Glutamate receptors at the neuromuscular junction of Drosophila melanogaster via dSTORM. Thus, an altered arrangement of both receptor types could be observed and A-type receptors could be quantified absolutely. A third project focused on cadherin-13 (CDH13) and glucose transporter 3 (GluT3), which are connected with attention deficit hyperactivity disorder. CDH13 could be detected in serotonergic neurons and radial glial cells of dorsal raphe in embryonic mouse brains using SIM. The role of GluT3 was analyzed in neurons, differentiated from induced pluripotent stem cells, which possessed different copy-number variations of the gene SLC2A3, which codes for GluT3. Proteins GluT3, Bassoon and Homer were quantified relatively using dSTORM. While the deletion of the gene resulted in an expected decrease of GluT3 at the protein level, the duplication didn’t affect the amount of GluT3. In the case of Homer and Bassoon, neither the deletion, nor the duplication caused any significant changes. KW - Mikroskopie KW - Einzelmolekülmikroskopie KW - Quantitative Mikroskopie KW - Glutamatrezeptor KW - Aufmerksamkeitsdefizit-Syndrom KW - dSTORM KW - Photoschädigung KW - Neuromuskuläre Synapse KW - Glucosetransporter Typ3 KW - Cadherin-13 Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-192834 ER - TY - THES A1 - Keppler, Sarah T1 - Characterization of Novel Mutations in Receptor-Tyrosine Kinases in Multiple Myeloma T1 - Charakterisierung neuer Mutationen in Rezeptor-Tyrosin Kinasen im Multiplen Myelom N2 - Multiple myeloma (MM) is a disease of terminally differentiated B-cells which accumulate in the bone marrow leading to bone lesions, hematopoietic insufficiency and hypercalcemia. Genetically, MM is characterized by a great heterogeneity. A recent next-generation sequencing approach resulted in the identification of a signaling network with an accumulation of mutations in receptor-tyrosine kinases (RTKs), adhesion molecules and downstream effectors. A deep-sequencing amplicon approach of the coding DNA sequence of the six RTKs EPHA2, EGFR, ERBB3, IGF1R, NTRK1 and NTRK2 was conducted in a patient cohort (75 MM samples and 68 corresponding normal samples) of the “Deutsche Studiengruppe Multiples Myelom (DSMM)” to further elucidate the role of RTKs in MM. As an initial approach the detected mutations were correlated with cytogenetic abnormalities and clinical data in the course of this thesis. RTK mutations were present in 13% of MM patients of the DSMM XI trial and accumulated in the ligand-binding and tyrosine-kinase domain. The newly identified mutations were associated with an adverse patient survival, but not with any cytogenetic abnormality common in MM. Especially rare patient-specific SNPs (single nucleotide polymorphism) had a negative impact on patient survival. For a more comprehensive understanding of the role of rare RTK SNPs in MM, a second amplicon sequencing approach was performed in a patient cohort of the DSMM XII trial that included 75 tumor and 184 normal samples. This approach identified a total of 23 different mutations in the six RTKs EPHA2, EGFR, ERBB3, IGF1R, NTRK1 and NTRK2 affecting 24 patients. These mutations could furthermore be divided into 20 rare SNPs and 3 SNVs (single nucleotide variant). In contrast to the first study, the rare SNPs were significantly associated with the adverse prognostic factor del17p. IGF1R was among the most commonly mutated RTKs in the first amplicon sequencing approach and is known to play an important role in diverse cellular processes such as cell proliferation and survival. To study the role of IGF1R mutations in the hard-to-transfect MM cells, stable IGF1R-knockdown MM cell lines were established. One of the knockdown cell lines (L363-C/C9) as well as a IGF1R-WT MM cell line (AMO1) were subsequently used for the stable overexpression of WT IGF1R and mutant IGF1R (N1129S, D1146N). Overall, an impact on the MAPK and PI3K/AKT signaling pathways was observed upon the IGF1R knockdown as well as upon WT and mutant IGF1R overexpression. The resulting signaling pattern, however, differed between different MM cell lines used in this thesis as well as in a parallel performed master thesis which further demonstrates the great heterogeneity described in MM. Taken together, the conducted sequencing and functional studies illustrate the importance of RTKs and especially of IGF1R and its mutants in the pathogenesis of MM. Moreover, the results support the potential role of IGF1R as a therapeutic target for a subset of MM patients with mutated IGF1R and/or IGF1R overexpression. N2 - Das Multiple Myelom (MM) ist eine maligne Erkrankung ausdifferenzierter B-Zellen, den sogenannten Plasmazellen, welche sich im Knochenmark anhäufen. Symptome des MM sind, unter anderem, Knochenläsionen, Hyperkalzämie und hämatopoetische Insuffizienz. Zusätzlich ist das MM durch eine große genetische Heterogenität geprägt. In einer kürzlich durchgeführten Next-Generation Sequencing Studie wurde eine Akkumulation von Mutationen in Rezeptortyrosinkinasen (RTK), Adhesionmolekülen und den zugehörigen Effektoren identifiziert. Dies erlaubte die Definition eines inter- und intrazellulären Signalnetzwerkes. Um die Rolle der RTKs im MM genauer zu definieren, wurde die kodierende DNA Sequenz der sechs RTKs EPHA2, EGFR, ERBB3, IGF1R, NTRK1 und NTRK2 in einer einheitlich therapierten Patientenkohorte (75 Patienten) der „Deutschen Studiengruppe Multiples Myelom“ (DSMM) mittels eines Amplikonansatzes sequenziert. Die identifizierten Mutationen wurden im Rahmen dieser Arbeit validiert und anschließend mit zytogenetischen Anomalitäten und klinischen Daten korreliert. RTK Mutationen waren in 13 % der MM Patienten vorhanden und akkumulierten besonders in den Ligandenbindungs- und der Tyrosinkinase- Domänen. Die neu identifizierten RTK Mutationen hatten einen signifikant negativen Einfluss auf das Überleben, jedoch konnte kein Zusammenhang zwischen den Mutationen und zytogenetischen Alterationen festgestellt werden. Besonders seltene, Patienten-spezifische SNPs hatten einen negativen Einfluss auf die Gesamtüberlebenszeit, das ereignisfreie und das progressionsfreie Überleben. Um die Rolle dieser seltenen SNPs im MM besser zu verstehen, wurde ein zweiter Amplikonansatz in einer neuen Patientenkohorte der DSMM XII Studie durchgeführt. Hierbei wurden die sechs RTKs EPHA2, EGFR, ERBB3, IGF1R, NTRK1 und NTRK2 in 75 Tumor und 184 Normalproben sequenziert. Bei diesem Ansatz wurden 23 unterschiedliche Mutationen in 24 Patienten identifiziert. Diese Mutation konnten in 20 seltene SNPs und 3 SNVs (single nuleotide variant) unterteilt werden und waren, im Gegensatz zu Mutationen der ersten Studie, signifikant mit dem negativ prognostischen Faktor del17p assoziiert. IGF1R war bei der initialen Amplikon-Sequenzierstudie unter den am häufigsten mutierten RTKs und spielt eine wichtige Rolle in verschiedenen zellulären Prozessen, z. B. der Zellproliferation und dem Überleben. Um eine funktionelle Untersuchung der IGF1R Mutation in den schwer-zu-transfizierenden MM-Zellen zu ermöglichen, wurden stabile IGF1R-knockdown MM-Zelllinien etabliert. Eine dieser knockdown Zelllinien (L363-C/C9) sowie eine IGF1R WT MM-Zelllinie (AMO1) wurden anschließend für die stabile Überexpression von IGF1R WT, IGF1R D1146N und IGF1R N1129S verwendet. Funktionelle Analysen zeigten, dass sowohl IGF1R-knockdown als auch die Überexpression von IGF1R WT, IGF1R D1146N und IGF1R N1129S einen Einfluss auf den MAPK und den PI3K/AKT Signalweg haben. Der Einfluss des IGF1R WT, als auch der zwei Mutanten IGF1R D1146N und IGF1R N1129S unterschied sich jedoch in den in dieser Arbeit und in einer parallel durchgeführten Masterarbeit verwendeten Zelllinien. Diese Unterschiede verdeutlichen zusätzlich die große Heterogenität für die das MM bekannt ist. Zusammengenommen verdeutlichen die durchgeführten Sequenzier- und funktionellen Studien die wichtige Rolle der RTKs, besonders von IGF1R, im MM. Darüber hinaus unterstützen die erhaltenen Ergebnisse die potenzielle Rolle von IGF1R als therapeutisches Ziel für MM-Patienten mit mutiertem IGF1R und / oder IGF1R-Überexpression. KW - Plasmozytom KW - Rezeptor-Tyrosinkinasen KW - Multiple Myeloma KW - Amplicon Sequencing KW - Receptor-Tyrosine Kinases KW - IGF1R Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-155720 ER - TY - THES A1 - Tulke, Moritz T1 - Grundlegende Arbeiten zum bio-artifiziellen renalen Tubulus aus ko-kultivierten adipozytären mesenchymalen Stammzellen und Endothelzellen auf einer synthetischen Kapillarmembran T1 - Fundamental work on a bio-artificial renal tubule consisting of co-cultivated adipose-derived mesenchymal stem cells and endothelial cells on a synthetic capillary membrane N2 - Mit fortschreitender chronischer Niereninsuffizienz kommt es zur Akkumulation von Urämietoxinen und im Endstadium unbehandelt zum Tod im sogenannten Urämischen Syndrom. Die Blutreinigung erfolgt bei der am häufigsten verwendeten Form der Nierenersatztherapie, der Hämodialyse, nur unzureichend. Die Folge ist eine erhöhte Morbidität und Mortalität der betroffenen Patienten. Bei der Hämodialyse werden nur Urämietoxine bis zu einer Größe von 20 kDa über die im Dialysator eingesetzten Hohlfaserdialysemembranen diffusiv und konvektiv semiselektiv nach Größenausschluss entfernt. Proteingebundene Urämietoxine, deren effektive Größe durch die Bindung an Transportproteine wie beispielsweise Albumin die Trennschärfe der Dialysemembranen übersteigt, werden retiniert. In-vivo werden proteingebundene Urämietoxine im proximalen Tubulus, einem Teil des tubulären Systems des Nephrons, sekretorisch eliminiert. Im Rahmen der vorliegenden Promotionsarbeit wurden die ersten Entwicklungsschritte auf dem Weg zu einem sogenannten bio-artifiziellen Tubulus evaluiert. Der angedachte biohybride Filter sollte aus einer Ko-Kultur funktionaler humaner proximaler Tubuluszellen und humaner Endothelzellen (HUVEC) auf synthetischen Hohlfasermembranen bestehen und könnte während der Hämodialyse als zusätzlicher Reinigungsschritt angewendet werden, um unter anderem proteingebundene Urämietoxine effektiv durch aktiven Transport aus dem Blut der Patienten zu entfernen. Die Differenzierung der proximalen Tubuluszellen erfolgte dabei aus adulten adipozytären mesenchymalen Stammzellen (ASC), deren Herkunft eine spätere autologe Behandlung ermöglicht. Die Ko-Kultur mit Endothelzellen wurde zur potentiellen Steigerung der Sekretion proteingebundener Urämietoxine verwendet. In der vorliegenden Arbeit konnten ASCs durch eine Kombination der löslichen Differenzierungsfaktoren All-Trans-Retinoinsäure (ATRA), Aktivin A und BMP-7 erfolgreich in Zytokeratin 18-exprimierende Zellen differenziert werden, wodurch die erwünschte epitheliale Differenzierung bestätigt wurde. Die Expression funktionaler Proteine, wie das für den Wassertransport relevante Aquaporin 1 oder auch der Na+-/K+-ATPase, konnte in dieser Arbeit bereits vor der Differenzierung nachgewiesen werden. Im nächsten Schritt wurde erfolgreich gezeigt, dass eine simultane, qualitativ hochwertige Ko-Kultur von ASCs und HUVECs auf der mit dem extrazellulären Matrixprotein Fibronektin modifizierten Innen- bzw. Außenseite von synthetischen Hohlfasermembranen aus Polypropylen bzw. Polyethersulfon möglich ist. Die Viabilität beider Zelltypen wurde dabei durch die Verwendung eines für die Ko-Kultur entwickelten Nährmediums erreicht, in welchem die Proliferation von ASCs bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung ihrer Stammzelleigenschaften deutlich erhöht war. Die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse stellen eine aussichtsreiche Basis für einen bio-artifiziellen renalen Tubulus dar. Weitere Entwicklungsschritte, wie die Differenzierung der ASCs zu proximalen Tubuluszellen im 3D-Bioreaktor einschließlich ihrer funktionalen Charakterisierung anhand Tubulusepithel-spezifischer Transporter, sind erforderlich, be-vor erste funktionale Experimente vor dem „Upscaling“ auf klinisch verwendbare Module möglich sind. N2 - Progressing chronic kidney disease results in the accumulation of uremic toxins and, if left untreated in end-stage kidney disease, death due to the developing uremic syndrome. The most common renal replacement therapy is hemodialysis. It is a life-prolonging therapy but only delivering inadequate blood purification, which is associated with excess morbidity and mortality of the patients. In hemodialysis, only uremic toxins with a molecular size of up to 20 kDa are removed by diffusion or convection. Solutes are eliminated by semi-selective size exclusion across a hollow fiber dialysis membrane in a dialyzer. Binding of certain uremic toxins to carrier proteins, such as albumin, results in an increased effective size, which excludes them from passing through dialysis membranes. In the native kidney, these protein-bound uremic toxins are eliminated from blood by secretory transport in the proximal tubule, a specific part of the tubular filtration apparatus of the nephron. The present doctoral thesis evaluated the first steps towards a so-called bio-artificial tubule. The intended biohybrid filter was supposed to consist of a co-culture of functional human proximal tubule cells and human endothelial cells on synthetic hollow fiber membranes. In its final form, it would be implemented during hemodialysis as an additional purification step to more efficiently remove protein-bound uremic toxins from the patients’ blood by active transport. The proximal tubule cells were differentiated from adipose-derived mesenchymal stem cells, which facilitates a later autologous treatment. The co-culture with endothelial cells should further promote the expression of transporters for organic anions and, thereby, potentially increase the secretion of protein-bound uremic toxins. In the present study, the differentiation from ASCs to a CK18-expression lineage, which confirmed successful epithelial differentiation, was induced by a combination of the soluble differentiation factors all-trans-retinoic acid, activin A and BMP-7. The expression of functional proteins, i.e., of aquaporin 1, which is relevant for water transport, and Na+-/K+-ATPase, was shown already before differentiation. Additionally, the present work demon-strated a high-quality co-culture of ASCs and HUVECs on the inner- and outer membrane surfaces of synthetic polypropylene- or polyethersulfone-based hollow fiber membranes, which initially were surface-modified with the extracellular matrix protein fibronectin. The viability of both cell types was thereby ensured by the application of a specific co-culture medium, which further increased the proliferation of ASCs intensely while maintaining their stem-cell character. The results of the present approach represent a promising basis for a bio-artificial renal tubule. The further development requires the differentiation of ASCs into proximal tubule cells on the 3D-bioreactor membrane and their characterization by verifying tubulusepithel-specific transporters. Finally, subsequent functional experiments have to precede an upscaling to clinically applicable modules. KW - Hohlfaserreaktor KW - Stammzelle KW - Endothelzelle KW - Adipozytäre mesenchymale Stammzelle KW - Bio-artifizieller Tubulus KW - Ko-Kultur Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-216896 ER - TY - THES A1 - Castillo Cajas, Ruth T1 - Evolution and diversity of cuticular hydrocarbon profiles of cuckoo wasps T1 - Evolution und Diversität der Kohlenwasserstoffprofile der Goldwespen N2 - Cuticular hydrocarbons (CHC) abound on the surface of arthropods. In spite of their simple structure (molecules of carbon and hydrogen atoms), they provide pivotal functions in insects: their hydrophobic properties confer the insects a means to regulate water balance and avoid desiccation, whereas their diversity has enhanced their use as signals and cues in a wide range of communication and recognition processes. Although the study of CHC in insects over the past two decades has provided great insight into the wide range of functions they play, there is still a gap in understanding how they diversify and evolve. In this thesis, I have used members of the family Chrysididae to explore patterns of diversification of CHC. Most of the species of cuckoo wasps in this study are specialized parasitoids or kleptoparasites of mainly solitary hymenopteran hosts. Other hosts of the family include butterflies or stick insects. Cuckoo wasps are a particular interesting model to study the evolution of cuticular hydrocarbons because of their chemical adaptations that allow them to remain unrecognized by their hosts. Chemical insignificance (the reduction of the total amount of CHC on the cuticle) and chemical mimicry (the de novo production of CHC profiles resembling those of their female host) have been described in some representatives of the family and unpublished evidence suggests chemical deception is widespread in Chrysididae (Chapter 2). Nonetheless, to trace the evolution of any trait of interest, a reliable phylogenetic reconstruction of the family is required. Therefore, the first study of this thesis constitutes the largest and to-date most reliable phylogenetic reconstruction of the family Chrysididae, which includes representatives of 186 species of cuckoo wasps. While the results of this phylogenetic reconstruction are consistent with previous ideas on the relationships of subfamilies and tribes, it shows the existence of several non-monophyletic genera (Chapter 3). CHC are involved in intraspecific recognition, often acting as contact sex pheromones. Nevertheless, it is not yet understood to what extent CHC profiles differ between the two sexes and whether some compound classes are more prevalent in one or the other sex. So far, no comparison of CHC profiles of males and females has been done for more than a dozen of related species. In Chapter 4, I describe and compare CHC profiles of females and males of 58 species of cuckoo wasps in order to evaluate whether and to what extent CHC profiles of these species differ between the sexes. I demonstrated that CHC profiles of cuckoo wasps are frequently (more than 90% of the species analyzed) and strongly dimorphic (both sexes of a given species tend to produce very different CHC compounds). Methyl-branched compounds tend to be more prevalent in males (especially dimethyl-branched compounds) and unsaturated compounds prevail in females. Moreover, a sex-specific pattern in the distribution of the double bond position of alkenes was evident: internal double bond positions (> 11) occur predominantly in males, whereas alkenes with the doublé bond at position 9 were more abundant and frequent in females (Chapter4). In Chapter5, I investigated how CHC profiles of cuckoo wasps differ across species. Are CHC profiles of cuckoo wasps species-specific, enabling their use as cues for species recognition? How do CHC profiles resemble phylogenetic relatedness? In Chapter 5, I try to answer these questions by comparing CHC profiles of 59 species of cuckoo wasps. CHC profiles of cuckoo wasps are shown to be species (and sex-) specific. I show that CHC profiles are useful as a complementary tool to help delimiting taxonomically difficult sibling species. Moreover, the evaluation of CHC profiles of five commonly occurring species within a genus, showed little or no geographical variation. However, CHC profiles of closely related species may differ strongly among each other, not being useful to track the evolutionary history of species (Chapter 5). Sexual selection is generally credited for generating striking sexual dimorphism by causing changes in male traits. Most often, sexual selection has a stronger effect on males, who compete for access to and may be selected by females, thus male traits may rapidly evolve. Nevertheless, in cuckoo wasps, it appears that it is the female sex the one evolving faster changes, with females of very closely related species showing extremely divergent profiles. One plausible reason for this disparity is that natural selection acting on female’s CHC profiles may be stronger than sexual selection on males (Chapter 6). Since females of cuckoo wasps are most probably engaged in an evolutionary arms race with their female hosts, CHC profiles of female cuckoo wasps are likely rapidly evolving, thus explaining part of the strong observed sexual dimorphism of CHC (Chapter 6). In fact, Chapter 7 shows evidence of a possible ongoing evolutionary arms race between five cuckoo wasps of the genus Hedychrum and their hosts. Hedychrum species parasitize either Coleoptera-hunting or Hymenoptera-hunting digger wasps. Since the coleopteran prey of the former digger wasps is naturally better protected against fungus infestation, these wasps do not embalm their prey with alkene-enriched secretions as do the Hymenoptera-hunting digger wasps. Thus, Coleoptera-hunting digger wasps can apparently diversify their profiles to escape chemical mimicry. Interestingly, only female cuckoo wasps of these hosts have started producing the same compound classes and even the same CHC compounds as those of their hosts. Male cuckoo wasps, however retain an alkene-enriched CHC profile that reflects the molecular phylogeny of the genus (Chapter 7). Whereas, a larger number of parasite-host comparisons may be needed to further conclude that an arms race between cuckoo wasps and their hosts is capable of generating sexual dimorphism of cuckoo wasps, this thesis constitutes the first effort towards this, providing a starting point for further studies. Finally, I provide some methodological tools that may help in speeding up the sometimes cumbersome process of analyzing and identifying CHC profiles. One of the most time-demanding steps in the processing of CHC data is the alignment of CHC chromatograms. This process is often done manually, because alignment programs are mostly designed for metabolomics or are just recently being developed. I analyzed CHC profiles using a combined approach with two freely available programs. I used AMDIS (Automated Mass Spectral Deconvolution and Identification System, http://chemdata.nist.gov/mass-spc/amdis/) to deconvolute and automatically identify all CHC of interest present in a chromatogram. I then developed a series of R scripts to correct for potential, unavoidable errors while processing CHC chromatograms with AMDIS. Chapter 8 explains this procedure. In the next chapter, I developed a program that helps in the identification of one commonly occurring class of hydrocarbons. The limited number of linear alkanes (only one per carbon atom) and their characteristic diagnostic ion allows a rapid and unambigous identification of these substances. In opposition, unsaturated and methyl-branched compounds are more difficult to identify, as a result of the much larger diversity of existing compounds. To identify unsaturated compounds a derivatization is necessary to determine the position of the double bond. Methyl-branched alkanes, however can be identified from the original chromatogram if their diagnostic ions are known. Nonetheless, polymethyl-branched alkanes (e.g., compounds with two or more methyl groups along the chain) are often difficult to identify, because they may appear in mixes (e.g., 3,7 diMeC27 and 3,9 diMeC27), and tables containing the diagnostic ions are not easily available. Therefore, I developed a program that creates a table with all possiblemethyl-branched compounds containing up to 4 methyl groups, and that provides their diagnostic ions and a calculated retention index. This may allow a much faster identification of the methyl-branched compound a researcher is dealing with, without having to lose time in the tedious calculations by hand. The program is able to correctly identify, or at least, greatly reduce the number of possible options for the identification of an unknown methyl-branched compound. Thus, using this tool, most methyl-branched compounds can be readily identified (Chapter 9). This thesis ends with a general discussion (Chapter 10). Overall, this work provides a comprehensive overview of the diversity of cuticular hydrocarbons of cuckoo wasps. The analyses presented here shed light on the emergence and evolution of interspecific diversity and intraspecific sexual dimorphism of CHC profiles. In addition, two technical methods have been developed that could greatly facilitate the CHC analysis of insects. N2 - Kutikulare Kohlenwasserstoffe (engl. „cuticular hydrocarbons“, CHC) sind Substanzen, die wir in größeren Mengen auf der Körperoberfläche von Arthropoden finden. Diese Moleküle aus Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen haben trotz ihrer einfachen Struktur entscheidende Funktionen bei Insekten: Ihre wasserabweisende Eigenschaften geben den Insekten die Möglichkeit, den Wasserhaushalt zu regulieren und Austrocknung zu vermeiden. Darüber hinaus ermöglicht die Vielfältigkeit der CHC ihre Verwendung als Signale für eine breite Palette von Kommunikations-und Erkennungsprozessen. Obwohl die Erforschung von CHC in den letzten zwei Jahrzehnten einen großen Einblick in die Funktionen bei Insekten ermöglicht hat, gibt es immer noch Verständnislücken bezüglich der Evolution und Diversifizierung von CHC (Kapitel1). In der vorliegenden Dissertation habe ich anhand verschiedener Arten der Wespen Familie Chrysididae die Diversifizierungsmuster von CHC erforscht. Die meisten der Goldwespenarten in dieser Studie sind spezialisierte Parasitoiden oder Kleptoparasiten von hauptsächlich solitären Hymenopteren. Wirte von anderen Goldwespen sind auch Phasmatodea und Lepidoptera. Goldwespen sind besonders interesante Modellorganismen, um die Evolution von CHC zu untersuchen. Denn sie haben auf ihrer Kutikula chemische Anpassungen an die chemischen Oberflächen ihrer Wirte entwickelt, um bei dem Wirt zu vermeiden, dass ihre eigenen chemischen Signale bei der Eiablage erkannt werden. Für einige Vertreter der Familie Chrysididae wurden chemische Unscheinbarkeit/Unsichtbarkeit („insignificance“) und chemische Mimikry beschrieben. Bei ersterem, handelt es sich um die Reduzierung der Gesamtmenge der CHC auf der Kutikula, bei letzterem um die Nachahmung des CHC Profils des Wirtes. Zudem, deuten unveröffentlichte Daten darauf hin, dass chemische Nachahmung unter den Chrysididae weit verbreitet ist (Kapitel 2). Eine zuverlässige phylogenetische Rekonstruktion der Chrysididae ist notwendig, um die Evolution eines Merkmales, wie z.B. die Ausbildung eines CHC-Profils, zu verfolgen. Daher stellt der erste Teil dieser Arbeit die größte und bis heute zuverlässigste phylogenetische Rekonstruktion der Familie Chrysididae dar, welche Vertreter von 186 Arten von Goldwespen umfasst. Die Ergebnisse dieser Phylogenie stehen in Übereinstimmung mit vorherigen Studien über die Beziehungen zwischen Subfamilien und Triben der Goldwespen. Die Phylogenie deutet jedoch auf die Existenz mehrerer nicht-monophyletischer Gattungen in Chrysididae hin (Kapitel 3). CHC sind an der innerartlichen Erkennung beteiligt und fungieren manchmal als Kontakt-Sex-Pheromonen. Es ist jedoch noch nicht klar, inwieweit die CHC-Profile zwischen den beiden Geschlechtern differieren und ob einige Verbindungsklassen in dem einen Geschlecht häufiger als in dem anderen vorkommen. Bislang gibt es lediglich einen Vergleich von CHC-Profilen zwischen Männchen und Weibchen für weniger alseinDutzendverwandterArten.In Kapitel 4 werden die CHC-Profile von Weibchen und Männchen von 58 Goldwespenarten beschrieben und verglichen, um zu beurteilen, ob und in welchem Ausmaß, sich die CHC-Profile dieser Arten zwischen den Geschlechtern unterscheiden. Ich konnte zeigen, dass CHC-Profile von Goldwespen stark sexuell dimorph sind (Männchen und Weibchen der gleichen Art neigen dazu, sehr unterschiedliche CHC-Verbindungen zu produzieren), und dass dieser Dimorphismus sehr häufig vorkommt (mehr als 90% der untersuchten Arten). Methylverzweigte Verbindungen (insbesondere dimethylverzweigte Verbindungen) waren tendenziel bei Männchen häufiger und bei Weibchen waren ungesättigte Verbindungen häufiger. Darüber hinaus war ein geschlechtsspezifisches Muster in der Verteilung der Doppelbindungsposition von Alkenen offensichtlich: interne Doppelbindungspositionen (>11) treten vorwiegend bei Männchen auf, während Alkene mit der Doppelbindung an Position 9 bei Weibchen häufiger vorkommen (Kapitel 4). Im darauf folgenden Kapitel meiner Arbeit, beschäftige ich mich mit der Frage wie unterschiedlich CHC-Profile von Goldwespen zwischen Arten sind. Sind CHC-Profile artspezifisch, wie es zu erwarten wäre, wenn sie zur Arterkennung dienen? Gibt es Ähnlichkeiten in Bezug auf die phylogenetische Verwandtschaft der Arten? In Kapitel 5, versuche ich diese Fragen zu beantworten, indem ich die CHC-Profile von 59 Goldwespenarten vergleiche. Ich zeige, dass CHC-Profile von Goldwespen art- (und geschlechts-) spezifisch sind, und dass CHC-Profile als ergänzendes Werkzeug zur Abgrenzung von taxonomisch schwierigen Geschwisterarten nützlich sind. Darüber hinaus zeigt die Beurteilung der CHC-ProfilevonfünfhäufigvorkommendeArteninnerhalbeinerGattungwenigoder keine geografische Variation, was bei der Abgrenzung der Arten hilft. Allerdings können CHC-Profile nah verwandter Arten sehr unterschiedlich sein. Somit sind sie kein geeignetes Merkmal um die Evolutionsgeschichte von Arten nachzuvollziehen (Kapitel 5). Im sich daran anschließenden Kapitel, geht es darum, zu verstehen warum CHCProfile der meisten Goldwespenarten so auffallend unterschiedliche CHC-Profile zwischen Geschlechtern aufweisen. Beider sexuellen Selektion wird in der Regel erwartet, dass siedurch Veränderungen männlicher Merkmale zu einem auffälligen Sexualdimorphismus führt. Meistens wirkt die sexuelle Selektion stärker auf die Männchen aus als auf die Weibchen, weil sie um die Weibchen konkurrieren und von den Weibchen ausgewählt werden müssen. Daher wird erwartet, dass männliche Merkmale schneller evolvieren. Dennoch scheint das weibliche Geschlecht bei Goldwespen das Geschlecht zu sein, das schneller evolviert, was sich z. B. dadurch äußert, dass Weibchen sehr nah verwandter Arten extrem divergierende Profile zeigen (Kapitel 6). Ein plausibler Grund für diese Verschiedenheit zwischen den Weibchen nah verwandter Arten ist, dass die natürliche Selektion, die auf die CHC-Profile von Weibchen wirkt, stärker sein kann als die sexuelle Selektion bei den Männchen (Kapitel 6). Da die Weibchen der Goldwespen höchstwahrscheinlich in einem evolutionären Wettrüsten mit ihren weiblichen Wirten stehen, ist es möglich dass die CHC-Profile von Weibchen schnell evolvieren und somit den stark beobachteten sexuellen Dimorphismus von CHC in Goldwespen erklären (Kapitel 6). In Kapitel 7, werden Hinweise auf ein mögliches fortwährendes Wettrüsten zwischen fünf Goldwespenarten der Gattung Hedychrum und ihren Wirten aufgezeigt. Arten dieser Gattung parasitieren entweder Grabwespen die Coleoptera oder Hymenoptera als Nahrung für ihre Nachkommen jagen. Da die Coleoptera-Beute natürlicherweise besser gegen Pilzbefall geschützt ist, balsamieren diese Wespen ihre Beute nicht mit durch Alkene angereicherte Sekrete ein, im Gegensatz zu der anderen Gruppe der Grabwespen, die Hymenopteren als Futter verwerten. Daher diversifizieren Coleoptera-jagende Grabwespen offenbar ihre Profile stärker,um der chemischen Mimikry ihrer Parasitoiden zu entkommen. Interessanterweise haben nur weibliche Goldwespen dieser Coleoptera-jagende Wirte begonnen, die gleichen Substanzklassen und sogar die gleichen CHC-Verbindungen wie die ihrer Wirte zu produzieren. Männliche Goldwespen behalten jedoch ein durch Alkene angereichertes CHC-Profil, das die molekulare Phylogenie der Gattung Hedychrum widerspiegelt. Um jedoch eindeutiger zu beweisen, dass ein Wettrüsten zwischen Goldwespen und ihren Wirten den Geschlechtsdimorphismus von Goldwespen hervorbringt, wäre eine größere Anzahl von Vergleichen zwischen Goldwespen und ihren Wirten nötig. Nichtsdestotrotz ist diese Arbeit ein erster Versuch, den Geschlechtsdimorphismus von CHC in Goldwespen zu erklären und ein Ausgangspunkt für weitere Studien. Abschließend stelle ich einige methodische Werkzeuge vor, die helfen können, den bisher umständlichen Prozess der Analyse und Identifizierung von CHC-Profilen zu beschleunigen. Einer der zeitaufwendigsten Schritte bei der Verarbeitung von CHC Daten ist die Alinierung von CHC-Chromatogrammen. Dieser Prozess wird oft manuell durchgeführt, da Alinierungsprogramme für die Metabolomik konzipiert sind oder gerade erst entwickelt werden. Meine CHC-Profile habe ich mit einem kombinierten Ansatz mit zwei frei verfügbaren Programmen analysiert. Ich benutzte AMDIS (Automated Mass Spectral Deconvolution and Identification System), um die CHC in einem Chromatogramm zu dekonvolutieren und automatisch zu identifizieren. Ich habe weiterhin eine Reihe von R-Skripten entwickelt, um mögliche unvermeidbare Fehler bei der Verarbeitung von CHC-Chromatogrammen mit AMDIS zu korrigieren. In Kapitel 8 wird dieses Verfahren erläutert. Im darauffolgenden Kapitel stelle ich ein Programm vor, das ich für eine erleichterte Identifizierung einer häufig vorkommenden Verbindungsklasse von CHC entwickelt habe. Die begrenzte Anzahl von linearen Alkanen (nur eines pro Kohlenstoffatom) und ihre charakteristischen diagnostischen Ionen erlauben die schnelle und eindeutige Identifizierung dieser Substanzen. Im Gegensatz dazu sind ungesättigte und methylverzweigte Verbindungen auf grund der viel größeren Vielfalt möglicher Verbindungen deutlich schwieriger zu identifizieren. Für die Identifizierung ungesättigter Verbindungen ist eine Derivatisierung notwendig, um die Position der Doppelbindung zu bestimmen. Methylverzweigte Alkane können jedoch theoretisch vom ursprünglichen Chromatogramm unterschieden werden, sofern die diagnostischen Ionen bekannt sind. Trotz alledem sind polymethylverzweigte Alkane (z.B. Verbindungen mit zwei oder mehr Methylgruppen entlang der Kette) oft schwer zu identifizieren, da sie in Mischungen (z. B. 3,7 diMeC27 und 3,9 diMeC27) auftreten können. Ihre diagnostische Ionen müssen entweder berechnet werden oder in Tabellen, die nicht leicht verfügbar sind, gesucht werden. Ich entwickelte daher ein kleines Programm, das eine Tabelle erstellt mit allen möglichen methylverzweigten Verbindungen mit bis zu 4 Methylgruppen sowie deren diagnostischen Ionen und einem berechneten Retentionsindex. Dies erlaubt eine viel schnellere Identifizierung der richtigen methylverzweigten Verbindung, ohne dass ein Wissenschaflter Zeit für die mühsamen Berechnungen von Hand verlieren muss. Das Programm ist in der Lage, die Anzahl möglicher Optionen einer unbekannten methylverzweigten Verbindung korrekt zu nennen oder zumindest die Auswahl stark einzugrenzen und damit die Identifikation der Substanz stark zu erleichtern. Es ist daher zu erwarten, dass mit diesem Werkzeug die meisten methylverzweigten Verbindungen leicht identifiziert werden können (Kapitel9). Ich schließe meiner Dissertation mit einer allgemeinen Diskussion (Kapitel 10). Die vorliegende Arbeit stellt einen umfangreichen Überblick der Diversität von kutikularen Kohlenwasserstoffen von Goldwespen dar. Dieser Einblick kann uns helfen, die Bedeutung von CHC-Profilen für Arthropoden im Allgemeinen besser zu verstehen. Konkret beleuchten die durchgeführten Analysen die Entstehung und Evolution von interspezifischer Diverstität bzw. Ähnlichkeiten von CHC-Profilen und intraspezifischen sexuellen Dimorphismus von CHC-Profilen. Darüber hinaus wurden technische Methoden entwickelt, die zukünftige Arbeiten zu CHC Analysen von verschiedenen Insekten stark erleichtern könnten. KW - Chrysididae KW - Cuticular hydrocarbons Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-173418 ER - TY - THES A1 - Pfann, Christina T1 - Untersuchungen zu neuen therapeutischen Ansätzen zur Beeinflussung der MYC-Expression im kolorektalen Karzinom T1 - Experiments on new therapeutic strategies to influence MYC expression in colorectal cancer N2 - Eine veränderte Expression des Transkriptionsfaktors MYC wird als entscheidender Faktor für Tumorentstehung und -progress im kolorektalen Karzinom gesehen. Somit ist die Hemmung dessen Expression und Funktion ein zentraler Ansatz bei der zielgerichteten Tumortherapie. Als geeignete Strategie, sowohl die Halbwertszeit als auch die Translation von MYC zu verringern, erschien eine duale PI3K-/mTOR-Hemmung durch den small molecule-Inhibitor BEZ235. Gegenteilig ist jedoch unter Behandlung mit BEZ235 eine verstärkte MYC-Expression in verschiedenen Kolonkarzinom-Zelllinien zu beobachten. Neben verstärkter Transkription, konnte eine verstärkte IRES-abhängige Translation von MYC nach Hemmung der mTOR-/5´Cap-abhängigen Translation durch BEZ235, als Ursache der MYC-Induktion nachgewiesen werden. Es konnte gezeigt werden, dass die Induktion von MYC nach PI3K-/mTOR-Hemmung durch eine kompensatorische Aktivierung des MAPK-Signalwegs in Folge einer FOXO-abhängigen Induktion von Rezeptortyrosinkinasen, stattfindet. Eine mögliche Strategie, diese Feedback-Mechanismen zu umgehen, ist die direkte Hemmung der Translationsinitiation. Hierfür wurden Rocaglamid und dessen Derivat Silvestrol als small molecule-Inhibitoren der eIF4A-Helikase verwendet. Im Gegensatz zur PI3K/mTOR-Hemmung, ist durch eIF4A-Inhibition eine Reduktion der MYC-Proteinexpression in verschiedenen Kolonkarzinom-Zelllinien zu erreichen – ohne einhergehende MAPK-Aktivierung. Anhand der Ergebnisse kann postuliert werden, dass Silvestrol das Potential besitzt, sowohl die Cap-/eIF4F-abhängie als auch die somit eIF4A-abhängige IRES-vermittelte Translation von MYC zu hemmen. Weiterhin kann eine proliferationshemmende Wirkung durch Silvestrol auf Kolonkarzinom-Zellen in vitro, via Zellzyklusarrest und Induktion von Apoptose, gezeigt werden. Dies stellt die Voraussetzung für eine potentielle Eignung als tumorhemmender Wirkstoff in der Therapie des kolorektalen Karzinoms dar. N2 - Deregulated expression of MYC is a driver of colorectal carcinogenesis. Thus inhibition of MYC function and expression may be a central aim in targeted therapy. Inhibiting the PI3K-and mTOR pathway seemed to be a proper strategy to increase MYC turnover and reduce its translation. Instead, we observe enhanced MYC expression in colon carcinoma cells upon treatment with the dual PI3K-/mTOR-inhibitor BEZ235. PI3K-/mTOR-Inhibition permits both enhanced transcription and induction of IRES-dependent translation of MYC through feedback activation of the MAPK pathway via FOXO-dependent induction of receptor tyrosine kinases. A strategy to bypass the signalling feedback mechanisms, is targeting the translation initiation. Using Silvestrol, a Rocaglamid derivate as small molecule inhibitor of the initiation factor eIF4A, MYC protein expression can be reduced in colorectal cancer cells – without observed MAPK-activation. So Silvestrol has he potential to inhibit Cap-/eIF4F-dependend as well as eIF4A-dependent IRES-mediated tranlation of MYC. Furthermore Silvestrol inhibits proliferation of colon carcinoma cells in vitro, shown by cell cycle arrest and induction of apoptosis. Our data argue that targeting translation initiation is a promising strategy to limit MYC expression in colorectal cancer. Thus, together with its antiproliferative effect, Silvestrol might be a potential anti-tumor agent. KW - Myc KW - colorectal cancer Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-216687 ER - TY - THES A1 - Redlich, Sarah T1 - Opportunities and obstacles of ecological intensification: Biological pest control in arable cropping systems T1 - Chancen und Hürden Ökologischer Intensivierung: Biologische Schädlingsbekämpfung im Ackerbau N2 - Modern agriculture is the basis of human existence, a blessing, but also a curse. It provides nourishment and well-being to the ever-growing human population, yet destroys biodiversity-mediated processes that underpin productivity: ecosystem services such as water filtration, pollination and biological pest control. Ecological intensification is a promising alternative to conventional farming, and aims to sustain yield and ecosystem health by actively managing biodiversity and essential ecosystem services. Here, I investigate opportunities and obstacles for ecological intensification. My research focuses on 1) the relative importance of soil, management and landscape variables for biodiversity and wheat yield (Chapter II); 2) the influence of multi-scale landscape-level crop diversity on biological pest control in wheat (Chapter III) and 3) on overall and functional bird diversity (Chapter IV). I conclude 4) by introducing a guide that helps scientists to increase research impact by acknowledging the role of stakeholder engagement for the successful implementation of ecological intensification (Chapter V). Ecological intensification relies on the identification of natural pathways that are able to sustain current yields. Here, we crossed an observational field study of arthropod pests and natural enemies in 28 real-life wheat systems with an orthogonal on-field insecticide-fertilizer experiment. Using path analysis, we quantified the effect of 34 factors (soil characteristics, recent and historic crop management, landscape heterogeneity) that directly or indirectly (via predator-prey interactions) contribute to winter wheat yield. Reduced soil preparation and high crop rotation diversity enhanced crop productivity independent of external agrochemical inputs. Concurrently, biological control by arthropod natural enemies could be restored by decreasing average field sizes on the landscape scale, extending crop rotations and reducing soil disturbance. Furthermore, reductions in agrochemical inputs decreased pest abundances, thereby facilitating yield quality. Landscape-level crop diversity is a promising tool for ecological intensification. However, biodiversity enhancement via diversification measures does not always translate into agricultural benefits due to antagonistic species interactions (intraguild predation). Additionally, positive effects of crop diversity on biological control may be masked by inappropriate study scales or correlations with other landscape variables (e.g. seminatural habitat). Therefore, the multiscale and context-dependent impact of crop diversity on biodiversity and ecosystem services is ambiguous. In 18 winter wheat fields along a crop diversity gradient, insect- and bird-mediated pest control was assessed using a natural enemy exclusion experiment with cereal grain aphids. Although birds did not influence the strength of insect-mediated pest control, crop diversity (rather than seminatural habitat cover) enhanced aphid regulation by up to 33%, particularly on small spatial scales. Crop diversification, an important Greening measure in the European Common Agricultural Policy, can improve biological control, and could lower dependence on insecticides, if the functional identity of crops is taken into account. Simple measures such as ‘effective number of crop types’ help in science communication. Although avian pest control did not respond to landscape-level crop diversity, birds may still benefit from increased crop resources in the landscape, depending on their functional grouping (feeding guild, conservation status, habitat preference, nesting behaviour). Observational studies of bird functional diversity on 14 wheat study fields showed that non-crop landscape heterogeneity rather than crop diversity played a key role in determining the richness of all birds. Insect-feeding, non-farmland and non-threatened birds increased across multiple spatial scales (up to 3000 m). Only crop-nesting farmland birds declined in heterogeneous landscapes. Thus, crop diversification may be less suitable for conserving avian diversity, but abundant species benefit from overall habitat heterogeneity. Specialist farmland birds may require more targeted management approaches. Identifying ecological pathways that favour biodiversity and ecosystem services provides opportunities for ecological intensification that increase the likelihood of balancing conservation and productivity goals. However, change towards a more sustainable agriculture will be slow to come if research findings are not implemented on a global scale. During dissemination activities within the EU project Liberation, I gathered information on the advantages and shortcomings of ecological intensification and its implementation. Here, I introduce a guide (‘TREE’) aimed at scientists that want to increase the impact of their research. TREE emphasizes the need to engage with stakeholders throughout the planning and research process, and actively seek and promote science dissemination and knowledge implementation. This idea requires scientists to leave their comfort zone and consider socioeconomic, practical and legal aspects often ignored in classical research. Ecological intensification is a valuable instrument for sustainable agriculture. Here, I identified new pathways that facilitate ecological intensification. Soil quality, disturbance levels and spatial or temporal crop diversification showed strong positive correlations with natural enemies, biological pest control and yield, thereby lowering the dependence on agrochemical inputs. Differences between functional groups caused opposing, scale-specific responses to landscape variables. Opposed to our predictions, birds did not disturb insect-mediated pest control in our study system, nor did avian richness relate to landscape-level crop diversity. However, dominant functional bird groups increased with non-crop landscape heterogeneity. These findings highlight the value of combining different on-field and landscape approaches to ecological intensification. Concurrently, the success of ecological intensification can be increased by involving stakeholders throughout the research process. This increases the quality of science and reduces the chance of experiencing unscalable obstacles to implementation. N2 - Die moderne Landwirtschaft ist die Grundlage menschlichen Lebens, ein Segen, aber auch ein Fluch. Sie stellt Nahrung und Wohlstand für die immerfort wachsende menschliche Bevölkerung bereit, und zerstört gleichzeitig Biodiversitäts-geförderte Prozesse, welche die Produktivität unterstützen: Ökosystemdienstleistungen wie Wasseraufbereitung, Bestäubung und biologische Schädlingsbekämpfung. Ökologische Intensivierung ist eine vielversprechende Alternative zur konventionellen Landwirtschaft, und zielt darauf aus, Erträge und die Gesundheit von Ökosystemen zu erhalten indem Biodiversität und essentielle Ökosystemdienstleistungen aktiv gemanagt werden. In meiner Doktorarbeit untersuche ich die Chancen und Hürden Ökologischer Intensivierung. Das Hauptinteresse meiner Forschung liegt bei 1) der relativen Bedeutung von Boden, Bewirtschaftung und Landschaftsaspekten für Biodiversität und Weizenerträge (Kapitel II); 2) dem Einfluss regionaler Anbauvielfalt auf verschiedenen räumlichen Skalen auf die biologische Schädlingsbekämpfung in Weizen (Kapitel III) und 3) auf die gesamte und funktionelle Artenvielfalt von Vögeln (Kapitel IV). Zum Schluss 4) stelle ich einen Leitfaden vor, der Wissenschaftlern hilft die Wirkung ihrer Forschung zu erhöhen, indem die fundamentale Rolle von Stakeholdern für die Umsetzung Ökologischer Intensivierung besser genutzt wird (Kapitel V). Ökologische Intensivierung bedarf der Identifizierung von natürlichen Prozessen, die zum Erhalt landwirtschaftlicher Erträge beitragen. Zu diesem Zweck verknüpften wir eine Beobachtungsstudie, in der Schädlinge und natürliche Gegenspieler in 28 realen Weizen Anbausystem aufgenommen wurden, mit einem orthogonalen Feldexperiment (Insektizid und mineralische Düngung). Anhand einer Pfadanalyse quantifizierten wir den Einfluss von 34 Faktoren (Bodencharakteristiken, gegenwärtige und vergangene Bewirtschaftung, Landschaftsheterogenität), die direkt oder indirekt (über Räuber-Beute-Interaktionen) Einfluss auf den Winterweizenertrag ausüben. Reduzierte Bodenbearbeitung und vielfältige Fruchtfolgen erhöhten die Erträge unabhängig von der Ausbringung von Agrochemikalien. Gleichzeitig könnte die biologische Schädlingsbekämpfung durch räuberische Insekten wiederhergestellt werden, indem durchschnittliche Schlaggrößen auf der Landschaftsebene verringert, Fruchtfolgen erweitert und die Bodenbearbeitung reduziert wird. Des Weiteren senkte der Verzicht auf Agrochemikalien das Schädlingsaufkommen einiger Arten, und trug zu einer höheren Ertragsqualität bei. Regionale Anbauvielfalt ist ein vielversprechendes Mittel zur Ökologischen Intensivierung. Doch die Erhöhung der Artenvielfalt durch Diversifizierungsmaßnahmen führt nicht immer zu Vorteilen in der Landwirtschaft, vor allem auf Grund antagonistischer Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Arten (intraguild predation). Weiterhin können positive Effekte der Anbauvielfalt durch die Wahl der falschen räumlichen Skala oder durch Korrelationen mit anderen Landschaftsvariablen (z.B. halbnatürliche Habitate) überdeckt werden. Aus diesem Grund bestehen Unklarheiten über die Wirkung von Anbauvielfalt auf Biodiversität und Ökosystemdienstleistungen in unterschiedlichen räumlichen Skalen und Kontexten. Durch Ausschlussexperimente mit Getreideblattläusen untersuchten wir die biologische Schädlingsbekämpfung durch räuberische Insekten und Vögel in 18 Winterweizenfeldern innerhalb eines Landschaftsgradienten der Anbauvielfalt. Vögel hatten keinen Einfluss auf die biologische Schädlingsbekämpfung durch Insekten. Anbauvielfalt (nicht das Vorkommen halbnatürlicher Habitate) erhöhte die Schädlingsbekämpfung um bis zu 33%, vor allem auf kleinen räumlichen Skalen. Somit kann die Steigerung der Anbauvielfalt, eine wichtige Säule der Europäischen Gemeinsamen Agrarpolitik, die biologische Schädlingsbekämpfung verbessern und den Einsatz von Agrochemikalien verringern, solange die funktionelle Gruppe der Anbaupflanzen berücksichtigt wird. Einfache Maßeinheiten wie die ‘effektive Anzahl an Kulturpflanzengruppen‘ helfen in der Kommunikation wissenschaftlicher Ergebnisse. Obwohl die Schädlingsbekämpfung durch Vögel nicht durch regionale Anbauvielfalt beeinflusst wurde, könnten Vögel, abhängig von der Zugehörigkeit zu bestimmten funktionellen Gruppen (Ernährung, Gefährdungsstatus, Lebensraum, Nistplatzwahl), dennoch von erhöhten Ressourcen auf landwirtschaftlichen Flächen profitieren. In einer Beobachtungsstudie wurde die funktionelle Vielfalt von Vögeln auf 14 Winterweizenfeldern aufgenommen. Die Studie zeigte, dass die nicht agrarisch genutzte Landschaftsheterogenität im Vergleich zur regionalen Anbauvielfalt eine übergeordnete Rolle für die Artenvielfalt spielte, vor allem für Insektenfresser, Vögel die außerhalb landwirtschaftlicher Flächen siedeln oder nicht in ihrem Bestand gefährdet sind. Effekte waren auf allen Skalen sichtbar (bis zu 3000m). Nur Acker-nistende Agrarvögel zeigten negative Beziehungen zu Landschaftsheterogenität. Der Nutzen der Anbaudiversifizierung scheint weniger Bedeutung für den Vogelschutz zu haben als die übergeordnete Vielfalt der Landschaft, welche den Artenreichtum häufiger Vogelarten erhöhte. Spezialisierte Vogelarten dagegen bedürfen eines gezielten, angepassten Managements. Um Ökologische Intensivierung voranzutreiben und ein Gleichgewicht zwischen Naturschutz- und Produktivitätszielen zu erreichen, bedarf es der Identifikation ökologischer Prozesse, die zur Steigerung von Biodiversität und Ökosystemdienstleistungen beitragen. Doch der die Wende zu einer nachhaltigeren Landwirtschaft wird nur langsam voran schreiten, wenn Forschungsergebnisse nicht global umgesetzt werden. Während der Öffentlichkeitsarbeit im EU Projekt Liberation konnte ich Informationen über die Vor- und Nachteile Ökologischer Intensivierung und deren Umsetzung sammeln. Hier stelle ich einen Leitfaden (‘TREE’) vor, der Wissenschaftlern helfen soll die Wirkung ihrer Forschung zu erhöhen. TREE verdeutlicht wie wichtig es ist, Stakeholder in den Planungs- und Forschungsprozess eines Projektes mit einzubeziehen, und aktiv die Verbreitung von Wissen und die Umsetzung wissenschaftlicher Ergebnisse voranzutreiben. TREE fordert Wissenschaftler dazu auf, die eigene Komfortzone zu verlassen und sozioökonomische, praktische und rechtliche Aspekte zu berücksichtigen, welche oft in der klassischen Forschung unbeachtet bleiben. Ökologische Intensivierung ist ein bedeutender Schritt in Richtung nachhaltige Landwirtschaft. In dieser Arbeit identifiziere ich neue Wege zur ökologischen Intensivierung. Bodenqualität, Störungsgrad des Bodens und die räumliche oder zeitliche Anbauvielfalt zeigten starke positive Korrelationen mit natürlichen Gegenspielern, biologischer Schädlingsbekämpfung und Erträgen auf, wodurch die Abhängigkeit von Agrochemikalien verringert wird. Unterschiede zwischen funktionellen Gruppen verursachten gegensätzliche Beziehungen zu Landschaftsvariablen auf verschiedenen räumlichen Skalen. Entgegen unserer Erwartungen nahmen Vögel in unserem System keinen Einfluss auf die biologische Schädlingsbekämpfung durch Insekten. Die Vogelvielfalt war außerdem unbeeinflusst von der regionalen Anbauvielfalt. Doch dominante funktionelle Vogelgruppen profitieren von der Vielfalt nicht agrarisch genutzter Landschaftsaspekte. Diese Ergebnisse betonen den Wert einer Mischung aus unterschiedlichen lokalen und landschaftsbezogenen Ansätzen zur Ökologischen Intensivierung. Gleichzeitig kann der Erfolg Ökologischer Intensivierung vor allem dadurch erhöht werden, dass Stakeholder in den Forschungsprozess eingebunden werden. Dies steigert die Qualität der Forschung und reduziert die Wahrscheinlichkeit, während der Umsetzung auf unüberwindbare Hürden zu stoßen. KW - Ökologische Intensivierung KW - Biologische Schädlingsbekämpfung KW - Landwirtschaft KW - Artensterben KW - Ökosystemdienstleistungen KW - Öffentlichkeitsarbeit KW - ecological intensification KW - biological pest control KW - agriculture KW - public outreach KW - ecosystem services KW - sustainable farming Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-171228 ER - TY - THES A1 - Kaltdorf, Martin Ernst T1 - Analyse von regulatorischen Netzwerken bei Zelldifferenzierung und in der Infektionsbiologie T1 - Analysis of Regulatory Networks during Cell Differentiation and in Infection Biology N2 - Das zentrale Paradigma der Systembiologie zielt auf ein möglichst umfassendes Ver-ständnis der komplexen Zusammenhänge biologischer Systeme. Die in dieser Arbeit angewandten Methoden folgen diesem Grundsatz. Am Beispiel von drei auf Basis von Datenbanken und aktueller Literatur rekonstruier-ten Netzwerkmodellen konnte in der hier vorliegenden Arbeit die Gültigkeit analyti-scher und prädiktiver Algorithmen nachgewiesen werden, die in Form der Analy-sesoftware Jimena angewandt wurden. Die daraus resultierenden Ergebnisse sowohl für die Berechnung von stabilen Systemzuständen, der dynamischen Simulation, als auch der Identifikation zentraler Kontrollknoten konnten experimentell validiert wer-den. Die Ergebnisse wurden in einem iterativen Prozess verwendet werden um das entsprechende Netzwerkmodell zu optimieren. Beim Vergleich des Verhaltens des semiquantitativ ausgewerteten regulatorischen Netzwerks zur Kontrolle der Differenzierung humaner mesenchymaler Stammzellen in Chondrozyten (Knorpelbildung), Osteoblasten (Knochenbildung) und Adipozyten (Fett-zellbildung) konnten 12 wichtige Faktoren (darunter: RUNX2, OSX/SP7, SOX9, TP53) mit Hilfe der Berechnung der Bedeutung (Kontrollzentralität der Netzwerkknoten identifi-ziert werden). Der Abgleich des simulierten Verhaltens dieses Netzwerkes ergab eine Übereinstimmung mit experimentellen Daten von 47,2%, bei einem widersprüchlichen Verhalten von ca. 25%, dass unter anderem durch die temporäre Natur experimentel-ler Messungen im Vergleich zu den terminalen Bedingungen des Berechnung der stabilen Systemzustände erklärt werden kann. Bei der Analyse des Netzwerkmodells der menschlichen Immunantwort auf eine Infek-tion durch A. fumigatus konnten vier Hauptregulatoren identifiziert werden (A. fumi-gatus, Blutplättchen, hier Platelets genannt, und TNF), die im Zusammenspiel mit wei-teren Faktoren mit hohen Zentralitätswerten (CCL5, IL1, IL6, Dectin-1, TLR2 und TLR4) fähig sind das gesamte Netzwerkverhalten zu beeinflussen. Es konnte gezeigt werden, dass sich das Aktivitätsverhalten von IL6 in Reaktion auf A. fumigatus und die regulato-rische Wirkung von Blutplättchen mit den entsprechenden experimentellen Resultaten deckt. Die Simulation, sowie die Berechnung der stabilen Systemzustände der Immunantwort von A. thaliana auf eine Infektion durch Pseudomonas syringae konnte zeigen, dass die in silico Ergebnisse mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmen. Zusätzlich konnten mit Hilfe der Analyse der Zentralitätswerte des Netzwerkmodells fünf Master-regulatoren identifiziert werden: TGA Transkriptionsfaktor, Jasmonsäure, Ent-Kaurenoate-Oxidase, Ent-kaurene-Synthase und Aspartat-Semialdehyd-Dehydrogenase. Während die ersteren beiden bereits lange als wichtige Regulatoren für die Gib-berellin-Synthese bekannt sind, ist die immunregulatorische Funktion von Aspartat-Semialdehyd-Dehydrogenase bisher weitgehend unbekannt. N2 - The central paradigm of systems biology aims at a comprehensive understanding in complex relationships of biological systems. The methods used in this work support this aim. By the example of three network models reconstructed on the basis of databases and current literature, the validity of analytical and predictive algorithms could be demon-strated in this work. As simulation software the framework Jimena was applied. The results for the calculation of stable system states, the dynamic simulation as well as the identification of central control nodes could be validated experimentally. The re-sults were used in an iterative process to further optimize the corresponding network model. Comparing the behavior of the semi-quantitatively evaluated regulatory network to control the differentiation of human mesenchymal stem cells into chondrocytes (carti-lage formation), osteoblasts (bone formation) and adipocytes (fatty cell formation), 12 important factors (including: RUNX2, OSX/SP7, SOX9, TP53) could be identified by the calculation of the control centralities of the network nodes. The comparison of the simulated behavior of these nodes showed an agreement with experimental data of 47.2%. We found a contradictory behavior of approximately 25%. Differing results can be explained due to the temporary nature of experimental measurements compared to the terminal conditions of the calculation the stable system states. Analyzing the network model of the human immune response to A. fumigatus infec-tion, four major regulators could be identified (A. fumigatus, platelets, and TNF), which interact with other factors with high control centrality values (CCL5, IL1, IL6, Dectin1). TLR2 and TLR4) are capable of affecting the overall network behavior. It could be shown that the activity behavior of IL6 in response to the modular activity of the plate-lets as well as A. fumigatus coincides with the corresponding experimental results. The simulation, as well as the calculation of the stable system states of the immune response of A. thaliana to an infection by Pseudomonas syringae, showed that in silico results are in agreement with the experimental results. By analyzing the control cen-trality values of the network model, five main regulators could be: TGA transcription factor, jasmonic acid, ent-kaurene-Oxidase, ent-kaurene synthase and aspartate semi-aldehyde. While the former two have long been recognized as important regulators of gibberel-lin synthesis, the immunoregulatory function of aspartate semialdehyde dehydrogen-ase has been largely unknown. KW - Netzwerksimulation KW - Immunbiologie KW - Zelldifferenzierung KW - Systembiologie KW - Signaltransduktion KW - Mesenchymale Stammzelldifferenzierung KW - Netzwerkrekonstruktion KW - network simulation KW - network reconstruction KW - immunology KW - mesenchymal stem cell differentiation KW - signal transduction Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-198526 ER - TY - THES A1 - Fuß, Antje T1 - Evaluierung des Nachweises von Schistosoma mansoni DNA mittels Real-Time PCR in verschiedenen humanen Proben sowie den Zwischenwirtschnecken in einer Hochprävalenzregion am Viktoriasee in Tansania T1 - Evaluation of the detection of Schistosoma mansoni DNA by real-time PCR in different human samples and the intermediate host snails in a high prevalence region at Lake Victoria in Tanzania N2 - Die Schistosomiasis ist nach wie vor eine der häufigsten parasitären Erkrankungen der Welt und verursacht erhebliche gesundheitliche und wirtschaftliche Folgen, insbesondere in ärmeren, ländlichen Regionen. Durch Immunreaktionen auf die im Wirt abgelegten Eier des Parasiten können sich chronische Verlaufsformen manifestieren. Dabei kann es zu irreversiblen Schäden kommen. Um dies zu verhindern sind eine frühe und sichere Diagnose sowie eine Behandlung mit Praziquantel (PZQ) unabdingbar. Zudem spielt der zuverlässige Nachweis der Schistosomiasis eine Schlüsselrolle bei der Überwachung, Prävention und Kontrolle der Erkrankung. In epidemiologischen Studien findet am häufigsten die mikroskopische Kato-Katz (KK)-Methode zum Nachweis von Schistosoma mansoni Eiern im Stuhl Anwendung. Dieses Verfahren ist äußerst spezifisch und bietet die Möglichkeit der Quantifizierung, wodurch die Intensität der vorliegenden Infektion bestimmt werden kann. Die Sensitivität der Testmethode ist jedoch nur moderat, insbesondere bei einer niedrigen Infektionsintensität. Zudem kann eine Infektion erst nach der Präpatenzzeit nachgewiesen werden. Der ebenfalls häufig eingesetzte urinbasierte Point-of-Care Circulating Cathodic Antigen (POC-CCA)-Test weist zwar eine höhere Sensitivität aber geringere Spezifität als das KK-Verfahren auf. Als hochsensitive und sehr spezifische Methode zur Diagnose der Schistosomiasis hat sich der Nachweis von Schistosoma-spezifischer DNA mittels Real-Time PCR herausgestellt. Allerdings wird für die Durchführung dieser Technik ein gut ausgestattetes Labor benötigt, das sich in der Regel nicht in unmittelbarer Nähe zum Patienten im Feld befindet. Daher ist es besonders wichtig, über praktikable und schnelle Konservierungsmethoden zu verfügen, die bevor die Extraktion und Amplifikation der DNA stattfindet, einen einfachen Transport und eine einfache Lagerung des Probenmaterials ermöglichen. Das Ziel des ersten Teils der vorliegenden Arbeit war, die Sensitivität und Spezifität der klassischerweise verwendeten KK-Methode und des POC-CCA-Tests mit der Real-Time PCR- Methode unter Verwendung von Stuhlproben, Urinproben, Serumproben sowie auf Filterpapier getrocknete Blutproben (dried blood spots – DBSs) zu vergleichen. Zudem wurde die Anwendbarkeit der Real-Time PCR aus Serum- und Urinproben zur Therapiekontrolle überprüft. Die dazu notwendigen Studien wurden alle in der Region Mwanza in Tansania durchgeführt, welche als hochendemisch für S. mansoni gilt. Für die Untersuchungen zur stuhlbasierten Real-Time PCR wurden als Studienteilnehmer Schulkinder gewählt. Aufgrund der erforderlichen Blutabnahme wurden die anderen Teilstudien nur mit erwachsenen Probanden durchgeführt. Unter Verwendung der KK-Methode als Goldstandard erzielten die Real-Time PCR aus Stuhlproben und der POC-CCA-Test sehr hohe Sensitivitäten von 99,5% bzw. 89,7%, jedoch nur geringe Spezifitäten von 29,55% und 22,73%. Die KK-Methode weist bekanntermaßen nur eine geringe bis moderate Sensitivität auf und ist daher nicht gut als Referenz geeignet. Deshalb wurde zusätzlich eine latente Klassenanalyse angewandt, um die tatsächlich Erkrankten zu ermitteln und anhand dieser die diagnostische Güte der verwendeten Tests zu bestimmen. Hier zeigte der POC-CCA-Test die höchste Sensitivität (99,5%) sowie eine Spezifität von 63,4%. Der Real-Time PCR-Test hatte eine Sensitivität von 98,7% und die höchste Spezifität (81,2%). Die Spezifität der KK-Technik betrug 72,8%, die Sensitivität war signifikant niedriger (89,7%) als bei den anderen beiden Methoden. Diese Ergebnisse verdeutlichen, dass der POC-CCA-Schnelltest empfindlicher ist als die KK-Methode und zum Screening von S. mansoni-Infektionen eingesetzt werden kann. Die Stuhl-PCR war zwar ebenfalls hochsensitiv und zeigte unter den drei getesteten Diagnoseverfahren die höchste Spezifität, aber aufgrund der höheren Kosten und der komplizierten Anwendung sollte für epidemiologische Untersuchungen in Hochprävalenzregionen der POC-CCA-Test bevorzugt werden. Bei unklaren Diagnosen kann die Real-Time PCR-Methode als Bestätigungstest Anwendung finden. In der Teilstudie zur serum- und urinbasierten Real-Time PCR in einer endemischen Region vor und nach der Behandlung mit PZQ wurden folgende Ergebnisse erzielt: Unter Verwendung einer kombinierten Referenz aus den Ergebnissen des parasitologischen KK-Tests und / oder der serumbasierten PCR konnte zu Studienbeginn eine Prävalenz von S. mansoni von 77,1% ermittelt werden. In Bezug auf die Sensitivität zeigte der DNA-Nachweis aus Serum (96,3%) und der POC-CCA-Assay (77,8%) die höchsten Ergebnisse. Die urinbasierte Real-Time PCR zeigte die geringste Empfindlichkeit (33,3%). Durch die Behandlung mit Praziquantel wurde eine signifikante Reduktion der S. mansoni Prävalenz erreicht. Zwanzig Wochen nach Therapie konnte durch die KK-Methode keine, mit dem POC-CCA-Test 33,3% und mit der serumbasierten Real-Time PCR 58,3% Infektionen festgestellt werden. Die Analyse der mittels der serumbasierten PCR bestimmten mittleren Ct-Werte im zeitlichen Verlauf zeigte, dass dieser eine Woche nach der Behandlung signifikant abnahm (von 30,3 auf 28) und 20 Wochen später über den Basiswert (34,9) anstieg. Der Ct-Wert ist umgekehrt proportional zur DNA-Ausgangsmenge, die in die PCR eingesetzt wurde. Dies deutet darauf hin, dass kurz nach der Therapie ein DNA-Anstieg zu verzeichnen war und 20 Wochen später weniger DNA als zu Beginn der Studie nachweisbar war. Dieser DNA-Verlauf lässt verschiedene Interpretationsmöglichkeiten zu. Die Daten zeigen jedoch, dass die serumbasierte Real-Time PCR eine ausgezeichnete diagnostische Genauigkeit aufweist. Da die nachgewiesene DNA jedoch keine Rückschlüsse auf das Parasitenstadium zulässt und es sich hierbei auch um DNA aus im Gewebe verbliebenen Eiern oder Reinfektionen handeln könnte, ist diese Methode in Hochprävalenz- Regionen nicht zur Therapiekontrolle geeignet. Die Verwendung von Urin zum DNA-Nachweis erzielte keine vielversprechenden Ergebnisse. Die Sensitivität der Real-Time PCR aus DBSs war ebenfalls sehr gering (45,4%) und kann ohne weitere ausführliche Testung hinsichtlich Lagertemperatur, Lagerdauer, verschiedener Filterpapierarten und Extraktionsmethoden nicht empfohlen werden. Zusammenfassend zeigten die Ergebnisse dieser Studien, dass sowohl die stuhl- als auch die serumbasierte Real-Time PCR bei der Erkennung und Bewertung der Infektionsprävalenz, einem wichtigen Aspekt epidemiologischer Studien, deutlich empfindlicher ist als das mikroskopische KK-Verfahren. Aufgrund des hohen Kosten- und Personalaufwandes und der Notwendigkeit eines gut ausgestatteten Labors wird sich diese Methode aber nicht zum Screening in hochendemischen Ländern durchsetzen. Sie kann jedoch einen Mehrwert bei der Diagnose der Schistosomiasis bieten, vor allem bei frühen oder leichten Infektionen. Zudem kann diese hochsensitive und spezifische Methode als Bestätigungstest bei unklaren Diagnosen herangezogen werden. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden malakologische Untersuchungen zur Identifizierung potenzieller Übertragungsorte für die Schistosomiasis rund um die im Viktoriasee gelegene Insel Ijinga durchgeführt. Diese Analysen fanden innerhalb eines Pilotprojektes zur Eliminierung der Erkrankung auf der Insel Ijinga statt, wobei ein intensiviertes Behandlungsprotokoll, welches die gesamte Inselbevölkerung einschloss, Anwendung fand. Die Kontrolle der Praziquanteleffektivität nach mehreren Behandlungsrunden bringt eine Reihe diagnostischer Herausforderungen mit sich. Hier könnte die Beurteilung der Schistosoma-Infektion in den Zwischenwirtschnecken vor und nach der Therapie als Indikator für den Erfolg der Maßnahme dienen. Zu diesem Zweck erfolgte zunächst eine Baseline-Untersuchung, bei der Schnecken an Uferregionen gesammelt wurden, an denen die Inselbewohner häufigen Wasserkontakt hatten. Die Schnecken wurden anhand morphologischer Merkmale identifiziert und mithilfe der Real-Time PCR-Methode auf Infektionen mit S. mansoni untersucht. Insgesamt wurden 35,4% (279/788) S. mansoni- positive Zwischenwirtschnecken (Biomphalaria) detektiert. Dies verdeutlicht, dass an den meisten Wasserkontaktstellen um die Insel Ijinga ein potentielles Risiko für die Übertragung der Schistosomiasis besteht. Die mithilfe der KK-Methode ermittelte Gesamtprävalenz von S. mansoni in der humanen Bevölkerung betrug 68,9%. Nachdem die Bewohner der Insel viermal mit PZQ behandelt wurden, zeigte sich in der kontinuierlich überwachten Sentinelgruppe eine Reduktion der Prävalenz auf 28,7%. Zu diesem Zeitpunkt wurde ebenfalls die Analyse der Schnecken wiederholt und es konnten 16,8% (57/350) Schnecken mit einer S. mansoni Infektion nachgewiesen werden. Die Reduktion der Infektionshäufigkeit in den Schnecken vor und nach der viermaligen Behandlung der Bevölkerung war signifikant (χ² = 74.335, p < 0,001). Dies deutet darauf hin, dass die intermediären Wirtsschnecken zur Überwachung von Kontrollmaßnahmen verwendet werden können. N2 - Schistosomiasis remains one of the most common parasitic infections in the world, causing significant health and economic consequences, particularly in rural areas. Immune reactions to the parasite's eggs deposited in the host can lead to chronic progression. This may result in to irreversible damage. In order to prevent this, an early and reliable diagnosis and a concomitant therapy will be indispensable. In addition, the reliable detection of schistosomiasis plays a key role in monitoring, prevention and control of the disease. In epidemiological studies, the microscopic Kato-Katz (KK) method is most frequently used to detect eggs in stool. This method is highly specific and offers the possibility of quantification, which allows to determine the intensity of the existing infection. However, especially at low infection intensities, the sensitivity of the test method is rather moderate. Furthermore, infections can only be detected after the prepatent period. The also frequently used urine-based Point-of-Care Circulating Cathodic Antigen (POC-CCA) test shows a higher sensitivity but lower specificity than the KK method. The detection of schistosome-specific DNA through Real-Time PCR has proven to be a highly sensitive and very specific method for the diagnosis of schistosomiasis. However, this assay requires a well-equipped laboratory, which is usually not located in the immediate vicinity of the patient in the field. Therefore, it is particularly important to have practical and rapid preservation methods that allow easy transport and storage of the sample material before DNA extraction and amplification takes place. The aim of the first part of this dissertation was to compare the sensitivity and specificity of the classical KK method and the POC-CCA test with the Real-Time PCR method using stool samples, urine samples, serum samples and blood samples dried on filter paper (dried blood spots – DBS). In addition, tests were conducted regarding the applicability of Real-Time PCR from serum and urine samples for therapy control. The necessary studies were all carried out in the Mwanza region of Tanzania, which is considered to be highly endemic for S. mansoni. Schoolchildren were selected as study participants for the studies on stool-based Real-Time PCR. Due to the required blood collection, the other partial studies were conducted with adults only. Using the KK method as gold standard, the Real-Time PCR from stool samples and the POC-CCA test achieved very high sensitivities of 99.5% and 89.7%, respectively, but only low specificities of 29.55% and 22.73%. The KK method is known to have low to moderate sensitivity and is therefore not well suited as a reference. For this reason, a latent class analysis was carried out to determine the true patients and the diagnostic quality of the tests used. The POC-CCA test showed the highest sensitivity (99.5%) and a specificity of 63.4%. The Real-Time PCR test had a sensitivity of 98.7% and the highest specificity (81.2%). The specificity of the KK technique was 72.8%, the sensitivity was significantly lower (89.7%) than with the other two methods. These results show that the POC-CCA rapid test is more sensitive than the KK method and can be used to screen for S. mansoni infections. Although stool PCR is also highly sensitive and shows the highest specificity of the three diagnostic methods tested, the POC-CCA test should be preferred for epidemiological investigations in high prevalence regions on account of the higher costs and complicated application. If the diagnosis is unclear, the Real-Time PCR method can be used as a confirmatory test. The following results were obtained in the partial study regarding the use of serum and urine-based Real-Time PCR in an endemic region before and after treatment with Praziquantel (PZQ): Using a combined reference of the results of the parasitological KK test and / or the serum-based PCR, a prevalence of S. mansoni of 77.1% could be determined at the beginning of the study. In terms of sensitivity, DNA detection from serum (96.3%) and the POC-CCA assay (77.8%) showed the highest results. Urine-based Real-Time PCR showed the lowest sensitivity (33.3%). Treatment with Praziquantel significantly reduced the prevalence of S. mansoni. Twenty weeks after therapy, no infections could be detected with the KK method, 33.3% with the POC-CCA test and 58.3% with the serum-based Real-Time PCR. Analysis of mean Ct-values determined by serum-based Real-Time PCR over time showed that it decreased significantly (from 30.3 to 28) one week after treatment and increased above the baseline value (34.9) 20 weeks later. The Ct-value is inversely proportional to the initial amount of DNA added to the PCR. This suggests that shortly after therapy there was an increase in DNA and 20 weeks later less DNA was detectable compared to the beginning of the study. This DNA progression offers various interpretation possibilities. However, the data show that serum-based Real-Time PCR has excellent diagnostic accuracy. Yet, since the detected DNA does not allow conclusions to be drawn about the parasite stage and this could also be DNA from eggs remaining in the tissue or reinfections, this method is not suitable for therapy control in high prevalence regions. The use of urine for DNA detection did not yield promising results. The sensitivity of the Real-Time PCR from DBSs was also very low (45.4%) and cannot be recommended without further extensive testing with regard to storage temperature, storage time, different filter paper types and extraction methods. In summary, the results of these studies showed that Real-Time PCR is significantly more sensitive than microscopy in the detection and evaluation of infection prevalence, an important aspect of epidemiological studies. However, due to the high costs and personnel involved and the need for a well-equipped laboratory, this method will not be accepted for screening in high-endemic countries. Yet, it can provide added value in the diagnosis of schistosomiasis, especially in early or light infections. In addition, this highly sensitive and specific method can be used as a confirmatory test for unclear diagnoses. The second part of this dissertation describes malacological investigations to identify potential transmission sites for schistosomiasis around Ijinga Island located on Lake Victoria. These analyses took place as part of a pilot project to eliminate the disease on this island, using an intensified treatment protocol that included the entire island population. The control of Praziquantel effectiveness after several rounds of treatment poses a number of diagnostic challenges. Here, the assessment of the schistosoma infection in the intermediate host snails before and after the therapies could serve as an indicator for the success of the measure. For this purpose, a baseline study was carried out, in which snails were collected from shore regions where the islanders had frequent contact with water. The snails were identified on the basis of morphological characteristics and examined for infections with S. mansoni using the Real-Time PCR method. A total of 35.4% (279/788) S. mansoni positive intermediate host snails (Biomphalaria) were detected. This shows that there is a potential risk of schistosomiasis transmission at most water contact points around Ijinga. The total prevalence of S. mansoni in the human population determined by the KK method was 68.9%. After treating the community with Praziquantel four times, the prevalence of S. mansoni in the continuously monitored sentinel group was reduced to 28.7%. At this time, the analysis of the snails was repeated and 16.8% (57/350) snails with a S. mansoni infection were detected. The reduction in the frequency of infection in the snails before and after the fourfold treatment of the population was significant (χ² = 74,335, p < 0.001). This suggests that the intermediate host snails can be used to monitor control measures. KW - Schistosomiasis KW - Bilharziose KW - Real-time PCR KW - Tansania KW - Trematoden KW - Vernachlässigte Tropenkrankheiten Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-215061 ER - TY - THES A1 - Lakovic, Milica T1 - Evolution of animal dispersal: Putting timing in perspective T1 - Evolution von Ausbreitungsstrategien: Die Fitnesskonsequenzen des Zeitpunkts von Emigration N2 - Dispersal is a life-history trait affecting dynamics and persistence of populations; it evolves under various known selective pressures. Theoretical studies on dispersal typically assume 'natal dispersal', where individuals emigrate right after birth. But emigration may also occur during a later moment within a reproductive season ('breeding dispersal'). For example, some female butterflies first deposit eggs in their natal patch before migrating to other site(s) to continue egg-laying there. How breeding compared to natal dispersal influences the evolution of dispersal has not been explored. To close this gap we used an individual-based simulation approach to analyze (i) the evolution of timing of breeding dispersal in annual organisms, (ii) its influence on dispersal (compared to natal dispersal). Furthermore, we tested (iii) its performance in direct evolutionary contest with individuals following a natal dispersal strategy. Our results show that evolution should typically result in lower dispersal under breeding dispersal, especially when costs of dispersal are low and population size is small. By distributing offspring evenly across two patches, breeding dispersal allows reducing direct sibling competition in the next generation whereas natal dispersal can only reduce trans-generational kin competition by producing highly dispersive offspring in each generation. The added benefit of breeding dispersal is most prominent in patches with small population sizes. Finally, the evolutionary contests show that a breeding dispersal strategy would universally out-compete natal dispersal. N2 - Emigration und die daraus resultierende Ausbreitung („dispersal“) ist ein wichtiges Ereignis im Lebenszyklus von Insekten, mit grundlegenden öko-evolutionären Folgen. Fortschreitender globaler Wandel hinterlässt viele Arten in stark fragmentierten Habitaten; der Verbreitungsstrategie kommt deshalb eine Schlüsselrolle im Fortbestehen von Populationen zu. Insekten sind besonders anfällig gegenüber Habitatzerstörungen, da viele von ihnen Spezialisten sind und daher z.B. stark von Präsenz bestimmter Wirtsarten und deren Verteilung abhängen. Zum Schutz dieser Arten ist es folglich entscheidend die Ursachen und Folgen verschiedener Ausbreitungsstrategien zu verstehen. Zudem können Arten mit unterschiedlichen Lebenszyklen spezifische Ausbreitungsstrategien aufweisen. Natale Emigration („natal dispersal“) ist definiert als das Verlassen des Ortes der Geburt, um an einem neuen Ort zu reproduzieren, während „breeding dispersal“ Ausbreitung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Paarungen bedeutet. Natal dispersal kann während des Larval- und Adultstadiums stattfinden, breeding dispersal nur während des Adultstadiums. Weiterhin ist der Zeitpunkt der Verpaarung, entweder vor oder nach Ausbreitung, besonders wichtig für Weibchen, die nicht nur die eigenen Gene transportieren, sondern eventuell auch die eines verpaarten Männchens. Es ist eindeutig, dass sich Genfluss und ökoevolutionäre Dynamik zwischen diesen Ausbreitungsstrategien unterscheiden. Schließlich erhielt nformationsverarbeitung durch Insekten und dessen Rolle in emigrationsbezogenen Entscheidungen in jüngster Zeit viel Aufmerksamkeit. Dennoch wurde der Zeitraum der Informationsbeschaffung (z.B. während des Larven- oder Adultstadiums) und folglich die Verfügbarkeit von Information zum Zeitpunkt der Emigration von Theoretikern und Empirikern größtenteils nicht beachtet. Meine Doktorarbeit liefert theoretische Einsichten in den optimalen Zeitpunkt der Emigration, des Zeitpunktes der Paarung (in Relation zu Emigration) und die Rolle von Informationsbeschaffung in Insekten- Metapopulationen. Mit Individuen basierten Modellen analysierte ich zuerst die Evolution des Emigrationszeitpunktes in Metapopulationen, gefolgt von der Evolution des (optimalen) Emigrations- und Paarungszeitpunktes in Metapopulationen von Insekten. Abschließend untersuchte ich, wie sich die Investition von Zeit in das Sammeln von Informationen auf den Zeitpunkt und die Häufigkeit von Emigration auswirkt. Ergebnisse meiner Thesis zeigen, dass die Vermeidung von Konkurrenz innerhalb der Art eine entscheidende Rolle in der Evolution des Zeitpunktes der Emigration einnimmt; weiterhin konnte ich zeigen, dass Insekten Informationen über die Populationsdichte nutzen können, um daran angepasst Entscheidungen bezüglich ihrer Emigration zu treffen; in heterogener Umwelt bestimmt die Toleranz gegenüber der Habitate die Evolution der Ausbreitungsstrategie und des Paarungszeitpunktes, was folglich die lokal Anpassung innerhalb ganzer Landschaften bestimmt. Meine Thesis bietet neue Einsichten in die Evolution von Ausbreitung, insbesondere auf den richtigen Zeitpunkt und die Reihenfolge von Emigration, Verpaarung und dem Sammeln von Informationen. Dieser Aspekt des Timings wurde bisher von theoretischen und empirischen Ökologen größtenteils ignoriert. Um die Populationsdynamik und die Ausbreitung einer Art verstehen zu können, ist es essentiell den Lebenszyklus und die Zeitpunkte der wichtigsten Lebensereignisse (Verbreitung, Reproduktion) zu kennen. Dies ist zwingend nötig, wenn eine erfolgreiche Umsetzung von Naturschutzmaßnahmen (z.B. Wiedereinführung von Arten) oder biologischer Schädlingsbekämpfung (z.B. Einführung von Prädatoren zur Bekämpfung von Schädlingen) angestrebt wird. KW - dispersal timing KW - metapopulation KW - individual-based simulation Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-154522 ER - TY - THES A1 - Vikuk, Veronika T1 - Epichloë endophyte-grass symbioses in Germany – Infection rates, alkaloid concentrations and possible intoxication risks T1 - Epichloë Endophyt-Gras Symbiosen in Deutschland – Infektionsraten, Alkaloidkonzentrationen und mögliche Vergiftungsrisiken N2 - Endophytes live in partial symbiosis inside a plant and have been detected in all tested plants. They belong to the group of fungi or bacteria and their ecological function is mostly unknown. The fungal endophytes of the genus Epichloë belong to a special group of endophytes. Epichloë endophytes live symbiotically inside cool season grass species and some of them are able to produce alkaloids toxic to vertebrates and insects. Their symbiosis is seen as mutualistic for the following reasons: the fungus provides the plant herbivore resistance by producing alkaloids, and it increases the plant’s drought tolerance as well as its biomass production. In return, the grass provides the fungus shelter, nutrients and dispersal. Epichloë endophytes are host specific and the ability to produce alkaloids differs between species. In order to estimate intoxication risks in grasslands, it is necessary to detect infection rates of different grass species with Epichloë endophytes, and to determine the genotypes and chemotypes of the Epichloë species as well as the produced alkaloid concentrations. Factors like land-use intensity or season may have an influence on infection rates and alkaloid concentrations. Also, different methodological approaches may lead to different results. In this doctoral thesis my general aim was to evaluate intoxication risks in German grasslands caused by Epichloë endophytes. For that I investigated infection rates of different grass species and the genotypes and chemotypes of their Epichloë endophytes in German grasslands (Chapter II). Furthermore, I compared alkaloid concentrations detected with dry and fresh plant weight and different analytical methods. I also detected possible changes on the influence of season or land-use intensity (Chapter III). Additionally, I examined infections with Epichloë endophytes and alkaloid concentrations in commercially available grass seed mixtures and determined how that influences the intoxication risk of grazing animals in Europe (Chapter IV). It is of agricultural interest to estimate intoxication risks for grazing livestock on German grasslands due to Epichloë infected grass species. Therefore, it is important to investigate which grasses are infected with the Epichloë endophyte, if the endophytes have the ability to produce vertebrate and invertebrate toxic alkaloids and if the alkaloids are indeed produced. I showed that Epichloë festucae var. lolii infecting agriculturally important Lolium perenne lacked the starting gene for ergovaline biosynthesis. Hence, vertebrate toxic ergovaline was not detected in the majority of the collected L. perenne plants. The detection of alkaloid concentrations is an important tool to estimate intoxication risk for vertebrates, but also invertebrates. My studies showed that the usage of dry plant material is crucial to quantify the correct alkaloid concentrations, and that alkaloid concentrations can vary depending on the detection method. Hence, the usage of validated, similar detection methods is important to be able to compare alkaloid concentrations from different studies. Nevertheless, the trends of seasonal changes and the influence of land-use intensity stayed the same, regardless if dry or fresh plant weight was used. Also, alkaloid concentrations were below toxicity thresholds on population level, regardless of the method used. Two commercially available forage grass and two commercially available turf grass seed mixtures were infected with Epichloë endopyhtes and alkaloids were detected. This might contribute to the spreading of Epichloë endopyhtes in Germany, therefore seed mixtures should be tested for Epichloë infections. My results indicate that the intoxication risk is generally low in Germany at the moment, although that might change due to climate change, an increase of monocultural land-use, or the seeding of Epichloë infected grass seeds. N2 - Endophyten leben, zumindest zeitweise, symbiontisch in Pflanzen und sind bisher in allen untersuchten Pflanzen nachgewiesen worden. Es handelt sich dabei um Pilze oder Bakterien und ihre ökologische Funktion ist meistens unbekannt. Eine spezielle Gruppe der Endophyten sind Pilzendophyten der Gattung Epichloë. Diese leben symbiontisch innerhalb von kaltgemäßigten Grasarten und einige sind in der Lage vertebraten- und/oder insektentoxische Alkaloide herzustellen. Die Symbiose wird meist als mutualistisch bezeichnet, weil der Pilz der Pflanze einen Herbivorenschutz durch die Produktion der Alkaloide und eine gesteigerte Trockenresistenz und Biomassesteigerung bietet. Das Gras hingegen bietet dem Pilz Unterkunft, Nährstoffe und Verbreitung. Epichloë Endophyten sind wirtsspezifisch und die Fähigkeit Alkaloide zu produzieren schwankt zwischen den Arten. Um das Vergiftungsrisiko im Grünland einzuschätzen, ist es nötig Infektionsraten verschiedener Grasarten mit Epichloë Endophyten, die Geno- und Chemotypen der Epichloë Arten, und die produzierten Alkaloidkonzentrationen zu bestimmen. Faktoren wie Landnutzungsintensität oder die Jahreszeit können Infektionsraten und Alkaloidkonzentrationen beeinflussen. Ebenso können Alkaloidkonzentrationen von methodischen Faktoren abhängen. In dieser Doktorarbeit habe ich Infektionsraten verschiedener Grasarten in Deutschland und die Geno- und Chemotypen ihrer Epichloë Endophyten untersucht (Kapitel II). Außerdem habe ich Alkaloidkonzentrationen mit Frisch- bzw. Trockengewicht gemessen und mit verschiedenen analytischen Methoden verglichen, um mögliche Änderungen beim Einfluss von Jahreszeiten oder der Landnutzungsintensität zu detektieren. Des Weiteren habe ich das Vergiftungsrisiko auf deutschen Grasflächen abgeschätzt (Kapitel III). Zusätzlich habe ich kommerziell erhältliche Grassaatgutmischungen auf Epichloë Infektionen und Alkaloidgehalt untersucht und habe versucht einzuschätzen, wie sich das auf das Vergiftungsrisiko von Weidevieh in Europa auswirkt (Kapitel IV). Die Einschätzung von Vergiftungsrisiken für Weidevieh aufgrund von Epichloë infizierten Grasarten auf deutschen Graslandflächen ist von landwirtschaftlichem Interesse. Deshalb ist es wichtig zu untersuchen, welche Grasarten mit Epichloë Endophyten infiziert sind, ob der Endophyt in der Lage ist vertebraten- oder insektentoxische Alkaloide zu produzieren und ob diese tatsächlich produziert werden. Ich konnte zeigen, dass Epichloë festucae var. lolii, welches das landwirtschaflich wichtige Lolium perenne infiziert, das Startgen für die Ergovalinbiosynthese fehlt. Deshalb wurde das vertebraten-toxische Ergovalin in der Mehrheit der gesammelten L. perenne Pflanzen nicht nachgewiesen. Die Detektion von Alkaloidkonzentrationen ist ein wichtiges Werkzeug, um das Vergiftungsrisiko für Vertebraten aber auch Invertebraten einschätzen zu können. Ich konnte zeigen, dass die Verwendung von trockenem Pflanzenmaterial essenziell ist, um korrekte Alkaloidkonzentrationen zu quantifizieren und dass Alkaloidkonzentrationen in Abhängigkeit von der Detektionsmethode schwanken können. Deshalb ist die Verwendung von validierten, ähnlichen Detektionsmethoden wichtig, um die Alkaloidkonzentrationen von verschiedenen Studien vergleichen zu können. Dennoch blieben die jahreszeitlichen Trends und der Einfluss von Landnutzungsintensität gleich, egal ob Trocken- oder Frischgewicht der Pflanze verwendet wurde und Alkaloidkonzentrationen lagen unter der Toxizitätsschwelle auf Populationsebene. Ich konnte außerdem zeigen, dass zwei kommerziell erwerbliche Futtergrasmischungen, sowie zwei Rasengrasmischungen mit Epichloë Endophyten infiziert waren und auch Alkaloide detektiert werden konnten. Das könnte zu einer weiteren Ausbreitung von Epichloë-Endophyten in Deutschland beitragen, weshalb Saatgutmischungen auf Epichloë Infektionen getestet werden sollten. Meine Ergebnisse zeigen, dass das Vergiftungsrisiko in Deutschland im Moment generell eher niedrig ist. Allerdings kann sich das auf Grund von Klimawandel, zunehmenden Monokulturen in der Landnutzung, aber auch der Aussaat von Epichloë infiziertem Saatgut ändern. KW - Endophytische Pilze KW - HPLC-MS KW - Deutsches Weidelgras KW - Weidegräser KW - Alkaloide KW - intoxication risk KW - alkaloid concentrations KW - Epichloe endophytes KW - cool-season grass species KW - infection rates Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-213895 ER - TY - JOUR A1 - Krauss, Jochen A1 - Vikuk, Veronika A1 - Young, Carolyn A. A1 - Krischke, Markus A1 - Mueller, Martin J. A1 - Baerenfaller, Katja T1 - Epichloë endophyte infection rates and alkaloid content in commercially available grass seed mixtures in Europe JF - Microorganisms N2 - Fungal endophytes of the genus Epichloë live symbiotically in cool season grass species and can produce alkaloids toxic to insects and vertebrates, yet reports of intoxication of grazing animals have been rare in Europe in contrast to overseas. However, due to the beneficial resistance traits observed in Epichloë infected grasses, the inclusion of Epichloë in seed mixtures might become increasingly advantageous. Despite the toxicity of fungal alkaloids, European seed mixtures are rarely tested for Epichloë infection and their infection status is unknown for consumers. In this study, we tested 24 commercially available seed mixtures for their infection rates with Epichloë endophytes and measured the concentrations of the alkaloids ergovaline, lolitrem B, paxilline, and peramine. We detected Epichloë infections in six seed mixtures, and four contained vertebrate and insect toxic alkaloids typical for Epichloë festucae var. lolii infecting Lolium perenne. As Epichloë infected seed mixtures can harm livestock, when infected grasses become dominant in the seeded grasslands, we recommend seed producers to test and communicate Epichloë infection status or avoiding Epichloë infected seed mixtures. KW - Epichloë spp. KW - grass endophytes KW - cool-season grass species KW - infection rates KW - alkaloids KW - toxicity KW - livestock KW - horses KW - Lolium perenne KW - perennial ryegrass Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-203323 SN - 2076-2607 VL - 8 IS - 4 ER - TY - THES A1 - Glaab, Sabine T1 - Green classroom at the wildlife park: Aspects of environmental, instructional and conceptual education of primary school children concerning the European wildcat. T1 - Das Grüne Klassenzimmer im Wildpark: Aspekte der Umweltbildung, Instruktion sowie Schülervorstellungen bei Grundschulkindern zum Thema Wildkatze. N2 - To foster sustainable environmentally friendly behavior in children it is important to provide an effective form of environmental education. In this context we studied three important factors: Attitude towards nature, environmental knowledge and advanced expert knowledge. Concerning attitude towards nature our first question was: “Is it possible to affect primary school children’s environmental values during a one-day visit at a wildlife park?” As a control, the program was also conducted in schools, leading to two different learning settings- wildlife park and school. Regarding environmental knowledge, in our second question we wanted to know, if our modified teaching approach “guided learning at workstations” (G) combining instructional and constructivist elements would lead to good cognitive learning results of primary school children. Additionally, we compared it to a stronger teacher-centered (T) as well as to a stronger student-centered (S) approach. The third question we asked was “Is it possible to convey fascinating expert knowledge on a more advanced subject to primary school children using conceptual change theory?” After gathering primary school children’s preconceptions, we defined different groups due to the heterogeneity of their pre-existing conceptions and the change in conceptions. Based on this research we designed a program along with an instrument to measure the impact of the conceptual change teaching method. After years of building a strong cooperation between the section Didactics of Biology at the Julius-Maximilians University Würzburg, the nearby schools and the wildlife park “Wild-Park Klaushof” near Bad Kissingen in northern Bavaria it was time to evaluate the environmental education programs prepared and applied by undergraduate university students. As a model species we chose the European wildcat (Felis silvestris silvestris) which represents endangered wildlife in Europe and the need for human interaction for the sake of preserving a species by restoring or recreating the habitat conditions needed while maintaining current infrastructure. Drawing from our own as well as teachers’ and university students’ experiences, we built, implemented and evaluated a hands-on program following several workstations between the wildcat enclosure and the wildlife park’s green classroom. The content of our intervention was presented as a problem-oriented lesson, where children were confronted with the need for human interaction in order to preserve the European wildcat. Not only on a theoretical basis, but very specific to their hometowns they were told where and when nature conservation groups met or where to donate money. 692 Bavarian third grade primary school children in 35 classes participated in the one-day intervention that took place between the months of april, 2014 and november, 2015 in the wildlife park or in their respective classrooms. The ages varied between 8 and 11 years with the mean age being 8.88 ± 0.56 years old. 48.6 % of them were boys, 51.4 % were girls. (1) To measure primary school children’s environmental attitudes a questionnaire on two major environmental values- preservation and utilization of nature- was administered in a pre, post- and retention test design. It was possible to affect primary school children’s environmental preservation values during our one-day program. This result could be found not only at the wildlife park but unexpectedly also in school, where we educated classes for control purposes. We also found this impact consistent in all used teaching approaches and were surprised to see the preservation values change in a way we did not expect from higher tendency towards preservation of nature to a lower one. We presume that children of this age group reflected on the contents of our intervention. This had an influence on their own values towards preservation which led to a more realistic marking behavior in the questionnaire. We therefore conclude that it is possible to affect primary school children’s environmental values with a one-day program on environmental content. (2) We were interested in conveying environmental knowledge about the European wildcat; its morphology, ecology and behavior. We designed and applied a knowledge questionnaire also in a pre-, post- and retention test design, to find out, whether different forms of instruction made a difference in learning success of primary school children. We used two approaches with a teacher in the role of a didactic leader- our modified guided approach (G) as well as a stronger teacher-centered one (T) with a higher focus on instruction. The third approach was presented as a strong student-centered learning at workstations (S) without a didactic leader we also called “free learning at workstations”. Overall, all children’s knowledge scores changed significantly from pre- to post-test and from pre- to retention test, indicating learning success. Differences could only be found between the posttest values of both approaches with a didactic leader (G, T) in comparison to the strong student-centered (S) form. It appears that these primary school children gained knowledge at the out of school learning setting regardless of the used teaching approach. On the subject of short-term differences, we discuss, that the difference in learning success might have been consistent from post to retention test if a consolidation phase had been added in the days following the program as should be common practice after a visit to an out-of- school learning setting but was not part of our intervention. When comparing both approaches with a didactic leader (G, T), we prefer our modified guided learning at workstations (G) since constructivist phases can be implemented without losses concerning learning success. Moreover, the (at least temporary) presence of a teacher in the role of a didactic leader ensures maintained discipline and counteracts off-task behavior. To make sure, different emotional states did not factor in our program, we measured children’s situational emotions directly after the morning intervention using a short scale that evaluated interest, wellbeing and boredom. We found, that these emotions remained consistent over both learning settings as well as different forms of instruction. While interest and wellbeing remained constantly high, boredom values remained low. We take this as a sign of high quality designing and conducting the intervention. (3) In the afternoon of the one-day intervention, children were given the opportunity to investigate the wildcat further, this time using the conceptual change theory in combination with a more complex and fascinating content: cats’ vision in dusk and dawn. Children were confronted with their preconceptions which had been sampled prior to the study and turned into three distinctive topics reflected in a special questionnaire. In a pre-, post and retention test design we included the most common alternative conceptions, the scientifically correct conceptions as well as other preconceptions. We gathered a high heterogeneity of preconceptions and defined three groups based on conceptual change literature: “Conceptual change”, “Synthetic Models” and “Conceptual Growth”. In addition to these we identified two more groups after our data analysis: “Knowledge” and “Non-addressed Concepts”. We found that instruction according to the conceptual change theory did not work with primary school children in our intervention. The conceptual change from the addressed alternative conceptions as well as from other preconceptions towards the scientifically correct conceptions was successfully achieved only on occasion. In our case and depending on the topic only one third to one fourth of the children actually held the addressed conception while the rest was not targeted by the instruction. Moreover, we conclude children holding other conceptions were rather confused than educated by the confrontation. We assume that children of this age group may be overchallenged by the conceptual change method. N2 - Bildung für nachhaltige Entwicklung soll unter anderem dazu führen, dass Kinder langfristig umweltfreundliches Verhalten zeigen. Um dies zu erreichen, sind verschiedene Faktoren nötig - in dieser Studie lag unser besonderes Augenmerk auf drei Punkten: den Umwelteinstellungen der Kinder, dem umweltrelevanten Wissen, besonders im Hinblick auf die Lebensbedingungen und den Schutz der europäischen Wildkatze sowie weiterführendem, komplexeren, biologischen Wissen. Zuerst fragten wir uns in Bezug auf die Umwelteinstellungen, ob es möglich ist, die Einstellungen der Grundschulkinder zum Thema „Erhaltung der Natur“ im Laufe nur eines Tages am Wildpark zu beeinflussen. Umweltwissen war der Bestandteil der zweiten Frage, wie Grundschulkinder am außerschulischen Lernort gute Lernerfolge erzielen können. Wir testeten unseren modifizierten Ansatz „Geführtes Lernen an Stationen“ (G), der instruktionale und konstruktivistische Elemente beinhaltet und verglichen ihn einerseits mit einem stärker lehrerzentrierten (T) sowie andererseits einem stark schülerzentrierten (S) Lernen an Stationen, das wir auch als „freies Lernen an Stationen“ bezeichneten. Die dritte Frage beschäftigte sich schließlich damit, ob es gelingen kann, faszinierendes, tiefergehendes Wissen mit Hilfe der „Conceptual Change Theorie“ an Grundschulkinder zu vermitteln. Hintergrund der didaktischen Arbeit mit Grundschülern am außerschulischen Lernort Wildpark ist die Kooperation zwischen der Fachgruppe Didaktik der Julius-Maximilians-Universität Würzburg mit dem „Wild-Park Klaushof“ bei Bad Kissingen. Im Rahmen dieser Zusammenarbeit stellt die Fachgruppe Didaktik Biologie angehende Biologielehrerinnen und -lehrer als Referenten von Führungen gemäß des „Geführten Lernen an Stationen“ zur Verfügung. Diese Führungen wurden inhaltlich und didaktisch ebenfalls von Lehramtsstudierenden in der Biologiedidaktik ausgearbeitet, meist im Rahmen der schriftlichen Hausarbeiten gegen Ende des Lehramtsstudiums. Die Führungen sind konstruktivistisch angelegt, bieten hohe Selbsttätigkeit der Schülerinnen und Schüler und folgen dem Prinzip des problemorientierten Unterrichts. Die Schülerinnen und Schüler arbeiten nicht völlig frei, es handelt sich aber auch nicht um einen rein lehrerzentrierten Vortrag, sondern eine Mischung aus beiden Formen, die wir als „Geführtes Lernen an Stationen“ (G) bezeichnen. In dieser Variante stellt der Referent die didaktische Leitung der Führung dar, der Impulse und Anleitungen gibt, immer für Fragen zur Verfügung steht, jedoch Anteile von Selbsttätigkeit ermuntert und begleitet. Im Zeitraum von April 2014 bis November 2015 nahmen 692 Grundschulkinder der dritten Klassen bayerischer Grundschulen in 35 Klassen an der Studie am Wild-Park Klaushof sowie in ihren eigenen Klassenzimmern in der Schule teil. Durchschnittlich waren die Kinder 8.88 ± 0.56 Jahre alt, das Alter variierte zwischen 8 und 11 Jahren. 48,6 % der teilnehmenden Kinder waren Jungs, 51,4 % Mädchen. Im Vormittagsteil des Programms wurde im Rahmen einer problemorientierten Unterrichtseinheit gemeinsam mit den Schülerinnen und Schülern die Frage aufgeworfen, warum die europäische Wildkatze (Felis silvestris silvestris), eine Zeigerart für intakte Ökosysteme, nicht überall vorkommt, wo sie vorkommen könnte. Gemeinsam wurden Aspekte zu Morphologie, Ökologie und Verhalten der Wildkatze erarbeitet; die Frage konnte jedoch auch dann noch nicht beantwortet werden. Erst eine Verknüpfung der Verbreitungskarten und der gelernten Fakten führte zur Erkenntnis, dass die Wildkatze bestimmte Barrieren (Autobahnen, offene Wiesen- und Ackerflächen, bebaute Flächen etc.) nicht überwinden kann und hier der Eingriff des Menschen nötig ist. Nicht nur allgemein, sondern auch ganz konkret wurde der eigene Einsatz der Kinder, zum Beispiel im Rahmen der Mitarbeit in einer Naturschutz-Organisation oder einer Geldspende angeregt. (1) Zur Messung der Umwelteinstellungen verwendeten wir das 2-MEV Modell (two major environmental factors), das die Umwelteinstellungen in zwei Dimensionen darstellt, zum einen die Tendenz zur Erhaltung, zum anderen die Ausnutzungstendenz der Umwelt. Die Fragebögen wurden zu drei Testzeitpunkten ausgefüllt - einem Vortest ca. eine Woche vor dem Programm, einem Nachtest unmittelbar nach Beendigung des Programms und einem Behaltenstest etwa sechs bis acht Wochen nach dem Programm. Die Umwelt-Einstellungen konnten tatsächlich verändert werden, nicht nur am Wildpark, sondern auch in der Schule, wo Klassen das Programm zu Kontrollzwecken ebenfalls durchliefen. Auch blieb der Einfluss über alle verwendeten Lehrmethoden konsistent. Besonders überrascht waren wir von der Art der Änderung der Einstellungen zur Naturerhaltung. Statt sich wie erwartet von schwächerer Tendenz zur Erhaltung in Richtung stärkere Tendenz zur Naturerhaltung zu ändern, erfolgte die Änderung genau entgegengesetzt. Wir vermuten, dass die Kinder dieser Altersgruppe die Inhalte der Intervention reflektiert haben und dies einen Einfluss auf ihre Einstellungen zur Naturerhaltung hatte, was sich in einem realistischeren Ankreuzverhalten niederschlug. Zusammenfassend sehen wir es als möglich an, die Einstellungen zur Umwelt von Grundschulkindern mit einem Ein-Tagesprogramm zu verändern. (2) Auch für die Erhebung des Umweltwissens wählten wir die bereits erwähnten drei Testzeitpunkte für den Wissensfragebogen, der Fragen zur Morphologie, Ökologie und Verhalten der Wildkatze beinhaltete. Die Anzahl richtiger Antworten erhöhte sich vom Vor- zum Nachtest sowie vom Vor- zum Behaltenstest signifikant bei allen Schülerinnen und Schülern, es wurde also erfolgreich gelernt. Zwischen den einzelnen Führungsformen konnten wir signifikante Unterschiede nur kurzfristig vom Vor- zum Nachtest zwischen den beiden Methoden mit dem didaktischen Begleiter, also dem stärker lehrerzentrierten (T) und dem „Geführten Lernen an Stationen“ (G) einerseits und dem stark schülerzentrierten freien Lernen (S) andererseits erkennen. Der kurzfristige Wissenserwerb war mit didaktischem Begleiter (G, T) höher als ohne. Insgesamt konnte also ein Lernerfolg verzeichnet werden, unabhängig von der Führungsform. Allerdings vermuten wir, dass der kurzfristige Unterschied sich auch mittelfristig ausgewirkt hätte, wenn im Anschluss an den Besuch im Wildpark eine Nachbereitung stattgefunden hätte, was gewöhnlich zum Besuch des außerschulischen Lernorts gehören sollte, jedoch nicht Bestandteil dieser Untersuchung war. Vergleicht man die beiden Ansätze mit didaktischen Begleitern (G, T), bevorzugen wir nach wie vor unser „Geführtes Lernen an Stationen“ (G), da hier die Einbindung konstruktivistischer Phasen möglich ist. Darüber hinaus kann die (zumindest zeitweise) Anwesenheit eines Lehrers in der Rolle des didaktischen Begleiters sicherstellen, dass Disziplin gewahrt wird und Störungen vermieden werden. Um die situationalen Emotionen der Schülerinnen und Schüler mit einbeziehen zu können, beziehungsweise Effekte von situationalen Emotionen auf Umwelteinstellungen oder Wissenserwerb ausschließen zu können, wendeten wir zusätzlich eine Kurzskala zur Erfassung von Interesse, Langeweile und Wohlbefinden an. Diese Skala wurde nur einmalig angewendet, direkt im Anschluss an das Vormittagsprogramm. Wir konnten keine Unterschiede bei den erhobenen situationalen Emotionen finden - weder zwischen den Lernorten Schule und Wildpark noch zwischen den drei verschiedenen Führungsformen (G, T, S), überall zeigten sich hohe Werte für Interesse und Wohlbefinden sowie niedrige Werte für Langeweile. Dieses Ergebnis zeigt für uns die hohe didaktische Qualität der Entwicklung und Durchführung des Programms. (3) Am Nachmittag des Ein-Tages-Programms beschäftigten sich die Kinder weiter mit der Wildkatze, diesmal folgten wir einer anderen Methode der Wissensvermittlung, der „Conceptual Change Theorie“ in Kombination mit komplexerem und gleichzeitig faszinierendem Wissen zum Dämmerungssehen der Katze. Gemäß dem Prinzip der didaktischen Rekonstruktion wurden Wissensinhalte im Rahmen dieser Intervention nicht kontinuierlich erarbeitet wie im Vormittagsprogramm, sondern es fand eine Konfrontation der Schülerinnen und Schüler mit ihren eigenen Schülervorstellungen zum Thema Dämmerungssehen bei Mensch und Katze statt. Diese Vorstellungen wurden vorab in einem offenen Fragebogen erhoben und in drei Themenschwerpunkte gegliedert, die sich anschließend im Fragebogen zur Erhebung des Konzeptwechsels widerspiegelten. Auch dieser Fragebogen wurde zu den eingangs erwähnten drei Testzeitpunkten angewendet. Gemäß der Theorie erwarteten wir im Ankreuzverhalten drei Gruppen: „Conceptual Change“, „Synthetic Models“ sowie „Conceptual Growth“. Darüber hinaus fanden wir zwei weitere Gruppen „Knowledge“ und „Non-addressed Concepts“. Wir stellten fest, dass der Konzeptwechsel der Kinder von der wissenschaftlich nicht korrekten Schülervorstellung hin zur wissenschaftlich korrekten Vorstellung in unserer Intervention nicht gelang, nur punktuell kreuzten wenige Schülerinnen und Schüler das entsprechende Muster an. Auch der Wechsel in den anderen Gruppen hin zur wissenschaftlich korrekten Vorstellung funktionierte kaum. In unserem Fall hatten darüber hinaus je nach Thema nur ein Drittel bis ein Viertel der beteiligten Kinder überhaupt die adressierte Vorstellung, was unserer Meinung nach dazu führt, dass der Großteil der Kinder mit anderen Vorstellungen durch die Anwendung der „Conceptual Change Theorie“ eher verwirrt wurde. Wir vermuten, dass Grundschulkinder der dritten Klasse durch diese Form des Unterrichts überfordert sind. KW - Biologie KW - Education Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-169496 ER - TY - THES A1 - Stelzner, Kathrin T1 - Identification of factors involved in Staphylococcus aureus- induced host cell death T1 - Identifizierung von Faktoren, die am Staphylococcus aureus-induzierten Wirtszelltod beteiligt sind N2 - Staphylococcus aureus is a Gram-positive commensal bacterium, that asymptomatically colonizes human skin and mucosal surfaces. Upon opportune conditions, such as immunodeficiency or breached barriers of the host, it can cause a plethora of infections ranging from local, superficial infections to life-threatening diseases. Despite being regarded as an extracellular pathogen, S. aureus can invade and survive within non-phagocytic and phagocytic cells. Eventually, the pathogen escapes from the host cell resulting in killing of the host cell, which is associated with tissue destruction and spread of infection. However, the exact molecular mechanisms underlying S. aureus-induced host cell death remain to be elucidated. In the present work, a genome-wide haploid genetic screen was performed to identify host cell genes crucial for S. aureus intracellular cytotoxicity. A mutant library of the haploid cell line HAP1 was infected with the pathogen and cells surviving the infection were selected. Twelve genes were identified, which were significantly enriched when compared to an infection with a non-cytotoxic S. aureus strain. Additionally, characteristics of regulated cell death pathways and the role of Ca2+ signaling in S. aureus-infected cells were investigated. Live cell imaging of Ca2+ reporter cell lines was used to analyze single cells. S. aureus-induced host cell death exhibited morphological features of apoptosis and activation of caspases was detected. Cellular H2O2 levels were elevated during S. aureus intracellular infection. Further, intracellular S. aureus provoked cytosolic Ca2+ overload in epithelial cells. This resulted from Ca2+ release from endoplasmic reticulum and Ca2+ influx via the plasma membrane and led to mitochondrial Ca2+ overload. The final step of S. aureus-induced cell death was plasma membrane permeabilization, a typical feature of necrotic cell death. In order to identify bacterial virulence factors implicated in S. aureus-induced host cell killing, the cytotoxicity of selected mutants was investigated. Intracellular S. aureus employs the bacterial cysteine protease staphopain A to activate an apoptosis-like cell death characterized by cell contraction and membrane bleb formation. Phagosomal escape represents a prerequisite staphopain A-induced cell death, whereas bacterial intracellular replication is dispensable. Moreover, staphopain A contributed to efficient colonization of the lung in a murine pneumonia model. In conclusion, this work identified at least two independent cell death pathways activated by intracellular S. aureus. While initially staphopain A mediates S. aureus-induced host cell killing, cytosolic Ca2+-overload follows later and leads to the final demise of the host cell. N2 - Staphylococcus aureus ist ein Gram-positives, kommensales Bakterium, welches menschliche Haut- und Schleimhautoberflächen asymptomatisch kolonisiert. Unter günstigen Bedingungen, wie z. B. Immunschwäche oder verletzten Barrieren des Wirtes, kann es eine Vielzahl von Infektionen verursachen, die von lokalen, oberflächlichen Infektionen bis hin zu lebensbedrohlichen Krankheiten reichen. Obwohl S. aureus als extrazellulärer Erreger angesehen wird, kann das Bakterium von nicht-phagozytischen und phagozytischen Zellen aufgenommen werden und dort überleben. Schließlich bricht das Pathogen aus der Wirtszelle aus und die damit einhergehende Tötung der Wirtszelle wird mit Gewebezerstörung und Ausbreitung der Infektion in Verbindung gebracht. Die genauen molekularen Mechanismen, die dem S. aureus induzierten Wirtszelltod zugrunde liegen, müssen jedoch noch geklärt werden. In dieser Arbeit wurde ein genomweiter haploid genetischer Screen durchgeführt, um Wirtszellgene zu identifizieren, die für die intrazelluläre Zytotoxizität von S. aureus entscheidend sind. Eine Mutantenbibliothek der haploiden Zelllinie HAP1 wurde mit dem Erreger infiziert und die Zellen, die die Infektion überlebten, wurden selektiert. Dabei wurden zwölf Gene identifiziert, die signifikant angereichert waren gegenüber einer Infektion mit einem nicht-zytotoxischen S. aureus Stamm. Des Weiteren wurden Eigenschaften regulierter Zelltod-Signalwege und die Rolle der Ca2+-Signalübertragung in S. aureus infizierten Zellen untersucht. Lebendzellbildgebung von Ca2+-Reporterzelllinien wurde zur Analyse von einzelnen Zellen eingesetzt. Der S. aureus induzierte Wirtszelltod wies morphologische Merkmale von Apoptose auf und die Aktivierung von Caspasen wurde nachgewiesen. Der zelluläre H2O2-Spiegel wurde durch die intrazelluläre Infektion mit S. aureus erhöht. Zusätzlich rief der intrazelluläre S. aureus eine zytosolische Ca2+-Überbelastung in Epithelzellen hervor. Dies resultierte aus der Ca2+-Freisetzung vom endoplasmatischen Retikulum und dem Einstrom von Ca2+ über die Plasmamembran und führte zu einer mitochondrialen Ca2+-Überbelastung. Der finale Schritt des durch S. aureus induzierten Zelltods war die Permeabilisierung der Plasmamembran, ein typisches Merkmal des nekrotischen Zelltods. Um bakterielle Virulenzfaktoren zu identifizieren, die am S. aureus-induzierten Wirtszelltod beteiligt sind, wurde die Zytotoxizität von ausgewählten Mutanten untersucht. Der intrazelluläre S. aureus nutzt die bakterielle Cysteinprotease Staphopain A, um einen Apoptose-artigen Zelltod zu aktivieren, der durch Zellkontraktion und Blasenbildung der Membran gekennzeichnet ist. Der phagosomale Ausbruch stellt eine Voraussetzung für den Staphopain A-induzierten Zelltod da, während die intrazelluläre Replikation der Bakterien nicht notwendig ist. Darüber hinaus trug Staphopain A zu einer effizienten Kolonisation der Lunge in einem murinen Pneumonie-Modell bei. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Arbeit mindestens zwei unabhängige Zelltod-Signalwege identifiziert hat, die durch den intrazellulären S. aureus aktiviert werden. Während zunächst Staphopain A den Tod der Wirtszelle einleitet, folgt später die zytosolische Ca2+-Überlastung und führt zum endgültigen Untergang der Wirtszelle. KW - Staphylococcus aureus KW - Zelltod KW - Wirtszelle KW - cell death KW - host cell Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-188991 N1 - Zusatzmaterial (Videos) befinden sich auch auf einer CD in der gedruckten Ausgabe ER - TY - JOUR A1 - Hesselbach, Hannah A1 - Seeger, Johannes A1 - Schilcher, Felix A1 - Ankenbrand, Markus A1 - Scheiner, Ricarda T1 - Chronic exposure to the pesticide flupyradifurone can lead to premature onset of foraging in honeybees Apis mellifera JF - Journal of Applied Ecology N2 - 1.Honeybees Apis mellifera and other pollinating insects suffer from pesticides in agricultural landscapes. Flupyradifurone is the active ingredient of a novel pesticide by the name of ‘Sivanto’, introduced by Bayer AG (Crop Science Division, Monheim am Rhein, Germany). It is recommended against sucking insects and marketed as ‘harmless’ to honeybees. Flupyradifurone binds to nicotinergic acetylcholine receptors like neonicotinoids, but it has a different mode of action. So far, little is known on how sublethal flupyradifurone doses affect honeybees. 2. We chronically applied a sublethal and field‐realistic concentration of flupyradifurone to test for long‐term effects on flight behaviour using radio‐frequency identification. We examined haematoxylin/eosin‐stained brains of flupyradifurone‐treated bees to investigate possible changes in brain morphology and brain damage. 3. A field‐realistic flupyradifurone dose of approximately 1.0 μg/bee/day significantly increased mortality. Pesticide‐treated bees initiated foraging earlier than control bees. No morphological damage in the brain was observed. 4. Synthesis and applications. The early onset of foraging induced by a chronical application of flupyradifurone could be disadvantageous for honeybee colonies, reducing the period of in‐hive tasks and life expectancy of individuals. Radio‐frequency identification technology is a valuable tool for studying pesticide effects on lifetime foraging behaviour of insects. KW - radiofrequency identification KW - flight behaviour KW - flupyradifurone KW - foraging KW - histology KW - honeybee KW - insecticide KW - mortality Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-212769 VL - 57 IS - 3 ER -