TY  - THES
A1  - Zwettler, Fabian Ulrich
T1  - Expansionsmikroskopie kombiniert mit hochauflösender Fluoreszenzmikroskopie
T1  - Expansion Microscopy combined with Super-Resolution Fluorescence Microscopy
N2  - Fluorescence microscopy is a form of light microscopy that has developed during the 20th century and is nowadays a standard tool in Molecular and Cell biology for studying the structure and function of biological molecules. High-resolution fluorescence microscopy techniques, such as dSTORM (direct Stochastic Optical Reconstruction Microscopy) allow the visualization of cellular structures at the nanometre scale (10−9 m). This has already made it possible to decipher the composition and function of various biopolymers, such as proteins, lipids and nucleic acids, up to the three-dimensional (3D) structure of entire organelles. In practice, however, it has been shown that these imaging methods and their further developments still face great challenges in order to achieve an effective resolution below ∼ 10 nm. This is mainly due to the nature of labelling biomolecules. For the detection of molecular structures, immunostaining is often performed as a standard method. Antibodies to which fluorescent molecules are coupled, recognize and bind specifcally and with high affnity to the molecular section of the target structure, also called epitope or antigen. The fluorescent molecules serve as reporter molecules which are imaged with the use of a fluorescence microscope. However, the size of these labels with a length of about 10-15 nm in the case of immunoglobulin G (IgG) antibodies, cause a detection of the fluorescent molecules shifted to the real position of the studied antigen. In dense regions where epitopes are located close to each other, steric hindrance between antibodies can also occur and leads to an insuffcient label density. Together with the shifted detection of fluorescent molecules, these factors can limit the achievable resolution of a microscopy technique. Expansion microscopy (ExM) is a recently developed technique that achieves a resolution improvement by physical expansion of an investigated object. Therefore, biological samples such as cultured cells, tissue sections, whole organs or isolated organelles are chemically anchored into a swellable polymer. By absorbing water, this so-called superabsorber increases its own volume and pulls the covalently bound biomolecules isotropically apart. Routinely, this method achieves a magnifcation of the sample by about four times its volume. But protocol variants have already been developed that result in higher expansion factors of up to 50-fold. Since the ExM technique includes in the frst instance only the sample treatment for anchoring and magnifcation of the sample, it can be combined with various standard methods of fluorescence microscopy. In theory, the resolution of the used imaging technique improves linearly with the expansion factor of the ExM treated sample. However, an insuffcient label density and the size of the antibodies can here again impair the effective achievable resolution. The combination of ExM with high-resolution fluorescence microscopy methods represents a promising strategy to increase the resolution of light microscopy. In this thesis, I will present several ExM variants I developed which show the combination of ExM with confocal microscopy, SIM (Structured Illumination Microscopy), STED (STimulated Emission Depletion) and dSTORM. I optimized existing ExM protocols and developed different expansion strategies, which allow the combination with the respective imaging technique. Thereby, I gained new structural insights of isolated centrioles from the green algae Chlamydomonas reinhardtii by combining ExM with STED and confocal microscopy. In another project, I combined 3D-SIM imaging with ExM and investigated the molecular structure of the so-called synaptonemal complex. This structure is formed during meiosis in eukaryotic cells and contributes to the exchange of genetic material between homologous chromosomes. Especially in combination with dSTORM, the ExM method showed its high potential to overcome the limitations of modern fluorescence microscopy techniques. In this project, I expanded microtubules in mammalian cells, a polymer of the cytoskeleton as well as isolated centrioles from C. reinhardtii. By labelling after expansion of the samples, I was able to signifcantly reduce the linkage error of the label and achieve an improved label density. In future, these advantages together with the single molecule sensitivity and high resolution obtained by the dSTORM method could pave the way for achieving molecular resolution in fluorescence microscopy
N2  - Die Fluoreszenzmikroskopie ist eine Form der Lichtmikroskopie, die sich im Laufe des 20. Jahrhunderts entwickelt hat und heutzutage standardmäßig in der Molekular-und Zellbiologie zur Erforschung von Aufbau und Funktion biologischer Moleküle eingesetzt wird. Hochauflösende Verfahren der Fluoreszenzmikroskopie, wie die dSTORM (direct Stochastic Optical Reconstruction Microscopy) Technik, ermöglichen die Visualisierung zellulärer Strukturen im Nanometer-Größenbereich (10−9 m). Dadurch konnte bereits die Zusammensetzung und Funktion unterschiedlicher Biopolymere, wie die von Proteinen, Lipiden und Nukleinsäuren, bis hin zum dreidimensionalen (3D) Aufbau ganzer Organellen entschlüsselt werden.
In der Praxis zeigt sich jedoch, dass diese Bildgebungsverfahren und ihre Weiterentwicklungen immer noch vor großen Herausforderungen stehen, bevor eine effektive Auflösung von unter ∼10 nm erreicht werden kann. Die größte Hürde stellt die Art und Weise der Markierung von Biomolekülen dar. Bei dieser wird zum Nachweis molekularer Strukturen häufig die sogenannte Immunfärbung als Standardmethode eingesetzt. Antikörper, welche mit Fluoreszenzmolekülen gekoppelt werden, erkennen und binden hierbei spezifisch und mit hoher Affinität den Molekülabschnitt der Zielstruktur, auch Epitop oder Antigen genannt. Die Fluoreszenzmoleküle dienen als Reportermoleküle, welche mit Hilfe eines Fluoreszenzmikroskops abgebildet werden. Die Größe der Antikörper, mit einer Länge von etwa 10-15 nm im Falle von Immunglobulin G (IgG) Antikörpern, bewirkt jedoch eine Detektion der fluoreszierenden Moleküle verschoben zur eigentlichen Lage des untersuchten Antigens. In Regionen mit räumlich dicht nebeneinander liegenden Epitopen kann es zusätzlich zur sterischen Hinderung zwischen den Antikörpern kommen. Dies führt zu einer unzureichenden Markierungsdichte und stellt - zusammen mit der verschobenen Detektion der Fluoreszenzmoleküle - eine Limitierung der zu erreichenden Auflösung dar.
Die Expansionsmikroskopie (ExM) ist ein neu entwickeltes Verfahren, welches eine Auflösungsverbesserung durch die physikalische Expansion eines untersuchten Objekts erreicht. Hierbei werden biologische Proben, wie beispielsweise kultivierte Zellen, Gewebeschnitte, ganze Organe oder isolierte Organellen, chemisch in ein quellbares Polymer verankert. Durch Absorption von Wasser vergrößert dieser sogenannte Superabsorber sein eigenes Volumen und zieht während der räumlichen Expansion die kovalent gebundenen Biomoleküle isotrop auseinander. Standardmäßig wird durch dieses Verfahren eine Vergrößerung der Proben um etwa das vierfache Volumen erreicht, wobei bereits Protokollvarianten entwickelt wurden, die eine bis zu 50-fache Expansion erzielt haben.
Da die ExM-Technik zunächst nur die Probenbehandlung zur Verankerung und Vergrößerung der Probe selbst beinhaltet, kann sie mit unterschiedlichen Standardmethoden der Fluoreszenzmikroskopie kombiniert werden. Dadurch verbessert sich die Auflösung des verwendeten Bildgebungsverfahrens theoretisch linear um den Faktor der Volumenvergrößerung der ExM behandelten Probe. Eine unzureichende Markierungsdichte und die Größe der verwendeten Antikörper können auch hier die effektiv erreichbare Auflösung beeinträchtigen. Die Kombination der ExM mit hochauflösenden Verfahren der Fluoreszenzmikroskopie stellt eine vielversprechende Strategie zur Erhöhung der bisher erreichbaren Auflösung in der Lichtmikroskopie dar.
In dieser Arbeit werde ich mehrere von mir entwickelte ExM Varianten vorstellen, welche die Kombination von ExM mit konfokaler Mikroskopie, SIM (Structured Illumination Microscopy), STED (STimulated Emission Depletion) und dSTORM zeigen. Um die Verbindung mit dem jeweiligen Bildgebungsverfahren zu ermöglichen, optimierte ich bestehende ExM-Protokolle und entwickelte unterschiedliche Expansionsstrategien. Dadurch konnte ich neue strukturelle Erkenntnisse von isolierten Zentriolen aus der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii durch die Verbindung von ExM mit STED und konfokaler Mikroskopie gewinnen. In einem weiteren Projekt kombinierte ich 3D-SIM mit ExM und untersuchte den molekularen Aufbau des sogenannten synaptonemalen Komplexes. Diese Struktur bildet sich in eukaryotischen Zellen während der Reifeteilung (Meiose) aus und trägt zum Austausch des genetischen Materials zwischen homologen Chromosomen bei.
Vor allem in Verbindung mit dSTORM zeigte sich das hohe Potential der ExM-Methode, die bisherigen Limitierungen moderner Techniken der Fluoreszenzmikroskopie zu überwinden. In diesem Projekt expandierte ich Mikrotubuli in Säugetierzellen, ein Polymer des Zytoskeletts, sowie isolierte Zentriolen aus C. reinhardtii. Dadurch, dass die Markierung erst nach dem Expandieren der Proben erfolgte, gelang es, den Abstandsfehler der Markierung deutlich zu verringern und eine verbesserte Markierungsdichte zu erreichen. Diese Vorteile könnten in Verbindung mit der Einzelmolekülsensititvität und hohen Auflösung der dSTORM Methode Wegbereiter zur Erreichung einer molekularen Auflösung sein
KW  - Fluoreszenzmikroskopie
KW  - Expansionsmikroskopie
KW  - Einzelmolekül-Lokalisationsmikroskopie
KW  - Zentriolen
KW  - Synaptonemaler Komplex
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-212362
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Zupanc, Günther K. H.
A1  - Rössler, Wolfgang
T1  - Government funding of research beyond biomedicine: challenges and opportunities for neuroethology
JF  - Journal of Comparative Physiology A
N2  - Curiosity-driven research is fundamental for neuroethology and depends crucially on governmental funding. Here, we highlight similarities and differences in funding of curiosity-driven research across countries by comparing two major funding agencies—the National Science Foundation (NSF) in the United States and the German Research Foundation (Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG). We interviewed representatives from each of the two agencies, focusing on general funding trends, levels of young investigator support, career-life balance, and international collaborations. While our analysis revealed a negative trend in NSF funding of biological research, including curiosity-driven research, German researchers in these areas have benefited from a robust positive trend in DFG funding. The main reason for the decrease in curiosity-driven research in the US is that the NSF has only partially been able to compensate for the funding gap resulting from the National Institutes of Health restricting their support to biomedical research using select model organisms. Notwithstanding some differences in funding programs, particularly those relevant for scientists in the postdoctoral phase, both the NSF and DFG clearly support curiosity-driven research.
KW  - German Research Foundation
KW  - Government research funding
KW  - National Science Foundation
KW  - Deutsche Forschungsgemeinschaft
KW  - neuroethology
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-325113
VL  - 208
IS  - 3
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zube, Christina
T1  - Neuronal representation and processing of chemosensory communication signals in the ant brain
N2  - Ants heavily rely on olfaction for communication and orientation and ant societies are characterized by caste- and sex-specific division of labor. Olfaction plays a key role in mediating caste-specific behaviours. I investigated whether caste- and sex-specific differences in odor driven behavior are reflected in specific differences and/or adaptations in the ant olfactory system. In particular, I asked the question whether in the carpenter ant, Camponotus floridanus, the olfactory pathway exhibits structural and/or functional adaptations to processing of pheromonal and general odors. To analyze neuroanatomical specializations, the central olfactory pathway in the brain of large (major) workers, small (minor) workers, virgin queens, and males of the carpenter ant C. floridanus was investigated using fluorescent tracing, immunocytochemistry, confocal microscopy and 3D-analyzes. For physiological analyzes of processing of pheromonal and non-pheromonal odors in the first odor processing neuropil , the antennal lobe (AL), calcium imaging of olfactory projection neurons (PNs) was applied. Although different in total glomerular volumes, the numbers of olfactory glomeruli in the ALs were similar across the female worker caste and in virgin queens. Here the AL contains up to ~460 olfactory glomeruli organized in 7 distinct clusters innervated via 7 antennal sensory tracts. The AL is divided into two hemispheres regarding innervations of glomeruli by PNs with axons leaving via a dual output pathway. This pathway consists of the medial (m) and lateral (l) antenno-cerebral tract (ACT) and connects the AL with the higher integration areas in the mushroom bodies (MB) and the lateral horn (LH). M- and l-ACT PNs differ in their target areas in the MB calyx and the LH. Three additional ACTs (mediolateral - ml) project to the lateral protocerebrum only. Males had ~45% fewer glomeruli compared to females and one of the seven sensory tracts was absent. Despite a substantially smaller number of glomeruli, males possess a dual PN output pathway to the MBs. In contrast to females, however, only a small number of glomeruli were innervated by projection neurons of the m-ACT. Whereas all glomeruli in males were densely innervated by serotonergic processes, glomeruli innervated by sensory tract six lacked serotonergic innervations in the female castes. It appears that differences in general glomerular organization are subtle among the female castes, but sex-specific differences in the number, connectivity and neuromodulatory innervations of glomeruli are substantial and likely to promote differences in olfactory behavior. Calcium imaging experiments to monitor pheromonal and non-pheromonal processing in the ant AL revealed that odor responses were reproducible and comparable across individuals. Calcium responses to both odor groups were very sensitive (10-11 dilution), and patterns from both groups were partly overlapping indicating that processing of both odor classes is not spatially segregated within the AL. Intensity response patterns to the pheromone components tested (trail pheromone: nerolic acid; alarm pheromone: n-undecane), in most cases, remained invariant over a wide range of intensities (7-8 log units), whereas patterns in response to general odors (heptanal, octanol) varied across intensities. Durations of calcium responses to stimulation with the trail pheromone component nerolic acid increased with increasing odor concentration indicating that odor quality is maintained by a stable pattern (concentration invariance) and intensity is mainly encoded in the response durations of calcium activities. For n-undecane and both general odors increasing response dynamics were only monitored in very few cases. In summary, this is the first detailed structure-function analyses within the ant’s central olfactory system. The results contribute to a better understanding of important aspects of odor processing and olfactory adaptations in an insect’s central olfactory system. Furthermore, this study serves as an excellent basis for future anatomical and/or physiological experiments.
N2  - Für Ameisen spielt die olfaktorische Kommunikation und Orientierung eine zentrale Rolle hinsichtlich der Organisation des Ameisenstaates. Ob sich kasten- und geschlechtsspezifische Verhaltensunterschiede auf neuronaler Ebene und besonders im olfaktorischen System der Ameise widerspiegeln ist die zentrale Frage meiner Arbeit. Im Speziellen stellte ich die Frage, ob sich in der olfaktorischen Bahn der Rossameise Camponotus floridanus strukturelle oder funktionelle Anpassungen an die Verarbeitung von Pheromonen und generellen Düften aufzeigen lassen. Zur Analyse hinsichtlich neuroanatomischer Spezialisierungen wurde die olfaktorische Bahn im Gehirn von großen und kleinen Arbeiterinnen, Jungköniginnen und Männchen der Rossameise C. floridanus mittels Fluoreszenzmassenfärbungen, Immunzytochemie, konfokaler Laserscanningmikroskopie und 3D-Auswertung untersucht. Um die Verarbeitung von Pheromonen und generellen Düften im primären olfaktorischen Neuropil, dem Antennallobus (AL), auf physiologischer Ebene zu charakterisieren wurden olfaktorische Projektionsneurone mittels Calcium Imaging untersucht. Obwohl sich das glomeruläre Gesamtvolumen der ALs zwischen Arbeiterinnenkasten und Jungköniginnen unterscheidet, lag die Gesamtzahl der Glomeruli im AL in einem ähnlichen Bereich. Der AL besteht in allen drei weiblichen Kasten aus bis zu 460 Glomeruli, die in sieben Clustern angeordnet sind und von sieben sensorischen Eingangstrakten innerviert werden. Der AL unterteilt sich in zwei Hemispheren, deren entsprechende Glomeruli von Projektionsneuronen innverviert werden, die vom AL über die Nervenbahn des “dual output pathway” in höhere Hirnregionen projizieren. Diese Nervenbahn besteht aus dem medialen (m) und lateralen (l) Antennocerebraltrakt (ACT) und verbindet den AL mit höheren Integrationszentren wie den Pilzkörpern (MB) und dem lateralen Horn (LH). M- und l-ACT unterscheiden sich in ihren Zielregionen im MB Calyx und dem LH. Drei weitere ACTs (mediolateral – ml) projizieren ausschließlich ins laterale Protocerebrum. Männchen besitzen ca. 45% weniger Glomeruli im Vergleich zur Weibchenkaste. Ihnen fehlt weiterhin einer der sieben sensorischen Eingangstrakte vollständig. Trotz der wesentlich geringeren Anzahl an Glomeruli, besitzen auch Männchen den “dual output pathway”. Im Gegensatz zu den Weibchen ist allerdings nur eine geringe Anzahl an Glomeruli durch m-ACT Projektionsneurone innerviert. Ein weiterer Unterschied im AL von Männchen und Weibchen findet sich in den Glomeruli des sensorische Trakts Nummer sechs, die bei Weibchen keinerlei serotonerge Innervierung aufweisen während beim Männchen der gesamte AL dichte serotonerge Verzweigungen besitzt. Es zeigt sich somit, dass die kastenspezifischen Unterschiede in der allgmeinen glomerulären Organisation des AL innerhalb der Weibchenkaste nur sehr fein sind. Im Gegensatz dazu sind die geschlechtsspezifischen Unterschiede in Anzahl, Konnektivität und neuromodulatorischer Innervierung von Glomeruli zwischen Weibchen- und Männchen wesentlich ausgeprägter was Unterschiede in olfaktorisch geprägten Verhaltensweisen begünstigen könnte. Die Calcium Imaging Experimente zur Untersuchung der Verarbeitung von Pheromonen und generellen Düften im AL der Ameise zeigten, dass Duftantworten reproduzierbar und zwischen Individuen vergleichbar waren. Die Sensitivität des Calcium Signals lag für beide Duftgruppen in einem sehr niedrigen Bereich (Verdünnung 10-11). Die Antortmuster beider Duftgruppen überlappten zum Teil, was die Annahme zuläßt, dass die Verarbeitung von Pheromonen und generellen Düften keiner räumlichen Trennung innerhalb des AL unterliegt. Die Intensität der Antwortmuster auf die Pheromonkomponenten (Spurpheromon: Nerolsäure; Alarmpheromon: n-Undecan) blieben in den meisten Fällen über einen weiten Konzentrationsbereich konstant (7-8 log Einheiten). Die Dauer der Calciumantwort nach Stimulation mit Nerolsäure verlängerte sich mit steigender Duftkonzentration. Dies läßt für das Spurpheromon den Schluß zu, dass die Duftqualität in einem konstanten Duftmuster (Konzentrationsinvarianz) repräsentiert und die Duftintensität über die Dauer des Calciumsignals abgebildet wird. Da die Antwortmuster auf generelle Düfte (Heptanal, Octanol) dagegen sehr viel stärker innerhalb des getesteten Konzentrationsbereichs varrieren ließ sich für n-Undecan und die beiden generellen Düfte eine solche Dynamik nur in einigen wenigen Fällen beobachtet. Zusammenfassend ist diese Studie die erste strukturelle und funktionelle Studie des olfaktorischen Systems der Ameise. Die Ergebnisse tragen zu einem besseren Verständnis der neuronalen Adaptationen und Mechanismen hinsichtlich Duftverarbeitung im zentralen Nervensystem von Insekten bei. Außerdem liefert diese Studie eine wichtige Grundlage für zukünftige neuroanatomische und –physiologische Untersuchungen auf dem Gebiet der Neurobiologie der Insekten.
KW  - Gehirn
KW  - Neuroethologie
KW  - Neuroanatomie
KW  - Geruchswahrnehmung
KW  - Neuronale Plastizität
KW  - Insekten
KW  - Antennallobus
KW  - Glomeruli
KW  - olfaktorische Bahn
KW  - Camponotus floridanus
KW  - Dufverarbeitung
KW  - antennal lobe
KW  - glomeruli
KW  - olfactory pathway
KW  - Campontous floridanus
KW  - odor processing
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-30383
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Zoltner, Martin
A1  - Krienitz, Nina
A1  - Field, Mark C.
A1  - Kramer, Susanne
T1  - Comparative proteomics of the two T. brucei PABPs suggests that PABP2 controls bulk mRNA
JF  - PLoS Neglected Tropical Diseases
N2  - Poly(A)-binding proteins (PABPs) regulate mRNA fate by controlling stability and translation through interactions with both the poly(A) tail and eIF4F complex. Many organisms have several paralogs of PABPs and eIF4F complex components and it is likely that different eIF4F/PABP complex combinations regulate distinct sets of mRNAs. Trypanosomes have five eIF4G paralogs, six of eIF4E and two PABPs, PABP1 and PABP2. Under starvation, polysomes dissociate and the majority of mRNAs, most translation initiation factors and PABP2 reversibly localise to starvation stress granules. To understand this more broadly we identified a protein interaction cohort for both T. brucei PABPs by cryo-mill/affinity purification-mass spectrometry. PABP1 very specifically interacts with the previously identified interactors eIF4E4 and eIF4G3 and few others. In contrast PABP2 is promiscuous, with a larger set of interactors including most translation initiation factors and most prominently eIF4G1, with its two partners TbG1-IP and TbG1-IP2. Only RBP23 was specific to PABP1, whilst 14 RNA-binding proteins were exclusively immunoprecipitated with PABP2. Significantly, PABP1 and associated proteins are largely excluded from starvation stress granules, but PABP2 and most interactors translocate to granules on starvation. We suggest that PABP1 regulates a small subpopulation of mainly small-sized mRNAs, as it interacts with a small and distinct set of proteins unable to enter the dominant pathway into starvation stress granules and localises preferentially to a subfraction of small polysomes. By contrast PABP2 likely regulates bulk mRNA translation, as it interacts with a wide range of proteins, enters stress granules and distributes over the full range of polysomes.
KW  - Trypanosoma
KW  - mRNA
KW  - T. brucei
KW  - PABPs
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-177126
VL  - 12
IS  - 7
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Zoephel, Judith
A1  - Reiher, Wencke
A1  - Rexer, Karl-Heinz
A1  - Kahnt, Jörg
A1  - Wegener, Christian
T1  - Peptidomics of the Agriculturally Damaging Larval Stage of the Cabbage Root Fly Delia radicum (Diptera: Anthomyiidae)
JF  - PLoS One
N2  - The larvae of the cabbage root fly induce serious damage to cultivated crops of the family Brassicaceae. We here report the biochemical characterisation of neuropeptides from the central nervous system and neurohemal organs, as well as regulatory peptides from enteroendocrine midgut cells of the cabbage maggot. By LC-MALDI-TOF/TOF and chemical labelling with 4-sulfophenyl isothiocyanate, 38 peptides could be identified, representing major insect peptide families: allatostatin A, allatostatin C, FMRFamide-like peptides, kinin, CAPA peptides, pyrokinins, sNPF, myosuppressin, corazonin, SIFamide, sulfakinins, tachykinins, NPLP1-peptides, adipokinetic hormone and CCHamide 1. We also report a new peptide (Yamide) which appears to be homolog to an amidated eclosion hormone-associated peptide in several Drosophila species. Immunocytochemical characterisation of the distribution of several classes of peptide-immunoreactive neurons and enteroendocrine cells shows a very similar but not identical peptide distribution to Drosophila. Since peptides regulate many vital physiological and behavioural processes such as moulting or feeding, our data may initiate the pharmacological testing and development of new specific peptide-based protection methods against the cabbage root fly and its larva.
KW  - adult drosophila
KW  - central-nervous-system
KW  - blowfly calliphora-vomitoria
KW  - drosophila melanogaster
KW  - mass spectometry
KW  - feeding behavior
KW  - fruit fly
KW  - functional characterization
KW  - immunoreactive neurons
KW  - neobellieria bullata
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-131727
VL  - 7
IS  - 7
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Zirkel, J.
A1  - Cecil, A.
A1  - Schäfer, F.
A1  - Rahlfs, S.
A1  - Ouedraogo, A.
A1  - Xiao, K.
A1  - Sawadogo, S.
A1  - Coulibaly, B.
A1  - Becker, K.
A1  - Dandekar, T.
T1  - Analyzing Thiol-Dependent Redox Networks in the Presence of Methylene Blue and Other Antimalarial Agents with RT-PCR-Supported in silico Modeling
JF  - Bioinformatics and Biology Insights
N2  - BACKGROUND: In the face of growing resistance in malaria parasites to drugs, pharmacological combination therapies are important. There is accumulating evidence that methylene blue (MB) is an effective drug against malaria. Here we explore the biological effects of both MB alone and in combination therapy using modeling and experimental data.
RESULTS: We built a model of the central metabolic pathways in P. falciparum. Metabolic flux modes and their changes under MB were calculated by integrating experimental data (RT-PCR data on mRNAs for redox enzymes) as constraints and results from the YANA software package for metabolic pathway calculations. Several different lines of MB attack on Plasmodium redox defense were identified by analysis of the network effects. Next, chloroquine resistance based on pfmdr/and pfcrt transporters, as well as pyrimethamine/sulfadoxine resistance (by mutations in DHF/DHPS), were modeled in silico. Further modeling shows that MB has a favorable synergism on antimalarial network effects with these commonly used antimalarial drugs.
CONCLUSIONS: Theoretical and experimental results support that methylene blue should, because of its resistance-breaking potential, be further tested as a key component in drug combination therapy efforts in holoendemic areas.
KW  - methylene blue
KW  - malaria
KW  - elementary mode analysis
KW  - drug
KW  - resistance
KW  - combination therapy
KW  - pathway
KW  - metabolic flux
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-123751
N1  - This is an open access article. Unrestricted non-commercial use is permitted provided the original work is properly cited.
VL  - 6
ER  - 
TY  - CHAP
A1  - Zimmermann, U.
A1  - Stopper, Helga
T1  - Electrofusion and electropermeabilization of cells
N2  - No abstract available.
KW  - Elektrofusion
KW  - Elektroporation
KW  - Zelle
Y1  - 1987
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-73065
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Zimmermann, Henriette
A1  - Subota, Ines
A1  - Batram, Christopher
A1  - Kramer, Susanne
A1  - Janzen, Christian J.
A1  - Jones, Nicola G.
A1  - Engstler, Markus
T1  - A quorum sensing-independent path to stumpy development in Trypanosoma brucei
JF  - PLoS Pathogens
N2  - For persistent infections of the mammalian host, African trypanosomes limit their population size by quorum sensing of the parasite-excreted stumpy induction factor (SIF), which induces development to the tsetse-infective stumpy stage. We found that besides this cell density-dependent mechanism, there exists a second path to the stumpy stage that is linked to antigenic variation, the main instrument of parasite virulence. The expression of a second variant surface glycoprotein (VSG) leads to transcriptional attenuation of the VSG expression site (ES) and immediate development to tsetse fly infective stumpy parasites. This path is independent of SIF and solely controlled by the transcriptional status of the ES. In pleomorphic trypanosomes varying degrees of ES-attenuation result in phenotypic plasticity. While full ES-attenuation causes irreversible stumpy development, milder attenuation may open a time window for rescuing an unsuccessful antigenic switch, a scenario that so far has not been considered as important for parasite survival.
KW  - Trypanosoma
KW  - hyperexpression techniques
KW  - parasitic cell cycles
KW  - cloning
KW  - cell cycle and cell division
KW  - cell differentiation
KW  - tetracyclines
KW  - parasitic diseases
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-158230
VL  - 13
IS  - 4
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zimmermann, Henriette
T1  - Antigenic variation and stumpy development in \(Trypanosoma\)  \(brucei\)
T1  - Antigene Variation und Stumpy Entwicklung in \(Trypanosoma\)  \(brucei\)
N2  - The eukaryotic parasite Trypanosoma brucei has evolved sophisticated strategies to persist within its mammalian host. Trypanosomes evade the hosts' immune system by antigenic variation of their surface coat, consisting of variant surface glycoproteins (VSGs). Out of a repertoire of thousands of VSG genes, only one is expressed at any given time from one of the 15 telomeric expression sites (ES). The VSG is stochastically exchanged either by a transcriptional switch of the active ES (in situ switch) or by a recombinational exchange of the VSG within the active ES. However, for infections to persist, the parasite burden has to be limited. The slender (sl) bloodstream form secretes the stumpy induction factor (SIF), which accumulates with rising parasitemia. SIF induces the irreversible developmental transition from the proliferative sl to the cell cycle-arrested but fly-infective stumpy (st) stage once a concentration threshold is reached. Thus, antigenic variation and st development ensure persistent infections and transmissibility. A previous study in monomorphic cells indicated that the attenuation of the active ES could be relevant for the development of trypanosomes. The present thesis investigated this hypothesis using the inducible overexpression of an ectopic VSG in pleomorphic trypanosomes, which possess full developmental competence. These studies revealed a surprising phenotypic plasticity: while the endogenous VSG was always down-regulated upon induction, the ESactivity determined whether the VSG overexpressors arrested in growth or kept proliferating. Full ES-attenuation induced the differentiation of bona fide st parasites independent of the cell density and thus represents the sole natural SIF-independent differentiation trigger to date. A milder decrease of the ES-activity did not induce phenotypic changes, but appeared to prime the parasites for SIF-induced differentiation. These results demonstrate that antigenic variation and development are linked and indicated that the ES and the VSG are independently regulated. Therefore, I investigated in the second part of my thesis how ES-attenuation and VSG-silencing can be mediated. Integration of reporters with a functional or defective VSG 3'UTR into different genomic loci showed that the maintenance of the active state of the ES depends on a conserved motif within the VSG 3'UTR. In situ switching was only triggered when the telomere-proximal motif was partially deleted, suggesting that it serves as a DNA-binding motif for a telomere-associated protein. The VSG levels seem to be additionally regulated in trans based on the VSG 3'UTR independent of the genomic context, which was reinforced by the regulation of a constitutively expressed reporter with VSG 3' UTR upon ectopic VSG overexpression.
N2  - Der eukaryotische Parasit Trypanosoma brucei hat komplexe Strategien entwickelt, um in seinem Säugetierwirt zu überleben. Die Grundlage der Immunevasion ist die antigene Variation des Oberflächenmantels, der aus dem variablen Oberflächenglykoprotein (VSG) besteht. Von mehreren tausend VSG-Genen wird zu jedem Zeitpunkt nur ein einziges aus einer der 15 telomerischen Expressionsstellen (ES) exprimiert. Das VSG kann entweder durch einen transkriptionellen Wechsel der aktiven ES (in situ Wechsel) oder durch einen rekombinatorischen Wechsel des VSG-Gens innerhalb der aktiven ES stochastisch ausgetauscht werden. Damit jedoch eine langanhaltende Infektion des Wirts möglich wird, muss gleichzeitig der Parasitenbefall begrenzt werden. Mit ansteigender Parasitämie akkumuliert der 'stumpy induction factor' (SIF), welcher von der 'slender' (sl) Blutstromform sekretiert wird. Sobald ein Schwellenwert in der SIF-Konzentration erreicht ist, wird die irreversible Differenzierung der proliferativen sl in die zellzyklusarretierte 'stumpy'(st) Form eingeleitet, welche infektiös für den Fliegenvektor ist. Somit stellen antigene Variation und st- Differenzierung das Persistieren der Infektion und die Übertragung des Parasiten sicher. Eine frühere Arbeit mit monomorphen Zellen deutete darauf hin, dass die Attenuierung der aktiven ES eine Rolle für die Differenzierung der Trypanosomen spielen könnte. Diese Hypothese wurde in der vorliegenden Dissertation untersucht, indem in pleomorphen Zellen mit vollständiger Entwicklungskompetenz ein ektopisches VSG induzierbar überexprimiert wurde. Diese Studien offenbarten eine erstaunliche phänotypische Plastizität: während das endogene VSG nach Induktion runter reguliert wurde, arretierten die VSG-Überexpressoren in Abhängigkeit von der ES-Aktivität entweder im Wachstum oder teilten sich weiter. Die vollständige ES-Attenuierung löste die Differenzierung zu echten st Zellen unabhängig von der Zelldichte aus und ist somit der bisher einzige natürliche SIF-unabhängige Differenzierungsauslöser. Eine mildere Abnahme der ES-Aktivität verursachte keinen Phänotyp, scheint aber die Zellen auf die SIF-induzierte Differenzierung vorzubereiten. Diese Ergebnisse zeigen, dass antigene Variation und Differenzierung verbunden sind und deuteten an, dass die ES und das VSG unabhängig voneinander reguliert werden. Daher habe ich im zweiten Teil meiner Dissertation untersucht, wie ES-Attenuierung und VSG-Stilllegung vermittelt werden können. Die Integration eines Reporters mit funktioneller oder defekter VSG 3'UTR an verschiedenen Orten im Genom zeigte, dass die Aufrechterhaltung der ES-Aktivität von einem konservierten Motiv in der VSG 3'UTR abhängig ist. Ein in situ Wechsel wurde nur ausgelöst, wenn Teile des Telomer-proximalen Motiv deletiert wurden, was nahelegt, dass das Motiv auf DNA-Ebene von einem Telomerbindeprotein erkannt wird. Die VSG-Level scheinen unabhängig vom genomischen Kontext zusätzlich in trans basierend auf der VSG 3'UTR reguliert zu werden, was durch die Regulation eines konstitutiv exprimierten Reporters mit VSG 3'UTR nach VSG-Überexpression bekräftigt wurde.
KW  - Trypanosoma brucei
KW  - Genexpression
KW  - Entwicklung
KW  - Parasit
KW  - VSG
KW  - antigenic variation
KW  - monoallelic expression
KW  - stumpy development
KW  - differentiation
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-146902
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Zielewska-Büttner, Katarzyna
A1  - Heurich, Marco
A1  - Müller, Jörg
A1  - Braunisch, Veronika
T1  - Remotely Sensed Single Tree Data Enable the Determination of Habitat Thresholds for the Three-Toed Woodpecker (Picoides tridactylus)
JF  - Remote Sensing
N2  - Forest biodiversity conservation requires precise, area-wide information on the abundance and distribution of key habitat structures at multiple spatial scales. We combined airborne laser scanning (ALS) data with color-infrared (CIR) aerial imagery for identifying individual tree characteristics and quantifying multi-scale habitat requirements using the example of the three-toed woodpecker (Picoides tridactylus) (TTW) in the Bavarian Forest National Park (Germany). This bird, a keystone species of boreal and mountainous forests, is highly reliant on bark beetles dwelling in dead or dying trees. While previous studies showed a positive relationship between the TTW presence and the amount of deadwood as a limiting resource, we hypothesized a unimodal response with a negative effect of very high deadwood amounts and tested for effects of substrate quality. Based on 104 woodpecker presence or absence locations, habitat selection was modelled at four spatial scales reflecting different woodpecker home range sizes. The abundance of standing dead trees was the most important predictor, with an increase in the probability of TTW occurrence up to a threshold of 44–50 dead trees per hectare, followed by a decrease in the probability of occurrence. A positive relationship with the deadwood crown size indicated the importance of fresh deadwood. Remote sensing data allowed both an area-wide prediction of species occurrence and the derivation of ecological threshold values for deadwood quality and quantity for more informed conservation management.
KW  - deadwood
KW  - standing deadwood
KW  - dead tree
KW  - snags
KW  - three-toed woodpecker (Picoides tridactylus)
KW  - habitat suitability model (HSM)
KW  - habitat requirements
KW  - airborne laser scanning (ALS)
KW  - CIR aerial imagery
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-197565
SN  - 2072-4292
VL  - 10
IS  - 12
ER  -