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

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

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

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

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

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

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

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

Chapter 5 – General Discussion

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

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

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

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

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

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

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

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

Kapitel 5 – Allgemeine Diskussion

Abiotische und biotische Faktoren förderten die Artenvielfalt, Eigenschaften und Wechselwirkungen von Arten und sie wirkten unterschiedlich, je nachdem, welche funktionelle Gruppe untersucht wurde und ob räumliche oder zeitliche Einheiten berücksichtigt worden sind. Es ist daher wahrscheinlich, dass im Lichte des globalen Wandels verschiedene Arten, Merkmale und Wechselwirkungen unterschiedlich betroffen sein werden. Darüber hinaus könnte eine zunehmende Landnutzungsintensität zusätzliche Auswirkungen oder Wechselwirkungen mit dem Klimawandel auf die Biodiversität haben, auch wenn die potenziellen Landnutzungseffekte am Kilimandscharo noch gering sind und bis jetzt die hohlraumnistenden Hautflüglern nicht beeinträchtigen. Weitere Studien sollten sich mit Nahrungsnetzwerken befassen, die empfindlichere Veränderungen aufzeigen könnten. Nisthilfen bieten dafür ein gutes Modellsystem, um die Auswirkungen des globalen Wandels auf mehreren trophischen Ebenen zu untersuchen, und können auch direkte Auswirkungen des Klimawandels auf ganze lebensgeschichtliche Merkmale aufzeigen, wenn sie unter verschiedenen mikroklimatischen Bedingungen etabliert werden. Die nicht einheitlichen Auswirkungen abiotischer und biotischer Bedingungen auf mehrere Aspekte der Biodiversität, die in dieser Studie gezeigt wurden, zeigen auch, dass die Untersuchung verschiedener Aspekte der Biodiversität ein umfassenderes Bild vermitteln kann als Einzelbetrachtungen.
KW  - land use
KW  - Landnutzung
KW  - climate change
KW  - bees
KW  - wasps
KW  - biodiversity
KW  - Klimawandel
KW  - Bienen
KW  - Wespen
KW  - Biodiversität
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-182922
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TY  - THES
A1  - Krimmer, Elena
T1  - Agri-environment schemes and ecosystem services: The influence of different sown flower field characteristics on pollination, natural pest control and crop yield
T1  - Agrarumweltmaßnahmen und Ökosystemdienstleistungen: der Einfluss unterschiedlicher Blühflächen Merkmale auf Bestäubung, natürliche Schädlingskontrolle und Erträge
N2  - Insects are responsible for the major part of the ecosystem services pollination and natural pest control. If insects decline, these ecosystem services can not longer be reliably delivered. Agricultural intensification and the subsequent loss and fragmentation of habitats has among others been identified to cause insect decline. Ecological intensification aims to promote alternative and sustainable management practices in agricultural farming, for example to decrease the use of external inputs such as pesticides. Agri-environment schemes make amends for farmers if they integrate ecologically beneficial measures into their farming regime and can therefore promote ecological intensification. There is a wide variety of agri-environment schemes, but the implementation of sown flower fields on crop fields is often included. Flower fields offer foraging resources as well as nesting sites for many different insect species and should be able to support insect populations as well as to increase ecosystem services to adjacent fields. However, the potential of flower fields to exhibit these effects is depending on many factors. Among others, the age and size of the flower field can influence if and how different insects profit from the measure. Additionally, the complexity of the surrounding landscape and therefore the existing biodiversity is influencing the potential of flower fields to increase ecosystem services locally. The goal of this study is to disentangle to which degree these factors influence the ecosystem services pollination and natural pest control and if these factors interact with each other. Furthermore, it will be examined if and how flower fields and ecosystem services influence crop yield. Additional factors examined in this study are distance decay and pesticide use. The abundance of beneficial insects can decrease strongly with increasing distance to suitable habitats. Pesticide use in turn could abrogate positive effects of flower fields on beneficial insects. 
	To examine these different aspects and to be able to make recommendations for flower field implementation, field experiments were conducted on differently composed sown flower fields and adjacent oilseed rape fields. Flower fields differed in their age and continuity as well as in their size. Additionally, flower and oilseed rape fields were chosen in landscapes with different amounts of semi-natural habitat. Oilseed rape fields adjacent to calcareous grasslands and conventional crop fields served as controls. Pollinator observations and pollen beetle and parasitism surveys were conducted in the oilseed rape fields. Additionally, different yield parameters of the oilseed rape plants were recorded. Observations were conducted and samples taken in increasing distance to the flower fields to examine distance decay functions. Spray windows were established to inspect the influence of pesticides on ecosystem services and crop yields. Linear mixed models were used for statistical analysis. 
	The results show, that newly established flower fields with high amounts of flower cover are very attractive for pollinators. If the flower fields reached a certain size (> 1.5ha), the pollinators tended to stay in these fields and did not distribute into the surroundings. High amounts of semi-natural habitat in the surrounding landscape increased the value of small flower fields as starting points for pollinators and their subsequent spillover into crop fields. Additionally, high amounts of semi-natural habitat decreased the decay of pollinators with increasing distance to the flower fields. Based on these results, it can be recommended to establish many small flower fields in landscapes with high amounts of semi-natural habitat and large flower fields in landscapes with low amounts of semi-natural habitat. However, it is mentionable that flower fields are no substitute for perennial semi-natural habitats. These still must be actively conserved to increase pollination to crop fields. 
	Furthermore, the lowest amount of pollen beetle infestation was found on oilseed rape fields adjacent to continuous flower fields aged older than 6 years. Flower fields and calcareous grasslands in general increased pollen beetle parasitism in adjacent oilseed rape fields compared to conventional crop fields. The threshold for effective natural pest control could only be reached in the pesticide free areas in the oilseed rape fields adjacent to continuous flower fields and calcareous grasslands. Parasitism and superparasitism declined with increasing distance to the adjacent fields in pesticide treated areas of the oilseed rape fields. However, they remained on a similar level in spray windows without pesticides. Large flower fields increased parasitism and superparasitism more than small flower fields. Flower fields generally have the potential to increase pollen beetle parasitism rates, but pesticides can abrogate these positive effects of flower fields on natural pest control. 
	Last but not least, effects of flower fields and ecosystem services on oilseed rape yield were examined. No positive effects of pollination on oilseed rape yield could be found. Old and continuous flower fields increased natural pest control in oilseed rape fields, which in turn increased seed set and total seed weight of oilseed rape plants. The pesticide treatment had negative effects on natural pest control, but positive effects on crop yield. Pollination and natural pest control decreased with increasing distance to the field edge, but fruit set slightly increased. The quality of the field in terms of soil and climatic conditions did not influence the yield parameters examined in this study. Yield formation in oilseed rape plants is a complex process with many factors involved, and it is difficult to disentangle indirect effects of flower fields on yield. However, perennial flower fields can promote ecological intensification by increasing crop yield via natural pest control. This study contributes to a better understanding of the effects of differently composed flower fields on pollination, natural pest control and oilseed rape yield.
N2  - Insekten sind für einen Großteil der Ökosystemdienstleistungen Bestäubung und natürliche Schädlingskontrolle zuständig. Schwinden die Insekten, so können diese Dienstleistungen nicht mehr zuverlässig gewährleistet werden. Als Ursachen für den Rückgang an Insekten wurde unter anderem die Intensivierung der Landwirtschaft und damit einhergehend der Verlust und die Fragmentierung von Lebensraum identifiziert. Ökologische Intensivierung hat das Ziel, alternative und nachhaltige Bewirtschaftungsmethoden in der Landwirtschaft zu fördern und beispielsweise den Einsatz von Spritzmitteln zu verringern. Agrarumweltmaßnahmen entschädigen Landwirte, wenn sie ökologisch wertvolle Maßnahmen in ihren Betrieb integrieren und können dadurch ökologische Intensivierung unterstützen. Die Bandbreite an Agrarumweltmaßnahmen ist groß, beinhaltet aber häufig das Anlegen von Blühflächen auf Ackerflächen. Blühflächen liefern Nahrungsressourcen und Lebensraum für eine Vielzahl von Insekten und sollten daher in der Lage sein Insektenpopulationen zu unterstützen und Ökosystemdienstleistungen auf angrenzenden Feldern zu verstärken. Jedoch ist das ökologische Potential von Blühflächen von einer Vielzahl von Faktoren abhängig. Unter anderem können das Alter und die Größe der Blühfläche entscheidend beeinflussen, inwiefern unterschiedliche Insektengruppen profitieren. Zusätzlich hat die Landschaftskomplexität der direkten Umgebung, und damit die potentiell vorhandene Biodiversität, großen Einfluss auf die Fähigkeit von Blühflächen Ökosystemdienstleistungen lokal zu erhöhen. In dieser Studie geht es darum zu entschlüsseln, wie sich diese verschiedenen Faktoren sich auf die beiden Ökosystemdienstleistungen Bestäubung und natürliche Schädlingskontrolle auswirken und ob sie sich gegenseitig beeinflussen. Zusätzlich soll untersucht werden, inwiefern Blühflächen und Ökosystemdienstleistungen Erträge beeinflussen können. Weitere in dieser Studie untersuchte Einflussfaktoren sind die Distanz zur Blühfläche und der Einsatz von Pestiziden. Die Abundanz von Nützlingen kann mit der Distanz zu geeigneten Habitaten stark abnehmen. Der Einsatz von Spritzmitteln wiederum könnte die positiven Einflüsse der Blühflächen auf Nützlinge aufheben. 
Um diese verschiedenen Aspekte zu untersuchen und letztendlich Empfehlung für die Etablierung von Blühflächen geben zu können, wurden Feldversuche auf Blühflächen mit unterschiedlicher Beschaffenheit und auf angrenzenden Rapsflächen durchgeführt. Die Blühflächen unterschieden sich hierbei in ihrem Alter und ihrer Kontinuität. Zusätzlich wurden Blühflächen mit unterschiedlicher Größe getestet. Außerdem wurden die Blühflächen und ihre benachbarten Rapsfelder so ausgewählt, dass sie sich in Landschaften mit unterschiedlichem Anteil an halbnatürlichen Habitaten befinden. Rapsflächen neben Kalkmagerrasen und Äckern mit konventionellen Feldfrüchten dienten als Kontrollflächen. Auf den Rapsflächen wurden Bestäuberbeobachtungen sowie Aufnahmen von Rapsglanzkäferbefall und deren Parasitierung durchgeführt. Zusätzlich wurden verschiedene Ertragsparameter von Raps aufgenommen. Die Untersuchungen fanden jeweils in unterschiedlichen Distanzen zur Blühfläche innerhalb des Rapsfeldes statt, um Distanz-Abnahme Funktionen zu untersuchen. Spritzfenster wurden etabliert, um den Einfluss von Pestiziden auf Ökosystemdienstleistungen und Erträge zu untersuchen. Für die statistische Auswertung wurden lineare gemischte Modelle verwendet.
Die Ergebnisse haben zum einen gezeigt, dass frisch angelegte Blühflächen mit hoher Blütendeckung sehr attraktiv für Bestäuber sind. Jedoch blieben die Bestäuber in den Blühflächen, wenn diese eine gewisse Größe hatten (> 1.5ha) und verteilten sich nicht auf die umgebenden Flächen. Ein hoher Anteil an halbnatürlichen Habitaten in der umgebenden Landschaft erhöhte den Wert von kleinen Blühflächen als Ausgangspunkt für Bestäuber und ihren anschließenden Übergang auf Ackerflächen. Hohe Mengen an halbnatürlichen Habitaten verringerten außerdem den Rückgang der Bestäuber mit steigender Entfernung zur Blühfläche. Auf Grundlage dieser Ergenisse wäre es zu empfehlen, kleine Blühflächen in Landschaften mit viel halbnatürlichem Habitat und große Blühflächen in Landschaften mit wenig halbnatürlichem Habitat anzulegen. Außerdem ist anzumerken, dass Blühflächen keinen adequaten Ersatz für dauerhafte halbantürliche Habitate darstellen. Diese müssen weiterhin aktiv geschützt und erhalten werden, um Bestäubung auf Ackerflächen zu fördern. Des Weiteren wurde auf Rapsflächen neben kontinuierlichen Blühflächen mit einem Alter über 6 Jahre der niedrigste Befall mit Rapsglanzkäferlarven festgestellt. Blühflächen und Kalkmagerrasen erhöhten die Parasitierung von Rapsglanzkäfern in benachbarten Rapsflächen im Vergleich zu Rapsflächen die neben Ackerflächen liegen. Der Schwellenwert für eine effektive natürliche Schädlingskontrolle wurde nur in den pestizidfreien Bereichen in Rapsflächen neben kontinuierlichen Blühflächen und Kalkmagerasen erreicht. In mit Pestiziden behandelten Bereichen nahmen Parasitismus und Superparasitismus mit zunehmender Entfernung zum benachbarten Feld ab. In den Spritzfenstern ohne Pestizide blieben sie jedoch auf dem gleichen Niveau. Große Blühflächen erhöhten Parasitismus und Superparasitismus mehr als kleine. Insgesamt können Blühflächen die Parasitierungsraten von Rapsglanzkäfern auf Rapsflächen erhöhen, jedoch können Pestizide diese positiven Effekte aufheben. 
Zuletzt wurden die Effekte von Blühflächen und Ökosystemdienstleistungen auf den Rapsertrag untersucht. Hier stellte sich heraus, dass Bestäubung keine positiven Effekte auf den Rapsertrag hatte. Alte und kontinuierliche Blühflächen erhöhten die natürliche Schädlingskontrolle in den Rapsfeldern, welche wiederrum den Samenansatz und das absolute Samengewicht erhöhten. Die Behandlung mit Pestiziden hatte negative Asuwirkungen auf natürliche Schädlingskontrolle, aber positive Auswirkungen auf den Ertrag. Bestäubung und natürliche Schädlingskontrolle nahmen mit der zunehmenden Entfernung zum Feldrand ab, aber der Fruchtansatz nahm leicht zu. Die Feldqualität hatte keine Auswirkungen auf die im Modell untersuchten Rapsertrag Messwerte. Ertragsbildung bei Rapspflanzen ist ein komplexer Vorgang an dem viele Faktoren beteiligt sind. Mehrjährige Blühflächen können ökologische Intensivierung fördern indem sie den Ertrag durch natürliche Schädlingskontrolle erhöhen. Diese Studie leistet einen wertvollen Beitrag zum besseren Verständnis der Auswirkungen von unterschiedlich beschaffenen Blühflächen auf Bestäubung, natürliche Schädlingskontrolle und Rapsertrag.
KW  - Ökologie
KW  - Agrarumweltmaßnahmen
KW  - Ökosystemdienstleistung
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-206577
ER  - 
TY  - THES
A1  - Vollmuth, Nadine
T1  - Role of the proto-oncogene c-Myc in the development of Chlamydia trachomatis
T1  - Die Rolle des proto-onkogenes c-Myc in der Entwicklung von Chlamydia trachomatis
N2  - Chlamydia trachomatis, an obligate intracellular human pathogen, is the world’s leading cause of infection related blindness and the most common, bacterial sexually transmitted disease. In order to establish an optimal replicative niche, the pathogen extensively interferes with the physiology of the host cell. Chlamydia switches in its complex developmental cycle between the infectious non-replicative elementary bodies (EBs) and the non-infectious replicative reticulate bodies (RBs). The transformation to RBs, shortly after entering a host cell, is a crucial process in infection to start chlamydial replication. Currently it is unknown how the transition from EBs to RBs is initiated. In this thesis, we could show that, in an axenic media approach, L glutamine uptake by the pathogen is crucial to initiate the EB to RB transition. L-glutamine is converted to amino acids which are used by the bacteria to synthesize peptidoglycan. Peptidoglycan inturn is believed to function in separating dividing Chlamydia. The glutamine metabolism is reprogrammed in infected cells in a c-Myc-dependent manner, in order to accomplish the increased requirement for L-glutamine. Upon a chlamydial infection, the proto-oncogene c-Myc gets upregulated to promote host cell glutaminolysis via glutaminase GLS1 and the L-glutamine transporter SLC1A5/ASCT2. Interference with this metabolic reprogramming leads to limited growth of C. trachomatis. Besides the active infection, Chlamydia can persist over a long period of time within the host cell whereby chronic and recurrent infections establish. C. trachomatis acquire a persistent state during an immune attack in response to elevated interferon-γ (IFN-γ) levels. It has been shown that IFN-γ activates the catabolic depletion of L-tryptophan via indoleamine 2,3-dioxygenase (IDO), resulting in the formation of non-infectious atypical chlamydial forms. In this thesis, we could show that IFN-γ depletes the key metabolic regulator c-Myc, which has been demonstrated to be a prerequisite for chlamydial development and growth, in a STAT1-dependent manner. Moreover, metabolic analyses revealed that the pathogen de routs the host cell TCA cycle to enrich pyrimidine biosynthesis. Supplementing pyrimidines or a-ketoglutarate helps the bacteria to partially overcome the persistent state. Together, the results indicate a central role of c-Myc induced host glutamine metabolism reprogramming and L-glutamine for the development of C. trachomatis, which may provide a basis for anti-infectious strategies. Furthermore, they challenge the longstanding hypothesis of L-tryptophan shortage as the sole reason for IFN-γ induced persistence and suggest a pivotal role of c-Myc in the control of the C. trachomatis dormancy.
N2  - Chlamydia trachomatis, ein obligat intrazellul¨ares humanes Pathogen, ist weltweit fu¨hrende Ursache fu¨r infektionsbedingte Erblindung und die h¨aufigste, bakterielle sexuell u¨bertragbare Krankheit. Um eine optimale Replikationsnische zu etablieren, interagiert das Pathogen in tensiv mit der Physiologie der Wirtszelle. Chlamydien wechseln in ihrem komplexen Entwick lungszyklus zwischen den infekti¨osen nicht replizierenden Elementark¨orperchen (EBs) und den nicht infekti¨osen replizierenden Retikulark¨orperchen (RBs), und diese Umwandlung in RBs kurz nach dem Eintritt in die Wirtszelle ist ein entscheidender Prozess in der Infektion, um die Replikation des Bakteriums einzuleiten. Derzeit ist noch nicht bekannt, wodurch diese Transformation von EBs zu RBs eingeleitet wird. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass bei einer zellfreien Kultivierung des Pathogens die Aufnahme von Glutamin durch den Erreger entscheidend ist, um den ¨Ubergang von EB zu RB zu initiieren. Vor kurzem wurde Peptidoglykan in den Septen von sich replizierenden Chlamydien nachgewiesen. Fu¨r die Syn these des Peptidoglykans nutzen die Bakterien das aufgenommene Glutamin. Der Glutamin metabolismus wird in infizierten Zellen c-Myc abh¨angig umprogrammiert, um den erh¨ohten Bedarf an Glutamin zu bew¨altigen. Bei einer Chlamydieninfektion wird das Proto-Onkogen c-Myc zur F¨orderung der Glutaminolyse der Wirtszelle u¨ber die Glutaminase GLS1 und den Glutamin Transporter SLC1A5/ASCT2 hochreguliert. Ein Eingreifen in diese metabolische Neuprogrammierung fu¨hrt zu einem reduzierten Wachstum von C. trachomatis. Neben der aktiven Infektion k¨onnen Chlamydien u¨ber einen sehr langen Zeitraum in der Wirtszelle persistieren, wodurch es zur Etablierung von chronischen und wiederkehrenden Infektionen kommt. C. trachomatis verf¨allt bei einem Immunangriff in Persistenz, wenn sie auf das freigesetzte Interferon-γ treffen. Es ist bekannt, dass Interferon-γ den Katabolismus von Tryptophan mittels indoleamine 2,3-dioxygenase (IDO) aktiviert, was zur Bildung von nicht infekti¨osen atypischen Chlamydienformen fu¨hrt. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass Interferon-γ den zentralen Stoffwechselregulator c-Myc, der sich fu¨r die Entwicklung und das Wachstum von Chlamydien als essentiell erwiesen hat, in Abh¨angigkeit von STAT1 herunter reguliert. Daru¨ber hinaus zeigte die Analyse des Metabolismus, dass das Pathogen den TCA Zyklus der Wirtszelle umleitet, um die Pyrimidinbiosynthese zu unterstu¨tzen. Die Zugabe von Pyrimidinen oder α-Ketoglutarat hilft den Bakterien den Status der Persistenz teilweise zu u¨berwinden. Zusammengenommen deuten die Ergebnisse auf eine zentrale Rolle der c-Myc induzierten Umprogrammierung des Glutaminmetabolismus und des Glutamins selbst fu¨r die Entwicklung von C. trachomatis hin. Diese Befunde k¨onnten eine Basis fu¨r Strategien gegen eine Infektion darstellen. Weiterhin stellen sie die seit langem bestehende Hypothese des Trypotphanmangels als alleiniger Grund fu¨r die von Interferon-γ induzierte Persistenz in Frage und legen eine zentrale Rolle von c-Myc bei der Kontrolle der C. trachomatis Dormanz nahe.
KW  - Chlamydia trachomatis
KW  - Persistence
KW  - trachomatis
KW  - chlamydia
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-203655
ER  -