TY  - THES
A1  - Kayisoglu-Kaya, Özge
T1  - Analysis of gastrointestinal epithelial innate immune barrier using human and murine organoids as a model
T1  - Analyse der Gastrointestinalen angeborenen Immunbarriere durch Humane und Murine Organoide als Modell
N2  - The epithelial layer of the gastrointestinal (GI) tract provides a barrier between the environment and the body. Dysfunction of the epithelium, including changes of the innate immune response facilitated by pattern recognition receptors (PRRs), plays a major role in the development of GI disorders. However, the organization of innate immune sensing, the expression and activity of PRRs and the factors contri¬buting to such possible organization along the GI tract are unclear. In recent years, stem cell-derived organoids gained increasing attention as promising tissue models. Here, a biobank of human and murine organoids comprising three lines from each GI segment; corpus, pylorus, duodenum, jejunum, ileum, colon was generated. RNA sequencing of 42 lines confirmed the preservation of tissue identity and revealed an extensive organization of innate immune signaling components along the cephalocaudal axis, giving each segment a specific innate immune profile. Comple-menting the region-specific expression analysis, several PRRs in human and murine organoids showed region- and species-specific function. To investigate the factors contributing to the patterning of innate immunity in the GI tract, the impact of microbial components was analyzed using murine embryo-derived, never colonized gastric and proximal intestinal organoids. Transcriptional profiling of embryo-derived organoids showed that while expression of some PRRs may depend on environmental cues as expected, an unexpectedly large part of segment-specific expression of PRR signaling components is independent of prior contact with microbial products. Further, analysis of published RNA-seq data as well as in vitro experiments using directed differentiation of organoids into specific cell types showed that expression of innate immune gene also depended on cellular differentiation along the crypt-villus axis. This underlined the importance of cellular differentiation rather than contact to microbial compounds for expression of PRRs. Lastly, analysis of published datasets of RNA-seq and ATAC-seq after knockout of the intestinal transcription factor Cdx2 demonstrated that Cdx2 is likely important for the expression of Nlrp6 and Naip1 in the murine intestine. Future experiments have to support these preliminary findings. Taken together, the expression of a large part of epithelial innate immunity is develop¬mentally defined and conserved in tissue-resident stem cells. The identification of mechanisms governing expression of genes related to immunity will provide further insights into the mechanisms that play a role in the progress of inflammatory diseases.
N2  - Das Epithel des gastrointestinalen (GI) Traktes fungiert als Barriere zwischen der Umwelt und dem Körperinneren. Störungen des Epithels, darunter Veränderungen in der angeborenen Immunantwort, welche über „Pattern Recognition Receptors“(PRRs) ermöglicht wird, spielen eine bedeutende Rolle in der Entstehung gastrointestinaler Krankheiten. Auf welche Weise die angeborene Immunantwort im gastrointestinalen Trakt zwischen symbiotischen und schädlichen Mikroben unterscheidet, wie die Expression und Aktivität von PRRs organisiert sind, und die Faktoren die zu einer möglichen Organization beitragen sind bisher allerdings nicht bekannt. In den letzten Jahren haben aus Stammzellen gewonnene Organoide als vielversprechende Gewebemodelle steigende Aufmerksamkeit erregt. In dieser Arbeit wurde eine „Biobank“ humaner und muriner Organoide, jeweils bestehend aus 3 Linien jedes der gastrointestinalen Segmente Korpus, Pylorus, Duodenum, Jejunum, Ileum und Kolon generiert. Die RNA Sequenzierung von 42 Linien bestätigte den Erhalt der Gewebsidentität und zeigte eine umfangreiche Organization innerhalb der Signalkomponenten des angeborenen Immunsystems entlang der kraniokaudalen Achse, wodurch jedes Segment ein spezifisches Immunprofil erhält. Ergänzend zur regions-spezifischen Expressionsanalyse zeigten einige PRRs sowohl in humanen als auch in murinen Organoiden eine regions- und spezies-spezifische Funktion. Zur Untersuchung der Faktoren, die zur Strukturierung des angeborenen Immunsystems im GI-Trakt beitragen, wurde der Einfluss mikrobieller Komponenten untersucht. Hierfür wurden aus embryonalem Gewebe gewonnene Organoide des Magens und des proximalen Dünndarms verwendet, welche noch nicht mit dem Mikrobiom in Kontakt waren. Transkriptionsprofile embryonaler Organoide zeigten, dass die Expression einiger PRRs wie erwartet wahrscheinlich von Umweltfaktoren abhängt, dass ein unerwartet großer Anteil der segment-spezifischen Expression von Komponenten der PRR-induzierten Signalwege sich allerdings unabhängig vom Kontakt mit mikrobiellen Komponenten entwickelt. Des Weiteren zeigte die Analyse von bereits publizierten RNA Sequenzierungsdaten und in vitro Experimenten bei denen durch gezielte Differenzierung von Organoiden spezifische Zelltypen generiert wurden, dass die Expression von Genen des angeborenen Immunsystems auch von der zellulären Differenzierung entlang der Krypten-Zotten-Achse abhängt. Dies unterstreicht die Bedeutung von zellulärer Differenzierung für die Expression von PRRs, anstelle des Kontaktes zu mikrobiellen Komponenten. Auch konnte durch die Analyse bereits publizierter RNA- und ATAC-Sequenzierungsdaten nach knockout des im Dünndarm exprimierten Transkriptionsfaktors Cdx2 nachgewiesen werden, dass Cdx2 mit hoher Wahrscheinlichkeit wichtig für die Expression von Nlrp6 und Naip1 im murinen Dünndarm ist. Diese Erkenntnisse müssen in zukünftigen Experimenten validiert werden. Zusammengenommen zeigen die Ergebnisse, dass die Expression eines Großteils der angeborenen Immunität entwicklungsbiologisch festgelegt und in gewebe-spezifischen Stammzellen konserviert ist. Die zukünftige Identifikation von Mechanismen die die Expression von zur Immunität zugehörigen Genen steuern, wird weitere Erkenntnisse über die Mechanismen die eine Rolle in der Entwicklung entzündlicher Erkrankungen spielen bringen.
KW  - Organoid
KW  - Angeborene Immunität
KW  - Mustererkennungsrezeptoren
KW  - Gastrointestinaltrakt
KW  - Epithel
KW  - Organoids
KW  - Innate immunity
KW  - Pattern recognition receptors
KW  - Gastrointestinal tract
KW  - Epithelial layer
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-277497
ER  - 
TY  - THES
A1  - Calderón Giraldo, Jeniffer
T1  - Analysis of estrogen profiles including methoxyestrogen glucuronides: method validation and applicability to human plasma and breast tissue
T1  - Analyse von Estrogenprofilen einschließlich Methoxyestrogenglucuroniden: Methodenvalidierung und Anwendbarkeit auf menschliches Plasma und Brustgewebe
N2  - Estrogens, namely 17β-estradiol (E2) and estrone (E1) are considered to play an important role in the initiation and promotion of breast cancer (summarized in Raftogianis et al., 2000), a malignancy responsible for around 500,000 deaths per year (summarized in Ghislain et al., 2016). Two major mechanisms have been postulated to explain the carcinogenic effects of estrogens: (1) the estrogen receptor-mediated stimulation of breast cell proliferation with a concomitant enhanced rate of mutations and (2) the metabolism of hydroxylated estrogens to quinone derivatives which can react with the DNA (Russo and Russo, 2006, summarized in Yager and Davidson, 2006). Nevertheless, as a detoxifying mechanism, E1, E2, and their hydroxylated and methoxylated metabolites are reversibly conjugated into sulfates and glucuronides devoid of biological activity (summarized in Guillemette et al., 2004). Yet, despite the key detoxifying function of these conjugates, the study of their circulating levels face some significant problems: (1) analysis by techniques such as radioimmunoassay lack specificity and accuracy and requires enzymatic/chemical hydrolysis before analysis, being unable to differentiate between sulfates and glucuronides (summarized in Stanczyk et al., 2007, summarized in Wang et al., 2016), (2) very little knowledge in healthy women, which has been identified as a barrier to advance in breast cancer research (summarized in Liu, 2000), and (3) far fewer studies in pre- than in postmenopausal women (summarized in Samavat and Kurzer, 2015). Therefore, to get more insights into the research of breast cancer etiology and prevention, the analysis of circulating levels of estrogens (including metabolites and conjugates) in women without breast cancer through reliable analytical techniques, is required.
N2  - Estrogene spielen eine zentralle Rolle bei der Entstehung von Brustkrebs. Jedoch haben nicht alle Estrogenmetabolite die gleiche Wirkung. Deshalb ist das Wissen über das Profil der zikulierenden Estrogene bei gesunden Frauen von entscheidender Bedeutung. Die meisten Methoden zur Analyse von Estrogenen zielen jedoch entweder nicht auf konjugierte Estrogene ab oder erfassen nur die Summe der jeweiligen freien und konjugierten Form. Gegenstand der vorliegenden Arbeit war demzufolge, die Möglichkeit der Einbeziehung von Methoxyestrogenglucuroniden in eine bestehende Methode zur Analyse von Estrogenen zu evaluieren und somit die Analyse von Estrogenprofilen im menschlichen Plasma und im Brustgewebe von Frauen ohne Brustkrebs zu ergänzen. ...
KW  - Estrogens
KW  - profiles
KW  - human plasma
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-209396
ER  - 
TY  - THES
A1  - Horn, Hannes
T1  - Analysis and interpretation of (meta-)genomic data from host-associated microorganisms
T1  - Analyse und Interpretation von (meta-)genomischen Daten aus Wirt-assoziierten Mikroorganismen
N2  - Host–microbe interactions are the key to understand why and how microbes inhabit specific environments. With the scientific fields of microbial genomics and metagenomics, evolving on an unprecedented scale, one is able to gain insights in these interactions on a molecular and ecological level. The goal of this PhD thesis was to make (meta–)genomic data accessible, integrate it in a comparative manner and to gain comprehensive taxonomic and functional insights into bacterial strains and communities derived from two different environments: the phyllosphere of Arabidopsis thaliana and the mesohyl interior of marine sponges.

This thesis focused first on the de novo assembly of bacterial genomes. A 5–step protocol was developed, each step including a quality control. The examination of different assembly software in a comparative way identified SPAdes as most suitable. The protocol enables the user to chose the best tailored assembly. Contamination issues were solved by an initial filtering of the data and methods normally used for the binning of metagenomic datasets. This step is missed in many published assembly pipelines. The described protocol offers assemblies of high quality ready for downstream analysis.

Subsequently, assemblies generated with the developed protocol were annotated and explored
in terms of their function. In a first study, the genome of a phyllosphere bacterium, Williamsia sp. ARP1, was analyzed, offering many adaptions to the leaf habitat: it can deal with temperature shifts, react to oxygen species, produces mycosporins as protection against UV–light, and is able to uptake photosynthates. Further, its taxonomic position within the Actinomycetales was infered from 16S rRNA and comparative genomics showing the close relation between the genera Williamsia and Gordonia.

In a second study, six sponge–derived actinomycete genomes were investigated for secondary metabolism. By use of state–of–the–art software, these strains exhibited numerous gene clusters, mostly linked to polykethide synthases, non–ribosomal peptide synthesis, terpenes, fatty acids and saccharides. Subsequent predictions on these clusters offered a great variety of possible produced compounds with antibiotic, antifungal or anti–cancer activity. These analysis highlight the potential for the synthesis of natural products and the use of genomic data as screening toolkit.

In a last study, three sponge–derived and one seawater metagenomes were functionally compared. Different signatures regarding the microbial composition and GC–distribution were observed between the two environments. With a focus on bacerial defense systems, the data indicates a pronounced repertoire of sponge associated bacteria for bacterial defense systems, in particular, Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, restriction modification system, DNA phosphorothioation and phage growth limitation. In addition, characterizing genes for secondary metabolite cluster differed between sponge and seawater microbiomes. Moreover, a variety of Type I polyketide synthases were only found within the sponge microbiomes. With that, metagenomics are shown to be a useful tool for the screening of secondary metabolite genes. Furthermore, enriched defense systems are highlighted as feature of sponge-associated microbes and marks them as a selective trait.
N2  - Mikroben–Wirt Interaktionen sind der Schlüssel, um zu verstehen “Wie?” und “Warum?” Mikroben in bestimmten Umgebungen vorkommen. Mithilfe von Genomik und Metagenomik lassen sich Einblicke auf dem molekularen sowie ökolgischen Level gewinnen. Ziel dieser Arbeit war es, diese Daten zugänglich zu machen und zu vergleichen, um Erkenntnisse auf taxonomischer und funktionaler Ebene in bakterielle Isolate und bakterielle Konsortien zu erhalten. Dabei wurden Daten aus zwei verschiedenen Umgebungen erhoben: der Phyllosphäre von Arabidopsis thaliana und aus der Mesohyl–Matrix mariner Schwämme.

Das Ziel war zunächst, bakterieller Genome denovo zu assemblieren. Dazu wurde ein Protokoll, bestehend aus 5 Schritten, entwickelt. Durch Verwendung verschiedener Soft- ware zum Assemblieren konnte SPAdes als am besten geeignet für die gegebenen Daten herausgearbeitet werden. Durch anfängliches Filtern der Daten konnte erste Kontamina- tion entfernt werden. Durch das Anwenden weiterer Methoden, welche ursprünglich für metagenomische Datensätze entwickelt wurden, konnten weitere Kontaminationen erkannt und von den “echten” Daten getrennt werden. Ein Schritt, welcher in den meisten pub- lizierten Assembly–Pipelines fehlt. Das Protokoll ermöglicht das Erstellen hochqualitativer Assemblies, welche zur weiteren Analyse nicht weiter aufbereitet werden müssen.
Nachfolgend wurden die generierten Assemblies annotiert. Das Genom von William- sia sp. ARP1 wurde untersucht und durch dessen Interpretation konnten viele Anpassungen an die Existenz in der Phyllosphäre gezeigt werden: Anpassung an Termperaturveränderun- gen, Produktion von Mycosporinen als Schutz vor UV–Strahlung und die Möglichkeit, von der Pflanze durch Photosynthese hergestellte Substanzen aufzunehmen. Seine taxonomische Position wurde aufgrund von 16S rRNA sowie vergleichende Genomik bestimmt. Dadurch konnte eine nahe Verwandtschaft zwischen den Gattungen Williamsia und Gordonia gezeigt werden.

In einer weiteren Studie wurden sechs Actinomyceten–Genome, isoliert aus Schwämmen, hinsichtlich ihres Sekundärmetabolismus untersucht. Mihilfe moderner Software konnten in zahlreiche Gen–Cluster identifiziert werden. Zumeist zeigten diese eine Zugehörigkeit zu Polyketidsynthasen, Nichtribosomalen Peptidsynthasen, Terpenen, Fettsäuren oder Sac- chariden. Durch eine tiefere Analyse konnten die Cluster mit chemischen Verbindungen assoziiert werden, welche antibakterielle oder fungizide Eigenschaften besitzen.

In der letzten Untersuchung wurden Metagenome von drei Schwämmen sowie Meerwasser auf funktioneller Ebene verglichen. Beobachtet wurden Unterschiede in deren mikrobiellen Konsortien und GC–Gehalt. Schwamm–assoziierte Bakterien zeigten ein ausgeprägtes Inventar an Verteidigungsmechanismen gegenüber deren Vertretern aus dem Meerwasser. Dies beinhaltete vor allem: Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, das Restriktions-Modifikationssystem, DNA Phosphorothioation, oder Gene, welche das Wachstum von Phagen hemmen können. Gene für Sekundärmetabolite waren zwischen Schwamm– und Meerwasser–Metagenomen unterschiedlich stark ausgeprägt. So konnten Typ I Polyketidsynthasen ausschließlich in den Schwamm–Metagenomen gefunden werden. Dies zeigt, dass metagenomische Daten ebenso wie genomische Daten zur Untersuchung des Sekundärmetabolismus genutzt werden können. Des Weiteren zeigt die Anhäufung an Verteidigungsmechanismen eine Anpassung von Schwamm–assoziierten Mikroben an ihre Umgebung und ist ein Hinweis auf deren mögliche selektive Eigenschaft.
KW  - Bakterien
KW  - Meeresschwämme
KW  - Metagenom
KW  - Phyllosphäre
KW  - Ackerschmalwand
KW  - Metagenomics
KW  - Genomics
KW  - Phyllosphere
KW  - Sponges
KW  - Bacteria
KW  - Deep sequencing
KW  - Arabidopsis thaliana
KW  - Bioinformatics
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-152035
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zancolli, Giulia
T1  - Amphibian diversity along the slope of Mount Kilimanjaro: from species to genes
T1  - Diversität von Amphibien im Höhengradienten des Mount Kilimanjaro: von Arten zu Genen
N2  - 1. Since the early nineteenth century describing (and understanding) patterns of distribution of biodiversity across the Earth has represented one of the most significant intellectual challenges to ecologists and biogeographers. Among the most striking patterns of species richness are: the latitudinal and elevational gradients, with peaks in number of species at low latitudes and somewhere at mid altitudes, although other patterns, e.g. declines with increasing elevation, are often observed. Even in highly diverse tropical regions, species richness is not evenly distributed but there are “hotspots” of biodiversity where an exceptional number of species, especially endemics, are concentrated. Unfortunately, such areas are also experiencing dramatic loss of habitat. Among vertebrate taxa, amphibians are facing the most alarming number of extinctions. Habitat destruction, pollution and emergence of infectious diseases such as chytridiomycosis, are causing worldwide population declines. Responses to these drivers can be multidirectional and subtle, i.e. they may not be captured at the species but at the genetic level. Moreover, present patterns of diversity can result from the influence of past geological, climatic and environmental changes.
In this study, I used a multidisciplinary and multilevel approach to understand how and to which extent the landscape influences amphibian diversity. Mount Kilimanjaro is an exceptional tropical region where the landscape is rapidly evolving due to land use changes; additionally, there is a broad lack of knowledge of its amphibian fauna. During two rainy seasons in 2011, I recorded anurans from the foothills to 3500 m altitude; in addition, I focused on two river frog species and collected tissue samples for genetic analysis and swabs for detection of chytridiomycosis, the deadly disease caused by Batrachochytrium dendrobatidis (Bd).
2. I analyzed how species richness and composition change with increasing elevation and anthropogenic disturbance. In order to disentangle the observed patterns of species diversity and distribution, I incorporated inferences from historical biogeography and compared the assemblage of Mt. Kilimanjaro and Mt. Meru (both recent volcanoes) with those of the older Eastern Arc Mountains. Species richness decreased with elevation and locally increased in presence of water bodies, but I did not detect effects of either anthropogenic disturbance or vegetation structure on species richness and composition. Moreover, I found a surprisingly low number of forest species. Historical events seem to underlie the current pattern of species distribution; the young age of Mt. Kilimanjaro and the complex biogeographic processes which occurred in East Africa during the last 20 million years prevented montane forest frogs from colonizing the volcano.
3. I focused on the genetic level of biodiversity and investigated how the landscape, i.e. elevation, topographic relief and land cover, influence genetic variation, population structure and gene flow of two ecologically similar and closely related river frog species, namely Amietia angolensis and Amietia wittei. I detected greater genetic differentiation among populations in the highland species (A. wittei) and higher genetic variation in the lowland species (A. angolensis), although genetic diversity was not significantly correlated with elevation. Importantly, human settlements seemed to restrict gene flow in A. angolensis, whereas steep slopes were positively correlated with gene flow in A. wittei. This results show that even ecologically similar species can respond differently to landscape processes and that the spatial configuration of topographic features combined with species-specific biological attributes can affect dispersal and gene flow in disparate ways.
4. River frogs of the genus Amietia seem to be particularly susceptible to chytridiomycosis, showing the highest pathogen load in Kenya and other African countries. In the last study, I collected swab samples from larvae of A. angolensis and A. wittei for Bd detection. Both species resulted Bd-positive. The presence of Bd on Mt. Kilimanjaro has serious implication. For instance, Bd can be transported by footwear of hikers from contaminated water and soil. Tourists visiting Mt. Kilimanjaro may translocate Bd zoospores to other areas such as the nearby Eastern Arc Mts. where endemic and vulnerable species may still be naïve to the fungus and thus suffer of population declines.
5. My study significantly contributed to the knowledge of the amphibian fauna of Mt. Kilimanjaro and of East Africa in general, and it represents a valuable tool for future conservation actions and measures. Finally, it highlights the importance of using a multidisciplinary (i.e. community ecology, historical biogeography, landscape genetics, disease ecology) and multilevel (i.e. community, species, population, gene) approach to disentangle patterns of biodiversity.
N2  - Seit Ende des 19. Jahrhunderts ist es eine der größten intellektuellen Herausforderungen für Ökologen und Biogeographen, die Verteilungsmuster der Biodiversität auf der Erde zu beschreiben und letztlich zu verstehen. Zu den auffälligsten Mustern des Artenreichtums gehören die Gradienten, die sich in Abhängigkeit von der geographischer Breite und der Höhe über dem Meeresspiegel ergeben. Dabei treten Maxima der Artenzahl in den niederen Breiten und stellenweise in mittleren Höhenregionen auf; es lassen sich aber auch andere Muster beobachten, z.B. eine Abnahme der Artenzahl mit zunehmender Höhe. Selbst in den hochdiversen Tropen sind Arten nicht gleichmäßig verteilt. So gibt es sog. „hotspots“ der Biodiversität mit einer außergewöhnlich großen Zahl von Arten (meist Endemiten). Gerade diese Regionen sind es, die heute dramatische 1. Seit Ende des 19. Jahrhunderts ist es eine der größten intellektuellen Herausforderungen für Ökologen und Biogeographen, die Verteilungsmuster der Biodiversität auf der Erde zu beschreiben und letztlich zu verstehen. Zu den auffälligsten Mustern des Artenreichtums gehören die Gradienten, die sich in Abhängigkeit von der geographischer Breite und der Höhe über dem Meeresspiegel ergeben. Dabei treten Maxima der Artenzahl in den niederen Breiten und stellenweise in mittleren Höhenregionen auf; es lassen sich aber auch andere Muster beobachten, z.B. eine Abnahme der Artenzahl mit zunehmender Höhe. Selbst in den hochdiversen Tropen sind Arten nicht gleichmäßig verteilt. So gibt es sog. „hotspots“ der Biodiversität mit einer außergewöhnlich großen Zahl von Arten (meist Endemiten). Gerade diese Regionen sind es, die heute dramatische Habitatverluste verzeichnen. Unter den Wirbeltieren sind es die Amphibien, die dabei die höchsten Aussterberaten aufweisen. Ihre Populationen gehen weltweit zurück, wofür neben Lebensraumzerstörung auch Umweltverschmutzung und die Ausbreitung von Infektionskrankheiten, z.B. Chytridiomykose, verantwortlich sind. Reaktionen auf solche Faktoren können vielschichtig sein und fast unmerklich bleiben, was bedeutet, dass sie nicht auf Artniveau, sondern nur auf genetischer Ebene erfasst werden können. Hinzu kommt, dass die aktuellen Muster der Biodiversität auf den Einfluss vergangener Veränderungen hinsichtlich Geologie, Klima und Umwelt zurückgeführt werden können ...
KW  - Kilimandscharo
KW  - biodiversity
KW  - Amphibien
KW  - Lurche
KW  - Biodiversität
KW  - Vielfalt
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-91792
ER  - 
TY  - THES
A1  - Sun, Ping
T1  - Alzheimer`s disease and brain insulin resistance:  The diabetes inducing drug streptozotocin diminishes adult neurogenesis in the rat hippocampus – an in vivo and in vitro study
T1  - Alzheimer-Krankheit und Insulinresistenz im Gehirn: Streptozotocin, das Änderungen im Insulinstoffwechsel hervorruft, reduziert die Neubildung von Neuronen im Hippocampus von adulten Ratten - In vivo- und In vitro-Untersuchungen
N2  - Alzheimer’s disease (AD) is the most prevalent neurodegenerative disease of the brain, which is characterized by a progressive loss of memory and spatial orientation. Only less than 5-10% of AD sufferers are familial cases due to genetic mutations in the amyloid precursor protein (APP) gene or presenilin (PS) 1 and 2 genes. The cause of sporadic AD (sAD) which covers > 95% of AD patients is still unknown. Current research found interactions between aging, diabetes and cognitive decline including dementia in general and in AD in particular. Disturbances of brain glucose uptake, glucose tolerance and utilization and impairment of the insulin/insulin receptor (IR) signaling cascade are thought to be key targets for the development of sAD. 

In the brain of AD patients, neural plasticity is impaired indicated by synaptic and neuronal loss. Adult neurogenesis (AN), the generation of functional neurons in the adult brain, may be able to restore neurological function deficits through the integration of newborn neurons into existing neural networks. The dentate gyrus of the hippocampus is one out of few brain regions where life-long AN exists. However, there is a big controversy in literature regarding the involvement of AN in AD pathology. Most animal studies used transgenic mice based on the Amyloid ß (Aß) hypothesis which primarily act as models for the familial form of AD. Findings from human post mortem AN studies were also inconstistent. In this thesis, we focused on the possible involvement of AN in the pathogenesis of the sporadic form of AD. Streptozotocin intracerebroventricularily (STZ icv) treated rats, which develop an insulin-resistant brain state and learning and memory deficits preceding Aß pathology act as an appropriate animal model for sAD. We used STZ treatment for both parts of my work, for the in vivo and in vitro study.

In the first part of my thesis, my coworkers and I investigated STZ icv treatment effects on different stages of AN in an in vivo approach. Even if STZ icv treatment does not seem to considerably influence stem cell proliferation over a short-term (1 month after STZ icv treatment) as well as in a long-term (3 months after STZ icv treatment) period, it results in significantly less immature and newborn mature neurons 3 months after STZ icv treatment. This reduction detected after 3 months was specific for the septal hippocampus, discussed to be important for spatial learning. Subsequently we performed co-localization studies with antibodies detecting BrdU (applied appr. 27 days before sacrifice) and cell-type specific markers such as NeuN, and GFAP, we found that STZ treatment does not affect the differentiation fate of newly generated cells. Phenotype analysis of BrdU-positive cells in the hilus and molecular layer revealed that some of the BrdU-positive cells are newborn oligodendrocytes but not newborn microglia.

In the second part of my thesis I worked with cultured neural stem cells (NSCs) isolated from the adult rat hippocampus to reveal STZ effects on the proliferation of of NSCs, and on the survival and differentiation of their progeny. Furthermore, this in vitro approach enabled me to study cellular mechanisms underlying the observed impaired neurogenesis in the hippocampus of STZ-treated rats. In contrast to our findings of the STZ icv in vivo study we revealed that STZ supplied with the cell culture medium inhibits the proliferation of NSCs in a dose-dependent and time-dependent manner. Moreover, performing immunofluorescence studies with antibodies detecting cell-type specific markers after triggering NSCs to differentiate, we could show that STZ treatment affects the number of newly generated neurons but not of astrocytes. Analyzing newborn cells starting to differentiate and migrate I was able to demonstrate that STZ has no effect on the migration of newborn cells. Trying to reveal cellular mechanisms underlying the negative influence of STZ on hippocampal AN, we performed qRT-PCR and immunofluorescence staining and thus could show that in NSCs the expression of glucose transporter (GLUT)3 mRNA as well as IR and GLUT3 protein levels are reduced after STZ treatment. Therefore, the inhibition of the proliferation of NSCs may be (at least partially) caused by these two molecules. Interestingly, the effect of STZ on differentiating cells was shown to be different, as IR protein expression was not significantly changed but GLUT3 protein levels were decreased in consequence of STZ treatment. 

In summary, this project delivered further insights into the interrelation between AN the sporadic form of sAD and thus provides a basis of new therapeutic approaches in sAD treatment through intervening AN. Discrepancies between the results of the two parts of my thesis, the in vivo and in vitro part, were certainly caused to a certain extent by the missing microenvironment in the in vitro approach with cultured NSCs.  Future studies e.g. using co-culture systems could at least minimize the effect of a missing natural microenvironment of cultured NSCs, so that the use of an in vitro approach for the investigation of STZ treatment underlying cellular mechanisms can be improved.
N2  - Die Alzheimer-Krankheit (AK) ist die häufigste neurodegenerative Erkrankung weltweit. Nur etwa 5 bis 10% der Betroffenen leiden an der familiären Form, die auf bestimmten Mutationen in einzelnen Genen, wie z.B. dem Amyloid precursor protein (APP)-Gen, zurückzuführen ist. Die Ursache der sporadischen Form der AK  (sAK), die mehr als 95% der Betroffenen ausmacht, ist hingegen noch weitgehend unbekannt. Jüngste Erkenntnisse weisen auf eine Wechselwirkung von hohem Alter, Stoffwechselkrankheiten wie z.B. Diabetes, und kognitiven Defiziten, welche eine Demenz im Allgemeinen und die Alzheimer-Krankheit im Besonderen kennzeichnen, hin. Deshalb werden Störungen in der Glukoseaufnahme, in der Glukosetoleranz, und in der Funktion des Insulin/Insulinrezeptorsignalweges als Schlüsselelemente für die Entstehung einer sAK angesehen.

Die neuronale Plastizität der Gehirne von AK-Patienten ist stark eingeschränkt, was sich vor allem durch den Verlust von Synapsen als auch durch den Verlust ganzer Nervenzellen zeigt. Die adulte Neurogenese (AN), die Neubildung von Neuronen im Gehirn von erwachsenen Individuen, könnte durch den Einbau neu gebildeter Neurone in existierende neuronale Netzwerke eine wichtige Rolle bei der Regenerierung  neurologischer Defizite spielen. Der Gyrus dentatus im Hippocampus ist eine der wenigen Gehirnregionen, in welcher lebenslang AN stattfindet. Jedoch ist noch unklar, ob eine veränderte AN an der Pathogenese der AK beteiligt ist. Es wurden bereits viele Untersuchungen zur AN in Tiermodellen durchgeführt, wobei die überwiegende Anzahl von bisher verwendeten Tiermodellen auf der Amyloid ß-(Aß) Hypothese basieren, und somit primär Modelle für die familiäre AK darstellen. Studien mit humanem post mortem-Gewebe gaben bisher jedoch auch noch keine klaren Hinweise auf die mögliche Bedeutung einer veränderten AN für die AK.

In dieser Thesis sollte die Rolle der AN für die Pathogenese der sAD untersucht werden. Dafür wurden Ratten mit Streptozotocin intracerebroventrikulär (STZ icv) behandelt. Diese so behandelten Ratten gelten als Tiermodell für die sAK, da sie bereits kurze Zeit nach ihrer STZ icv-Behandlung kognitive Defizite zeigen, ihr Gehirn eine Insulin-Resistenz entwickelt, und etwas später dann auch erste Anzeichen einer Aß-Pathologie nachweisbar sind.

Im ersten Teil dieser Arbeit wurde in einem in vivo-Ansatz der mögliche Einfluss einer STZ icv-Behandlung auf die verschiedenen Stadien der AN untersucht. Wir konnten zeigen, dass 1 Monat nach STZ icv-Behandlung weder die Proliferation neuraler Stammzellen (neural stem cells, NSCs) noch die Bildung junger Neurone verändert war, dass aber nach 3 Monaten signifikant weniger junge unreife und auch reife Neurone entstanden sind. Diese reduzierte Anzahl neu gebildeter Neurone konnte nur im septalen Teil des Hippocampus, dem eine bedeutende Rolle beim räumlichen Lernen zugesprochen wird, nachgewiesen werden. Durch eine quantitativ ausgewertete Ko-Lokalisationsstudie mit Antikörpern gegen Bromodesoxyuridin (BrdU) (mehrmalige i.p.-Gabe 27 Tage vor Gewebeentnahme) und zelltyp-spezifischen Markern wie dem Neuronenmarker NeuN und dem Marker für Astrozypen GFAP konnten wir zeigen, dass die STZ icv-Gabe nur die Anzahl der neu gebildeten Neuronen, aber nicht die Differenzierungsrichtung der neu gebildeten Zellen verändert.  Eine qualitative Phänotypanalyse BrdU-positiver Zellen ergab außerdem, dass im Hilus und in der Molekularschicht des Gyrus dentatus lokalisierte BrdU-positive Zellen neu gebildeten Oligodendrozyten, aber nicht neu gebildeten Mikrogliazellen, zugeordnet werden konnten. 

Im zweiten Teil meiner Arbeit habe ich NSCs aus dem adulten Hippocampus isoliert und kultiviert, um auch auf diese Art und Weise mögliche Effekte von STZ auf die Proliferation von NSCs als auch auf das Überleben und die Differenzierung von neu geborenen Zellen zu untersuchen. Ziel dieser in vitro-Studie war eine genauere Analyse der durch STZ-Gabe ausgelösten grundlegenden zellulären Mechanismen. Im Widerspruch zu den Ergebnissen der in vivo-Studie konnte ich einen Dosis- und Zeit-abhängigen negativen Effekt von STZ auf die Proliferation der NSCs zeigen. Darüber hinaus führte die Zugabe von STZ zum Medium letztendlich zu einer verringerten Bildung von Neuronen, die Neubildung von Astrozyten zeigte sich jedoch unverändert. In einem Test zur Untersuchung der Migration neu gebildeter Zellen konnte ich keinen Einfluss von STZ auf die Migration nachweisen. Weitere Analysen ergaben, dass die verringerte Proliferation der NSCs im Zusammenhang mit einer reduzierten mRNA- als auch Protein-Expression des Glukosetransporters(GLUT)3 und mit reduzierten Insulinrezeptorkonzentrationen stehen könnte.  In sich differenzierenden Zellen jedoch wurde neben einer ebenfalls reduzierten GLUT3- Proteinexpression keine veränderte Insulinrezeptorenausstattung detektiert. 

Zusammenfassend gibt die vorliegende Arbeit mithilfe des in vivo- als auch in vitro-Ansatzes Hinweise auf eine Bedeutung der hippocampalen AN für die Entstehung der sAK und bietet dadurch Ansatzpunkte für neue therapeutische Ansätze. Die im in vivo- und in vitro-Ansatz erzielten unterschiedlichen Resultate, die sicherlich zum Teil durch die fehlende Mikroumgebung der NSCs und sich differenzierenden Zellen im in vitro-Ansatz verursacht wurden, können in Zukunft z.B. durch Ko-Kulturen zumindest verringert werden, so dass mithilfe von in vitro-Ansätzen grundlegende zelluläre Mechanismen einer STZ-Effekts in Zukunft besser untersucht werden können.
KW  - Alzheimerkrankheit
KW  - Insulinresistenz
KW  - adult neurogenesis
KW  - streptozotocin
KW  - Alzheimer`s disease
KW  - insulin resistance
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-119252
ER  - 
TY  - THES
A1  - Wippel, Carolin
T1  - Alterations of brain dendrite and synapse structure by the Streptococcus pneumoniae neurotoxin pneumolysin - Insights and pharmacological modulation
T1  - Morphologische Veränderungen von Dendriten und Synapsen durch das Neurotoxin Pneumolysin - Einblicke und pharmakologischer Ansatz
N2  - Streptococcus pneumoniae (Pneumococcus) is one of the leading causes of childhood meningitis,pneumonia and sepsis. Despite the availability of childhood vaccination programs and antimicrobial agents, childhood pneumococcal meningitis is still a devastating illness with mortality rates among the highest of any cause of bacterial meningitis. Especially in low-income countries, where medical care is less accessible, mortality rates up to 50 % have been reported. In surviving patients, neurological sequelae, including hearing loss, focal neurological deficits and cognitive impairment, is reported in 30 to 50 %. Growing resistance of pneumococci towards conventional antibiotics emphasize the need for effective therapies and development of effective vaccines against Streptococcus pneumoniae. One major virulence factor of Streptococcus pneumoniae is the protein toxin Pneumolysin (PLY). PLY belongs to a family of structurally related toxins, the so-called cholesterol-dependent cytolysins (CDCs). Pneumolysin is produced by almost all clinical isolates of the bacterium. It is expressed during the late log phase of bacterial growth and gets released mainly through spontaneous autolysis of the bacterial cell. After binding to cholesterol in the host cell membranes, oligomerization of up to 50 toxin monomers and rearrangement of the protein structure, PLY forms large pores, leading to cell lysis in higher toxin concentrations. At sub-lytic concentrations, however, PLY mediates several other effects, such as activation of the classic complement pathway and the induction of apoptosis. First experiments with pneumococcal strains, deficient in pneumolysin, showed a reduced virulence of the organism, which emphasizes the contribution of this toxin to the course of bacterial meningitis and the urgent need for the understanding of the multiple mechanisms leading to invasive pneumococcal disease. The aim of this thesis was to shed light on the contribution of pneumolysin to the course of the disease as well as to the mental illness patients are suffering from after recovery from pneumococcal meningitis. Therefore, we firstly investigated the effects of sub-lytic pneumolysin concentrations onto primary mouse neurons, transfected with a GFP construct and imaged with the help of laser scanning confocal microscopy. We discovered two major morphological changes in the dendrites of primary mouse neurons: The formation of focal swellings along the dendrites (so-called varicosities) and the reduction of dendritic spines. To study these effects in a more complex system, closer to the in vivo situation, we established a reproducible method for acute brain slice culturing. With the help of this culturing method, we were able to discover the same morphological changes in dendrites upon challenge with sub-lytic concentrations of pneumolysin. We were able to reverse the seen alterations in dendritic structure with the help of two antagonists of the NMDA receptor, connecting the toxin´s mode of action to a non-physiological stimulation of this subtype of glutamate receptors. The loss of dendritic spines (representing the postsynapse) in our brain slice model could be verified with the help of brain slices from adult mice, suffering from pneumococcal meningitis. By immunohistochemical staining with an antibody against synapsin I, serving as a presynaptic marker, we were able to identify a reduction of synapsin I in the cortex of mice, infected with a pneumococcal strain which is capable of producing pneumolysin. The reduction of synapsin I was higher in these brain slices compared to mice infected with a pneumococcal strain which is not capable of producing pneumolysin, illustrating a clear role for the toxin in the reduction of dendritic spines. The fact that the seen effects weren´t abolished under calcium free conditions clarifies that not only the influx of calcium through the pneumolysin-pore is responsible for the alterations. These findings were further supported by calcium imaging experiments, where an inhibitor of the NMDA receptor was capable of delaying the time point, when the maximum of calcium influx upon PLY challenge was reached. Additionally, we were able to observe the dendritic beadings with the help of immunohistochemistry with an antibody against MAP2, a neuron-specific cytoskeletal protein. These observations also connect pneumolysin´s mode of action to excitotoxicity, as several studies mention the aggregation of MAP2 in dendritic beadings in response to excitotoxic stimuli. All in all, this is the first study connecting pneumolysin to excitotoxic events, which might be a novel chance to tie in other options of treatment for patients suffering from pneumococcal meningitis.
N2  - Streptococcus pneumoniae ist einer der Hauptauslöser für bakterielle Meningitis, Lungenentzündung und Sepsis. Ungeachtet der Tatsache, dass es heutzutage viele Impfprogramme zur Prävention, sowie Antibiotika zur Behandlung gibt, ist die bakterielle Meningitis im Kindesalter, ausgelöst durch S. pneumoniae, immer noch eine ernstzunehmende Krankheit mit Sterberaten von bis zu 50 %. Bei 30 bis 50 % der Patienten, die die Krankheit überstehen, bleiben teilweise schwere neurologische Störungen zurück. Die steigende Resistenz des Erregers gegenüber herkömmlichen Antibiotika macht zudem die Dringlichkeit zur Entwicklung effektiver Therapieansätze deutlich. Ein Hauptpathogenitätsfaktor von Streptococcus pneumoniae ist das Proteintoxin Pneumolysin (PLY). PLY gehört zu einer Familie strukturell verwandter Toxine; die sogenannten cholesterinabhängigen Cytolysine (CDCs). Das Toxin wird hauptsächlich nach spontaner Autolyse des Bakteriums freigesetzt. Nach Bindung des Proteins an das Cholesterin in den Zellmembranen des Wirtsorganismus, Oligomerisierung von bis zu 50 Toxinmonomeren und Umordnung der Proteinstruktur, bildet das Toxin Poren in der Zellmembran, die in höheren Konzentrationen von PLY zur Zelllyse führen. In niedrigeren Konzentrationen löst das Toxin jedoch verschiedene andere Prozesse, darunter Apoptose und Aktivierung des Komplementsystems, aus. Erste Experimente, die mit einem mutierten Pneumokokkenstamm (unfähig, Pneumolysin zu exprimieren) durchgeführt wurden, konnten eine reduzierte Virulez des Erregers zeigen, was die Beteiligung des Toxins am Verlauf der Krankheit verdeutlicht. Ziel vorliegender Arbeit war, die Beteiligung von Pneumolysin sowohl am Verlauf der bakteriellen Meningitis, hervorgerufen durch Pneumolysin, zu erforschen, als auch dessen Beteiligung an der Entstehung von neurologischen Störungen, wie sie auch nach Rehabilitation von einer Meningitis noch bestehen können. Dafür wurden zuerst die Effekte von sublytischen Konzentrationen des Toxins auf primäre Mausneuronen (transfiziert mit GFP und mit Hilfe eines Konfokalmikroskopes aufgenommen) erfasst. Dabei zeigten sich hauptsächlich zwei morphologische Veränderungen in den Dendriten der mikroskopierten Neurone: Die Entstehung von fokalen Schwellungen der Dendriten (sogenannte „varicosities“) sowie eine Verminderung der Anzahl von dendritischen Dornfortsätzen (sogenannte „dendritic spines“). Um diese Effekte in einem komplexeren System näher untersuchen zu können, entwickelten wir eine reproduzierbare Methode um akute Gehirnschnitte über längere Zeit kultivieren zu können. Mithilfe dieser Methode konnten wir die Veränderungen, die wir schon in der Primärkultur beobachteten, ebenso nachweisen. Die Entwicklung der fokalen Schwellungen der Dendriten konnten mithilfe zweier Antagonisten des NMDA Rezeptors rückgängig gemacht werden, wodurch erstmals eine Verbindung der Effekte mit einer Aktivierung von Glutamatrezeptoren aufgezeigt wurde. Die Verminderung der Anzahl dendritischer Dornfortsätze im Gehirnschnittmodell wurde untermauert von den Ergebnissen, die wir durch Gehirnschnitte von Mäusen, die tatsächlich an pneumokokkaler Meningitis erkrankt waren, erlangen konnten. Durch immunohistologische Färbungen mit einem Antikörper gegen Synapsin I (ein präsynaptisches Protein) konnten wir eine Reduktion dieses Proteins im Cortex erkrankter Mäuse nachweisen. Die Tatsache, dass die morphologischen Veränderungen der Dendriten ebenfalls in calciumfreiem Puffer beobachtet werden konnten, macht deutlich, dass nicht nur der Calciuminflux durch die Pneumolysinpore verantwortlich ist für dessen Neurotoxizität. Diese These wird untermauert durch die Ergebnisse, die wir mithilfe der Calciummikroskopie erhielten: Die Applikation eines Antagonisten des NMDA Rezeptors konnte den Zeitpunkt des maximalen Calciuminfluxes in die Zelle nach Behandlung mit Pneumolysin hinauszögern. Zudem konnten wir die Schwellungen in den Dendriten auch durch einen Antikörper gegen MAP2 (ein neuronenspezifisches Protein des Zytoskeletts) darstellen, was ebenfalls eine Verbindung von Pneumolysin zu „excitotoxicity“ (Toxizität aufgrund einer Übererregung von Glutamatrezeptoren) darstellt, da verschiedene Studien die Aggregation von MAP2 in fokalen dendritischen Schwellungen als Reaktion auf die Einwirkung von „excitotoxischen“ Stimuli nachweisen konnten. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass dies die erste Studie ist, die Pneumolysin in Zusammenhang mit einer Überaktivierung von Glutamatrezeptoren bringt, was eine komplett neue Sichtweise darstellt und eventuell neue Möglichkeiten der Therapie für Patienten, die an dieser Form der bakteriellen Hirnhautentzündung leiden, eröffnet.
KW  - Nervenzelle
KW  - Nervennetz
KW  - Bakterien
KW  - Bakterielle Hirnhautentzündung
KW  - Bakteriengift
KW  - Bacterial meningitis
KW  - Pneumolysin
KW  - Excitotoxicity
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-72016
ER  - 
TY  - THES
A1  - Karikari, Akua Afriyie
T1  - Alpha Synuclein Specific T Lymphocytes Promote Neurodegeneration in the A53T-α-synuclein Parkinson's Disease Mouse Model
T1  - Alpha Synuclein-spezifische T Lymphocytes verursachen Neurodegeneration im A53T-α-synuclein Parkinson-Krankheitsmodell
N2  - Parkinson’s disease (PD), which is the most common motor neurodegenerative disorder has attracted a tremendous amount of research advancement amid the challenges of the lack of an appropriate model that summate all the features of the human disease. Nevertheless, an aspect of the disease that is yet to be fully elucidated is the role of the immune system particularly the adaptive arm in the pathogenesis of PD. The focus of this study therefore was to characterize the contribution of lymphocytes in PD using the AAV1/2-A53T-α-synuclein mouse model of the disease that encodes for human mutated A53T-α-synuclein. This model was suitable for this research because it reflects more faithfully the molecular pathology underlying the human disease by exhibition of insoluble α-synuclein containing Lewy-like protein aggregates as compared to the more classical toxin models used in PD research. The outcome of this study showed that stereotaxic delivery of pathogenic α-synuclein via a viral vector into the substantia nigra engender the invasion of activated CD4+ and CD8+ T lymphocytes in the brain. The invasion of activated T cells in the brain especially in the substantia nigra then results in enhanced microglial activation and the disintegration of dopaminergic neurons. In addition, it was also discovered that CD4+ T cells augmented dopaminergic cell death to a greater extent than CD8+ T cells although; axonal degeneration occurred relatively independent from T cells contribution. The ex vivo and in vitro, experiments also indicated that the T cells were not only activated but they were specific to the mutated human α-synuclein antigen. As a result, they demonstrated selectivity in inducing more cell death to primary hippocampal neurons transduced with AAV1/2-A53T-α-synuclein vector than neurons with empty viral vector infection. The mechanism of T cell induced neuronal cell loss could not be attributed to the presence of cytokines neither was it mediated through MHC I and II. On the whole, this research has established that the presence of pathogenic α-synuclein in the substantia nigra has the potential to trigger immune responses that involve the transmigration of adaptive immune cells into the brain. The infiltration of the T cells consequently has a detrimental effect on the survival of dopaminergic neurons and the progression of the disease
N2  - Der M. Parkinson (PD) ist die am häufigsten auftretende motorische neurodegenerative Erkrankung weltweit. Trotz des Fehlens eines geeigneten Tiermodells, das alle Merkmale der menschlichen Krankheit widerspiegelt, kann die Parkinsonforschung in letzter Zeit einen enormen Fortschritt verzeichnen. Dennoch ist ein Aspekt der Krankheit, der noch nicht vollständig geklärt wurde, die Rolle von Immunzellen, insbesondere des adaptiven Arms in der Pathogenese der PD. Der Fokus dieser Studie lag daher auf der Charakterisierung des Beitrags von T-Zellen in der PD unter Verwendung des humanen mutierten AAV1/2-A53T-α- Synuclein-Mausmodells der Parkinsonkrankheit. Dieses Modell war für die vorliegende Arbeit optimal geeignet, da es die molekulare Pathologie der menschlichen Krankheit im Gegensatz zu den klassischen Toxinmodellen in der PD-Forschung besser widerspiegelt. Das Ergebnis dieser Studie zeigte, dass die stereotaktische Injektion von pathogenem α-synuclein über einen viralen Vektor in die Substantia nigra die Infiltration aktivierter CD4+ - und CD8+ T-Lymphozyten im Gehirn hervorruft. Die Einwanderung aktivierter T-Zellen im Gehirn, insbesondere in der Substantia nigra, führte begleitet durch eine verstärkte Mikroglia- Aktivierung zum Verlust dopaminerger Neurone. Darüber hinaus wurde beobachtet, dass CD4+ T-Zellen den Untergang von dopaminergen Neuronen in einem größeren Ausmaß als CD8+ T-Zellen verursachten. Interessanterweise trat die axonale Degeneration dopaminerger Fasern im Striatum relativ unabhängig von den T-Zellen auf. Durch ex vivo und in vitro Experimente konnte nachgewiesen werden, dass die T-Zellen nicht nur aktiviert waren, sondern auch antigenspezifisch gegen das mutierte humane α-Synuclein-Antigen reagierten. Als Ergebnis zeigten sie Selektivität bei der Herbeiführung eines höheren Zelltods für Dabei zeigten AAV1/2-A53T-α-Synuclein-Vektor transduzierte primäre Hippocampus-Neurone einen verstärkten Zelltod durch Inkubation mit T-Zellen aus dem Gehirn von AAV1/2-A53T- α-Synuclein-Vektor injizierten Mäusen als Neurone nach Injektion mit leerem AAV. Der Mechanismus des durch T-Zellen induzierten neuronalen Zellverlusts konnte nicht auf das Vorhandensein von Zytokinen zurückgeführt werden. Insgesamt konnte diese Arbeit zeigen, dass das Vorhandensein von pathogenem α-synuclein in der Substantia nigra in dem AAV1/2- A53T-α-synuclein Mausmodell des PD das Potenzial hat, Immunreaktionen auszulösen, welche die Transmigration adaptiver Immunzellen in das Gehirn und einen konsekutiven Verlust dopaminerger Neurone verursachen.
KW  - Parkinson-Krankheit
KW  - α-synuclein
KW  - T cell specificity
KW  - Parkinson's disease
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-183080
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TY  - THES
A1  - Fichtner, Alina Suzann
T1  - Alpaca, armadillo and cotton rat as new animal models for nonconventional T cells: Identification of cell populations and analysis of antigen receptors and ligands
T1  - Alpaka, Gürteltier und Baumwollratte als neue Tiermodelle für nichtkonventionelle T-Zellen: Identifikation von Zellpopulationen und Analyse von Antigenrezeptoren und Liganden
N2  - In this thesis, three species were investigated for the conservation of two non-conventional T cell systems, the CD1d/ iNKT cell system and the BTN3/ Vγ9Vδ2 T cell system. Non-conventional T cells are αβ or γδ T cells that do not fit into the classical mode of antigen recognition and adaptive responses. These T cells recognize antigens different from classical peptide antigens and are not restricted to the polymorphic MHC molecules but rather to non-polymorphic antigen-presenting molecules. The iNKT cell subset is restricted by the lipid antigen-presenting molecule CD1d and carries out immunomodulatory functions by rapid cytokine secretion. The molecular basis of this system, the semi-invariant iNKT TCR chains and CD1d were proven to be expressed and compared to homologs in human and rodents. Cotton rats possess multiple members of the AV14 and BV8 family and only one isoform of CD1d which is comparable to findings in the rat.
Moreover, the reactivity of primary cells to glycolipid antigens could be shown, and an iNKT
cell-like population was detected in primary cells using newly developed cotton rat CD1d oligomers. These were also applied to test the capacity of CD1d to present typical glycolipid
antigens to iNKT TCR transductants. In addition, expression of cotton rat iNKT TCR α and β chains in TCR-negative cell lines was used to show successful pairing and detection of glycolipids in the context of CD1d. In summary, the conservation of a functional CD1d/iNKT cell system in the cotton rat could be shown, and tools were developed to study this cell subset in the course of infectious diseases. The Vγ9Vδ2 T cell subset is the major γδ T cell subset in human peripheral blood and has the unique ability to contribute to immune surveillance by detecting pyrophosphorylated metabolites of isoprenoid synthesis that indicate cell stress, transformation or infection. Up to this date, phosphoantigen-reactive γδ T cells have only been shown in primate species. However, evidence for the existence and functional conservation of the genes implied in the BTN3/Vγ9Vδ2 T cell system was found in several placental mammal species,
and two candidate species were chosen for further investigation. The nine-banded armadillo, a valuable model for leprosy research, was shown to possess homologous genes to TRGV9, TRDV2 and BTN3. In this study, the expression of productive rearrangements of TRDV2 gene segments could be shown in peripheral blood samples, but no evidence was found for the expression of a functional TRGV9 rearrangement or BTN3 molecules. Moreover, determinants of phosphoantigen-reactive Vγ9Vδ2 T cells and functional BTN3 molecules were found to still be prevalent in armadillo genes. This makes the armadillo an interesting model to study the structural determinants that allow phosphoantigen recognition by a functional Vγ9Vδ2 T cell subset although this species is merely a witness for a functional system in a placental mammal ancestor. In contrast, alpacas were shown to express functional Vγ9Vδ2 T cells which conserved many features of the human counterpart. Expression of Vγ9Vδ2 pairings could be shown by single-cell PCR and functional phosphoantigenreactive pairings were observed. This phosphoantigen reactivity was also shown in PBMC cultures with a newly developed antibody specific for alpaca Vδ2Jδ4 chains. Moreover, a more detailed study of the alpaca TCR repertoire showed similarities to “γδ high” species like
camelids and cattle which possess an extended family of TRDV genes. The γ and δ loci of alpaca
TCR genes were drafted based on genomic information and cDNA studies and provide an overview for more detailed studies. Conservation of phosphoantigen recognition by the single BTN3 molecule of alpacas was shown in 293T knock out cell lines, and BTN3 detection on PBMCs was investigated with a newly developed alpaca BTN3-specific antibody. These findings prove the existence of a functional BTN3-dependent phosphoantigen-reactive Vγ9Vδ2 T cell subset and provide a basis for the future study of this cell system in a non-primate species. Moreover, as the first non-primate candidate species with the BTN3/Vγ9Vδ2 T cell system the alpaca is an important outgroup for research in this field. The use of a single BTN3 variant in contrast to three human isoforms that work together renders the alpaca a unique and to this date indispensable model for Vγ9Vδ2 T cells. 
In conclusion, this study provides an overview of the applicability of new animal models in the
study of the non-conventional T cell subsets iNKT cells and Vγ9Vδ2 T cells and leads the way for a better understanding of structural and functional relationships.
N2  - In dieser Arbeit wurden drei Spezies hinsichtlich ihrer Konservierung von unkonventionellen T-Zellen und ihren Interaktionspartnern, dem CD1d/iNKT-Zellsystem und dem BTN3/Vγ9Vδ2 T-Zellsystem, untersucht. Nicht-konventionelle T-Zellen sind αβ oder γδ T-Zellen, die nicht in das klassische Schema der adaptiven Immunantwort und Peptidantigenerkennung via MHC passen. Diese speziellen T-Zellen erkennen andere Antigene und unterliegen nicht der MHC-Restriktion, sondern interagieren mit meist nicht-polymorphen antigenpräsentierenden Molekülen. 
iNKT-Zellen erkennen Lipide, die von CD1d präsentiert werden, und führen immunmodulatorische Funktionen durch schnelle Zytokinproduktion aus. Charakteristisch ist die Expression einer semi-invarianten TCR α-Kette mit einer AV14/AJ18-Umlagerung in Mäusen und Ratten und der homologen Umlagerung AV24/AJ18 im Menschen. Diese α-Kette liegt gepaart mit bestimmten β-Ketten vor, die Diversität in der CDR3 Region aufweisen. Die Erforschung von iNKT-Zellen in der Baumwollratte, einem Modellorganismus für Infektionen mit humanen Viren, war bislang durch das Fehlen von genomischen Daten und Methoden eingeschränkt. Daher wurde die Konservierung von iNKT-Zellen und ihrem antigenpräsentierenden Molekül CD1d in der Baumwollratte untersucht. Die Expression der molekularen Bestandteile dieses Systems, die iNKT α-Kette, typische β-Ketten und CD1d, konnte bestätigt werden und mit den homologen Molekülen in Menschen und Nagern verglichen werden.
Baumwollratten besitzen, vergleichbar mit Ratten, mehrere Mitglieder der AV14- und BV8-Familie und nur eine CD1d Variante. Zudem konnte die Reaktivität von primären Baumwollrattenzellen gegenüber typischen iNKT-Zell-Antigenen gezeigt werden und iNKT-Zellpopulationen in primären Zellen wurden mithilfe von CD1d-Multimeren gefärbt. Diese wurden auch zum Test der Funktionalität von CD1d herangezogen. Zusätzlich wurden iNKT TCR-Ketten in TCR-negativen Zelllinien exprimiert und so Paarung und Glykolipiderkennung gezeigt. Zusammenfassend konnte die Konservierung des CD1d/iNKT-Zellsystems in der Baumwollratte bewiesen werden Methoden entwickelt werden, die eine Erforschung der Bedeutung von iNKT-Zellen in Virusinfektionen in diesem Modellorganismus ermöglichen.
Vγ9Vδ2 T-Zellen sind die Hauptpopulation von γδ T-Zellen im Blut des Menschen und haben die einzigartige Fähigkeit Metabolite des Isoprenoidstoffwechsels zu erkennen und dadurch zur Immunüberwachung beizutragen. Diese Moleküle sind ein Indiz für Zellstress, Transformation oder Infektionen. Bis jetzt wurden funktionelle Vγ9Vδ2 T-Zellen nur in Vertretern der Primaten gezeigt, die Gene dieses Systems sind allerdings in mehreren höheren Säugetieren konserviert. Zwei Kandidaten für ein funktionelles BTN3/Vγ9Vδ2 T-Zellsystem wurden in dieser Arbeit näher betrachtet. Das Neunbinden-Gürteltier ist ein Modellorganismus der Lepraforschung und die Konservierung von TRGV9, TRDV2 und BTN3 Homologen wurde in dieser Spezies gezeigt. Die Expression von produktiven TRDV2-Umlagerungen konnte im Blut dieser Tiere nachgewiesen werden, es wurde jedoch kein Hinweis auf die Expression von γ-Ketten mit TRGV9 Gensegmenten oder
BTN3 Transkripten gefunden. Zusätzlich konnten charakteristische Merkmale von Phosphoantigen-reaktiven menschlichen Vγ9Vδ2 T-Zellen und BTN3 gefunden werden, die immer noch im Gürteltier
angelegt sind. Dadurch bietet sich das Neunbinden-Gürteltier als Modell für die Erforschung von strukturellen Faktoren an, die Phosphoantigen-Erkennung durch funktionelle Vγ9Vδ2 T Zellen ermöglichen. Generell ist dieser Modellorganismus aber eher ein Zeuge für ein funktionelles BTN3/VγVδ2 T-Zellsystem in einem gemeinsamen Vorfahren. Im Gegensatz dazu wurden in Alpakas funktionelle Vγ9Vδ2 T-Zellen nachgewiesen, die viele Charakteristiken menschlicher phosphoantigen-reaktiver Vγ9Vδ2 T-Zellen, z.B. TRGJP Verwendung und CDR3 Längenrestriktion, aufweisen. Die Expression von Vγ9Vδ2 Paarungen im Alpaka konnte durch Einzelzell-PCR gezeigt werden und einige Paarungen waren in der Lage Phosphoantigene zu erkennen. Diese Reaktivität wurde, mithilfe von neu entwickelten Vδ2Jδ4-spezifischen Antikörpern, auch in PBMC Kulturen nachgewiesen. Weiterhin wurden Ähnlichkeiten des Alpakas mit „γδ high“ Spezies, z. B. Kamele und Rinder, durch eine erweiterte Untersuchung des TCR-Repertoires aufgezeigt. Schematische Darstellungen der TCR-γ und -δ Loci wurden basierend auf genomischen Daten und cDNA Analysen angefertigt und ermöglichen eine Übersicht für genauere Untersuchungen. Die Konservierung der Phosphoantigen-Bindung zu Alpaka BTN3 konnte durch Gen Knock-out Zelllinien bestätigt werden und die BTN3 Expression wurde mit neuen Alpaka BTN3-spezifischen Antikörpern untersucht. Diese
Ergebnisse beweisen die Existenz einer BTN3-abhängigen Phosphoantigen-reaktiven Vγ9Vδ2 T-Zellpopulation im Alpaka und liefern eine Basis für zukünftige Studien dieses Systems. Weiterhin ist das Alpaka als erste nicht-Primaten Spezies eine wichtige Außengruppe für die Forschung in diesem Feld und ein bis jetzt einzigartiges und unersetzliches Modell für die Verwendung nur einer BTN3 Isoform in einem funktionellen BTN3/Vγ9Vδ2 T-Zellsystem. Abschließend lässt sich sagen, dass in dieser Arbeit eine Übersicht der Eignung von neuen Tiermodellen für die Untersuchung zweier nicht-konventioneller T-Zellpopulationen, der iNKT und Vγ9Vδ2 T-Zellen, geschaffen wurde. Dies ermöglicht weitere Untersuchungen zum besseren Verständnis von strukturellen und funktionellen Interaktionen.
KW  - T-Lymphozyt
KW  - Immunologie
KW  - Immunmodulation
KW  - Evolution
KW  - Non-conventional T cell
KW  - Vgamma9Vdelta2 T cell
KW  - Butyrophilin
KW  - Phosphoantigen
KW  - iNKT cell
KW  - CD1d
KW  - Glycolipid
KW  - T cell activation
KW  - Antigen recognition
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-169108
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TY  - THES
A1  - Jürges, Christopher Sebastian
T1  - Algorithmic methods for elucidating the transcriptomic landscape of herpesviruses
T1  - Algorithmische Methoden zur Aufklärung der transkriptomischen
Landschaft von Herpesviren
N2  - Transcription describes the process of converting the information contained in DNA into RNA. Although, tremendous progress has been made in recent decades to uncover this complex mechanism, it is still not fully understood. Given the advances and reduction in cost of high-throughput sequencing experiments, more and more data have been generated to help elucidating this complex process. Importantly, these sequencing experiments produce massive amounts of data that are incomprehensible in their raw form for humans. Further, sequencing techniques are not always 100% accurate and are subject to a certain degree of variability and, in special cases, they might introduce technical artifacts. Thus, computational and statistical methods are indispensable to uncover the information buried in these datasets.
In this thesis, I worked with multiple high throughput datasets from herpes simplex virus 1 (HSV-1) and human cytomegalovirus (HCMV) infections. During the last decade, it has became clear that a gene might not have a single, but multiple sites at which transcription initiates. These multiple transcription start sites (TiSS) demonstrated to have regulatory effects on the gene itself depending on which TiSS is used. Specialized experimental approaches were developed to help identify TiSS (TiSS-profiling). In order to facilitate the identification of all potential TiSS that are used for cell type- and condition-specific transcription, I developed the tool iTiSS. By using a new general enrichment-based approach to predict TiSS, iTiSS proved to be applicable in integrated studies and made it less prone to false positives compared to other TiSS-calling tools. Another improvement in recent years was made in metabolic labeling experiments such as SLAM-seq. Here, they removed the time consuming and laborious step of physically separating new from old RNA in the samples. This was achieved by inducing specific nucleotide conversions in newly synthesized RNA that are later visible in the data. Consequently, the separation of new and old RNA is now done computationally and, hence, tools are needed that accurately quantify these fold-changes. My second tool that I developed, called GRAND-SLAM proved to be capable to accomplish this task and outperform competing programs. As both of my tools, iTiSS and GRAND-SLAM are not specifically tailored to my own goals, but could also facilitate the research of other groups in this field, I made them publicly available on GitHub.
I applied my tools to datasets generated in our lab as well as to publicly available data sets from HSV-1 and HCMV, respectively. For HSV-1, I was able to predict and validate TiSS with nucleotide precision using iTiSS. This has lead to the most comprehensive annotation for HSV-1 to date, which now serves as the fundamental basis of any future transcriptomic research on HSV-1. By combining both my tools, I was further able to uncover parts of the highly complex gene kinetics in HCMV and to resolve the limitations caused by the densely packed genome of HCMV.
With the ever-increasing advances in sequencing techniques and their decrease in cost, the amounts of data produced will continue to rise massively in the future. Additionally, more and more specialized omics approaches are appearing, calling for new tools to leverage their full information potential. Consequently, it has become apparent that specialized computational tools such as iTiSS and GRAND-SLAM are needed and will become an essential and indispensable part of the analysis.
N2  - Transkription beschreibt den Prozess des Umwandelns von DNA-Information in RNA- Information. Obwohl in den letzten Jahrzehnten enorme Fortschritte bei der Aufdeckung dieses komplexen Mechanismus erzielt wurden, ist dieser Prozess bis heute noch nicht vollends verstanden. Mit den Fortschritten und der Kostensenkung bei den Hochdurchsatzexperimenten wurden immer mehr Daten gewonnen, die zur Aufklärung dieses komplexen Prozesses beitragen. Diese Sequenzierungsexperimente erzeugen allerdings riesige Datenmengen, welche in ihrer Rohform für den Menschen unverständlich sind. Darüber hinaus sind Sequenzierungstechniken nicht immer zu 100% genau und unterliegen einer gewissen Variabilität. In besonderen Fällen können sie sogar technische Artefakte enthalten. Daher sind computergestützte und statistische Methoden unerlässlich, um die in diesen Datensätzen verborgenen Informationen aufzudecken.
In dieser Arbeit habe ich mit mehreren Hochdurchsatzdatensätzen von Herpes Simplex Virus 1 (HSV-1) und Humanem Cytomegalovirus (HCMV) gearbeitet. In den letzten Jahrzehnten wurde deutlich, dass ein Gen möglicherweise nicht nur eine einzige, sondern mehrere Transkriptionsstartpunkte (TiSS) besitzt. Diese multiplen TiSS haben nachweislich regulatorische Auswirkungen auf das Gen selbst, je nachdem, welche TiSS verwendet wird. Nachfolgend wurden demnach spezielle experimentelle Ans ̈atze entwickelt, um TiSS zu identifizieren (TiSS-Profiling). Um die Identifizierung aller potenziellen TiSS zu erleichtern, die für die zelltyp- und zustandsspezifische Transkription verwendet werden, habe ich das Programm iTiSS entwickelt. Durch die Verwendung eines neuen, auf allgemeiner Anreicherung basierenden Ansatzes zur Vorhersage von TiSS erwies sich iTiSS in integrier- ten Studien als anwendbar und war im Vergleich zu anderen TiSS-Erkennungsprogrammen weniger anfällig für falsch positive Ergebnisse. Eine weitere Verbesserung in jüngster Zeit wurde bei metabolischen Markierungsexperimenten wie SLAM-seq erzielt. Hier wurde der zeitaufwändige und mühsame Schritt der physischen Trennung von neuer und alter RNA in den Proben entfernt. Dies wurde erreicht, indem spezifische Nukleotidumwandlungen in neu synthetisierter RNA induziert wurden, die später in den Daten sichtbar sind. Da- her wird die Trennung von neuer und alter RNA jetzt per Computer vorgenommen. Dies benötigt daraufhin nun aber neue Programme, welche in der Lage sind diese Werte genau zu quantifizieren. Mein zweites von mir entwickeltes Tool namens GRAND-SLAM hat sich als fähig erwiesen, diese Aufgabe zu erfüllen und übertraf konkurrierende Programme. Da meine beiden Tools, iTiSS und GRAND-SLAM, nicht speziell auf meine eigenen Ziele zugeschnitten sind, sondern auch die Forschung anderer Gruppen in diesem Bereich erleichtern könnten, habe ich sie auf GitHub öffentlich zugänglich gemacht.
Ich habe meine Tools auf Datensätze angewandt, die in unserem Labor erzeugt wurden, sowie auf öffentlich verfügbare Datensätze von HSV-1 bzw. HCMV. Fu ̈r HSV-1 konnte ich mit iTiSS TiSS mit Nukleotidpräzision vorhersagen und validieren. Dies hat zu der bisher umfassendsten Annotation für HSV-1 geführt, die nun als grundlegende Basis für jede zukünftige transkriptomische Forschung zu HSV-1 dient. Durch die Kombination meiner beiden Programme konnte ich außerdem Teile der hochkomplexen Genkinetik von HCMV aufdecken und die durch das dicht gepackte Genom von HCMV verursachten Einschränkungen überwinden.
Mit den zunehmenden Fortschritten bei den Sequenzierungstechniken und den sinkenden Kosten wird die Menge der produzierten Daten in Zukunft weiter massiv ansteigen. Darüber hinaus gibt es immer mehr spezialisierte ”Omics”-Ansätze, die neue Programme erfordern, um ihr Informationspotenzial vollständig auszuschöpfen. Folglich ist es offensichtlich geworden, dass spezialisierte Computerprogramme wie iTiSS und GRAND-SLAM benötigt werden und zu einem wesentlichen und unverzichtbaren Teil der Analyse werden.
KW  - Herpesviren
KW  - Herpesviruses
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-272825
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TY  - THES
A1  - Yuan, Xidi
T1  - Aging and inflammation in the peripheral nervous system
T1  - Altern und Entzündung im peripheren Nervensystem
N2  - Aging is known to be a risk factor for structural abnormalities and functional decline in the nervous system. Characterizing age-related changes is important to identify putative pathways to overcome deleterious effects and improve life quality for the elderly. In this study, the peripheral nervous system of 24-month-old aged C57BL/6 mice has been investigated and compared to 12-month-old adult mice. Aged mice showed pathological alterations in their peripheral nerves similar to nerve biopsies from elderly human individuals, with nerve fibers showing demyelination and axonal damage. Such changes were lacking in nerves of adult 12-month-old mice and adult, non-aged humans. Moreover, neuromuscular junctions of 24-month-old mice showed increased denervation compared to adult mice. These alterations were accompanied by elevated numbers of macrophages in the peripheral nerves of aged mice. The neuroinflammatory conditions were associated with impaired myelin integrity and with a decline of nerve conduction properties and muscle strength in aged mice. 
To determine the pathological impact of macrophages in the aging mice, macrophage depletion was performed in mice by oral administration of CSF-1R specific kinase (c-FMS) inhibitor PLX5622 (300 mg/kg body weight), which reduced the number of macrophages in the peripheral nerves by 70%. The treated mice showed attenuated demyelination, less muscle denervation and preserved muscle strength. This indicates that macrophage-driven inflammation in the peripheral nerves is partially responsible for the age-related neuropathy in mice. 
Based on previous observations that systemic inflammation can accelerate disease progression in mouse models of neurodegenerative diseases, it was hypothesized that systemic inflammation can exacerbate the peripheral neuropathy found in aged mice. To investigate this hypothesis, aged C57BL/6 mice were intraperitoneally injected with a single dose of lipopolysaccharide (LPS; 500 μg/kg body weight) to induce systemic inflammation by mimicking bacterial infection, mostly via activation of Toll-like receptors (TLRs). Altered endoneurial macrophage activation, highlighted by Trem2 downregulation, was found in LPS injected aged mice one month after injection. This was accompanied by a so far rarely observed form of axonal perturbation, i.e., the occurrence of “dark axons” characterized by a damaged cytoskeleton and an increased overall electron density of the axoplasm. At the same time, however, LPS injection reduced demyelination and muscle denervation in aged mice. Interestingly, TREM2 deficiency in aged mice led to similar changes to LPS injection. This suggests that LPS injection likely mitigates aging-related demyelination and muscle denervation via Trem2 downregulation.
Taken together, this study reveals the role of macrophage-driven inflammation as a pathogenic mediator in age-related peripheral neuropathy, and that targeting macrophages might be an option to mitigate peripheral neuropathies in aging individuals. Furthermore, this study shows that systemic inflammation may be an ambivalent modifier of age-related nerve damage, leading to a distinct type of axonal perturbation, but in addition to functionally counteracting, dampened demyelination and muscle denervation. Translationally, it is plausible to assume that tipping the balance of macrophage polarization to one direction or the other may determine the functional outcome in the aging peripheral nervous system of the elderly.
N2  - Es ist bekannt, dass das Altern ein Risikofaktor für strukturelle Veränderungen und Funktionsstörungen des Nervensystems ist. Die Charakterisierung altersbedingter Veränderungen ist wichtig, um mögliche Wege zu identifizieren, um schädliche Auswirkungen zu überwinden und die Lebensqualität älterer Menschen zu verbessern. In dieser Studie wurde das periphere Nervensystem von 24 Monate alten gealterten C57BL/6-Mäusen untersucht und mit 12 Monate alten adulten Mäusen verglichen. Gealterte Mäuse zeigten ähnliche pathologische Veränderungen in ihren peripheren Nerven wie Nervenbiopsien älterer Menschen, wobei die Nervenfasern eine Demyelinisierung und axonale Schädigung zeigten. Bei den Nerven von adulten 12 Monate alten Mäusen und nicht gealterten Menschen fehlten solche Veränderungen. Darüber hinaus wiesen die neuromuskulären Endplatten von 24 Monate alten Mäusen im Vergleich zu adulten Mäusen eine erhöhte Denervation auf. Diese Veränderungen wurden von einer erhöhten Anzahl von Makrophagen in den peripheren Nerven gealterter Mäuse begleitet. Die neuroinflammatorischen Bedingungen waren mit einer Beeinträchtigung der Myelinintegrität, einer Abnahme der Nervenleitungseigenschaften und der Muskelkraft bei gealterten Mäusen verbunden. 
Um den pathologischen Einfluss von Makrophagen bei alternden Mäusen zu bestimmen, wurde die Makrophagen-Depletion bei Mäusen durch orale Verabreichung des CSF-1R-spezifischen Kinase-Inhibitors (c-FMS) PLX5622 (300 mg/kg Körpergewicht) durchgeführt, welche die Anzahl der Makrophagen in den peripheren Nerven um 70% reduzierte. Die behandelten Mäuse zeigten eine verminderte Demyelinisierung, eine reduzierte Muskeldenervation und einen Erhalt der Muskelkraft. Dies deutet darauf hin, dass die durch Makrophagen verursachte Entzündung in den peripheren Nerven teilweise für die altersbedingte Neuropathie bei Mäusen verantwortlich ist.
Auf der Grundlage früherer Beobachtungen, dass systemische Entzündungen das Fortschreiten der Krankheit in Mausmodellen neurodegenerativer Erkrankungen beschleunigen können, wurde die Hypothese aufgestellt, dass systemische Entzündungen die periphere Neuropathie in gealterten Mäusen verschlimmern können. Um diese Hypothese zu untersuchen, wurde gealterten C57BL/6-Mäusen eine Einzeldosis Lipopolysaccharid (LPS; 500 μg/kg Körpergewicht) intraperitonal injiziert, um eine systemische Entzündung durch Nachahmung einer bakteriellen Infektion, meist über die Aktivierung von Toll-like-Rezeptoren (TLRs), zu induzieren. Eine veränderte endoneuriale Makrophagenaktivierung, die durch eine reduzierte Trem2-Expression hervorgehoben wird, konnte bei LPS-injizierten gealterten Mäusen einen Monat nach der Injektion gefunden werden. Dies ging einher mit einer bisher selten beobachteten Form der axonalen Perturbation, d.h. dem Auftreten von "dunklen Axonen", die sich durch ein geschädigtes Zytoskelett und eine erhöhte Gesamtelektronendichte des Axoplasmas auszeichnen. Gleichzeitig verringerte die LPS-Injektion jedoch die Demyelinisierung und Muskeldenervation bei gealterten Mäusen. Interessanterweise führte die TREM2 Defizienz bei gealterten Mäusen zu vergleichbaren Veränderungen wie die LPS-Injektion. Dies deutet darauf hin, dass die LPS-Injektion die alterungsbedingte Demyelinisierung und Muskeldenervierung über die Trem2 Herunterregulation abschwächt.
Zusammenfassend zeigt diese Studie die Rolle der Makrophagen-getriebenen Entzündung als pathogener Mediator bei der altersbedingten peripheren Neuropathie. Zusätzlich deuten die Ergebnisse darauf hin, dass die gezielte Behandlung von Makrophagen eine Option zur Linderung peripherer Neuropathien bei alternden Menschen sein könnte. Darüber hinaus zeigt diese Studie, dass die systemische Entzündung ein ambivalenter Modifikator der altersbedingten Nervenschädigung sein kann, der zu einer bestimmten Art von axonaler Perturbation führt, aber zusätzlich zu einer funktionell entgegenwirkenden, weniger schweren Demyelinisierung und Muskeldenervation. Translatorisch ist es plausibel anzunehmen, dass eine Veränderung des Gleichgewichts der Makrophagenpolarisation in die eine oder andere Richtung das funktionelle Ergebnis im alternden peripheren Nervensystem der älteren Menschen bestimmen kann.
KW  - Maus
KW  - Peripheres Nervensystem
KW  - Altern
KW  - Immunsystem
KW  - macrophages
KW  - peripheral nervous system
KW  - aging
KW  - neuroinflammation
KW  - Trem2
KW  - systemic inflammation
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-237378
ER  - 
TY  - THES
A1  - Pollerhoff, Lena Katharina
T1  - Age differences in prosociality across the adult lifespan: Insights from self-reports, experimental paradigms, and meta-analyses
T1  - Altersunterschiede in Prosozialität über die erwachsene Lebensspanne hinweg: Erkenntnisse aus Selbstberichten, experimentellen Paradigmen und Meta-Analysen
N2  - Human prosociality, encompassing generosity, cooperation, and volunteering, holds a vital role in our daily lives. Over the last decades, the question of whether prosociality undergoes changes over the adult lifespan has gained increased research attention. Earlier studies suggested increased prosociality in older compared to younger individuals. However, recent meta-analyses revealed that this age effect might be heterogeneous and modest. Moreover, the contributing factors and mechanisms behind these age-related variations remain to be identified. To unravel age-related differences in prosociality, the first study of this dissertation employed a meta-analytical approach to summarize existing findings and provide insight into their heterogeneity by exploring linear and quadratic age effects on self-reported and behavioral prosociality. Additionally, two empirical research studies investigated whether these age-related differences in prosociality were observed in real life, assessed through ecological momentary assessment (Study 2), and in a controlled laboratory setting by applying a modified dictator game (Study 3). Throughout these three studies, potential underlying behavioral and computational mechanisms were explored. The outcome of the meta-analysis (Study 1) revealed small linear age effects on prosociality and significant age group differences between younger and older adults, with higher levels of prosociality in older adults. Explorative evidence emerged in favor of a quadratic age effect on behavioral prosociality, indicating the highest levels in midlife. Additionally, heightened prosocial behavior among middle-aged adults was observed compared to younger adults, whereas no significant differences in prosocial behavior were noted between middle-aged and older adults. Situational and contextual features, such as the setting of the study and specific paradigm characteristics, moderated the age-prosociality relationship, highlighting the importance of the (social) context when studying prosociality. For Study 2, no significant age effect on real-life prosocial behavior was observed. However, evidence for a significant linear and quadratic age effect on experiencing empathy in real life emerged, indicating a midlife peak. Additionally, across all age groups, the link between an opportunity to empathize and age significantly predicted real-life prosocial behavior. This effect, indicating higher levels of prosocial behavior when there was a situation possibly evoking empathy, was most pronounced in midlife. Study 3 presented age differences in how older and younger adults integrate values related to monetary gains for self and others to make a potential prosocial decision. Younger individuals effectively combined both values in a multiplicative fashion, enhancing decision-making efficiency. Older adults showed an additive effect of values for self and other and displayed increased decision-making efficiency when considering the values separately. However, among older adults, individuals with better inhibitory control were better able to integrate information about both values in their decisions. Taken together, the findings of this dissertation offer new insights into the multi-faceted nature of prosociality across adulthood and the mechanisms that help explain these age-related disparities. While this dissertation observed increasing prosociality across the adult lifespan, it also questions the assumption that older adults are inherently more prosocial. The studies highlight midlife as a potential peak period in social development but also emphasize the importance of the (social) context and that different operationalizations might capture distinct facets of prosociality. This underpins the need for a comprehensive framework to understand age effects of prosociality better and guide potential interventions.
N2  - Menschliche Prosozialität beinhaltet Verhaltensweisen wie Großzügigkeit, Kooperation und freiwilliges Engagement und spielt eine entscheidende Rolle in unserem täglichen Leben. In den letzten Jahrzehnten hat die Frage, ob sich Prosozialität über die erwachsene Lebensspanne hinweg verändert, zunehmende Bedeutung in der Forschung erfahren. Frühere Studien zeigten eine erhöhte Prosozialität bei älteren im Vergleich zu jüngeren Erwachsenen. Meta-Analysen zeigten jedoch, dass dieser Alterseffekt heterogen und geringfügig sein könnte. Zusätzlich sind die Faktoren und Mechanismen, die zu diesen altersbedingten Veränderungen beitragen, noch wenig verstanden. Um die altersbedingten Unterschiede in Prosozialität besser zu charakterisieren, wurde in der ersten Studie dieser Dissertation ein meta-analytischer Ansatz verfolgt, um vorhandene Forschungsergebnisse systematisch zusammenzufassen und Einblicke in die zugrundeliegende Heterogenität zu erhalten. Hierfür wurden lineare und quadratische Alterseffekte auf selbstberichtete und verhaltensbezogene Prosozialität untersucht. Zusätzlich untersuchten zwei empirische Studien, ob diese altersbedingten Unterschiede in prosozialem Verhalten auch im realen Leben durch „ecological momentary assessment“ (wiederholte Selbstberichte im Alltag; Studie 2) und in einer kontrollierten Laboruntersuchung mittels eines modifizierten Diktator-Spiels (Studie 3) beobachtbar sind. Im Rahmen dieser drei Studien wurden zudem potenzielle zugrundeliegende Verhaltens- und komputationale Mechanismen untersucht. Die Ergebnisse der Meta-Analyse (Studie 1) zeigten einen geringfügigen linearen Anstieg von Prosozialität über das erwachsene Alter hinweg und signifikante Unterschiede zwischen jüngeren und älteren Erwachsenen, wobei ältere Erwachsene prosozialer waren. Zusätzlich zeigte eine explorative Analyse einen quadratischen Effekt von Alter auf prosoziales Verhalten, mit den höchsten Werten im mittleren Erwachsenenalter. Darüber hinaus verhielten sich mittelalte Erwachsene prosozialer im Vergleich zu jüngeren Erwachsenen, während keine signifikanten Unterschiede zwischen mittelalten und älteren Erwachsenen gefunden wurden. Situative und kontextuelle Merkmale, wie beispielsweise das Setting der Studie und bestimmte Merkmale des Paradigmas, moderierten den Zusammenhang zwischen Alter und Prosozialität und heben damit die Bedeutung des (sozialen) Kontextes bei der Untersuchung von Prosozialität hervor. Studie 2 konnte keinen signifikanten Zusammenhang zwischen Alter und prosozialem Verhalten im realen Leben finden. Es zeigte sich jedoch ein signifikanter linearer und quadratischer Alterseffekt auf das Erleben von Empathie im realen Leben, mit den höchsten Werten im mittelern Erwachsenenalter. Zudem zeigte sich, dass der Zusammenhang zwischen der Möglichkeit, in einer Situation Empathie zu empfinden, und dem Alter das Ausmaß an prosozialem Verhalten im realen Leben vorhersagte. Dieser Effekt, d.h. ein höheres Maß an prosozialem Verhalten in Situationen, die Empathie auslösen, war am stärksten im mittleren Erwachsenenalter ausgeprägt. In Studie 3 hingegen wurden Altersunterschiede in der Art und Weise beobachtet, wie ältere und jüngere Erwachsene die Werte potenzieller Gewinne für sich selbst versus für eine andere Person berücksichtigen, um eine mögliche prosoziale Entscheidung zu treffen. Jüngere Erwachsene kombinierten beide Werte auf multiplikative Weise, was zu einer erhöhten Entscheidungseffizienz führte. Ältere Erwachsene zeigten hingegen einen additiven Effekt der Werte für sich selbst und die andere Person auf ihre Entscheidungen und waren effizienter in ihrer Entscheidungsfindung, wenn sie die Werte separat betrachteten. Eine stärkere inhibitorische Kontrolle ermöglichte es älteren Erwachsenen, Informationen beider Werte in ihre Entscheidungsprozesse einzubeziehen. Die Ergebnisse dieser Dissertation liefern wertvolle Erkenntnisse zur vielschichtigen Natur der Prosozialität über die erwachsene Lebensspanne hinweg sowie zu den Mechanismen, die diese altersbedingten Unterschiede erklären können. Obwohl die Ergebnisse eine Zunahme an Prosozialität mit dem Alter stützen, hinterfragen sie auch die Annahme, dass ältere Erwachsene grundsätzlich prosozialer sind. Die einzelnen Studien setzen die Lebensmitte als möglichen Höhepunkt der sozialen Entwicklung in den Fokus, betonen aber auch die Bedeutung des (sozialen) Kontexts sowie die Tatsache, dass unterschiedliche Operationalisierungen möglicherweise unterschiedliche Facetten der Prosozialität erfassen. Dies hebt die Notwendigkeit einer umfassenden Übersichtsarbeit hervor, um Alterseffekte von Prosozialität besser verstehen und mögliche Interventionen erarbeiten zu können.
KW  - Altersunterschied
KW  - prosocial behavior
KW  - adult development
KW  - prosociality
KW  - older adults
KW  - Lebenslauf
KW  - Metaanalyse
KW  - prosocial
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-359445
ER  - 
TY  - THES
A1  - Baur, Ramona
T1  - Adult Attention-Deficit/Hyperactivity Disorder (ADHD), Emotion Processing, and Emotion Regulation in Virtual Reality
T1  - Aufmerksamkeitsdefizit-/Hyperaktivitätsstörung (ADHS) im Erwachsenenalter, Emotionsverarbeitung und Emotionsregulation in virtueller Realität
N2  - Attention-Deficit/Hyperactivity Disorder (ADHD) is characterized by symptoms of inattentiveness and hyperactivity/impulsivity. Besides, increasing evidence points to ADHD patients showing emotional dysfunctions and concomitant problems in social life. However, systematic research on emotional dysfunctions in ADHD is still rare, and to date most studies lack conceptual differentiation between emotion processing and emotion regulation. The aim of this thesis was to systematically investigate emotion processing and emotion regulation in adult ADHD in a virtual reality paradigm implementing social interaction. Emotional reactions were assessed on experiential, physiological, and behavioral levels.
Experiment 1 was conducted to develop a virtual penalty kicking paradigm implying social feedback and to test it in a healthy sample. This paradigm should then be applied in ADHD patients later on. Pleasant and unpleasant trials in this paradigm consisted of hits respectively misses and subsequent feedback from a virtual coach. In neutral trials, participants were teleported to different spots of the virtual stadium. Results indicated increased positive affectivity (higher valence and arousal ratings, higher zygomaticus activations, and higher expression rates of positive emotional behavior) in response to pleasant compared to neutral trials. Reactions to unpleasant trials were contradictory, indicating increased levels of both positive and negative affectivity, compared to neutral trials. Unpleasant vs. neutral trials revealed lower valence ratings, higher arousal ratings, higher zygomaticus activations,  slightly lower corrugator activations, and higher expression rates of both positive and  negative emotional behavior. The intensity of emotional reactions correlated with experienced presence in the virtual reality.
To better understand the impact of hits or misses per se vs. hits or misses with coach feedback healthy participants’ emotional reactions, only 50% of all shots were followed by coach feedback in experiment 2. Neutral trials consisted of shots over the free soccer field which were followed by coach feedback in 50 % of all trials. Shots and feedback evoked more extreme valence and arousal ratings, higher zygomaticus activations, lower corrugator activations, and higher skin conductance responses than shots alone across emotional conditions. Again, results speak for the induction of positive emotions in pleasant trials whereas the induction of negative emotions in unpleasant trials seems ambiguous. Technical improvements of the virtual reality were reflected in higher presence ratings than in experiment 1.
Experiment 3 investigated emotional reactions of adult ADHD patients and healthy controls after emotion processing and response-focused emotion regulation. Participants   successively
 


went through an ostensible online ball-tossing game (cyber ball) inducing negative emotions, and an adapted version of the virtual penalty kicking game. Throughout cyber ball, participants were included or ostracized by two other players in different experimental blocks. Participants were instructed to explicitly show, not regulate, or hide their emotions in  different experimental blocks. Results provided some evidence for deficient processing of positive emotions in ADHD. Patients reported slightly lower positive affect than controls during cyber ball, gave lower valence ratings than controls in response to pleasant penalty kicking trials, and showed lower zygomaticus activations than controls especially during penalty kicking. Patients in comparison with controls showed slightly increased processing of unpleasant events during cyber ball (higher ratings of negative affect, especially in response  to ostracism), but not during penalty kicking. Patients showed lower baseline skin conductance levels than controls, and impaired skin conductance modulations. Compared to controls, patients showed slight over-expression of positive as well as negative emotional behavior. Emotion regulation analyses revealed no major difficulties of ADHD vs. controls in altering their emotional reactions through deliberate response modulation. Moreover, patients reported to habitually apply adaptive emotion regulation strategies even more frequently than controls. The analyses of genetic high-risk vs. low-risk groups for ADHD across the whole sample revealed similar results as analyses for patients vs. controls for zygomaticus modulations during emotion processing, and for modulations of emotional reactions due to emotion regulation.
To sum up, the virtual penalty kicking paradigm proved to be successful for the induction of positive, but not negative emotions. The importance of presence in virtual reality for the intensity of induced emotions could be replicated. ADHD patients showed impaired processing of primarily positive emotions. Aberrations in negative emotional responding were less clear and need further investigation. Results point to adult ADHD in comparison to healthy controls suffering from baseline deficits in autonomic arousal and deficits in arousal modulation. Deficits of ADHD in the deliberate application of response-focused emotion regulation could not be found.
N2  - Die Aufmerksamkeitsdefizit-/hyperaktivitätsstörung (ADHS) ist gekennzeichnet durch Symptome der Unaufmerksamkeit und Hyperaktivität/Impulsivität. Zudem sprechen zunehmende Befunde für emotionale Defizite und damit einhergehende soziale Probleme bei ADHS. Bisher gibt es jedoch kaum systematische Untersuchungen zu emotionalen Defiziten bei ADHS, und die meisten bisherigen Studien trennen nicht klar zwischen den Konzepten  der Emotionsverarbeitung und Emotionsregulation. Das Ziel dieser Arbeit war es, Emotionsverarbeitung und Emotionsregulation bei erwachsenen ADHS Patienten in einem Paradigma in virtueller Realität mit sozialer Interaktion zu untersuchen. Emotionale Reaktionen wurden auf Erlebnisebene, physiologischer Ebene und Verhaltensebene erfasst.
In Experiment 1 wurde ein virtuelles Elfmeterparadigma mit sozialem Feedback entwickelt und an einer gesunden Stichprobe getestet. Dieses Paradigma sollte später mit ADHS Patienten verwendet werden. Angenehme und unangenehme Versuchsdurchgänge bestanden aus Treffern bzw. gehaltenen Torschüssen und einer darauffolgenden Rückmeldung von einem virtuellen Trainer. In neutralen Durchgängen wurden die Teilnehmer zu verschiedenen Punkten im virtuellen Stadion teleportiert. Die Ergebnisse sprechen für erhöhte positive Affektivität (höhere Valenz- und Arousalratings, höhere Zygomaticusaktivität, mehr positiver emotionaler Ausdruck) durch angenehme im Vergleich zu neutralen Durchgängen.  Reaktionen auf unangenehme im Vergleich zu neutralen Durchgängen waren widersprüchlich und sprechen für erhöhte positive und negative Affektivität. Unangenehme vs. neutrale Durchgänge führten zu niedrigeren Valenzratings, höheren Arousalratings, höherer Zygomaticusaktivität, etwas niedrigerer Corrugatoraktivität und mehr positivem und negativem emotionalen Ausdruck. Die Intensität emotionaler Reaktionen korrelierte mit dem Präsenzerleben in der virtuellen Realität.
Um den Einfluss von Torschüssen allein vs. Torschüssen mit Trainerrückmeldung auf emotionale Reaktionen bei Gesunden besser zu verstehen, folgte in Experiment 2 nur auf 50
% aller Schüsse eine Trainerrückmeldung. Neutrale Durchgänge bestanden aus freien Schüssen über das Fußballfeld, auf die zu 50 % eine Trainerrückmeldung folgte. Schüsse mit Rückmeldung führten durchgängig zu stärkeren Valenz- und Arousalratings, höherer Zygomaticusaktivität, niedrigerer Corrugatoraktivität, und höheren Hautleitfähigkeits- reaktionen als Schüsse allein. Auch diese Ergebnisse sprechen für die Induktion positiver Emotionen durch angenehme Durchgänge, während die Induktion negativer Emotionen durch unangenehme Durchgänge uneindeutig scheint. Technische Verbesserungen der virtuellen Realität schlugen sich in höherem Präsenzerleben als in Experiment 1 nieder.
 


Experiment 3 untersuchte emotionale Reaktionen von erwachsenen ADHS Patienten und gesunden Kontrollen nach Emotionsverarbeitung und reaktionsfokussierter Emotions- regulation. Versuchsteilnehmer absolvierten nacheinander ein vorgebliches Online-Ballspiel (Cyber Ball) welches negative Emotionen induzierte, und eine weiterentwickelte Version des virtuellen Elfmeterspiels. Während Cyber Ball wurden die Teilnehmer von zwei anderen Mitspielern in verschiedenen Versuchsblöcken entweder eingeschlossen oder ausgeschossen. Die Teilnehmer wurden in verschiedenen Versuchsblöcken instruiert, ihre Emotionen entweder deutlich zu zeigen, nicht zu regulieren, oder zu verbergen. Einige Ergebnisse sprechen für eine defizitäre Verarbeitung positiver Emotionen bei ADHS. Patienten berichteten niedrigeren positiven Affekt als Kontrollen während Cyber Ball, niedrigere Valenzratings als Kontrollen nach angenehmen Elfmeterdurchgängen, und zeigten niedrigere Zygomaticusaktivität als Kontrollen insbesondere während des Elfmeterschießens. Im Vergleich zu Kontrollen zeigten Patienten eine leicht verstärkte Verarbeitung von unangenehmen Ereignissen beim Cyber Ball (höhere Ratings von negativem Affekt v.a. nach Ausschluss), aber nicht beim Elfmeterschießen. Patienten zeigten eine niedrigere Baseline- Hautleitfähigkeit als Kontrollen, sowie beeinträchtigte Hautleitfähigkeitsmodulationen. Im Vergleich zu Kontrollen zeigten Patienten leicht erhöhten Ausdruck von positiven und negativen Emotionen. Emotionsregulationsanalysen zeigten keine bedeutenden Einschränkungen von ADHS vs. Kontrollen im Verändern ihrer emotionalen Reaktionen durch absichtliche reaktionsfokussierte Emotionsregulation. Außerdem gaben Patienten an, gewohnheitsmäßig sogar häufiger als Kontrollen adaptive Emotionsregulationsstrategien anzuwenden. Der Vergleich einer genetischen Hochrisikogruppe mit einer Niedrigrisikogruppe für ADHS über die gesamte Stichprobe zeigte ähnliche Ergebnisse wie die Analysen für Patienten vs. Kontrollen in der Modulation von Zygomaticusaktivität während der Emotionsverarbeitung, sowie in der Modulation emotionaler Reaktionen durch Emotionsregulation.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das virtuelle Elfmeterparadigma geeignet scheint, um positive, aber nicht negative Emotionen zu induzieren. Die Bedeutsamkeit von Präsenzerleben in einer virtuellen Realität für die Intensität von induzierten Emotionen konnte repliziert werden. ADHS Patienten zeigten Beeinträchtigungen v.a. in der Verarbeitung von positiven Emotionen. Abweichungen in der negativen emotionalen Reagibilität waren weniger  eindeutig und sollten weiter untersucht werden. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass erwachsene ADHS Patienten im Vergleich zu gesunden Kontrollen eine niedrigere autonome Erregbarkeit bei Baseline und Defizite in der Erregbarkeitsmodulation zeigen. Es zeigten sich keine Defizite von ADHS in der absichtlichen Anwendung von ausdrucksfokussierter Emotionsregulation.
KW  - emotion processing
KW  - Emotionsverarbeitung
KW  - Emotionsregulation
KW  - ADHS
KW  - virtuelle Realität
KW  - virtual reality
KW  - adult ADHD
KW  - emotion regulation
KW  - Aufmerksamkeitsdefizit-Syndrom
KW  - Erwachsener
KW  - Gefühl
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-142064
ER  - 
TY  - THES
A1  - El Merahbi, Rabih
T1  - Adrenergic-induced ERK3 pathway drives lipolysis and suppresses energy dissipation
T1  - Der adrenerge induzierte ERK3-Signalweg verstärkt Lipolyse und unterdrückt Energiedissipation
N2  - Obesity-induced diabetes affects over 400 million people worldwide. Obesity is a complex metabolic disease and is associated with several co-morbidities, all of which negatively affect the individual’s quality of life. It is commonly considered that obesity is a result of a positive energy misbalance, as increased food intake and lower expenditure eventually lead to the development of this disease. Moreover, the pathology of obesity is attributed to several genetic and epigenetic factors that put an individual at high risk compared to another. Adipose tissue is the main site of the organism’s energy storage. During the time when the nutrients are available in excess, adipocytes acquire triglycerides, which are released during the time of food deprivation in the process of lipolysis (free fatty acids and glycerol released from adipocytes). Uncontrolled lipolysis is the consequent event that contributes to the development of diabetes and paradoxically obesity. To identify the genetic factors aiming for future therapeutic avenues targeting this pathway, we performed a high-throughput screen and identified the Extracellular-regulated kinase 3 (ERK3) as a hit. We demonstrate that β-adrenergic stimulation stabilizes ERK3 leading to the formation of a complex with the co-factor MAP kinase-activated protein kinase 5 (MK5) thereby driving lipolysis. Mechanistically, we identify a downstream target of the ERK3/MK5 pathway, the transcription factor FOXO1, which promotes the expression of the major lipolytic enzyme ATGL. Finally, we provide evidence that targeted deletion of ERK3 in mouse adipocytes inhibits lipolysis, but elevates energy dissipation, promoting lean phenotype and ameliorating diabetes. Moreover, we shed the light on our pharmacological approach in targeting ERK3/MK5 pathways using MK5 specific inhibitor. Already after 1 week of administering the inhibitor, mice showed signs of improvement of their metabolic fitness as showed here by a reduction in induced lipolysis and the elevation in the expression of thermogenic genes. Taken together, our data suggest that targeting the ERK3/MK5 pathway, a previously unrecognized signaling axis in adipose tissue, could be an attractive target for future therapies aiming to combat obesity-induced diabetes.
N2  - Adipositas-induzierter Diabetes betrifft weltweit über 400 Millionen Menschen. Adipositas ist eine komplexe Stoffwechselerkrankung und geht mit mehreren Komorbiditäten einher, die sich alle negativ auf die Lebensqualität der Betroffenen auswirken. Es wird generell angenommen, dass Adipositas aus einem positiven Energieungleichgewicht resultiert, da eine erhöhte Nahrungsaufnahme und ein geringerer Verbrauch zu der Ausbildung dieser Krankheit führen. Darüber hinaus ist die Pathologie von Adipositas auf mehrere genetische und epigenetische Faktoren zurückzuführen, wodurch Individuen einem erhöhtem Risiko ausgesetzt sein können. Das Fettgewebe ist der vorwiegende Energiespeicher des Organismus. In Zeiten eines Nährstoffüberschusses speichern Adipozyten Triglyceride, die im Falle eines Nahrungsmangels durch den Prozess der Lipolyse in Form von freien Fettsäuren und Glycerin freigesetzt werden. Unkontrollierte Lipolyse ist ein Folgeereignis, welches zur Entwicklung von Diabetes und paradoxerweise zu Adipositas beiträgt. Um die genetischen Faktoren zu identifizieren, die in Zukunft therapeutische Angriffspunkte darstellen könnten, haben wir ein Hochdurchsatz-Screening durchgeführt und die extrazellulär regulierte Kinase 3 (ERK3) als Treffer identifiziert. Wir zeigen, dass β-adrenerge Stimulation ERK3 stabilisiert, was zur Bildung eines Komplexes mit dem Cofactor MAP-Kinase-aktivierte Proteinkinase 5 (MK5) führt und dadurch die Lipolyse vorantreibt. Mechanistisch identifizieren wir den Transkriptionsfaktor FOXO1, der dem ERK3/MK5-Signalweg nachgeschaltet ist und die Expression des wichtigsten lipolytischen Enzyms ATGL fördert. Darüber hinaus belegen wir, dass die gezielte Deletion von ERK3 in Maus-Adipozyten die Lipolyse hemmt, aber die Energiedissipation erhöht, den mageren Phänotyp fördert und Diabetes lindert. Außerdem nutzen wir einen pharmakologischen Ansatz durch Verwendung eines MK5 spezifischen Inhibitors, um auf den ERK3/MK5-Signalweg abzuzielen. Bereits eine Woche nach Verabreichung des Inhibitors zeigen Mäuse Anzeichen einer verbesserten metabolischen Fitness, die sich durch einer Verringerung der induzierten Lipolyse und eine verstärkte Expression von thermogenen Genen auszeichnet. Zusammenfassend legen unsere Daten nahe, dass der ERK3/MK5-Signalweg, eine zuvor nicht erkannte Signalachse im Fettgewebe, ein attraktiver Ansatzpunkt für zukünftige Therapien zur Bekämpfung von Adipositas-induziertem Diabetes sein könnte.
KW  - Metabolism
KW  - Lipolysis
KW  - Obesity
KW  - Adrenalin
KW  - ATGL
KW  - Foxo1
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-217510
ER  - 
TY  - THES
A1  - Mortimer, Niall Patrick
T1  - ADHD Genetics in Mouse and Man
T1  - ADHS Genetik bei Maus und Mensch
T1  - Genética del TDAH en ratón y hombre
N2  - Attention-deficit/hyperactivity disorder (ADHD) is a neurodevelopmental disorder with an estimated heritability of around 70%. In order to fully understand ADHD biology it is necessary to incorporate multiple different types of research. In this thesis, both human and animal model research is described as both lines of research are required to elucidate the aetiology of ADHD and development new treatments. The role of a single gene, Adhesion G protein-coupled receptor L3 (ADGRL3) was investigated using a knockout mouse model. ADGRL3 has putative roles in neuronal migration and synapse function. Various polymorphisms in ADGRL3 have been linked with an increased risk of attention deficit/hyperactivity disorder (ADHD) in human studies. Adgrl3-deficient mice were examined across multiple behavioural domains related to ADHD: locomotive activity, visuospatial and recognition memory, gait impulsivity, aggression, sociability and anxiety-like behaviour. The transcriptomic alterations caused by Adgrl3-depletion were analysed by RNA-sequencing of three ADHD-relevant brain regions: prefrontal cortex (PFC), hippocampus and striatum. Increased locomotive activity in Adgrl3-/- mice was observed across all tests with the specific gait analysis revealing subtle gait abnormalities. Spatial memory and learning domains were also impaired in these mice. Increased levels of impulsivity and sociability accompanying decreased aggression were also detected. None of these alterations were observed in Adgrl3+/- mice. The numbers of genes found to exhibit differential expression was relatively small in all brain regions sequenced. The absence of large scale gene expression dysregulation indicates a specific pathway of action, rather than a broad neurobiological perturbation. The PFC had the greatest number of differentially expressed genes and gene-set analysis of differential expression in this brain region detected a number of ADHD-relevant pathways including dopaminergic synapses as well as cocaine and amphetamine addiction. The most dysregulated gene in the PFC was Slc6a3 which codes for the dopamine transporter, a molecule vital to current pharmacological treatment of ADHD. The behavioural and transcriptomic results described in this thesis further validate Adgrl3 constitutive knockout mice as an experimental model of ADHD and provide neuroanatomical targets for future studies involving ADGRL3 modified animal models.

The study of ADHD risk genes such as ADGRL3 requires the gene to be first identified using human studies. These studies may be genome based such as genome wide association studies (GWAS) or transcriptome based using microarray or RNA sequencing technology. To explore ADHD biology in humans the research described in this thesis includes both GWAS and trancriptomic data. A two-step transcriptome profiling was performed in peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) of 143 ADHD subjects and 169 healthy controls. We combined GWAS and expression data in an expression-based Polygenic Risk Score (PRS) analysis in a total sample of 879 ADHD cases and 1919 controls from three different datasets. Through this exploratory study we found eight differentially expressed genes in ADHD and no support for the genetic background of the disorder playing a role in the aberrant expression levels identified. These results highlight promising candidate genes and gene pathways for ADHD and support the use of peripheral tissues to assess gene expression signatures for ADHD.

This thesis illustrates how both human and animal model research is required to increase our understanding of ADHD. The animal models provide biological insight into the targets identified in human studies and may themselves provide further relevant gene targets. Only by combining research from disparate sources can we develop the thorough understanding on ADHD biology required for treatment development, which is the ultimate goal of translational science research.
N2  - Die Aufmerksamkeitsdefizit- / Hyperaktivitätsstörung (ADHS) ist eine neurologische Entwicklungsstörung mit einer geschätzten Erblichkeit von etwa 70%. Um die ADHS-Biologie vollständig verstehen zu können, müssen verschiedene Forschungsansätze verfolgt werden. In dieser Dissertation werden sowohl Forschungsansätze am Menschen als auch im Tiermodell beschrieben, da beide Forschungsansätze erforderlich sind, um die Ätiologie von ADHS aufzuklären und neue Therapien zu entwickeln. Die Rolle eines einzelnen Gens, des Adhesion G-Protein-gekoppelten Rezeptors L3 (ADGRL3), wurde unter Verwendung eines Knockout-Mausmodells untersucht. ADGRL3 spielt eine mutmaßliche Rolle bei der neuronalen Migration und der Synapsenfunktion. Verschiedene Polymorphismen in ADGRL3 wurden in Studien an Menschen mit einem erhöhten Risiko für Aufmerksamkeitsdefizit- / Hyperaktivitätsstörung (ADHS) in Verbindung gebracht. Adgrl3-defiziente Mäuse wurden in mehreren Verhaltensbereichen im Zusammenhang mit ADHS untersucht: Bewegungsaktivität, visuelles und Erkennungsgedächtnis, Gangimpulsivität, Aggression, Umgänglichkeit und angstartiges Verhalten. Die durch Adgrl3-Depletion verursachten transkriptomischen Veränderungen wurden durch RNA-Sequenzierung von drei ADHS-relevanten Hirnregionen analysiert: präfrontaler Cortex (PFC), Hippocampus und Striatum. Bei allen Tests wurde eine erhöhte Aktivität der Lokomotive bei Adgrl3 - / - Mäusen beobachtet, wobei die spezifische Ganganalyse subtile Gangstörungen aufdeckte. Das räumliche Gedächtnis und die Lerndomänen waren bei diesen Mäusen ebenfalls beeinträchtigt. Es wurde auch ein erhöhtes Maß an Impulsivität und Umgänglichkeit festgestellt, begleitet von verminderter Aggression. Keine dieser Veränderungen wurde bei Adgrl3 +/- Mäusen beobachtet. Die Anzahl der Gene, bei denen eine unterschiedliche Expression festgestellt wurde, war in allen sequenzierten Hirnregionen relativ gering. Das Fehlen einer Dysregulation der Genexpression in großem Maßstab weist eher auf einen spezifischen Wirkmechanismus als auf eine breite neurobiologische Störung hin. Die PFC hatte die größte Anzahl differentiell exprimierter Gene, und eine Gen-Set-Analyse der differentiellen Expression in dieser Hirnregion ergab eine Reihe von ADHS-relevanten Signalwegen, einschließlich dopaminerger Synapsen sowie Kokain- und Amphetaminsucht. Das am stärksten dysregulierte Gen in der PFC war Slc6a3, das für den Dopamintransporter kodiert.Dieses Gen ist bei der derzeitigen pharmakologischen Behandlung von ADHS von entscheidender Bedeutung. Die in dieser Arbeit beschriebenen Verhaltens- und Transkriptomergebnisse bestätigen die konstitutiven Adgrl3-Knockout-Mäuse als experimentelles Modell für ADHS und liefern neuroanatomische Zielstrukturen für zukünftige Studien mit ADGRL3-modifizierten Tiermodellen.

Die Untersuchung von ADHS-Risikogenen wie ADGRL3 erfordert zunächst, dass das Gen in Studien im Menschen identifiziert wird. Diese Studien können genombasiert sein, z.B. wie genomweite Assoziationsstudie (GWAS), oder transkriptombasiert unter Verwendung von Microarray- oder RNA-Sequenzierungstechnologie. Um die ADHS-Biologie beim Menschen zu erforschen, umfassen die in dieser Arbeit beschriebenen Forschungsansätze sowohl GWAS- als auch trankriptomische Daten. Ein zweistufiges Transkriptom-Profiling wurde in mononukleären Zellen des peripheren Blutes (PBMCs) von 143 ADHS-Patienten und 169 gesunden Kontrollpersonen durchgeführt. Wir kombinierten GWAS- und Expressionsdaten in einer Expressions-basierten PRS-Analyse (Polygenic Risk Score) in einer Gesamtstichprobe von 879 ADHS-Fällen und 1919 Kontrollen aus drei verschiedenen Datensätzen. Durch diese Untersuchungen fanden wir acht differentiell exprimierte Gene bei ADHS und keinen Hinweis darauf, dass der genetische Hintergrund der Störung eine Rolle bei den identifizierten aberranten Expressionsniveaus spielt. Diese Ergebnisse weisen auf vielversprechende Kandidatengene und Genwege für ADHS hin und unterstützen die Verwendung peripherer Gewebe zur Beurteilung der Genexpressionssignaturen für ADHS.

Diese Arbeit zeigt, dass sowohl Forschungsansätze am Menschen als auch Tiermodelle erforderlich sind, um unser Verständnis von ADHS zu verbessern. Die Tiermodelle bieten biologische Einblicke in die in Studien an Menschen identifizierten Ziele und können selbst weitere relevante Genziele liefern. Nur durch die Kombination von Forschungsansätzen aus unterschiedlichen Quellen können wir ein tiefes Verständnis der ADHS-Biologie entwickeln, das für die Entwicklung von Behandlungsstrategien erforderlich ist. Dies ist das ultimative Ziel der translationalen wissenschaftlichen Forschung.
N2  - El trastorno por déficit de atención con hiperactividad (TDAH) es un trastorno del desarrollo neural con una heredabilidad estimada de alrededor de un 70%. Para poder comprender plenamente la biología del TDAH, es necesario incorporar diversos tipos de investigación. En esta tesis, se describe la investigación en modelos tanto humanos como animales, ya que se requieren ambas líneas de investigación para aclarar la etiología del TDAH y poder desarrollar nuevos tratamientos. El papel de un solo gen, el receptor L3 acoplado a la proteína de adhesión G (ADGRL3) se ha investigado utilizando un modelo de ratón knock-out. El ADGRL3 tiene efectos putativos en la migración neuronal y en la función de la sinapsis. Varios polimorfismos en ADGRL3 se han relacionado con un mayor riesgo de trastorno por déficit de atención/ hiperactividad (TDAH) en estudios en humanos. Adicionalmente se han examinado ratones deficientes en ADGRL3 en varios ámbitos conductuales relacionados con el TDAH tales como la actividad locomotriz, la memoria visoespacial y de reconocimiento, la impulsividad de la marcha, la agresividad, la sociabilidad y los comportamientos similares a la ansiedad. Las modificaciones trabscriptómicas causadas por el agotamiento de ADGRL3 se han analizado por secuenciación del ARN de tres regiones del cerebro relevantes al TDAH: la corteza prefrontal (CPF), el hipocampo, y el estriado. Se ha observado una mayor actividad locomotriz en ratones ADGRL3 -/- en todas las pruebas con el análisis específico de la marcha que revela anomalías sutiles de la marcha. La memoria espacial y los dominios de aprendizaje también se han visto afectados en estos mismos ratones. También se detectaron niveles aumentados de impulsividad y sociabilidad que acompañan a la disminución de la agresividad. Ninguno de estos cambios se han observado en ratones ADGRL3 +/-. El número de genes encontrados que exhibieron una expresión diferencial ha sido relativamente bajo en todas las regiones del cerebro secuenciadas. La ausencia de desregulación de expresión génica a gran escala indica una vía de acción específica, en vez de una perturbación neurobiológica amplia. La corteza prefrontal tenía el mayor número de genes expresados diferencialmente y el análisis de conjuntos de genes de expresión diferencial en esta región del cerebro ha mostrado una serie de vías relevantes para el TDAH, incluyendo las sinapsis dopaminérgicas así como la adicción a la cocaína y a las anfetaminas. El gen más desregulado en la corteza prefrontal fue el Slc6a3, que codifica para el transportador de dopamina, una molécula esencial para el tratamiento farmacológico actual del TDAH. Los resultados conductuales y transcriptómicos descritos en esta tesis dan aún más validez a los ratones knock-out constitutivos de Adgrl3 como modelo experimental de TDAH y ofrecen objetivos neuroanatómicos para estudios futuros con modelos animales modificados con ADGRL3.

El estudio de genes de riesgo de TDAH como el ADGRL3 requiere que el gen se identifique primero mediante estudios en humanos. Estos estudios pueden basarse en el genoma, como GWAS (estudio extenso de asociación en todo el genoma) o en transcriptoma, usando microarrays o tecnología de secuenciación de ARN. Para explorar la biología del TDAH en humanos, la investigación descrita en esta tesis incluye datos GWAS y trancriptómicos. Se ha realizado un perfil de transcriptoma de dos fases en células mononucleares de sangre periférica (CMSP) de 143 sujetos con TDAH y 169 controles sanos. Hemos combinado GWAS y datos de expresión en un análisis de puntuación de riesgo poligénico con sede en expression genica en una muestra total de 879 casos de TDAH y 1919 controles de tres conjuntos de datos distintos. A través de este estudio exploratorio, hemos encontrado ocho genes expresados diferencialmente en el TDAH y además que no existe indicio de que el fondo genético del trastorno tiene un papel en los niveles de expresión aberrantes identificados. Estos resultados subrayan genes candidatos prometedores y vías genéticas para el TDAH y además apoyan el uso de tejidos periféricos para evaluar las firmas de expresión génica para el TDAH

Esta tesis muestra cómo se requiere la investigación en modelos humanos y animales para aumentar nuestra comprensión del TDAH. Los modelos animales proporcionan información biológica sobre los objetivos identificados en estudios en humanos y pueden proporcionar objetivos genéticos relevantes adicionales. Solo mediante la combinación de las investigaciones de fuentes dispares podemos desarrollar la comprensión exhaustiva de la biología del TDAH necesaria para el desarrollo del tratamiento, lo que es el objetivo principal de la investigación científica traslacional.
KW  - ADGRL3
KW  - Neuroscience
KW  - Genetics
KW  - ADHD
KW  - Mouse Model
KW  - Human Transcriptome
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-236265
ER  - 
TY  - THES
A1  - Scheide-Nöth, Jan-Philipp
T1  - Activation of the Interleukin-5 receptor and its inhibition by cyclic peptides
T1  - Aktivierung des IL-5 Rezeptors und dessen Inhibierung durch zyklische Peptide
N2  - The cytokine interleukin-5 (IL-5) is part of the TH2-mediated immune response. As a key regulator of eosinophilic granulocytes (eosinophils), IL-5 controls multiple aspects of eosinophil life. Eosinophils play a pathogenic role in the onset and progression of atopic diseases as well as hypereosinophilic syndrome (HES). Here, cytotoxic proteins and pro-inflammatory mediators stored in intracellular vesicles termed granula are released upon activation thereby causing local inflammation to fight the pathogen. However, if such inflammation persists, tissue damage and organ failure can occur. Due to the close relationship between eosinophils and IL-5 this cytokine has become a major pharmaceutical target for the treatment of atopic diseases or HES. As observed with other cytokines, IL-5 signals by assembling a heterodimeric receptor complex at the cell surface in a stepwise mechanism. In the first step IL-5 binds to its receptor IL-5Rα (CD125). This membrane-located complex then recruits the so-called common beta chain βc (CD131) into a ternary ligand receptor complex, which leads to activation of intracellular signaling cascades. Based on this mechanism various strategies targeting either IL-5 or IL-5Rα have been developed allowing to specifically abrogate IL-5 signaling. In addition to the classical approach of employing neutralizing antibodies against IL 5/IL-5Rα or antagonistic IL-5 variants, two groups comprising small 18 to 30mer peptides have been discovered, that bind to and block IL-5Rα from binding its activating ligand IL-5. Structure-function studies have provided detailed insights into the architecture and interaction of IL-5IL-5Rα and βc. However, structural information for the ternary IL-5 complex as well as IL-5 inhibiting peptides is still lacking.
In this thesis three areas were investigated. Firstly, to obtain insights into the second receptor activation step, i.e. formation of the ternary ligand-receptor complex IL-5•IL-5Rα•βc, a high-yield production for the extracellular domain of βc was established to facilitate structure determination of the ternary ligand receptor assembly by either X-ray crystallography or cryo-electron microscopy.
In a second project structure analysis of the ectodomain of IL-5Rα in its unbound conformation was attempted. Data on IL-5Rα in its ligand-free state would provide important information as to whether the wrench-like shaped ectodomain of IL-5Rα adopts a fixed preformed conformation or whether it is flexible to adapt to its ligand binding partner upon interaction. While crystallization of free IL-5Rα failed, as the crystals obtained did not diffract X rays to high resolution, functional analysis strongly points towards a selection fit binding mechanism for IL-5Rα instead of a rigid and fixed IL-5Rα structure. Hence IL-5 possibly binds to a partially open architecture, which then closes to the known wrench-like architecture. The latter is then stabilized by interactions within the D1-D2 interface resulting in the tight binding of IL-5. 
In a third project X-ray structure analysis of a complex of the IL-5 inhibitory peptide AF17121 bound to the ectodomain of IL-5Rα was performed. This novel structure shows how the small cyclic 18mer peptide tightly binds into the wrench-like cleft formed by domains D1 and D2 of IL-5Rα. Due to the partial overlap of its binding site at IL-5Rα with the epitope for IL-5 binding, the peptide blocks IL-5 from access to key residues for binding explaining how the small peptide can effectively compete with the rather large ligand IL-5. While AF17121 and IL-5 seemingly bind to the same site at IL-5Rα, functional studies however showed that recognition and binding of both ligands differ. With the structure for the peptide-receptor complex at hand, peptide design and engineering could be performed to generate AF17121 analogies with enhanced receptor affinity. Several promising positions in the peptide AF17121 could be identified, which could improve inhibition capacity and might serve as a starting point for AF17121-based peptidomimetics that can yield either superior peptide based IL-5 antagonists or small-molecule-based pharmacophores for future therapies of atopic diseases or the hypereosinophilic syndrome.
N2  - Das Zytokin Interleukin-5 (IL-5) nimmt eine zentrale Rolle im Zellzyklus von eosinophlien Granulozyten (Eosinophile) ein, indem es beispielsweise die Differenzierung, Aktivierung und Apoptose dieser Zellen steuert. Als Immunantwort auf Pathogene kommt es zur Aktivierung von Eosinophilen. Dieses führt zur Freisetzung von in intrazellulären Vesikeln (Granula) gespeicherten zytotoxischen Proteinen und proinflammatorischen Mediatoren, wodurch lokale Entzündungen verursacht werden, um den Erreger zu bekämpfen. Fehlregulationen (übermäßige Produktion) von eosinophilen Granulozyten können zu Gewebeschäden und Organversagen führen, wenn diese über einen längeren Zeitraum bestehen, und sind insbesondere mit dem Ausbruch und Fortschreiten von atopischen Erkrankungen sowie dem Hypereosinophilen Syndrom (HES) assoziiert. IL-5 muss, um die Eosinophilen aktivieren zu können, an einen heterodimeren Transmembranrezeptor binden. Im ersten Schritt bindet IL-5 an seinen zytokin-spezifischen Rezeptor IL-5Rα (CD125). Dieser membrangebundene Komplex rekrutiert dann die sogenannte gemeinsame („common“) beta-Kette βc (CD131) in einen ternären Liganden Rezeptorkomplex, was zur Aktivierung von intrazellulären Signalkaskaden führt. Aufgrund dieser engen Beziehung zwischen Eosinophilen und IL-5 ist dieses Zytokin in den Fokus der pharmazeutischen Industrie für die Behandlung atopischer Erkrankungen oder HES gerückt. Bisherige Therapien basieren auf der Unterdrückung der Immunreaktion durch Corticosteroide, neutralisierende gegen IL 5/IL-5Rα gerichtete Antikörper oder antagonistische IL-5 Varianten. Eine alternative Therapiemöglichkeit stellen IL-5 inhibierende Peptide dar, welche an IL 5Rα binden und hierbei die Bindung des aktivierenden Liganden (IL-5) hemmen. Derzeit stehen Strukturen vom binären IL-5IL-5Rα Komplex und von βc im ungebundenen Zustand zur Verfügung. Zudem konnten wichtige Wechselwirkungen im binären Komplex identifiziert werden. Allerdings sind vom ternären IL-5 Komplex und den IL-5 inhibierenden Peptiden keinerlei Strukturdaten bekannt.
Um im Rahmen dieser Arbeit Einblicke in den zweiten Rezeptoraktivierungsschritt, d.h. die Bildung des ternären Ligand-Rezeptor Komplexes IL-5•IL-5Rα•βc, zu erhalten, wurde ein Herstellungsverfahren für die extrazelluläre Domäne von βc etabliert. Zusammen mit den optimierten Reinigungsverfahren für IL-5 und IL 5Rα konnte hiermit eine gute Grundlage für zukünftige Strukturanalysen des ternären IL-5 Komplexes geschaffen werden. In einem zweiten Projekt wurde versucht, die Struktur der Ektodomäne von IL 5Rα in ihrem freien Zustand aufzuklären. Diese Strukturdaten würden wichtige Informationen darüber liefern, ob die bisher bekannte „Schraubenschlüssel“-Architektur der IL-5Rα Ektodomäne in einer rigiden, vorgebildeten Konformation vorliegt, oder ob die Architektur der Ektodomäne bei Bindung flexibel an ihren Liganden angepasst wird. Während die Kristallisation von IL-5Rα ohne einen Bindepartner fehlschlug, deuten neue Funktionsanalysen auf einen „selection fit binding mechanism“ für IL-5Rα hin. Der relativ große Ligand IL-5 bindet daher sehr wahrscheinlich an eine teilweise „offene“ Rezeptorkonformation, die erst nach Bindung die bekannte „Schraubenschlüssel“-Architektur annimmt. In einem dritten Projekt wurde eine Strukturanalyse des Komplexes des IL-5 inhibierenden AF17121 Peptids gebunden an die Ektodomäne von IL-5Rα durchgeführt. Anhand dieser neuen Struktur lässt sich erklären, wie das kleine zyklische 18mer Peptid effektiv mit dem wesentlich größeren Liganden IL-5 um die Bindung am Rezeptor konkurrieren kann. Aufgrund der Überlappung der Bindestellen von AF17121 und IL-5 am Rezeptor IL 5Rα blockiert das Peptid den Zugang von IL-5 an seinen Rezeptor. Obwohl AF17121 und IL-5 in einem ähnlich Strukturbereich in IL-5Rα binden, zeigen funktionelle Studien, dass sich Erkennung und Bindung beider Liganden unterscheiden. Mit der vorliegenden Struktur vom Peptid Rezeptor Komplex konnte ein strukturbasiertes Peptid-Design durchgeführt und so AF17121 Varianten mit verbesserter Rezeptorbindung erzeugt werden. Dabei wurden mehrere Positionen im Peptid AF17121 identifiziert, die dessen Inhibierungseigenschaften möglicherweise verbessern. Somit konnte ein weiterer Grundstein für die Entwicklung von effektiveren Peptid-basierten IL 5 Antagonisten oder sogar nicht-peptidischen Inhibitoren für zukünftige Therapieansätze gegen atopische Erkrankungen oder HES gelegt werden.
KW  - Interleukin 5
KW  - Eosinophiler Granulozyt
KW  - atopic diseases
KW  - eosinophil
KW  - interleukin-5 signaling
KW  - peptide-based interleukin-5 inhibitor
KW  - peptide engineering
KW  - receptor
KW  - functional studies
KW  - structure analysis
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-182504
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kutschka, Ilona
T1  - Activation of the integrated stress response induces remodeling of cardiac metabolism in Barth Syndrome
T1  - Aktivierung der "Integrated Stress Response" führt zur Umstellung des kardialen Metabolismus im Barth Syndrom
N2  - Barth Syndrome (BTHS) is an inherited X-chromosomal linked disorder, characterized by early development of cardiomyopathy, immune system defects, skeletal muscle myopathy and growth retardation. The disease displays a wide variety of symptoms including heart failure, exercise intolerance and fatigue due to the muscle weakness. The cause of the disease are mutations in the gene encoding for the mitochondrial transacylase Tafazzin (TAZ), which is important for remodeling of the phospholipid cardiolipin (CL). All mutations result in a pronounced decrease of the functional enzyme leading to an increase of monolysocardiolipin (MLCL), the precursor of mature CL, and a decrease in mature CL itself. CL is a hallmark phospholipid of mitochondrial membranes, highly enriched in the inner mitochondrial membrane (IMM). It is not only important for the formation of the cristae structures, but also for the function of different protein complexes associated with the mitochondrial membrane. Reduced levels of mature CL cause remodeling of the respiratory chain supercomplexes, impaired respiration, defects in the Krebs cycle and a loss of mitochondrial calcium uniporter (MCU) protein. The defective Ca2+ handling causes impaired redox homeostasis and energy metabolism resulting in cellular arrhythmias and defective electrical conduction. In an uncompensated situation, blunting mitochondrial Ca2+ uptake provokes increased mitochondrial emission of H2O2 during workload transitions, related to oxidation of NADPH, which is required to regenerate anti-oxidative enzymes. However, in the hearts and cardiac myocytes of mice with a global knock-down of the Taz gene (Taz-KD), no increase in mitochondrial ROS was observed, suggesting that other metabolic pathways may have compensated for reduced Krebs cycle activation.
The healthy heart produces most of its energy by consuming fatty acids. In this study, the fatty acid uptake into mitochondria and their further degradation was investigated, which showed a switch of the metabolism in general in the Taz-KD mouse model. In vivo studies revealed an increase of glucose uptake into the heart and decreased fatty acid uptake and oxidation. Disturbed energy conversion resulted in activation of retrograde signaling pathways, implicating overall changes in the cell metabolism. Upregulated integrated stress response (ISR) was confirmed by increased levels of the downstream target, i.e., the activating transcription factor 4 (ATF4). A Tafazzin knockout mouse embryonal fibroblast cell model (TazKO) was used to inhibit the ISR using siRNA transfection or pharmaceutical inhibition. This verified the central role of
II
the ISR in regulating the metabolism in BTHS. Moreover, an increased metabolic flux into glutathione biosynthesis was observed, which supports redox homeostasis. In vivo PET-CT scans depicted elevated activity of the xCT system in the BTHS mouse heart, which transports essential amino acids for the biosynthesis of glutathione precursors. Furthermore, the stress induced signaling pathway also affected the glutamate metabolism, which fuels into the Krebs cycle via -ketoglutarate and therefore supports energy converting pathways. In summary, this thesis provides novel insights into the energy metabolism and redox homeostasis in Barth syndrome cardiomyopathy and its regulation by the integrated stress response, which plays a central role in the metabolic alterations. The aim of the thesis was to improve the understanding of these metabolic changes and to identify novel targets, which can provide new possibilities for therapeutic intervention in Barth syndrome.
N2  - Barth Syndrome (BTHS) ist eine X-chromosomal vererbbare Erkrankung, welche sich in der frühen Entstehung von Kardiomyopathie, Störungen des Immunsystems, Skelettmuskelschwäche und Wachstumsverzögerungen manifestiert. Das Krankheitsbild ist sehr variabel mit milden Symptomen bis hin zu sehr schwerwiegenden Fällen, bei denen die schnelle Verschlechterung der Kardiomyopathie bereits in jungen Jahren eine Herztransplantation erfordern kann. Betroffenen Patienten zeigen eine deutliche Intoleranz gegenüber körperlicher Anstrengung, welche mit schneller Müdigkeit einhergeht. Die Krankheit wird durch verschiedene Mutationen auf dem Gen für die mitochondriale Transacylase Tafazzin (TAZ) ausgelöst. Die Mutationen führen zu einem Funktionsverlust des Enzyms, welches in der Biosynthese des Phospholipids Cardiolipin (CL) eine entscheidende Rolle spielt. Die Vorstufe des Lipids, das sogenannte Monolysocardiolipin (MLCL), reichert sich dadurch an, wohingegen die Menge an reifem CL entscheidend verringert ist. CL ist ein bedeutendes Phospholipid in den Mitochondrien, wo es vor allem in der inneren Mitochondrien Membran vorkommt. CL ist einerseits wichtig für die Ausbildung der Cristae Strukturen der inneren Mitochondrien Membran. Darüber hinaus ist es notwendig für die Struktur und Funktion verschiedenster Proteinkomplexe in der Membran, welche dadurch erst ihre volle Funktionsfähigkeit erhalten. Es wurde bereits gezeigt, dass der Verlust von reifem CL in BTHS zu einer Dissoziation der Superkomplexe der Atmungskette führt, welche dadurch in ihrer Funktion beeinträchtigt ist. Zusätzlich sind Störungen im Krebs Zyklus und der Kalziumaufnahme durch den mitochondriellen Kalzium (Ca2+) -Uniporter (MCU) Komplex bekannt. Die beeinträchtigte mitochondriale Ca2+ Aufnahme beeinflusst sowohl die Redox Homöostase als auch den Energie Metabolismus, was zu Arrhythmien und einer Störung der elektrischen Weiterleitung im Herzen führt. Im gesunden Herzen gewinnen die Herzmuskelzellen den Hauptanteil ihrer Energie aus dem Abbau von Fettsäuren. In dieser Studie wurde durch die Untersuchung des Fettsäurestoffwechsels im Taz knockdown Mausmodell (Taz-KD) gezeigt, dass eine deutliche Reduktion in Proteinen vorliegt, welche für die Aufnahme und die Verstoffwechselung der Fettsäuren in den Mitochondrien verantwortlich sind. Diese Veränderungen führten in vivo zu einer verringerten Aufnahme und Verstoffwechselung von Fettsäuren und einer Erhöhten Aufnahme von Glucose. Dysfunktionale Mitochondrien aktivieren retrograde Signalwege, welche eine generelle
IV
Umstellung des Metabolismus zur Folge haben. Eine erhöhte Menge des Transkriptionsfaktors ATF4, welcher sowohl Fettsäure- als auch Aminosäuremetabolismus beeinflusst, zeigte die Aktivierung der sogenannten „Integrated stress response“ (ISR). Ein Zellmodel embryonaler Fibroblasten aus der Maus mit einem Taz knockout (TazKO) wurde verwendet um die ISR durch siRNA Transfektion oder einem pharmakologischen Inhibitor zu blockieren. Dadurch konnte die zentrale Rolle der ISR in der Umstellung des Metabolismus bestätigt werden. Zusätzlich konnte eine erhöhte metabolische Aktivität in Richtung der Glutathion Biosynthese beobachtet werden, welche für die Redox Homöostase in den Mitochondrien von Bedeutung ist. In vivo PET-CT Untersuchungen zeigten eine erhöhte Aktivität des xCT Systems im Herzen des BTHS Mausmodells auf. Dies dient der Aufnahme von Aminosäuren, welche für die Glutathion Biosynthese benötigt werden. Hinzu kommt, dass die Aktivierung des Stresssignalweges den Glutamat Stoffwechsel in der Zelle beeinflusste. Über -Ketoglutarat trägt Glutamat so vermehrt zur Energiegewinnung bei. Das Ziel dieser Doktorarbeit war es, die metabolischen Veränderungen in BTHS zu untersuchen, um die veränderten Vorgänge besser zu verstehen und so neue mögliche Angriffspunkte für Therapiemöglichkeiten zu identifizieren.
KW  - Herzmuskelkrankheit
KW  - Mitochondrium
KW  - Stoffwechsel
KW  - Barth Syndrome
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-358186
ER  - 
TY  - THES
A1  - Grushevskyi, Yevgenii
T1  - Activation kinetics of G-protein-coupled receptors
T1  - Aktivierungskinetik von G-Protein-gekoppelten Rezeptoren
N2  - G-protein-coupled receptors (GPCRs) are key biological switches that transmit both internal and external stimuli into the cell interior. Among the GPCRs, the “light receptor” rhodopsin has been shown to activate with a re-arrangement of the transmembrane helix bundle within ≈1 ms, while all other receptors are thought to become activated in subsecond range at saturating concentrations. Here we investigate activation kinetics of a dimeric GPCR, the metabotropic glutamate receptor-1 (mGluR1), and several class A GPCRs, as muscarinic receptor 3 (M3R), adrenergic (α2aAR and β1R) and opioid (µOR) receptors. We first used UV-light-triggered uncaging of glutamate in intact cells. Sub-millisecond Förster resonance energy transfer recordings between labels at intracellular receptor sites were used to record conformational changes in the mGluR1. At millimolar ligand concentrations the initial rearrangement between the mGluR1 subunits occurs at a speed of τ1≈1-2 ms. These rapid changes were followed by significantly slower conformational changes in the transmembrane domain (τ2≈20 ms). We further characterized novel photoswitchable negative allosteric modulators for mGluR1, which bind to its transmembrane core and block the conformational change as well as the downstream signaling. Effects of the compounds were quantified in pharmacological cell assays in the dark and using UV and green light illumination. We finally develop a framework for image-based kinetic analysis of GPCRs which allowed us to measure activation kinetics of several prototypical class A GPCRs and to discover membrane heterogeneities of GPCR activation. It appears that GPCR activation signal is not only dependent on the amount of activated receptors, but also has some level of correlation with the local density of activated receptors.
N2  - G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs) sind die größte Familie der membranständigen Proteine, welche sowohl interne als auch externe Stimulationen in den intrazellulären Raum weiterleiten und somit in Eukaryonten ein breites Spektrum an physiologischen Prozessen regulieren. 
Innerhalb der GPCRs konnte für den „Lichtrezeptor“ Rhodopsin gezeigt werden, dass dessen Aktivierung, welche eine räumliche Umorientierung der Transmembrandomänen beinhaltet, innerhalb von einer Millisekunde erfolgt, wohingegen angenommen wurde, dass die meisten anderen dieser Rezeptoren wesentlich langsamer, im Sekundenbereich, aktiviert werden. 
Die vorliegende Arbeit ist auf die Aktivierungskinetiken eines typisch- dimerischen Rezeptors, nämlich dem metabotrobischen Glutamat- rezeptor 1(mGluR1), sowie einige Klasse-A GPCRs fokussiert, darunter befinden sich sowohl der muskarinische M3-Rezeptor, die adrenergen α2A- und β1-Rezeptoren als auch der μ-opioid Rezeptor. 
Wir nutzten zunächst durch UV-Licht aktivierbares Glutamat auf intakten Zellen. Hierbei erfolgte, unter Verwendung von Sättigungskonzentrationen, die Umorganisation der mGluR1- Untereinheiten innerhalb von ein bis zwei Millisekunden. Diesen Änderungen folgte eine signifikant langsamere Konformationsänderung von 20 Millisekunden in den Transmembrandomänen. 
Der zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Charakterisierung von neuen, durch Licht schaltbaren, negativen allosterischen Modulatoren des mGluR1-Rezeptors. Für diese konnte
gezeigt werden, dass sie unter bestimmten Belichtungsbedingungen im Mittelpunkt der Transmembrandomänen binden und dadurch sowohl die Konformationsänderung des Rezeptors als auch dessen weitere Signaltransduktion verhindern. 
Zudem entwickelten wir ein Systemumfeld zur bildbasierten Analyse von GPCR-Kinetiken, welches es uns erlaubte die Aktivierungskinetiken einiger exemplarischer Klasse A GPCRs zu messen und heterogene Aktivierungskinetiken von GPCRs auf Zellmembranen zu entdecken. 
Die Resultate dieser Arbeit legen Nahe, dass Aktivierungs- Signale von GPCRs nicht nur von der Menge der aktivierten Rezeptoren abhängen, sondern zusätzlich auch zu einem gewissen Grad mit der lokalen Dichte von aktivierten Rezeptoren korrelieren.
KW  - G-Protein gekoppelter Rezeptor
KW  - G-protein-coupled receptors
KW  - Molecular Pharmacology
KW  - Ligand uncaging
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-207215
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TY  - THES
A1  - Eirich, Philipp
T1  - Accelerated non-Cartesian cardiovascular MR Imaging at 3T and 7T
T1  - Beschleunigte nicht-kartesische MRT Herzbildgebung bei 3T und 7T
N2  - In this work, accelerated non-Cartesian Magnetic Resonance Imaging (MRI) methods were established and applied to cardiovascular imaging (CMR) at different magnetic field strengths (3T and 7T). 
To enable rapid data acquisition, highly efficient spiral k-space trajectories were created. In addition, hybrid sampling patterns such as the twisting radial lines (TWIRL) k-space trajectory were studied. 
Imperfections of the dynamic gradient system of a MR scanner result in k-space sampling errors. Ultimately, these errors can lead to image artifacts in non-Cartesian acquisitions. 
Among other reasons such as an increased reconstruction complexity, they cause the lack of spiral sequences in clinical routine compared to standard Cartesian imaging.
Therefore, the Gradient System Transfer Functions (GSTFs) of both scanners were determined and used for k-space trajectory correction in post-correction as well as in terms of a pre-emphasis. 
The GSTF pre-emphasis was implemented as a fully automatic procedure, which enabled a precise correction of arbitrary gradient waveforms for double-oblique slice orientations. 
Consequently, artifacts due to trajectory errors could be mitigated, which resulted in high image quality in non-Cartesian MRI. 
Additionally, the GSTF correction was validated by measuring pre-emphasized spiral gradient outputs, which showed high agreement with the theoretical gradient waveforms. 
Furthermore, it could be demonstrated that the performance of the GSTF correction is superior to a simple delay compensation approach.
The developed pulse sequences were applied to gated as well as real-time CMR. Special focus lied on the implementation of a spiral imaging protocol to resolve the beating heart of animals and humans in real time and free breathing. 
In order to achieve real-time CMR with high spatiotemporal resolution, k-space undersampling was performed. For this reason, efficient sampling strategies were developed with the aim to facilitate compressed sensing (CS) during image reconstruction. 
The applied CS approach successfully removed aliasing artifacts and yielded high-resolution cardiac image series. Image reconstruction was performed offline in all cases such that the images were not available immediately after acquisition at the scanner. 
Spiral real-time CMR could be performed in free breathing, which led to an acquisition time of less than 1 minute for a whole short-axis stack. 
At 3T, the results were compared to the gold standard of electrocardiogram-gated Cartesian CMR in breath hold, which revealed similar values for important cardiovascular functional and volumetric parameters. 
This paves the way to an application of the developed framework in clinical routine of CMR.
In addition, the spiral real-time protocol was transferred to swallowing and speech imaging at 3T, and first images were presented. 
The results were of high quality and confirm the straightforward utilization of the spiral sequence in other fields of MRI. 
In general, the GSTF correction yielded high-quality images at both field strengths, 3T and 7T. 
Off-resonance related blurring was mitigated by applying non-Cartesian readout gradients of short duration. At 7T, however, B1-inhomogeneity led to image artifacts in some cases.
All in all, this work demonstrated great advances in accelerating the MRI process by combining efficient, undersampled non-Cartesian k-space coverage with CS reconstruction. 
Trajectory correction using the GSTF can be implemented at any scanner model and enables non-Cartesian imaging with high image quality. 
Especially MRI of dynamic processes greatly benefits from the presented rapid imaging approaches.
N2  - In der vorliegenden Arbeit wurden Methoden der beschleunigten Magnetresonanztomographie (MRT) etabliert, welche auf nicht-kartesischer Datenaufnahme beruhen. 
Diese wurden insbesondere in der Herzbildgebung bei verschiedenen Magnetfeldstärken (3T und 7T) angewendet. 
Der Fokus lag auf der Entwicklung von hocheffizienten spiralförmigen k-Raum Trajektorien, mit dem Zweck sehr kurze Aufnahmezeiten zu ermöglichen. 
Zusätzlich wurde eine hybride k-Raum Trajektorie untersucht, die sogenannte "twisting radial lines (TWIRL)" k-Raum Trajektorie. 
Ungenauigkeiten des dynamischen Gradientensystems eines MRT Scanners resultieren in fehlerbehafteter k-Raum Abtastung während der Datenaufnahme. 
In der nicht-kartesischen Bildgebung kann dies letztendlich zu Artefakten im rekonstruierten Bild führen. 
Zusammen mit anderen Hemmnissen, wie beispielsweise einer komplexeren Bildrekonstruktion, sind sie verantwortlich dafür, dass noch immer mehrheitlich kartesische Bildgebungssequenzen in der klinischen Routine durchgeführt werden.
Aus diesem Grund wurden die Übertragungsfunktionen der Gradientensysteme der verwendeten MRT Scanner (eng. "Gradient System Transfer Function (GSTF)") bestimmt und für k-Raum Trajektorienkorrekturen verwendet. 
Diese Korrektur wurde sowohl in der Bildrekonstruktion nach bereits erfolgter Datenaufnahme angewendet als auch im Rahmen einer Vorverstärkung bevor die Gradienten ausgespielt werden. 
Diese Vorverstärkung wurde als vollständig automatisierter Prozess implementiert und ermöglichte eine präzise Korrektur beliebig gewählter Gradientenfunktionen aller Schichtorientierungen. 
Auf diesem Wege konnten die durch Trajektorienfehler verursachten Bildartefakte kompensiert werden, was zu hoher Bildqualität in der nicht-kartesischen MRT Bildgebung führte. 
Des Weiteren wurde die Gradientenkorrektur durch Messungen der tatsächlich ausgespielten Gradientenformen validiert. Diese wiesen eine hohe Übereinstimmung mit den theoretisch zu erwarteten Gradientenformen auf. 
Darüber hinaus wurde gezeigt, dass die auf der Impulsantwort basierende, umfassende Gradientenkorrektur eine höhere Bildqualität ermöglicht als eine einfache Korrektur mittels globaler Zeitverschiebungen.
Die entwickelten MRT Sequenzen wurden sowohl in der segmentierten als auch in der Echtzeit-Herzbildgebung angewendet. 
Im Speziellen lag der Fokus auf der Implementierung eines Protokolls für die spirale MRT Bildgebung, welche das schlagende Herz von Tieren und Menschen in Echtzeit und freier Atmung auflösen kann. 
Um Echtzeit-Herzbildgebung mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung zu vereinen, wurde der k-Raum unterabgetastet. 
In diesem Zusammenhang wurden Strategien zur effizienten und komprimierten Datenaufnahme entwickelt, unter Anwendung der Modell-basierten "Compressed Sensing" (CS)-Technik. 
Diese Methode reduziert Aliasing-Artefakte in der Bildrekonstruktion von unterabgetasteten Daten und ermöglicht deshalb hochaufgelöste, dynamische Echtzeit-Bilderserien des schlagenden Herzens. 
Allerdings wurden die gemessenen Daten stets extern rekonstruiert, sodass die Bilder nicht unmittelbar nach der Aufnahme am MRT Scanner verfügbar waren. 
Die spirale Echtzeit-Herzbildgebung konnte in freier Atmung durchgeführt werden, was eine Messzeit aller Schichten in der kurzen Herzachse in unter 1 Minute ermöglichte. 
Bei 3T wurden die Ergebnisse mit dem Goldstandard der mittels eines Elektrokardiogramms segmentierten kartesischen Herzbildgebung im Atemstopp verglichen und es konnte gezeigt werden, dass wichtige funktionelle und volumetrische Herzparameter übereinstimmen. 
Dies ebnet den Weg zur Anwendung des entwickelten Protokolls in der klinischen Routine der Herzbildgebung am MRT. 
Darüber hinaus wurde das Protokoll in der Echtzeit-Bildgebung von Schlucken und Sprechen bei 3T getestet. 
Die Ergebnisse waren ebenfalls von hoher Qualität und bestätigen den unkomplizierten Transfer der spiralen Sequenz in andere Bereiche der MRT Bildgebung. 
Insgesamt lieferte die GSTF-Korrektur Bilder von hoher Qualität bei beiden Feldstärken, 3T und 7T. 
Eine durch off-Resonanz verursachte Bildunschärfe wurde durch kurze Auslesezeiten der nicht-kartesischen Gradienten abgeschwächt. 
Allerdings führte B1-Inhomogenität in manchen Fällen zu Bildartefakten bei 7T.
Die vorliegende Arbeit stellt einen wesentlichen Beitrag zur Beschleunigung des MRT Bildgebungsprozesses dar, indem effiziente, unterabgetastete nicht-kartesische k-Raum Trajektorien mit der CS-Rekonstruktionstechnik kombiniert wurden. 
Trajektorien-Korrektur basierend auf der GSTF kann prinzipiell an jedem MRT Scanner implementiert werden und legt den Grundstein für nicht-kartesische Bildgebung mit hoher Bildqualität. 
Insbesondere die Bildgebung von dynamischen Prozessen profitiert von den hier vorgestellten beschleunigten Methoden zur Datenaufnahme.
KW  - Kernspintomografie
KW  - Bildgebendes Verfahren
KW  - Spirale
KW  - Artefakt
KW  - Übertragungsfunktion
KW  - MRT
KW  - MRI
KW  - Herzbildgebung
KW  - Cardiac imaging
KW  - Beschleunigte Bildgebung
KW  - Accelerated imaging
KW  - Gradient System Transfer Function
KW  - Echtzeitbildgebung
KW  - Real-time imaging
KW  - Compressed sensing
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-253974
ER  - 
TY  - THES
A1  - Portmann, Johannes
T1  - Accelerated inversion recovery MRI of the myocardium using spiral acquisition
T1  - Beschleunigte Inversion-Recovery MR-Bildgebung des Myokards mit spiralen Auslesezügen
N2  - This work deals with the acceleration of cardiovascular MRI for the assessment
of functional information in steady-state contrast and for viability assessment
during the inversion recovery of the magnetization. Two approaches
are introduced and discussed in detail. MOCO-MAP uses an exponential
model to recover dynamic image data, IR-CRISPI, with its low-rank plus
sparse reconstruction, is related to compressed sensing.
MOCO-MAP is a successor to model-based acceleration of parametermapping
(MAP) for the application in the myocardial region. To this end, it
was augmented with a motion correction (MOCO) step to allow exponential
fitting the signal of a still object in temporal direction. Iteratively, this
introduction of prior physical knowledge together with the enforcement of
consistency with the measured data can be used to reconstruct an image
series from distinctly shorter sampling time than the standard exam (< 3 s
opposed to about 10 s). Results show feasibility of the method as well as
detectability of delayed enhancement in the myocardium, but also significant
discrepancies when imaging cardiac function and artifacts caused already by
minor inaccuracy of the motion correction.
IR-CRISPI was developed from CRISPI, which is a real-time protocol
specifically designed for functional evaluation of image data in steady-state
contrast. With a reconstruction based on the separate calculation of low-rank
and sparse part, it employs a softer constraint than the strict exponential
model, which was possible due to sufficient temporal sampling density via
spiral acquisition. The low-rank plus sparse reconstruction is fit for the use on
dynamic and on inversion recovery data. Thus, motion correction is rendered
unnecessary with it.
IR-CRISPI was equipped with noise suppression via spatial wavelet filtering.
A study comprising 10 patients with cardiac disease show medical
applicability. A comparison with performed traditional reference exams offer
insight into diagnostic benefits. Especially regarding patients with difficulty
to hold their breath, the real-time manner of the IR-CRISPI acquisition provides
a valuable alternative and an increase in robustness.
In conclusion, especially with IR-CRISPI in free breathing, a major acceleration
of the cardiovascular MR exam could be realized. In an acquisition
of less than 100 s, it not only includes the information of two traditional
protocols (cine and LGE), which take up more than 9.6 min, but also allows
adjustment of TI in retrospect and yields lower artifact level with similar
image quality.
N2  - Diese Arbeit behandelt die Beschleunigung der kardiovaskulären MRT zum
Erfassen funktioneller Information bei Steady-State-Kontrast und zur Unter-
suchung der Vitalität bei Wiederherstellung der Magnetisierung nach ihrer
Inversion. Zwei Ansätze werden eingeführt und im Detail diskutiert: MOCO-
MAP, welches ein exponentielles Modell nutzt, um dynamische Daten zu
rekonstruieren, und IR-CRISPI, welches mit seinem “low-rank plus sparse"-
Algorithmus mit Compressed Sensing verwandt ist.
MOCO-MAP ist der Nachfolger der modellbasierten Beschleunigung des
Parameter-Mappings (MAP) für die Anwendung im Bereich des Myokards.
Hierzu wurde es mit einer Bewegungskorrektur (MOCO) versehen, um expo-
nentielles Fitten eines unbewegten Objects in Zeitrichtung zu ermöglichen.
Das Einbringen dieses physikalischen Vorwissens zusammen mit dem Erzwin-
gen von Konsistenz mit den Messdaten wird dazu genutzt, iterativ eine
Bildfolge aus Daten einer deutlich kürzeren Messung als herkömmlich zu
rekonstruieren (< 3 s gegenüber ca. 10 s). Die Ergebnisse zeigen die Umsetz-
barkeit der Methode sowie die Nachweisbarkeit von Delayed Enhancements
im Myokard, aber deutliche funktionelle Abweichungen und Artefakte bereits
aufgrund von kleinen Ungenauigkeiten der Bewegungskorrektur.
IR-CRISPI geht aus CRISPI hervor, welches zur Auswertung von funk-
tionellen Echtzeitdaten bei konstantem Kontrast dient. Mit der Rekon-
struktion durch getrennte Berechnung von niedrigrangigem und dünnbe-
setztem Matrixanteil wird hier bei der Datenrekonstruktion weniger stark
eingeschränkt als bei einem strikten exponentiellen Modell. Die pirale Auf-
nahmeweise erlaubt hierzu ausreichend effiziente k-Raumabdeckung. Die
“low-rank plus sparse"-Rekonstruktion ist kompatibel mit dynamischen und
mit Inversion-Recovery-Daten. Eine Bewegungskorrektur ist folglich nicht
nötig.
IR-CRISPI wurde mit einer Rauschunterdrückung durch räumliche Wavelet-
Filterung versehen. Eine Studie, die 10 Patienten einschließt, zeigt die
Eignung für die medizinische Anwendung. Der Vergleich mit herkömm-
lichen Aufnahmetechniken lässt auf den gewonnenen diagnostischen Nutzen
schließen. Besonders für Patienten, die Schwierigkeiten mit dem Luftanhal-
ten haben, eröffnet diese Echtzeitaufnahmemethode eine wertvolle Alterna-
tive und erhöhte Stabilität.
Am Ende konnte gerade mittels IR-CRISPI eine bemerkenswerte Beschleu-
nigung der kardiovaskulären MR-Untersuchung verwirklicht werden. Trotz
der kurzen Aufnahmezeit von weniger als 100 s für den kompletten linken Ven-
trikel schließt es nicht nur die Information zweier herkömmlicher Protokolle
mit ein (Cine und LGE), die zusammen mehr als 9,6 min dauern, sondern es
erlaubt zusätzlich auch das Einstellen der TI-Zeit im Nachhinein und liefert
Ergebnisse mit geringerem Artefaktlevel bei ähnlicher Bildqualität
KW  - Kernspintomografie
KW  - Herzfunktion
KW  - Herzmuskel
KW  - Bildgebendes Verfahren
KW  - Echtzeit
KW  - cine loop
KW  - late enhancement
KW  - late gadolinium-enhancement
KW  - magnetic resonance imaging
KW  - real-time imaging
KW  - spiral trajectory
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-302822
ER  - 
TY  - THES
A1  - Koussémou, Yéwa Bony Marthe
T1  - A\(_{2B}\) adenosine receptor signaling in MDA-MB-231 breast cancer cells: Mechanism of A\(_{2B}\)-mediated reduction of ERK1/2 phosphorylation
T1  - Signalwege des A\(_{2B}\) Adenosinrezeptors in MDA-MB-231 Brustkrebszellen: Mechanismus der A\(_{2B}\)-vermittelten Reduktion der ERK1/2 Phosphorylierung
N2  - Recently, it was shown that MDA-MB-231 breast cancer cells express very high levels of the A2BAR as the sole adenosine receptor subtype, and stimulation of the A2BAR in MDA-MB-231 cells triggers an unusual inhibitory signal on ERK1/2 phosphorylation. The ERK1/2 pathway is reported to be associated with the control of growth, proliferation and differentiation of cells and as such might serve as a promising target for tumor treatment. The present study investigated signaling mechanisms involved in linking A2BAR to ERK1/2 phosphorylation in MDA-MB-231 cells. The A2BAR mediated reduction of ERK1/2 phosphorylation and of proliferation of MDA-MB-231 cell is in good agreement with previous results from (Dubey et al., 2005). These observations provide support to the hypothesis that activation of A2BAR could attenuate the growth of some types of cancer cell and argue against a stimulation of proliferation resulting from the activation of A2BAR as discussed by (Fernandez-Gallardo et al., 2016). AC activation by forskolin has recently been shown to enhance the activity of the chemotherapeutic agent doxorubicin in TNBC cells via a mechanism dependent on the PKA-mediated inhibition of ERK1/2 phosphorylation. Furthermore, forskolin also increased the sensitivity of MDA-MB-231 and MDA-MB-468 triple negative breast cancer cells to 5-ﬂuorouracil and taxol (Illiano et al., 2018), and sustains the evidence of anticancer activity mediated by cAMP/PKA-mediated ERK1/2 inhibition. Similar to these studies, a reduced amount of pERK1/2 was also observed after stimulation of AC with FSK, application of cAMP-AM or inhibition of PDE-4. The inhibition of ERK1/2 phosphorylation was mimicked by UTP and abolished with the PLC inhibitor U73122 or by chelating intracellular Ca2+ with BAPTA-AM. These results point to an important role for both cAMP and Ca2+ signaling in the pathway leading to a decrease in ERK1/2 phosphorylation. This study encourages the idea that A2BAR could be used as target in cancer therapy. But A2BAR did not only stimulate signaling cascades associated with cell survival and proliferation reduction, but also key phases relevant in angiogenesis like Ca2+ mobilization (Kohn et al., 1995). Whereas the potency toward AC and Ca2+ are similar for the diverse agonists, the potency to promote ERK1/2 reduction is much higher. Interestingly, the proliferation of MDA-MB-231 cells is inhibited by low nanomolar agonist concentration which is inactive in Ca2+ mobilization. This means that it is certainly possible to reduce the proliferation without promoting angiogenesis. LUF6210 is particularly interesting when considering that it preferentially stimulates a reduction in ERK1/2 phosphorylation over Ca2+ and therefore may not promote angiogenesis. LUF6210 is therapeutically appealing as adjuvant in treatment of cancer. Given that stimulation of AC can activate a reduction of ERK1/2 phosphorylation and proliferation in cancer cells, agonist bias toward Gs-AC-PKA-mediated ERK1/2 inhibition represent a potential therapy of various malignancies. The fact that the reduction of ERK1/2 phosphorylation followed by reduced proliferation observed in MDA-MB-231 cells were mediated by the activation of the A2BAR illustrates the importance of this receptor subtype in cancer. A2BARs must be considered as a key factor in cancer treatment and deserve attention for the development of new therapeutic strategies.
N2  - Adenosin reguliert eine Reihe physiologischer Funktionen über die vier ARs, die zur Familie der GPCR gehören. Adenosin beeinflusst das Zellwachstum sowohl positiv als auch negativ. Dabei spielen die MAPK eine wichtige Rolle. Diverse Studien haben gezeigt, dass die Aktivierung alle ARs Subtypen zur Phosphorylierung der MAPK ERK1/2 führt. Es gibt immer mehr Hinweise auf die Beteiligung des A2BAR am Wachstum und der Progression von Tumoren. Die MDA-MB-231 Brustkrebszellen weisen eine hohe Expressionsrate des A2BAR als einzige ARs Subtypen auf. Zusätzlich zu AC-Aktivierung und intrazellulärer Ca2+-Freisetzung führt die Stimulation des A2BAR der MDA-MB-231-Brustkrebszellen zur Reduktion der ERK1/2 Phosphorylierung. NECA, der unselektive AR-Agonist, führt zu einer zeit- und konzentrationsabhängigen Inhibition der ERK1/2 Phosphorylierung. Auch eine signifikante Reduktion der Proliferation der MDA-MB-231 Brustkrebszellen wurde beobachtet. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass A2BARs das Wachstum von MDA-MB-231 Zellen hemmen, indem sie die Aktivierung des ERK1/2 reduzieren, was in gutem Einklang mit den Ergebnissen von (Dubey et al., 2005) steht. Diese Ergebnisse unterstützen die Ansicht, dass die Aktivierung von A2BAR das Wachstum von bestimmten Arten von Krebszellen hemmt, und wiederspricht dem fördernden Effekt des Wachstums von A2BAR beschrieben in (Fernandez-Gallardo et al., 2016). Die AC-Aktivierung durch Forskolin erhöht den Effekt des Chemotherapeutikums Doxorubicin in TNBC Zellen. Darüber hinaus erhöhte Forskolin auch die Empfindlichkeit von MDA-MB-231 und MDA-MB-468 TNBC auf 5-Fluorouracil und Taxol (Illiano et al., 2018) und bestätigt die anti-Krebs-Aktivität von reduzierter ERK1/2 Phosphorylierung, die von cAMP/PKA abhängig ist. Ähnlich zu diesen Studien reduziert sowohl eine Behandlung der MDA-MB-231 Zellen mit Forskolin oder mit cAMP-AM, als auch Hemmung der PDE-4 die ERK1/2 Phosphorylierung. Die durch A2BAR-vermittelte Reduktion der pERK1/2 ist in Anwesenheit des PKA Inhibitors H89 gehemmt. Die Reduktion der ERK1/2 Phosphorylierung wurde durch den PLC-Inhibitor U73122 und den Ca2+ Chelator BAPTA-AM gehemmt. Außerdem induziert die Ca2+ Freisetzung bei UTP die Reduktion der ERK1/2 Phosphorylierung. Diese Ergebnisse weisen auf eine wichtige Rolle von cAMP und Ca2+ in der A2BAR-vermittelten Hemmung der ERK1/2 Phosphorylierung hin. Eine solche Abnahme kann als Folge der Hemmung einer Kinase oder Stimulation einer Phosphatase auftreten. Wir untersuchten die MKPs, ein negativer Regulator der MAPK-Aktivität. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Stimulation des A2BAR in MDA-MB-231 Zellen zu erhöhter MKP-1 und MKP-2 Expression führt. Dieser Effekt bietet einen neuartigen Mechanismus für die A2BAR-vermittelte Reduktion der ERK1/2 Phosphorylierung. Der A2BAR und die induzierten Phosphatasen MKP-1 und MKP-2 könnten daher interessant für die Hemmung der Proliferation schnell wachsender Krebszellen sein. Auch wenn die Hemmung von Phosphatasen Aktivitäten die Reduktion der ERK1/2 Phosphorylierung rückgängig macht, deuten unsere Ergebnisse auf eine Beteilung der c-Raf-1 in der Reduktion der ERK1/2 Phosphorylierung hin. Es konnte gezeigt werden, dass die Aktivierung der -AR Rezeptoren ähnliche Signale wie A2BAR in MDA-MB-231 Zellen regulieren. Daher kann die Reduktion der ERK1/2 Phosphorylierung in MDA-MB-231 Zellen den Gs-gekoppelten Rezeptoren zugeordnet werden. A2BAR stimuliert auch eine Ca2+-Antwort, die mit der Angiogenese in Verbindung gebracht wird (Kohn et al., 1995). Interessanterweise ist das Wachstum von MDA-MB-231 Zellen mit nanomolare NECA Konzentration gehemmt, wobei diese in der Ca2+-Mobilisierung inaktiv ist, so dass das Wachstum gehemmt werden kann, ohne dabei die Angiogenese zu fördern. LUF6210 ruft kein Ca2+ Signal hervor und ist daher von Bedeutung, wenn man bedenkt, dass es die ERK1/2 Phosphorylierung redurziert aber die Angiogenese nicht beeinflusst. LUF6210 ist deshalb therapeutisch ansprechend in der Behandlung von Krebs. Angesichts der Tatsache, dass die Stimulation der AC die Reduktion der ERK1/2-Phosphorylierung und der Proliferation in Krebszellen aktiviert, sind selective Gs-AC-PKA Agonisten erforderlich in der Therapie verschiedener maligner Erkrankungen.
KW  - Adenosinrezeptor
KW  - A2B adenosine receptor
KW  - Brustkrebs
KW  - CAMP production
KW  - intracellular calcium release
KW  - reduction of ERK1/2 phosphorylation
KW  - reduction of cells proliferation
KW  - A2BAR
KW  - induzierte Phosphatasen MKP-1 und MKP-2
KW  - Hemmung der Proliferation schnell wachsender Krebszellen
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-209655
ER  -