TY  - THES
A1  - Bergmann Borges, Alyssa
T1  - The endo-lysosomal system of \(Trypanosoma\) \(brucei\): insights from a protist cell model
T1  - Das Endo-lysosomale System von \(Trypanosoma\) \(brucei\): Erkenntnisse aus einem Protisten-Zellmodell
N2  - Most of the studies in cell biology primarily focus on models from the opisthokont group of eukaryotes. However, opisthokonts do not encompass the full diversity of eukaryotes. Thus, it is necessary to broaden the research focus to other organisms to gain a comprehensive understanding of basic cellular processes shared across the tree of life. In this sense, Trypanosoma brucei, a unicellular eukaryote, emerges as a viable alternative. The collaborative efforts in genome sequencing and protein tagging over the past two decades have significantly expanded our knowledge on this organism and have provided valuable tools to facilitate a more detailed analysis of this parasite. Nevertheless, numerous questions still remain. 
The survival of T. brucei within the mammalian host is intricately linked to the endo-lysosomal system, which plays a critical role in surface glycoprotein recycling, antibody clearance, and plasma membrane homeostasis. However, the dynamics of the duplication of the endo-lysosomal system during T. brucei proliferation and its potential relationship with plasma membrane growth remain poorly understood. Thus, as the primary objective, this thesis explores the endo-lysosomal system of T. brucei in the context of the cell cycle, providing insights on cell surface growth, endosome duplication, and clathrin recruitment. In addition, the study revisits ferritin endocytosis to provide quantitative data on the involvement of TbRab proteins (TbRab5A, TbRab7, and TbRab11) and the different endosomal subpopulations (early, late, and recycling endosomes, respectively) in the transport of this fluid-phase marker. Notably, while these subpopulations function as distinct compartments, different TbRabs can be found within the same region or structure, suggesting a potential physical connection between the endosomal subpopulations. The potential physical connection of endosomes is further explored within the context of the cell cycle and, finally, the duplication and morphological plasticity of the lysosome are also investigated. Overall, these findings provide insights into the dynamics of plasma membrane growth and the coordinated duplication of the endo-lysosomal system during T. brucei proliferation. The early duplication of endosomes suggests their potential involvement in plasma membrane growth, while the late duplication of the lysosome indicates a reduced role in this process. The recruitment of clathrin and TbRab GTPases to the site of endosome formation supports the assumption that the newly formed endosomal system is active during cell division and, consequently, indicates its potential role in plasma membrane homeostasis. 
Furthermore, considering the vast diversity within the Trypanosoma genus, which includes ~500 described species, the macroevolution of the group was investigated using the combined information of the 18S rRNA gene sequence and structure. The sequence-structure analysis of T. brucei and other 42 trypanosome species was conducted in the context of the diversity of Trypanosomatida, the order in which trypanosomes are placed. An additional analysis focused on Trypanosoma highlighted key aspects of the group’s macroevolution. To explore these aspects further, additional trypanosome species were included, and the changes in the Trypanosoma tree topology were analyzed. The sequence-structure phylogeny confirmed the independent evolutionary history of the human pathogens T. brucei and Trypanosoma cruzi, while also providing insights into the evolution of the Aquatic clade, paraphyly of groups, and species classification into subgenera.
N2  - Die meisten Studien in der Zellbiologie konzentrieren sich in erster Linie auf Modelle aus der Opisthokont-Gruppe der Eukaryonten. Die Opisthokonten umfassen jedoch nicht die gesamte Vielfalt der Eukaryonten. Daher ist es notwendig, den Forschungsschwerpunkt auf andere Organismen auszuweiten, um ein umfassendes Verständnis grundlegender zellulärer Prozesse zu erlangen, die im gesamten Lebensbaum vorkommen. In diesem Sinne stellt Trypanosoma brucei, ein einzelliger Eukaryote, eine brauchbare Alternative dar. Die gemeinsamen Anstrengungen bei der Genomsequenzierung und der Markierung von Proteinen in den letzten zwei Jahrzehnten haben unser Wissen über diesen Organismus erheblich erweitert und wertvolle Instrumente für eine detailliertere Analyse dieses Parasiten bereitgestellt. Dennoch bleiben noch zahlreiche Fragen offen. 
Das Überleben von T. brucei im Säugetierwirt ist eng mit dem endo-lysosomalen System verknüpft, das eine entscheidende Rolle beim Recycling von Oberflächenglykoproteinen, der Antikörper-Clearance und der Homöostase der Plasmamembran spielt. Die Dynamik der Verdoppelung des endo-lysosomalen Systems während der Vermehrung von T. brucei und seine mögliche Beziehung zum Wachstum der Plasmamembran sind jedoch noch wenig bekannt. In dieser Arbeit wird daher das endo-lysosomale System von T. brucei im Kontext des Zellzyklus untersucht, um Erkenntnisse über das Wachstum der Zelloberfläche, die Verdopplung der Endosomen und die Clathrin-Rekrutierung zu gewinnen. Darüber hinaus wird in der Studie die Ferritin-Endozytose erneut untersucht, um quantitative Daten über die Beteiligung der TbRab-Proteine (TbRab5A, TbRab7 und TbRab11) und der verschiedenen endosomalen Subpopulationen (frühe, späte bzw. Recycling-Endosomen) am Transport dieses Flüssigphasenmarkers zu erhalten. Bemerkenswert ist, dass diese Subpopulationen zwar als unterschiedliche Kompartimente fungieren, aber verschiedene TbRabs in derselben Region oder Struktur gefunden werden können, was auf eine mögliche physische Verbindung zwischen den endosomalen Subpopulationen hindeutet. Die potenzielle physikalische Verbindung von Endosomen wird im Zusammenhang mit dem Zellzyklus weiter erforscht, und schließlich werden auch die Verdopplung und die morphologische Plastizität des Lysosoms untersucht. Insgesamt bieten diese Ergebnisse Einblicke in die Dynamik des Plasmamembranwachstums und die koordinierte Verdopplung des endo-lysosomalen Systems während der Proliferation von T. brucei. Die frühe Verdoppelung der Endosomen deutet auf ihre mögliche Beteiligung am Plasmamembranwachstum hin, während die späte Verdoppelung der Lysosomen auf eine geringere Rolle in diesem Prozess hindeutet. Die Rekrutierung von Clathrin- und TbRab-GTPasen an der Stelle der Endosomenbildung unterstützt die Annahme, dass das neu gebildete endosomale System während der Zellteilung aktiv ist, und deutet folglich auf seine potenzielle Rolle bei der Homöostase der Plasmamembran hin. 
In Anbetracht der enormen Vielfalt innerhalb der Gattung Trypanosoma, die etwa 500 beschriebene Arten umfasst, wurde die Makroevolution der Gruppe anhand der kombinierten Informationen der 18S rRNA-Gensequenz und Struktur untersucht. Die Sequenz-Struktur-Analyse von T. brucei und anderen 42 Trypanosomen-Arten wurde im Zusammenhang mit der Vielfalt der Trypanosomatida, der Ordnung, in die Trypanosomen eingeordnet werden, durchgeführt. Eine zusätzliche Analyse, die sich auf Trypanosoma konzentrierte, hob Schlüsselaspekte der Makroevolution dieser Gruppe hervor. Um diese Aspekte weiter zu erforschen, wurden zusätzliche Trypanosomenarten einbezogen und die Veränderungen in der Topologie des Trypanosoma-Baums analysiert. Die Sequenz-Struktur-Phylogenie bestätigte die unabhängige Evolutionsgeschichte der humanen Krankheitserreger T. brucei und Trypanosoma cruzi, während sie gleichzeitig Einblicke in die Evolution der aquatischen Klade, die Paraphylie von Gruppen und die Klassifizierung der Arten in Untergattungen lieferte.
KW  - 18S rRNA
KW  - Endocytose
KW  - Zellzyklus
KW  - Phylogenie
KW  - Endocytosis
KW  - Cell cycle
KW  - Trypanosoma
KW  - Phylogeny
KW  - Sequence-Structure
KW  - Endosomes
KW  - Lysosome
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-329248
ER  - 
TY  - THES
A1  - Grob, Robin
T1  - The Function of Learning Walks of \({Cataglyphis Ants}\): Behavioral and Neuronal Analyses
T1  - Die Funktion der Lernläufe in \(Cataglyphis\) Ameisen: eine Studie des Verhaltens und der neuronalen Auswirkungen
N2  - Humans and animals alike use the sun, the moon, and the stars to guide their ways.
However, the position of celestial cues changes depending on daytime, season, and
place on earth. To use these celestial cues for reliable navigation, the rotation of the
sky has to be compensated. While humans invented complicated mechanisms like the
Antikythera mechanism to keep track of celestial movements, animals can only rely on
their brains. The desert ant Cataglyphis is a prime example of an animal using celestial
cues for navigation. Using the sun and the related skylight polarization pattern as a
compass, and a step integrator for distance measurements, it can determine a vector
always pointing homewards. This mechanism is called path integration. Since the sun’s
position and, therefore, also the polarization pattern changes throughout the day,
Cataglyphis have to correct this movement. If they did not compensate for time, the
ants’ compass would direct them in different directions in the morning and the evening.
Thus, the ants have to learn the solar ephemeris before their far-reaching foraging
trips.
To do so, Cataglyphis ants perform a well-structured learning-walk behavior during the
transition phase from indoor worker to outdoor forager. While walking in small loops
around the nest entrance, the ants repeatedly stop their forward movements to perform
turns. These can be small walked circles (voltes) or tight turns about the ants’ body
axes (pirouettes). During pirouettes, the ants gaze back to their nest entrance during
stopping phases. These look backs provide a behavioral read-out for the state of the
path integrator. The ants “tell” the observer where they think their nest is, by looking
back to it. Pirouettes are only performed by Cataglyphis ants inhabiting an environment
with a prominent visual panorama. This indicates, that pirouettes are performed to
learn the visual panorama. Voltes, on the other hand, might be used for calibrating the
celestial compass of the ants.
In my doctoral thesis, I employed a wide range of state-of-the-art techniques from
different disciplines in biology to gain a deeper understanding of how navigational
information is acquired, memorized, used, and calibrated during the transition phase
from interior worker to outdoor forager. I could show, that celestial orientation cues that
provide the main compass during foraging, do not guide the ants during the look-backbehavior
of initial learning walks. Instead Cataglyphis nodus relies on the earth’s
magnetic field as a compass during this early learning phase. While not guiding the
ants during their first walks outside of the nest, excluding the ants from perceiving the
natural polarization pattern of the skylight has significant consequences on learning-related
plasticity in the ants’ brain. Only if the ants are able to perform their learning-walk
behavior under a skylight polarization pattern that changes throughout the day,
plastic neuronal changes in high-order integration centers are induced. Especially the
mushroom bogy collar, a center for learning and memory, and the central complex, a
center for orientation and motor control, showed an increase in volume after learning
walks. This underlines the importance of learning walks for calibrating the celestial
compass. The magnetic compass might provide the necessary stable reference
system for the ants to calibrate their celestial compass and learn the position of
landmark information. In the ant brain, visual information from the polarization-sensitive
ocelli converge in tight apposition with neuronal afferents of the mechanosensitive
Johnston’s organ in the ant’s antennae. This makes the ants’ antennae an interesting
candidate for studying the sensory bases of compass calibration in Cataglyphis ants.
The brain of the desert navigators is well adapted to successfully accomplish their
navigational needs. Females (gynes and workers) have voluminous mushroom bodies,
and the synaptic complexity to store large amount of view-based navigational
information, which they acquire during initial learning walks. The male Cataglyphis
brain is better suited for innate behaviors that support finding a mate.
The results of my thesis show that the well adapted brain of C. nodus ants undergoes
massive structural changes during leaning walks, dependent on a changing celestial
polarization pattern. This underlies the essential role of learning walks in the calibration
of orientation systems in desert ants.
N2  - Die Gestirne helfen nicht nur Menschen uns zurecht zu finden, sondern auch Tiere
können Sonne, Mond und Sterne für Navigation nutzen. Dabei gilt es aber zu
beachten, dass die Himmelskörper ihre Position abhängig von der Tageszeit, den
Jahreszeiten und dem Standort auf der Erde verändern. Um anhand von
Himmelseigenschaften erfolgreich navigieren zu können, ist es deshalb unerlässlich
diese Himmelsrotation zu kennen und für sie zu kompensieren. Menschen haben dafür
bereits in der Antike komplizierte Maschinen wie den Antikythera Mechanismus
entwickelt, Tiere dagegen brauchen nur ihr Gehirn. Wüstenameisen der Galtung
Cataglyphis sind kleine Meisternavigatoren. Sie benutzen einen Himmelskompass,
basierend auf der Sonne und dem mit ihr assoziierten Polarisationsmuster des
Himmels, und einen Schrittintegrator, um einen Vektor zu bestimmen, der immer
genau zu ihrem Ausgangspunkt zurück zeigt. Dieser Orientierungsmechanismus heißt
Wegintegration. Da sich allerdings die Position der Sonne am Himmel und damit auch
das Polarisationsmuster des Himmels über den Tag verändern, muss Cataglyphis für
diese Veränderung kompensieren. Würde sie das nicht tun, würde ihr Kompass
morgens in eine ganz andere Richtung als abends zeigen. Deshalb müssen Ameisen
den Sonnenverlauf erlernen bevor sie zu ihren weitläufigen Futtersuchläufen
aufbrechen. Cataglyphis führt dazu ein strukturiertes Lernlaufverhalten durch während
des Übergangs von Innendiensttier zu Sammlerinnen. Dabei laufen die Ameisen in
kleinen Schlaufen um ihren Nesteingang und stoppen ihre Vorwärtsbewegung
mehrmalig, um Drehungen durchzuführen. Diese Drehungen sind entweder kleine
gelaufene Kreise (Volten) oder Drehungen um die eigene Achse (Pirouetten). Nur
Cataglyphis, die Gegenden mit einem reichhaltigen visuellen Panorama bewohnen,
führen Pirouetten aus bei denen sie zurück zu ihrem Nesteingang schauen. Dies legt
nahe, dass während Pirouetten das Panorama gelernt wird. Während Volten wird wohl
der Himmelskompass kalibriert. Die Rückdrehungen während ihrer Lernläufe geben
die einmalige Möglichkeit, die Ameise zu „fragen“ wo sie denkt, dass ihr Nest sei und
damit ihren Wegintegrator auszulesen.
In meiner Doktorarbeit kombinierte ich viele biologischen Methoden unterschiedlicher
Disziplinen um zu untersuchen wie die Ameisen ihre Navigationssysteme während der
ersten Läufe außerhalb des Nestes erlernen, speichern, kalibrieren und später nutzen.
Ich konnte zeigen, dass Himmelsinformationen, die bei Sammlerinnen als wichtigster
4
Kompass dienen, nicht für die Orientierung der Rückblicke während Lernläufen dienen.
Stattdessen nutzten naive Cataglyphis nodus das Erdmagnetfeld als Kompass.
Obwohl Himmelsinformationen nicht als Kompass während der Lernläufe genutzt
werden, spielen sie eine essentielle Rolle für neuroplastische Veränderungen im
Gehirn der Ameisen. Nur wenn Ameisen ihre Lernläufe unter einem
Polaristaionsmuster, das sich über den Tag hinweg verändert, ausführen, kommt es
zu plastischen Veränderungen in neuronalen Integrationszentren. Besonders die
Pilzkörper, Zentren für Lernen und Gedächtnis, und der Zentralkomplex, Zentrum für
Orientierung und Bewegungssteuerung, nehmen im Volumen nach Lernläufen zu.
Lernläufe spielen also eine wichtige Rolle für die Kalibrierung der
Navigationsinformationen. Das Erdmagnetfeld könnte das für die Kalibierung
notwendige erdgebundene, stabile Referenzsystem bieten, an dem die
Himmelsbewegung gelernt wird. Im Ameisengehirn laufen visuelle Informationen von
den polarisatiossensitiven Ocelli mit Afferenzen des mechanosensitiven
Johnstonschen Organ aus der Antenne zusammen. Die Antenne könnte daher eine
wichtiges Organ für die Kalibrierung der Orientierungssysteme sein. Das kleine Gehirn
der Ameisen ist bestens an ihre Anforderungen als große Navigatoren angepasst.
Weibliche C. nodus (Arbeiterinnen und Königinnen) besitzen große Pilzkörper mit einer
Anzahl an Synapsen, die es ihnen erlaubt eine Vielzahl von Umgebungsbildern zu
speichern, die sie während ihrer initialen Lernläufe lernen müssen. Das männliche
Cataglyphis-Gehirn ist besser auf angeborene Orientierungsstrategien angepasst, die
ihm helfen einen Geschlechtspartner zu finden.
Die Ergebnisse meiner Doktorarbeit zeigen, dass das an die navigatorischen
Herausforderungen angepasste Gehirn von C. nodus signifikante neuronale
Veränderungen in Abhängigkeit eines sich veränderten Polaristaionsmusters während
der Lernläufe erfährt. Dies zeigt die essentielle Rolle der Lernläufe in der Kalibrierung
der Navigationssysteme von Wüstenameisen.
KW  - Cataglyphis
KW  - Kompass
KW  - Navigation
KW  - Nahrungserwerb
KW  - Neuroethologie
KW  - Neuroethology
KW  - Polyethism
KW  - Learning Walk
KW  - Geomagnetic Field
KW  - Learning & Memory
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-290173
ER  -